KR101003108B1 - 유기 광기전력장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광활성층과 전자수용층으로 이루어진 광전변환층의 전자수용층 코팅 공정시의 패턴 붕괴를 방지할 수 있는 유기 광기전력장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 유기 광기전력장치는, 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 상에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층 상에 나노 패턴을 갖도록 형성된 광활성층과, 상기 광활성층 상에 상기 광활성층 보호를 위해 형성된 보호층과, 상기 보호층 상에 형성된 전자수용층과, 상기 전자수용층 상에 형성된 제 2 전극을 포함한다.

P3HT, PCBM, 패턴 붕괴, 상분리, 광기전력

Description

유기 광기전력장치 및 그 제조 방법{ORGANIC PHOTOVOLTAIC DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 광기전력장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광활성층과 전자수용층으로 이루어진 광전변환층의 전자수용층 코팅 공정시의 패턴 붕괴를 방지할 수 있는 유기 광기전력장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

광기전력 장치(photovoltaic device)란, 빛이 조사되었을 때 전자와 정공을 발생시키는 광-흡수 물질을 사용하여 직접적으로 전기를 생산하는 소자를 의미한다.

종래의 광기전력 장치는 주로 무기물을 이용한 것으로, 단결정, 다결정 혹은 비정질 실리콘 반도체를 이용하거나, 갈륨 아세나이드(gallium arsenide), 카드늄텔루라이드와 같은 화합물 반도체를 이용한다. 특히 결정 실리콘 계열은 에너지 전환 효율이 비정질 실리콘 계열에 비하여 우수하지만 결정을 성장시키기 위하여 요구되는 시간과 에너지로 인하여 생산성이 떨어진다.

한편, 비정질 실리콘 계열의 경우 결정 실리콘과 비교하여 광흡수성이 좋고 대면적화가 용이하고 생산성이 좋지만 진공 프로세서가 요구되는 등 설비 면에서 비효율적이다.

특히, 무기계 태양 전지 소자의 경우, 제작비용이 높고 소자가 진공 상태에서 제작되기 때문에 가공 및 성형이 어려운문제점이 있다.

이와 같은 문제점으로 실리콘을 대신하여 유기물질의 광기전 현상을 이용한 유기 광기전력 장치에 대한 연구가 시도된 바 있다. 유기물 광기전 현상이란 유기물질에 빛을 조사하면 광자(photon)를 흡수하여 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 생성되어 이를 분리하여 각각 음극 및 양극으로 전달하고 이와 같은 전하의 흐름에 의하여 전류를 발생시키는 현상이다.

통상적으로 유기 광기전력 장치에 있어서는 전자공여체(electron donor)와 전자수용체(electron acceptor) 물질의 접합구조로 이루어진 유기물질에 빛을 조사하였을 때 electron donor에서 전자-정공쌍이 형성되고 electron acceptor로 전자가 이동함으로써 전자-정공의 분리가 이루어진다. 이와 같은 과정을 통상 "빛에 의한 전하 캐리어(charge carrier)의 여기"또는"광여기 전하 이동현상(photoinduced chargetransfer, PICT)"라고 하는데, 빛에 의하여 생성된 캐리어들은 전자-정공으로 분리되고 외부 회로를 통하여 전력을 생산하게 된다.

이와 같이 상대적으로 저렴한 유기물질을 이용한 광기전력 장치 중에서 최근에는 벌크 이종접합 유기 광기전력장치는 얇고 가벼우며 구부릴 수 있다는 장점 때문에 많은 관심의 대상이 되고 있다.

예를 들어, 미국특허공개 제2006-0011233호에서는 전자공여체로서 폴리-3-헥시티오펜(P3HT)과, 전자수용체로서[6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르(PCMB)를 사 용하여 스핀코팅의 방법으로 형성한 광전변환층이 도입된 유기 광기전력장치를 개시하고 있다.

또한, 이러한 P3HT 및 PCMB을 이용한 광기전력 장치가 국내등록특허 제10-0785954호에 "에너지 변환 효율이 개선된 유기 광기전력 장치 및 이의 제조방법"이라는 제목으로 개시된 바 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 고분자 태양전지는, 기판(110), 제 1 전극(120), 버퍼층(130), 광전변환층(140), 제 2 전극(150)이 적층된 구조를 갖는다.

여기서, 제 1 전극(120)은 애노드 역할을 하고, 제 2 전극(150)은 캐소드 역할을 한다.

광전변환층(140)은 전도성 고분자로서의 폴리티오펜 유도체인 P3HT와 전자수용체인 PCBM이 배합된 것이다.

그런데, 종래의 기술은 전도성 고분자로서의 폴리티오펜 유도체인 P3HT와 전자수용체인 PCBM을 한꺼번에 혼합해서 코팅하는 방법이 이용되는데 이는 균일한 혼합이 어려운 단점이 있다.

즉, 전자공여체인 P3HT에서 생성된 전자는 일정거리 이상 이동하게 되면 소멸되는 특성이 있는데 그 거리를 Exciton diffusion length라 한다.

보통 전자는 이동 거리가 20nm 이상에서 소멸이 잘되기 때문에 상분리시 그레인 사이즈를 작게 할수록 전자가 소멸되지 않고 모두 전자수용체에 전달시킬 수 있다.

따라서, 그레인 사이즈를 작게 하는 것이 효율을 높이는데 유리한 관건이 된 다.

P3HT와 PCBM은 서로 다른 화학적 성질로 인하여 상분리 되는데 상분리 특성이 무질서하기 때문에 상분리시 그레인(grain) 사이즈가 나노미터 스케일에서 마이크로 스케일까지 다양하게 나타난다.

그런데 혼합방식에는(bulk heterojunction 방식)에서는 그 상분리시의 그레인 사이즈가 커서 일부 전자가 이동하면서 소멸되고 일부만 전달되어 효율이 낮다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하고자 P3HT와 PCBM 물질을 혼합하는 방식을 대신하여 전자공여체(P3HT)와 전자수용체(PCBM)의 둘중에 하나를 먼저 작은 영역으로 패터닝하고 그 다음에 다른 물질을 그 위에 코팅하는 방법을 이용하고 있다.

이 방법에 따르면, 두 물질이 교대로 배열되는 크기를 조절할 수 있으며, 또한 나노미터 크기로 조절이 가능하여 효율이 높은 고효율 태양전지 제작에 유리한 장점이 있다.

그런데 이 방식을 이용하려면 패터닝된 첫 번째 층이 두 번째 층을 코팅할 때 손상되지 않아야 되는데, 현재 많이 사용되는 P3HT와 PCBM 조합은 이에 적합하지 않다는 문제점이 있다.

즉, P3HT와 PCBM은 클로로벤젠류(CLOROBENZENE) 용매에서 동일하게 서로 잘 녹이는 성질이 있는데, 첫 번째 패터닝된 P3HT의 손상이 불가피하여 패턴이 붕괴되면서 결국 광전변환 효율이 떨어지는 단점이 있다.

이러한 단점을 해결하기 위하여 기존에는 P3HT 대신 TPDTD와 같은 다른 폴리 머를 이용함으로써 P3TH를 사용하는 공정의 근본적인 문제는 해결하지 못하였다.

상기 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 광활성층과 전자수용층으로 이루어진 광전변환층의 구조에서 광활성층 상에 솔벤트에 대한 광활성층 손상을 방지하기 위한 보호층을 더 형성한 후 전자수용층을 형성함으로써, 전자수용층 코팅 공정시의 패턴 붕괴를 방지할 수 있도록 하는 유기 광기전력장치 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 유기 광기전력장치는, 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 상에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층 상에 나노 패턴을 갖도록 형성된 광활성층과, 상기 광활성층 상에 상기 광활성층 보호를 위해 형성된 보호층과, 상기 보호층 상에 형성된 전자수용층과, 상기 전자수용층 상에 형성된 제 2 전극을 포함한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 유기 광기전력 제조 방법은, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 광전변환층이 형성된 유기 광기전력 장치의 제조 방법에 있어서, 제 1 전극 상에 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 버퍼층 상에 나노 패턴을 갖는 광활성층을 형성하는 단계와, 상기 광활성층 상에 상기 광활성층에 대한 보호층을 형성하는 단계와, 상기 보호층 상에 전자수용층을 형성하는 단계, 및 상기 전자수용층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명은 별도의 유기 용매의 개발없이 P3HT로 이루어지는 광활성층 표면에 용매 저항이 높은 보호층을 형성한 후 PCBM으로 이루어진 전자수용층을 형성함으로써, PCBM 코팅 공정시 P3HT의 패턴 붕괴를 방지함으로써 소자의 신뢰성을 높일 수 있는 이점이 있다.

도 2는 본 발명에 의한 유기 광기전력장치 단면도로서, 본 발명은 제 1 전극(10), 버퍼층(20), 광활성층(30), 보호층(40), 전자수용층(50) 및 제 2 전극(60)을 포함한다.

제 1 전극(10)은 애노드 기능을 하는 투명성 및 도전성 특성을 가지는 물질로서, 예컨대 ITO(indium-tin oxide), FTO(Fluorine doped tin oxide), ZnO-(Ga₂O₃ 또는 Al₂O₃), SnO₂-Sb₂O₃ 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 ITO로 이루어진다.

버퍼층(20)은 제 1 전극 상에 형성되어 정공이동도를 향상시킬 수 있도록 하는 것으로서, 폴리(스틸렌 설포네이트) (poly(styrene sulfonate))로 도핑된 폴리(3,4-ethylenedioxythiophene) [PEDOT:PSS] 또는 글리세롤이 포함된 G-PEDOT를 이용할 수 있다.

광활성층(30)은 버퍼층(20) 상에 나노 패턴을 갖도록 형성된 것으로서, 폴리-3-헥시티오펜(P3HT), 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)]} 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 폴리-3-헥시티오펜(P3HT)이 이용된다.

그리고, 보호층(40)은 보호층 이후 공정에서 사용되는 솔벤트 예를들어, 클로로벤젠류에 의해 광활성층(30)이 손상되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 실리콘, TiO₂, ZnO, GaN 등과 같은 세라믹 또는 Au, Ag, Pt, Pd 등의 금속, 또는 말단기가 ??CF₃, -CH₃, -NH₂, -COOH, -OH 인 자기조립 단분자막, 또는 솔벤트 저항성이 높은 불화 유기물과 같은 유기물로 이루어질 수 있다.

전자수용층(50)은 상대적으로 전자 포집능력이 좋은 특성을 가지는 물질로 이루어짐이 바람직하며, [6,6]-phenyl-C₇₁ butyric acid methyl ester (PC₇₀BM) 또는 C₆₀, CNT, TiO₂, ZnO 등 같은 무기물로 이루어질 수 으나, 바람직하게는 PCBM([6,6]-phenyl-C₆₁ butyric acid methyl ester)으로 이루어진다.

제 2 전극(60)은 전자수용층(50) 상에 형성되고, 캐소드 역할을 하는 것으로서 Al 등으로 이루어질 수 있다.

이하에서는, 이러한 본 발명의 유기 광기전력 장치의 제조 방법을 설명하도 록 한다.

우선, 도 3a을 참조하면 스핀 코팅 방식 또는 스퍼터링 방식으로 ITO 등의 물질로 이루어진 제 1 전극(10)을 형성한다.

이어서, 제 1 전극(10) 상에 스핀코팅 방식 등으로 정공이동도를 향상시키기 위한 버퍼층(20)을 형성한다.

그리고, 도 3b를 참조하면 버퍼층(20) 상에 나노임프린트 방식이나 자기조립법 또는 레이저나 전자빔을 이용한 패터닝 방식으로 나노 패턴을 갖는 광활성층(30)을 형성한다.

이때, 광활성층은 폴리-3-헥시티오펜(P3HT)로 형성함이 바람직하다.

그런 다음, 도 3c에 도시된 바와 같이 광활성층(30) 상에 후속 공정에서의 클로로벤젠류와 같은 솔벤트에 대한 광활성층 보호층 역할을 하는 보호층(40)을 형성한다.

이때, 보호층(40)은 진공 스퍼터링 또는 CVD 또는 ALD 방식 또는 자기조립방식 중 선택된 어느 하나의 방식으로 형성할 수 있다.

이어서, 도 3d에 도시된 바와 같이 보호층(40)의 상부에 PCBM과 같이 전자포집 능력이 좋은 전자수용층(50)을 스핀 코팅 방식 등으로 형성한다.

이후, 도 3e에 도시된 바와 같이 전자수용층(50) 상에 Al과 같은 금속 물질을 진공스퍼터링 방식 등으로 증착하여 제 2 전극(60)을 형성한다.

이러한 본 발명의 유기 광기전력장치의 제조 방법에 따르면, P3HT로 이루어지는 광활성층 상에 보호층을 형성한 다음 PCBM을 코팅함으로써, PCBM 형성에 이용 되는 솔벤트에 의해 P3HT가 손상되지 않도록 함으로써 후속 PCBM 코팅 공정시 P3HT로 이루어지는 광활성층의 패턴 붕괴를 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 유기 광기전력 장치 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 유기 광기전력장치 단면도.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 유기 광기전력장치 제조 방법을 나타낸 순차적인 공정도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : 제 1 전극

20 : 버퍼층

30 : 광활성층

40 : 보호층

50 : 전자수용층

60 : 제 2 전극

Claims (10)

1. 제 1 전극;

   상기 제 1 전극 상에 형성된 버퍼층;

   상기 버퍼층 상에 나노 패턴을 갖도록 형성된 광활성층;

   상기 광활성층 상에 상기 광활성층에 형성된 나노 패턴의 보호를 위해 형성된 보호층;

   상기 보호층 상에 형성된 전자수용층;

   상기 전자수용층 상에 형성된 제 2 전극을 포함하고,

   상기 보호층은 세라믹 또는 금속 또는 유기물 중 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 광기전력 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 광활성층은 P3HT로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 광기전력장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 전자수용층은 PCBM으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 광기전력장치.
4. 삭제
5. 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 광전변환층이 형성된 유기 광기전력 장치의 제조 방법에 있어서,

   제 1 전극 상에 버퍼층을 형성하는 단계와,

   상기 버퍼층 상에 나노 패턴을 갖는 광활성층을 형성하는 단계와,

   상기 광활성층 상에 상기 광활성층에 형성된 나노 패턴을 보호하는 보호층을 형성하는 단계와,

   상기 보호층 상에 전자수용층을 형성하는 단계, 및

   상기 전자수용층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,

   상기 보호층은 세라믹 또는 금속 또는 유기물 중 선택된 어느 하나로 형성함을 특징으로 하는 유기 광기전력장치 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 광활성층 나노 패턴은 나노임프린트 방식 또는 자기조립방식 또는 레이저나 전자빔 패터닝 방식 중 선택된 어느 하나의 방법으로 형성함을 특징으로 하는 유기 광기전력장치 제조 방법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 광활성층은 P3HT로 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 광기전력장치 제조 방법.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 전자수용층은 PCBM으로 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 광기전력장치 제조 방법.
9. 삭제
10. 제 5항에 있어서,

    상기 보호층은 진공 스퍼터링 또는 CVD 또는 ALD 방식 또는 자기조립방식 중 선택된 어느 하나의 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 광기전력장치 제조 방법.

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