Fluorine-doped tin oxide (FTO), which is commonly used in dye-sensitized solar cells (DSSCs), is a promising material of transparent conducting oxides (TCOs) because of advantages such as high chemical stability, high resistance, high optical transparency (>80% at 550nm), and low electrical resistivity (${\sim}10-4{\Omega}{\cdot}cm$). Especially, dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been actively studied since Gratzel's research group required FTO substrate as a charge collector. When FTO substrates are used in DSSCs, photo-injected electrons may experience recombination at interface between dye-bonded semiconductor oxides ($TiO_2$) on FTO substrate and the electrolyte. To solve these problems, one is that because recombination at FTO substrate cannot be neglected, thin $TiO_2$ layer on FTO substrate as a blocking layer was introduced. The other is to control the morphology of surface on FTO substrate to reduce a loss of electrons. The structural, electrical, and optical characteristics of morphology controlled-FTO thin films as TCO materials were analyzed by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM), Hall Effect Measurement, and UV spectrophotometer. The performance of DSSCs fabricated with morphology controlled FTO substrates was performed using Power Conversion Efficiency (PCE). We will discuss these results in detail in Conference.
Film thickness dependent nanostructure evolution by a post annealing was investigated in poly (3-hexylthiophene):phenyl-C61-butyric acid methyl ester(P3HT:PCBM) films for organic solar cells which were fabricated by dichlorobenzene(DCB) solvent. In case of a 70nm thin film, the thermal annealing process affected to slight increment of the P3HT crystals in the surface region. On the other hand, large number of small sized P3HT crystals near the surface region was formed in the 200nm thick film. The solar cell devices showed the 3% power conversion efficiency(PCE) in 1:0.65 and 1:1 ratio(by weight) of P3HT and PCBM in 70nm and 200nm thickness conditions, respectively. Despite to the similar PCE, the short circuit current Jsc was different in 70nm and 200nm devices, which was related to the different nanostructure of P3HT:PCBM after thermal annealing.
In this work, polymer - inorganic composites have prepared using polymer such as polyethylene glycol (PEG)/poly (methyl methacrylate, PMMA) and inorganic nanofillers materials such as TiO2 nanotubes (TiNTs)/carbon nanotubes (CNTs). The extensive structural, morphological and ionic properties revealed that the high surface area and tubular feature of nanofillers improved the interaction and cross-linking to polymer matrix which is significantly enhanced the ionic conductivity and electrical properties of composite electrolytes. Comparably high conversion efficiency ~4.5% has been observed by using the newly prepared PEG-TiNTs composite solid electrolyte as compared with PMMA-CNTs electrolyte based DSSCs (~3%). The detailed comparative properties would be discussed in term of their structural, morphology, ionic and photovoltaic properties.
Over the past decades, organic semiconductors have been investigated intensely for their potential in a wide range of optoelectronic device applications since the organic materials have advantages for very light, flexible and low cost device fabrications. In this study, we fabricated small-molecule organic solar cells (OSCs) based on chloro[subphthalocyaninato]boron(III) (SubPc) as an electron donor and $C_{60}$ as an electron acceptor material. Recently SubPc, a cone-shaped molecule with $14{\pi}$-electrons in its aromatic system, has attracted growing attention in small-molecule OSC applications as an electron-donating material for its greater open-circuit voltage (VOC), extinction coefficient and dielectric constant compared to conventional planar metal phthalocyanines. In spite of the power conversion efficiency (PCE) enhancement of small-molecule OSC using SubPc and $C_{60}$, however, the study on the interface between donor-acceptor heterojunction of this system is limited. In this work, SubPc thin films at various thicknesses were deposited by organic molecular beam deposition (OMBD) and the evolution of surface morphology was observed using atomic force microscopy (AFM) and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM). We also investigated the influence of film thickness and surface morphology on the PCE of small-molecule OSC devices.
A novel heteroleptic ruthenium(II) complex bearing a 4-picolinic acid unit as anchoring ligands (trans-dithiocyanato bis(4-picolinic acid)ruthenium(II) (trans-H1)) was synthesized and its chemical structure was identified by $^1H$-NMR, FT-IR and mass spectroscopy. The optical, thermal, electrochemical and dye adsorption properties of trans-H1 dye were investigated and compared with those of the gold standard ruthenium complex, Ru(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)$_2cis(NCS)_2$ (N3). DSSCs based on trans-H1 dyes were examined under the illumination of AM 1.5 G, $100mWcm^{-2}$ and exhibited typical photovoltaic properties with an open-circuit voltage ($V_{OC}$) of 0.46 V, a short-circuit current ($J_{SC}$) of $4.10mA{\cdot}cm^{-2}$, a fill factor (FF) of 60.4%, and a conversion efficiency (PCE) of 1.14%.
In material processing, a laser system with optimal laser parameters has been considered to be significant. Especially, the laser scribing technology is thought to be very important for fabricating DSSC(Dye sensitized solar eel!) modules with good quality. Moreover, the $TEM_{00}$ mode laser beam is the most dominant factor to decide the IPCE(Incident photon to current conversion efficiency) characteristics. In order to get the $TEM_{00}$ mode, a pin-hole is inserted within a simple pulsed Nd:YAG laser resonator. And the spatial field distribution is measured by using three size pin-hole diameters of 2.0, 6.0mm respectively. At that moment, each case has the same laser beam energy by adjusting the discharge voltage and pps(pulse per second). From those results, it is known that the pin-hole size of 2.0mm has the perfect $TEM_{00}$ mode. In addition, at the charging voltage of 1000V, 10pps and the feeding speed of 1.11mm/sec, the SEM photo of FTO(Fluorine-doped tin oxide) thin film layers shows the best scribing trace.
The performance dependence of the P3HT:PCBM based bulk hetero-junction (BHJ) organic solar cells (OSCs) on the electrical and the optical properties of amorphous InZnSnO (a-IZTO) electrodes as a difference in film thicknesses are examined. With an increasing of the a-IZTO thickness, the series resistance ($R_{series}$) of the OSCs is reduced because of the reduction of sheet resistance ($R_{sheet}$) of a-IZTO electrodes. Additionally, It was found that the photocurrent density ($J_{sc}$) and the fill factor (FF) in OSCs are mainly affected by the electrical conductivity of the a-IZTO anode films rather than the optical transparency at thinner a-IZTO films. On the other hand, despite the much lower $R_{series}$ comes from thicker anode films, the dominant factor affecting the $J_{sc}$ became average optical transmittance of a-IZTO electrodes as well as power conversion efficiency (PCE) in same device configuration due to the thick anode films had as sufficiently low $R_{sheet}$ to extract the hole carrier from the active material.
The attractive features of photosynthetic reaction center proteins for energy application make them useful in solar energy conversion to hydrogen fuel or electrical energy. Almost unity charge separation quantum yield and its rapid speed of ~1ns, absorbance region in visible light (480~740 nm) and high proportion of photosynthetically active solar energy of 48.5% allowed photosystem1 to exploited as a bio-material for photo-energy devices. Directionality of photosystem1 in electron transfer can solve main problem in two-step water splitting process where back reaction deteriorates the overall efficiency. In the study, photosystem1 was extracted from spinach and the photo-induced excited electron in the reaction center was utilized in various field of light energy application. First, hydrogen evolving system realized by photodeposition of platinum at the end of the electron transfer chain, with combining specific semiconductor to oxidize water in the first step of Z-scheme. The evaluation by gas-chromatography demonstrated hydrogen evolution through the system. For the further application of photoelectrical material on electrode, photosystem1 have been controlled by copper ion, which is expected to assemble photosystem in specific orientation followed by maximized photoelectrical ability of film. The research proposed concrete methods for combining natural protein and artificial materials in one system and suggested possibility of designing interface between biological and inorganic materials.
유기태양전지(Organic photovoltaics, OPV)는 기계적 유연성, 경량, 반투명성, 낮은 제조 비용 등 여러 가지 고유한 특성을 지니고 있어 차세대 신재생 에너지원으로 큰 잠재력을 보여 왔다. 최근 분자구조 및 소자 엔지니어링의 발전으로 19% 이상의 높은 효율을 달성했다. 그러나 이러한 높은 효율을 갖춘 광활성층 물질들은 복잡한 구조로 인해 합성 과정이 복잡하며 제조비용이 높아 상용화에 어려움이 있다. 이 문제를 해결 하기 위해 간단한 구조를 갖는 저비용 광활성층 물질들에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 논문에서는 이러한 낮은 비용의 광활성층 물질 및 이를 합성하기 위한 전략들에 대해 소개한다.
페로브스카이트 태양전지는 용액공정으로 제작되어 공정 중 전구체 조성제어를 통해 밴드갭을 용이하게 조절할 수 있다. 탠덤 태양전지의 상부셀로 활용하여 실리콘 태양전지와 접합 시 30% 이상의 효율 달성이 가능하지만, 페로브스카이트 태양전지의 낮은 안정성이 상용화의 걸림돌로 작용하고 있다. 아이오딘 이온 및 전극 물질 확산이 주된 열화기구로 알려져 있어 장기 안정성을 확보하기 위해서는 이러한 이온 이동의 방지가 필요하다. 본 연구에서는 층간소재와 페로브스카이트 광활성층 사이의 이온이동에 의한 열화현상을 관찰하고, 이를 억제하기 위해 페로브스카이트 소재와 은전극 사이에 버퍼층을 도입하여 소자의 안정성을 확보하였다. 85℃에서 300시간 이상 보관 시 버퍼가 없는 소자는 페로브스카이트 층이 PbI2 및 델타상으로 변화하며 변색되었으며 AgI가 형성되는 것을 확인했다. LiF와 SnO2 버퍼 도입 시 이온이동 억제 효과를 통해 페로브스카이트 태양전지의 열안정성이 향상되었다. LiF버퍼층 적용 및 봉지를 한 소자는 85℃-85%RH damp heat 시험 200시간 후 효율감소가 발생하지 않았으며 추가로 AM 1.5G-1SUN 하에서 최대출력점을 추적하였을 때 200시간 후 초기 효율의 90% 이상 유지하는 것을 확인했다. 이 결과는 버퍼층 형성을 통한 층간 물질이동 억제가 장기안정성을 확보하기 위한 필요조건임을 보여준다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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