Morphological and Opto-electrical Study of Nano-Heterojunction Bilayer of PCPDTBT/PC71BM Prepared by Sequential Solution Deposition

Abstract

Recently, sequential solution deposition (SqSD) method gets attention for it simple approach to control each photoactive layer in organic solar cells (OSCs). However, the limited control of interfacial area is a significant drawback of SqSD. In this thesis, a way of increasing interfacial area will be discussed using nanostructured polymer surface with less swelling fullerene solvent. In the first chapter, fundamental information of polymer solar cell will be described to help understand this thesis. Operating mechanism, characteristic parameters and architectures of OSCs are included. In the second chapter, new fullerene solvent 1,2-dichloroethane (DCE) is studied for its use in SqSD. Dichloromethane (DCM) is used to be adopted for its good inter-diffusion effect to form bi-continuous morphology inside the photoactive layer but high vapor pressure and low solubility in fullerene make it difficult to form conformal film by spin coating. Meanwhile, anhydrous DCE is found to have high solubility in fullerene and non-volatile that fabrication process is not as sensitive as DCM and can form homogeneous film in repeatable manner. In the last chapter, taking advantage of less inter-diffusing effect of DCE, nano-morphology on polymer surface and its SqSD device application are examined. Since DCE has small interaction with polymer layer, nano-structure on polymer surface can be retained even after sequential processing. The polymer surface nano-morphology is constructed using two different volumes of OA. As a result, increased surface area is found in OA added polymer, especially for DIO added one shows substantial increment. When they fabricated as solar cell device, device with nano-morphology show increased Jsc about twice due to enlarged heterojunction area. ;연속 용액 공정으로 만들어지는 이중층 구조 고분자 태양전지는 전자 공여층과 수용층을 각각 최적화할 수 있기 때문에 고분자의 배열과 결정성 제어 측면에서 혼합 용액 공정보다 효과적이다. 고분자 층의 결정성은 고분자 용액 내 첨가제 사용으로 향상시킬 수 있다. 이 논문은 첨가제 도입으로 형성된 PCPDTBT 고분자 표면의 나노 구조 위에 침투력이 약한 퓰러렌 용매를 이용하여 제작한 연속 용액 공정 태양전지 특성에 관한 연구 내용을 다루고 있다. 첫번째 장에서는 논문의 이해를 돕기 위해 고분자 태양전지의 전반적인 내용에 관하여 다음과 같이 세가지 부분으로 나누어 서술하였다. 고분자 태양전지의 작용 메커니즘, 태양전지의 전기적 분석을 위한 변수, 유기 태양전지에 사용되는 다양한 구조에 대한 내용이 간단히 정리 되어있다. 두번째 장에서는 연속 용액 공정에 필요한 퓰러렌 층 용매에 관한 연구를 다루었다. 일반적으로 사용되는 연속 공정 퓰러렌 용매 염화메틸렌은 고분자에 대해 팽윤(膨潤)효과가 뛰어나 고분자와 퓰러렌의 계면적 형성에 효과적이다. 하지만 휘발성이 크고 퓰러렌에 대한 용해도가 작아 용액 공정이 용이 하지 않고, 온도에 영향을 많이 받기 때문에 재현성이 좋지 않다. 염화에틸렌은 염화메틸렌보다 휘발성이 작아 온도에 민감하지 않으며 필름 코팅의 재현성이 좋다. 하지만 고분자와의 낮은 팽윤 효과를 보이며 적은 고분자-퓰러렌 계면적을 형성한다. 세번째 장에서는 앞서 발견한 작은 팽윤 효과를 갖는 염화에틸렌을 이용하여 고분자 표면의 나노 구조가 태양전지에 끼치는 영향을 확인하였다. 염화에틸렌은 고분자와의 상호작용이 크지 않아 고분자의 표면을 유지하면서 연속 공정으로 소자를 제작 할 수 있다. 고분자 층 표면의 나노 구조는 CN과 DIO라는 두 첨가제를 이용하여 제어하였다. CN을 사용한 고분자의 경우 원형의 도메인들이 연달아서 배열된 나노 섬유 형태의 모폴로지를 형성하였고, DIO의 경우 반복되는 모양이 없는 울퉁불퉁한 모폴로지를 형성하였다. 첨가제를 사용한 결과 고분자의 거칠기와 표면적이 크게 증가하여 광전류 값이 두 배 가량 향상되었다.