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Highly Efficient Organic Solar Cells Fabricated Using Non-Chlorinated Solvents

Highly Efficient Organic Solar Cells Fabricated Using Non-Chlorinated Solvents
Issue Date
교육대학원 화학교육전공
이화여자대학교 교육대학원
본 논문에서는 비 염소계 용매와 첨가제 DPE를 사용한 PTB7-Th:ITIC 벌크이종접합 구조의 태양전지를 연구하였다. 주로 유기태양전지에 사용되는 염소계 용매(ex. 클로로벤젠 (CB), 클로로포름 (CF))는 고분자와 풀러렌에 대한 높은 용해도를 가지고 있어 효율이 높다는 장점이 있지만, 환경과 인체에 유해하여 추후 유기태양전지 상용화 시 사용할 수 없다. 염소계 용매를 대체하기 위해 비 염소계 용매에 대한 많은 연구가 진행되었지만, 염소계 용매를 사용하였을 때 보다 낮은 용해도와 낮은 효율 등의 한계가 있었다. 따라서 본 연구에서는 비 염소계 용매와 비 염소계 첨가제 DPE를 사용하여 단점을 극복하고, 염소계 용매를 대체할 수 있는 비염소계 시스템을 연구하였다. 염소계 용매인 CB를 사용한 광 전지는 6.08%의 효율을 나타냈다. 비 염소계 용매인 XY만 사용되었을 때는 광 전지 성능이 감소하였지만, DPE 첨가제를 1 vol%, 3 vol% 사용했을 때 각각 6.88%, 7.32%의 효율을 나타내며 광 전지 효율이 향상되었다. 효율 향상의 원인을 파악하기 위해 AFM, TEM 및 2D GIXD를 활용하여 모폴로지 분석을 진행하였고, hole mobility와 electron mobility를 통해 전하이동도를 측정하였다. 이러한 분석을 통해 비 염소계 용매와 비 염소계 첨가제가 광 전지에 유리한 phase separation을 적절하게 만들고, hole과 electron이 만나는 recombination을 감소시켜 전하의 이동을 향상시킴으로써 광 전지 성능이 향상됨을 확인하였다. 이러한 결과는 첨가제를 사용함으로써 비 염소계 용매가 염소계 용매의 사용을 대체하기에 충분함을 시사한다.;In this thesis, we report a method to improve the performance of PTB7-Th:ITIC based organic solar cells by using environmentally less harmful non-chlorinated solvent systems. In the field of organic solar cells, chlorinated solvents like chlorobenzene (CB) or chloroform (CF) are more commonly used for the formation of a photoactive layer based on p-type polymer, e.g. PTB7-Th, and n-type small molecules, e.g. ITIC because of the high solvating power of chlorinated solvents. However, chlorinated solvents cannot be used in the real production because of the toxicity. Therefore, it is imminent to change the processing solvents from chlorinated solvents to the non-chlorinated solvents. Here we used a o-xylene (XY) with a different amounts of diphenyl ether (DPE). When 3vol% DPE in XY to dissolve the PTB7-Th:ITIC was used, the highest power conversion efficiency (PCE) of 7.32% was achieved. This PCE is higher than XY-used case (PCE = 6.53%) and even higher than CB-used case (PCE = 6.80%). From the characterizations, it is concluded that the use of DPE additive had a beneficial effect on the balanced phase separation, which resulted in the improved photovoltaic performance. Our results demonstrate that a proper choice of the combination of a non-chlorinated solvent and an solvent additive can be an effective way not only to increase PCEs but also to avoid the use of harmful chlorinated solvents in the fabrication of organic solar cells.
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