KR100830637B1 - Ｇｚｏ를 이용한 고분자-풀러린 이종접합 태양전지 및 그제조방법 - Google Patents

Ｇｚｏ를 이용한 고분자-풀러린 이종접합 태양전지 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판(2); 상기 기판(2) 상단에 갈륨이 도핑된 ZnO로 형성된 드레인 전극(4); 상기 드레인 전극 상단에 적층된 액티브층(6); 상기 액티브층(6) 상단에 적층된 완충층(8); 상기 완충층(8) 상단에 적층된 소스 전극(10)을 포함하는 유기 태양전지에 관한 것이다.
본 발명은 고분자 물질을 이용하기 때문에 휘어질 수 있으므로 다양한 물체 표면에 부착시킬 수 있고, 드레인 전극에 갈륨이 도핑된 ZnO를 사용하고, 소스 전극은 갈륨이 도핑된 ZnO보다 높은 일함수를 갖는 금속을 사용하여 저렴하고 환경에 무해할 뿐만 아니라, 대기 중에 노출되었을 때도 효율이 실질적으로 감소되지 않는 효과가 있다.
유기 태양전지, GZO, 고분자, 풀러린, 소스 전극, 드레인 전극

Description

ＧＺＯ를 이용한 고분자-풀러린 이종접합 태양전지 및 그 제조방법{Bulk Heterojunction Polymer-Fullerene Photovoltaic Devices on Gallium-Doped Zinc Oxide and Preparation Method}
도 1은 종래의 ITO 기판을 사용한 유기 태양전지를 나타내는 구성도,
도 2는 종래의 ITO 기판을 사용한 유기 태양전지의 에너지 도표를 나타내는 그래프,
도 3은 종래의 ITO 기판을 사용한 유기 태양전지를 겨울에 작동시켰을 때 전압에 따른 전류밀도를 나타내는 그래프,
도 4는 종래의 ITO 기판을 사용한 유기 태양전지를 여름에 작동시켰을 때 전압에 따른 전류밀도를 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 GZO 기판을 사용한 유기 태양전지를 나타내는 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 GZO 기판을 사용한 유기 태양전지의 에너지 도표를 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 GZO 기판을 사용한 유기 태양전지를 겨울에 작동시켰을 때 전압에 따른 전류밀도를 나타내는 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 GZO 기판을 사용한 유기 태양전지를 여름에 작동시켰 을 때 전압에 따른 전류밀도를 나타내는 그래프,
도 9는 ITO와 GZO의 투과 스펙트럼에서 파장에 따른 투과율을 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명에 이용된 P3HT:PCBM이 ITO와 GZO의 상단에 증착될 경우 흡수 스펙트럼에서 파장에 따른 흡수율을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
2 : 기판 4 : 드레인 전극
6 : 액티브층 8 :　완충층
10 : 소스 전극
본 발명은 유기 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 환경에 무해하고, 대기에 노출되어도 효율이 실질적으로 감소되지 않을 뿐만 아니라, 제조비용이 저렴한 유기 태양전지에 관한 것이다.
종래의 유기 고분자 이종 접합 태양전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 유리기판(102), 산화인듐주석(indium tin oxide, 이하, "ITO"라고 한다.)으로 형성된 소스 전극(110), PEDOT:PSS으로 형성된 완충층(108), 액티브층(106) 및 알루미늄으로 형성된 드레인 전극(104)으로 구성된 태양전지를 사용하여 왔다.
상기 태양전지는 도 2에 도시된 바와 같이, 액티브층의 P3HT에서 형성된 여기자(exciton)가 분해되어 형성된 전자와 홀 중 전자는 상부 라인의 전도대(conduction band)를 통해 PCBM을 통과하여 드레인 전극(Al)으로 주입되고, 홀은 하부 라인의 전자대(valence band)를 통해 완충층을 통과하여 소스 전극(ITO)으로 주입된다.
상기 태양전지는 스핀 코팅(spin coating) 기술을 이용하기 때문에 상대적으로 제작하기 쉽고, 저온에서 공정이 가능하다는 장점을 갖고 있다.
또한, 상기 태양전지는 고분자 물질을 이용하기 때문에 휘어질 수 있으므로 다양한 물체 표면에 부착시킬 수 있다는 장점을 갖고 있다.
최근 전술한 구조로 제조된 태양전지는 에너지 변환 효율이 4.4%에 이른다는 결과(G. Li, V. Shrotriya, J. Huang, Y. Yao, and Y. Yang, Nat. Mater. 2005, pp.4 ~ 864)가 보고 된 바 있다. 그러나, 인디움(indium)은 희귀하고 유독한 물질이므로 ITO를 투명 전극으로 사용한 태양 전지는 가격이 비싸고, 환경에 유해하다는 단점을 갖고 있다.
아울러, 최근 ITO와 비슷한 일함수를 갖고 있는 단일벽 탄소나노튜브(single-wall carbon nanotube, 이하, "SWNT"라고 한다) 필름 상단에 액티브층을 증착한 태양전지(A. Du Pasquier, H. E. Unalan, A. Kanwal, S. Miller, and M. Chhowalla, Appl. Phys. Lett, 2005, B87, pp.203 ~ 511)가 개발된 바 있다. 그러나, 현재까지 SWNT 필름은 제조비용이 많이 소요되는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 드레인 전극에 갈륨(Ga2O3)이 도핑된 ZnO(이하, "GZO"라고 한다.)를 사용하여 ITO를 사용한 유기 태양전지와 비교하여 저렴하고 환경에 무해할 뿐만 아니라, 대기 중에 노출되었을 때도 효율이 사실적으로 감소되지 않는 유기 태양전지를 제공하는데 기술적 과제가 있다.
한 가지 관점에서, 본 발명은 기판; 상기 기판 상단에 GZO로 형성된 드레인 전극; 상기 드레인 전극 상단에 적층된 액티브층; 상기 액티브층 상단에 적층된 완충층; 상기 완충층 상단에 적층된 소스 전극을 포함하는 유기 태양전지를 제공한다.
다른 관점에서, 본 발명은 기판 상단에 GZO로 형성된 드레인 전극을 적층하는 단계; 상기 드레인 전극 상단에 액티브층을 적층하는 단계; 상기 액티브층 상단에 완충층을 적층하는 단계; 및 상기 완충층 상단에 소스 전극을 적층하는 단계를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 기판은 태양전지를 구성하는 소자들을 지지하기 위한 것으로서, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르술폰(PES), 방향족 폴리에스테르(액정 폴리머), 폴리이미드(PI) 등으로 구성되는 플 라스틱 기판(수지 기판)중 어느 하나를 사용하거나 유리 기판, 석영 기판, 실리콘 기판, 금속 기판 또는 갈륨비소 기판 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 유리 기판을 사용하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 드레인 전극은 상기 기판 상단에 적층되어 액티브층이 빛을 받았을 때 형성된 전자가 주입되는 것으로서, 상기 드레인 전극에는 GZO가 사용될 수 있다.
상기 드레인 전극을 적층하는 방법은 졸-겔 증착법(Sol-Gel Deposition: SGD), 금속유기증착법(Metal-Organic Deposition: MOD) 또는 진공 증착법 등이 있으며, 특정적으로는 고주파(Radio-Frequency) 마그네트론(Magnetron) 스퍼터링법을 사용하는 것이 좋다. 여기서, RF 마그네트론 스퍼터링법은 다른 증착법에 비하여 낮은 온도에서 공정이 가능하고, 넓은 면적에 증착이 가능하며, 균일한 증착이 가능하다.
또한, 상기 드레인 전극의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 300 내지 500㎚의 두께로 적층하는 것이 좋다.
상기 GZO는 유독성이 없을 뿐만 아니라 희귀하지 않는 물질이므로 유기 태양전지의 제조비용을 감소시킬 수 있고, 환경에 무해한 유기 태양전지의 제조가 가능하다.
본 발명에 따른 액티브층(active layer)은 상기 드레인 전극 상단에 적층되어 전자가 빛을 흡수할 때 여기자(exciton)를 형성하고 이 여기자가 전자와 홀로 나뉘어서 각각 드레인 전극과 소스 전극으로 전달되도록 하는 것으로서, 이러한 목 적을 달성할 수 있는 고분자로 형성된 액티브층이라면 어떠한 고분자를 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 공액 고분자를 사용하여 형성하는 것이 좋으며, 보다 특정적으로는 P3HT/PCBM, P3AT/PCBM, P3OT/PCBM, MEH-PPV/PCBM, MDMO-PPV/PCBM 등을 사용하는 것이 좋다. 여기서, 상기 여기자로부터 분리된 홀과 전자가 광기전력을 형성한다.
이때, 상기 액티브층은 평균 두께가 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 50 내지 200㎚의 두께로 적층하는 것이 좋다.
여기서, P3HT는 poly(3-hexylthiophene)이고, P3AT는 poly(3-alkyl-thiophene)이며, P3OT는 poly(3-octylthiophene)이고, MEH-PPV는 poly(2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexoxy)-p-phenylene)vinylene이며, MDMO-PPV는 poly{2-methoxy-5-[(3,7-dimethyloctyl)oxy]phenylene]vinylene}이고, PCBM은 [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methylester이다.
또한, 상기 PCBM는 플러렌이 공액 고분자와 용이하게 혼합되도록 사용되는 플러렌 유도체이다. 여기서, 플러렌이란 탄소 원자 60개(C60)로 이루어진 축구공 모양의 분자 구조를 갖는 물질을 의미한다.
아울러, 상기 P3HT, P3AT, P3OT, MEH-PPV, MDMO-PPV와 PCBM는 1:1 내지 1:3의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 완충층(buffer layer)은 상기 액티브층 상단에 구비되어 박막의 표면상태를 부드럽게 하고, 액티브층과 소스 전극 사이에 접착력을 향상시키며, 액티브층으로부터 홀을 원활하게 소스 전극으로 전달하여 효율을 향상시키는 것으로서, 상기 완충층은 PEDOT[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]:PSS [poly(styrenesulfonate)]를 사용하여 형성할 수 있으며, 상기 완충층의 평균 두께는 특별히 한정되지 않지만, 50 내지 150㎚의 두께로 적층하는 것이 좋다.
이때, 상기 PEDOT:PSS는 전도성이 높고, 투명성을 가지며, 구조적으로 안정성이 우수한 박막을 만들 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 소스 전극은 상기 완충층 상단에 적층되어 액티브층이 빛을 받았을 때 형성된 홀이 주입되는 것으로서, 일함수가 GZO보다 높으면서 액티브층의 전자기여물질(electron donor material)의 최고점유분자궤도(HOMO)보다 낮은 금속물질이라면 어떤 금속물질이라도 상기 소스 전극에 사용할 수 있지만, 바람직하게는 금(Au), 크롬(Cr), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 구리(Cu) 또는 니켈(Ni)을 사용하는 것이 좋고, 보다 바람직하게는 금을 사용하는 것이 좋다. 또한, 상기 소스 전극의 평균두께는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 약 1000㎚ 내외의 두께로 적층하는 것이 좋다.
상기 액티브층, 완충층 및 소스 전극은 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 롤 코팅(roll-coating), 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 프린팅, 선 패턴(line patterning), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 스퍼터링법, 금속유기증착법(Metal-Organic Deposition: MOD) 또는 진공 증착법을 이용하여 적층될 수 있다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법은 기판 상단에 GZO로 형성된 드레인 전극을 적층하는 단계; 상기 드레인 전극 상단에 액티브층을 적층하는 단계; 상기 액티브층 상단에 완충층을 적층하는 단계; 및 상기 완충층 상단에 소스 전극을 적층하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 드레인 전극을 적층하는 단계는 상온 내지 600℃의 온도범위에서 수행되고, 상기 액티브층을 적층하는 단계는 상온 내지 150℃의 온도범위에서 수행되며, 상기 완충층을 적층하는 단계는 상온 내지 100℃의 온도범위에서 수행되고, 상기 소스 전극을 적층하는 단계는 상온에서 수행된다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 유기 태양전지의 작동 원리를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 액티브층으로 빛이 흡수되면 전자가 빛을 흡수할 때 여기자(exciton)가 형성되고, 상기 여기자는 전자와 홀로 나뉘어서 전자는 드레인 전극으로 이동되고, 홀은 완충층을 통하여 소스 전극으로 이동되는 바, 상기 드레인 전극과 소스 전극은 전압차로 인하여 기전력이 발생된다.
그 다음, 기전력이 발생된 드레인 전극 및 소스 전극을 외부회로와 연결설치하면 외부회로에 전류가 흐르게 된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 설명은 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 하기 설명에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 5는 본 발명에 따른 GZO 기판을 사용한 유기 태양전지를 나타내는 구성도, 도 6은 본 발명에 따른 GZO 기판을 사용한 유기 태양전지의 에너지 도표를 나타내는 그래프, 도 7은 본 발명에 따른 GZO 기판을 사용한 유기 태양전지를 겨울에 작동시켰을 때 전압에 따른 전류밀도를 나타내는 그래프, 도 8은 본 발명에 따른 GZO 기판을 사용한 유기 태양전지를 여름에 작동시켰을 때 전압에 따른 전류밀도를 나타내는 그래프, 도 9는 ITO와 GZO의 투과 스펙트럼에서 파장에 따른 투과율을 나타내는 그래프, 도 10은 본 발명에 이용된 P3HT:PCBM이 ITO와 GZO의 상단에 증착될 경우 흡수 스펙트럼에서 파장에 따른 흡수율을 나타내는 그래프로서 함께 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 기판(2); 상기 기판(2) 상단에 GZO로 형성된 드레인 전극(4); 상기 드레인 전극 상단에 적층된 액티브층(6); 상기 액티브층(6) 상단에 적층된 완충층(8); 상기 완충층(8) 상단에 적층된 소스 전극(10)을 포함한다.
본 발명에 따른 기판(2)은 태양전지를 구성하는 소자들을 지지하기 위한 것으로서, 유리 기판으로 구성된다.
본 발명에 따른 드레인 전극(4)은 상기 기판(2) 상단에 적층되어 전압이 인가되면 전자를 수송하는 것으로서, 상기 드레인 전극(4)은 GZO 필름을 고주파 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 적층하며, 약 400㎚ 두께의 GZO 필름을 사용한 다.
본 발명에 따른 액티브층(6)은 상기 드레인 전극(4) 상단에 구비되어 전자가 빛을 흡수할 때 여기자를 형성하고 이 여기자가 전자와 홀로 나뉘어서 각각 드레인 전극(4)과 소스 전극(10)으로 용이하게 전달되도록 하는 것으로서, 상기 액티브층(6)은 P3HT/PCBM를 스핀 코팅법을 이용하여 약 150㎚의 두께로 적층한다.
이때, 상기 폴리티온펜유도체(P3HT)와 플러렌 유도체(PCBM)는 1:1의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 완충층(8)은 상기 액티브층(6) 상단에 적층되어 박막의 표면상태를 부드럽게 하고, 액티브층(6)과 소스 전극(10) 사이에 접착력을 향상시키며, 액티브층(6)으로부터 홀을 원활하게 소스 전극(4)으로 전달하여 효율을 향상시키는 것으로서, 상기 완충층(8)은 PEDOT:PSS를 스핀 코팅법을 이용하여 약 100㎚의 두께로 적층한다. 이때, 상기 PEDOT:PSS는 1:2.5의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 소스 전극(10)은 상기 완충층(8) 상단에 적층되어 액티브층(6)이 빛을 받았을 때 형성된 홀이 주입되는 것으로서, 상기 소스 전극은 금(Au)을 쉐도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 약 60㎚의 두께로 적층한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 스핀 코팅 기술을 이용하기 때문에 제작하기가 용이하고, 저온에서 공정이 가능하며, 고분자 물질은 휘어질 수 있으므로 다양한 물체 표면에 부착시킬 수 있다. 또한, 다양한 고분자 물질을 이용할 경우 다양한 색을 낼 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 액티브층의 P3HT에서 형성된 여기자가 분해되어 형성된 전자와 홀 중 전자는 상부 라인의 전도대(conduction band)를 통해 PCBM을 통과하여 드레인 전극(GZO)으로 주입되고, 홀은 하부 라인의 전자대(valence band)를 통해 완충층을 통과하여 소스 전극(Au)으로 주입된다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
<실시예 1>
ITO을 사용한 태양전지
먼저, 유리기판[Corning Pyrex glass, Corning, 미국]의 상단에 소스 전극으로서, ITO 필름[IR-50HD, 린텍, 일본]을 스퍼터[삼한진공, 한국]를 이용하여 코팅한 후 아세톤으로 15분 동안 고주파 음으로 분해하여 세척하고, 2분간 산소 플라즈마 처리하였다.
그 다음, PEDOT:PSS[Baytron P, Bayer, 독일]을 15분 동안 고주파 음에 의해 분해시키고, 90℃에서 15분 동안 가열한 후 상기 ITO 필름 상단에 스핀 코터[Ultech UTS series, Ultech, 한국]를 이용하여 500 rpm으로 10초 동안, 2000 rpm으로 60초 동안 100㎚ 두께로 상압에서 증착하고, 진공 중에서 1시간 동안 건조시켰다.
그 다음, 위치 규칙적인(regioregular) P3HT[POLY(3-HEXYLTHIOPHENE), REGIOREGULAR, Aldrich, 미국] 15 mg, 99.5% 순도의 PCBM[C60 PCBM, Nano-C, 미국] 15mg, 및 유기 용매인 99% 순도의 클로로포름[CHLOROFORM, 99.9+%, A.C.S. HPLC GRADE, Sigma-Aldrich, 미국] 1ml로 혼합된 P3HT:PCBM 혼합액을 제조한 후 상기 혼합액을 하루 밤 동안 상온에서 보관하고, 사용하기 전에 15분 동안 70℃로 가열하여 상기 PEDOT:PSS 상단에 스핀 코터[Ultech UTS series, Ultech, 한국]를 이용하여 500 rpm으로 10초 동안, 2000 rpm으로 60초 동안 150㎚ 두께로 상압에서 증착하고, 대기 중에서 5분 동안 건조시켰다.
그 다음, 상기 P3HT:PCBM 상단에 드레인 전극으로서, 0.0625cm2 크기의 쉐도우 마스크[신성정밀, 한국]를 이용하여 알루미늄을 60nm 두께로 10-6 Torr에서 증착하였다.
전술한 ITO 필름, PEDOT:PSS 및 P3HT:PCBM을 포함한 태양전지는 전열장치(hotplate) 상단에서 110℃로 10분 동안 가열하고 개회로전압(open circuit voltage) 보다 큰 2.7 V를 30초 동안 장치에 걸어 주었다. 측정은 할로겐램프를 이용하였고, 반도체 특성 시스템(semiconductor characterization system)[Keithley 4200, Keithley, 미국]으로 -1에서 1 V를 걸어주면서 관찰하였다.
그 결과를 도 3 및 도 4로 나타냈다.
도 3에 도시된 바와 같이, 겨울(온도:20℃, 습도:32%)에 상대적으로 높은 일 함수를 갖고 있는 ITO을 소스 전극으로, 낮은 일함수를 갖고 있는 알루미늄을 드레인 전극으로 구성한 태양전지에 빛을 조사하여 전류밀도-전압 특성을 측정한 결과 단락전류(short circuit current)는 -5.67 mA/cm2, 개회로전압은 0.56 V, 최대 파워(maximum power)는 -1.27 mW/cm2, 필 팩터(fill factor)는 0.40을 보였고, 이에 따른 빛의 전기에너지로의 변환 효율은 2.54%이었다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 대기 중에 수분이 많은 여름(온도:23℃, 습도:71%)에 빛을 조사하여 ITO를 소스 전극으로, 알루미늄을 드레인 전극으로 구성한 태양전지의 전류밀도-전압 특성을 측정한 결과는 겨울에 비하여 태양전지의 효율이 25% 감소하였다.
<실시예 2>
GZO를 사용한 태양전지
먼저, 유리기판[Corning Pyrex glass, Corning, 미국]의 상단에 드레인 전극으로서, GZO 필름[Cerac, 미국]을 고주파 마그네트론 스퍼터[삼한진공, 한국]를 이용하여 코팅한 후 아세톤에서 15분 동안 고주파 음으로 분해하여 세척하고, 2분 동안 산소 플라즈마 처리하였다.
그 다음, 위치 규칙적인(regioregular) P3HT[POLY(3-HEXYLTHIOPHENE), REGIOREGULAR, Aldrich, 미국] 15mg, 99.5% 순도의 PCBM[C60 PCBM, Nano-C, 미국] 15mg, 및 유기 용매인 99% 순도의 클로로포름[CHLOROFORM, 99.9+%, A.C.S. HPLC GRADE, Sigma-Aldrich, 미국] 1ml로 혼합된 P3HT:PCBM 혼합액을 제조한 후 상기 혼합액을 하루 밤 동안 상온에서 보관하고, 사용하기 전에 15분 동안 70℃로 가열하여 상기 GZO 필름 상단에 스핀 코터[Ultech UTS series, Ultech, 한국]를 이용하여 500 rpm으로 10초 동안, 2000 rpm으로 60초 동안 150㎚ 두께로 상압에서 증착하고, 대기 중에서 5분 동안 건조시켰다.
그 다음, 상기 P3HT:PCBM층이 있는 샘플을 전열장치(hotplate) 상단에서 95℃로 가열한 후, 사용하기 전에 15분 동안 고주파 음에 의해 분해하고 90℃에서 15분 동안 가열한 PEDOT:PSS[Baytron P, Bayer, 독일]를 분사한다. 이때, 상기 PEDOT:PSS는 물에 용해되어 있으므로 소수성인 P3HT:PCBM 위에 큰 물방울 형태로 존재한다.
그 다음, 상기 PEDOT:PSS를 95℃로 가열하여 소수성 액티브층 표면에 PEDOT:PSS를 흡착시키고, 이것을 스핀 코터[Ultech UTS series, Ultech, 한국]를 이용하여 500 rpm으로 10초 동안, 5000 rpm으로 60초 동안 150㎚ 두께로 상압에서 코팅하며, 진공 중에서 1시간 동안 건조시켰다.
그 다음, 상기 PEDOT:PSS 상단에 소스 전극으로서, 0.0625cm2 크기의 쉐도우 마스크(shadow mask)[신성정밀, 한국]를 이용하여 금을 60nm 두께로 10-6 Torr에서 증착하였다.
후처리로써 모든 태양 전지는 전열장치(hotplate) 상단에서 110℃로 10분 동안 가열하고 개회로전압(open circuit voltage) 보다 큰 2.7 V를 30초 동안 장치에 걸어 주었다. 측정은 할로겐램프를 이용하였고, 반도체 특성 시스템[Keithley 4200, Keithley, 미국]으로 -1에서 1 V를 걸어주면서 관찰하였다.
그 결과를 도 7 및 도 8로 나타냈다.
도 7에 도시된 바와 같이, 겨울에(온도:20℃, 습도:32%) 상대적으로 낮은 일함수를 갖고 있는 GZO를 드레인 전극으로, 높은 일함수를 갖고 있는 금을 소스 전극으로 구성된 태양전지에 빛을 조사하여 전류밀도-전압 특성을 측정한 결과 단락전류는 -4.26 mA/cm2, 개회로전압은 0.52 V, 최대 파워는 -0.70 mW/cm2, 필 팩터는 0.32를 보였고, 이에 따른 빛의 전기에너지로의 변환 효율은 1.40%이었다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 또한, 대기 중에 수분이 많은 여름(온도:23℃, 습도:71%)에 빛을 조사하여 GZO를 드레인 전극으로, 금을 소스 전극으로 구성한 태양전지의 전류밀도-전압 특성을 측정한 결과는 겨울에 비하여 태양전지의 효율이 60% 감소하였다.
전술한 결과가 나타난 원인은 ITO를 이용한 태양전지의 구조에서는 한 개의(드레인 전극층) 층만이 액티브층을 대기로부터 보호하는 반면에, GZO를 이용한 태양전지의 구조는 두 개의(소스 전극층 및 완충층) 층이 액티브층을 보호하고 있기 때문이다.
<실시예 3>
25℃ 1기압 하에서, GZO를 산화 투과 전도물(transparent conducting oxide) 로 사용하기 위하여 GZO의 투과 스펙트럼[Cary 5g, Varian, 미국] 및 흡수 스펙트럼[Cary 5g, Varian, 미국]의 측정 결과를 ITO의 투과 스펙트럼 및 흡수 스펙트럼의 측정 결과와 비교하였다.
그 결과를 도 9 및 도 10으로 나타내었다.
도 9에 도시된 바와 같이, 평균적으로 가시광선 영역에서 GZO는 90%, ITO는 94%의 투과율을 보여주었고, 자외선 영역에서 GZO는 ITO에 비하여 투과율이 감소되는 것을 보여주었다.
따라서, GZO를 이용한 태양전지는 자외선이 차단되는 것이 중요한 상황에서 효과적으로 사용될 수 있다는 것을 알 수 있었다.
도 10에 도시된 바와 같이, 흡수 스펙트럼의 측정 실험에서는 GZO와 ITO는 유사한 결과를 보여주었으므로 GZO가 ITO를 대체하여 사용하는데 문제가 없음을 알 수 있었다.
또한, 표면저항을 측정하기 위해 소스미터(SourceMeter)[Keithley 2400, Keithley, 미국]로 4단자 방식을 이용해서 측정한 결과 GZO와 ITO가 14.3, 15.1 Ω/cm로 비슷한 결과를 보였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모두 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모두 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 고분자 물질을 이용하기 때문에 휘어질 수 있으므로 다양한 물체 표면에 부착시킬 수 있고, 드레인 전극에 GZO를 사용하고, 소스 전극에 GZO보다 높은 일함수를 갖는 금속을 사용하여 저렴하고 환경에 무해할 뿐만 아니라, 대기 중에 노출되었을 때도 효율이 실질적으로 감소되지 않는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 기판; 상기 기판 상단에 GZO로 형성된 드레인 전극; 상기 드레인 전극 상단에 적층된 액티브층; 상기 액티브층 상단에 적층된 완충층; 상기 완충층 상단에 적층된 소스 전극을 포함하는 유기 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 액티브층이 공액 고분자로 형성된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 공액 고분자가 P3HT/PCBM, P3AT/PCBM, P3OT/PCBM, MEH-PPV/PCBM 또는 MDMO-PPV/PCBM인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 완충층이 PEDOT:PSS로 형성된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 소스 전극이 금, 크롬, 코발트, 팔라듐, 구리 또는 니켈로 형성된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 기판이 폴리에틸렌테레프탈레이트 기판, 폴리에틸렌나프탈레이트 기판, 폴리에테르술폰 기판, 방향족 폴리에스테르 기판, 폴리이미드 기판, 유리 기판, 석영 기판, 실리콘 기판, 금속 기판 또는 갈륨비소 기판인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  7. 기판 상단에 GZO로 형성된 드레인 전극을 적층하는 단계; 상기 드레인 전극 상단에 공액 고분자로 형성된 액티브층을 적층하는 단계; 상기 액티브층 상단에 완충층을 적층하는 단계; 및 상기 완충층 상단에 소스 전극을 적층하는 단계를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 드레인 전극을 적층하는 단계는 상온 내지 600℃의 온도범위에서 수행되고, 상기 액티브층을 적층하는 단계는 상온 내지 150℃의 온도범위에서 수행되며, 상기 완충층을 적층하는 단계는 상온 내지 100℃의 온도범위에서 수행되고, 상기 소스 전극을 적층하는 단계는 상온에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법.
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