KR101012203B1 - 적층형 병렬 유기태양전지 - Google Patents
적층형 병렬 유기태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
적층형 병렬 유기태양전지를 제공한다. 상기 적층형 병렬 유기태양전지는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치한 제1 광활성층, 상기 제1 광활성층 상에 위치한 전도성 고분자 전극, 상기 전도성 고분자 전극 상에 위치한 제2 광활성층, 상기 제2 광활성층 상에 위치한 제2 전극 및 상기 제2 전극에서 상기 제1 전극 방향으로 배향되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 연결하는 접속부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 광전류 증가에 의해 전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 용액공정이 가능한 전도성 고분자로 중간전극을 형성하고, 소자 자체적으로 병렬 구조를 갖도록 함으로써 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 유기태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각 단위 소자들을 적층하고 이를 병렬 연결함으로써 에너지 변환 효율을 개선한 유기태양전지에 관한 것이다.
최근 환경 문제와 고유가 문제에 직면하여 청정 대체에너지 개발에 대한 관심이 높아지면서 태양전지 개발에도 많은 연구가 이루어지고 있다. 이 중 유기태양전지는 광활성층으로 사용되는 유기 분자의 흡광계수가 높아 얇은 소자로 제작이 가능하고, 간편한 제법과 낮은 설비 비용으로 제조할 수 있으며, 고분자의 특성상 굽힘성 및 가공성 등이 좋아 다양한 분야에 응용할 수 있는 여러 장점이 있다. 다만, 전하 트랩 밀도가 커서 전하의 수명과 이동도가 낮고 확산길이도 짧기 때문에 광수집 효율이 좋지 않아 에너지 변환 효율이 낮은 문제가 있다.
에너지 변환 효율은 태양전지의 성능과 단가를 결정짓는 중요한 요소이기 때문에 다양한 각도에서 태양전지의 효율 향상을 위한 많은 기술이 개발되고 있다. 높은 에너지 변환 효율을 가지는 태양전지를 구현하는 방법 중 하나는 광활성층을 가지는 단일 소자를 두 개 혹은 그 이상으로 병렬 연결하여 개방 전압은 그대로 유 지하면서, 광전류를 증가시키는 것이다.
현재까지 단일 소자를 병렬로 연결한 태양전지에 대한 보고로는 A. Hadipour et al.[J. Appl. Phys. 102, 074506]과 V. Shrotriya et al.[Appl. Phys. Lett 88, 064104]의 연구가 대표적이다. 그러나 이들의 경우 각 단위 소자에 금속전극을 형성하기 위하여 여러 번의 고진공 증착 공정이 요구되며, 외부 전선을 통해 각 전극을 병렬로 연결해야 하는 별도의 공정이 요구되었다. 이 경우, 소자의 광전류 향상을 기대할 수는 있으나, 소자의 제조 공정이 복잡해지고 제조 시간도 오래 걸리므로 결과적으로 소자의 제조 단가가 높아지는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 광전류 발생 효율을 향상시키는 한편, 제조 공정이 단순화된 적층형 병렬 유기태양전지를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 적층형 병렬 유기태양전지를 제공한다. 상기 적층형 병렬 유기태양전지는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치한 제1 광활성층, 상기 제1 광활성층 상에 위치한 전도성 고분자 전극, 상기 전도성 고분자 전극 상에 위치한 제2 광활성층, 상기 제2 광활성층 상에 위치한 제2 전극 및 상기 제2 전극에서 상기 제1 전극 방향으로 배향되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 연결하는 접속부를 포함한다.
상기 제1 전극, 상기 제2 전극은 캐소드이고, 상기 전도성 고분자 전극은 애노드일 수 있다.
한편 이와는 반대로, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극은 애노드이고, 상기 전도성 고분자 전극은 캐소드일 수 있다.
상기 전도성 고분자 전극의 고분자 물질은 폴리에틸렌다이옥시티오펜, 폴리에틸렌다이옥시티오펜 폴리스티렌설포네이트, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리아닐린 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 접속부는 상기 제2 전극을 이루는 물질과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 적층형 병렬 유기태양전지는 상기 제1 전극과 상기 제1 광활성층 사이에 위치한 n-형 버퍼층 및 상기 제2 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치한 n-형 버퍼층 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
한편 이와는 반대로, 상기 적층형 병렬 유기태양전지는 상기 제1 광활성층과 상기 전도성 고분자 전극 사이에 위치한 n-형 버퍼층 및 상기 전도성 고분자 전극과 상기 제2 광활성층 사이에 위치한 n-형 버퍼층 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 n-형 버퍼층은 n-형 금속 산화물일 수 있으며, 일 예로 TiOx, ZnO 또는 Cs2CO3일 수 있다.
또한, 상기 적층형 병렬 유기태양전지는 상기 제1 광활성층과 상기 전도성 고분자 전극 사이에 위치한 p-형 버퍼층 및 상기 전도성 고분자 전극과 상기 제2 광활성층 사이에 위치한 p-형 버퍼층 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
한편 이와는 반대로, 상기 적층형 병렬 유기태양전지는 상기 제1 전극과 상기 제1 광활성층 사이에 위치한 p-형 버퍼층 및 상기 제2 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치한 p-형 버퍼층 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 p-형 버퍼층은 상기 전도성 고분자 전극의 고분자 물질과 극성용매의 혼합물의 경화물 또는 p-형 금속 산화물일 수 있다.
상기 p-형 금속 산화물은 MoO3 또는 V2O5일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 광전류 증가에 의해 유기태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 용액공정이 가능한 전도성 고분자로 중간전극을 형성하고, 소자 자체적으로 병렬 구조를 갖도록 함으로써 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동 일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 병렬 유기태양전지를 나타낸 사시도 및 일부 단면도이다. 도 2에 도시된 일부 단면은 도 1의 절단선 I-I’를 따라 취해진 단면에 대응한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유기태양전지는 광투과 기판(100) 상에 차례로 적층된 제1 전극(110), 제1 광활성층(120), 전도성 고분자 전극(130), 제2 광활성층(140) 및 제2 전극(150)을 포함하며, 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(150)을 전기적으로 연결하는 접속부(160)를 포함한다.
상기 광투과 기판(100)은 유리 기판 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리이마이드(polyimide) 등과 같이 광투과율이 높은 광투과 수지 기판일 수 있다.
상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(150) 중 적어도 어느 하나는 광투과성 전극이며, 상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(150)은 낮은 저항성을 갖는 전도성 물질로 이루어짐이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제1 전극(110)은 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluoride-doped Tin Oxide), ZnO(Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 또는 AZO(Al-doped Zinc Oxide) 등의 금속 산화물계 투명 전극일 수 있다. 상기 제2 전극(150)은 상기 금속 산화물계 투명 전극, 또는 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 탄소(C), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 전도성 고분자 등과 이들의 조합물로 이루어진 전극일 수 있다. 상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(150)은 상기 전도성 고분자 전극(130)의 HOMO 에너지에 비해 작은 일함수를 갖는 물질을 선택함으로써 캐소드(cathode)로 형성할 수 있다.
상기 제1 광활성층(120) 및 상기 제2 광활성층(140)은 전자 주개(electron donor, D) 물질과 전자 받개(electron acceptor, A) 물질로 이루어지며, 빛을 받아 전자 주개 물질에서 생성된 엑시톤(exciton)을 전자와 정공으로 분리시켜 전류를 만들어내는 광전변환층으로서의 역할을 수행한다. 여기서, 상기 제1 광활성층(120) 및 상기 제2 광활성층(140)의 전자 주개 물질은 서로에 관계없이, 고분자 유기반도체 화합물 또는 저분자 유기반도체 화합물에서 적절하게 선택될 수 있다. 특히, 상기 제1 광활성층(120)과 제2 광활성층(140)을 광흡수 범위가 서로 다른 물질을 사용하여 제조하는 경우 전체 소자의 광흡수 대역을 넓혀 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 고분자 유기반도체 화합물은 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), 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)]), PCDTBT(poly[N-9″-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PFDTBT(poly(2,7-(9-(2'-ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole))), MEH-PPV(poly-[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) 또는 MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) 등 일 수 있다. 상기 저분자 유기반도체 화합물은 CuPc(copper phthalocyanine), ZnPc(zinc phthalocyanine), PtOEP((2,3,7,8,12,13,17,18-octaethyl-21H,23H-porphyrin)platinum(Ⅱ)) 등 일 수 있다. 그러나 상기 유기 반도체 화합물이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 광활성층(120) 및 상기 제2 광활성층(140)의 전자 받개 물질로는 플러렌(fullerene, C60) 또는 플러렌이 유기 용매에 잘 녹도록 설계된 PCBM((6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 또는 PC70BM((6,6)-phenyl-C70-butyric acid methyl ester) 등이 사용될 수 있으며, 그 외 단분자로 페릴렌(perylene), PBI(polybenzimidazole) 및 PTCBI(3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic bis-benzimidazole) 등이 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전도성 고분자 전극(130)은 투명하고 전기전도성이 있는 전극으로서, 상기 제1 광활성층(120) 및 상기 제2 광활성층(140)에서 생성된 정공을 수집하는 애노드(anode)의 역할을 수행할 수 있다. 상기 전도성 고분자 전극(130)의 소재는 폴리에틸렌다이옥시티오펜(polyethylenedioxythiophene; PEDOT), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린(polyaniline) 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌다이옥시티오펜 폴리스티렌설포네이트(polyethylenedioxythiophene polystyrenesulfonate; PEDOT:PSS)를 포함할 수 있다. 그러나 상기 물질로 한정되는 것은 아니며, 투명하고 전기전도성이 있는 고분자 물질이라면 모두 사용 가능하다. 또한 상기 전도성 고분자 전극(130)의 특성 개선을 위하여 상기 열거한 고분자 물질에 첨가제를 도입할 수 있다. 예를 들어, PEDOT:PSS를 사용하여 전도성 고분자 전극(130)을 형성하는 경우 극성 비양성자성 용매, 일 예로 다이메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO)를 첨가제로서 도입하여 전도도를 향상시킬 수 있다.
상기 전도성 고분자 전극(130)은 캐스팅(casting), 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spray coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스크린 프린팅(screen printing) 또는 닥터블레이드(doctor blade) 등의 용액공정을 통해 형성할 수 있다.
상기 접속부(160)는 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(150)을 전기적으로 연결하는 부분으로서, 상기 제1 전극(110)에서 상기 제2 전극(150) 방향으로 배향된 구조를 갖는다.
상기 접속부(160)의 형성은, 일 예로 다음과 같은 방법에 의해 수행될 수 있다. 상기 제1 전극(110) 상에 상기 제1 광활성층(120), 상기 전도성 고분자 전극(130) 및 상기 제2 광활성층(140)(후술하는 버퍼층을 포함하는 경우에도 마찬가지이다)을 형성하는 과정에서 상기 제1 전극(110) 상부의 일부가 노출되도록 적층한다. 다음, 상기 제2 광활성층(140) 상에 제2 전극(150)을 형성하는 과정에서 상기 제2 전극(150)을 이루는 물질이 상기 제1 전극(110) 상부의 노출된 부분에도 증착 내지 도포되도록 한다. 이 경우, 상기 제1 전극(110) 상부의 노출된 부분에 상기 제2 전극(150)을 이루는 물질이 충분한 높이(두께)로 형성되도록 하고, 상기 제1 전극(110)과 나란하게 형성되는 제2 전극(150)의 일단과 연결되도록 한다. 이로 써, 제 2 전극(150)을 이루는 물질과 동일한 물질로 이루어지는 접속부(160)를 형성할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2 광활성층(140)을 형성하는 과정에서 상기 제2 광활성층(140)을 이루는 물질로 상기 전도성 고분자 전극(130)의 측면을 덮도록 도포하여 전도성 고분자 전극(130)의 측면과 접속부(160) 사이에 소정의 두께로 막(142)을 형성할 수 있다(다만, 상기 도 1 및 하기 도 3에서는 이러한 막(142) 부분을 별도로 도시하지는 않았다). 이로써 상기 접속부(160)가 상기 전도성 고분자 전극(130)의 측면과 직접 접촉되어 발생할 수 있는 단락(short)을 방지할 수 있다. 이에 더하여, 제2 광활성층(140)과 제2 전극(150) 사이에 후술하는 버퍼층이 도입되는 경우, 위와 같은 방법에 의해, 전도성 고분자 전극(130)의 측면과 접속부(160) 사이에 버퍼층을 이루는 물질에 의한 막을 형성할 수도 있다. 따라서, 단락의 우려는 소자의 제조과정에서 자연스럽게 해소될 수 있다.
이처럼, 상기 접속부(160)는 상기 제2 전극의 형성과 동시에 형성될 수 있으며, 상기 접속부(160)의 형성에 의해 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(150)은 전기적으로 연결되므로 외부에서 따로 도선을 연결할 필요 없이 소자 자체로 병렬 구조를 이룰 수 있다.
또한, 본 발명의 적층형 병렬 유기태양전지는 상기 각 전극들(110, 130, 150)과 광활성층들(120, 140) 사이에 다양한 버퍼층을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 전지의 효율 및 재료적인 측면 등을 고려하여 그 목적에 따라 하기에서 설명 하는 바와 같이 적절히 취사 선택될 수 있다.
상기 제1 전극(110)과 상기 제1 광활성층(120) 사이에 위치한 n-형 버퍼층(115) 및 상기 제2 광활성층(140)과 상기 제2 전극(150) 사이에 위치한 n-형 버퍼층(145) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 n-형 버퍼층(115, 145)은 인접한 광활성층에서 생성된 전자가 인접한 전극으로 용이하게 전달되도록 하는 전자전달층(electron transfer layer, ETL)의 역할을 하는 층을 의미한다. 또한 상기 n-형 버퍼층(115, 145)은 인접한 광활성층에서 생성된 정공이 인접한 전극으로 주입되는 것을 방지하는 정공차단층(hole blocking layer, HBL)의 역할을 수행할 수도 있다. 상기 n-형 버퍼층(115, 145)은 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)(aluminium tris(8-hydroxyquinoline), Alq3), 리튬플로라이드(LiF), 리튬착체(8-hydroxy-quinolinato lithium, Liq), 고분자 물질 또는 n-형 금속 산화물 등과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 n-형 금속 산화물은 일 예로, TiOx, ZnO 또는 Cs2CO3 일 수 있다. 다만, 상기 n-형 버퍼층을 이루는 물질들이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 광활성층(120)과 상기 전도성 고분자 전극(130) 사이에 위치한 p-형 버퍼층(125) 및 상기 전도성 고분자 전극(130)과 상기 제2 광활성층(140) 사이에 위치한 p-형 버퍼층(135) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 p-형 버퍼층(125, 135)은 인접한 광활성층에서 생성된 정공이 인접한 전도성 고분자 전극(130)으로 용이하게 전달되도록 하는 정공전달층(hole transfer layer, HTL)의 역할을 하는 층을 의미한다. 상기 p-형 버퍼층(125, 135)은 일 예로, MTDATA, TDATA, NPB, PEDOT:PSS, TPD 또는 p-형 금속 산화물 등과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 p-형 금속 산화물은 일 예로, MoO3 또는 V2O5일 수 있다. 다만, 상기 p-형 버퍼층을 이루는 물질들이 이에 한정되는 것은 아니다
또한, 상기 버퍼층들은 앞서 설명한 바와 같이 전하의 분리 내지 이동을 촉진시키는 역할 이외에 소자 내에서 인접한 층의 계면 특성을 개선시키는 역할도 수행할 수 있다. 예를 들어, 소수성 물질로 이루어진 제1 광활성층(120) 상에 친수성 물질로 이루어진 전도성 고분자 전극(130)을 형성하고자 하는 경우 각 물질의 서로 다른 성질에 의해 전도성 고분자 전극(130)을 균일한 막 형태로 얻기가 매우 어렵다. 이 경우, 제1 광활성층(120) 상에 전도성 고분자 전극(130)의 고분자 물질과 극성용매의 혼합물의 경화물을 p-형 버퍼층으로 도입한다면, 상기 p-형 버퍼층 상에 상기 전도성 고분자 전극(130)을 균일한 막 형태로 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예는 상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(150)을 애노드로 하고, 상기 전도성 고분자 전극(130)을 캐소드로 하는 적층형 병렬 유기태양전지일 수 있다. 이 경우, 전도성 고분자 전극(130)은 n-도핑과 같은 적절한 화학적 처리를 통해 전도성 고분자 전극(130)의 에너지 준위 특히, LUMO 준위를 조절함으로써 캐소드로서의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 효율적인 전하의 전달 및 재료적인 특성을 고려하여 상술한 버퍼층을 도입할 수 있다. 이 경우, 상기 버퍼층 은 제1 전극(110)과 제1 광활성층(120) 사이에 위치한 p-형 버퍼층 및 제2 광활성층(140)과 제2 전극(150) 사이에 위치한 p-형 버퍼층 중 적어도 어느 하나일 수 있으며, 제1 광활성층(110)과 전도성 고분자 전극(130) 사이에 위치한 n-형 버퍼층 및 전도성 고분자 전극(130)과 제2 광활성층(140) 사이에 위치한 n-형 버퍼층 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 제조예 및 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 제조예 및 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
<제조예: 적층형 병렬 유기태양전지의 제조>
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 적층형 병렬 유기태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 유리 기판(100) 상에 순차적으로 제1 전극(110), n-형 버퍼층(115), 제1 광활성층(120), p-형 버퍼층(125) 및 전도성 고분자 전극(130)을 적층하여 하부 단위 소자(200)를 형성하였다. 다음, 상기 전도성 고분자 전극(130) 상에 제2 광활성층(140) 및 n-형 버퍼층(145) 및 제2 전극(150)을 순차 적층하여 상부 단위 소자(300)를 형성하였다. 또한, 상기 제2 전극(150)을 형성함과 동시에 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(150)을 연결하는 접속부(160)를 형성하였다.
구체적으로, 상기 제1 전극(110)은 ITO 전극이며, 상기 n-형 버퍼층(115, 145)은 TiOx를 사용하여 형성하였다. 상기 광활성층(120, 140)은 P3HT:PCBM을, 상기 p-형 버퍼층(125)은 PEDOT:PSS에 아이소프로필 알코올(IPA)을 첨가한 혼합물을 사용하여 형성하였으며, 상기 전도성 고분자 전극(130)은 PEDOT:PSS:DMSO(5%)를 사용하여 형성하였다. 마지막으로, 상기 제2 전극(150)과 상기 접속부(160)는 알루미늄(Al)을 사용하여 형성하였다.
도 4a 및 도 4b는 상기 제조예에 따라 제조된 적층형 병렬 유기태양전지의 개방전압 상태 및 단락 상태에서의 에너지 다이어그램이다. 다만, p-형 버퍼층(125)의 에너지 준위는 전도성 고분자 전극(130)의 에너지 준위와 동일하므로 생략하였다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 높은 일함수를 갖는 PEDOT:PSS:DMSO를 사용하여 형성된 전도성 고분자 전극(130)이 중간전극으로 삽입되어 정공을 수집하고, 상대적으로 낮은 일함수를 갖는 제1 전극(ITO 전극, 110) 및 제2 전극(Al전극, 150)이 전자를 수집하는 역할을 수행함을 알 수 있다. 또한, 소자 내부에 TiOx 버퍼층(115, 145)을 도입함으로써 소자의 정류특성이 향상될 수 있으며, 특히 제1 전극(ITO 전극, 110) 상에 형성된 TiOx 버퍼층(115)은 하부 단위 소자(200)에 높은 개방 전압을 형성시켜 주는 역할을 수행함을 알 수 있다.
<실험예: 적층형 병렬 유기태양전지의 효율 측정>
상기 제조예에 따라 제조된 적층형 병렬 유기태양전지를 AM(air mass) 1.5G 조건에서 100mw/cm2 세기의 빛을 조사하여 효율을 측정하였다.
도 5는 상기 실험예에 따라 측정된 적층형 병렬 유기태양전지의 전류-전압 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 적층형 병렬 유기태양전지를 구성하는 하부 단위 소자와 상부 단위 소자 각각의 단락 전류를 합한 값은 전체 소자의 단락 전류와 비슷함을 알 수 있다. 또한, 두 단위 소자 각각의 개방 전압은 전체 소자의 개방 전압과 같음을 알 수 있다. 이는 병렬 연결된 회로에서 각 저항에 걸리는 전압은 같고, 전체 전류는 각 저항에 흐르는 전류의 합과 같은 현상과 일치한다. 따라서, 본 발명에 따른 적층형 유기태양전지는 병렬 연결된 구조를 가짐을 확인할 수 있다.
표 1은 상기 실험예에 따라 측정된 적층형 병렬 유기태양전지의 개방 전압(Voc), 단락 전류(Jsc), 필펙터(FF) 및 에너지 변환 효율(PCE)을 정리한 것이다.
[표 1]
| Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF | PCE(%) | |
| 하부 단위 소자 | 0.46 | 2.66 | 0.31 | 0.37 |
| 상부 단위 소자 | 0.47 | 5.04 | 0.28 | 0.67 |
| 전체 소자 | 0.47 | 7.25 | 0.32 | 1.11 |
표 1을 참조하면, 각 단위 소자에 비해 병렬 구조를 갖는 전체 소자의 에너지 변환 효율(PCE)이 향상됨을 확인할 수 있다. 이는 각 광활성층에서 생성된 전자가 ITO 전극과 Al 전극으로 수집되어 접속부에서 합쳐지고, 정공은 전도성 고분자 전극에서 합쳐져 외부로 나오게 되므로 더 많은 광전류를 생성할 수 있기 때문이다.
다만, 본 실시예에서는 하부 단위 소자와 상부 단위 소자에 동일한 광활성층을 도입하였으나, 서로 다른 광흡수 범위를 갖는 물질로 광활성층을 형성하는 경우 전체 소자의 광흡수 대역을 넓힐 수 있다. 또한, 소자의 각 층을 형성하는 물질들의 에너지 준위와 일함수의 조절 및 적절한 버퍼층의 도입에 의해 소자의 효율을 더욱 개선시킬 수 있을 것이다.
상기 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 각 단위 소자를 적층하고 이를 병렬 연결함으로써, 광전류 증가에 의한 에너지 변환 효율 향상을 도모할 수 있다. 이 경우, 전지의 병렬 연결은 별도의 외부 도선을 사용하지 않고 소자 자체의 구조로써 형성할 수 있다. 또한, 용액공정이 가능한 전도성 고분자를 사용하여 중간전극을 형성함으로써 제조 공정의 단순화 및 제조 비용 절감의 효과를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 병렬 유기태양전지를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 병렬 유기태양전지를 나타낸 일부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 적층형 병렬 유기태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 제조예에 따라 제조된 적층형 병렬 유기태양전지의 개방전압 상태 및 단락 상태에서의 에너지 다이어그램이다.
도 5는 실험예에 따라 측정된 적층형 병렬 유기태양전지의 전류-전압 곡선을 나타낸 그래프이다.
Claims (13)
- 제1 전극;상기 제1 전극 상에 위치한 제1 광활성층;상기 제1 광활성층 상에 위치한 전도성 고분자 전극;상기 전도성 고분자 전극 상에 위치한 제2 광활성층;상기 제2 광활성층 상에 위치한 제2 전극; 및상기 제1 전극에서 상기 제2 전극 방향으로 배향되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 연결하는 접속부를 포함하는 적층형 병렬 유기태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극, 상기 제2 전극은 캐소드이고, 상기 전도성 고분자 전극은 애노드인 적층형 병렬 유기태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극, 상기 제2 전극은 애노드이고, 상기 전도성 고분자 전극은 캐소드인 적층형 병렬 유기태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 전도성 고분자 전극의 고분자 물질은 폴리에틸렌다이옥시티오펜, 폴리 에틸렌다이옥시티오펜 폴리스티렌설포네이트, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜 및 폴리아닐린 중 어느 하나를 포함하는 적층형 병렬 유기태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 접속부는 상기 제2 전극을 이루는 물질과 동일한 물질로 이루어지는 것인 적층형 병렬 유기태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극과 상기 제1 광활성층 사이에 위치한 n-형 버퍼층 및 상기 제2 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치한 n-형 버퍼층 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 적층형 병렬 유기태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 광활성층과 상기 전도성 고분자 전극 사이에 위치한 n-형 버퍼층 및 상기 전도성 고분자 전극과 상기 제2 광활성층 사이에 위치한 n-형 버퍼층 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 적층형 병렬 유기태양전지.
- 제6항 또는 제7항에 있어서,상기 n-형 버퍼층은 n-형 금속 산화물인 적층형 유기태양전지.
- 제8항에 있어서,상기 n-형 금속 산화물은 TiOx, ZnO 또는 Cs2CO3인 적층형 병렬 유기태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 광활성층과 상기 전도성 고분자 전극 사이에 위치한 p-형 버퍼층 및 상기 전도성 고분자 전극과 상기 제2 광활성층 사이에 위치한 p-형 버퍼층 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 적층형 병렬 유기태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극과 상기 제1 광활성층 사이에 위치한 p-형 버퍼층 및 상기 제2 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치한 p-형 버퍼층 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 적층형 병렬 유기태양전지.
- 제10항 또는 제11항에 있어서,상기 p-형 버퍼층은 상기 전도성 고분자 전극의 고분자 물질과 극성용매의 혼합물의 경화물 또는 p-형 금속 산화물인 적층형 병렬 유기태양전지.
- 제12항에 있어서,상기 p-형 금속 산화물은 MoO3 또는 V2O5인 적층형 병렬 유기태양전지.
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