KR100670857B1 - Conducting polymer nano structure photovoltaic device prepared by electrochemical polymerization method using block copolymer nano template and method for fabricating the same - Google Patents

Conducting polymer nano structure photovoltaic device prepared by electrochemical polymerization method using block copolymer nano template and method for fabricating the same Download PDF

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KR100670857B1
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유재웅
김재경
이수형
진병두
김진곤
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Abstract

A conducting polymer nano structure photovoltaic device and a method for manufacturing the same are provided to reduce the loss of an absorbed light by obtaining a high density P type polymer nano structure using a block copolymer nano template. A nano template with nano porosities is formed on a transparent substrate by using a block copolymer. A P type polymer nano structure is formed on the nano template. The nano template is removed from the resultant structure by using an organic solvent. An N type organic material is coated on the P type polymer nano structure. A metal electrode layer is deposited on the N type organic material.

Description

블록 공중합체 나노템플레이트를 이용하여 제조된 전도성 고분자 나노 구조 광전 변환 소자 및 그의 제조 방법{CONDUCTING POLYMER NANO STRUCTURE PHOTOVOLTAIC DEVICE PREPARED BY ELECTROCHEMICAL POLYMERIZATION METHOD USING BLOCK COPOLYMER NANO TEMPLATE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}Conductive polymer nanostructure photoelectric conversion device manufactured using a block copolymer nanotemplate and a method for manufacturing the same

도 1은 p-n 접합형의 고분자 나노 구조로 형성된 유기 광전소자의 단면도.1 is a cross-sectional view of an organic photoelectric device formed of a polymer nanostructure of p-n junction type.

도 2는 나노템플레이트를 이용하여 p형 전도성 고분자 나노 구조를 성장시켜 고분자 p-n형 유기 광전소자를 만드는 방법을 나타낸 모식도.Figure 2 is a schematic diagram showing a method of growing a p-type conductive polymer nanostructure using a nano template to make a polymer p-n type organic photoelectric device.

도 3은 유기고분자의 여기자 수명시간을 평균 10 nm로 가정했을 때 가장 이상적인 나노 구조.3 is an ideal nanostructure assuming that the average life time of the exciton of the organic polymer is 10 nm.

도 4는 형성된 폴리피롤 나노 구조의 FE-SEM 이미지 사진.Figure 4 is a FE-SEM image photograph of the formed polypyrrole nano structure.

도 5a 내지 5c는 10, 20, 40분간 반응하여 형성된 폴리피롤 나노 구조의 단면 FE-SEM 이미지 사진.5a to 5c is a cross-sectional FE-SEM image photograph of the polypyrrole nano structure formed by reacting for 10, 20, 40 minutes.

도 6은 전기화학 반응 시간 변화에 따른 전류량의 변화를 보여주는 그래프 ((a) 폴리스티렌 필름이 없는 경우 및 (b) 100 nm 두께의 폴리스티렌이 있는 경우).Figure 6 is a graph showing the change in the amount of current with the change in the electrochemical reaction time ((a) in the absence of polystyrene film and (b) in the presence of 100 nm thick polystyrene).

도 7은 대시간 전류도(chronoamperogram)와 템플레이트의 채움의 정도를 보여주는 그래프.7 is a graph showing the degree of filling of a template with a chronoamperogram.

도 8은 제작된 나노 구조 유기 광전 변환 소자의 전류-전압 특성을 보여주는 그래프.8 is a graph showing the current-voltage characteristics of the fabricated nanostructured organic photoelectric conversion device.

도 9는 제작된 나노템플레이트의 단면 FE-SEM 이미지 사진.Figure 9 is a cross-sectional FE-SEM image photograph of the fabricated nano-template.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

101: 유리기판101: glass substrate

102: ITO 전극102: ITO electrode

103: PEDOT 전극 보호층 103: PEDOT electrode protective layer

104: p형 고분자 나노 구조층104: p-type polymer nanostructure layer

105: n형 유기물층105: n-type organic compound layer

106: 금속 양극106: metal anode

본 발명은 고분자 나노템플레이트를 이용한 유기 고분자 광전 변환 소자 제작에 관한 것이다. 구체적으로, 본원 발명은 블록 공중합체를 이용하여 투명전극 위에 높은 기공 밀도를 갖는 나노템플레이트를 형성한 후 p형 고분자를 나노 기공 내에서 성장시키고, 이어서 이 나노템플레이트를 제거하고 n형 유기물 필름을 p형 고분자 위에 코팅하여 우수한 광전 변환 효과를 나타내는 소자를 만들 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to fabrication of an organic polymer photoelectric conversion device using a polymer nano template. Specifically, the present invention forms a nano-template having a high pore density on the transparent electrode using a block copolymer, and then grow the p-type polymer in the nano-pores, then remove the nano-template and the p-type organic film The present invention relates to a technology capable of making a device exhibiting excellent photoelectric conversion effect by coating on a type polymer.

나노템플레이트 기술은 여러 가지 방법이 개발되어 사용되고 있다. 1986년 마틴과 그의 동료는 상업용 전자입자 에칭 폴리카보네이트 막을 (particle track-etched polycarbonate membrane) 이용하여 전도성 고분자 섬유를 성장시키는 방법을 보고하였다 [R.M. Penner, C.R. Martin, J. Electrochem. Soc., 133, 2206 (1986)]. 그 후로 나노템플레이트 기술은 나노 크기의 고분자나 금속 섬유를 성장시키는 방법으로 자주 사용되고 있다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 나노템플레이트로는 전자입자 에칭 폴리카보네이트 막과 음극화 산화 알루미늄막 (anodized alumina membran) 등이 있다. 다른 고분자 나노템플레이트를 제조하는 기술로는 비대칭 블록 공중합체에 외부 전장을 가하여 육각면체의 형태로 정렬된 나노 기공을 형성하는 방법 [T. Thurn-Albrecht, J. Schotter, G. A. Kaestle, N. Emley, T. Shibauchi, L. Krusin-Elbaum, K. Guarini, C. T. Black, M. T. Tuominen, T. P. Russell, Science, 290, 2126 (2000)]과 블록 공중합체에 소량의 유기화합물을 블렌드함으로써 블록 공중합체의 나노 기공 내에 제거가 용이한 유기화합물 나노 도메인을 형성하는 방법 [A. Sidorenko, I. Tokarev, S. Minko, M. Stamm, J. Am. Chem . Soc ., 125, 12211 (2000)] 그리고 반응성 이온 에칭 (reactive ion etching) 기술을 이용하여 SiO2에 핀형 금형을 만들어 폴리메틸메타크릴레이트와 같은 고분자막에 찍어 나노템플레이트를 제작하는 방법 [S.Y. Chou, P.R. Krauss, P.J. Renstrom, Appl . Phys. Lett ., 67, 3114 (1995); S.Y. Chou, P.R. Krauss, W.Zhang, L. Guo, L. Zhuang, J. Vac . Technol . B, 15, 2897 (1997)] 등이 있다.Nano-template technology has been developed and used. In 1986, Martin and his colleagues reported a method of growing conductive polymer fibers using a commercially available, particle track-etched polycarbonate membrane [RM Penner, CR Martin, J. Electrochem. Soc., 133, 2206 (1986)]. Since then, nanotemplate technology has been used frequently to grow nanoscale polymers and metal fibers. Nano-templated nano templates include electron particle etched polycarbonate films and anodized aluminum oxide films. As another technique for preparing a polymer nano template, an external electric field is applied to an asymmetric block copolymer to form nano pores arranged in the form of a hexagonal body [T. Thurn-Albrecht, J. Schotter, GA Kaestle, N. Emley, T. Shibauchi, L. Krusin-Elbaum, K. Guarini, CT Black, MT Tuominen, TP Russell, Science, 290, 2126 (2000) A method of forming organic compound nano domains that can be easily removed in the nanopores of a block copolymer by blending a small amount of organic compounds in a copolymer [A. Sidorenko, I. Tokarev, S. Minko, M. Stamm, J. Am. Chem . Soc ., 125, 12211 (2000)] and a method of fabricating nano-templates by making pin-shaped molds on SiO 2 using reactive ion etching technology and dipping them on polymer membranes such as polymethylmethacrylate [SY Chou, PR Krauss, PJ Renstrom, Appl . Phys. Lett ., 67, 3114 (1995); SY Chou, PR Krauss, W. Zhang, L. Guo, L. Zhuang, J. Vac . Technol . B , 15, 2897 (1997).

현재 시판되는 상업용 고분자 나노템플레이트는 상대적으로 낮은 기공밀도를 갖고 있다. 기공밀도는 105 ~ 109 개/cm2 정도이며 시가 모형 (cigar-like shape)의 나노 크기 기공들이 무작위한 질서도를 갖고 막 전체에 분포되어 있다. 상업용 나노템플레이트를 이용하여 광전 변환 소자를 형성하려는 시도가 있기는 하였지만, 이 방법은 본 발명에서 사용하는 블록 공중합체 고분자 나노템플레이트보다 훨씬 낮은 기공 밀도를 갖고 있다. 또한 기존의 기술은 광전 변환 소자를 형성하고자 할 때 나노 기공을 갖는 상업용 나노템플레이트나 음극화 산화알루미늄막의 한쪽 면에 금과 같은 전극물질을 증착하여 전극을 형성하여 p형 고분자를 성장시킨 후 사용한 템플레이트를 제거한 후 다시 투명전극을 스퍼터링하는 방법을 사용하지만 본 기술은 투명전극인 ITO 위에 나노 구조를 형성할 수 있는 블록 공중합체 막을 먼저 형성한 후에 고분자의 상분리를 이용하여 나노 기공을 형성하고 이를 이용하여 광전 변환 소자를 제작하기 때문에 소자 제작이 용이하며 종래의 기술들이 가혹한 조건을 사용하여 광전 변환층에 원하지 않는 반응을 일으키는 것과는 전혀 다른 방법을 사용하고 있다.Commercially available commercial polymer nanotemplates have a relatively low pore density. The pore density ranges from 10 5 to 10 9 / cm 2 and the cigar-like shape of nano-sized pores is randomly distributed throughout the membrane. Although attempts have been made to form photoelectric conversion devices using commercial nanotemplates, this method has a much lower pore density than the block copolymer polymer nanotemplates used in the present invention. In addition, the conventional technology is a template used to grow a p-type polymer by forming an electrode by depositing an electrode material such as gold on one side of a commercial nano-plate having nano pores or an anodized aluminum oxide film when forming a photoelectric conversion device Although the method is used to sputter the transparent electrode again, the present technology first forms a block copolymer film capable of forming a nanostructure on the transparent electrode ITO, and then forms nanopores using phase separation of the polymer and then uses the same. Since the fabrication of the photoelectric conversion device is easy, the device is easy to fabricate, and conventional techniques are using a completely different method from causing an undesired reaction in the photoelectric conversion layer using harsh conditions.

따라서 본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하는 것으로, 기존의 나노템플레이트를 이용한 광전 변환 소자 제작 기술보다 우수한 소자 제작 기술과 고분자 물질을 이용하여 우수한 광전 변환 효율을 이룩할 수 있는 광전 변환 소자를 제공하는 것이다.Therefore, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art, a photoelectric conversion device that can achieve excellent photoelectric conversion efficiency using a device manufacturing technology and a polymer material superior to the conventional photoelectric conversion device manufacturing technology using nano-templates To provide.

본 발명에서는 블록 공중합체를 이용하여 투명전극 위에 높은 기공 밀도를 갖는 나노템플레이트를 형성한 후 p형 고분자를 나노 기공 내에서 성장시킨 후 나노템플레이트를 제거하고 n형 유기물 필름을 p형 고분자 위에 코팅하여 광전 변환 소자를 제작한다. 이 기술은 p형의 고분자를 투명전극 위에 높은 밀도로 나노 구조화함으로써 우수한 광전 변환 효과를 나타내기 위한 기본조건인 높은 비표면적뿐만 아니라 생성된 전하의 이동통로가 확보되어 있으며 또한 이상적인 나노 구조를 갖고 있어 모든 광전 변환층이 유효 분리 영역이 되어 흡수된 광량의 손실이 적어져 높은 효율을 갖는 유기 광전 변환 소자 제작을 가능하게 해준다.In the present invention, by forming a nano-template having a high pore density on the transparent electrode using a block copolymer, the p-type polymer is grown in nano-pores, the nano-template is removed and the n-type organic film is coated on the p-type polymer The photoelectric conversion element is manufactured. This technology nanostructured p-type polymer with high density on the transparent electrode to ensure the high specific surface area, which is the basic condition for showing excellent photoelectric conversion effect, as well as the transfer path of generated charges, and also has an ideal nanostructure. All of the photoelectric conversion layers become effective separation regions, thereby reducing the amount of absorbed light, thereby making it possible to fabricate an organic photoelectric conversion device having high efficiency.

또한 본 발명의 목적은 이와 같은 구조로 높은 광전 변환 효율을 갖는 유연성 초박막 광전소재를 개발하는데 있으며 이들을 이용한 광전 소자는 태양전지나 광센서로 이용될 수 있다.In addition, an object of the present invention to develop a flexible ultra-thin photoelectric material having a high photoelectric conversion efficiency with such a structure, the photoelectric device using them can be used as a solar cell or an optical sensor.

보다 구체적으로, 본 발명은 투명전극 위에 블록 공중합체를 이용하여 나노 기공을 갖는 나노템플레이트를 형성시키는 단계, 형성된 나노템플레이트 상에 p형의 고분자 나노 구조를 형성시키는 단계, 유기용매를 사용하여 나노템플레이트를 제거하는 단계, n형의 유기물을 p형의 고분자 나노 구조 상에 코팅하는 단계 및 상기 n형의 유기물 상에 금속전극층을 증착하는 단계를 포함하는 광전 변환 소자의 제조 방법을 제공한다.More specifically, the present invention comprises the steps of forming a nano template having nano pores on the transparent electrode using a block copolymer, forming a p-type polymer nanostructure on the formed nano-template, nano-template using an organic solvent It provides a method of manufacturing a photoelectric conversion device comprising the step of removing, coating the n-type organic material on the p-type polymer nanostructure and depositing a metal electrode layer on the n-type organic material.

상기 방법에서, p형의 고분자는 폴리피롤 및 그의 유도체, 폴리아닐린 및 그의 유도체, 또는 폴리티오펜 및 그의 유도체로 이루어지는 군 중에서 선택된다.In the above method, the p-type polymer is selected from the group consisting of polypyrrole and derivatives thereof, polyaniline and derivatives thereof, or polythiophene and derivatives thereof.

n형의 유기물은 폴리퀴놀린 및 그의 유도체, 폴리(파라-페닐렌비닐렌) 및 그 의 유도체, 폴리티오펜 및 그의 유도체, 폴리(파라-페닐렌) 및 그의 유도체, 폴리플로렌 및 그의 유도체, 폴리아세틸렌 및 그의 유도체, 테트라시아노퀴노디메탄 (tetracyanoquinodimethane), 풀러렌 (fullerene), 1,4,5,8-나프탈렌 테트라카르복실산 디안히드라이드와 그 유도체, 1,4,5,8-나프탈렌 테트라카르복실산 디이미드와 그 유도체, 11,11,12,12-테트라시아노나프토-2,6-퀴노디메탄과 그 유도체, 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 디안히드라이드 및 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 디이미드와 그 유도체, 메탈로프탈로시아닌의 유도체, 섹시티오펜 (sexithiophene)과 그 유도체 및 펜타센 (Pentacence)로 이루어지는 군 중에서 선택될 수 있다.n-type organic compounds include polyquinoline and its derivatives, poly (para-phenylenevinylene) and its derivatives, polythiophene and its derivatives, poly (para-phenylene) and its derivatives, polyflorene and its derivatives, Polyacetylene and derivatives thereof, tetratracynoquinodimethane, fullerene, 1,4,5,8-naphthalene tetracarboxylic dianhydride and derivatives thereof, 1,4,5,8-naphthalene Tetracarboxylic acid diimide and its derivatives, 11,11,12,12-tetracyanonaphtho-2,6-quinomimethane and its derivatives, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid dianhydra Id and 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid diimide and its derivatives, derivatives of metallophthalocyanine, sexithiophene and its derivatives, and pentacene. have.

상기 투명 기판은 유리, 석영, 투명 플라스틱인 PET (polyethylene terephthalate) 또는 폴리에테르설폰 (polyethersulfone)이고, 상기 투명 전극이 인듐 산화 주석 (ITO). 폴리에틸렌디옥시티오펜 (PEDOT), 폴리아닐린 (polyaniline) 또는 폴리피롤 (polypyrrole)을 사용할 수 있다.The transparent substrate is polyethylene (terephthalate) or polyethersulfone (PET) which is glass, quartz, or transparent plastic, and the transparent electrode is indium tin oxide (ITO). Polyethylenedioxythiophene (PEDOT), polyaniline or polypyrrole can be used.

상기 금속 전극은 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 칼슘, 구리, 은, 금, 백금 및 이들의 합금으로 이루어지는 군 중에서 선택되고, 상기 블록 공중합체는 폴리스티렌-b-폴리메틸메타크릴레이트 블록 공중합체를 사용할 수 있다.The metal electrode is selected from the group consisting of aluminum, magnesium, lithium, calcium, copper, silver, gold, platinum, and alloys thereof, and the block copolymer may be a polystyrene-b-polymethylmethacrylate block copolymer. have.

또한, 본 발명은 투명전극, 이 위에 형성된 p형의 고분자 나노 구조, 상기 p형의 고분자 나노 구조 상에 코팅된 n형의 유기물, 상기 n형의 유기물 상에 증착된 금속전극층을 포함하는 광전 변환 소자로서, 상기 본 발명의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는, 우수한 광전 변환 효과를 나타내는 광전 변환 소자를 제공한다.In addition, the present invention is a photoelectric conversion comprising a transparent electrode, a p-type polymer nanostructure formed thereon, an n-type organic material coated on the p-type polymer nanostructure, a metal electrode layer deposited on the n-type organic material As an element, there is provided a photoelectric conversion element exhibiting an excellent photoelectric conversion effect, which is produced by the method of the present invention.

기타, 본 발명의 목적 및 특징은 후술하는 발명의 구성 및 특허청구범위에서 더욱 명확하게 나타날 것이다.Other objects and features of the present invention will appear more clearly in the configuration and claims of the invention to be described later.

본 발명은 광전 변환 효율이 우수할 수 있는 구조를 갖는 나노 구조형 고분자 광전 변환 소자를 만드는 새로운 방법을 제공한다. 도 1에 이와 같은 p-n 접합형의 나노 구조 고분자 광전 변환 소자의 단면도를 나타내었다. 101은 유리와 같은 투명한 기판이고, 102는 ITO와 같은 투명전극, 103은 폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜 (PEDOT)과 같은 전극보호층, 104는 p형 고분자 반도체, 105는 n형 유기물 반도체, 106은 알루미늄과 같은 금속 양극을 나타낸다.The present invention provides a novel method of making a nano-structured polymer photoelectric conversion device having a structure that can be excellent in photoelectric conversion efficiency. 1 is a cross-sectional view of such a p-n junction nanostructure polymer photoelectric conversion device. 101 is a transparent substrate such as glass, 102 is a transparent electrode such as ITO, 103 is an electrode protective layer such as poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT), 104 is a p-type polymer semiconductor, 105 is an n-type organic material Semiconductor 106 represents a metal anode, such as aluminum.

본 발명은 블록 공중합체를 이용하여 투명전극 위에 기공 밀도가 높은 나노 기공을 갖는 템플레이트를 먼저 형성하여 p형 고분자 나노 구조를 제작하고 n형의 유기물을 코팅하여 광전 변환 소자를 제작하는 방법을 제공한다. 이 방법은 기존의 나노템플레이트 방법을 이용하여 제조된 템플레이트에 전극을 코팅하여 p형 고분자를 형성하고 n형 고분자를 코팅한 후에 다시 투명 전극인 ITO를 스퍼터링하여 광전 변환 소자를 제작하는 기존의 방법에 비하면 획기적인 방법이라 할 수 있다.The present invention provides a method of fabricating a p-type polymer nanostructure by first forming a template having a high pore density on the transparent electrode using a block copolymer to produce a p-type polymer nanostructure and coating an n-type organic material to produce a photoelectric conversion device. . This method is applied to the existing method of fabricating a photoelectric conversion device by forming a p-type polymer by coating an electrode on a template prepared by using a conventional nano-template method, and then coating the n-type polymer and then sputtering the transparent electrode ITO. Compared to the breakthrough method.

최근에 유기물을 광전소자에 이용하는 기술의 개발이 꾸준히 이루어져 왔다. 이것은 고분자가 외부의 작은 인가전압에 의해서 전하의 이동도가 증가하여 내부양자효율이 증가하며 가공성도 뛰어나며 실온에서 코팅이나 프린팅 기술로 소자 제작이 가능하며 대면적 소자 제작이 용이하고 유연성이 있으며 소자 제작 비용이 저렴하며 분자설계를 통하여 밴드갭 조절이 가능한 점 등의 여러 가지 장점을 갖고 있어 고분자를 이용한 광전소자가 차세대 광전소자로 각광을 받고 있기 때문이다.Recently, the development of technology using organic materials in optoelectronic devices has been steadily made. This is because the polymer has an increased mobility of charges due to the external small applied voltage, which increases the internal quantum efficiency and excellent processability. It is possible to manufacture devices by coating or printing technology at room temperature. This is because photoelectric devices using polymers are in the spotlight as next generation photoelectric devices because they have various advantages such as low cost and the ability to adjust band gap through molecular design.

유기물을 이용한 광전소자의 최적화를 위하여서는 유기계에서 일어나는 광전현상을 먼저 이해하여야한다. 유기 광전소자에서 전하가 생성되는 기본 원리는 유기물로 이루어진 광전소자로 들어간 광자는 유기물을 여기시키고 (여기자를 형성시킴), 여기자는 p-n 접합 계면에서 생성되어 있는 전위차에 의하여 여기자 결합에너지 (exciton binding energy)를 극복하고 전하(전자와 정공)로 분리되고 생성된 전하는 각각의 해당 전극으로 이동하여 전류를 생성하게 된다.In order to optimize an optoelectronic device using organic materials, it is necessary to first understand photoelectric phenomenon occurring in an organic system. The basic principle of charge generation in organic photoelectric devices is that photons entering organic photovoltaic devices excite organic materials (excite excitons), and excitons are excited by the potential difference generated at the pn junction interface. ) And separated into charges (electrons and holes), the generated charges move to their respective electrodes to generate current.

이와 같은 원리에서 광전효율을 증가시키기 위해서는 먼저 광흡수도가 좋아야 한다. 즉, 광을 많이 흡수하여 여기자를 많이 생산할수록 전하를 생성하기가 쉽다. 둘째, p-n 계면에서의 전하분리능 (즉 전자-정공 분리능)이 커야한다. p형과 n형 반도체들간의 HOMO와 LUMO 차이가 커야 여기자 결합에너지 (exciton binding)를 극복하고 생성된 여기자가 전자와 정공으로 분리가 가능하며 또한 계면 근처에서만 전자와 정공으로 분리가 가능하기 때문에 계면 근처의 분리활성 (photoactive) 지역에서 여기자를 형성해야 한다. 그리고 생성된 전자와 정공이 이동하지 않으면 다시 여기자로 재결합되므로 생성된 전하의 원활한 수송을 통하여 전자와 정공의 재결합 방지하여야 한다. 셋째로 전자와 정공의 균등한 운반을 통하여 신속하면서도 어떤 한 개의 전하가 소자내에 축적되는 것을 방지해야 한다. 특히 대부분의 고분자들은 전하이동도 (charge mobility)가 무기물에 비하여 크게 떨어지므로 원활한 이동경로를 확보해야 하며 전자나 정공의 이동도가 비슷하여야 한 종류의 전하가 소자 내에 축적되지 않는다. 전하가 전극으로 잘 전달되면 정공이나 전자가 소자 내에 축적되지 않아 소자 내부에 큰 부하가 걸리지 않게 되어 소자의 수명이 늘어 나게 된다. 보통 유기/무기 또는 저분자/고분자 이종 접합의 경우 서로 다른 운반 메커니즘을 보유하여 서로 다른 이동도를 나타내므로 p와 n 물질은 비슷한 전하이동도를 갖고 있는 같은 형태의 물질인 것이 좋다. 또한 소자물질과 금속전극 물질 사이의 옴 (ohmic) 접촉을 형성하여 전하가 전극으로 이동하는데 저항이 적은 것이 좋다.In this principle, in order to increase photoelectric efficiency, light absorbance must be good first. In other words, the more light is absorbed to produce more excitons, the easier it is to generate charge. Second, the charge separation at the p-n interface (ie electron-hole separation) must be large. The difference between HOMO and LUMO between p-type and n-type semiconductors must be large to overcome the exciton binding energy, and thus the excitons can be separated into electrons and holes. Excitons should be formed in nearby photoactive regions. If the generated electrons and holes do not move again, they recombine with excitons, and thus, recombination of electrons and holes should be prevented through smooth transport of generated charges. Third, the uniform transport of electrons and holes must prevent any single charge from accumulating in the device. In particular, most polymers have a much lower charge mobility compared to inorganic materials, so a smooth migration path must be ensured, and electrons or holes must have similar mobility so that one type of charge does not accumulate in the device. If the charge is well transferred to the electrode, holes or electrons do not accumulate in the device, so that a large load is not applied to the inside of the device, thereby extending the life of the device. In general, organic / inorganic or low molecular / polymer heterojunctions have different transport mechanisms and show different mobility, so p and n materials are preferably the same type of material having similar charge mobility. In addition, it is desirable to form an ohmic contact between the device material and the metal electrode material so that the charge is transferred to the electrode with low resistance.

앞에 언급된 여러 가지 조건들 중 계면의 모폴로지를 제어하여 광전 변환 활성지역인 비표면적을 증대시키는 방법은 물리적으로 조절이 가능한 것으로 광전효율의 증가에 직접적이고도 탁월한 효과를 나타낸다고 알려져 있다. 이렇게 p-n 접합형의 고분자 나노 구조를 형성하면 p-n 접합계면의 증가로 인하여 광흡수에 의해 생성된 여기자의 전자-정공으로의 분리능이 증가하게 된다. 접합면의 증가는 생성되는 여기자가 전자와 정공으로 깨어지는 유효 분리 영역 (effective charge separation active area)에 형성될 확률을 증가시켜 광전효율의 증가를 일으킨다. 또한 생성된 여기자의 수명(lifetime)안에 움직일 수 있는 거리는 보통 대략 10 nm 정도이기 때문에 계면 접촉면으로부터 대략 10 nm 정도가 전자와 정공을 생성할 수 있는 유효 분리 영역으로 간주된다. p형 고분자 나노 구조를 이와 같은 유효 분리 영역만큼 떨어져 있게 형성시킴으로써 소자 내의 모든 영역을 분리활성지역으로 디자인하는 것이 가능하게 된다. 이로 인한 광전 변환 효율의 증가는 매우 클 것으로 예상된다. 또한, 본 발명에 따른 방법으로 제작되는 유기광전변환 소자의 경우에는 각 유기반도체 고분자에 생성된 전하들은 그들이 이동해야 하는 전극을 향한 통로가 확보되어 있다. 즉, 전형적인 유기물 블렌드 광전변환소자의 경우에 흔히 발견 되는 연속상과 도메인으로 구성되는 소자에서는 도메인에 생성된 전하는 자발적 전하흐름 방향을 따라 적절한 전극으로 이동하기 위하여 전하이동에 유리하지 않은 연속상을 지나가야하는 부담이 생겨 광전 변환 효율의 감소를 가져오게 되지만, 나노 구조로 형성된 소자는 그들이 이동해야 하는 전극을 향한 통로가 확보되어 있어 광전 변환 효율의 증가가 예상된다. 이러한 p와 n형 고분자가 각각의 필요한 전극에 연결되어 있어 생성된 전자나 정공이 전극으로 이동이 용이한 소자는 광전효율의 증가뿐만 아니라 다시 여기자로의 재결합을 방지하며 확보된 이동경로를 통한 원활한 운반을 통하여 전하가 소자 내에 축적되는 것을 방지할 수 있어 소자 내부에 부하가 걸리지 않게 하여 소자의 수명이 늘어나게 되는 효과도 나타낸다.Among the above-mentioned conditions, the method of increasing the specific surface area of the photoelectric conversion active region by controlling the morphology of the interface is known to be physically controllable and has a direct and excellent effect on increasing the photoelectric efficiency. When the p-n junction-type polymer nanostructure is formed as described above, the resolution of the exciton generated by light absorption due to the increase of the p-n junction interface is increased to the electron-hole. The increase in the junction surface increases the photoelectric efficiency by increasing the probability that the generated excitons are formed in an effective charge separation active area that is broken into electrons and holes. Also, since the distance that can be moved in the lifetime of the generated excitons is usually about 10 nm, about 10 nm from the interface contact surface is regarded as an effective separation region capable of generating electrons and holes. By forming the p-type polymer nanostructures by such effective separation regions, it is possible to design all regions in the device as separation active regions. The increase in photoelectric conversion efficiency is expected to be very large. In addition, in the organic photoelectric conversion device manufactured by the method according to the present invention, the charges generated in each organic semiconductor polymer have a passage toward the electrode to which they should move. That is, in the case of a typical organic blend photoelectric conversion device, a continuous phase commonly found in a domain and a device consisting of a domain, the charge generated in the domain passes through a continuous phase which is not favorable for charge transfer to move to an appropriate electrode along the spontaneous charge flow direction. The burden to go is caused to reduce the photoelectric conversion efficiency, but the device formed with nano structure is expected to increase the photoelectric conversion efficiency because the passage toward the electrode to move them is secured. The p- and n-type polymers are connected to each of the required electrodes, so that the generated electrons or holes are easily moved to the electrodes, which not only increases the photoelectric efficiency but also prevents recombination into excitons. It is also possible to prevent charges from accumulating in the device through transportation, thereby preventing the load from being loaded inside the device, thereby increasing the life of the device.

본 발명에서 사용하는 나노템플레이트를 이용하여 전기전도성 고분자의 전기화학적 중합법을 이용한 광전 변환 소자 제작법은 이와 같은 고분자 나노 구조를 쉽게 형성할 수 있다. 도 2에 본 발명에서 나노템플레이트를 이용하여 고분자 나노 구조를 만드는 방법을 나타내었다. 우선 투명전극 위에 블록 공중합체를 이용하여 나노 기공을 갖는 나노템플레이트를 형성시킨 후 고분자의 상분리 현상을 이용하여 나노 기공을 형성한다. 이후에, 전기화학적인 방법을 이용하여 p형의 고분자 나노 구조를 형성시킨다. 전기화학적으로 형성된 나노 구조는 유기용매에 녹지 않으므로 이를 이용하여 나노템플레이트를 제거한다. 그 후, n형의 유기물을 스핀코팅하고 금속전극층을 증착하여 광전 변환 소자를 제작한다.Photoelectric conversion device fabrication method using the electrochemical polymerization method of the electroconductive polymer using the nano-template used in the present invention can easily form such a polymer nanostructure. 2 shows a method of making a polymer nanostructure using a nano template in the present invention. First, a nano template having nano pores is formed on the transparent electrode using a block copolymer, and then nano pores are formed using a phase separation phenomenon of a polymer. Thereafter, p-type polymer nanostructures are formed using an electrochemical method. Electrochemically formed nanostructures are insoluble in organic solvents, thereby removing nanotemplates. Thereafter, the n-type organic material is spin-coated and a metal electrode layer is deposited to fabricate a photoelectric conversion device.

도 3은 유기고분자의 여기자 수명시간을 평균 10 nm로 가정했을 때 가장 이상적인 나노 구조를 보여준다. 이와 같은 구조를 갖게 되면 시판되는 나노템플레이 트를 이용할 때 보다 월등한 비표면적을 갖게 되고 또한 광전 변환층이 모두 유효 분리 영역으로 되어 우수한 광전 변환 효율을 나타낼 것으로 기대된다.Figure 3 shows the ideal nanostructure assuming that the average life time of the exciton of the organic polymer is 10 nm. Having such a structure is expected to have a superior specific surface area when using commercially available nano-templates, and all the photoelectric conversion layers become effective separation regions and thus exhibit excellent photoelectric conversion efficiency.

도 4와 도 5에는 이와 같은 나노템플레이트 방법의 일실시태양을 이용해 만든 고분자 나노 구조의 SEM 이미지를 보여준다. 이때의 반응 조건은 나노 기공의 크기가 20 nm인 템플레이트를 이용하여 피롤 모노머와 도판트의 몰비를 10:1로 고정하고 0.64 V의 전압을 가하며 p형 고분자를 형성시키는데 필요한 전기화학 반응 시간을 40분으로 고정하였다. 나노템플레이트를 이용하는 전기중합 방법은 나노 기공의 크기가 40 nm 이하인 경우 좁은 나노 기공 안으로 단량체와 도판트의 적심 (wetting)이 어려운 관계로 전기중합을 통한 나노 기공의 채움시간 (filling time)이 커진다.4 and 5 show SEM images of polymer nanostructures made using one embodiment of such a nanotemplate method. In this case, the electrochemical reaction time required to form a p-type polymer was obtained by fixing the molar ratio of pyrrole monomer and dopant to 10: 1 and applying a voltage of 0.64 V using a template having a nanopore size of 20 nm. Fixed in minutes. In the electropolymerization method using a nano template, when the size of the nano pores is 40 nm or less, wetting of monomers and dopants into the narrow nano pores is difficult, so that the filling time of the nano pores through electropolymerization is increased.

도 5는 나노템플레이트법으로 만들어진 고분자 나노 구조의 단면 주사전자이미지를 나타내는데, 이미지에 나타난 바와 같이 피롤 모노머의 전기화학 반응 시간을 조절함으로써 p형 고분자 나노 구조의 높이를 조절할 수 있음을 알 수 있다 (도 5a는 10분, 도 5b는 20분, 도 5c는 40분간 반응).Figure 5 shows a cross-sectional scanning electron image of the polymer nanostructure made by the nano-template method, it can be seen that the height of the p-type polymer nanostructure can be adjusted by controlling the electrochemical reaction time of the pyrrole monomer as shown in the image ( 5a is 10 minutes, FIG. 5b is 20 minutes, and FIG. 5c is 40 minutes).

시판되는 상업용 고분자 나노템플레이트와는 다르게, 블록 공중합체 막으로 만들어지는 템플레이트는 고분자의 상분리를 이용하기 때문에 규칙적인 육각구조 (regulated hexagonal structure)가 템플레이트 내에 균일하게 존재하며, 1011 개/cm2 정도의 기공 밀도를 갖는다. 또한, 이러한 규칙적으로 수직 배향된 나노 기공을 갖는 고분자막을 수 미크론 (μm) 두께로 제작할 수 없기 때문에 이러한 박막을 이용한 전기화학적 중합방법은 정밀한 외부 인가 전압의 조절을 필요로 한다. 이러한 고분자 박막을 이용한 전기중합법은 전해질, 도판트 및 적절한 용매의 선택뿐만 아니라 사용되는 단량체의 최소 산화전위의 조절을 필요로 한다.Unlike commercial polymer nanotemplates on the market, templates made of block copolymer membranes utilize phase separation of polymers, so that a regular hexagonal structure is present uniformly within the template, with about 10 11 pieces / cm 2 . Has a pore density of. In addition, since the polymer film having such regularly vertically aligned nano pores cannot be manufactured to a few microns (μm) in thickness, the electrochemical polymerization method using such a thin film requires precise control of the external applied voltage. Electropolymerization using such polymer thin films requires control of the minimum oxidation potential of the monomers used, as well as the selection of electrolytes, dopants and suitable solvents.

도 6에는 찾아낸 피롤의 전기중합 도중에 생성되는 전류의 양으로 이와 같은 미세조건 조절방법을 찾는 조건을 나타내었다. 나노템플레이트로 사용되는 블록 공중합체의 한 성분인 폴리스티렌을 나노템플레이트와 동일한 두께로 제작하여 나노 기공 안에서는 모노머가 산화하지만 템플레이트 위에서는 모노머가 산화하지 않을 수 있는 적절한 단량체 최소 산화 전위점을 찾아야 한다. 100 nm 두께의 폴리스티렌 필름이 있는 경우 (b)와 없는 경우 (a)의 피롤의 전기중합 도중에 생성되는 전류의 양을 나타낸다. 똑같은 반응조건으로 반응을 시키지만, (a)의 경우 피롤의 전기화학 반응으로 인한 전류가 흐르는 것이 시간이 지남에 따라 크게 나타나지만 100 nm 두께의 폴리스티렌 필름이 있는 (b)의 경우에는 피롤의 전기화학 반응이 일어나지 않는다.6 shows the conditions for finding such a microconditioning method by the amount of current generated during the electropolymerization of the found pyrrole. Polystyrene, a component of the block copolymer used as a nano-template, must be made to the same thickness as the nano-template to find an appropriate monomer minimum oxidation potential point where the monomer oxidizes in the nanopores but the monomer cannot oxidize on the template. The amount of current generated during the electropolymerization of pyrrole in (b) with and without (100) with a 100 nm thick polystyrene film. The reaction was carried out under the same reaction conditions, but in case of (a), the current flow due to the electrochemical reaction of pyrrole appeared large over time, but in case of (b) with a polystyrene film having a thickness of 100 nm, the electrochemical reaction of pyrrole This does not happen.

적절한 높이의 나노 구조를 형성하기 위해서는 위에서 설명한 적절한 전위차뿐만 아니라 적절한 중합반응 시간이 필수적이다. 전극 사이의 적절한 전위차를 가함으로써 피롤 모노머가 나노템플레이트에 형성된 나노 기공 내에서 성장하기 시작한다. 이때 중합시간이 충분하지 않으면 나노 구조의 크기가 너무 작게 되고 중합시간을 너무 오래하면 형성된 나노 기공 내에서 성장하는 폴리피롤이 기공을 다 채우고 템플레이트 위에 폴리피롤 필름을 형성하기 때문에 적절한 중합시간의 조절이 중요하다.In order to form nanostructures of appropriate height, not only the proper potential difference described above but also the proper polymerization time is essential. By applying the appropriate potential difference between the electrodes, the pyrrole monomer begins to grow in the nanopores formed in the nanotemplate. At this time, if the polymerization time is not sufficient, the size of the nanostructure is too small, and if the polymerization time is too long, the polypyrrole growing in the formed nanopores fills the pores and forms a polypyrrole film on the template. .

원하는 높이의 나노 구조 형성을 위해서는 우선 중합시간에 따른 기공 내의 채움의 정도를 템플레이트의 절단면의 전자현미경 사진을 통하여 상관관계를 측정하여 필요한 중합시간을 알아내는 것이 중요하다. 전위차계(potentiostat)을 이용하여 전기중합시간에 따른 전류의 변화를 기록하고 각 상황에 따른 절단면의 전자현미경 사진을 통하여 전류변화-나노 구조 상관관계를 파악한다. 이때 도 7에 나타난 것처럼 전위차와 전기중합 시간을 잘 조절하여야만 원하는 크기의 나노 구조를 형성할 수 있다.In order to form a nanostructure having a desired height, it is important to first determine the required polymerization time by measuring the degree of filling in the pores according to the polymerization time through an electron micrograph of the cut surface of the template. Potentiiostats are used to record changes in current with time of electropolymerization, and current change-nano structure correlations are identified through electron micrographs of the cutting planes for each situation. In this case, as shown in FIG. 7, the potential difference and the electropolymerization time must be well controlled to form a nanostructure having a desired size.

도 8는 이렇게 형성된 나노 구조 고분자 유기 광전소자의 전류-전압 특성 그래프이다. 폴리티오펜 나노 구조와 n형 유기물 또는 고분자로 만들어진 소자의 전류-전압 특성을 나타내었다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 고분자 나노 구조 광전 변환 소자는 우수한 광전효과를 나타낸다. 이 고분자 나노 구조 이종 접합은 광전효과의 양자효율에 가장 기본이 되는 유효 분리 영역이 기존의 단순적층형 p-n 접합 광전소자보다 증가되어 높은 양자효율을 갖는다. 또한, p와 n형 고분자들이 각각의 필요한 전극에 연결되어 있어 생성된 전하의 이동이 용이하여 생성된 전하의 재결합을 방지하며 확보된 이동경로를 통하여 원활하게 전하가 운반이 되어 전하가 소자 내에 축적되는 것을 방지할 수 있어 소자의 수명 증가 효과도 나타난다.8 is a graph illustrating current-voltage characteristics of the nanostructured polymer organic photoelectric device thus formed. The current-voltage characteristics of a device made of polythiophene nanostructure and n-type organic material or polymer are shown. As can be seen in Figure 8, the polymer nanostructure photoelectric conversion device exhibits an excellent photoelectric effect. This polymer nanostructure heterojunction has a high quantum efficiency since the effective separation region, which is the basis for the quantum efficiency of the photoelectric effect, is increased than that of the conventional simple stacked p-n junction photoelectric device. In addition, the p and n-type polymers are connected to each required electrode to facilitate the transfer of generated charges, thereby preventing recombination of the generated charges, and the charges are smoothly transported through the secured movement path, thereby accumulating charges in the device. It can be prevented to increase the lifetime of the device.

본 발명에서 소재로 사용될 수 있는 p형 고분자를 형성하는 물질로는 피롤 및 그 유도체, 티오펜 및 그 유도체, 아닐린 및 그 유도체 등 전기화학이 가능한 모든 모노머들이 사용될 수 있다. 또한 모든 시스템이 실온에서 용액을 이용한 프로세싱이 가능하고 특별히 복잡한 공정이 포함되지 않기 때문에, 최근에 관심을 끌 고 있는 염료 감응형 유무기 하이브리드 나노입자 시스템에서 필요로 하는 고온 공정이 필요하지 않다. 이와 같은 구조로 높은 양자효율을 갖는 유연성 초박막 광전소재를 개발할 수 있으며 태양전지나 광센서로 이용될 수 있다.As a material for forming a p-type polymer that can be used as a material in the present invention, all monomers capable of electrochemistry such as pyrrole and its derivatives, thiophene and its derivatives, aniline and its derivatives can be used. In addition, all systems are capable of processing with solutions at room temperature and do not involve particularly complex processes, eliminating the high temperature processes required by the dye-sensitized organic-inorganic hybrid nanoparticle systems of recent interest. With this structure, flexible ultra-thin photoelectric materials having high quantum efficiency can be developed and used as solar cells or optical sensors.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples in accordance with the gist of the present invention. .

<실시예 1> 나노템플레이트의 제작Example 1 Preparation of Nano Template

나노템플레이트의 제작은 클로로포름, 이소프로필알코올 아세톤을 이용하여 세척한 1 x 1 인치 크기의 ITO 유리를 15분간 O2 플라즈마 처리한 후 다우 케미칼 (Dow Chemical)에서 구입한 PEDOT (폴리3,4-에틸렌디옥시티오펜)을 전극 보호층으로 스핀코팅하여 120 oC 진공오븐에서 건조하였다. 기판 위에 수직방향으로 정렬된 PMMA의 나노 크기 도메인을 상기 전극 보호층 상에 형성시키기 위하여 하이드록시기로 정지된 스티렌과 메틸메타크릴레이트의 랜덤 공중합체 (hydroxy terminated random copolymer of styrene and methyl methacrylate, PS-r-PMMA로 표기)를 스핀코팅한 후 170 oC 진공오븐에서 3일간 열처리하였다. 이 PS-r-PMMA의 스티렌의 중량 분율은 0.58이며 공중합체의 중량 평균 분자량은 11,000 g/mol이고 다분산성 (polydispersity)은 1.13이다. 톨루엔으로 세척한 후 약 6 nm 두께의 PS-r-PMMA이 표면에 고정되어 있음을 확인할 수 있었다. 이 위에 템플레이트로 사용될 비대칭형 폴리스티렌-b-폴리메틸메타크릴레이트 블록 공중합체 (PS-b-PMMA)와 폴리메틸메타크릴레이트 단일중합체 (PMMA homopolymer)의 톨루엔 용매 혼합체를 스핀코팅하였다. 이때 사용된 비대칭형 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 블록 공중합체의 중량평균 분자량은 66,000 g/mol이고 다분산성은 1.19이며 공중합체중 폴리스티렌의 중량 분율은 0.70이고, 원자이동 라디칼 중합법 (Atom Transfer Radical Polymerization)을 이용하여 합성하였다. 또한, 여기서 사용된 PMMA 단일중합체의 중량 평균 분자량은 31,800 g/mol이고 다분산성은 1.08이었다.Fabrication of nano-templates was performed by PEDOT (poly3,4-ethylene) purchased from Dow Chemical after 15 minutes of O 2 plasma treatment of 1 × 1 inch ITO glass washed with chloroform and isopropyl alcohol acetone. Deoxythiophene) was spin coated with an electrode protective layer and dried in a 120 ° C. vacuum oven. Hydroxy terminated random copolymer of styrene and methyl methacrylate (PS-) to form nano-sized domains of PMMA vertically aligned on a substrate on the electrode protective layer spin-coated) and then heat-treated in a 170 ° C vacuum oven for 3 days. The weight fraction of styrene of this PS-r-PMMA is 0.58, the weight average molecular weight of the copolymer is 11,000 g / mol, and the polydispersity is 1.13. After washing with toluene, it was confirmed that about 6 nm thick PS-r-PMMA was fixed on the surface. On top of this a toluene solvent mixture of asymmetric polystyrene-b-polymethylmethacrylate block copolymer (PS-b-PMMA) and polymethylmethacrylate homopolymer (PMMA homopolymer) to be used as a template was spin coated. The weight average molecular weight of the asymmetric polystyrene-polymethyl methacrylate block copolymer used at this time is 66,000 g / mol, polydispersity 1.19, the weight fraction of polystyrene in the copolymer is 0.70, Atom Transfer Radical Polymerization ) Was synthesized. In addition, the PMMA homopolymer used herein had a weight average molecular weight of 31,800 g / mol and a polydispersity of 1.08.

이렇게 형성된 템플레이트 필름은 150 oC 진공오븐에서 2일간 열처리한 후 실온으로 급냉시켰다. 템플레이트 필름의 두께는 필요에 따라 용액의 농도와 스핀 코팅의 속도를 조절하여 30 내지 300 nm로 조절되었다. 이 템플레이트 필름에서 나노 기공을 형성하기 위하여 아세트산 (acetic acid)을 이용하여 PMMA를 제거하였다. 도 9에 이렇게 하여 생성된 나노템플레이트의 기울인 각도에서 찍은 주사전자이미지를 나타내었다.The template film thus formed was heat-treated at 150 ° C. for 2 days and then quenched to room temperature. The thickness of the template film was adjusted to 30 to 300 nm by adjusting the concentration of the solution and the speed of spin coating as needed. PMMA was removed using acetic acid to form nano pores in this template film. 9 shows a scanning electron image taken at an inclined angle of the nano-template thus produced.

<실시예 2> 나노 구조의 형성 (I)Example 2 Formation of Nanostructure (I)

폴리피롤 나노 구조는 피롤을 전기화학적으로 중합시킴으로써 제조하였다. 이때 사용되는 전해액은 진공 증류된 피롤 모노머 0.01 M과 도판트로 사용되는 리튬 퍼클로레이트 (Lithium perchlorate, LiClO4) 0.001 M을 프로필렌 카보네이트 (propylene carbonate)와 혼합하여 제조하였다. 이때 나노 기공이 형성되어 템플레이트가 있는 ITO 유리가 일전극(working electrode)으로, 백금 (Pt)이 상대전극으 로 (counter electrode)으로 사용되었고, 이 두 전극 사이의 전위차는 0.64 V이었다. 앞에서 이미 설명한 것처럼, 전극 사이의 미세한 전위차를 조절하기 위하여 Ag/AgCl 전극이 기준전극(reference electrode)으로 사용되었다. ADInsutment사의 PowerLab/4SP에 의해 조정되는 전위차계를 이용하여 전기중합시간에 따른 전류의 변화를 기록하였다. 전극 사이의 적절한 전위차를 가함으로써 나노템플레이트에 형성된 나노 기공에 의해 전해용액에 노출되어 있는 PEDOT 코팅된 ITO 유리로부터 피롤 모노머가 성장하였다. 이때 도 6에 나타난 것처럼 전위차와 전기중합 시간을 잘 조절하여야만 원하는 크기의 나노 구조를 형성할 수 있다. 중합시간이 충분하지 않으면 나노 구조의 크기가 너무 작게 되고 중합시간을 너무 오래하면 형성된 나노 기공 내에서 성장하는 폴리피롤이 기공을 다 채우고 템플레이트 위에 폴리피롤 필름을 형성하기 때문에, 적절한 중합시간의 조절이 중요하다.Polypyrrole nanostructures were prepared by electrochemically polymerizing pyrrole. The electrolyte used was prepared by mixing 0.01 M of vacuum distilled pyrrole monomer and 0.001 M of lithium perchlorate (LiClO 4 ) used as a dopant with propylene carbonate. At this time, nano pores were formed, and the templated ITO glass was used as a working electrode and platinum (Pt) as a counter electrode, and the potential difference between the two electrodes was 0.64 V. As described above, Ag / AgCl electrodes are used as reference electrodes to control minute potential differences between the electrodes. The potentiometer controlled by ADInsutment's PowerLab / 4SP was used to record the current change over time of the polymerization. By applying an appropriate potential difference between the electrodes, pyrrole monomers were grown from PEDOT coated ITO glass exposed to the electrolytic solution by nanopores formed in the nanoplatelets. At this time, the potential difference and the electropolymerization time must be well controlled as shown in FIG. 6 to form a nanostructure of a desired size. If the polymerization time is not enough, the size of the nanostructure becomes too small and if the polymerization time is too long, the polypyrrole growing in the formed nanopores fills the pores and forms a polypyrrole film on the template. .

도 7에 나타낸 바와 같이, 우선 중합시간에 따른 기공 내의 채움의 정도를 템플레이트의 절단면의 전자현미경 사진을 통하여 그 상관관계를 측정하여 필요한 중합시간을 알아내는 것이 중요하다. 이렇게 형성된 나노 구조는 템플레이트를 톨루엔과 같은 유기용매를 이용하여 제거함으로써 얻어졌다. 또한 사용된 전해용매 (즉 프로필렌카보네이트)로 여러 번 세척하여 불필요한 전해질을 녹인 후에 유기용매로 여러 번 세척한 후 진공오븐에서 건조시켰다.As shown in Fig. 7, it is important to first determine the required polymerization time by measuring the correlation between the degree of filling in the pores according to the polymerization time through an electron micrograph of the cut surface of the template. The nanostructure thus formed was obtained by removing the template using an organic solvent such as toluene. In addition, it was washed several times with the used electrolytic solvent (that is, propylene carbonate) to dissolve unnecessary electrolyte and then washed several times with organic solvent and dried in a vacuum oven.

<실시예 3> 나노 구조의 형성 (II)Example 3 Formation of Nanostructures (II)

폴리티오펜 나노 구조는 티오펜을 전기화학적으로 중합하여 형성시키는데 두가지 방법을 이용하여 제작이 가능하다. 첫 번째 방법은 에틸렌디옥시티오펜 (ethylenedioxythiophene) 0.57 g과 리튬 퍼클로레이트 (Lithium perchlorate, LiClO4) 0.0424 g을 프로필렌 카보네이트 (propylene carbonate)에 혼합하여 전기화학 합성 용액을 만든 후, 일전극인 ITO 유리와 상대전극인 백금전극 사이의 전위차를 0.99 V로 조절하여 30분간 반응시켰다. 두 번째 방법은 증류수 200 ml에 도데실벤젠황산 (dodecylbenzenesulfuric acid) 0.14 g을 넣고 완전히 녹여 마이셀을 형성한 후 에틸렌디옥시티오펜 (ethylenedioxythiophene) 0.16 g을 넣어준 후 증류수의 양을 1 리터로 늘린 후 2시간 동안 저어주었다.Polythiophene nanostructures can be fabricated using two methods to form thiophene by electrochemical polymerization. The first method is to prepare an electrochemical synthesis solution by mixing 0.57 g of ethylenedioxythiophene and 0.0424 g of lithium perchlorate (LiClO 4 ) in propylene carbonate to make an electrochemical synthesis solution. The potential difference between the phosphorus platinum electrodes was adjusted to 0.99 V and allowed to react for 30 minutes. In the second method, 0.14 g of dodecylbenzenesulfuric acid is added to 200 ml of distilled water and completely dissolved to form micelles. Then, 0.16 g of ethylenedioxythiophene is added, and the amount of distilled water is increased to 1 liter. Stir for time.

이렇게 준비한 전기화학 합성 용액 일전극인 ITO 유리와 상대전극인 백금전극 사이의 전위차를 0.90 V로 조절하여 25분간 반응시켰다. 전극 사이의 미세한 전위차를 조절하기 위하여 Ag/AgCl 전극을 기준전극으로 사용하였다. 실시예 2에 나타낸 방법과 동일한 전기화학적 방법으로 나노 구조를 형성시켰다. 이렇게 형성된 나노 구조는 템플레이트를 톨루엔과 같은 유기용매를 이용하여 제거한 후 사용된 전해용매 (즉 프로필렌카보네이트 또는 증류수)로 여러 번 세척한 후 유기용매로 여러 번 세척하여 진공오븐에서 건조시켰다.The electric potential difference between the prepared electrochemical synthesis solution electrode ITO glass and the counter electrode platinum electrode was adjusted to 0.90 V and reacted for 25 minutes. An Ag / AgCl electrode was used as a reference electrode to control the minute potential difference between the electrodes. Nanostructures were formed by the same electrochemical method as that shown in Example 2. The nanostructure thus formed was removed using an organic solvent such as toluene, washed several times with the electrolytic solvent used (ie, propylene carbonate or distilled water), and then washed several times with an organic solvent and dried in a vacuum oven.

<실시예 4> 광전 변환 소자의 제작 및 측정Example 4 Fabrication and Measurement of Photoelectric Conversion Device

광전소자는 실시예 2와 3에서 형성된 p형 전도성 고분자 나노 구조 위에 n형 유기물을 스핀 코팅하거나 n형 유기물을 진공증착한 후 전자수집용 전극으로 150 nm 두께의 알루미늄 (Aluminium) 또는 리튬-알루미늄 합금 (Lithium-Aluminium alloy)을 진공증착하여 사용하였다. 광전소자의 전류-전압 (Current-voltage [I- V]) 특성은 Keithley 2400 전류원 측정기 (source-measure unit)를 이용하여 측정하였다. 이때 광원으로는 300W Xe 램프를 사용하였고, 오리엘사(Oriel)의 AM 1.5 기단 필터 (Air Mass Filter)를 이용하여 태양광의 조사 파장을 모방하는 빛 환경에서 필요에 따라 중성 농도 필터 (neutral density filter)를 사용하여 빛의 세기를 조절하였다. 오리엘사의 ARC 150 단색 분광기 (monochromator)를 이용하여 선택적 파장을 이용하였으며 조광강도는 calibrated broadband optical power meter (Spectra Physics model 404)를 이용하여 측정하였다.The optoelectronic device is a 150 nm thick aluminum or lithium-aluminum alloy as an electrode for electron collection after spin coating n-type organic material or vacuum-evaporating n-type organic material on the p-type conductive polymer nanostructures formed in Examples 2 and 3. (Lithium-Aluminium alloy) was used by vacuum deposition. Current-voltage (I-V) characteristics of the optoelectronic devices were measured using a Keithley 2400 source-measure unit. At this time, 300W Xe lamp was used as a light source, and neutral density filter was used as necessary in an environment of light that mimics the wavelength of irradiation of sunlight by using Oriel's AM 1.5 Air Mass Filter. To adjust the light intensity. Oleel's ARC 150 monochromator was used to select wavelengths. Dimming intensity was measured using a calibrated broadband optical power meter (Spectra Physics model 404).

이와 같이 제조된 고분자 광전 소자는 Voc [open circuit potential]가 0.6 V로 매우 크고, Isc [short circuit current]가 87 μm로 매우 큰 값을 보여 그 특성이 매우 우수하였다.Polymeric photovoltaic devices manufactured as described above showed very high values of VOC [open circuit potential] of 0.6 V and isc [short circuit current] of 87 μm.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Having described the specific part of the present invention in detail, it is obvious to those skilled in the art that such a specific description is only a preferred embodiment, thereby not limiting the scope of the present invention. something to do. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 p형의 전도성 고분자를 투명전극 위에 높은 밀도로 나노 구조화함으로써 우수한 광전 변환 효과를 나타내기 위한 기본조건인 높은 비표면적을 갖으면서도 생성된 전하의 이동 통로가 확보되어 있는 광전 변환 소자를 제작할 수 있다. 또한, 유기고분자의 여기자 수명시 간을 고려하여 제작된 전도성 고분자 나노 구조 복합막은 모든 광전 변환층이 유효 분리 영역이 되어 흡수된 광량의 손실이 적게 된다. 또한, 본 발명에 의하면 기존의 적층형 기술 또는 상호침투 망상형 [IPN (interpenetrating network)] 고분자 복합막 구조와는 다르게 최대의 광전효율 얻을 수 있는 최적의 소자 제작이 가능하고, 소자제작 공정이 고온, 진공 등 특별한 과정을 요구하지 않아 차세대 대면적 평판형 유기소자 제작 개발에 널리 활용될 수 있을 것이다.As described above in detail, according to the present invention, the nano-structured p-type conductive polymer is formed on the transparent electrode at a high density to generate a charge transfer path having a high specific surface area, which is a basic condition for showing an excellent photoelectric conversion effect. The secured photoelectric conversion element can be manufactured. In addition, in the conductive polymer nanostructure composite film prepared in consideration of the exciton lifetime of the organic polymer, all the photoelectric conversion layers become effective separation regions, thereby reducing the amount of light absorbed. In addition, according to the present invention, unlike the conventional laminated technology or interpenetrating network [IPN (interpenetrating network) polymer composite film structure, it is possible to manufacture the optimum device to obtain the maximum photoelectric efficiency, and the device fabrication process is performed at high temperature, It does not require a special process such as vacuum, so it can be widely used in the development of next generation large area flat panel organic device manufacturing.

Claims (11)

투명 기판 상에 형성된 투명 전극 위에 블록 공중합체를 이용하여 나노 기공을 갖는 나노템플레이트를 형성시키는 단계,Forming a nano template having nano pores using a block copolymer on a transparent electrode formed on a transparent substrate, 형성된 나노템플레이트 상에 p형의 고분자 나노 구조를 형성시키는 단계,Forming a p-type polymer nanostructure on the formed nanotemplate, 유기용매를 사용하여 나노템플레이트를 제거하는 단계,Removing the nanotemplate using an organic solvent, n형의 유기물을 p형의 고분자 나노 구조 상에 코팅하는 단계 및coating the n-type organic material on the p-type polymer nanostructure and 상기 n형의 유기물 상에 금속전극층을 증착하는 단계를 포함하는 광전 변환 소자의 제조 방법.Method of manufacturing a photoelectric conversion device comprising the step of depositing a metal electrode layer on the n-type organic material. 제1항에 있어서, p형의 고분자가 폴리피롤 및 그의 유도체, 폴리아닐린 및 그의 유도체, 또는 폴리티오펜 및 그의 유도체로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the p-type polymer is selected from the group consisting of polypyrrole and derivatives thereof, polyaniline and derivatives thereof, or polythiophene and derivatives thereof. 제1항에 있어서, n형의 유기물이 폴리퀴놀린 및 그의 유도체, 폴리(파라-페닐렌비닐렌) 및 그의 유도체, 폴리티오펜 및 그의 유도체, 폴리(파라-페닐렌) 및 그의 유도체, 폴리플로렌 및 그의 유도체, 폴리아세틸렌 및 그의 유도체, 테트라시아노퀴노디메탄 (tetracyanoquinodimethane), 풀러렌 (fullerene), 1,4,5,8-나프탈렌 테트라카르복실산 디안히드라이드와 그 유도체, 1,4,5,8-나프탈렌 테트라카르복실산 디이미드와 그 유도체, 11,11,12,12-테트라시아노나프토-2,6-퀴노디메탄과 그 유도체, 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 디안히드라이드 및 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 디이미드와 그 유도체, 메탈로프탈로시아닌의 유도체, 섹시티오펜 (sexithiophene)과 그 유도체 및 펜타센 (Pentacence)로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것인 방법.The n-type organic material according to claim 1, wherein the n-type organic material is polyquinoline and its derivatives, poly (para-phenylenevinylene) and its derivatives, polythiophene and its derivatives, poly (para-phenylene) and its derivatives, polyple Lauren and its derivatives, polyacetylene and its derivatives, tetracyanoquinodimethane, fullerene, 1,4,5,8-naphthalene tetracarboxylic dianhydride and its derivatives, 1,4, 5,8-naphthalene tetracarboxylic acid diimide and its derivatives, 11,11,12,12-tetracyanonaphtho-2,6-quinodimethane and its derivatives, 3,4,9,10-perylenetetra Carboxylic dianhydride and 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid diimide and its derivatives, derivatives of metallophthalocyanine, sexithiophene and its derivatives and pentacene Selected from the group. 제1항에 있어서, 상기 투명 기판이 유리, 석영, 투명 플라스틱인 PET (polyethylene terephthalate) 또는 폴리에테르설폰 (polyethersulfone)이고, 상기 투명 전극이 인듐 산화 주석 (ITO). 폴리에틸렌디옥시티오펜 (PEDOT), 폴리아닐린 (polyaniline) 또는 폴리피롤 (polypyrrole)인 방법.2. The indium tin oxide (ITO) according to claim 1, wherein the transparent substrate is polyethylene terephthalate (PET) or polyethersulfone (PET) which is glass, quartz or transparent plastic. Polyethylenedioxythiophene (PEDOT), polyaniline or polypyrrole. 제1항에 있어서, 상기 금속 전극이 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 칼슘, 구리, 은, 금, 백금 및 이들의 합금으로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것인 방법.The method of claim 1 wherein the metal electrode is selected from the group consisting of aluminum, magnesium, lithium, calcium, copper, silver, gold, platinum and alloys thereof. 제1항에 있어서, 상기 블록 공중합체가 폴리스티렌-b-폴리메틸메타크릴레이트 블록 공중합체인 방법.The method of claim 1, wherein the block copolymer is a polystyrene-b-polymethylmethacrylate block copolymer. 투명 기판, 상기 투명 기판 상에 형성된 투명 전극, 이 위에 형성된 p형의 고분자 나노 구조, 상기 p형의 고분자 나노 구조 상에 코팅된 n형의 유기물, 상기 n형의 유기물 상에 증착된 금속전극층을 포함하는 광전 변환 소자로서, 제1항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는, 우수한 광전 변환 효과를 나타내는 광전 변환 소자.A transparent substrate, a transparent electrode formed on the transparent substrate, a p-type polymer nanostructure formed thereon, an n-type organic material coated on the p-type polymer nanostructure, and a metal electrode layer deposited on the n-type organic material A photoelectric conversion element comprising, manufactured by the method of claim 1, wherein the photoelectric conversion element exhibiting excellent photoelectric conversion effect. 제7항에 있어서, p형의 고분자가 폴리피롤 및 그의 유도체, 폴리아닐린 및 그의 유도체, 또는 폴리티오펜 및 그의 유도체로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것인 광전 변환 소자.8. The photoelectric conversion element according to claim 7, wherein the p-type polymer is selected from the group consisting of polypyrrole and derivatives thereof, polyaniline and derivatives thereof, or polythiophene and derivatives thereof. 제7항에 있어서, n형의 유기물이 폴리퀴놀린 및 그의 유도체, 폴리(파라-페닐렌비닐렌) 및 그의 유도체, 폴리티오펜 및 그의 유도체, 폴리(파라-페닐렌) 및 그의 유도체, 폴리플로렌 및 그의 유도체, 폴리아세틸렌 및 그의 유도체, 테트라시아노퀴노디메탄 (tetracyanoquinodimethane), 풀러렌 (fullerene), 1,4,5,8-나프탈렌 테트라카르복실산 디안히드라이드와 그 유도체, 1,4,5,8-나프탈렌 테트라카르복실산 디이미드와 그 유도체, 11,11,12,12-테트라시아노나프토-2,6-퀴노디메탄과 그 유도체, 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 디안히드라이드 및 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실산 디이미드와 그 유도체, 메탈로프탈로시아닌의 유도체, 섹시티오펜 (sexithiophene)과 그 유도체 및 펜타센 (Pentacence)로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것인 광전 변환 소자.8. The organic compound of claim 7, wherein the n-type organic material is polyquinoline and its derivatives, poly (para-phenylenevinylene) and its derivatives, polythiophene and its derivatives, poly (para-phenylene) and its derivatives, polyple Lauren and its derivatives, polyacetylene and its derivatives, tetracyanoquinodimethane, fullerene, 1,4,5,8-naphthalene tetracarboxylic dianhydride and its derivatives, 1,4, 5,8-naphthalene tetracarboxylic acid diimide and its derivatives, 11,11,12,12-tetracyanonaphtho-2,6-quinodimethane and its derivatives, 3,4,9,10-perylenetetra Carboxylic acid dianhydride and 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid diimide and its derivatives, derivatives of metallophthalocyanine, sexithiophene and its derivatives, and pentacene The photoelectric conversion element is selected from the group. 제7항에 있어서, 상기 투명 기판이 유리, 석영, 투명 플라스틱인 PET (polyethylene terephthalate) 또는 폴리에테르설폰 (polyethersulfone)이고, 상기 투명 전극이 인듐 산화 주석 (ITO). 폴리에틸렌디옥시티오펜 (PEDOT), 폴리아닐린 (polyaniline) 또는 폴리피롤 (polypyrrole)인 광전 변환 소자.8. The indium tin oxide (ITO) according to claim 7, wherein the transparent substrate is polyethylene terephthalate (PET) or polyethersulfone (PET) which is glass, quartz or transparent plastic. A photoelectric conversion element which is polyethylenedioxythiophene (PEDOT), polyaniline or polypyrrole. 제7항에 있어서, 상기 금속 전극이 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 칼슘, 구리, 은, 금, 백금 및 이들의 합금으로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것인 광전 변환 소자.The photoelectric conversion element according to claim 7, wherein the metal electrode is selected from the group consisting of aluminum, magnesium, lithium, calcium, copper, silver, gold, platinum, and alloys thereof.
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