KR100973018B1 - 광기전력 소자 및 광기전력 소자의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 향상된 상부 전극을 구비하는 유기 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 상부 전극은 프린팅 기술이 적용되는 유기 재료로 구성된다.
Description
본 발명은 향상된 상부 전극을 구비하는 유기 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
통상 다음의 셀 구조를 갖는 광기전력 엘리먼트는 예컨대 독일 특허 공개 2002P14485DE호로부터 알려져 있다.
기판 위에는 양(+)전극(통상, ITO, indium tin oxide)이 배치된다. 그 위에 적절한 중간층으로서는, 예컨대 음이온으로서 PSS를 갖는 PEDOT로 만들어진 홀 전도층이 배치된다. 인접층은 흡수체, 즉 광기전력 활성 재료, 대개 유기 반도체(예컨대, 풀러렌(fullerene)과 공액성 폴리머(conjugated polymer)의 혼합물)이다. 이것에 뒤이어, 음(-)전극, 즉 캐소드(예컨대, Ca/Ag 또는 LiF/Al)가 적층된다. 종래에, 캐소드 재료로서는 칼슘, 바륨, 불화 리튬, 또는 낮은 일 함수(work function)을 갖는 유사 재료와 같은 비귀금속(non-noble metal)을 사용하였다. 이들 전극은 기상 증착법 또는 스퍼터링법에 의해서 생성된다. 그러나, 이러한 캐소드 재료의 반응성으로 인해서, 최상의 결과를 얻으려면 이러한 캐소드 재료로 만들어지는 층을 진공 상태에서 생성하여야 한다.
진공 적층된 상부 전극을 캐소드로서 이용하는 용법은 대개 몇 가지 이유 때 문에 바람직하지 않다. 그 하나는 진공 중에 행해지는 기상 증착 처리 공정이 비용 소모적이라는 것이고, 다른 하나는 생산 엔지니어링 관점에서 이것은 속도가 느리고 유지관리가 많이 필요하다는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 하부 전극, 기능층 및 상부 전극을 갖는 적어도 하나의 기판을 포함하고 진공 생성 공정 없이 제조될 수 있는 유기 광기전력 소자를 이용가능하게 하는데 있다.
본 발명은 주로 유기 재료로 만들어진 상부 전극을 구비한 광기전력 소자에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 기판에 하부 전도성 기능층(전극)을 적층하고, 그 위에 반전도성 광기전력 활성 기능층을 적층하며, 끝으로 이 반전도성 광기전력 활성 기능층에 상부 유기 전도성 기능층을 적층[sic 배열]하는 광기전력 소자를 제조하는 방법에도 관련된 것이다.
"광기전력 소자"라는 용어는 유기 또는 무기 재료로 만들어진 반전도성 광기전력 활성 기능층 및 하부 전극과; 반전도성 광기전력 활성 기능층과; 주로 유기 재료로 만들어진 상부 전도성 기능층(전극)을 갖는 소자를 의미한다.
일 실시예에서, 광자는 반투명성 상부 전극을 통해서 반전도성 광기전력 활성 기능층에 충돌하기 때문에, 상부 전극은 반투명성 재료로 형성되고, 따라서 기판은 더 이상 투명성을 나타낼 필요가 없다. 이 경우, 종래에 전기적 특성과 투명성 때문에 기판 및/또는 하부 전극으로서 주로 사용되어 온 고가의 재료 ITO는 예컨대 Al, Ti, Cu 또는 기타의 금속 시트 또는 박막과 같은 저렴한 재료로 대체될 수 있다.
일 실시예에서는 반대 구조를 만든다. 즉, 비귀금속으로 만들어진 공지의 상부 캐소드 전극을 유기 전도성 재료(이 예에서는 반투명한 것이 아니고 불투명한(opaque) 것임)로 대체하면 전류의 방향이 역전되므로, 여기서 ITO(indium tin oxide)층이 하부 전극 및/또는 기판인 경우에, 상부 전극은 양전극이 되고 기판측은 음전극이 된다.
일 실시예에서, 유기 광기전력 엘리먼트는 다음의 금속 재료로 구성된다.
ITO로 구성되는 기판에는 광기전력 활성 기능층을 형성하는 반전도성층, 예컨대 P3HT:PCBM(폴리(3-헥실시오펜):[6,6]-페닐 C61 부티르산 메틸 에스테르; poly(3-hexyllthiophene):[6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester) 혼합물(로우 밴드갭)이 적층된다. 뒤이어서, 예컨대 PEDOT의 유기 전도성 기능층이 적층된다.
"유기 재료" 및/또는 "기능성 폴리머"라는 용어는 여기에서, 예컨대 영어로 "플라스틱"이라는 용어를 의미하는 모든 종류의 유기, 유기금속 및/또는 무기 합성 재료를 포함한다. 이것은 종래의 다이오드(게르마늄, 실리콘)에 이용되는 반도체와 통상적인 금속 전도체를 제외한 모든 종류의 재료를 포함한다. 따라서, 원칙적으로, 탄소 함유 재료로서의 유기 재료에 한정하고자 의도하는 것이 아니며, 오히려, 예컨대 실리콘을 광범위하게 이용하는 것도 고려된다. 나아가, 이 용어는 분자의 크기에, 특히 올리머 재료 및/또는 올리고머 재료에 대한 한정을 의미하고자 의도하는 것이 아니며, 오히려, "저분자"를 이용하는 것도 가능하다.
상기 방법의 일 실시예에서, 유기 전자 광기전력 활성 엘리먼트는 다음의 처리 공정에 의해서 제조될 수 있다.
우선, 반투명성 기판, 예컨대 ITO 기판은 반전도성 유기 재료로 도포된다. 이러한 도포는 프린팅법, 스핀 코팅법 등과 같이 대량 생산에 적합한 기술을 이용하여 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 반전도성 기능층에는 프린팅 기술을 이용하여, 전도성 유기 재료로 만들어지는 것이 바람직한 상부 전극층을 적층하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서는 전극층을 생성한 후, 예컨대 은전도성 페이스트의 리키지 커넥터(leakage connector)(5)를 성형하여, 저항 손실을 줄인다. 이와 달리, 탄소 스크린 프린팅 페이스트와 같은 것이 이용될 수도 있지만, 스퍼터링법 또는 기상 증착법과 같은 저비용의 금속화 방법을 이용하여 전도성 경로를 생성하는 것도 상정될 수 있다.
여기서의 "유기 전자 광기전력 활성 소자"라는 용어는 예컨대 태양 전지, 광검출기, 또는 광기전력 활성 기능층을 기본 엘리먼트로서 구비하는 다른 종류의 전자 모듈을 의미한다.
도 1은 본 발명의 유기 광기전력 활성 엘리먼트의 개략도이다.
이하, 유기 광기전력 활성 엘리먼트의 개략도를 보여주는 도 1을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
박막 또는 얇은(초박형) 유리 등으로 만들어질 수 있는 기판(1)에는, 예컨대 ITO로 만든 반투명체일 수도 있고, 또는 알루미늄, 크롬, 몰리브덴, 동 및/또는 아연 등의 재료로 만든 불투명체일 수도 있는 하부 전극(2)이 적층된다. 이 하부 전극(2)에는 반전도성층(3)이 적층된다. 이 반전도성층(3)은 광기전력적으로 활성화하는 것이고, 유기 재료, 또는 이와 달리 금속 재료 또는 이종 재료로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 팽윤 촉진제 처리성(good solvent processability)을 갖는다. 이 반전도성층에는 반투명체로서 구현될 수도 있고, 또는 완전 흡수체로서 구현될 수도 있는 상부 전도성 기능층 또는 상부 전극(4)이 적층된다.
적절한 광기전력 활성층은 특히 미국 특허 5,454,880호와 미국 특허 5,333,183호에 알려져 있으며, 모노머형, 올리고머형 및/또는 폴리머형으로 존재할 수 있는 하나 이상의 반전도성 합성 재료뿐만 아니라 무기 입자 및/또는 나노 입자도 포함할 수 있다. 유사 또는 상이한 전자 친밀도 및/또는 유사 또는 상이한 밴드갭을 보유하는 2개 이상의 공액성 유기 합성 재료, 무기 입자 및/또는 나노 입자의 혼합물이 존재할 수 있다.
유기 분자, 올리고머 및 분자 혼합물의 박층은 예컨대 열 기상 증착법 또는 화학/물리 기상 증착법(CVD)을 이용하여 생성될 수 있다.
공액성 폴리머 및 공액성 폴리머를 함유하는 혼합물의 박층은 스핀 코팅법을 이용하여 생성될 수도 있고, 또한 예컨대 스크린 프린팅법, 잉크젯 프린팅법, 플렉소 프린팅법, 그라비아 프린팅법, 활판 프린팅법 또는 평판 프린팅법(또는 기타/유사한 솔벤트 증착 공정)을 이용하여 생성될 수도 있다. 만일 폴리머를 이용하는 경 우에는 이들 층은 연성 기판(flexable substrate) 상에 증착될 수도 있다.
전형적인 반전도성 공액성 폴리머의 예로서는 폴리아세틸렌(PA) 및 그의 유도체, 폴리이소티오나프틴(polyisothianophthene, PITN) 및 그의 유도체, 폴리티오핀(polythiophene, PT) 및 그의 유도체, 폴리피롤(polypyrrol, PPr) 및 그의 유도체, 폴리(2,5-시에닐렌 비닐렌)(PVT) 및 그의 유도체, 폴리플루오렌(PF) 및 그의 유도체, 폴리(p-페닐렌)(PPP) 및 그의 유도체, 폴리(페닐렌 비닐렌)(PPV) 및 그의 유도체, 및 폴리퀴놀린 및 그의 유도체, 폴리카르바졸 및 그의 유도체, [및] 반전도성 폴리아닐린(레우코에머랄딘 및/또는 레우코에머랄딘 기) 등이 있다.
공여체/수용체 폴리머 혼합물의 수용체 예로서는 폴리(시아노페닐렌비닐렌), C60과 같은 풀러렌 및 그의 기능성 유도체(예컨대, PCBM, PCBR) 및 유기 분자, 유기금속 또는 무기 나노입자(예컨대, CdTe, CdSe, CdS, CIS 등) 등이 있지만, 이들에 한정되지 않는다.
더욱이, 사용되는 태양 전지는 공여체와 수용체(예컨대, PT/C60 또는 PPV/C60)가 공간적으로 분리되어 있는 2개의 분리층이 구축될 수도 있다.
본 발명은 향상된 상부 전극을 구비하는 유기 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 상부 전극은, 프린팅 기술을 이용하여 적층되는 것이 바람직(반드시 이 기술을 이용하여 적층되어야 하는 것은 아님)한 유기 재료로 만들어진다. 유기 재료는, 한편으로는 상부 전극을 반투명체로서 형성하고, 그에 따라 ITO 대신에 저렴한 불투명성 전극을 하부 전극으로서 이용할 수 있게 하고, 다른 한편으로는 상부 전극이 투명하지 않고 불투명하며 하부 전극이 반투명하고 ITO로 이루어진 경우에, 상부 전극이 양전극으로 되므로, 반전 구조 및 역전류 흐름을 갖는 광기전력 소자를 제조할 수 있게 한다.
Claims (12)
- 셀(cell)에 있어서,기판,제1 전극,광기전력(photovoltaic) 활성층, 및유기 재료를 포함하는 제2 전극을 포함하며,상기 제1 전극은 음 전극(negative electrode)이고 상기 기판 및 상기 광기전력 활성층 사이에 있고, 상기 광기전력 활성층은 상기 제1 및 제2 전극 사이에 있고, 상기 제2 전극은 양 전극(positive electrode)이며, 상기 셀은 광기전력 셀인 것인, 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 전극은 반투명성인 것인 셀.
- 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 저항 손실을 감소시키기 위해 상기 제2 전극 상에 리키지 커넥터(leakage connector)들이 비연속적으로 배치되는 것인 셀.
- 제4항에 있어서, 상기 리키지 커넥터들은 은전도성 페이스트로 이루어지는 것인 셀.
- 광기전력 셀(photovoltaic cell)을 제조하는 방법에 있어서,기판 상으로 음 전극인 제1 전극을 적층(apply)하고,상기 제1 전극 상으로 광기전력 활성층을 적층하고,상기 광기전력 활성층 상으로 양 전극인 제2 전극을 적층하는 것을 포함하며,상기 제2 전극은 유기 재료를 포함하는 것인, 광기전력 셀 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제2 전극은 프린팅 기술을 이용하여 적층되는 것인, 광기전력 셀 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 전극은 PEDOT를 포함하는 것인 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 전극은 불투명한(opaque) 것인 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 광기전력 활성층은 공액성 폴리머(conjugated polymer)를 포함하는 것인 셀.
- 제10항에 있어서, 상기 광기전력 활성층은 풀러렌(fullerene)을 더 포함하는 것인 셀.
- 제11항에 있어서, 상기 풀러렌은 PCBM(phenyl C61 butyric acid methyl ester)을 포함하는 것인 셀.
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