Improved Performance of New Non-Fullerene Small Molecule Acceptors in Organic Solar Cells and Low-Dimensional V_2O_5-WO_3 Composite Nanotubes and WS_2 Nanosheets

Abstract

In chapter Ⅰ, non-fullerene based acceptors (NFAs) have been studied in organic solar cells instead of previously used fullerene based acceptors over the few years. NFAs have the advantages of being able to compensate for almost all of the shortcomings of the existing fullerene acceptors. We investigated performance of organic solar cell using our new four NFAs and PTB7-Th in this work. The structure NFAs used are as follows : DFDO-RC2 and DFDE-RC2 based on electron-rich dithienosilole (D) and electron-deficient difluorobenzodiathiazole (F), benzodiathiazole-connected 3-ethylrhodanine (RC2) units, and alkyl chains of 2-ethylhexyl (E) and octyl (O) groups on the backbone structure. And the backbone structures were modified by replacing difluorobenzodiathiazole core moiety with difluorobenzene (FBz) to obtain DFBz-RC2 molecules (DFBzO-RC2 and DFBzE-RC2). The devices showed high values of Voc based on HOMO-HOMO energy level offset between DFBz-RC2s and PTB7-Th. In addition, correlation between the morphology of the blend film and efficiency was identified. To understand the surface morphology of blend films, transmission microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM) were examined. As result, the PTB7-Th:DFBzO-RC film had the largest aggregated phase, whereas the ideal phase was shown in the PTB7-Th:DFBzE-RC2 with the highest PCE of 4.85%. In chapter Ⅱ, transition metal oxide have been used in various areas such as energy storage, catalyst preparation and nanomaterial synthesis. . Especially, vanadium and tungsten are known as good catalysts in various fields. Vanadium oxides are used to the material as energy storage and tungsten oxide are applied to various fields in catalyst. If V2O5 and WO3 could be synthesized within a compound, it would make a synergy effect rather than using only one pure metal oxide. To synthesize the composite compound, electrospinning method, which is known as the most facile methods to fabricate nanofibers was used. It was performed from a precursor solution with mixed metal and polymer. Through electrospinning method and thermal annealing process, we successfully synthesized Vanadium Pentoxide (V2O5)/Tungsten trioxide (WO3) composite nanotubes. The nanostructures of V2O5 nanorods on V2O5-WO3 composite nanotubes were characterized by scanning electron microscopy (FE-SEM), high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), X-ray diffraction (XRD) spectrum, Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results of morphology exhibited the average length of nanorods on the composite nanotubes is approximately 150 – 180 nm. And almost inner diameters of nanotubes are about 5 – 10 nm and outer diameters are around 280 nm with full of small protuberances. In chapter Ⅲ, transition metal dichalcogenides (TMDs) are remarkable material in terms of their electronic and optical properties, which range from metallic to semiconducting. Among the various TMDs studies, tungsten disulfide (WS¬2) is known as better electrical and optical properties than others. In this work, we successfully synthesized a vertical WS2 easily using chemical vapor deposition (CVD) instead of the WS2 method, which was previously synthesized at high temperature. The morphology of growth vertical WS2 was obtained by SEM and TEM. The physical properties of the vertical WS2 were verified through XRD, XPS and AFM. In addition, based on previous report that Raman effect increases with monolayer WS2, we conducted a surface enhanced raman spectroscopy study of the vertical monolayer WS2 and found that it showed strong signals.;본 연구는 3장으로 이루어져 있으며 1장에서는 신재생 에너지원으로 주목받는 유기 태양 전지에 새로운 단분자를 도입한 소자의 성능에 대해 다루었고 2장에서는 전기방사를 이용한 물질 합성, 그리고 3장에서는 칼코게나이드 물질 중 하나인 텅스텐다이설파이드를 새로운 방법을 도입하여 낮은 온도에서 물질을 성장시킨 내용을 다루고 있다. 1장은 기존의 유기태양전지에서 높은 효율을 보이는 소자는 풀러렌 물질을 기반으로 하고 있다. 그러나 풀러렌 물질을 기반으로 한 소자는 가시광영역에서 낮은 흡광도를 보이며 물질의 에너지 레벨 조절이 어렵고 표면이 불안정하다는 본질적인 문제를 가지고 있다. 이를 해결하기위해 이 논문에서는 풀러렌 물질을 대체할 수 있는 새로운 단분자를 사용하여 유기태양전지 연구를 진행하였다. PTB7-Th:DFD-RC2 소자의 경우, DFD-RC2 분자의 높은 HOMO 에너지 레벨로 인해 낮은 효율을 보였다. 그에 비해, 이보다 더 낮은 HOMO 에너지 레벨을 가지는 DFBz-RC2 물질을 사용한 결과, DFD-RC2 물질에 비해 더 향상된 효율을 보이는 것을 확인하였다. 더불어, PTB7-Th:DFBz-RC2 소자의 경우, 낮은 에너지 손실 값으로 인해 1.03 과 1.07 eV 의 높은 개방전압을 나타내고 있다. PTB7-Th:DFBzE-RC2 소자는 가장 높은 4.85%의 효율과 이상적인 모폴로지를 보이는 것을 확인하였다. 이 연구는 단분자물질을 기반으로 한 유기태양전지가 풀러렌기반의 유기태양전지를 능가할 수 있다는 가능성을 보여주고 있다. 2장은 바나듐옥사이드와 텅스텐옥사이드의 에너지저장능력 및 전기촉매적 성질을 바탕으로 더 높은 효율을 가지는 전기촉매를 만들기 위해, 전기방사법을 통해 손쉽게 바나듐옥사이드-텅스텐옥사이드 나노튜브를 합성하였다. 적절한 합성 조건을 찾기 위하여 400, 450, 500℃ 에서 산소를 흘려주며 열처리를 진행하였다. 각 조건에서 합성된 바나듐옥사이드-텅스텐옥사이드 나노튜브는 SEM, TEM, EDX, XRD, XPS 그리고 라만분광법을 이용해 형태와 결정성, 그리고 구조를 파악하였다. 열처리 온도가 높아질수록 나노튜브의 결정성이 증가하여 텅스텐옥사이드의 다공성구조가 두드러지고 바나듐옥사이드의 결정성 또한 증가한 것을 확인할 수 있다. 추가적으로 전기화학 연구를 통해 연료전지 촉매로서의 사용가능성과 바이오센서로서의 활용 가능성을 확인할 수 있을 것으로 예상된다. 3장에서는 텅스텐클로라이드와 황 가루를 전구체로 사용하여 기존에 알려진 텅스텐다이설파이드 방법보다 효율적으로 합성한 방법에 대해 다루고 있다. 적절한 합성 조건을 찾기 위하여 450, 500, 500℃에서 CVD 방법으로 합성을 진행하였고 불활성기체로 헬륨을 사용하였다. 기존의 텅스텐옥사이드를 전구체로 사용한 방법과 달리, 끓는점이 낮은 텅스텐클로라이드를 사용하여 합성온도를 절반 이상으로 낮출 수 있었다. 또한, 기존과는 다른 수직 형태의 텅스텐다이설파이드를 합성하였고 이는 550℃에서 완벽하게 합성되었음을 확인하였다. 합성된 물질에 대한 물리적 특성은 SEM, TEM, EDX, XRD, AFM 그리고 XPS 를 통해 확인되었고 추가적으로 표면 증강 라만 분광법을 이용하여 합성된 텅스텐다이설파이드가 기존보다 강한 라만신호를 가지는 것을 증명하였다.