고분자유기태양전지실험

목차

Abstract

Table of contents ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․Ⅰ

List of figures ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․Ⅱ

List of tables ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․Ⅲ

1. Introduction ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․1

1.1. 태양전지의 정의 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․1

1.2. 유기태양전지의 개발 역사 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․2

1.3. 유기 태양전지의 원리 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․3

1.4.. 전지의 효율 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․4

1.5. 유기 태양전지의 종류 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․5

1.5.1. Bulk hetero-junction photovoltaic cell ․․․․․․․․․․․․․․․․6

1.5.2. Bi-layer photovoltaic cell ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․8

1.5.3. Organic-inorganic hybrid photovoltaic cell ․․․․․․․․․․․․․․․9

2. Experiment ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․10

2-1. 실험 기구 및 시약 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․10

2-2. 실험 방법 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․10

3. Result & Discussion ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․11

3-1. Result ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 11

3-2. Discussion ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 15

4. Conclusion ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․16

Reference

본문내용

면적에 흐르는 전류의 크기인 전류밀도는 단위환산을 위해 전류에 1000을 곱해주고, Cell의 면적인 0.09으로 나눠주었다. Fig.3은 계산한 전류밀도()와 전압()에 대한 그래프이다.
태양전지의 효율은 기준 태양광 조사에서 얻어지는 단위면적당 최대출력과 기준 태양광 강도에 대한 비율로써 단락전류()와 개방전압(oc) 그리고 소자의 직렬저항과 병렬저항의 밸런스로 결정되는 형상인자(FF)에 영향을 받는다. 이는 최대전력 점에서의 전류 밀도와 전압 값의 곱을 와 의 곱으로 나눈 값이다. 그 식은 식 (4)과 같다.
-----------------------------------------(4)
여기서 FF는 Fill Factor이고, Voc는 개방전압(V)이다. Isc 단락전류이다(mA/).
FF에 대한 효율 계산식은 아래 식(5)와 같다.
----------------------------------------(5)
P∈는 100mW/cm2이므로 식(6)으로 효율을 구할 수 있다. 각 조원들의 효율은 Table 3.2에 기록하였다.
-------------------------------------------(6)
Table 3.1. 조원별 데이터
이 름
V(V)
I(A)
mA/cm2
Fill factor
정현주
4.60E-01
-5.29E-04
-5.88E+00
-2.70E+00
김유니
4.40E-01
-5.06E-04
-5.62E+00
-2.47E+00
권경남
4.40E-01
-5.01E-04
-5.57E+00
-2.45E+00
정상균
4.60E-01
-4.61E-04
-5.12E+00
-2.36E+00
강민지
3.60E-01
-3.97E-04
-4.41E+00
-1.59E+00
Table 3.2. 조원별 Cell의 효율
정현주
김유니
권경남
정상균
강민지
2.7%
2.47%
2.45%
2.36%
1.59%
Fig.3.1. 정상균 VI curve
Fig.3.2. 권경남 VI curve
Fig.3.3. 강민지 VI curve
Fig.3.4. 정현주 VI curve
Fig.3.5. 김유니 VI curve
3.2. Discussion
효율의 가장 큰 종속적 원인은 Fill factor이다. Fill factor는 병렬 저항(shunt resistance)과 Series resistance에 영향을 받는다. 병렬 저항의 경우 불순물과 결합이 없이 표면 재결합이 잘 이루어져야 높다. 하지만ITO glass위에 PEDOT:PSS을 spin coating할 때, 각 조원 별로 PEDOT:PSS을 스포이드로 떨어뜨렸고, Spin coater에 ITO glass를 개인 별로 올려놓았다. 만약 Lid 위의 회전축 중앙에 ITO glass를 놓지 않고, 조금이라도 비뚤어졌다면 Solution이 균일하게 퍼지지 않았을 것이다. 뿐만아니라 PEDOT:PSS를 중앙에 떨어뜨리지 않았다면 같은 현상을 보였을 것이다. 그리고 여러 조원이 실험실을 오고 가면서 실험을 하였기 때문에 불순물이 들어갔을 것이라 예측한다.
Active layer는 전 단계에서 ITO glass 코팅 실시 후 위에 다시 떨어뜨리고 800rpm에서 40초 동안 spin coating한 다음 전 단계에서와 마찬가지로 hot plate에 올려놓고 90℃에서 20분동안 baking을 시켜야 했다. 하지만 초기 설정된 온도가 너무 높은 것을 확인하지 못해 높은 온도에서 더 짧은 시간동안 baking을 시키게 되었다. 따라서 용매의 증발 속도가 고온에서 빨리 진행되어 급격하게 증가하였고, 일정한 온도로 가열한 다음에 천천히 식혀 내부 조직을 고르게 하고 응력(물질의 한 점에서 단위면적에 작용하는 힘의 극한)을 제거하는 열처리 조작이 불안정했을 것이다. 실제 문헌에도 annealing 공정 시간이 길수록 효율이 좋았다.
그리고 전체적인 유기태양전지의 효율이 적게 나온 이유는 다음과 같을 것이다. 혼합된 polymer를 고온에서 용체화 처리하고 저온(T2)로 quenching 시켰을 때 모든 곳에서 조성은 같지만 조성의 작은 요동(fluctuation)에 의해 A Polymer가 많은 지역과 B Polymer가 서로 많은 지역으로 상분리함으로써 전체 자유에너지가 감소되기 때문에 곧 불안정하게 되어 조성 구배의 반대방향으로 역방향 확산(up-hill diffusion)이 일어나 분해되는 스피노달 분해가 일어난 것으로 보인다.
그 밖에 아세톤으로 Active area 외에 다른 부분을 닦아내는 작업을 하였는데, 이 부분이 네 방향 모두 균일하지 않거나 0.09보다 작았다면 효율이 낮게 나온다. 실제로 Active area의 모양이 정사각형에서 벗어나게 코팅을 남겨 둔 조원의 효율은 다른 조원의 데이터와 현저한 차이를 보였다.
4. Conclusion
이번 실험에서는 고분자 유기 태양전지 소자를 제작해 보았다. 먼저 Active층 용액을 stirring과 heating 공정을 거쳐 제조하였고, ITO glass 기판을 에칭 및 세척과정을 통해 준비하였다. 준비된 기판에 활성층 박막을 스핀코팅에 의해 제작하였고, AI(Cathode)를 증착하였다. 마지막으로 소자 특성인 전류 전압을 측정하여 효율을 계산해보았다. 각 조원별 결과는 2.7%(정현주), 2.47%(김유니), 2.45%(권경남), 2.36%(정상균), 1.59%(강민지)과 같았다. 이 결과는 앞 선 실험의 조원들과 1%이상 차이를 보였다.
효율이 적게 나온 이유는 스핀 코팅과정에서 각 조원 별로 제작을 하면서 숙달되지 않은 기술로 불균일하게 용액 흡착한 것이 대표적이라고 이유라 추측한다. 그 밖에 Cell을 고온에서 빠른 baking을 하여 annealing 공정이 다소 미흡했으며, 혼합된 Polymer의 적은 엔트로피로 인한 상분리가 일어났다고 본다.
References
[1]이일형 [외저], 유기 태양전지, 한국과학기술정보연구원 [편], 2006, pp.3-6
[2]임상규, 영국의 유기태양전지 개발 동향, 한국과학기술정보연구원, 2006, pp.21-32
[3] 문상진 김희주, 유기 태양전지의 기술 현황과 전망, 한국화학연구원, 2005,
pp.3-9

키워드

고분자,   유기,   태양전지