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Solution Processed Polymer/PCBM Bilayer Organic Photovoltaics Having Large Heterojunction Area

Solution Processed Polymer/PCBM Bilayer Organic Photovoltaics Having Large Heterojunction Area
Issue Date
대학원 화학·나노과학과
이화여자대학교 대학원
Bilayer Organic Photovoltaic (OPV) cell is more straightforward than bulk heterojunction since each layer can be optimized independently by depositing electron donating polymer/accepting PCBM sequentially. However, bilayer has small heterojunction area at the donor/acceptor interface. Consequently, the exciton dissociation efficiency is significantly lower than that of bulk heterojunction. To overcome this difficulty, in the previous studies, it was found that the nano-scale heterojunction was formed through the thermal annealing or stamping of donor/acceptor bilayer film. In this study, report a new method to construct bilayer, P3HT or PTB7 bottom-layer/ PC_(61)BM or PC_(71)CM top-layer, having nano-scale heterojunction by utilizing co-solvent method. Use 1-chloronaphthalene (CN) and 1,8-diiodooctane (DIO) with a high boiling point and low vapor pressure as the additive in polymer based chlorobenzene (CB) solution for ordering agent. The roughness of the polymer bottom-layer is greatly enhanced by ordering agent. Consequently, the roughened polymer forms nano-scale heterojunction with PCBM top-layer without thermal annealing or stamping process, which results in the enhanced charge separation and transport efficiency. The bilayer OPV cells show comparable power conversion efficiency to bulk heterojunction type solar cell. The photovoltaic performance of the bilayer film is studied with the device structure of PEDOT:PSS/P3HT or PTB7/PC_(61)BM or PC_(71)BM/LiF or TiO_(2)/Al. The best P3HT and PTB7 bilayer OPV cells show V_(OC) of 0.62 V, J_(SC) of 7.89 mA∙cm^(-2) and FF of 0.65, corresponding to PCE of 3.25%, and V_(OC) of 0.76 V, J_(SC) of 14.8 mA∙cm^(-2) and FF of 0.64, corresponding to PCE of 7.23%, respectively. Furthermore, PTB7 bilayer devices are achieved PCE of 7.63% by optimization.;이층박막 유기 태양전지는 순차적으로 고분자 전자 공여층과 PCBM 전자 수용층을 형성함으로써 독립적으로 각각의 층을 최적화 할 수 있기 때문에 벌크 이중접합 구조보다 효울 개선이 더 간단하다. 그러나 전자 공여층과 수용체 사이의 계면적이 작은 단점이 있다. 이 때문에 엑시톤 해리 효율이 벌크 이중접합 유기 태양전지 보다 현저히 낮은 한계점을 갖고 있다. 이와 같은 문제를 극복하기 위해, 이전의 연구에서는 전자 공여층 및 수용층의 열처리 또는 모양 찍어내기 등을 통해 나노 크기의 이중 접합 구조를 형성하였다. 하지만 이 연구에서는 조 용매의 첨가를 이용하여 하층부의 P3HT 또는 PTB7과 상층부의 PC_(61)BM 또는 PC_(71)CM 사이에 나노 크기의 계면을 구성하는 새로운 방법을 보고한다. 주 용매 클로로벤젠으로 이루어진 고분자 용액에 높은 끓는점과 낮은 증기압을 갖는 1-클로로나프탈렌과 1,8-다이오도옥테인을 첨가한다. 이를 코팅한 하층부의 고분자 표면은 첨가제에 의해 거칠기가 높아진다. 결과적으로 열처리 또는 모양 찍어내기 과정 없이도 상층부의 PCBM과 나노 크기의 계면적을 형성하여 향상된 전하 분리 및 전송 효율을 보이며 이는 벌크 이중접합 유기 태양전지에 준하는 전력 변환 효율을 나타낸다. 이 연구를 통해 얻어진 가장 높은 소자 특성은 P3HT 이층박막 유기 태양전지의 경우, 0.62 V 의 개방 회로 전압, 7.89 mA•cm^(-2) 의 단락 전류 밀도, 0.65 의 필 팩터 에 따른 3.25% 의 전력 변환 효율 이며 PTB7 이층박막 유기 태양전지의 경우 0.76 V 의 개방 회로 전압, 14.8 mA•cm^(-2) 의 단락 전류 밀도, 0.64 의 필 팩터에 따른 7.2% 의 전력 변환 효율이다. 이후 PTB7 이층박막 유기 태양전지의 조건 최적화를 통하여 7.63% 의 전력 변환 효율을 달성하였다.
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