Improving Stability of Solution Processed Small-molecule Organic Photovoltaics by Understanding Influences on Degradation

Abstract

Small-molecule organic solar cells (OSC) has advantages over polymer based OSCs in terms of material and device reproducibility. However, their chemical and morphological instability should be resolved for the commercialization. In this study, factors influencing the stability of the small-molecule OPVs are investigated. The p-DTS(FBTTh2)2 is used as an electron donating organic semiconductor and PC71BM is used as an electron accepting organic semiconductor for the small-molecule OPV. These materials are mixed to form bulk heterojunction in the solid film and used to fabricate inverted type OPV that is known to show better stability than conventional type OPV. We try to address the possible factors influencing the stability of small-molecule OPVs such as UV light or temperature. The fabricated small-molecule OPVs are tested under the temperature of 25°C, 80°C or 100°C and light soaked at dark, 1 sun, or UV blocked. Morphological and structural analyses are conducted to analyze reasons for the physical and chemical degradations.;벌크 이종접합구조의 유기 태양전지의 광활성층에 사용되는 단분자 물질은 고분자에 비해 분자량 의존도가 낮고 재현성이 높다는 장점을 가진다. 단분자 태양전지의 상용화를 위해서는 안정성 확보가 필수적인데 광 침투 테스트 진행시 초기에 개방회로전압의 급격한 감소에 의한 효율 감소가 나타나는 특징을 보인다. 본 연구에서는 단분자 유기 태양전지의 안정성에 영향을 줄 수 있는 열화 원인을 규명하고 이를 극복하는 방안을 모색하였다. 대표적인 단분자 물질인 p-DTS(FBTTh2)2을 사용한 벌크이중접합구조의 태양전지를 만들어 온도와 빛이 소자 효율에 미치는 영향을 확인하고 다양한 화학적, 물리적 분석을 통한 변화를 관찰하였다. 온도가 높아짐에 따라 단분자 물질의 유동성이 증가할 수 있으며 응집력에 의해 단분자 집합체를 형성하게 된다. 하지만 일정 크기 이상의 결정이 되면 표면적의 감소로 인해 엑시톤 재결합이 증가함으로써 전하가 줄어드는 것을 확인하였다. 빛에 의한 영향을 관찰한 것으로는 비교적 큰 에너지를 가지고 있는 UV 빛을 차단한 실험을 통해 455 nm 이하의 빛이 열화의 직접적인 원인이 될 수 있음을 밝혀내었다. 특히 전자 받개 물질로 사용되는 대표적인 물질인 PC70BM의 경우 455 nm 이하의 자외선 빛을 받게 되면 표면 에너지가 변화하여 단분자와 잘 섞일 수 있게 되었다. 이로 인한 모폴로지 및 결정성 변화로 인해 열화가 발생하였다. 이와 같은 열화를 극복하기 위한 방안으로 열처리를 통한 전하 추출에 적합한 결정 크기를 형성하여 모폴로지를 고정한 후 자외선 차단을 한 광 침투 테스트를 진행하였다. 이를 통해 초기에 큰 영향을 미치는 개방회로전압의 급격한 감소를 막아 234 시간 후까지 열화가 전혀 일어나지 않는 안정한 소자를 확보할 수 있었다.