KR100981767B1 - 종형 전계효과 유기 태양전지 - Google Patents

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Abstract

종형 전계효과 트랜지스터(vertical type field-effect transistor)의 구조를 가짐으로서, 광전 변환 효율이 우수한 유기 태양전지가 개시된다. 상기 유기 태양전지는, 서로 대향 배치되며, 정공 및 전자를 각각 받아, 전류를 공급하는 양극 및 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 위치하며, 태양광을 받아 전자-정공쌍을 생성하고 정공 및 전자로 분리하여, 상기 양극 및 음극으로 전달하는 광전변환층; 상기 양극 및 음극으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 상대전극 외부의 표면에 순차적으로 형성된 절연막 및 게이트 전극을 포함하며, 상기의 상대전극은 충분히 얇게 형성되며, 상기 게이트 전극에 상기 상대전극에 대한 전압이 인가되어, 광전변환 현상을 조절하는 역할이 수행되며, 상기 절연막은 상기 게이트 전극과 상대전극 사이의 전류의 흐름을 절연하나, 상기 게이트 전극의 전위는 상기 상대전극과 상대전극 주변의 광전변환층으로 전달되도록 한다.
유기 태양전지, 종형 트랜지스터, 게이트 전극, 광변환층, 변환효율

Description

종형 전계효과 유기 태양전지{Vertical type field-effect organic solar cell}
본 발명은 유기 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 종형 전계효과 트랜지스터의 구조를 가짐으로서, 광전 변환 효율이 우수한 유기 태양전지에 관한 것이다.
최근, 산업의 발전에 따라 에너지의 사용량이 비약적으로 증가하고 있으며, 앞으로도 더욱 많은 에너지 수요의 증대가 예상된다. 이와 같은 배경에서, 지구환경에 부담을 주지 않으며, 경제적이고 고성능의 새로운 에너지 생산 기술에 대한 기대가 모아지고 있다. 그 중에서도, 태양전지는 무한한 태양광을 이용하는 새로운 에너지원으로서 많은 주목을 받고 있다. 현재 실용화되고 있는 태양전지의 대부분은, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 무정형 실리콘을 이용한 무기 태양전지이다. 그러나, 이들 무기 실리콘계 태양전지는, 그 제조 프로세스가 복잡해서 비용이 높다는 단점이 있어, 널리 보급되지 못하고 있다. 이와 같은 문제점을 해소하기 위해 서, 간단한 프로세스로 저비용화ㆍ대면적화가 가능한 유기 재료를 이용한 유기 태양전지의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 가볍고, 유연한 특징을 갖는 유기 태양전지는 유기물의 전자적 에너지 준위인 HOMO(highest occupied molecular orbital) 준위와 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 준위에 관련된 광전변환 효과(photovoltaic effect)를 이용한 소자이다. 이러한 유기 태양전지로는, 광변환층의 광전변환층 박막의 종류에 따라, (1) 다공질 산화티탄, 루테늄 색소, 요오드와 요오드 이온들의 광화학 반응에 근거한 변환 효율 10% 정도의 색소 증감형 태양전지 (B. 0'Regan, M. Gratzel, Nature, 353, 737 (1991)), (2) 저분자의 전자공여성 재료(도우너 재료)와 전자수용성 재료(억셉터 재료)를 이용해서 진공 증착법으로 제작한 변환 효율 4 % 정도의 유기 박막형 태양전지(P. Peumans and S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett. 79, 126 (2001)), (3) 공역계 폴리머와 풀러렌(fullerene, C60) 유도체의 혼합막 타입을 이용하여 습식 방식으로 제작되기 때문에, 보다 저비용화를 기대할 수 있는 변환 효율 2.5 % 정도의 벌크 이종접합 유기 박막형 태양전지(S. E. Shaheen, Appl. Phys. Lett. 78, 841 (2001)) 등이 있다.
이하, 벌크 이종접합 혼합막 타입의 유기 태양전지 소자를 참조하여, 종래의 유기 태양전지의 구조 및 동작을 설명한다. 유기 태양전지에 관한 대표적인 종래 기술로는 미국특허 5,331,183호가 있다. 도 1a는 통상적인 유기 태양전지의 구조를 보여주는 단면도로서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 통상적인 유기 태양전지는 기판(10) 및 그 위에 형성된 주석 도핑 산화인듐(ITO : tin doped indium oxide) 박막과 같은 투명전극(양극, 12)과 알루미늄 전극(음극, 14)의 사이에 전자수용체(electron acceptor)와 정공수용체(hole acceptor)가 혼재되어 있는 벌크 이종접합 구조의 유기 광전변환층(16, photovoltaic layer)을 가지고 있다. 상기 정공수용체로는 폴리파라페닐렌 비닐렌(PPV: poly-para-phenylene vinylene)와 같은 도전성 공액 고분자(conjugated polymer)가 사용되고, 상기 전자수용체로는 풀러렌(fullerene, C60)이 대표적으로 사용되고 있다. 상기 공액고분자와 풀러렌은 두 전극(12, 14) 사이에 혼합되어 있으며, 외부 입사광에 의해 생성된 전자를 풀러렌을 통해 알루미늄 음극 전극(14)으로 손실 없이 수집하기 위해서는, 공액고분자 내에 풀러렌이 충분히 혼합되어 있어야 한다. 풀러렌이 공액고분자와 잘 혼합되도록 하기 위해 [6,6]페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르(PCBM, [6,6] phenyl-C61- butyric acid methyl ester, 메타노풀러렌(methanofullerene)의 일종)과 같은 풀러렌 유도체가 사용될 수도 있다. 상기 유기 태양전지에 있어서, 상기 공액 고분자가 빛을 흡수하여 전자-정공쌍(exciton)이 생성되고, 전자와 정공은 각각 풀러렌과 공액 고분자를 경유하여 양극(12) 및 음극(14)으로 이동, 수집된다.
이와 같은 종래의 유기 태양전지 소자에 있어서, 외부 입사광에 의하여 여기자(exciton)가 생성되고, 전자 및 정공이 각각 벌크 이종 접합된 전공/전자 수용체들의 LUMO 준위와 HOMO 준위로 분리, 이동한 다음, 도 1b에 도시된 바와 같이, 음극(14)과 양극(12)으로 전달되어 발전하게 된다. 이때, 통상적인 벌크 이종 접합의 전공/전자 수용체들은 분리된 전하를 잘 받아들이는 이상적인 전하 수용체인 반면, 수용된 전하들을 전극(12, 14)으로 충분히 이동시키지 못하기 때문에, 에너지의 변환 효율이 낮다는 근본적인 문제점이 있다. 또한, 최근, 이종의 소스 및 드레인 전극을 구비한 횡형(lateral) 전계효과 트랜지스터(field-effect transistor, FET) 구조의 유기 태양전지가 보고되었다(S. Cho et al, "Photovoltaic effects on the organic ambipolar field-effect transistor", Applied Physics Letters, vol 90, p63511, 2007). 그러나, 상기 횡형 전계효과 트랜지스터 구조는 소스 전극과 드레인 전극 사이의 거리(channel gap)가 멀고, 전극을 흐르는 전류량이 크지 않으므로(최대 ~ 200 nA at VDS = 60 V), 기존의 다이오드 구조에 비해서도, 광전 변환이 매우 작고, 구조가 복잡하여, 제조가 어려운 단점이 있다. 따라서, 이러한 단점을 극복한, 고효율 태양전지 제조 기술의 개발이 요망되고 있다
본 발명의 목적은, 제작이 용이하며, 소자의 구조가 간단하고, 작동의 신뢰성이 향상된 유기 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 효율이 높은 유기 태양전지를 저가의 비용으로 손쉽게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 서로 대향 배치되며, 정공 및 전자를 각각 받아, 전류를 공급하는 양극 및 음극; 상기 양극 및 음극 사이에 위치하며, 태양광을 받아 전자-정공쌍을 생성하고 정공 및 전자로 분리하여, 상기 양극 및 음극으로 전달하는 정공수용체 및 전자수용체를 포함하는 광전변환층; 상기 양극 및 음극으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 상대전극 외부의 표면에 순차적으로 형성된 절연막 및 게이트 전극을 포함하며, 상기의 상대전극은 충분히 얇게 형성되며, 상기 게이트 전극에 상기 상대전극에 대한 조절 전압이 인가되어, 광전변환 현상을 조정하는 역할이 수행되며, 상기 절연막은 상기 게이트 전극과 상기의 상대전극 사이의 전류의 흐름을 절연하여 통제하나, 상기 게이트 전극의 전위는 상기 상대전극과 상대전극 주변의 광전변환층으로 전달되도록 하는 것인 종형 전계효과 유기 태양전지를 제공한다.
본 발명은 또한, 기판 상부에, 상기 상대전극과 상대전극 주변의 광전변환층사이의 에너지 준위를 조절하기 위한 전위가 인가되어, 광전변환의 효율을 증대하는 역할을 수행하는 게이트 전극을 준비하는 단계; 상기 게이트 전극 위에, 전류의 흐름은 절연시켜 통제하나, 상기 게이트 전극의 전위가 상기 상대 전극과 상대전극 주변의 광전변환층으로 전달되도록 하는 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 위에 양극 또는 음극을 형성하고, 상기 양극 또는 음극 상에 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층을 형성하는 단계; 및 상기 광전변환층 상에 음극 또는 양 극을 형성하는 단계를 포함하는 종형 전계효과 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유기 태양전지는, 종형(Vertical type) 트랜지스터 구조를 가지므로, 종래의 횡형(Lateral type) 트랜지스터 구조와 비교하여, 그 구조가 간단하고, 채널 갭(channel gap)이 수 μm 이하의 박막 두께 정도로서, 횡형 트랜지스터 구조의 채널 갭(channel gap: 수십 μm 이상) 보다 매우 작으므로, 작은 전압으로 작동하며, 접촉 면적이 넓어, 높은 전류의 흐름을 수용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 종형 전계효과 유기 태양전지에 있어서는, 게이트 전위를 인가함으로써, 외부 입사광에 의해 생성 및 분리된 전하를 각 전극으로 수집하는 효율, 즉, 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 유기 태양전지는, 제작이 용이하며, 소자의 구조가 간단하고, 작동의 신뢰성이 우수할 뿐만 아니라, 에너지의 변환 효율이 높다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 횡형(lateral type)이 아닌 종형(vertical type)의 전계효과 트랜지스터 구조를 태양전지 소자에 도입하고자 한다. 전극으로부터 반도체 박막으로 주입되는 전하를 통제하여 전기 전류(electrical current)를 조절하기 위한 종 형 트랜지스터에 관한 대표적인 종래기술로는 미국특허 US7002176 와 US2006/0284230 이 있다. 이 두 종래기술의 경우 모두 게이트 전극의 전위를 조절하여 반도체 박막에 주입되는 전공 또는 전자의 양을 조절하여 전기 전류의 흐름을 통제하는 소자로 작용한다. 본 발명에서는 상기의 종형 구조와 광전변환층을 더하여 새로운 태양전지 트랜지스터 소자를 제작하여 상기의 목적을 달성하였다.
본 발명에서는, 전하 수용체가 받아들인 전하를 양극(또는 소스)과 음극(또는 드레인)으로 효과적으로 전달하기 위하여, 전극(양극 또는 음극) 상부에 절연막을 사이에 두고 게이트 전극을 수직으로 배열시킨, 종형 트랜지스터 구조의 유기 태양전지를 제공한다. 도 2는, 본 발명에 따른 종형 트랜지스터 구조의 전계효과 유기 태양전지의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 태양전지는, 기판(40) 상에 서로 대향 배치되는 양극(20, anode) 및 음극(22, cathode), 상기 양극(20) 및 음극(22) 사이에 위치하며, 정공수용체 및 전자수용체를 포함하는 광전변환층(24, photovoltaic layer), 상기 양극(20) 및 음극(22)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 전극(상대전극) 외부의 표면에 순차적으로 형성된 절연막(30) 및 게이트 전극(32)을 포함한다.
본 발명에 따른 유기 태양전지에 있어서, 태양광을 흡수 발전하는 광전변환층(24)은 광흡수도가 높은 것이 바람직한 반면, 양극(20), 음극(22), 절연막(30), 게이트 전극(32) 등은 가시광 투과도가 높은 것이 바람직하다. 예를 들면, 태양광 이 상기 양극(20) 방향으로 입사하고, 도 2에 도시된 바와 같이, 게이트 전극(32) 및 절연막(30)이 양극(20) 외부 표면에 형성되는 경우에는, 상기 게이트 전극(32), 절연막(30) 및 양극(20)은, 가시광 투과도가 적어도 50 % 이상인 재료로 이루어져, 태양광(입사광)을 용이하게 투과시켜, 광전변환층(24)에 많은 태양광이 도달되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 기판(40)은, 외부로부터의 태양광을 상기 전극(20, 22 또는 32)을 통과하여 광전변환층(24)으로 도달시키면서, 상기 유기 태양전지를 보호하는 역할을 하는 것으로서, 유리 또는 휠 수 있는 플라스틱과 같은 광투과성을 가지는 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 양극(20) 및 음극(22)은 광전변환층(24)에서 생성된 정공 및 전자를 각각 받아, 전류를 공급하는 전극의 역할을 한다. 상기 양극(20)은 정공을 수집하는 기능을 하고, 일함수가 4.5 eV 이상인 것이 바람직하며, 태양광이 적어도 부분적으로 투과할 수 있는 투명 및/또는 다공성 물질로 이루어지는 것이 바람직하고, 예를 들면, 비한정적으로 높은 일함수를 가지는 주석도핑 산화인듐(ITO: tin-doped indium oxide), 불소도핑 산화주석(FTO: fluorine-doped tin oxide), 인듐 아연 산화물(IZO: indium zinc oxide), 두께 50 nm 이하의 금(Au) 또는 은(Ag) 박막, 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자, 전도성 유기 단분자, 전도성 올리고머 등의 전도성 유기재료, 또는 전도성 무기재료 금속, 전도성 나노입자 또는 그 복합체물 또는 그 적층물 등으로 이루어질 수 있다. 상기 양극(20)의 구체적인 예로는, 일함수가 큰 금 등의 금속을 두께 20 nm 정도의 다공성 박막으로 형성 하여, 가시광 영역에서의 광투과성이 60% 이상이도록 한 다공성 도전성 박막을 예시할 수 있다. 상기 음극(22)은 전자를 수집하는 기능을 하는 일함수가 낮은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 리튬(Li) 및 그 복합물 또는 그 적층물 등과 같은 도전성 박막 형태이거나, 또는 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 실리콘, 이들의 혼합물, 전도성 나노입자 등으로 이루어진 금속판 형태일 수 있다. 상기 양극(20) 또는 음극(22) 전극으로서, 두께 50 nm 정도의 금속 박막을 사용하는 경우에는, 금속 박막 표면에 고유한 표면 플라즈몬이 여기될 수 있으며, 특히 가시광 영역의 입사광 흡수가 용이하므로, 광 여기 표면 플라즈몬으로 전자를 더욱 방출시킬 수 있어, 광전 변환 효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 상기 절연막(30) 및 게이트 전극(32)이 형성되는 전극, 즉, 절연막(30) 및 게이트 전극(32)과 인접한 양극(20) 또는 음극(22)의 상대전극은, 그 조직이 치밀하지 않은 다공성 망사형 또는 그물막(network) 조직의 박막으로 형성되어, 게이트 전극(32, 제3 전극)의 전위가 완전히 차폐(shielding)되지 않고, 상기 상대 전극과 상대전극 주변 광전변환층(24)사이의 에너지 준위까지 영향을 미칠 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 상기 양극(20) 또는 음극(22)의 상대전극은 그 두께가 100 nm 이하, 바람직하게는 5 내지 50 nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 40 nm, 가장 바람직하게는 20 nm 정도이다.
본 발명에 따른 유기 태양전지에 있어서, 상기 광전변환층(24)은 태양광을 받아 전자-정공쌍(여기자, exciton)을 생성하고 분리하며 분리된 전하를 이송하기 위한 것으로서, 통상의 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 것이 바람직하다. 상기 정공수용체로는 폴리파라페닐렌 비닐렌(PPV : poly-para-phenylene vinylene), 폴리(3-헥실-티오펜) (P3HT : poly(3- hexyl-thiophene)) 등의 도전성 고분자를 예시할 수 있고, 상기 전자수용체로는 풀러렌(fullerene, C60), [6,6]페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르(PCBM), 이들의 혼합물 등으로 이루어진 나노입자를 예시할 수 있다. 더욱이 광전변환층을 부분적으로 또는 전체적으로 전통적인 무기 광전변환물질, 즉 실리콘, 갈륨화합물, 황화카드뮴(CdS), 셀렌화카드뮴(CdSe), 텔루르화카드뮴(CdTe), 셀렌화아연(ZnSe), 이들의 혼합물로 대치될 수도 있다. 또한, 상기 양극(20)과 광전변환층(24) 사이에는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리(4-스티렌술포네이트) (PEDOT-PSS : poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(4-styrenesulphonate)) 등의 정공수송층을 습식 방법이나 진공증착 등의 건식 방법으로 더욱 형성할 수 있다. 상기 음극(22)과 광전변환층(24) 사이에는 전자주입층, 전자수송층 등이 더욱 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 전자주입층으로서, 플루오르화리튬(LiF), 플루오르화세슘(CsF), 산화마그네슘(MgO), 염화나트륨(NaCl), 플루오르화나트륨(NaF) 등의 무기염 초박막 계면층을, 두께 0.1 내지 5.0 nm, 바람직하게는 0.5 내지 2.0 nm로 형성하여, 음극(22)으로 전자가 원활히 전달되도록 함으로서, 소자의 작동 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 게이트 전극(32)은, 상기 상대전극과 상대전극 주변의 광전변환층사이 의 에너지 준위를 조절하기 위한 전위를 인가하여, 광전변환의 효율을 증대하는 역할을 수행하는 것으로서, 그 두께는 통상 10 내지 200 nm 이고, 태양광이 투과할 수 있는 투명 전극인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 게이트 전극(32)은 주석도핑 산화인듐(ITO : tin-doped indium oxide), 불소도핑 산화주석(FTO : fluorine-doped tin oxide), 인듐 아연 산화물(IZO : indium zinc oxide), 등의 도전성 물질, 알루미늄, 은, 스테인레스 스틸, 구리, 텅스텐, 실리콘 등의 금속으로 이루어진 도전성 박막, 또는 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자, 전도성 유기 단분자, 전도성 올리고머 등의 전도성 유기재료, 또는 전도성 무기재료 금속 또는 그 복합체물 등인 것이 바람직하다.
상기 절연막(30)은 상기 게이트 전극(32)과 양극(20) 또는 음극(22) 전극의 사이에 개제되어, 상기 게이트 전극(32)과 양극(20) 또는 음극(22) 사이의 전류의 흐름은 절연하여 통제하나, 전위에 따른 게이트 전극(32)의 전위는 상기 상대전극과 상기 광전변환층(24)으로 전달되도록 한다. 상기 절연막(30)은, 절연성이 우수하고, 막으로서의 제작이 용이하기만 하면, 무기물, 유기물, 고분자 등의 다양한 재료로 이루어질 수 있고, 예를 들면, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET : poly(ethylene terephthalate), 폴리이미드(PI), 등의 비전도성 고분자, 또는 플루오르화세슘(CsF), 이산화규소(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 질화규소(SiN) 등의 비전도성 무기박막 등의 절연성 재료로 이루어질 수 있으며, 그 두께는 통상 10 내지 1000 nm 이다.
다음으로, 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법을 설명한다. 본 발명에 따라, 유기 태양전지를 제조하기 위해서는, 먼저 기판(40) 위에 게이트 전극(32)을 준비하고, 상기 게이트 전극(32) 위에 절연막(30)을 형성한다. 다음으로, 상기 절연막(30) 위에 양극(20) (또는 음극(22))을 형성하고, 상기 양극(20) (또는 음극(22)) 상에 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층(24)을 형성한 다음, 상기 광전변환층(24) 상에 음극(22) (또는 양극(20))을 형성한다. 또한, 상기 기판과 게이트 전극이 발전 소자의 반대쪽에 위치하는 경우에는, 먼저, 기판 상부에 양극 (또는 음극)을 형성하고, 상기 양극 (또는 음극) 상에 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층을 형성한 다음, 광전변환층 상에 음극 (또는 양극)을 형성한다. 다음으로, 상기 음극 (또는 양극) 상부에 절연막을 형성하고, 상기 절연막의 상부에 게이트 전극을 형성하여, 본 발명에 따른 유기 태양전지를 제조할 수 있다.
일반적으로, 상기 게이트 전극(32)과 양극(20) 박막은 스퍼터링이나 진공증착법으로 형성할 수 있다. 또한, 상기 음극(22) 박막도 스퍼터링이나 진공증착법으로 형성할 수 있으나, 도전성 고분자로 구성된 광전변환층(24) 상부에, 음극(22)을 형성하는 경우에는 진공증착법을 사용하는 것이 바람직하다. 스퍼터링법을 사용할 경우, 높은 에너지를 가진 이온이 박막 형성 과정에서 광전변환층(24)을 손상시킬 수 있기 때문이다. 광전변환층(24)을 형성하는 단계에서는, 도전성 고분자와 나노입자가 혼합된 용액을 도포하기 위하여, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 닥터 블레이드법 등의 각종 인쇄 또는 코팅 방법을 사용할 수 있다. 이때, 상기 광전변환층(24)의 두께는 100 nm 이상일 수 있다. 종래 기술에 있어서는, 빛에 의해 생성된 전자의 수집효율이 낮아, 광전변환층(24)의 두께가 통상 100 nm 이하로 제한되었으나, 본 발명에서는 게이트전극(32)의 전위를 통해 전하를 효과적으로 수집할 수 있으므로, 광전변환층 층(24)의 두께를 100nm 보다 형성하여, 빛의 흡수량을 증가시킬 수 있으며, 따라서, 높은 변환효율을 얻을 수 있다. 끝으로, 전극이 형성된 소자를 산소와 수분으로부터 보호하기 위해, 유리, 세라믹, 플라스틱, 금속 등의 밀봉 부재를 사용하여 불활성 가스 분위기에서, 소자를 봉지하거나, 열경화 수지 또는 자외선 경화 수지를 사용하여 소자를 봉지할 수 있다. 또한, 기밀 공간 중간에 흡습성 재료를 넣어 두는 것이 효과적인데, 그러한 흡습성 재료의 대표적인 예는 산화바륨이다.
본 발명의 유기 태양전지에 사용된 절연층(30), 게이트전극(32) 및 망사형 다공성 박막 전극(20, 22) 구조는, 색소 증감형 태양전지, 저분자 증착형 유기 박막 태양전지 등의 유기 태양전지뿐만 아니라 무기 태양전지 등 각종 태양 전지에 제한 없이 적용할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위한 바람직한 실시예를 제시한다. 하기 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[실시예] 종형 유기 태양전지의 제작
유리 기판위에, ITO (두께: 80 nm, 면저항: 30 ohm/cm2)로 이루어진 투명 게이트 전극 패턴을 형성한 다음, 상기 투명 게이트 전극 위에, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA, Aldrich)가 녹아 있는 클로로포름 용액을 스핀 코팅하고 가열하여, 두께 500 nm의 절연막을 형성하였다. 형성된 절연막 위에, 양극을 형성하기 위해 마스크를 설치하고, 스퍼터링 방법으로 20 nm 두께로 금을 증착하여 양극을 형성하였다. 제작된 양극 상부에 PEDOT-PSS (Bayer AG사, 상품명: BAYTRON-P) 수용액을 상온에서 스핀 코팅한 후, 핫플레이트(hot plate)를 이용하여 100℃, 1시간 동안 어닐링(annealing)하여 용매를 제거함으로써, 약 60 nm 두께의 정공 수송성 고분자 버퍼층을 형성하였다. 다음으로, P3HT(폴리(3-헥실-티오펜))와 PCBM([6,6]페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르) (중량비:1:1)을 녹인 클로로포름 용액 (0.5 wt%)을 상기 PEDOT-PSS 박막 상부에 다시 스핀 코팅하고, 핫플레이트(hot plate)를 이용하여 150℃, 3분 동안 어닐링(annealing)하여 용매를 제거함으로써, 약 100 nm 두께의 광전변환층을 형성하였다. 다음으로, 광전변환층 상부에 1 nm 두께의 Al:Li 초박막을 2 x 10-6 torr에서 진공 증착하여 계면층을 형성하고, 상기 계면층 상부에 다시 100 nm 두께의 Al 음극 전극층을 더욱 형성하여, 종형 전계효과 유기 태양전지 트랜지스터 소자를 제작하였다.
[비교예] 2극성 유기 태양전지
실시예에서 제조된 종형 유기 태양전지에서 게이트 전극을 단락시켜, 유기 태양전지가 2극성 기준 소자(reference device)로 동작하도록 하였다.
실시예와 비교예의 유기 태양전지 특성을 다음의 방법으로 비교하였다. 실시예 및 비교예의 유기 태양전지 소자 각각에 대하여, 양극(또는 소스)과 음극(또는 드레인) 사이의 전압(VSD)에 따른 광전 변환 전류의 변화를 측정하여, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 또한, 실시예 및 비교예 소자의 특성을 정리하여, 표 1에 나타내었다. 이때 사용한 광원은 AM 1.5G의 표준 광원을 사용하였다.
Sample 단락전류 ISC (mA/cm2) 개방전압VOC (volt) 효율증감
비교예 (Ref) 1.32 0.61 100 %
실시예 (VG=-100 V) 0.80 0.55 54 %
실시예 (VG=+100 V) 1.66 0.62 127 %
도 3 및 표 1로부터, 기존의 유기 태양전지 소자(비교예, Ref.)의 특성과 비교하여, 본 발명의 종형 유기 태양전지(실시예, 게이트 전극 전압 VG = +100 V)의 동작이 월등히 우수함을 알 수 있다. 구체적으로, 동일한 박막 구조를 가지지만, 기존(비교예) 소자로부터는 개방전압 VOC ~ 0.61 V, 단락전류 ISC ~ 1.32 mA/cm2 의 특성을 얻는데 반하여, 실시예 소자로부터 (VG = +100 V 경우) VOC ~ 0.62 V, ISC ~ 1.66 mA/cm2 의 증강된 소자 특성을 관찰할 수 있었다. 이는 기존 소자의 ISC에 대하여 본 발명의 소자가 27 % 정도 더욱 증가된 효과를 가짐을 의미한다. 또한, 이러한 실시예 소자의 시험 결과는 앞서 언급한 횡형(lateral type) 전계효과 트랜지스터(FET) 구조의 유기 태양전지의 시험 결과 (최대 ~ 0.2 μA at 60 VSD, 곡률인자 fill factor (FF) ~ 0.24, S. Cho et al, "Photovoltaic effects on the organic ambipolar field-effect transistor", Applied Physics Letters, vol 90, p63511, 2007)에 비하여 월등히 높은 광전류(최대 ~ 0.15 mA)와 증가된 곡률인자 FF (~0.42)들의 특성을 얻었다. 이러한 결과로부터, 본 발명의 종형 전계효과 태양전지 트랜지스터가 효율적인 소자임을 입증할 수 있었다. 또한, 이러한 효과는 전기전류의 흐름만을 통제하는 기존의 종형 트랜지스터에서는 얻을 수 없는, 고효율의 광전변환 효과를 얻을 수 있음을 입증할 수 있었다.
도 1a는 기존의 유기 태양전지의 구조를 보여주는 단면도.
도 1b는 태양전지의 동작 원리를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이아그램.
도 2는 본 발명의 종형 전계효과 유기 태양전지 트랜지스터 구조 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 종형 전계효과 유기 태양전지의 게이트 전압에 따른 광전변환 전류의 소스-드레인 전압 의존성 그래프.

Claims (7)

  1. 서로 대향 배치되며, 정공 및 전자를 각각 받아, 전류를 공급하는 양극 및 음극;
    상기 양극 및 음극 사이에 위치하며, 태양광을 받아 전자-정공쌍을 생성하고 정공 및 전자로 분리하여, 정공 및 전자를 상기 양극 및 음극으로 전달하는 광전변환층;
    상기 양극 및 음극으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 상대전극 외부 표면에 순차적으로 형성된 절연막 및 게이트 전극을 포함하며,
    상기 게이트 전극에는 상기 상대전극과 상대전극 주변의 광전변환층 사이의 에너지 준위를 조절하기 위한 전위가 인가되어, 광전변환의 효율을 증대하는 역할이 수행되며, 상기 절연막은 상기 게이트 전극과 양극 또는 음극 사이의 전류의 흐름은 절연하여 통제하나, 상기 게이트 전극의 전위는 상기 상대전극과 상대전극 주변의 광전변환층으로 전달되도록 하는 것인 종형 전계효과 태양전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연막 및 게이트 전극과 인접한 양극 또는 음극은, 다공성 그물막 조직의 박막으로 형성되며, 그 두께는 200 nm 이하인 것인, 종형 전계효과 태양전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 게이트 전극 및 절연막이 상기 양극 외부 표면에 형성 되고, 상기 게이트 전극, 절연막 및 양극은, 가시광 투과도가 50 % 이상인 재료로 이루어진 것인, 종형 전계효과 태양전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광전변환층은 정공수용체 및 전자 수용체가 혼합된 것을 특징으로 하는 종형 전계효과 태양전지.
  5. 기판 상부에, 상대전극과 상대전극 주변의 광전변환층 사이의 에너지 준위를 조절하기 위한 전위가 인가되어, 광전변환의 효율을 증대하는 역할을 수행하는 게이트 전극을 준비하는 단계;
    상기 게이트 전극 위에, 전류의 흐름은 절연하여 통제하나, 상기 게이트 전극의 전위는 상기 상대전극과 상대전극 주변의 광전변환층으로 전달되도록 하는 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막 위에 상대전극으로 양극 또는 음극을 형성하고, 상기 양극 또는 음극 상에 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층을 형성하는 단계; 및
    상기 광전변환층 상에 음극 또는 양극을 형성하는 단계를 포함하는 종형 전계효과 태양전지의 제조방법.
  6. 기판 상부에 양극 또는 음극을 형성하는 단계;
    상기 양극 또는 음극 상에, 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층을 형성하는 단계;
    상기 광전변환층 상에 상대전극으로 음극 또는 양극을 형성하는 단계;
    상기 상대전극 상부에, 전류의 흐름은 절연하여 통제하나, 게이트 전극의 전위는 상기 상대전극과 상대전극 주변의 광전변환층으로 전달되도록 하는 절연막을 형성하는 단계; 및
    상기 절연막의 상부에, 상기 상대전극과 상대전극 주변의 광전변환층 사이의 에너지 준위를 조절하기 위한 전위가 인가되어, 광전변환의 효율을 증대하는 역할을 수행하는 상기 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함하는 종형 전계효과 태양전지의 제조방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 절연막 및 게이트 전극과 인접한 상대전극 은, 다공성 그물막 조직의 박막으로 형성되며, 그 두께는 200 nm 이하인 것인, 종형 전계효과 태양전지의 제조방법.
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