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학위논문 상세정보

그래핀 투명전극 특성 향상을 통한 고효율 플렉서블 유기태양전지 개발 원문보기
High efficient flexible organic solar cells using graphene/metal grid transparent films

  • 저자

    김성만

  • 학위수여기관

    경희대학교 대학원

  • 학위구분

    국내석사

  • 학과

    정보전자신소재공학과

  • 지도교수

    강성준

  • 발행년도

    2014

  • 총페이지

    xii, 72 p.

  • 키워드

    metal grid graphene organic solar cells;

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T13536732&outLink=K  

  • 초록

    태양전지는 에너지 원인 태양광을 거의 무한히 사용할 있으며 친환경적인 특성을 갖고 있어 차세대 신재생 에너지로서 많은 연구가 진행되고 있다. 현재 상용화되어 있는 태양전지는 대부분 실리콘기반의 무기물 태양전지로 안정성이 좋고 상대적으로 높은 효율을 얻을 수 있다는 장점을 갖고 있으나 공정과정이 복잡하고 비용이 많이 들며 무게가 무겁다는 단점이 있다. 이러한 무기물 태양전지의 단점을 보완하기 위해 최근 유기 반도체물질을 이용한 유기태양전지 개발이 이루어지고 있다. 이는 저온 공정 및 용액 공정이나 프린틴 공정이 가능하므로 플렉서블 태양전지 및 초경량, 초저가형 태양전지 제작이 가능할 것으로 기대되고 있다. 특히 플렉서블 유기태양전지 제작을 위해서 양극으로 사용되는 플렉서블 투명전극에 대한 연구가 진행되고 있다. 현재 유기태양전지의 양극으로 가장 많이 사용되고 있는 투명전극은 ITO로서 뛰어난 투과도와 낮은 면저항을 나타내지만 기계적 강도가 약하고 산에 의해 부식되는 특성이 있어 플렉서블 광전자소자의 투명전극으로서 단점을 갖고 있다. 따라서 이를 대체하기 위한 투명전극으로서 전도성 고분자, 은 나노와이어, 탄소나노튜브, 그래핀 등에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 특히 그래핀은 기계적 강도 및 전기 전도도가 우수하며 투과하는 모든 빛을 투과하는 특성이 있기 때문에 차세대 소자로서 각광을 받고 있다. 우리는 이러한 그래핀의 우수한 특성에 주목을 했으며 CVD 방법으로 그래핀을 성장시켜 투명전극으로 활용하기 위한 연구를 진행하였다. 하지만 CVD 그래핀은 이론 값과 달리 큰 면저항을 가지며 여러 연구기관에서는 CVD 그래핀이 갖는 높은 면저항을 줄이기 위한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 그래핀의 전기적 특성을 향상시키는 방법으로 그래핀에 금속 그리드를 적용한 하이브리드 투명전극을 제작하여 투명전극으로서 특성에 대해 연구하였다. 금속 그리드는 그래핀 보조층으로 사용되었으며 금속이 갖는 우수한 전기적 특성으로 인해 그래핀의 면저항을 감소시키고자 하였다. 금속 그리드는 포토리소그래피 공정과 열 증착기를 사용하여 기판에 형성시켰으며 여기에CVD 방법으로 성장시킨 그래핀을 전사시켜 하이브리드 전극을 완성시켰다. 그리고 이를 유기태양전지의 양극으로 사용하여 그래핀 기반의 유기태양전지보다 향상된 성능을 기대하였다. 유기태양전지는 벌크 이종접합형으로 제작되었으며 P3HT:PCBM을 유기 반도체 물질로 사용하였다. 하이브리드로 제작된 태양전지는 그래핀 기반의 소자보다 향상된 성능을 보였으며 ITO기반의 소자보다 높은 광전환효율을 나타내었다. 이를 통해 하이브리드 전극이 그래핀의 기반의 투명전극의 성능을 향상시키며 ITO전극을 대체할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.


    We have studied graphene with metal grid hybrid transparent conductive films and application to the organic solar cells (OSCs). In order to improve the electrical properties of graphene films, Ag grid was used as the assistant layer of graphene films. Ag grid was formed on the glass or the Polyethylene terephthalate (PET) substrate by using commercial photolithography process. The graphene was synthesized by using the chemical vapor deposition (CVD) and transferred onto the substrates formed Ag grid. The optical and electrical properties of hybrid conductive films was investigated by controlling of the graphene layer or grid geometry and the electromechanical properties were measured using an inner/ outer bending test system to apply in flexible organic photovoltaics(OPVs) as flexible transparent electrodes. The optical transmittance of the hybrid conductive films measured at least 85% and the sheet resistance of the hybrid films was 30 Ω/□. The results of Inner/ outer bending test was indicated the resistance change was less than 0.1% at 7mm outer or inner bending radius. Compared to the hybrid film with Ag grid parallel to the direction of bending, the hybrid film with the Ag grid aligned 45° to the direction of bending showed superior electromechanical properties. The OSCs were fabricated on the graphene/Ag grid hybrid conductive films which were used as the anode for an P3HT:PCBM solar cell structure. The power conversion efficiency (PCE) of the OSCs using the hybrid films on glass shows 11% improvement compared to the PCE of the OSCs using the multi-layer graphene (MLG) films on glass. This improvement was attributed to the reduced sheet resistance of hybrid films. In addition, it was found that device performance were changed with the change of Ag grid geometry. The device performance were more influenced by optical transmittance than the sheet resistance of the hybrid films. The performance of OSCs fabricated using the single-layer graphene (SLG)/Ag grid include a short circuit current of 10.912 mA/cm2, an open circuit voltage of 0.583 V, a fill factor of 60.8 %, and a power conversion efficiency (PCE) of 3.868 %. This PCE was improved about 90% than the PCE of the OSCs on the SLG without Ag grid and was improved 1.2% than control device using the ITO electrode. These results indicate that Ag grid was improved the electrical properties of the graphene films and enhanced the performance of OSCs based on graphene films.


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