KR100979677B1 - 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 제조된 유기태양전지 광활성층은 광활성층의 결정성을 증가시키고, 다층구조를 손쉽게 적층시킬 수 있어 유기태양전지 공정을 단순화시킬 뿐만 아니라 이를 포함하는 유기태양전지소자의 태양에너지 전환효율을 증가시켜 친환경에너지를 생성하는데 유용하게 사용할 수 있다.
유기반도체재료, 유기태양전지, 에어로졸 젯, 인쇄
Description
본 발명은 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 활성층의 제조방법에 관한 것이다.
종래 무기물을 이용한 반도체 재료들은 우수한 특성과 신뢰성을 확보하고 있음에도 불구하고 제조공정이 단순하고 소자제작 시 저가공정이 가능하며, 유기물의 특성상 간단한 구조의 변경을 통해 보다 우수한 특성을 발현하는 재료의 개발이 용이하여 유기 반도체 재료 쪽으로 이양되고 있다.
상기 유기 반도체 물질이 사용으로 기술이 개선되고 있는 분야 중 하나로 유기 태양전지를 들 수 있다.
태양전지는 반도체층과 전극을 기본 구성으로 포함한다. 이러한 태양 광 전 지는 외부로부터 들어온 빛에 의해 반도체층 내부에서 전자와 정공이 발생하고, 전하들이 각각 P, N극으로 이동하는 현상에 의하여 P극과 N극의 전위차가 발생하게 되고, 이 때 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르는 원리를 이용하여 전기를 생성키는 전지이다.
유기 반도체 물질을 태양 광 전지 소자에 적용할 때, 종래 고진공이 필요한 스퍼터링법을 이용하지 않고 스핀 코팅 등의 용액 공정으로 소자를 제작할 수 용이한 점이 있다.
Fred Wudl 그룹은 1995년 PCBM으로 잘 알려진 메타노플러렌 (methanofullerene) 유도체인 {6}-1-(3-(메톡시카보닐)프로필)-{5}-1-페닐(5,6]C61 ({6}-l-(3-(Methoxycarbonyl)propyl)-{5}-l-phenyl[5.6]C61를 발표하였다(J. Org . Chem., 1995, 60, 532).
상기 PCBM은 MEH-PPV, MDMO-PPV 및 P3HT 등의 고분자 donor 재료들과의 혼합을 통해 유기태양전지로 활용될 수 있는데, 초기에는 PPV 유도체와 1:3 정도의 혼합비로 소자화되었으며, 최근 들어 PCBM은 P3HT와의 혼합을 통해 제작된 소자를 고온에서 열처리하거나 유기박막 생성시 용매의 증발속도를 조절함을 통하여 4%이상의 높은 에너지 변환 효율을 갖는 태양전자소자들이 발표되었다.
하지만, 이러한 후처리 공정은 재현성을 보장하기 어렵고, 소자가 고온에 방치될 경우 유기막의 모폴로지가 변화하여 효율이나 기타 소자 특성에 악영향을 미치는 문제가 있다.
또한, 유기태양소자에 유기 반도체 재료를 이용한 활성층을 형성시키는 방법에 있어서, 종래에는 대면적을 손쉽게 제작할 수 있는 스핀코팅, 스크린 인쇄법, 잉크젯 인쇄법 등이 대표적이다.
2001년 미국 아리조나대학의 G.E. Jabbour교수팀은 MDMO-PPV:PCBM 혼합물을 스크린 인쇄법을 통해 유기태양전지 소자화하여 27 mW/cm2의 488 nm 단색광 레이저하에서 4.3%의 에너지변환효율을 있음을 발표하였으나, 상기 결과는 단색 레이저광하에서의 효율로서 실제 AM 1.5G의 광원하에서는 매우 낮은 효율을 보이는 문제가 있다([Appl. Phys. Lett., 79, 2996 (2001)).
2005년 일본 Matushita사에서는 MDMO-PPV:PCBM을 스크린 인쇄법으로 1.8~2.4%의 에너지변환효율을 갖는 유기태양전지 소자를 제작하였고(IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 31st, 125 (2005)), 2007년 F.C. Krebs 그룹에서는 MDMO-PPV를 스핀코팅하고, C60를 진공증착하는 방법으로 655.2 cm2의 대면적 플렉서블 유기태양전지를 제작하여 0.0002%의 에너지 변환효율을 보고하였으나 상기 변환효율은 매우 낮은 문제가 있다.
현재, 2007년 12월 Adv. Mater.지에 C.J. Brabec은 잉크젯 인쇄법을 통해 유기반도체 박막을 형성하여 2.9%의 에너지 변환효율을 갖는 유기태양전지 소자를 발표하였으나 잉크젯 인쇄법을 사용하여 다층구조형성시 각층이 혼합되는 문제가 있있다(Adv. Mater. 19, 3973-3978 (2007)).
한편, 에어로졸 젯(Aerosol jet) 방식의 인쇄법은 잉크를 초음파나 고속으로 분사되는 캐리어 가스에 의해 원자화시켜 고속으로 기판에 분사하여 굴곡이 있는 기판 표면에 금속잉크를 인쇄한 후, 레이저를 이용해 소결하여 전도도가 우수한 배선을 형성하는데 주로 이용되는 방식이다(미국 등록특허 7,270,844, 7294366).
이에, 본 발명자들은 기존의 스핀코팅이나 인쇄공정 등의 용액 공정에서는 용액상의 잉크가 기판상에 인쇄되는 방식이므로 한 층을 형성한 후 상부에 또 다시 용액상의 잉크를 적하하면 하부에 형성되었던 유기막이 손상되어 다층구조의 소자를 구현할 수 없고, 기존의 진공증착을 통해 다층구조로 제작된 소자와 비교하여 그 특성이 상대적으로 낮은 수준인 문제점을 보완하고자 에어로졸 젯 방식의 인쇄공정을 이용하여 에어로졸 젯에서 형성된 ㎛이하의 크기의 연무상의 잉크가 기판이나 유기막의 표면에 분사되어 기존에 형성되었던 하부층의 유기막이 전혀 손상시키지 않으면서도 광활성층의 다층구조의 형성이 가능하여 본 발명에 방법으로 제조된 광활성층을 포함하는 유기태양전지의 태양광 에너지 전환효율이 증가하였음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 유기태양전지 광활성층의 결정성을 증가시키고, 다층구조를 손쉽게 적층시킬 수 있는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 활성층의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 활성층의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따라 제조된 유기태양전지 광활성층은 광활성층의 결정성을 증가시키고, 다층구조를 손쉽게 적층시킬 수 있어 유기태양전지 공정을 단순화시킬 뿐만 아니라 이를 포함하는 유기태양전지소자의 태양에너지 전환효율을 증가시켜 친환경에너지를 생성하는데 유용하게 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 유기태양전지 광활성 용액을 제조하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 제조된 광활성 용액을 원자화시켜 에어로졸 젯(Aerosol jet) 노즐로 이동시키는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 에어로졸 젯 노즐로 이동된 원자화된 광활성 용액 연무(mist)를 투명전극에 분사하여, 자발적 결정화가 유도되는 광활성층을 형성시키는 단계(단계 3); 및 선택적으로 상기 단계 3에서 증착된 광활성층을 소결시키는 단계(단계 4)를 포함하는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 유기태양전지 광활성층의 제조방법에 있어서, 단계 1은 유기태양전지 광활성 용액을 제조하는 단계이다.
상기 광활성 용액은 전극에 형성되어 유기태양전지 광활성층을 형성하는 것으로서, 유기용매에 전자주개(도너) 재료와 전자받개(억셉터) 재료를 용해시켜 사용할 수 있다.
상기 도너 재료는 밴드갭이 2.5 - 1.4 eV범위에 있는 p-형 유기 반도체 재료를 사용할 수 있으며, 이때 p-형 유기반도체 재료는 폴리[2-메톡시-5-(2'-에틸헥시록시)-p-페닐렌 비닐렌(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene],MEH-PPV), 폴리[2-메톡시-5-(3,7-디메틸옥틸록시)-1,4-페닐엔 비닐렌(poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene],MDMO-PPV), 폴리(3-헥실싸이오펜)(poly(3-hexylthiophene), P3HT)등의 단독 또는 이들의 혼합 물질을 사용할 수 있다.
상기 억셉터 재료는 풀러렌 또는 이의 유도체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 페닐-C61-부티릭산 메틸 에스테르(phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM) 또는 이의 유도체등의 단독 또는 이들의 혼합 물질을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 유기용매는 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 트리메틸벤젠, 디클로로메탄, 클로로포름, 디클로로에탄, 트리클로로에탄, 테트라클로로에탄, 디클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, 클로로벤젠, 오르토-디클로로벤젠 등을 단독으로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하나, 전자주개 및 전자받개를 용해시킬 수 있는 용매이면 이에 제한되지 않는다.
이때, 본 발명에 따른 광활성용액 내의 도너 및 억셉터의 함량은 0.1 - 2.5 중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 2.5 중량%를 초과하면 용액화하는데 문제가 있고, 0.5 중량%미만이면 태양전지의 에너지 변환 효율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 유기용매에 첨가되는 전자주개:전자받개의 혼합비율은 중량부로 1:0.3 - 1:5인 것이 바람직하다. 전자주개의 종류에 따라 상이한 비율로 혼합되어야 하며, 전자주개가 P3HT계열의 고분자인 경우, 1:0.5 - 1;1인 것이 바람직하다. 상기 혼합비율을 벗어나면 전공과 전자의 이동도의 비율이 서로 달라져서 광전변환효율이 감소하는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 유기태양전지 광활성층 제조방법의 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 광활성 용액을 원자화시켜 에어로졸 젯 노즐로 이동시키는 단계이다.
단계 2는 광활성 용액에 초음파를 조사하여 광활성 용액을 원자화시켜 광활성 용액 연무(mist)를 생성시켜 수송가스를 이용해 노즐로 이동시키는 단계이다(도 2 및 도 3참조).
상기 단계 2의 원자화는 도 2에 나타낸 바와 같이 상기 단계 1에서 제조된 광활성 용액에 20 kHz - 200 MHz 범위의 초음파를 조사하여 수행할 수 있으며, 원자화된 광활성 용액 연무(mist)는 수송가스로서 비활성 기체를 사용하여 에어로졸 젯 노즐로 이동시키는 것이 바람직하다. 이때, 사용되는 수송가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 크세논 또는 라돈일 수 있으나 비활성 기체이면 이에 제한되지 않는다,
또한, 상기 단계 2의 원자화는 도 3에 나타낸 바와 같이 상기 단계 1에서 제조된 광활성용액에 0 - 5 psi의 압축 공기를 이용한 압축기체법(Pneumatic)으로 분사하여 조사될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 유기태양전지 광활성층 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 에어로졸 젯 노즐로 이동된 원자화된 광활성 연무(mist)를 투 명전극에 분사하여 자발적 결정화를 유도시켜 광활성층을 형성시키는 단계이다.
상기 단계 3은 종래 스핀코팅과 달리 광활성층이 형성될 때, 결정화를 방해하는 일정한 방향의 외력(예를 들면 원심력)이 존재하지 않기 때문에, 광활성층에 포함된 반도체 재료는 자발적인 결정화가 유도될 수 있으며, 상기와 같은 광활성층에 포함된 반도체 재료의 자발적 결정화는 광활성층의 결정성을 증가시켜 유기태양전지의 에너지 전환율을 증가시킬 수 있다. 이때, 상기 분사를 용이하게 하기 위해 추가적으로 시스기체(sheath gas)를 사용하여 수송가스의 유속을 증가시킬 수 있다.
광활성 용액이 고속의 분사속도를 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 투명전극과 노즐간의 거리가 증가하여도 균일하게 광활성층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 유기태양전지 광활성층 제조방법에 있어서, 상기 단계 3에서 증착된 광활성층을 소결시키는 단계 4를 선택적으로 수행할 수 있다.
상기 단계 4는 원자화된 상태료 형상된 광활성층에 포함되어 있는 용매를 증발시키고, 광활성층을 소결시켜 결정성을 향상시켜 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 소결은 레이저를 이용하여 수행할 수 있으며, 상기 레이저의 에너지는 조절이 가능하여 형성된 광활성층의 용매를 제거하고, 결정성을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 부분적으로 레이저의 조사가 가능하므로 이를 이용하여 선택적인 미세패턴을 형성할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명은 상기 제조방법인 용액공정으로 통해 다층의 유기태양전지 광활성층을 제공한다.
상기 본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 유기태양전지는 에어로졸 젯으로 광활성층을 형성한 후, 기판을 승온시켜 용매를 제거함으로써 별도의 열처리 과정이 요구되지 않아 간소화된 공정으로 제조된 유기태양전지 광활성층을 제조할 수 있다.
상기 광활성층은 도너재료와 억셉터재료의 혼합으로 이루어지는 도너-억셉터 혼합 유기활성 단일층, 또는 하기 (a)-(e)와 같이 구성되는 다층의 광활성층 중 어느 하나의 광활성층인 것을 특징으로 하는 상기 제조방법으로 제조된 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층인 것이 바람직하다(도 5 내지 도 10 참조).
(a) 도너층/억셉터층
(b) 도너층/도너-억셉터 혼합층/억셉터층
(c) 도너-억셉터 혼합층/정공-전하 재결합층/도너-억셉터 혼합층
(d) 도너층/억셉터층/정공-전하 재결합층/도너층/억셉터층
(e) 도너층/도너-억셉터 혼합층/억셉터 층/정공-전하 재결합층/도너층/도너-억셉터 혼합층/억셉터층
상기 광활성층의 도너는 광을 흡수하여 여기상태의 전자-정공쌍(exciton)을 발생시키고, 상기 전자-정공쌍은 임의의 방향으로 확산하다가 억셉터와 조우하여 전자와 정공으로 분리된다.
이때, 전자는 전자 친화도가 큰 억셉터 물질 쪽으로 이동하고 정공은 도너 쪽에 남아 각각의 전하 상태로 분리되며 상기 전하와 정공은 양쪽 전극의 일함수차이로 형성된 내부 전기장으로 싸인 전하의 농도차에 의해 각각의 전극으로 이동하여 수집되며 최종적으로 외부 회로를 통해 전류의 형태로 흐르게되어 전기를 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따른 광활성층은 도너재료와 억셉터재료를 필수적으로 포함하여야 하며, 이들이 혼합된 단일층을 이루거나, 상기 (a)-(e)와 같은 구성의 다층 광활성층을 구비함으로써 광흡수율을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 광활성층에서 생성된 엑시톤들이 도너와 억셉터의 계면에서 효과적으로 전자와 정공으로 분리되어 광전변환효율을 증가시킬 수 있다. OLED의 경우, 이것과 유사한 종류의 다층막을 형성함으로써 보다 효과적으로 발광층에서의 전자-정공의 만남이 가능하게 되어 발광효율 및 수명을 극대화 할 수 있었으며, 이러한 면에서 유기태양전지의 경우에도 본 발명을 통한 다층 광 활성층의 형성은 광전변환효율 및 소자수명의 증대에 있어서 매우 중요한 역할을 할 수 있다.
나아가, 본 발명의 제조방법으로 제조된 광활성층은 에어로졸 젯 인쇄의 조건을 조절함으로써 용매가 거의 제거된 연무(mist)의 형태로 유기박막을 형성할 수 있는 장점이 있고, 이를 통해 다양한 종류의 다층구조를 형성할 수 있다. 따라서, 도너층, 억셉터층, 정공-전하 재결합층 등을 연속적으로 형성하여도 각 층간의 혼 합을 최소화할 수 있어 효과적인 광활성층을 제공할 수 있다.
기판과, 상기 기판 위에 순차적으로 형성된 투명전극층, 정공주입층, 광활성층 및 전극층으로 이루어지는 유기태양전지 소자에 있어서,
상기 광활성층은 도너와 억셉터 재료의 혼합으로 이루어지는 도너-억셉터 혼합 유기활성 단일층, 또는 하기 (a)-(e)와 같이 구성되는 다층의 광활성층 중 어느 하나의 상기 제조방법으로 제조된 에어로졸 젯 인쇄법을 이용하여 제조되는 광활성층인 것을 특징으로 하는 유기태양소자를 제공한다.
(a) 도너층/억셉터층
(b) 도너층/도너-억셉터 혼합층/억셉터 층
(c) 도너-억셉터 혼합층/정공-전하 재결합층/도너-억셉터 혼합층
(d) 도너층/억셉터층/정공-전하 재결합층/도너층/억셉터층
(e) 도너층/도너-억셉터 혼합층/억셉터 층/정공-전하 재결합층/도너층/도너-억셉터 혼합층/억셉터 층
본 발명에 따른 상기 유기태양소자는 종래 유기태양전지소자의 광활성층을 상술한 다양한 구성의 단층 또는 다층 광활성층으로 형성시킴으로써 형성시 층간의 혼합을 방지할 수 있으므로 우수한 광흡수층을 제공한다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예1> 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 소자 제작
세척된 ITO(Indium tin oxide)유리기판을 O2 플라즈마 처리한 후, PEDOT-PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)) (Bayer Baytron 사, Al 4083)을 40 nm 두께로 스핀코팅하여 투명전극을 준비하였다.
P3HT(Poly-3-(hexylthiophene)와 PC71BM 의 비율을 1:0.7으로 혼합한 혼합물을 용매 오르토-디클로로벤젠에 0.67 중량%으로 용해시켜 광활성 용액을 제조하였다.
상기 광활성 용액을 에어로졸 젯 장치의 투입하고 초음파 진동자에 35 V의 전압을 가하여 광활성 용액을 원자화한 후, 질소기체를 18 sccm으로 흘려주어 에어로졸 젯의 노즐로 이동시켰다.
노즐로 이동된 원자화된 광활성 용액은 시스기체(질소기체) 45 sccm을 투입시켜 가속화시키며 상기 준비된 투명전극에 분사하고, 기판의 이동속도는 25mm/s의 속도로 이동하였고, 레이저를 조사하여 소결하거나 혹은 고온하에서 용매를 증발시켰다.
상기와 같이 광활성층이 증착된 전극 위에 10-7 torr이하의 고진공하에서 전극층으로 LiF/Al을 진공증착하여, 각각 0.7 nm와 150 nm의 두께로 증착하였다. 여기서, 전극재료로는 LiF/Al이외에 CaAg 합금 또는 MgAg 합금, 또는 LiAl 합금 등 통상적인 유기전자소자용 금속재료가 이용될 수 있다. 다음으로 흡습제를 부착한 유리 캡으로 봉지하여 유기태양전지 소자를 완성하였다. 상기와 같이 제작된 유기태양전지 소자를 150 ℃에서 0 - 60분간 열처리하여 소자특성의 변화를 관찰하였다.
<실시예 2> 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 소자 제작 2
상기 실시예 1에서 PC71BM 대신 PC61BM (1:0.7)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
<실시예 3> 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 소자 제작 3
상기 실시예 2에서 P3HT 및 PC61BM의 함량을 1.0 중량%로 용해시킨 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 수행하였다.
<실시예 4> 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 다층구조 광활성층을 포함하는 유기태양전지 소자 제작 1
투명전극상에 0.67중량% P3HT을 에어로졸 젯으로 형성한 후, 0.67중량% PC61BM을 차례로 형성한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 수행하여 다층구조 광활성층을 포함하는 유기태양전지 소자를 제작하였다.
<실시예 5> 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 다층구조 광활성층을 포함하는 유 기태양전지 소자 제작 2
투명전극상에 1중량%의 P3HT을 클로로벤젠용매에 녹여 인쇄하여 20nm의 P3HT층을 형성한 후, 1중량%의 P3HT:PC71BM (1:0.7)을 클로로벤젠 용매에 녹여 인쇄한 후, 1중량%의 PC71BM을 클로로벤젠용매에 녹여 인쇄하여 20 nm를 차례로 에어로졸 젯법을 이용하여 형성한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 수행하여 다층구조 광활성층을 포함하는 유기태양전지 소자를 제작하였다.
<실시예 6> 압축기체를 이용한 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 태양전지 소자 제작 1
P3HT(Poly-3-(hexylthiophene)와 PC71BM 의 비율을 1:0.7으로 혼합한 혼합물을 용매 오르토-디클로로벤젠에 0.75 중량%으로 용해시킨 광활성 용액을 pneumatic 방법의 인쇄를 위한 잉크용기에 넣고, pneumatic 방식으로 500 sccm의 질소가스를 이용해 원자화하여 에어로졸 젯의 노즐로 이동시킨 후, 45 sccm의 질소 시스기체를 이용해 분사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 유기태양전지 소자를 제작하였다.
<비교예 1> 스핀코팅법을 이용한 유기태양전지소자 제작
P3HT와 PC71BM의 비율을 1:0.7으로 혼합한 혼합물을 오르토-디클로롭렌젠에 2.0 중량%로 용해시켜 광활성 용액을 제조한 후, 이를 투명전극 상에 스핀코팅하여 100 nm의 광활성층을 형성 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 수행하였다
<실험예 1> 유기태양전지소자의 에너지 전환효율
본 발명에 따라 제작된 유기 태양전지소자의 전환효율을 측정하기위하여, 각 실시예 및 비교예의 개방전압(Voc, open circuit voltage), 단락전류밀도(Jsc, short circuit current density), 최대 전력치를 측정하여 도 4에 나타내었으며, 하기 수학식 1을 통하여 태양전지의 에너지 변화효율(PCE, power conversion efficiency)을 계산하였으며, 이를 표 1에 나타내었다.
Voc는 개방전압(V)(open circuit voltage,전류가 흐르지 않는 상태에서의 전압);
Jsc는 단락전류밀도(mA/cm2)(short circuit current density, 0 V에서의 전류밀도);
FF는 채움인자(fill factor)(최대 전력치를 Voc와 Jsc의 곱으로 나눈 값); 및
Pinc는 쪼여준 빛의 세기 (mW/cm2)를 나타낸다(본 실험에서는 AM1.5 1sun(100 mW/cm2).
| Voc(mV) | Jsc(mA/cm2) | FF(%) | PCE(%) | |
| 실시예 1 | 695 | 9.43 | 0.66 | 4.35 |
| 실시예 2 | 695 | 9.56 | 0.66 | 4.39 |
| 실시예 3 | 658 | 9.33 | 0.65 | 3.99 |
| 실시예 4 | 650 | 7.78 | 0.65 | 3.29 |
| 실시예 5 | 663 | 10.97 | 0.63 | 4.58 |
| 비교예 1 | 673 | 7.43 | 0.60 | 3.00 |
상기 표 1 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 5는 에너지 변환효율이 3.29 - 4.58%으로 비교예 1에 비해 10% - 50%가량 좋은 에너지 전환효율이 있음을 확인하였고, 특히 다층구조의 광활성층을 포함하는 실시예 5의 에너지 전환효율은 4.58%로 최고의 전환효율을 나타내어 짧은 공정으로 다층구조를 형성하여 에너지 전환효율이 증가하였음을 확인하였다.
도 1은 종래 n-형 유기반도체 재료의 구조를 나타낸 도면이고;
도 2는 초음파를 이용한 에어로졸 젯 장비의 개략도를 나타낸 도면이고;
도 3은 압축기체방식(Pneumatic)를 이용한 에어로졸 젯 장비의 개략도를 나타낸 도면이고;
도 4는 본 발명의 일실시형태의 I-V 특성 그래프이고;
도 5 내지 도 10은 에어로졸 젯 인쇄법을 이용하여 제조된 광활성층을 포함하는 유기태양전지 소자의 구조에 관한 개략도를 나타낸 도면이다.
1: 기판
2: 투명전극층
3: HIL 층
4: 유기활성층 (도너-억셉터 혼합층)
5: 전극층
6: 유기활성층 (도너층)
7: 유기활성층 (억셉터층)
8: 정공-전하 재결합층
Claims (15)
- 유기태양전지 광활성 용액을 제조하는 단계(단계 1);상기 단계 1에서 제조된 광활성 용액에 초음파를 조사하거나 압축 기체를 이용한 압축기체법(Pneumatic)으로 분사하여 원자화시키고 비활성 기체를 사용하여 에어로졸 젯(Aerosol jet) 노즐로 이동시키는 단계(단계 2); 및상기 단계 2에서 에어로졸 젯 노즐로 이동된 원자화된 광활성 용액의 연무(mist)를 시스기체(sheath gas)와 함께 사용하여 투명전극에 분사하여, 자발적 결정화가 유도되는 광활성층을 형성시키는 단계(단계 3); 및 선택적으로 상기 단계 3에서 증착된 광활성층을 소결시키는 단계(단계 4)를 포함하는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 광활성 용액은 유기용매에 전자주개(도너) 재료와 전자받개(억셉터) 재료를 용해시킨 것을 특징으로 하는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 도너 재료는 밴드갭이 2.5 - 1.4 eV 범위에 있는 p-형 유기반도체 재료인 것을 특징으로 하는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 p-형 유기반도체 재료는 폴리[2-메톡시-5-(2'-에틸헥시록시)-p-페닐렌 비닐렌(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene],MEH-PPV), 폴리[2-메톡시-5-(3,7-디메틸옥틸록시)-1,4-페닐엔 비닐렌( poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene],MDMO-PPV) 및 폴리(3-헥실싸이오펜)(poly(3-hexylthiophene),P3HT)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 단독 또는 이들의 혼합인 것을 특징으로 하는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전기 광활성층의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 억셉터 재료는 풀러렌(fullerene) 및 이의 유도체로 이루어진 n-형 유기반도체인 것을 특징으로 하는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 n-형 유기 반도체 재료는 페닐-C61-부티릭 산 메틸 에스테르(phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM) 및 이의 유도체로 이루어진 n-형 유기반도체 재료군으로부터 선택되는 단독 또는 이들의 혼합인 것을 특징으로 하는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 유기용매는 벤젠, 톨루엔, 트리메틸벤젠, 크실렌, 디클로로메탄, 클로로포름, 디클로로에탄, 트리클로로에탄, 테트라클로로에탄, 디클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, 클로로벤젠 및 오르토-디클로로벤젠으로 이루어진 군으로부터 선택되는 단독 또는 이들의 혼합용매인 것을 특징으로 하는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 광활성용액 내의 도너 재료 및 억셉터 재료의 함량은 0.1 - 2.5 중량%인 것을 특징으로 하는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 유기용매에 첨가되는 도너 재료: 억셉터 재료의 혼합비율은 중량부로 1:0.3 - 1:5인 것을 특징으로 하는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 초음파 조사에 의한 원자화는 20 kHz - 200 MHz 범위의 초음파를 조사하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 압축기체법(Pneumatic)에 의한 원자화는 0.01 - 5 psi의 압축 기체를 이용한 압축기체법(Pneumatic)으로 분사하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 도너와 억셉터 재료의 혼합으로 이루어지는 도너-억셉터 혼합 유기활성 단일층, 또는 하기 (a)-(e)와 같이 구성되는 다층의 광활성층 중 어느 하나의 광활성층인 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 에어로졸 젯 인쇄법을 이용한 유기태양전지 광활성층:(a) 도너층/억셉터층(b) 도너층/도너-억셉터 혼합층/억셉터층(c) 도너-억셉터 혼합층/정공-전하 재결합층/도너-억셉터 혼합층(d) 도너층/억셉터층/정공-전하 재결합층/도너층/억셉터층(e) 도너층/도너-억셉터 혼합층/억셉터 층/정공-전하 재결합층/도너층/도너-억셉터 혼합층/억셉터층.
- 기판과, 상기 기판 위에 순차적으로 형성된 투명전극층, 정공주입층, 광활성층 및 전극층으로 이루어지는 유기태양전지 소자에 있어서,상기 광활성층은 도너와 억셉터 재료의 혼합으로 이루어지는 도너-억셉터 혼합 유기활성 단일층, 또는 하기 (a)-(e)와 같이 구성되는 다층의 광활성층 중 어느 하나로서 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 에어로졸 젯 인쇄법을 이용하여 제조되는 광활성층인 것을 특징으로 하는 유기태양전지소자:(a) 도너층/억셉터층(b) 도너층/도너-억셉터 혼합층/억셉터층(c) 도너-억셉터 혼합층/정공-전하 재결합층/도너-억셉터 혼합층(d) 도너층/억셉터층/정공-전하 재결합층/도너층/억셉터층(e) 도너층/도너-억셉터 혼합층/억셉터 층/정공-전하 재결합층/도너층/도너-억셉터 혼합층/억셉터층.
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