고분자공학실험 | 유기 태양전지의 제작 및 측정

 

 

 

TIP

 

 

1. 대표적인 유기반도체 소재인 p-형 폴리(3-헥실)티오펜, poly(3-hexyl thiophene)과 n-형 플러렌 유도체, phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM)를 이용한 유기태양전지의 소개, π-공액구조 및 전하이동 메커니즘, 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이해한다.
2. 유기태양전지 효율에 있어 벌크 이종접합(bulk heterojunction, BHJ)와 2층(bi-layer)구조의 차이점을 이해한다.

 

 

 

유기태양전지의 구조

유기 태양전지의 기본구조는 금속 / 유기반도체 (광활성층) / 금속(metal / semi-conductor or isulator / metal, MIM)구조로 간단히 표시할 수 있는데, 높은 일함수를 가진 투명 전극인 Indium Tin Oxide(ITO)를 양극으로, 낮은 일함수를 가진 Al 이나 Ca 등을 음극 물질로 사용한다.

 

그리고 광활성층은 전자주개 물질(electron donor, D)과 전자받개 물질(electron acceptor, A)의 2층 구조(D/A bi-layer structure) 혹은 복합박막 ((D＋A) blend) 구조를 이용한다(각각 그림 1(a) 및 1(b)).

 

 

또한 buffer 층으로 양극인 ITO전극과 광활성층 사이에는 정공 이송층(hole transport layer)을, 음극과 광활성층 사이에는 전자 이송층(electron transport layer)을 끼워 넣기도 한다.

 

한편, 광활성층으로 사용되는 유기 고분자의 경우는 donor와 acceptor 물질이 함께 녹아있는 용액을 spin cast법이나 ink-jet printing법 또는 screen printing법 등과 같은 wet process를 이용하여 박막을 형성시킨다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 투명전극/기판인 ITO 코팅 glass에 절연테이프로 마스킹한 후, 에칭용액을 사용하여 선택적으로 ITO를 제거한다.

 

2) 절연테이프를 제거 후, 패터닝된 ITO 표면을 (1) Mucasol; (2) 유기용매 세척; (3) UV-O3 표면처리 순서로 클리닝한다.

 

3) 세척된 ITO 코팅 glass 위에 PEDOT:PSS 수용액을 마이크로피펫을 이용 적당 양 (150 ㎕)을 떨어뜨린 후, 용액 스핀코팅 방법을 통하여 전도성 박막을 얻는다. (이때, 후공정 Al 상부전극과 하부 ITO전극 간 쇼트 방지를 위해 ITO/Glass 기판 위에 형성된 PEDOT:PSS 박막 가장자리를 물(H2O)에 적혀진 면봉으로 제거한다.)

 

4) PEDOT:PSS 박막 내 잔류 수분 제거를 위해 100℃ 진공오븐에서 1시간동안 건조시킨다.

 

5) 건조된 PEDOT:PSS/ITO/glass 위로 dichlorobenzene(DCB)에 녹인 2 vol% P3HT:PCBM(50/50) 용액를 마이크로피펫을 이용하여 떨어뜨린 후, 용액 스핀코팅 방법을 통하여 필름을 형성시킨다.

 

6) P3HT/PCBM 필름 위로 shadow(쉐도우) 마스크를 위치시킨 후, 증착기를 이용하여 상부 100㎚ 두께의 Al 전극을 형성시켜 유기태양전지 소자를 완성시킨다.

 

7) 제작된 유기태양전지의 태양광 유/무에 따른 전류-전압 특성을 측정한다.

 

8) 완성된 유기태양전지의 전류-전압 곡선을 측정한다.

 

 

 

 

[섬유공학실험]유기 태양전지의 제작 및 측정 레포트