A Study on the Dependence of a Hole Extraction Layer on the Efficiency of Organic Photovoltaic Diodes :

윤상철

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자료유형: 학위논문

저자정보: 윤상철 (광운대학교, 광운대학교 대학원)

지도교수: Inchan Hwang

발행연도: 2017

저작권: 광운대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

A Study on the Dependence of a Hole Extraction Layer on the Efficiency of Organic Photovoltaic Diodes

윤상철 전자재료공학과 2017.01 학위논문

2016

Enhanced Hole Extraction by Interaction between CuI and MoO₃ in the Hole transport Layer of Organic Photovoltaic devices

윤상철 , 황인찬 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 2016.04 학술대회자료

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본 연구에서는 태양전지 효율 향상에 기여하는 정공 수송층에 대한 연구를 진행하였다. 많은 정공 수송층 중에서 요즘 관심 받기 시작한 p-type copper iodide (CuI) 물질을 poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 와 (6,6)-phenyl C61-butyric acid methyl ester (PCBM) 광활성층을 기반으로 하는 태양전지에 적용했을 때 어떤 영향을 주는지에 대한 연구를 하였다. CuI는 용액공정 중에 하나인 스핀코팅으로 증착하였고, 태양전지를 위한 양극은 일반적으로 많이 쓰이는 Indium tin oxide (ITO) 전극을 사용하였다. 이때, CuI를 ITO위에 스핀코팅할 때, 사용되는 용액의 농도에 따라 소자에 주는 영향이 다른 것을 알 수 있었다. 낮은 농도의 용액으로 ITO 위에 스핀코팅 된 CuI 박막이 정공 수송층으로 사용된 P3HT:PCBM 기반 태양전지는 빛 아래에서 20분동안 태양전지 효율이 60% 이상 저하되는 것을 보였다. 반대로 높은 농도의 용액으로 ITO 위에 CuI 박막을 만들었을 경우, CuI 박막의 표면이 거칠게 형성되는 것을 볼 수 있었다. 이 거친 표면을 가진 CuI 박막이 소자에서 정공 수송층으로 사용된다면, 뭉쳐있는 CuI 입자들이 매우 커서 (peak-to-peak 값이 140 nm 이상) 음극과 직접 닿아서 소자를 short되게 한다.
CuI 용액 농도에 따른 소자 특성뿐만 아니라, CuI를 일반적으로 널리 쓰이는 정공 수송물질 중에 하나인 molybdenum oxide (MoO3) 와 함께 사용됐을 때, 태양전지 특성 향상에 큰 기여를 하는 것을 발견하였다. CuI/MoO3 혼합층이 정공수송층으로 사용된 소자의 경우 MoO¬3만을 정공수송층으로 사용한 소자의 효율보다 ~26% 증가하였고, CuI만을 사용한 소자의 경우보다 ~46%의 효율 증가를 보였다. 또한, 높은 농도의 CuI 용액으로 ITO위에 만들어진 거친 CuI 박막 위에 MoO3를 열증착하면, 매우 매끄러운 표면이 만들어지는 것을 볼 수 있다. 이 MoO3 열증착동안, 두 CuI와 MoO3는 잘 섞인 한 층을 만들어지는 것으로 보이고, 이 CuI/MoO3 층을 정공 수송층으로 사용하게 되면, short circuit current가 향상되어 power conversion efficiency가 증가하는 것을 볼 수 있었다. 이는 MoO3가 CuI 위에 열증착되면서 두 층의 계면에서 MoO3안의 gap states가 추가적으로 더 생겼기 때문이다. 그리고 gap states의 생성은 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 측정을 통해서 확인을 하였다.

There have been many studies on improving in photovoltaic performance, since organic solar cells were developed. In order to enhance charge carrier extraction in the device, an interlayer can be inserted between the active layer and the electrodes. The material selection for the interlayers is critical to achieve high photovoltaic photovoltaic performance. Specific interlayers have been usually used in organic photovoltaic devices (OPVs), such as Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) and molybdenum oxide (MoO3) for efficient hole extraction. When new interlayers are introduced, understanding the effect of the interlayers in OPVs is necessary to investigate its potential to maximize efficiencies. A copper iodide (CuI) material has been recently used as a hole transport layer (HTL) in the OPVs. Herein, we investigate how a solution-processed CuI HTL prepared onto indium tin oxide (ITO) substrates affects the photovoltaic performances of the devices based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and (6,6)-phenyl C61-butyric acid methyl ester (PCBM) blends. The film morphology and roughness of the CuI sensitively depend on the concentration of CuI solutions used for thin films. The surface of CuI films spin-coated with high concentration solutions consists of large grains with high roughness (peak-to-peak value > 140 nm), resulting in a direct short in the devices with a thin active layer. For the devices with a thin CuI layer prepared with low concentration, the power conversion efficiency (PCE) of the devices under illumination was observed to decrease by 60% compared to initial value for 20 min. The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) shows that the indium ions might be diffused from ITO into the active layer across the thin CuI layer.
In addition, we suggest a new hybrid HTL incorporating CuI with MoO3, and investigate how the formation of the hybrid HTL contributes to an enhanced photovoltaic performances of the devices based on P3HT:PCBM blends. The surface morphology of the CuI layer on ITO depends on annealing temperature. In addition, the rough surface of the CuI layer prepared with high concentration solutions onto ITO substrates becomes smooth by the thermal evaporation of MoO3 on the CuI layer, forming the hybrid layer. The PCE of devices with the CuI/MoO3 hybrid HTL shows an increase of ~26% compared to the devices with MoO3 only layer and ~47% compared to the device with CuI-only HTL, which is attributed to improved hole extraction. This improvement results from creating additional gap states of MoO3 by the interaction between CuI and MoO3 at the interface, which is proved by measuring Mo5+ defect states with XPS

Chapter 1. Introduction 1
Chapter 2. Background 3
2.1 Conjugated polymers 3
2.2 Organic solar cells 5
2.2.1 Working principle 6
2.2.2 Device structures 7
2.4 Photovoltaic parameters 9
2.4.1 Power conversion efficiency 10
2.4.2 Short circuit current 10
2.4.3 Open-circuit voltage 11
2.4.4 Fill factor 12
2.4.5 Shunt resistance and series resistance 13
2.3 Hole transport layer 14
2.3.1 Molybdenum oxide 15
2.3.2 Copper iodide 16
Chapter 3. Experimental methods 18
3.1 Film and device fabrication 18
3.1.1 Solutions and film preparation 18
3.1.2 Device fabrication 19
3.2 Photovoltaic device characterization 20
Chapter 4. The effects of CuI hole transport layer on OPVs 22
4.1 Introduction 22
4.2 Surface morphology of copper iodide films 23
4.3 Photo-degradation 25
4.3.1 Devices degradation 25
4.3.2 The origin of the degradation 29
4.4 Photovoltaic performances 34
Chapter 5. CuI and MoO3 hybrid hole transport layer 38
5.1 Introduction 38
5.2 Tuning copper iodide morphology 39
5.2.1 Thermal annealing Copper iodide layers 39
5.2.2 Thermal evaporation of molybdenum oxide on copper iodide 42
5.3 Copper iodide/molybdenum oxide hole transport layer 46
Chapter 6. Conclusions and Further work 54
6.1 Conclusions 54
6.2 Further work 55

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	저자 메타	소속기관, 소속부서, 직급, 연구분야, 연구키워드, 이용수, 피인용수, 저자 논문활용도

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