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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

미동보 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수
Hwang, Do Hoon
발행연도
2014
저작권
부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (5)

초록· 키워드

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유기 태양전지 (OPVs)는 여러 단계의 에너지 전환과정을 통해 태양광으로부터 전기적 에너지를 얻는 기술을 뜻한다. 이러한 유기 태양전지는 재생 가능하고 지속적인 전기적 에너지를 효율적으로 제공하여 준다. 또한 유기물을 이용한다는 점에서 용매 공정을 통한 저가 공정의 실현이 가능하며, 대면적 또는 roll-to-roll 공정이 가능 하다는 장점이 있다.
본 연구는 유기 태양전지의 효율 향상을 위한 전자 받개 물질로 사용된 Fullerene 유도체의 합성과 특성 평가에 관한 연구이다. 합성된 여러 Fullerene 유도체는 1H NMR, 13C NMR, FAB-Mass, MALDI-TOF 그리고 FT-IR 등의 일반적인 방법을 사용하여 그 구조들을 확인하였다.
첫 번째 연구에서는 C60에 carbazole과 phenothiazine을 도입하여 CBZ-C60 과 PTZ-C60 를 성공적으로 합성하였다. 두 Fullerene 유도체는 C60에서 carbene intermediate 가 생성됨에 따라 cyclopropane ring 의 형태를 구조를 취하는 tosylhydrazone route 를 통해 합성하였다. CBZ-C60 과 PTZ-C60 는 기존의 PC61BM과 유사한 광학적, 전기화학적 특성을 보이는 것을 확인하였다. 합성된 CBZ-C60 과 PTZ-C60 은 P3HT 기반의 유기 태양전지의 전자 받개 물질로 적용하였으며, 소자구조는 ITO/PEDOT:PSS/P3HT:Acceptor/LiF/Al과 같다. 제작된 유기 태양전지 소자는 기존의 PC61BM을 전자 받개 물질로 사용한 유기 태양전지 소자와 유사한 개방전압 (Voc) 결과가 나오는 것을 확인하였다. 태양전지 특성평가에서 각각 0.48%와 1.3%의 최대 에너지 전환 효율 (conversion efficiency)을 나타내었다.
두 번째 연구에서는 유기 태양 전지의 개방전압을 향상시키기 위해서 높은 LUMO 에너지 준위를 가지는 fullerene 유도체를 합성하였다. 다양한 fulleropyrrolidine type의 fullerene 유도체를 디자인 및 합성하였고, 이를 이용하여 유기 태양전지의 전자 받개 물질로 응용하였다. o-HOPF 과 p-HOPF 과 C60-PTZP 은 C60 과 함께 azomethine 의 1,3-dicycloaddition reaction (Plato reaction) 을 통하여 공중합하였다. o-HOPF 과 p-HOPF 은 일반적인 유기 용매에 잘 녹고 기존 PC61BM 에 비해 우수한 전기화학적 특성 (높은 LUMO energy level) 를 보였다. 유기 태양전지의 전자 받개 물질로 합성된 o-HOPF 과 p-HOPF 를 이용하고, 전자 주개 물질로 P3HT 을 이용하여 유기 태양전지 소자를 제작하였다. Alkoxy chain 의 치환위치에 따른 o-HOPF 과 p-HOPF를 이용한 소자에서 최대 에너지 변환효율은 각각 0.71%와 0.54%로 나타났다. 전자가 풍부한 것으로 잘 알려진 heterocyclic compound 인 10(2’-ethylhexylphenothiazine) (PTZ) 을 이용한 C60-PTZP 는 기존 PC61BM 에 비해 높은 빛의 흡수강도, 높은 LUMO 에너지 준위를 가지며 더 나은 열 안정성을 보여 주었다. C60-PTZP 을 전자 받개 물질로 이용하고, P3HT를 전자 주개 물질로 사용하여 유기 태양전지 소자를 제작하였다. 그 결과 0.63 V 의 Voc 를 나타내며, 1.4%의 최대 에너지 변환효율을 보였다.
세 번째 연구에서는 Voc 값을 증가 시키기 위하여 Diels-Alder 반응을 통해 Bis-adduct형 fullerene 유도체 (PCBA)를 성공적으로 합성하였다. PCBA는 기존 PC61BM 에 비해 최대 0.13 eV 높은 LUMO 에너지 준위를 가지는 것을 확인 할 수 있었다. PCBA를 전자 받개 물질로 사용하여 제작한 유기 태양전지는 기존의 PC61BM이 사용된 유기 태양전지 소자와 비교하여 70mV 강화된 Voc 을 가졌고, 0.71%의 에너지 전환효율을 나타내었다.

목차

Chapter 1. Introduction to Organic Photovoltaic Cells (OPVs) 1
1.1 Working principles and performance measures of organic solar cells 2
1.2 Structure development in organic solar cells 7
1.3 Brief introduction of the development of donor materials and the importance of acceptor 8
1.4 Overview of this thesis 11
Chapter 2. Materials review: Summary of various kinds of soluble fullerene derivatives used as electron acceptor for high performance OPVs 22
2.1 PCBM and PCBM-like fullerene derivatives used as electron acceptor 23
2.1.1 PCBM homologues based on C60, C70 and C84 23
2.1.2 Photovoltaic performances of novel PCBM analogous fullerene derivatives 25
2.1.2.1 Further modification of PCBM for improved physical characteristics and electrochemical properties 25
2.1.2.2 Amorphous PCBM analogous fullerene derivatives with better thermal stability 27
2.1.2.3 Modification of PCBM for enhanced light absorption 28
2.1.2.4 Modification of PCBM for enhancing the morphology of the blending film 30
2.2 Upshifted energy level of fullerene derivatives for higher photovoltaic performances due to a decreased number of π-electrons on the fullerene core 31
2.2.1 Bis- and Multi-adducts fullerene derivatives based on PCBM and PCBM-like fullerene derivatives 34
2.2.2 Indene and biindene based fullerene derivatives 38
2.2.3 Several novel bis- and multi-adducts fullerene derivatives based on Diels-Adler reaction 41
2.2.4 Several novel bis- and multi-adducts fullerene derivatives synthesized via tosylhydrazone route 50
2.3 Other structure fullerene derivatives reported recently for application as electron acceptors in OPVs 52
2.3.1 Endohedral fullerenes 53
2.3.2 Fullerene derivatives synthesized through Bingel-reaction 54
2.3.3 Fulleropyrrolidine derivatives used as electron acceptor 56
2.3.4 Several others 1,2-fullerene derivatives used as electron acceptor in OPVs 62
2.3.5 1, 4-fullerene derivatives used as electron acceptors 68
2.3.6 Fullerene derivatives used as electron acceptor containing more than one C60 core. 70
2.4 Summary 73
Chapter 3. Synthesis and characterization of novel fullerene derivatives used as electron acceptor for improvement of Voc values in OPVs 83
3.1 Novel fullerene derivatives through modification of PC61BM to improve Voc for higher photovoltaic performance 83
3.1.1 Introduction 83
3.1.2 Experiments 85
3.1.3 Results & Discussion 95
3.1.4 Conclusion 116
3.2 Synthesis and characterization of novel soluble fulleropyrrolidine derivatives and their photovoltaic performance 121
3.2.1 Introduction 121
3.2.2 Experimental details 124
3.2.3 Results & Discussion 145
3.2.4 Conclusion 148
3.3 A new kind of fulleropyrrolidine derivative: C60-PTZP for use as electron acceptor in bulk-heterojunction OPVs 148
3.3.1 Introduction 151
3.3.2 Experiments 154
3.3.3 Results and Discussion 178
3.3.4 Conclusion 182
3.4 Aiming to increase Voc for higher power conversion efficiency by breaking more carbon double bonds 182
3.4.1 Introduction 184
3.4.2 Experimental 190
3.4.3 Results & Discussion 201
3.4.4 Conclusion 212
Abstract (English) 207
Abstract (Korean) 209
Acknowledgement 212

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