Stable Organic Photovoltaics Utilizing Robust Electron Transporting Layers and Synthesis of Hybrid Metal Oxide Nanomaterials

Abstract

In chapter I, we report the greatly enhanced stability of organic photovoltaics (OPVs) by applying a robust electron transporting layer (ETL) composed of crystalline TiO2 nanoparticles (TNPs) bound with a π-π interactive organic ligand. The TNPs bound with π-π interactive ligands possessing a phenyl group (TNP-Ph) formed more robust ETLs than those bound with van der Waals interactive ligands possessing a methyl group (TNP-Me). The OPV device utilizing TNP-Ph maintained 73 % of its initial power conversion efficiency (PCE) after 1000 h of light soaking at 40 °C, whereas the PCE of OPV device with TNP-Me and without TNP substantially reduced to 25 % and 15 % of initial PCE, respectively. It was revealed that the rapid degradation of OPV devices during initial operation under the light soaking condition is not related to the photooxidation or change of bulk morphology of the photoactive layer. However, it is related to the instability of the TNP layer. Impedance and transmission electron microscopy (TEM) analysis showed that the TNP-Ph formed the clearest and most robust interface with a photoactive layer. It was also maintained even after the light soaking test, which was enabled by the strong π-π interaction between phenyl rings of the organic ligand. The TNP-Me bound with van der Waals interactive organic ligands penetrated a photoactive layer after the light soaking test, which led significant reduction of PCE after the light soaking. In chapter II, we report hybrid cerium dioxide (CeO2)-cobalt oxide (Co3O4) nanotubes were successfully prepared via electrospinning process and thermal annealing. To characterize the morphology and crystal structure of the nanotubes, scanning electron microscopy (FE-SEM), High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), energy dispersive spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD), micro Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used. The microscopic measurements illustrates that the nanoparticles constitute of CeO2-Co3O4 nanotubes are homogeneously distributed along the nanotubes so that continuously form the structure of nanotube several micrometers long. In addition, the catalytic activities of electrospun CeO2-Co3O4 hybrid nanotubes for the oxidation of carbon monoxide (CO) have been carefully studied by continuous flow systems. The nanotubes brought about both favorable catalytic activity and catalytic stability for CO oxidation between 150℃ and 200℃ retaining the original catalytic activity without accumulation of reaction intermediates. Since this synthetic process for hybrid CeO2-Co3O4 composite nanotubes is facile, reasonable, and versatile, the new functional platforms of efficiently enhanced catalysts can be developed. In chapter III, the growth of the MoO3 nanorods doped with ReO3 is introduced to this thesis by continuous 2-step atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD). This synthetic method exhibits several favorable features like simplicity, low cost and high crystallinity of the prepared nanomaterials. The morphology and crystal structure of the nanorods were characterized by scanning electron microscopy (FE-SEM), energy dispersive spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD), micro Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Physical characterization indicates that the around 10μm-long MoO3 nanorods were successfully doped with ReO3 without defects by simple chemical vapor deposition. MoO3 nanorods doped with ReO3 are predicted to be highly electrical conductive. Further Electrical conductivity measurements are required to be performed to research applicability. With high electrical conductivity, MoO3 nanorods doped with ReO3 are potentially applicable as a connector in nanoscale semiconductor devices.;이 논문은 크게 견고한 이산화 티타늄 (TiO2) 층을 전자 전달 층으로 적용하여 유기 태양전지의 빛과 열에 대한 장기 안정성을 향상시킨 내용과 결정성을 가진 복합 금속산화물 나노구조물들의 합성과 그 활용 가능성에 관한 내용으로 구성되어 있다. 첫 번째 장에서는 이산화 티타늄 나노 입자 표면을 안정화시키는 유기 물질(킬레이트)의 종류에 따라 유기 태양전지의 장기 안정성을 달라지며, 파이 상호작용을 하는 유기 물질을 사용한 경우 그 안정성을 크게 높일 수 있다는 것을 보였다. 또한, 빛을 쬐어줄 때 소자의 효율이 초기에 급격히 감소하는 것은 광 활성층의 광산화나 고분자와 풀러렌 구조체의 혼합 형태의 변화에서 오는 것이 아니라는 것을 확인하였고, TNP 층의 불안정성과 관련 있다는 사실을 보일 수 있었다. 페닐 고리 구조를 가지는 유기 분자가 결합된 이산화 티타늄 나노 입자(TNP-Ph)의 경우 그 전자 전달 층을 견고하게 유지하여 1000 시간의 빛을 쬐어준 후에도 기존 효율의 73 %를 유지하며 그 안정성을 보였다. 임피던스 분광 (Impedance spectroscopy), 투과 전자 현미경 (TEM) 분석을 통해 TNP-Ph를 사용한 경우 광 활성층과의 계면이 가장 뚜렷하고 견고하다는 것을 보였다. 반데르발스 힘에 의해 상호 작용하는 유기 분자 (TNP-Me)의 경우 1 sun의 빛에 1000 시간 빛에 노출되어 기존 효율의 25 %를 유지하는 것을 확인하였으며, 파이 상호작용을 하는 분자에 비해 약한 상호작용이 TNP를 광 활성층 쪽으로 침투시켜 낮은 안정성을 가지게 하는 것을 확인하였다. 두 번째 장에서는 전기 방사법과 열 처리 방식을 통해 이산화 세륨(CeO2)- 산화 코발트(Co3O4) 나노 튜브를 합성하는 방식에 대해 보고하였으며, 유독 물질인 일산화 탄소(CO)를 산화시키는 촉매로서 활용 가능성을 규명하였다. 합성된 나노 튜브의 모양과 결정 구조는 주사 전자 현미경 (SEM), 에너지 분산형 분석기 (EDX), X선 회절 분석기 (XRD), 라만 분광, 광전자 분광 (XPS)를 통해 분석하였다. 합성된 나노 튜브의 일산화 탄소 산화 촉매 활성은 연속 흐름 장치를 통해 측정하였으며, 150 ℃ 에서 200 ℃ 사이에서 높은 촉매 활성을 갖춘 물질이라는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 촉매로 활용되는 동안에 반응 중간물의 축적 없이 그 효율을 유지하는 안정적인 물질임을 보였다. 이처럼 전기 방사를 통한 혼합 나노구조물의 합성은 간편하고 경제적이며 새로운 촉매를 합성할 수 있는 고기능의 합성 방법으로서의 그 가치가 있다. 세 번째 장에서는 두 단계의 상압에서 화학 증착법으로 산화몰리브덴 (MoO3) 나노 막대를 산화레늄 (ReO3)으로 도핑하는 방식에 대해 보고하였다. 금속 산화물 중 높은 전기 전도도를 갖는 산화레늄을 산화몰리브덴 나노 막대에 물리적으로 도핑하여 산화몰리브덴의 활용성을 높이고자 하였다. 화학 증착법을 통한 합성은 합성된 물질의 높은 결정성을 도입하고, 간단하고 경제적이라는 장점을 가지고 있다. 그 형태와 결정 구조는 주사 전자 현미경 (SEM), 에너지 분산형 분석기 (EDX), X선 회절 분석기 (XRD), 라만 분광, 광전자 분광 (XPS)를 통해 규명하였다. 추가적인 전기 전도도 분석을 통해 합성된 나노 막대의 나노 크기 반도체 소자의 연결선으로서 활용 가능성을 확인할 수 있을 것으로 예상된다.