Studies of long term stability and the way to broaden the spectral response of small molecule based organic photovoltaics

Abstract

To commercialize the organic photovoltaics, there are something to be improved– low efficiency, low reproducibility and low stability. In this thesis, to alleviate the reproducibility problem caused by using polymers as donor materials, small molecule based solar cells were studied. And to achieve high efficiency, the ways to cover the effect of the rough active layer and a method to enhance the spectral response were tried. Also the long term stabilities of small molecule solar cells were studied. In the first chapter, DTS(FBTTh_(2))_(2) was used as a small molecule donor of the device. To relieve the influence of a rough active layer due to the high concentration of active solution, first, pre-heating time of active solution at 105 °C was changed from 30 minutes to 120 minutes. Also the thickness of a hole-transport layer which covers an active layer was used as another variable. With these optimized conditions, the devices were fabricated and the long term stabilities of the devices were tested for 1000 hours under 2 conditions – a damp heat condition (80 °C, 80 RH%) and a light soaking condition (65 °C, 1 sun). To clarify that the results of 1000-hour-tests were mainly contributed by chemical changes or morphological effects, properties of the devices were analyzed by UV-visible absorbance, TEM and AFM. In the second chapter, ‘tetrabenzoporphyrin (BP)’ was used as a small molecule donor. Porphyrin strongly absorbs the light near 400 nm (Soret band) and 700 nm (Q band), however it cannot efficiently utilize the light between 450 to 650 nm. So we tried to use the porphyrin and poly(3-hexylthiophene) (P3HT) together which have complementary absorption spectra. And there are 2 features of BP, that solution-processible precursor tetrabicycloporphyrin (CP) can be thermally converted to BP and BP is insoluble to most organic solvent. Using these features, a new type of bilayer structure was tried (Figure 14). To check the enhanced ability to utilize the light, the incident photon to current efficiency (IPCE) was measured from 300 to 800 nm. And to figure out the other effects introducing BP as a bottom layer for a P3HT:PC_(61)BM bulk heterojunction layer, energy level of materials, AFM and water contact angle was analyzed.;유기태양전지의 상용화를 위해서는 효율과 재현성, 그리고 장기안정성이 향상되어야 한다. 낮은 재현성은 고분자를 전자주개 물질로 사용할 때 야기되므로 본 연구에서는 유기단분자물질을 전자주개 물질로 이용, 소자를 제작하였다. 거친 광활성층표면의 영향을 줄여주는 방법과, 물질의 spectral response를 향상시키는 방법, 그리고 유기단분자 소자의 장기안정성에 대해 연구하였다. 첫 번째 장에서는 DTS(FBTTh_(2))_(2)를 단분자 전자주개 물질로 사용하여 소자를 제작하였다. 이 물질은 고농도의 용액으로 코팅하기에 광활성층 표면이 거칠게 형성된다. 이러한 점을 개선시키기 위해 광활성층 용액의 열처리 시간을 30분부터 120분까지, 광활성층을 덮는 전자수송층의 두께를 5 nm부터 10 nm까지 변화시켜 공정조건을 최적화하였고, 이 조건으로 소자를 제작하여 장기안정성 테스트를 진행하였다. 장기안정성 테스트는 damp heat condition (80 °C, 80 RH%)과 light soaking condition (65 °C, 1 sun) 하에서 1000 시간 동안 측정되었다. 테스트의 결과들이 화학적인 변화에 의한 것인지 내부 모폴로지의 변화에 의한 것인지 확인하기 위해 UV-visible absorbance, transmission electron microscope (TEM), atomic force microscope (AFM) 을 통해 분석하였다. 두 번째 장에서는 tetrabenzoporphyrin (BP)가 단분자 전자주개 물질로 이용되었다. 포피린은 400 nm 부근 (Soret band) 과 700 nm 부근 (Q band) 을 강하게 흡수하지만 450 ~ 600 nm 의 빛은 잘 이용하지 못한다. 그래서 본 연구에서는 포피린과 상호보완적인 흡수스펙트럼을 가지는 poly(3-hexylthiophene) (P3HT)를 함께 사용하여 좀 더 넓은 파장대의 빛을 이용할 수 있는 소자를 제작하였다. 특히 BP가 P3HT:PC_(61)BM의 밑에 존재하는 새로운 복층구조를 시도하였다. 이는 BP가 용액공정이 가능한 전구체인 tetrabicycloporphyrin (CP) 를 열처리함으로써 형성될 수 있다는 특성과 BP는 대부분의 유기용매에 잘 녹지 않는다는 특성 덕에 가능한 구조이다 (Figure 12). 실제로 위 구조를 도입하여 더 넓은 파장대의 빛을 이용하게 되었는지 확인하기 위해 incident photo to current efficiency (IPCE)가 300 ~800 nm 에서 측정되었다. 또한 BP를 P3HT:PC_(61)BM의 아래층으로 사용함으로 생기는 여러 현상에 대해 분석하기 위해 물질들의 에너지레벨, AFM, 그리고 water contact angle 등이 측정되었다.