KR100979747B1

KR100979747B1 - 몰드를 이용한 유기 태양 전지의 제조 방법

Info

Publication number: KR100979747B1
Application number: KR1020080070250A
Authority: KR
Inventors: 이창희; 정준호; 최대근; 김기돈; 이지혜; 최준혁; 이응숙
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-09-02
Also published as: KR20100009392A

Abstract

본 발명은 유기 태양 전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 나노 패턴이 형성된 몰드 준비 단계와, 상기 몰드의 나노 패턴 상에 P형 유기반도체층을 도포하는 P형 유기반도체층 형성 단계와, 상기 P형 유기반도체층의 한면에 애노드 전극층을 형성하는 애노드 전극층 형성 단계와, 상기 몰드를 상기 P형 유기반도체층에서 분리하는 몰드 분리 단계와, 상기 P형 유기반도체층의 다른 면에 N형 유기반도체층을 도포하는 N형 유기반도체층 형성 단계, 및 상기 N형 유기반도체층의 한 면에 캐소드 전극층을 형성하는 캐소드 전극층 형성 단계를 포함한다.

이와 같이 본 발명에 따르면 몰드를 이용하여 고정도의 규칙적인 패턴을 갖는 유기 태양 전지를 용이하게 제작할 수 있다.

태양 전지, 몰드, 유기, 패턴

Description

몰드를 이용한 유기 태양 전지의 제조 방법{ORGANIC SOLAR CELL FABRICATING METHOD USING MOLD}

본 발명은 유기 태양 전지의 제조 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 나노 패턴이 형성된 몰드를 이용하여 패턴을 갖는 유기 반도체층을 용이하게 형성할 수 있는 유기 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.

태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환소자인 태양 전지는 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경 친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 증가하고 있다.

특히 고유가와 화석연료 부존의 제한성은 재생에너지에 대한 이용을 증대시킬 것으로 보이며, 이중에 이동이 간편하고 휴대할 수 있는 태양 전지의 의존성은 더욱 커질 것으로 예측된다.

유기 태양전지는 기판 및 그 위에 형성된 ITO(indium tin oxide) 박막과 같은 투명전극과 알루미늄 전극의 사이에 전자 수용체와 정공 수용체가 혼재되어 있는 벌크 이종접합 구조를 가지고 있다.

정공 수용체로는 PPV(poly-para- phenylene vinylene)와 같은 도전성을 갖는 공액 고분자(conjugated polymer)가 사용되고, 전자수용체로는 풀러렌(fullerene) 을 사용한다.

공액 고분자와 풀러렌은 두 전극 사이에 혼합되어 있는데, 이 때 빛에 의해 생성된 전자를 풀러렌을 통해 알루미늄 전극으로 손실 없이 수집하기 위해서는 공액 고분자 내에 풀러렌이 충분히 혼합되어 있어야 한다. 풀러렌이 공액 고분자와 잘 혼합되도록 하기 위해 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester, methanofullerene의 일종)과 같은 풀러렌 유도체를 사용한다. 공액 고분자가 빛을 홉수하여 전자-정공쌍(exiton)이 생성되고 전자와 정공은 각각 풀러렌과 공액 고분자를 경유하여 양극 및 음극으로 수집된다.

이와 같은 종래 기술에서 전자수용체로 사용하는 풀러렌은 탄소 원자 60개가 축구공 모양으로 결합되어 있는 구조이며 분리된 전자를 잘 받아들이는 이상적인 전자수용체이지만 전극으로 전자를 전달하기 위한 적합한 재료는 아니다. 따라서 전자 수용체가 받아들인 전자가 음극으로 충분히 전달되지 못함으로 인해 유기 고분자 태양전지의 효율이 낮은 문제점이 있다.

본 발명은 광전변환 효율이 향상된 유기 태양 전지를 용이하게 제작할 수 있는 유기 태양 전지의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법은 나노 패턴이 형성된 몰드 준비 단계와, 상기 몰드의 나노 패턴 상에 P형 유기반도체층을 도포하는 P형 유기반도체층 형성 단계와, 상기 P형 유기반도체층의 한면에 애노드 전극층을 형성하는 애노드 전극층 형성 단계와, 상기 몰드를 상기 P형 유기반도체층에서 분리하는 몰드 분리 단계와, 상기 P형 유기반도체층의 다른 면에 N형 유기반도체층을 도포하는 N형 유기반도체층 형성 단계, 및 상기 N형 유기반도체층의 한 면에 캐소드 전극층을 형성하는 캐소드 전극층 형성 단계를 포함한다.

상기 나노 패턴은 10nm 내지 200nm의 피치를 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 애노드 전극층 형성 단계에서 상기 애노드 전극층은 투명한 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 애노드 전극층 형성 단계에서 상기 애노드 전극층은 진공증착법으로 형성될 수 있으며, 상기 몰드는 실리콘(Si), 유리, 폴리머, 쿼츠(quartz)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면 몰드를 이용하면 P형 유기반도체층에 나노 크기를 갖는 패 턴을 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 고정도의 규칙적인 형상을 갖는 패턴을 형성할 수 있다.

또한, 패턴이 형성된 P형 유기반도체층 상에 N형 유기반도체층을 스핀 코팅으로 형성함으로써, N형 유기반도체층에도 고정도의 규칙적인 형상을 갖는 패턴을 용이하게 형성될 수 있다.

P형 유기반도체층과 N형 유기반도체층에 패턴을 형성하면 정공 수용체와 전자 수용체의 경계면과 애노드 전극층 및 캐소드 전극층 사이의 간격을 감소시켜서 전자 및 정공을 효율적으로 전달할 수 있다.

또한, 유기 박막층들의 경계면과 전극층들 사이의 간격이 감소되므로 정공 수용체와 전자 수용체의 두께를 증가시켜서 빛의 흡수 효율을 향상시킬 수 있으므로 높은 광전 변환 효율을 제공한다.

본 발명에 있어서 '나노 크기' 또는 '나노 소재'라 함은 직경, 두께, 폭, 길이 등 물질을 이루는 어느 한 부분의 크기가 나노 크기로 이루어진 것을 말한다.

또한 본 발명에 있어서 '~상에'라 함은 대상부재의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력방향을 기준으로 상부에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법을 구성하는 단계의 흐름도이다.

도 1a 내지 1e 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법은 나노 패턴이 형성된 몰드 준비 단계(S101)와, P형 유기반도체층 형성 단계(S102)와, 애노드 전극층 형성 단계(S103)와, 몰드 분리 단계(S104), N형 유기반도체층 형성 단계(S105), 및 캐소드 전극층 형성 단계(S106)를 포함한다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 나노 패턴(115)이 형성된 몰드(110)를 준비하고(S101), 몰드(110)에서 나노 패턴(115)이 형성된 면에 P형 유기반도체층(120)을 형성한다(S102).

몰드(110)에 형성된 나노 패턴(115)은 10nm 내지 200nm 크기의 피치로 형성되며, 일정한 규칙을 갖는 홈과 돌기로 이루어진다.

나노 패턴의 피치가 10nm 미만이면 몰드의 제작 비용이 지나치게 증가하고, 장비 및 기술의 한계로 제작이 어려운 문제가 있으며, 나노 패턴의 피치가 200nm 초과이면, 전자의 이동 거리보다 지나치게 커져서 전자를 포획하는 효율이 급격하게 저하되는 문제가 있다.

몰드(110)는 실리콘, 유리, 폴리머, 쿼츠(quartz) 등 다양한 물질로 이루어질 수 있다.

P형 유기반도체층(120)은 정공 전달용 도전성 고분자인 P3HT(poly(3-hexyl thiophene)), PTAA(poly(triarylamine)), MEH-PPV(poly[2-methoxy, 5-(2′-ethyl-hexyloxy)-p-phenylenevinylene)]), PDDTT(poly[5,7-bis(4-decanyl-2-thienyl)thieno[3,4-b]diathiazole-thiophene-2,5)]),PDOCPDT(2,5-(7,7-dioctyl)-cyclopentadithiophene]), PDPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethyhexyl)-4H-cyclopenta [2,1-b;3,4-b′]-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), PTV(poly(thienylene vinylene)), PBTTT(poly[2,5-bis(3-alkylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene)]), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b'] dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)])로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 이루어지는데, 몰드(110)에서 나노 패턴(115)이 형성된 면을 위로 향하도록 배치한 상태에 스핀 코팅으로 형성된다.

이에 따라 나노 패턴(115) 사이에 P형 유기반도체층(120)이 스며들어 몰드(110)와 마주하는 P형 유기반도체층(120)의 면에도 패턴(125)이 형성되며, 이의 반대면은 스핀 코팅으로 평평하게 된다. 본 실시예에서는 P형 유기반도체층(120)이 스핀 코팅으로 형성되는 것을 예로서 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 증착, 프린팅, 코팅 등 다양한 방식으로 형성될 수 있다.

또한, P형 유기반도체층(120)은 상기한 물질 이외에도 TiO₂ 또는 ZnO로 이루어질 수도 있다.

본 실시예에 따른 P형 유기반도체층(120)은 정공 수용체로서의 역할을 하는데, 빛이 입사하면 정공을 포획하여 애노드 전극으로 전달한다.

본 실시예와 같이 정공 수용체인 P형 유기반도체층(120)에 패턴(125)이 형성되면 정공의 수집 효율이 향상된다.

도 1b에 도시된 바와 같이, P형 유기반도체층(120) 상에 애노드 전극층(130)을 형성한다(S103). 애노드 전극층(130)은 광이 용이하게 입사될 수 있도록 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminum doped zinc oxide)와 같은 투명한 소재로 이루어진다.

일반적으로 ITO 박막은 스퍼터링이나 진공증착법으로 형성할 수 있지만 도전성 고분자로 이루어진 P형 유기반도체층(120) 위에 형성하는 경우에는 진공증착법이 더욱 바람직하다. 스퍼터링의 경우 박막 형성 과정에서 높은 에너지를 가진 이온이 P형 유기반도체층(120)에 손상을 줄 수 있기 때문이다.

도 1c에 도시된 바와 같이, 애노드 전극층(130)이 형성되면 몰드(110)를 P형 유기반도체층(120)에서 분리한다(S104).

도 1d에 도시된 바와 같이, 몰드(110)가 분리되면 P형 유기반도체층(120)에서 패턴(125)이 형성된 면이 위를 향하도록 배치한 상태에서 P형 유기반도체층(120) 상에 N형 유기반도체층(140)을 형성한다(S105).

N형 유기반도체층(140)은 전자 전달용 도전성 고분자인 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 또는 PC70BM([6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester) 등으로 이루어지는데, N형 유기반도체층(140)은 스핀 코팅으로 형성될 수 있으며, 증착, 프린팅, 코팅 등 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 이에 따라 패턴(125) 사이에 N형 유기반도체층(140)이 스며들어 P형 유기반도체층(120)과 마주하는 N형 유기반도체층(140)의 면에도 패턴(145)이 형성되며, 반대면은 스핀 코팅으로 평평하게 된다. 본 실시예에 따른 N형 유기반도체층(140)은 전자 수용체로서의 역할을 하는데, 빛이 입사하면 전자를 포획하여 캐소드 전극으로 전달한다.

이에 따라 P형 유기반도체층(120)과 N형 유기반도체층(140)이 마주하는 면에는 규칙적인 나노 패턴이 형성되는데, 상기한 나노 패턴을 이루는 돌기 사이의 거리는 10nm 내지 200nm로 이루어진다.

도 1e에 도시된 바와 같이, N형 유기반도체층(140) 위에 캐소드 전극층(150)을 형성한다(S106). 캐소드 전극층(150)은 알루미늄 또는 텅스텐과 같은 도전성 금속으로 이루어진다.

본 실시예와 같이, 몰드(110)를 이용하면 P형 유기반도체층(120)에 나노 크기를 갖는 패턴(125)을 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 고정도의 규칙적인 형상을 갖는 패턴(125)을 형성할 수 있다.

또한, 패턴(125)이 형성된 P형 유기반도체층(120) 상에 N형 유기반도체층(140)을 스핀 코팅으로 형성함으로써, N형 유기반도체층(140)에도 고정도의 규칙적인 형상을 갖는 패턴(145)을 용이하게 형성될 수 있다.

이와 같이, P형 유기반도체층(120)과 N형 유기반도체층(140)에 패턴(125, 145)을 형성하면 정공 수용체와 전자 수용체의 경계면과 애노드 전극층(130) 및 캐소드 전극층(150) 사이의 간격을 감소시켜서 전자 및 정공을 효율적으로 전달할 수 있다.

또한, 유기 박막층들(120, 140)의 경계면과 전극층들(130, 150) 사이의 간격이 감소되므로 정공 수용체와 전자 수용체의 두께를 증가시켜서 빛의 흡수 효율을 향상시킬 수 있으므로 높은 광전 변환 효율을 제공한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 과정을 설명하기 위한 공정도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 몰드 120: P형 유기반도체층

130: 애노드 전극층 140: N형 유기반도체층

150: 캐소드 전극층

Claims

나노 패턴이 형성된 몰드 준비 단계;

상기 몰드의 나노 패턴 상에 P형 유기반도체층을 스핀 코팅으로 형성하는 P형 유기반도체층 형성 단계;

상기 P형 유기반도체층의 한면에 투명한 소재로 이루어진 애노드 전극층을 형성하는 애노드 전극층 형성 단계;

상기 몰드에서 상기 애노드 전극층과 함께 상기 P형 유기반도체층을 분리하는 몰드 분리 단계;

나노 패턴이 형성된 상기 P형 유기반도체층의 다른 면에 N형 유기반도체층을 스핀 코팅으로 형성하는 N형 유기반도체층 형성 단계; 및

상기 N형 유기반도체층의 한 면에 캐소드 전극층을 형성하는 캐소드 전극층 형성 단계;

를 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 나노 패턴은 10nm 내지 200nm의 피치를 갖는 유기 태양 전지의 제조 방법.
삭제
제2항에 있어서,

상기 애노드 전극층 형성 단계에서 상기 애노드 전극층은 진공증착법으로 형성되는 유기 태양 전지의 제조 방법.
제4항에 있어서,

상기 몰드는 실리콘(Si), 유리, 폴리머, 쿼츠(quartz)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어진 유기 태양 전지의 제조 방법.