유기태양전지실험 과정 결과

소개글

유기태양전지실험 과정 결과에 대한 보고서 자료입니다.

목차

Abstract

Contents

1.Introduction

1-1. 태양전지의 종류와 작동 원리......................................1

1-1-1. 무기물 태양전지..............................................1

1-1-2. 염료감응태양전지.............................................1

1-1-3. 유기물 태양전지..............................................1

1-2. 유기태양전지의 구조 및 원리......................................2

1-2-1. 유기 반도체에서의 빛의 흡수..................................2

1-2-2. 반도체 고분자/C60 계면에서의 전자-정공 분리..................3

1-2-3. 전하의 수집 - 광기전력 효과..................................4

1-3. 태양전지의 효율..................................................5

2.Experiment

2-1. 실험기구.........................................................7

2-2. 실험방법..........................................................7

3.Results&discussion

3-1. Raw data.........................................................9

3-2.Results............................................................13

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

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

References

본문내용

............13
3-3.Discussion...............................................................................15
4. Conclusion .........................................................................16
References
1.Introduction
1-1. 태양전지의 종류와 작동 원리
최근 주목 받고 있는 태양전지를 물질별로 크게 구분하면 무기물 태양전지(inorganic solar cell), 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell)와 유기물 태양전지(organic solar cell)가 있다.
1-1-1. 무기물 태양전지
실리콘 계열 태양전지와 CdTe, GaAs, CIGS와 같은 반도체 태양전지가 이에 속한다. n형 반도체물질과 p형 반도체 물질을 접합하여 태양전지를 제조하며, n형 반도체는 전자(electron)가, p형 반도체는 양공(hole)이 전달체 역할을 한다. (Fig. 1a)와 같이 반도체 밴드갭 에너지보다 큰 에너지를 가지는 빛(photon)이 입사되면 p-n 접합 계면 근처에서 빛을 흡수하여 전자-양공쌍을 생성하고, 내부 전장(built-in electric field)에 의해 양공은 p형 반도체 쪽으로, 전자는 n형 반도체 전극으로 이동하여 합선회로 전류(short-circuit current, Isc)를 발생하고, 개방회로전압(open-circuit voltage, Voc)은 두 반도체의 밴드갭 에너지 차이에 의해 결정된다.
1-1-2. 염료감응 태양전지
표면에 염료 분자가 화학적으로 흡착된 n형 나노입자 반도체 산화물 전극이 빛을 흡수하면 (Fig. 1b)와 같이 염료분자는 전자-양공쌍을 생성하고,전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입되며, 반도체산화물 전극으로 주입된 전자는 나노 입자간 계면을통하여 투명 전도성 막으로 전달되어 전류를 발생시키게 된다. 염료 분자에 생성된 양공은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원된다.
1-1-3. 유기물 태양전지
유기분자접합 태양전지의 작동 원리는 (Fig. 1c)와 같다. 전자주개(electron donner D) 특성과 전자 받개(electron acceptor A) 특성을 갖는 유기물로 구성되어 있어, 빛을 흡수하면 전자-양공쌍을 생성하고 전자-양공쌍은 D-A 계면으로 이동하여 전하가 분리되고 전자는 전자 받개로, 양공은 전자주개로이동하여 전류를 발생한다.
Figure1.다양한 태양전지의 광전 변환원리
1-2. 유기태양전지의 구조 및 원리
유기 태양전지의 기본 구조는 Fig.2와 같이 금속/유기 반도체(광활성층)/금속(Metal-Semiconductor or Insulator-Metal, MIM)구조를 띠며, 높은 일함수를 가진 투명 전극인 indium tin oxide(ITO)를 양극으로, 낮은 일함수를 가진 Al이나 Ca등을 음극 문질로 사용한다. 그리고, 광활성층은 100nm정도의 두께를 가진, 전자주게 물질(electrondonor)과 전자받게 물질(electronacceptor)의 복합박막(composite) 혹은 다층 구조(multi-layer structure) 박막을 이용한다. 광활성 층으로 사용되는 유기 반도체에는 유비 단분자와 고분자가 있는데, 유기 단분자의 경우는 진공에서 가열하여 전자 주게층과 받게층을 연속으로 형성시키는 방법을 사용하고, 유기고분자의 경우는 전자 주게 물질과 전자받게 문질이 녹아 있는 용액을 spin cast법이나, ink-jet printing 법, 또는 screen printing법 등과 같은 wet process 방법을 이용하여 막을 형성시킨다. 유기태양전지에 빛을 쬐어주면, 전자 주게 물질에서 전자와 정공의 쌍 (excition)이 형성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 전자주게/받게 물질의 계면(interface)에서 분리된다. 그리고 전자는 전자 받게 물질은 통하여 음극이로, 정공은 전자 주게 물질을 통해서 양극으로 이동하려 외부로 전류가 흐르게 되며, 이 현상을 광기전력 효과(photovoltaic effect)라고 한다. 이러한 과정을 지존의 실리콘을 이용한 p-n 전합구조와는 다르다. 유기태양전지에서의 광기전력효과를 대표적인 물질인 반도체 고분자/C60 복합재를 이용하여 단계적으로 설명하면 다음과 같다.
1-2-1. 유기 반도체에서의 빛의 흡수
반도체고분자/C60 복합재에서 빛을 받아 전하를 생성시키는 것을 반도체 고분자(electron donor)이다. 반도체 고분자에서는 주사슬을 이루고 있는 탄소 원자의 최외각 전자 4개중 3개만이 α-결합을 이루고 있고, 나머지 하나는 Pz궤도 함수를차지하여 이웃하는 탄소의 Pz궤도함수과 π-결합을 이루면서 사슬을 따라서 비국소화(delocalization) 되어있다. π-전자(π*-전자) 파동함수들의 중첩에 의해 이들은 각각 가전자띠(valence band)와 전도띠(condustion band)를 이룬다. 그리고, 자전자띠과 전도띠 사이의 에너지 간격(Eg)은 무기 반도체의 에너지 간격과 비슷한. 1.5~3eV 정도의 가시광 영역에서의 값을 가진다. 따라서, 이 영역에서의 에너지를 가지는 빛을 쬐어주게 되면 π-π*천이( π-π*transition)가 일어나도 이를 통해서 전자-정공 쌍이 형성된다.
1-2-2. 반도체 고분자/C60 계면에서의 전자-정공 분리
일반적으로 반도체 고분자 내에 형성된 전자-정공 쌍은 매우 빠른 시간 내에 재결합하여 그 에너지 차이를 빛으로 내어 놓게 된다. 이것이 형광(Photoluminescence, PL)이다. 이러한 전자- 정공 쌍의 재결합은 수 nano초 이내에 일어나기 때문에 광기전력에 큰 기여를 할 수 없다. 이러한 점에서 전자 주게와 전자 받게 사이에서 일어나는 매우 빠른 광 여기 이동(photo- induced charge transfer : PICT) 현상은 전자과 정공의 재결합을 극복할 수 있는 큰 수단이 된다.
반도체 고분자가 빛을 흡수하려 전자-정공 쌍을 생성시켰을

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유기,   태양전지,   신재생