친환경 공정을 사용한 고효율 유기고분자 태양전지 연구 :Study of Highly Efficient Polymer Solar Cells with Environmental-Friendly Solution-Processing

김주은

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김주은 (홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

지도교수: 엄태식

발행연도: 2023

저작권: 홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수60

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

친환경 공정을 사용한 고효율 유기고분자 태양전지 연구

김주은 화학공학과 2023.01 학위논문

2022

비할로겐-비방향족 용매와 첨가제를 사용한 친환경 고분자태양전지

김주은 , 엄태식 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 2022.04 학술대회자료

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유기고분자 태양전지는 가변성과 유연성, 투명성 및 저가 공정 등의 장점으로 다양한 응용을 제공할 수 있어 미래 에너지 기술로 주목받고 있다. 유기고분자 태양전지는 현재까지 고효율의 성능을 달성하고자 다방면으로 연구가 지속되고 있다. 그러나 고효율 유기고분자 태양전지의 일반적인 제조공정에서 사용되는 할로겐 용매 및 첨가제는 매우 강한 독성으로 인하여 환경과 인체에 악영향을 미친다. 따라서 비할로겐화 용매를 이용한 연구가 많이 이루어졌으나, 여전히 친환경 가공 첨가제에 관한 연구는 부족하다. 본 연구에서는 고효율의 친환경 공정을 위한 PTB7-Th 및 PC71BM의 소재를 바탕으로 하여 할로겐 화 용매 Chlorobenzene과 비할로겐 화 용매 o-Xylene, Anisole, 2-Methyltetrahydrofuran를 이용한 소자를 제작하여 비교 분석하고자 하였으며 비할로겐 화 용매와 함께 친환경 첨가제인 Ethyl Salicylate, Dihydrolevoglucosenone, Ethyl Benzoate를 사용함으로 고효율의 광전지 성능을 보여주고자 하였다. 용매와 첨가제에 따른 소자의 특성을 UV-vis, XRD, AFM, Contact Angle, SCLC를 통해 분석을 진행하였다. 그 중, o-Xylene에 첨가제 Ethyl Salicylate를 블렌드한 필름에서 균일한 상분리로 인하여 전하의 이동이 빠름을 확인하였다. 또한, SCLC 분석을 통해 얻은 μe/μh의 값이 1.026으로 1에 가까워 정공의 추출이 빠름을 알 수 있었다. Inverted 구조의 ITO/ZnO/PTB7-Th:PC71BM/MoO3/Ag로 제조한 소자에서 할로겐 용매 Chlorobenzene과 첨가제 8-diiodooctane를 사용하였을 때 Voc = 0.81 V, Jsc = 13.36 mA/cm^2, FF = 0.58 및 PCE = 6.14 %의 결과를 얻었다. 또한, 비할로겐 용매 o-Xylene와 친환경 첨가제 Ethyl Salicylate로 사용하였을 때 Voc = 0.79 V, Jsc = 15.13 mA/cm^2, FF = 0.60 및 PCE = 7.24 %의 결과를 얻어 할로겐 용매와 첨가제를 사용한 소자보다 높은 효율을 달성함을 확인하였다.
본 논문의 연구 결과는 비할로겐 용매와 친환경 첨가제를 사용한 유기고분자 태양전지 제조공정은 고효율의 고분자 유기고분자 태양전지 제조공정으로 효과적이며 무한한 발전 가능성을 보여준다.

Organic polymer solar cells have gained much attention as a future energy technology due to they can provide various applications with advantages such as variability, flexibility, transparency, and low-cost processes. Extensive research has been conducted to achieve high-efficiency performance in organic polymer solar cells. However, the process media typically used in the fabrication of high-efficiency polymer solar cells are highly toxic and have adverse effects on the environment and human health. Therefore, while there has been much research on the use of non-halogenated solvents, there is still a lack of research on environmentally friendly process additives. In this study, we prepared devices using halogenated solvents of Chlorobenzene and non-halogenated solvents such as o-Xylene, Anisole, and 2-Methyltetrahydrofuran based on the materials PTB7-Th and PC71BM for high-efficiency environmental-friendly processes. In addition, by using environmental-friendly additives, such as Ethyl Salicylate, Dihydrolevoglucosenone, and Ethyl Benzoate, along with non-halogenated solvents, highly efficient polymer solar cells performance was achieved.
Properties of devices according to variations in solvents and additives were analyzed through UV-vis, XRD, AFM, Contact Angle, and SCLC. Among them, the film blended with Ethyl Salicylate in o-Xylene showed fast charge transfer due to uniform phase separation. In addition, the value of μe/μh obtained by SCLC analysis was 1.026, which is close to 1, indicating fast extraction of holes. In the device fabricated with an inverted structure of ITO/ZnO/PTB7-Th:PC71BM/MoO3/Ag, When the device is fabricated using chlorobenzene as the halogen solvent and 8-diiodooctane as the additive, the device shows a performance of Voc = 0.81 V, Jsc = 13.36 mA/cm^2, FF = 0.58, and PCE = 6.14%. In addition, when solvent and additive are changed to o-Xylene and Ethyl Salicylate showing environmental-friendly properties,
The device exhibits good performance of Voc = 0.79 V, Jsc = 15.13 mA/cm^2, FF = 0.60, and PCE = 7.24% compared to devices
using halogen solvents and additives.
The result shows possibility for fully green fabrication of unlimited development potential and highly efficient next generation organic polymer solar cells.

#친환경 첨가제 #비할로겐 용매 #유기고분자 태양전지

I. 서 론 1
II. 이론 3
2.1 유기고분자 태양전지 원리 3
2.2 유기고분자 태양전지의 구조 6
2.3 광활성층의 구조 8
2.4 광활성층의 소재 10
2.5 유기고분자 태양전지 성능 평가 11
2.6 연구 목적 14
III. 실험 방법 15
3.1 실험 재료 16
3.2 실험 방법 18
3.2.1 한센 파라미터 18
3.2.2 Halogen과 Non-Halogen 용매 비교 실험 방법 19
3.2.3 Non-Toxic 첨가제 비교 실험 방법 19
3.2.4 유기고분자 태양전지 증착 과정 19
3.3 유기고분자 태양전지 특성 평가 측정 기기 22
Ⅳ. 결과 및 고찰 23
4.1 Halogen과 Non-Halogen 용매의 소자 비교 분석 23
4.1.1 한센 파라미터의 용해성을 통한 코팅 공정 23
4.1.2 Halogen과 Non-Halogen 용매를 사용한 소자 특성 26
4.1.3 광학적 특성과 모폴로지 분석 29
4.2 Non-Toxic 첨가제 소자의 비교 분석 32
4.2.1 Green solvent 32
4.2.2 첨가제의 농도에 따른 효율 측정 32
4.2.3 다양한 첨가제의 광흡수도 분석 33
4.2.4 다양한 친환경 첨가제가 OPV의 PCE에 미치는 영향 40
4.2.5 광학적 특성과 결정도 및 π-π stacking 특성화 43
4.2.6 모폴로지 분석 46
4.2.7 전자와 정공의 이동성 49
4.2.8 고분자 광전기 특성 분석 52
4.3 ES 첨가제 소자의 온도에 따른 효율 측정 54
Ⅴ. 결론 57
Ⅵ. 참고문헌 58
Ⅶ. Abstract 63

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