Impact of 3D Morphology on the Performance of All-Polymer Solar Cells Processed by Environmentally Benign Non-halogenated Solvents

Abstract

화석 연료의 사용으로 인한 기후 변화와 지구 온난화 우려가 증가하고 있다. 따라서 환경 오염을 일으키는 온실 가스 배출을 줄이기 위해 많은 노력이 지속되고 있는데 이러한 관점에서 신재생 에너지는 이에 대한 대안으로 주목받고 있다. 현재 신재생 에너지원으로 사용되고 있는 것은 태양, 물, 바람 등이 있다. 그 중 이번 연구에서는 태양을 이용하는 유기 태양 전지와 물을 이용하는 물분해 반응을 다루었다. 본 연구는 3장으로 이루어져 있다. 1장에서는 유기 태양 전지를 다루었고 2장과 3장에서는 각각 수소 발생 반응과 산소 발생 반응을 다루었다. 1장은 유기 태양 전지 중에서 도너와 억셉터 물질이 모두 폴리머로 이루어진 태양 전지에 대한 연구를 진행했다. 광전지 성능을 향상시키기 위해서는 용매에 따른 광활성 블렌드 필름에 대한 포괄적인 이해가 필요하다. 우리는 PTB7-Th:PNDI2OD-T2 블렌드 필름을 6종류의 용매를 이용하여 제어했다. 광전지 성능은 TOL> XY> CB> CF> DCB> MTP의 순으로 나타났으며 TOL 및 XY 사용시 4% 이상의 높은 전력 변환 효율을 보였다. 광전지 특성과 PTB7-Th:PNDI2OD-T2 블렌드 필름 간의 상관 관계는 2,3차원 재구성 TEM 이미징을 통해 알아낼 수 있었다. 고성능의 TOL 및 XY 기반의 블렌드 필름은 나노 단위의 섬유상의 PNDI2OD-T2가 잘 네트워크를 형성하는 도메인을 포함하는 반면, 다른 용매 기반의 블렌드 필름은 부분적으로 연결이 끊긴 영역을 보유하거나고성능에 불리한 수직 상분리를 보였다. 또한 5 vol% N,N-디메틸아세트아미드를 첨가한 XY 용매를 이용하여 효율을 6.1%로 향상시켰다. 이는 XY만의 블렌드 필름과 비교하여 블렌드 필름의 더 미세한 섬유 구조가 형성되었기 때문이라고 볼 수 있다. 이 연구는 적절한 첨가제를 가진 비할로겐 용매를 사용했을 때 태양 전지 특성에 유리한 모폴로지를 제공함으로써 할로겐 용매에서의 소자 특성을 능가 할 수 있다는 것을 시사한다. 2장에서는 손쉬운 전기 방사법으로 Ir/IrO2 나노 섬유를 합성하고 300, 500, 700, 900℃에 해당하는 4가지 하소 조건을 만들었다. 그리고 하소 온도에 따른 Ir/IrO2 나노 섬유의 수소 발생 반응을 연구 하였다. 그 결과, 하소 온도가 낮으면, 이리듐의 비율이 높아지고, 온도가 증가함에 따라 이리듐 옥사이드의 비율이 높아졌다. 하소 온도가 낮아질수록 전압 전류법에서의 개시 전위가 낮아지면서 수소 발생 반응이 더 빨리 활성화되었고 임피던스와 안정성 실험에서도 이러한 경향성이 동일하게 관찰되었다. 한편, 고온 조건에서 수소 발생 반응의 활성이 지연되는 이유는 환원 전위로 인해 전극 표면의 이리듐 옥사이드가 이리듐으로 변환되었기 때문이라고 해석하였다. 따라서 이리듐의 비율이 가장 높은 300℃의 나노 섬유에서 수소 발생 반응 활성이 가장 좋았고 합성된 Ir/IrO2 나노 섬유는 상업용 Pt와 유사한 전기 특성을 나타내어 고비용의 Pt를 대체 할 수 있다는 가능성을 확인했다. 3장에서는 RuO2 나노 파티클, Ru/RuO2 나노 튜브, RuO2 나노 로드를 Ru/RuO2과 Ir 나노 섬유 위에 올린 RuO2 기반의 나노 구조를 합성하여 산소 발생 반응을 조사하였다. 물리적 특성은 SEM, XRD 및 라만 측정으로 알아보았고 나노 크기의 구조를 합성하면서 활성할 수 있는 표면적이 증가했다. 그리고 나노 구조의 종류에 따른 OER의 촉매 효과 차이를 알아 내기 위해 그리고 전압 전류법과 안정성 실험을 수행했는데 그 결과, RuO2 나노 파티클과 Ru/RuO2 나노 튜브에서 산소 발생 반응이 잘 활성화되었다. 특히, RuO2 나노 파티클은 상용 RuO2이나 Ir/C보다 우수한 촉매 효과를 보였고 다른 연구팀에서의 RuO2 합성 구조보다도 좋은 결과를 보였다. 안정성은 전류 전압법 결과와 동일한 경향을 보였다. 따라서, 본 연구를 통해 합성한 RuO2 나노 구조가 산소 발생 반응 촉매로써 유망한 물질임을 시사한다.;Concerns in climate change and global warming are increasing coupled with the mass use of fossil fuels. We have to reduce the emissions of greenhouse gases that harm the environment. In this respect, renewable energy resources have significant opportunities as alternatives. Renewable energy sources contain sun, water and wind. Especially, we dealt with organic solar cells and water splitting is in this study. There are 3 chapters: chapter 1 corresponds to organic solar cells and chapter 2 and chapter 3 corresponds to hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER), respectively. Both HER and OER are kind of water splitting reaction. In chapter I Advancement of photovoltaic performance in the field of all-polymer solar cells (APSCs) requires a comprehensive understanding on the photoactive blend films depending on processing solvents. Here, we have controlled PTB7-Th:PNDI2OD-T2 blend morphology using six processing solvents of which revealed a spectrum of photovoltaic properties. Photovoltaic performance was exhibited in the order of solvents: TOL>XY>CB>CF>DCB>MTP, while TOL- and XY-used APSCs displayed high power conversion efficiencies (PCEs) over 4%. The correlation between photovoltaic properties and PTB7-Th:PNDI2OD-T2 blend morphologies were clearly visualized by regular two dimensional (2D) and three dimensional (3D) reconstruction TEM imaging. The high-performing TOL- and XY-based blend films contained nanoscopically well-networked fibrous PNDI2OD-T2 polymer domains, whereas the other solvents-based blend films exhibited partly disconnected domains or unfavorable vertical phase separation. Additionally, we improved the PCE to 6.1%, using o-xylene solution containing 5 vol% N,N-dimethylacetamide (DMAc) additive. This large enhancement was attributed to the further finer fibrillary structure in the photoactive blend films compared to the XY only used blend films. This work highlights that non-halogenated solvents with appropriate additives can outperform halogenated solvents in APSCs by affording favorable blend morphology. In chapter II, We synthesized Ir/IrO2 nanofibers via facile electrospinning process and made 4 calcination conditions; 300, 500, 700, and 900℃. And we investigated the hydrogen evolution reaction (HER) through synthesizing Ir/IrO2 nanofibers depending on the calcination temperature. When the calcination temperature was low, the ratio of iridium metal was high and the ratio of iridium oxide increased as the temperature increased. Hydrogen evolution reaction (HER) was activated faster and the onset potential decreased as lowering the calcination temperature. It was also observed in the impedance and stability tests. Meanwhile, we can conclude the reason of delayed HER activity at a high temperature calcination condition is that the iridium oxide on the electrode surface was converted into iridium metal due to the reduction potential. Therefore, the HER effect was the best at the 300℃-calcined nanofibers where the ratio of iridium metal was the highest. In addition, our synthesized Ir/IrO2 nanofibers showed similar electric characteristics to commercial Pt so there is a potential to replace high-cost Pt. In chapter III, we investigated the oxygen evolution reaction (OER) through synthesizing RuO2 based nanostructures such as RuO2 nanoparticles, Ru/RuO2 nanotubes, RuO2 nanorods on Ru/RuO2 nanofibers and RuO2 nanorods on Ir nanofibers. Physical characteristics were studied through SEM, XRD and Raman measurement. Increased surface area was obtained through facile synthesis of nano-scale nanoparticles and nanotubes. Then electrochemical measurements like linear sweep voltammetry and choronopotentiometry were conducted in order to figure out catalytic effect difference in OER depending on the type of nanostructure. As a result, OER was well-activated in RuO2 nanoparticles and Ru/RuO2 nanotubes. Especially, RuO2 nanoparticles showed the best catalytic effect even better than commercial Ru and Ir/C. Furthermore, it was also better than other synthesized RuO2 nanostructures. Stability showed same tendency with linear sweep voltammetry results. Therefore, our result shows RuO2 nanostructures are promising candidates of producing highly active OER catalysts.