KR100972291B1 - 유기태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 유기태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 기판상에 형성되는 하부 전극과 상기 하부 전극 상에 형성되는 정공수집층, 상기 정공수집층 상에 형성되는 적어도 하나의 층으로 이루어진 반도체박막층, 상기 반도체박막층 상에 형성되는 전자수집층, 상기 전자 수집층 상에 형성되는 상부 전극으로 이루어져 있으며, 상기 반도체박막층이 용해도가 서로 다른 전자받게형 유기 반도체를 포함하는 유기태양전지와 그 제조방법에 관한 것이다.

유기태양전지, 반도체박막층, 전자받게형 유기 반도체

Description

유기태양전지 및 그 제조방법{Organic Solar Cells And Method For Manufacturing The Same}

본원 발명은 하부 전극, 정공수집층, 반도체박막층, 전자수집층, 상부 전극으로 이루어진 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

산업이 발전함에 따라 에너지의 사용량이 비약적으로 증가하고 있으나 자원은 한정되어 있어, 에너지의 수요의 증대에 따른 문제점이 예상되고 있다. 따라서 지구환경에 부하를 주지않으면서 경제적이고 고성능의 새로운 에너지를 생산하는 기술에 대한 개발의 필요성이 점차 커지고 있다. 이러한 새로운 에너지의 하나로서 태양전지가 주목받고 있는데 현재 실용화되고 있는 태양전지의 대부분은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 무정형 실리콘을 이용한 무기태양전지이다. 그러나 무기태양전지는 그 제조프로세스가 복잡해서 제조비용이 높아서 일반 가정용으로 보급되기에는 무리가 있어서 간단한 프로세스를 통해 제조비용이 적게드는 유기태양전지의 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 유기태양전지는 수 100nm 이내의 두께의 박 막으로 만들 수 있으며 플렉시블한 구조로의 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있어서 미래 이동식 정보시스템의 에너지 원으로서의 가능성을 제시하는 등 다양한 용도로의 응용이 기대된다. 그러나, 현재 사용되고 있는 PH3T/PCBM의 조합을 이용하는 태양전지로는 P3HT의 흡수영역의 한계때문에 높은 효율을 달성하기에는 무리가 있을 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 유기 태양전지의 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기태양전지는 기판상에 형성되는 하부 전극, 정공수집층, 반도체박막층, 전자수집층, 상부 전극으로 이루어져 있으며, 상기 반도체박막층은 용해도가 서로 다른 전자받게형 유기 반도체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 전자받게형 유기 반도체는 적어도 두 가지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 전자받게형 유기반도체는 P3HT:PCBM:CS-1 또는 P3HT:PCBM:CS-1:CS-2 인 것을 특징으로 한다.

더 바람직하게는, 상기 P3HT:PCBM:CS-1 는 1 : 0.5~0.9 : 0.1~0.5 인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 P3HT:PCBM:CS-1:CS-2 는 1 : 0.3~0.7 : 0.2~0.3 : 0.1~0.4 인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 CS-1은 유기용매에서의 용해도가 PCBM보다 30% 이하인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 CS-2은 유기용매에서의 용해도가 PCBM보다 50% 이하인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 CS-2은 700 ~ 800nm의 근적외선 영역에서 빛을 흡수하여 전자를 전달하는 기능을 하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법은 기판상에 하부 전극을 형성하는 단계, 정공수집층을 형성하는 단계, 반도체박막층을 형성하는 단계, 전자수집층을 형성하는 단계, 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하고 있으며, 상기 반도체박막층은 용해도가 서로 다른 전자받게형 유기 반도체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 전자받게형 유기 반도체는 적어도 두 가지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 전자받게형 유기반도체는 P3HT:PCBM:CS-1 또는 P3HT:PCBM:CS-1:CS-2 인 것을 특징으로 한다.

더 바람직하게는, 상기 P3HT:PCBM:CS-1 는 1 : 0.5~0.9 : 0.1~0.5 인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 P3HT:PCBM:CS-1:CS-2 는 1 : 0.3~0.7 : 0.2~0.3 : 0.1~0.4 인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 CS-1은 유기용매에서의 용해도가 PCBM보다 30% 이하인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 CS-2은 유기용매에서의 용해도가 PCBM보다 50% 이하인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 CS-2은 700 ~ 800nm의 근적외선 영역에서 빛을 흡수하여 전자를 전달하는 기능을 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 용해도가 서로 다른 최소한 두 가지 이상의 전자받게형 유기반도체물질을 포함한 반도체 박막층을 통해서 전자전달을 강화시켜 유기태양전지의 효율을 향상시키는 것을 효과가 있다.

태양전지는 광전기효과(photo-voltaic effect)에 의하여 태양 빛 또는 인공 빛을 전기로 변화시키는 반도체 소자이다. 태양전지는 구성하는 물질에 따라 실리콘, 화합물반도체와 같은 무기소재로 이루어진 태양전지, 나노결정 산화물 입자표면에 염료가 흡착된 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell), 유기분자(donor-acceptor)로 이루어진 태양전지로 구분될 수 있다. 또한, 태양전지의 셀 구조에 따라서는 반도체 pn 접합형과 반도체/액체 광전기화학형(photo electrochemical) 태양전지로 구분될 수 있다. 염료감응형 태양전지는 광전기화학형에 속하며, 유기분자형은 pn 접합형과 유사하다.

여기서, 유기분자로 이루어진 태양전지는 전자주개(electron donor D) 특성과 전자받개(electron acceptor A)특성을 갖는 유기물들로 구성되어 있는 것을 특 징으로 한다. 현재 사용되고 있는 P3HT/PCBM의 조합을 이용하는 유기 분자로 이루어진 태양전지는 P3HT의 흡수영역의 한계때문에 고효율을 달성하기는 무리가 있다. 따라서 P3HT에 새로운 조합의 전자받게형 물질을 도입하여 개방전압을 향상시켜 유기 태양전지의 효율을 높일 수 있다.

이와같이 유기 태양전지의 효율을 높이기 위하여, 본 발명은 기판상에 형성되는 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 형성되는 정공수집층, 상기 정공수집층 상에 형성되는 적어도 하나의 층으로 이루어진 반도체박막층, 상기 반도체박막층 상에 형성되는 전자수집층, 상기 전자 수집층 상에 형성되는 상부 전극으로 이루어진 유기 태양전지에 있어서, 상기 반도체박막층이 용해도가 서로 다른 전자받게형 유기 반도체를 포함하고 있다. 용해도가 서로 다른 전자받게형 유기반도체를 포함하는 반도체박막층을 이용하면, 용해도가 서로 다른 전자받게형 물질이 다성분계 광흡수층을 형성하므로 전자전달기능을 향상시킬 수 있어 유기 태양전지의 효율의 향상을 기대할 수 있다. 이러한 반도체박막층을 구성하는 물질은 P3HT:PCBM:CS-1 또는 P3HT:PCBM:CS-1:CS-2가 될 수 있는데, 유기용매에서의 용해도가 CS-1은 PCBM보다 30%이하이며, CS-2은 PCBM보다 50%이하이다. 즉, 본원 발명은 P3HT에 CS-1, 또는 CS-2 를 조합함으로써, 개방전압을 향상시켜서 유기 태양전지의 효율을 높일 수 있다.

상기의 P3HT는 poly(3-hexylthiophene)의 약자로서, 현재까지 보고된 물질 중 가장 높은 정공의 이동도를 보이는 고분자 물질로서 낮은 밴드갭을 가지고 있다. P3HT는 하기의 화학식 1의 구조를 가지고 있다.

상기의 PCBM은 플러렌 C ₆₀의 유도체로서, 낮은 에너지 전이를 금지시키는 높은 대칭성을 가지고 있어서 일광흡수가 낮은 특성을 가지고 있다. PCBM은 하기의 화학식 2의 구조를 가지고 있다.

상기의 CS-1은 치환기가 없는 C ₆₀ 이다. 이것은 하기의 화학식 3의 구조를 가지고 있다.

상기의 CS-2는 일반 유기용매에 녹지 않고 극성용매인 물 및 알코올 계열에 녹는 C60 유도체로서 상기의 화학식 3에 OH기가 붙어있는 구조이다. CS-2는 알칼리 또는 상전이촉매를 사용하여 합성하였다. 본 발명에서는 C60에 OH기 외에 다양한 종류의 친수성기 'A'를 붙인 화합물을 다성분계 태양전지에 응용할 수 있다. 따라서 이 화합물들의 일반 구조식은 하기의 화학식 4 또는 5로 나타낼 수 있으며, 붙이는 친수성기 'A'는 1개에서 60개 까지 가능하다.

상기 유기 태양전지의 기판은 태양전지의 광입사면측에 설치하는 경우, 광투과성을 갖는 것으로 형성되는 것이며, 투명한 것 외에 다소 착색되어 있는 것이거나 불투명 유리상이라도 무방하다. 예를 들면, 소다라임 유리나 무알칼리 유리 등의 투명 유리판이나, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드, 에폭시 등의 수지, 불소계 수지 등으로부터 제작된 플라스틱 필름이나 플라스틱판 등도 사용할 수 있다.

정공수집층은 피피브이(PPV, poly-para-phenylene vinylene)를 포함하는 도전성 고분자가 사용될 수 있다.

제조예

본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 제조되는 유기태양전지는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.

먼저 투명한 하부전극(Indium Tin Oxide ;ITO) 코팅된 유리기판 위에 정공수 집층인 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)를 약 70nm의 두께로 코팅한 다음 이를 230^oC에서 약 15분 동안 열처리한다.

상기 하부 전극이 코팅된 기판 상에 미리 제조한 다성분계 용액(표 1 및 표2 참조)을 스핀코팅방식으로 도포하여 반도체 박막층을 형성하여 태양전지 샘플을 제조하게 된다.

이러한 샘플을 진공챔버에 넣고 금속전극을 코팅하여 소자를 완성한다. 이 소자는 70^oC ~ 200^oC 범위의 온도에서 10초 내지 3시간 동안 적절히 조절하여 열처리한다. 열처리된 소자는 여러 가지 방법으로 패키징하여 수분 및 공기가 침투하지 못하게 하여 최종 완성한다.

상기의 방법을 제조된 유기태양전지의 개략적인 구조는 도 1에 도시하였다.

실험예 1

반도체 박막층이 P3HT:PCBM:CS-1 의 조성으로 이루어진 경우로서, 조성비를 다양하게 하여 제조한 유기 태양전지의 성능을 Air Mass 1.5 (100mW/cm²) 조건에서 측정하였다. 측정한 결과는 하기의 표 1로 나타내었다.

조성 (P3HT:PCBM:CS-1)	전자이동도 (cm2/Vs)	입자/결정크기 (nm)	Fill Factor	전력변환효율 (%)
1 : 1 : 0	< 10-5	측정불가	54	3.5
1:0.9:0.1	10-5	측정불가	57	3.7
1:0.7:0.3	10-5 ~ 10-4	< 3	59	4.9
1:0.5:0.5	10-3	5 ~ 7	64	5.4
1 : 0 : 1	10-5	> 15 (불균일)	48	2.5

상기의 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, P3HT:PCBM:CS-1 의 비가 1:0.9:0.1, 1:0.7:0.3, 1:0.5:0.5 일때, 유기 태양전지의 전력변환효율이 각각 3.7, 4.9, 5.4 로 나타나는바, 상기의 수치 비율에서 효율성이 뛰어난 유기 태양전지를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

실시예 2

반도체 박막층이 P3HT:PCBM:CS-1:CS-2 의 조성으로 이루어진 경우로서, 조성비를 다양하게 하여 제조한 유기 태양전지의 성능을 Air Mass 1.5 (100mW/cm²) 조건에서 측정하였다. 측정한 결과는 하기의 표 2로 나타내었다.

조성 (P3HT:PCBM:CS-1:CS-2)	전자이동도 (cm2/Vs)	입자/결정크기 (nm)	Fill Factor	전력변환효율 (%)
1 : 1 : 0 : 0	< 10-5	측정불가	54	3.5
1:0.7:0.2:0.1	10-5 ~ 10-4	2	58	4.1
1:0.5:0.3:0.2	3 x 10-5	3 ~5	61	5.3
1:0.3:0.3:0.4	5 x 10-3	7 ~ 9	70	6.1
1 : 0 : 0 : 1	< 10-5	> 20 (불균일)	43	1.9

상기의 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, P3HT:PCBM:CS-1:CS-2 의 비가 1:0.7:0.2:0.1, 1:0.5:0.3:0.2, 1:0.3:0.3:0.4 일때, 유기 태양전지의 전력변환효율이 각각 4.1, 5.3, 6.1 로 나타나는바, 상기의 수치 비율에서 효율성이 뛰어난 유기 태양전지를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

도 1은 기판(1) 상에 형성되는 하부 전극(2), 정공수집층(3), 용해도가 서로 다른 전자받게형 유기 반도체(7)가 포함된 반도체박막층(4), 전자수집층(5), 상부 전극(6) 으로 이루어진 유기태양전지를 도시한 도면이다.

Claims (16)

1. 기판상에 형성되는 하부 전극;

   상기 하부 전극 상에 형성되는 정공수집층;

   상기 정공수집층 상에 형성되는 적어도 하나의 층으로 이루어진 반도체박막층;

   상기 반도체박막층 상에 형성되는 전자수집층;

   상기 전자 수집층 상에 형성되는 상부 전극으로 이루어진 유기태양전지에 있어서,

   상기 반도체박막층이 용해도가 서로 다른 전자받게형 유기 반도체를 포함하고,

   상기 전자받게형 유기 반도체는 적어도 두 가지를 포함하며,

   상기 전자받게형 유기반도체는 P3HT:PCBM:CS-1 또는 P3HT:PCBM:CS-1:CS-2 인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
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4. 제 1 항에 있어서, 상기 P3HT:PCBM:CS-1 는 1 : 0.5~0.9 : 0.1~0.5 인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 P3HT:PCBM:CS-1:CS-2 는 1 : 0.3~0.7 : 0.2~0.3 : 0.1~0.4 인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 CS-1은 유기용매에서의 용해도가 PCBM보다 30% 이하인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 CS-2은 유기용매에서의 용해도가 PCBM보다 50% 이하인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 CS-2은 700 ~ 800nm의 근적외선 영역에서 빛을 흡수하여 전자를 전달하는 기능을 하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
9. 기판상에 하부 전극을 형성하는 단계;

   상기 하부 전극 상에 정공수집층을 형성하는 단계;

   상기 정공수집층 상에 적어도 하나의 층으로 이루어진 반도체박막층을 형성하는 단계;

   상기 반도체박막층 상에 전자수집층을 형성하는 단계;

   상기 전자 수집층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기태양전지의 제조방법에 있어서,

   상기 반도체박막층이 용해도가 서로 다른 전자받게형 유기 반도체를 포함하고,

   상기 전자받게형 유기 반도체는 적어도 두 가지를 포함하며

   상기 전자받게형 유기반도체는 P3HT:PCBM:CS-1 또는 P3HT:PCBM:CS-1:CS-2 인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법..
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12. 제 9 항에 있어서, 상기 P3HT:PCBM:CS-1 는 1 : 0.5~0.9 : 0.1~0.5 인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.
13. 제 9 항에 있어서, 상기 P3HT:PCBM:CS-1:CS-2 는 1 : 0.3~0.7 : 0.2~0.3 : 0.1~0.4 인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법..
14. 제 9 항에 있어서, 상기 CS-1은 유기용매에서의 용해도가 PCBM보다 30% 이하인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법..
15. 제 9 항에 있어서, 상기 CS-2은 유기용매에서의 용해도가 PCBM보다 50% 이하인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법..
16. 제 9 항에 있어서, 상기 CS-2은 700 ~ 800nm의 근적외선 영역에서 빛을 흡수하여 전자를 전달하는 기능을 하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.

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