Investigation on the thermal stability of solution processed polymer/fullerene bilayer organic photovoltaics

Abstract

It is revealed the thermal stability of organic photovoltaics (OPVs) is greatly enhanced by utilizing a bulk heterojunction (BHJ) formed by interdiffusion of polymer/fullerene bilayer (ID-BL) through the sequential solution deposition (SqSD) process. The poly[[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl]-2,5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl] (PCDTBT) and phenyl-C71-butyric-acid-methyl ester (PCBM) are sequentially deposited to form the BHJ. For the comparison, a BHJ formed from the mixed domains of PCDTBT and PCBM is prepared by the blended solution deposition (BSD) process. After applying thermal stress at 80 oC for 10 days, the OPV utilizing the SqSD processed BHJ photoactive layer (SqSD-BHJ) maintained its initial efficiency, whereas the efficiency of the OPV utilizing BSD processed BHJ photoactive layer (BSD-BHJ) is decreased to 37.5% of its initial efficiency. The glazing angle X-ray diffraction (GIXRD) and Flory-Huggins interaction parameter analysis reveals vthat the ordered domains size of PCDTBT in SqSD-BHJ is greater than that of BSD-BHJ photoactive layer, and it is maintained after the thermal stress test. This implies the mixing between PCDTBT and PCBM domains does not occur due to enhanced ordering of PCDTBT in SqSD-BHJ during the thermal stress test. Whereas, the domain size of PCDTBT in BSD-BHJ is reduced due to the further mixing of PCDTBT and PCBM domains during the thermal stress test, which deteriorate the optimized BHJ morphology. This results show an efficient and thermally stable BHJ morphology for OPV can be realized by utilizing the inter-diffused bilayer developed through the SqSD process. ;유기태양전지의 상업화를 위해선 소자의 고효율과 더불어 장기안정성에 관한 연구가 필수적으로 선행되어야 한다. 본 연구에서는 단시간 내에 장기안정성을 압축하여 측정할 수 있는 가속실험을 거쳐 소자의 물리적, 화학적 분석을 통한 열화인자를 규명하였다. 최근 국내외 연구진에서 전자 공여층과 수용층간의 독립적 공정으로 제작된 복층 이종접합 유기태양전지 개발에 관한 연구가 보고되고 있다. 본 연구팀에서도 전하 공여층에 첨가제를 도입하여 확보된 결정성으로 복층 구조로 쌓아 올리는데 성공하여, 고효율의 이종접합 태양전지의 원천기술을 확보하였다. 본 연구에서는 새롭게 개발된 복층 이종접합 태양전지와 함께 기존에 널리 사용되는 벌크 이종접합 유기 태양전지를 제작하여 섭씨80도의 열적 조건 하 장기안정성을 비교하였다. 빛을 전류로 변환하는 광활성층을 구성하는 물질로는 낮은 밴드갭 에너지를 갖는 전도성 공액 고분자인 PCDTBT(Poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3-benzothiadiazole)])와 플로렌 유도체인 PCBM[70] (Phenyl-C71-Butyric-Acid-Methyl Ester)을 사용하여 가속실험장비에 10일간 보관하여 각 구조의 시간에 따른 효율의 변화를 비교하였다. 복층 구조로 제작된 유기태양전지의 경우 가속실험 조건 하에서 효율감소가 거의 없는 반면, 벌크 이종접합 구조로 제작된 소자의 경우 초기 효율의 63%가 감소한 것을 확인하였다. 두 구조의 안정성의 차이와 열화원인을 밝혀내기 위해 AFM, SEM, TEM, GIWAXS, TOF-SIMS기기를 사용하여 물리적인 변화를 측정하였고, UV-vis absorbance, PL, FT-IR로 화학적인 변화와 광학적인 변화를 분석하였다. 분석을 통해 벌크 이종접합 구조에서는 전자 공여층과 수용층이 비슷한 표면에너지를 갖기 때문에 열적 환경에서 혼합도가 증가하는 것을 확인하였고, 이는 안정성의 감소를 초래하였다. 반면, 복층 이종접합 유기태양전지의 경우 각 층의 독립적인 공정이 가능하기 때문에 전자 공여층 제작 시 첨가제와 단시간의 열처리를 통해 결정성을 향상시켰다. 이는 향상된 결정구조를 갖는 공여층이 가속 실험 후에도 PCBM의 확산을 막아주었기 때문에 효율의 감소가 일어나지 않았음을 X선회절 결과로 확인하였다. 본 연구로 유기태양전지의 열화 메커니즘을 규명하였으며, 새로운 다층구조의 개발로 소자의 열적 안정성을 증가시켰다. 본 연구팀에서 개발한 복층 이종접합 태양전지는 경우 높은 안정성을 구현하여 기존의 Crosslinkable PCBM, 상용화제 이외의 새로운 몰폴로지 고정의 방안으로 제시될 수 있다. 아울러, 두 물질의 친화도를 나타내는 값인 Flory huggins interaction parameter(χ)값은 유기태양전지의 열적 환경에 따른 몰폴로지 변화 방향을 예측하여 장기 안정성을 향상시킬 수 있다는 것에 본 연구의 의미가 있다.