Growth of Rhenium Disulfide(ReS2) Nanosheets at Low Temperature And Performance of All-Polymer Solar Cells Using Non-Halogenated Solvents and Additives

Abstract

In chapter I, effective synthesis of rhenium disulphide (ReS2) nanosheets using ReCl3 and S powder as a precursor is introduced. To find optimal condition of ReS2 synthesis, we controlled three parameters, temperature (350 ̊C, 400 ̊C, 450 ̊C, 500 ̊C, 550 ̊C, and 600 ̊C), flow gas (He and Ar), and substrate (SiO2, Si, sapphire with C-plane, and sapphire with R-plane). The synthesized ReS2 nanosheets at each condition were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, atomic force microscopy (AFM), high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to study morphology, crystallinity, and structure of grown ReS2 nanosheets. As a result, ReS2 nanosheets with a few layers were well grown at 450 ̊C with He as a flow gas and SiO2 as a substrate. This study demonstrates that ReS2 nanosheets can be synthesized even at low temperature, 450 ̊C, while synthesizing temperature was over 600 ̊C in previous studies. In chapter II, non-halogenated solvents and additives systems are applied to PTB7-Th:PNDI2HD-T all-polymer solar cells (APSCs). Photovoltaic property dependence of active layers processed from five additives, 1,2,4-trimethylbenzene (TMB, bp 169 ̊C), indan (IN, bp 176.5 ̊C), tetralin (TN, bp 207 ̊C), diphenyl ether (DPE, bp 258 ̊C), and dibenzyl ether (DBE, bp 298 ̊C), with o-xylene (XY, bp 144 ̊C) as a main solvent has been studied. Photovoltaic performances decreased in the order of XY+TN>XY+DPE>XY>XY+DBE>XY+TMB>XY+IN. In addition, PCEs of APSCs fabricated with non-halogenated solvents and additives were higher than PCEs of APSCs fabricated with a halogenated solvent and additive system of chloroform(CF)+1,8-diiodooctane(DIO). The correlation between photovoltaic performances and charge lifetime was revealed by transient photovoltage (TPV) measurement. Moreover, various analysis was conducted in this study to investigate morphology of polymer blend, charge mobility, and quenching efficiency, such as atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), two-dimensional grazing incidence X-ray spectroscopy (2D GIXD), and photoluminescence spectroscopy. These results demonstrate that non-halogenated solvent systems formed better morphology of polymer blend which were exhibited higher PCEs than halogenated solvent system. Moreover, the non-halogenated additives controlled the morphology which had correlation with charge lifetime and mobility.;1장에서는 레늄클로라이드와 황 가루를 전구체로 사용한 효율적인 레늄다이설파이드 나노시트 합성 방법에 대하여 소개하고 있다. 적절한 레늄다이설파이드의 합성 조건을 찾기 위하여 온도(350℃, 400℃, 450℃, 500℃, 550℃, 600℃)와, 기체 (헬륨, 아르곤), 기판(실리콘옥사이드, 실리콘, 사파이어 C면, 사파이어 R면)을 제어하였다. 각 조건에서 합성된 레늄다이설파이드 나노시트는 형태와 SEM과 XRD, Raman 분광법, AFM, HR-TEM, XPS를 사용하여 자란 그 형태와 결정성, 구조를 파악하였다. 그 결과, 몇 개의 층으로 구성된 레늄다이설파이드 나노시트는 실리콘옥사이드 기판 위에 헬륨 기체를 통해 450℃에서 가장 잘 성장하였다. 이 연구는 레늄다이설파이드 나노시트가 이전 연구에서는 600℃ 이상의 합성 온도가 필요했지만 더 낮은 온도인 450℃에서도 합성이 가능함을 증명하였다. 2장에서는 비할로겐 용매와 첨가제를 PTB7-Th:PNDI2HD-T all-polymer 태양전지에 적용하였다. 우리는 광활성층의 형태가 XY 용매에 첨가된 TMB와 IN, TN, DPE, DBE에 따른 의존성에 대하여 분석하였다. 몇몇 첨가제에서는 XY+TN>XY+DPE>XY 순서로 광전지 성능이 향상되었다. 반면, 몇몇 첨가제에서는 XY>XY+DBE>XY+TMB>XY+IN 순서로 광전지 성능이 감소하였지만, 비할로겐 용매와 첨가제를 이용하여 만든 all-polymer 태양전지가 할로겐 용매와 첨가제인 CF+DIO를 이용하여 만든 all-polymer 태양전지보다 효율이 높았다. 광전지 성능과 전하의 수명 간의 연관성은 TPV 측정을 통해 밝혔다. 또한, 고분자 블렌드의 형태와 전하의 이동성, quenching 효율에 대해서 조사하기 위해 AFM, TEM, 2D GIXD, PL 등 다양한 분석을 진행하였다. 이러한 분석을 통해 비할로겐 용매와 첨가제가 더 높은 효율을 가지는 고분자 블랜드 형태를 만들고, 이는 전하의 수명과 이동성과 연관성이 있음을 제시하였다.