섬유공학실험 | 유기 태양전지의 제작 및 측정 - Fabrication of Organic Solar Cell and It`s Measurement

 

 

 

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.

 

 

 

유기 태양전지의 작동원리

유기 태양전지에 빛을 쬐어주면, donor 물질에서 빛을 흡수하여 여기 상태의 전자-정공 쌍(exciton)이 형성된다. 이 exciton은 임의 방향으로 확산하다가 acceptor 물질과의 계면(interface)을 만나면 전자와 정공으로 분리된다.

 

그림 2. A schematic representation of photon absorption, exciton generation and diffusion, and charge separation in three device structures of organic solar cell

 

즉, 전자는 전자 친화도가 큰 acceptor물질 쪽으로 이동하고 정공은 donor 쪽에 남아 각각의 전하상태로 분리된다. 이들은 양쪽 전극의 일함수 차이로 형성된 내부 전기장과 쌓여진 전하의 농도 차에 의해 각각의 전극으로 이동하여 수집되며 최종적으로 외부 회로를 통해 전류의 형태로 흐르게 된다.

 

이 현상을 광기전력 효과(photovoltaic effect)라고 하는데, 그림 2에 각 세가지 구조의 유기 태양전지에 대한 광활성층 내부에서 의 빛 흡수와 전하 분리 현상을 표시하였다. 그림7에서 특히 bulk hetero junction (BHJ) 구조는 bi-layer 구조에 비해 D/A계면의 면적이 매우 커 전하 분리의 가능성이 더 큼을 알 수 있는데, 기존 무기계 태양전지(p-n 접합구조)와는 뚜렷이 구별되는 유기 태양전지만의 독특한 구조이다.

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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.

 

 

그림 5 Schematic diagram of the organic solar cell fabrication

 

 

 

[섬유공학실험]유기 태양전지의 제작 및 측정 레포트