The Post Annealing Effect of Organic Thin Film Solar Cells with P3HT:PCBM Active Layer

(1)

P3HT:PCBM 활성층을 갖는 유기 박막태양전지의 후속 열처리 효과

장성규·공수철·장호정^† 단국대학교전자전기공학과

The Post Annealing Effect of Organic Thin Film Solar Cells with P3HT:PCBM Active Layer

Seong-Kyu Jang, Su-Cheol Gong and Ho-Jung Chang^†

Department of Electronics & Electrical Engineering, Dankook University, 29 Anseo-dong, Cheonan-si, Chungnam 330-714, Korea (2010

년

6

월

18

일접수

: 2010

년

6

월

25

일게재확정

)

초 록: 본연구에서는

P3HT

와

PCBM

물질을전자도너와억셉터광활성층물질로사용하여벌크이종접합구조를갖는

Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT-PCBM/Al

구조의유기박막태양전지를제작하였다

. P3HT

와

PCBM

은각각

0.5 wt%

의농도로 톨루엔용액에용해하였다

.

광활성층농도를최적화하기위하여

P3HT:PCBM = 3:4, 4:4, 4:3 wt%

의농도비로소자를제작하 고

,

농도비에따른전기적특성을조사하였다

.

또한활성층의후속열처리온도가소자의전기적특성에미치는영향을조사 하였다

. P3HT

와

PCBM

의농도비가

4:4 wt%

의비율에서가장우수한전기적특성을나타내었으며

,

이때단락전류밀도

(J

SC

),

개방전압

(V

OC

),

및충실인자

(FF)

는

4.7 mA/cm

²

, 0.48 V

및

43.1%

를각각나타내었다

.

또한전력변환효율

(PCE)

은

0.97%

의 값을얻었다

.

최적화된농도비를갖는태양전지소자에대해

150

^o

C

에서

5

분

, 10

분

, 15

분

, 20

분간후속열처리를실시한결과

P3HT

전자도너의흡광계수가증가하는경향을보였다

.

후속열처리조건이

150

^o

C

에서

15

분인경우전기적특성이열처리 하지않은소자에비해특성이개선되었다

.

즉

,

이때의전기적특성은

J

SC

, V

OC

, FF, PCE

의값이각각

7.8 mA/cm

²

, 0.55 V, 47%, 2.0%

를나타내었다

.

Abstract:

The organic solar cells with Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al structure were fabricated using regioregular poly (3-hexylthiophene) (P3HT) polymer:(6,6)- phenyl C

61

-butyric acid methyl ester (PCBM) fullerene polymer as the bulk hetero-junction layer. The P3HT and PCBM as the electron donor and acceptor materials were spin casted on the indium tin oxide (ITO) coated glass substrates. The optimum mixing concentration ratio of photovoltaic layer was found to be P3HT:PCBM

= 4:4 in wt%, indicating that the short circuit current density (J

SC

), open circuit voltage (V

OC

), fill factor (FF) and power conversion efficiency (PCE) values were about 4.7 mA/cm

²

, 0.48 V, 43.1% and 0.97%, respectively. To investigate the effects of the post annealing treatment, as prepared organic solar cells were post annealed at the treatment time range from 5min to 20min at 150

^o

C. J

SC

and V

OC

increased with increasing the post annealing time from 5min to 15min, which may be originated from the improvement of the light absorption coefficient of P3HT and improved ohmic contact between photo voltaic layer and Al electrode. The maximum J

SC

, V

OC

, FF and PCE values of organic solar cell, which was post annealed for 15min at 150

^o

C, were found to be about 7.8 mA/cm

²

, 0.55 V, 47% and 2.0%, respectively.

Keywords:

organic solar cell, post annealing , bulk hetero-junction, P3HT, PCBM

1. 서 론

최근화석연료의고갈과지구온난화의영향으로친환 경신재생에너지에대한관심이크게증가하고있다

.

^특

히신재생에너지중에서태양광을이용하는태양전지는 가장효율적인핵심소자로인식되고있다

.

^최근^들어^기

존의실리콘및화합물반도체기반의태양전지¹⁾에서유 기물을이용한유기박막태양전지에대한관심은점차증 가하는추세이다

.

^현재까지^보고된^{유기박막태양전지는}

최대광변환효율은텐덤구조에서

6.7%

²⁾^를^{나타내었다}

.

그러나이는실리콘태양전지의

24%

³⁾^와^{화합물반도체}

태양전지의

40%

⁴⁾^광변환^효율에^비하여^매우^낮은^수준

이다

.

^{유기박막태양전지는}^간단한^{용액공정을}^통하여^제

작이가능하여양산단가를낮출수있고

,

^경량화

,

^대면적

,

그리고

flexible

^소자등^다양한^분야에^응용이^가능한^장점

을가지고있다

.

앞으로유기박막태양전지는대량생산을통한저가격

,

저소비전력분야에적용이될것으로예상하고있으며

,

flexible

^기판을^사용한^신규^{응용분야의}^창출이^기대된

다

.

^5-9) ^따라서^{유기박막태양전지는}^{소자구조의}^단순화와

†

Corresponding author

E-mail: [email protected]

(2)

고있다

.

^대부분^광활성층^물질은

CB

^와

DCB

^를^용매로

하여사용하고 있다

.

^현재까지 ^이러한 ^물질을 ^이용한

BHJ

^구조에서^광변환^효율은^최대

~5%

^정도로^기술발전

을이루어왔다

.

특히전자도너로

P3HT

^와^{전자억셉터로}

PCBM

^이^혼합

된광활성층을이용한

BHJ

^{유기태양전지에서}^가장^우수

한광변환효율을보이고있다

.

^이는

P3HT

^가^다른^공액

성고분자에비하여낮은에너지밴드갭을갖음에도불

구하고높은흡광도를가지고있어서

, Jsc

^특성이^좋기^때

문이다

.

^또한^{유기박막태양전지의}^효율을^{향상시키기}^위

하여

spin coating, doctor blading, screen printing, inkjet printing, brush painting

^등의^다양한^기법으로^{태양전지를}

제작하여이의특성향상을위한연구가추진중이다

.

본연구에서는

P3TH:PCBM

^을^{광활성층으로}^사용하여

BHJ

^구조의^{유기박막태양전지를}^{제작하였다}

.

^유기용매

로는톨루엔을사용하였으며

,

^이때

P3HT:PCBM

^의^합성

비를

3:4, 4:4, 4:3 wt%

^로^변화를^주어^전기적^특성을^관

찰함으로써최적의합성농도를조사하였다

.

^최적의^합

성농도에서소자를제작한후각각

150

^o

C

^로

5

^분

, 10

^분

, 15

분

, 20

^분간^후속^열처리를^실시하여

P3HT:PCBM

^광활성

층의광학적

,

^전기적^특성^변화를 ^조사하여^{후속열처리}

효과

(post annealing effect)

^가^{유기박막태양전지의}^특성에

미치는영향을조사하였다

.

2. 실험방법

Fig. 1

^은^본^연구에서^사용된

BHJ

^구조의^{유기박막태}

양전지의

(a)

^{에너지밴드도와}

(b)

^활성층^물질의^화학기

호를보여준다

.

^{유기박막태양전지를} ^제작하기^위하여

ITO

^가^코팅된^{유리기판을}^{사용하였다}

. ITO/Glass

^기판은

아세톤

,

^메탄올

, IPA

^를^이용하여^각각

5

^분간^초음파^세정

을실시하였다

. ITO

^양극은^면저항이

15

^Ω

/

^□의^값을^가

지며광투과도는

90%

^이상으로^{포토리소그라피}^공정을

통하여전극패터닝을실시하였다

. ITO

^전극은^세정후에

전극의표면거칠기와전기적특성향상을위하여

40 W, 20mtorr

^{분위기에서}

90

^초간

O

2

plasma

^처리를^실시하였

다

.

정공수송층으로

PEDOT:PSS (Baytron P AI4083)

^박막

은

3000 rpm

^으로

55

^초간^{스판코팅법으로}^약

60 nm

^의^두

께로박막을형성한후

100

^o

C

^에서

1

^시간^동안^진공^건조

하였다

.

^{광활성층으로}

P3HT (America Dye Source 306PT)

와

PCBM (America Dye Source 61BFA)

^을^톨루엔^용매를

사용하여

60

^o

C

^에서

12

^시간^동안

0.5 wt%

^의^농도로^만든

후교반하였다

.

^최적의^광활성층^농도비를^찾기^위하여

P3HT:PCBM

^용액은

3:4, 4:4, 4:3 wt%

^의^농도비로^합성하

여스핀코팅법으로

600 rpm

^으로

50

^초간^코팅한후

100

^o

C

에서

15

^분간^건조하여^약

60 nm

^의^{광활성층막을}^형성하

였다

.

^{유기박막의}^두께는

surface profiler

^로^{측정하였다}

.

음극으로사용된

Al

^전극은

5

^×

10

^-7

torr

^에서^{진공열증착}

공정을통하여형성하여태양전지소자를제작하였다

.

^본

연구에서제작된샘플의광활성층면적은약

0.04 cm

²^이

었다

.

^이후^최적의^농도비를^갖는^{유기태양전지}^소자를

Fig. 1.

(a) energy band diagram and (b) chemical structure of

polymer solar cells with P3HT:PCBM photovoltaic layer.

(3)

150

^o

C

^에서

5

^분

, 10

^분

, 15

^분

, 20

^분간^각각^{후속열처리를}^실

시한후그소자의전기적특성변화를조사하였다

.

제작된유기박막태양전지소자의전기적특성은

AM 1.5 (

^광에너지

: 100 mW/cm

²

)

^상에서^{솔라시뮬레이터에서}

측정되었다

.

^{후속열처리}^효과에^따른^{광활성층의}^특성^변

화를알아보기위하여

UV-vis spectroscopy

^와

XRD

^분석을

통하여흡광도변화와결정성의변화를조사하였다

.

^또한

atomic force microscopy (AFM)

^측정을^통하여^{광활성층과}

Al

^전극간의^표면^상태의^변화를^{관찰하였다}

.

3. 결과 및 고찰

유기박막태양전지의광활성층에대한최적의농도비를 알아보기위하여

P3HT:PCBM

^을^각각

3:4, 4:4, 4:3 wt%

^의

농도비로합성하여유기박막태양전지소자를제작하여 그전기적특성을비교

,

^{평가하였다}

.

Fig. 2

^는^{광활성층의}^{농도변화에}^따른^{유기박막태양전}

지소자의전기적특성을보여준다

.

^제작된^샘플에서^유

기박막태양전지의광활성층농도가

4:4 wt%

^일^경우에서

J

SC

, V

OC

, F.F (fill factor)

^는^각각

4.7 mA/cm

²

, 0.48 V

^와

43.1 %

^로^{나타났으며}

,

^이때

0.97%

^의^최대^광변환^효율을^보였

다

.

^따라서^본^{연구에서는}

P3HT:PCBM

^의^최적^농도비인

4:4 wt%

^로^활성층^소자를^제작하여

,

^{후속열처리에}^따른

태양전지소자의특성변화를관찰하였다

.

^{후속열처리에}

따른광활성층의특성변화를알아보기위하여

UV-vis

spectrometer

^를^이용하여

P3HT

^{전자도너막의}^{흡광계수를}

측정하였다

.

Fig. 3

^는^{후속열처리}^전

,

^후의^{흡광계수의}^변화를^보여

주고 있다

.

^본 ^연구에서 ^측정된

UV-vis

^{특성에서는}

PCBM

^의^흡광도는^측정되지^않았으며

, P3HT

^의^흡광계

수만후속열처리시간이

5

^분에서

15

^분으로^{증가할수록}

P3HT

^의^{흡광계수는}

6.16

^×

10

⁶^에서

6.33

^×

10

⁶

(520 nm)

^으로

다소증가하는경향을보였다

.

^그러나

20

^분의^후속열처

리시간에서는

6.13

^×

10

⁶^으로^{흡광계수가}^오히려^낮아지

는경향을보였다

.

Fig. 4

^는^{후속열처리}^온도

150

^o

C

^에서^열처리^시간에^따

른

P3HT:PCBM

^{광활성층의}

XRD pattern

^을^보여준다

.

^열

처리조건에상관없이

P3HT:PCBM

^은

2

^θ

=5.3

^o

(degree)

^에

Fig. 2.

The short circuit current density versus open circuit voltage (J

SC

-V

OC

) characteristics of polymer solar cells at various P3HT:PCBM concentrations.

Fig. 3.

The optical absorption coefficient of P3HT donor films with and without post annealing treatment at the time range from 5 to 20 min.

Fig. 4.

The XRD pattern of P3HT:PCBM active layer films with and without post annealing.

Fig. 5.

The short circuit current density

versus

open circuit voltage

(J

SC

-V

OC

) characteristics of solar cells with and without post

annealing treatments.

(4)

서

(100)

^방향의^결정피크

(peak)

^가^{관찰되었다}

.

Fig. 5

^에서는^활성층의^{후속열처리에}^따른^{유기박막태양}

전지의전기적특성을보여준다

.

^열처리^이전에^비하여^후

속열처리 시간이

15

^분으로 ^{증가할수록}

J

SC와

V

OC는

4.7 mA/cm

²

, 0.48 V

^에서

7.8 mA/cm

²

, 0.55V

^로^{증가하였고}

,

이때최대광변환효율은

0.97%

^에서

2.0%

^로^{증가하였다}

.

후속열처리시간이증가할수록

J

SC 값이증가하는이유는

Fig. 2

^에서^{나타났듯이}^열처리에^의하여

P3HT

^의^흡광도가

증가하면서박막내에전자

-

^정공쌍의^발생을^{증가시켜서}

캐리어의이동도가증가하였기때문이다

. 20

^분의^후속열

처리에서는

Voc

^는

0.57 V

^로^{증가하였지만}

,

^{전류밀도는}

6.0 mA/cm

²^으로^다소^{감소하였다}

.

Fig. 6

^은

P3HT:PCBM

^활성층의^{후속열처리에}^따른^유

기박막태양전지의

AFM

^표면형상^이미지를^보여준다

.

^열

처리이전에비하여후속열처리시간이증가할수록

rms

값은

0.90, 1.30, 1.33, 1.72, 1.87 nm

^로^점차^{증가하였다}

.

^이

것은

exciton

^{확산길이에}^영향을^미치는^특징적인^요소로

서열처리시간이증가할수록광활성층과전극사이의면 적을증가하게하여

Voc

^의^계속적인^증가를^나타낸다

.

^하

지만

Table 1

^에서^보는바와^같이^열처리^시간이

15

^분에서

20

^분으로^증가^하였을^때

Voc

^의^증가보다^{흡광계수의}^감

소로인한

Jsc

^와

F.F

^의^감소로^열처리^효율은^오히려^감소

하는것을볼수있다

.

4. 결 론

본연구에서는전자도너로

P3HT

^와^억셉터로

PCBM

^을

톨루엔으로

0.5 wt%

^의 ^농도로 ^용해한후

, Glass/ITO/

PEDOT:PSS/P3HT-PCBM/Al

^구조를^갖는^{유기박막태양}

전지소자를제작하여후속열처리에의한소자의전기적 특성변화를조사하였다

. P3HT

^와

PCBM

^의^{교반농도가}

4:4 wt%

^에서

J

sc

, V

OC

, FF, PCE

^의^값이 ^각각

4.7 mA/cm

²

, 0.48 V, 43.1%, 0.97%

^로^최적의^소자^특성을^{나타내었다}

.

최적의특성을갖는소자에대하여

150

^o

C

^에서

5

^분

, 10

분

, 15

^분

, 20

^분간^{후속열처리를}^실시한^후^소자의^특성에

미치는영향을조사하였다

.

^{후속열처리를}^통하여^소자의

전기적특성은향상되는경향을보였다

.

^특히

P3HT

^박막

의흡광계수가커지면서광활성층에서캐리어의발생확 률이높아지고박막내캐리어의이동도가증가하여태양 전지소자의

J

SC특성은향상되었다

.

^또한^{후속열처리에}

의해광활성층과

Al

^전극간의^계면^특성의^향상으로^누

설전류특성이향상되면서

V

^OC^특성의^향상을^가져온^것

으로판단된다

.

^{후속열처리}^조건이

150

^o

C

^/

15min

^에서^가

장우수한특성이나타났으며

,

^이때

J

SC

, V

OC

, FF, PCE

^는

7.8 mA/cm

²

, 0.55 V, 47%, 2.0%

^로^각각^나타났다

.

Fig. 6.

Atomic force microscope(AFM) Images of the P3HT:PCBM active layer with and without post annealing treatments.

Table 1.

The electrical properties of the polymer solar cells with and without post annealing treatments

I

sc

(mA) J

sc

(mA/cm

²

) V

oc

(v) F.F

(%) PCE

(%) Without

Treatment 0.19 4.7 0.475 43.1 0.97

150

^o

C/5min 0.26 6.4 0.505 49.6 1.6

150

^o

C/10min 0.26 6.4 0.505 51.6 1.7

150

^o

C/15min 0.31 7.8 0.545 47.0 2.0

150

^o

C/20min 0.24 6.0 0.566 41.9 1.4

(5)

감사의 글

이연구는

2009

^년도^{단국대학교}^{교책중점연구기관}^지

원으로연구되었으며

,

^이에^{감사드립니다}

.

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