KR101023020B1 - 인버티드 투명 유기 태양전지 및 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인버티드 투명 유기 태양전지 및 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 인버티드 투명 유기 태양전지는, 기판, 기판 상에 형성된 음극, 음극 상에 형성된 광활성층, 광활성층 상에 형성되고, 용액상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하여 형성된 양극을 포함한다.
본 발명에 따르면, 인버티드 구조를 가지는 유기 태양전지의 양극을 용액 상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하고 있기 때문에, 양극을 포함한 모든 레이어들을 용액공정을 통하여 형성할 수 있다.
인버티드, 유기 태양전지, 광활성층, 전도성 고분자 물질
Description
본 발명은 인버티드 투명 유기 태양전지 및 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
유기 태양전지(organic solar cell)는 일반적으로 기판, 유기 전극층, 전달층, 광활성층 및 금속 전극층으로 구성된다.
기판은 유리 또는 가요성 폴리머로 구성되며, 유기 전극층에는 도핑된 주석 산화물 또는 전도성 고분자가 사용된다. 또한, 전달층에는 정공의 전달을 돕는 PEDOT-PSS등의 유기물이 사용되며, 광활성층에는 전자 주게(donor)로 사용되는 유기물 반도체와 전자 받게(acceptor)로 사용되는 유기물 반도체가 사용된다. 마지막으로, 금속 전극층은 알루미늄(Al), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba) 등의 금속이 사용된다.
최근, 이와 같이 다층으로 구성되고, 고분자 유기 화합물뿐만 아니라 저분자 유기 화합물을 포함하는 유기 태양전지의 경우에, 용액공정(solution process)을 이용한 인쇄방법을 적용하려는 시도가 많아지고 있다. 이때, 용액공정으로는 잉크젯(ink jet) 인쇄, 롤투롤(roll to roll) 코팅, 스크린(screen) 인쇄, 스프레이(spray) 코팅, 딥(dip) 코팅 등이 있다.
그러나, 양극 및 음극은 여전히 진공에서 스퍼터링 공정 또는 증착 공정을 통해 제조되고 있다. 이때, 스퍼터링 공정 또는 증착 공정은 매우 비싼 공정장비를 필요할 뿐만 아니라, 고진공 기술을 요구한다. 이로 인하여 진공에서의 스퍼터링 공정 또는 증착 공정을 이용하여 유기 태양전지를 제조시, 높은 제조 코스트 때문에 생산효율이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 유기 태양전지 제조자는, 생산성 및 제조단가를 고려하여 진공 증착 공정의 횟수를 줄이려는 시도를 많이 해오고 있으나, 이로 인하여 유기 태양전지의 제품 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 인버티드 구조를 가지는 유기 태양전지의 양극을 용액 상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하는 것에 의하여, 양극을 포함한 모든 레이어들을 용액공정을 통하여 형성할 수 있는 인버티드 투명 유기 태양전지 및 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 종래의 유기 태양전지 제조시 사용되는 고진공 챔버에서의 스퍼터링 공정 또는 증착공정 대신 용액공정을 사용하여 제조하는 것에 의하여, 유기 태양전지 제조시간 및 제조코스트를 감소시킬 수 있는 인버티드 투명 유기 태양전지 및 인버티드 태양전지 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 유기 태양전지의 양극을 용액 상태인 전도성 고분자 물질로 얇게 코팅하는 것에 의하여, 투명하고 높은 효율을 가지는 인버티드 투명 유기 태양전지 및 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
청구항 1에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지는, 기판, 기판 상에 형성된 음극, 음극 상에 형성된 광활성층, 광활성층 상에 형성되고, 용액상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하여 투명하게 형성된 양극을 포함한다.
따라서, 청구항 1에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지에 의하면, 유 기 태양전지의 양극을 용액 상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하고 있기 때문에, 양극을 포함한 모든 레이어들을 용액공정을 통하여 형성할 수 있고, 따라서 유기 태양전지 제조시간 및 제조코스트를 감소시킬 수 있다.
청구항 2에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지는, 청구항 1에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지에 있어서, 음극은, 이온화된 금속 물질, 소정의 액체 속에서 콜로이드 상태인 금속 잉크 물질, 투명 금속 산화물 중 어느 하나로 구성된다.
따라서, 청구항 2에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지에 의하면, 이온화된 금속 물질, 소정의 액체 속에서 콜로이드 상태인 금속 잉크 물질로 음극을 형성하는 경우에는 용액공정이 가능하고, 투명 금속 산화물로 음극을 형성하는 경우에는 증착공정이 가능하다.
청구항 3에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지는, 청구항 2에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지에 있어서, 투명 금속 산화물은, ITO이다.
따라서, 청구항 3에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지에 의하면, 기존의 양극 형성시 사용되던 ITO를 이용하여 음극을 형성하고 있기 때문에, ITO를 이용하지 않은 종래의 음극의 경우보다 더욱더 투명해진다.
청구항 4에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지는, 청구항 1에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지에 있어서, 음극 및 광활성층 사이에 형성된 전자 주입층, 전자 주입층과 광활성층 사이에 형성된 전자 수송층, 전자 수송층과 광활성층 사이에 형성된 정공 차단층을 더 포함한다.
따라서, 청구항 4에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지에 의하면, 음극과 광활성층 사이에 전자 주입층, 전자 수송층 및 정공 차단층을 차례로 형성하고 있기 때문에, 광활성층에서 발생된 전자가 음극으로 이동하는 것을 도와주거나, 음극으로의 수분 침투를 막거나, 음극의 산화를 방지하거나, 정공의 침투를 효과적으로 차단할 수 있다.
청구항 5에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지는, 청구항 1에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지에 있어서, 광활성층과 양극사이에 형성된 정공 주입및수송층을 더 포함한다.
따라서, 청구항 5에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지에 의하면, 광활성층과 양극사이에 정공 주입및수송층을 형성하고 있기 때문에, 광활성층에서 발생된 정공의 이동을 효과적으로 도와주어, 인버티드 투명 유기 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
청구항 6에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지는, 청구항 1에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지에 있어서, 전도성 고분자 물질은, PEDOT:PSS에 DMSO, PC(polycarbonates), DMF(dimethyl formamide), HMPA(hexamethyl phosphorotriamide), THF(tetrahydrofuran), EG(ethylene glycol), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 중 어느 하나를 첨가한 물질, SWCNT(single-walled carbon nanotubes), MWCNT(multi-walled carbon nanotubes) 중 어느 하나를 첨가한 물질이다.
따라서, 청구항 6에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지에 의하면, DMSO, PC(polycarbonates), DMF(dimethyl formamide), HMPA(hexamethyl phosphorotriamide), THF(tetrahydrofuran), EG(ethylene glycol), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 중 어느 하나를 PEDOT:PSS에 첨가하여 사용하고 있기 때문에, 전기 전도도가 우수한 양극을 제작할 수 있다.
청구항 7에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지는, 기판, 기판 상에 형성된 음극, 음극 상에 형성된 광활성층, 광활성층 상에 형성되고, 용액상태인 SWCNT(single-walled carbon nanotubes), MWCNT(multi-walled carbon nanotubes) 중 어느 하나로 코팅하여 투명하게 형성된 양극을 포함한다.
따라서, 청구항 7에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지는, SWCNT(single-walled carbon nanotubes), MWCNT(multi-walled carbon nanotubes) 중 어느 하나를 용매에 분산시킨 용액을 이용하여 양극을 형성하고 있기 때문에, 양극을 포함한 모든 레이어들을 용액공정을 통하여 형성할 수 있고, 따라서 유기 태양전지 제조시간 및 제조코스트를 감소시킬 수 있다.
청구항 8에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법은, 기판상에 음극을 형성하는 음극 형성단계, 음극 상에 광활성층을 형성하는 광활성층 형성단계, 광활성층 상에 용액상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하여 투명한 양극을 형성하는 양극 형성단계를 포함하는 인버티드 투명 유기 태양전지의 제조방법이고, 전도성 고분자 물질은, PEODT:PSS에 DMSO, PC(polycarbonates), DMF(dimethyl formamide), HMPA(hexamethyl phosphorotriamide), THF(tetrahydrofuran), EG(ethylene glycol), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 중 어느 하나의 용액을 첨가한 물질이다.
따라서, 청구항 8에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법에 의하면, 유기 태양전지의 양극을 용액 상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하는 것에 의하여, 양극을 포함한 모든 레이어들을 용액공정을 통하여 형성할 수 있고, 따라서 유기 태양전지 제조시간 및 제조코스트를 감소시킬 수 있다. 또한, DMSO, PC(polycarbonates), DMF(dimethyl formamide), HMPA(hexamethyl phosphorotriamide), THF(tetrahydrofuran), EG(ethylene glycol), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 중 어느 하나를 PEDOT:PSS에 첨가하여 사용하고 있기 때문에, 전기 전도도가 우수한 양극을 제작할 수 있다.
청구항 9에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법은, 청구항 8에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법에 있어서, 양극 형성단계는, 용액 상태인 전도성 고분자 물질을 스프레이 코팅, 롤 투 롤 인쇄, 잉크젯 인쇄, 스프린 인쇄, 딥 코팅, 블레이드 코팅, 슬릿 코팅 중 어느 하나를 이용한다.
따라서, 청구항 9에 관한 발명인 인버티드 투명 유기 태양전지에 의하면, 양극을 용액 상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하고 있기 때문에, 양극을 용액공정을 통하여 형성할 수 있고, 유기 태양전지 제조시간 및 제조코스트를 감소시킬 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 인버티드 구조를 가지는 유기 태양전지의 양극을 용액 상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하고 있기 때문에, 양극을 포 함한 모든 레이어들을 용액공정을 통하여 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 종래의 유기 태양전지 제조시 사용되는 고진 공 챔버에서의 스퍼터링 공정 또는 증착공정 대신 용액공정을 사용하여 제조하고 있기 때문에, 유기 태양전지 제조시간 및 제조코스트를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 유기 태양전지의 양극을 용액 상태인 전도성 고분자 물질로 얇게 코팅하는 것에 의하여, 투명하고 높은 효율을 가지는 인버티드 투명 유기 태양전지를 제조할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외의 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 인버티드 투명 유기 태양전지를 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인버티드 투명 유기 태양전지는, 기판(10), 음극(20), 광활성층(30)을 포함하는 다수의 유기물층(25, 30, 35), 양극(40)으로 구성된다. 도 1은, 유기 태양전지가 기판(10), 음극(20) 및 양극(40)의 순서로 형성된 인버티드 구조로서, 음극(10) 및 양극(40)을 형성하기 위하여, 메탈 플레이크(flake) 혹은 파티클(particle)이 바인더(binder)와 혼합되어 있는 페이스트 및 점도가 낮은 메탈 잉크(ink)를 사용하였다. 그러나, 위와 같은 재료는 보통 내부에 금속 파티클 혹은 금속 박편(flake)가 침투하여 쇼트(short)현상을 일으키게 된다. 이 문제를 해결하기 위하여, 소자의 구조가 뒤집어진 형태인 인버티드(inverted)방식으로 유기 태양전지를 제작하여, 금속 파티클 및 박편을 사용하지 않는 양극(40)을 형성하고 있기 때문에, 쇼트(short)문제를 일으킬 수 없다.
기판(10)은, 유리(glass) 기판, PET(poly(ethylene terephthalate)), PEN(poly(ethylene naphthalate)), PP(polypropylene), PI(polyamide), TAC(tri acetyl cellulose), PES(polyethersulfone) 등을 포함하는 플라스틱중 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판, 알루미늄 포일(aluminum foil), 스테인리스 스틸 포일(stainless steel foil) 중 어느 하나를 포함하는 플렉서블(flexible) 기판 등이 이용될 수 있다. 여기서, 플라스틱 기판 또는 플렉서블 기판은 기판 상에 소정의 레이어들을 롤 투 롤 인쇄(roll to roll printing)를 이용하여 형성하는 경우에 이용된다.
음극(cathode, 20)은, 광활성층(30)으로부터 전자를 제공받는 전극으로서, 이온화된 금속 물질, 소정의 액체 속에서 콜로이드(colloid) 상태인 금속 잉크 물질, 투명 금속 산화물 중 어느 하나로 구성된다. 기존 음극(20)으로 사용되는 금속 물질은 산화가 잘되는 금속물질인, 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 리튬(Li), 세슘(Cs) 등이 사용되었다. 이때, 이 금속물질은 CVD(chemical vaporized deposition) 방법에 의하여 고진공 상태에서 증착되어야만 했다. 본 발명에서는, 기존의 음극(20)으로 사용되는 금속물질을 용액 또는 페이스트 공정으로 음극을 형성한다. 이때, 대기 중에서 불안정한 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 리튬(Li) 등을 포함한 음극(20)을 용액 공정이나 페이스트로 형성하는 경우, 쉽게 산화되어 음극(20)의 성능이 떨어지게 되므로, 그 위에 다수의 기능층을 형성하여 수분 또는 산소 등으로부터 보호해 줄 수 있다. 또한, 대기 중에서 상대적으로 안정한 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au) 등을 포함한 음극(20)은 이온화된 상태 또는 잉크 형태로 용액공정으로 형성될 수 있다. 보다 상세하게 설명하자면, 본 발명에서는, 기존에 음극(20)의 재료로 사용된 금속물질이 이온화된 상태이거나, 액체 속에서 콜로이드 형태를 이루는 상태인 잉크 형태로 사용하여 용액공정을 가능하게 할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 투명 금속 산화물을 이용하여 용액 공정이 아닌 증착공정을 통하여도 음극(20)을 형성할 수 있다.
이온화된 금속 물질은, 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 리튬(Li), 세슘(Cs) 중 적어도 어느 하나가 이온화된 상태이다. 또한, 알칼리 금속이나, 알칼리 토금속이 사용될 수도 있다. 이때, 음극(20)은 이온화된 금속물질을 하나씩 사용하여도 되고, 이 들을 이용한 합금형태로 제작될 수 있다. 상기 금속 물질이 용액 속에 용해되어 이온화된 상태로, 기판 상에 코팅된다. 이때, 용액 속에 포함되는 용매는 외부에서 공급된 열에 의하여 증발하게 되 고, 기판(10) 상에는 용질인 이온화된 금속물질만이 코팅된다. 이때, 은, 금, 알루미늄 등과 같은 대기 중에서 안정한 물질이 음극(20)으로 사용되는 경우, 음극(20)으로서의 효율을 향상시키기 위하여 음극(20) 상에 전자주입층 등의 기능층을 형성하는 것이 바람직하다.
금속 잉크 물질은, 은(Ag) 잉크, 알루미늄(Al) 잉크, 금(Au) 잉크, 칼슘(Ca) 잉크, 바륨(Ba) 잉크, 마그네슘(Mg) 잉크, 리튬(Li) 잉크, 세슘(Cs) 잉크 중 적어도 어느 하나이다. 금속 잉크 물질에 포함된 금속 물질은 용액 내부에서 이온화된 상태이고, 이를 기판(10) 상에 얇게 코팅시키면, 거의 투명한 상태의 음극(20)이 형성된다. 이때, 금속 잉크 물질로 음극(20)의 투명도를 확보해야 할 경우는 두께를 20nm 이내로 형성하는 것이 바람직하다.
투명 금속 산화물은, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide) 중 어느 하나이다. 여기서, ITO는 일반적으로 양극을 형성하는 물질로 사용되지만, 본 발명에 따른 인버티드 투명 유기 태양전지 구조에서는 ITO를 음극(20) 형성의 재료로 사용하여, 더욱 투명한 인버티드 투명 유기 태양전지를 제조할 수 있다. 또한, 투명 금속산화물 전극의 경우 졸 겔(sol-gel), 분무열분해(spray pyrolysis), 스퍼터링(sputtering), ALD(Atomic Layer Deposition), 전자 빔 증착(e-beam evaporation) 등의 액상공정 및 증착공정을 적용할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유기물 층(25, 30, 35)은, 전자정공기능층(25), 광활성층(30), 정공 수송및주입층(35)으로 구성된다. 전자정공기능층(25)은, 전자 주입층(25a), 전자 수송층(25b), 정공 차단층(25c)을 포함한다. 그러나, 전자정공기능층(25)은 형성되지 않을 수도 있으며, 또는, 전자 주입층(25a), 전자 수송층(25b), 정공 차단층(25c) 중 어느 하나로만 형성되거나, 둘 이상의 조합으로 형성될 수도 있다. 또한, 정공 수송및주입층(35)도 형성되지 않을 수도 있다.
이하, 유기물 층을 구성하는 레이어에 대하여 순서대로 설명하기로 한다. 여기서, 전자 주입층(25a) 및 전자 수송층(25b)은, 전자의 이동을 도와주는 기능을 하는 레이어로서, 전자주입층 및 전자수송층을 하나의 층으로 하여 구성될 수도 있다.
전자 수송층(25b)은, 광활성층(30)에서 발생된 전자를 음극(20)으로 이동시켜 소자의 높은 효율을 위해 추가되는 레이어로서, 음극(20)과 광활성층(30) 사이에 형성된다. 이때, 전자 수송층(25b)은, 용액화가 가능한 고분자 재료를 사용하는 것이 바람직하며, PFO(polyfluorene), PPP(poly phenylene vinylene) 계열의 고분자, n-type 고분자, PS(polystyrene), PBD(2-(4-biphenylyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole)) 중 어느 하나로 구성된다.
전자 주입층(25a)은, 전자가 광활성층(30)으로부터 음극(20)으로 보다 효과적으로 유입될 수 있도록 도와주기 위하여, 음극(20) 및 광활성층(30) 사이에 형성될 수 있다. 이때, 전자 주입층(25a)은, 유기 계면활성제, 증착용 금속물질 중 어느 하나로 구성된다. 유기 계면활성제는, 에틸렌옥사이드(ehtylene oxide)를 공통적으로 포함하는 이온 계면 활성제(ionic surfactant) 또는 비이온 계면 활성제(non-ionic surfactant)이다. 에틸렌옥사이드는, 분자내 개수가 증가할수록 극성 을 보다 많이 띠게 되는 계면활성제의 특성을 좌우된다. 즉, 에틸렌옥사이드는, 비공유전자쌍을 많이 포함하고 있기 때문에, 광활성층(30)의 전자를 보다 잘 뽑아낼 수 있다. 여기서, 이온 계면활성제는, 알칼리금속(alkali metal) 또는 알칼리 토금속(alkaline earth metal)의 양이온(Li+, Na+, Cs+, K+, Ca++, Mg++)과 음이온 (sulfate(SO3-) 또는 phosphate(PO2-) )을 포함하는 물질이다. 이를 극성, 혹은 비극성 용매에 용해시켜 용액화한다. 또한, 비이온 계면활성제는, PEO, PEG 중 어느 하나인 물질이다. 비이온 계면활성제를 극성 혹은 비극성 용매(solvent)에 용해시켜 용액화하며, 이 용액에 알칼리금속(alkali metal) 혹은 알칼리토금속(alkaline earth metal)을 포함하는 염(salts)을 첨가하여 전자주입효과를 높일 수 있다. 또한, 유기 양이온(organic cation)인 페닐 암모늄(phenyl ammonium), 테트라메틸 암모늄(tetramethyl ammonium), 테트라프로필 암모늄(tetrapropyl ammonium), 테트라에틸 암모늄(tetraethyl ammonium), 테트라부틸 암모늄(tetrabutyl ammonium)을 포함하는 유기재료를 이용할 수도 있다.
금속 이온을 이용하는 방법은, 용액화가 가능한 알칼리 및 알칼리토금속의 염(salt)인 LiF, CsF, NaF, Cs2CO3, Ca(acac)2 등을 극성 용매에 용해하여 이 용액을 이용하여 성막한다.
증착용 금속물질을 이용하는 방법은, 염의 형태인 LiF, CsF, NaF, Cs2CO3, Ca(acac)2와 알칼리 혹은 알칼리 토금속으로서, 칼슘(Ca), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 리튬(Li), 바륨(Ba), 세슘(Cs) 등의 재료를 증착한다.
또한, 정공 차단층(hole blocking layer, 25c)은, 광활성층(30)에서 발생된 정공이 음극(20)으로 이동되는 것을 방지하기 위한 레이어이다. 정공 차단층은, TiOx 또는 ZnO로 구성되어, 음극(20)과 광활성층(30) 사이 또는 전자 수송층(25b)과 광활성층(30) 사이에 형성될 수 있다.
광활성층(Emissive layer, 30)은, 유기물질을 포함하고, 그 유기물질의 광기전 현상에 의하여 전기를 발생시킨다. 여기서, 광기전 현상이란, 유기물질에 빛을 조사하면 광자(photon)를 흡수하여 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 생성되고, 전자(electron)-정공(hole) 쌍을 분리하여 전하 상태로 각각 음극 및 양극으로 전달하여 전류를 발생시키는 현상이다. 유기 태양전지에 있어서는, 전자공여체(electron donor)와 전자수용체(electron acceptor) 물질의 접합구조로 이루어진 유기물질에 빛을 조사하였을 때, 전자공여체(electron donor)에서 전자-정공쌍이 형성되고, 전자수용체(electron acceptor)로 전자가 이동함으로써, 전자-정공의 분리가 이루어진다. 이와 같은 과정을 빛에 의한 전하 캐리어(charge carrier)의 여기 또는 광여기 전하 이동현상(photoinduced chargetransfer, PICT)이라고 한다. 이때, 빛에 의하여 생성된 캐리어들은 전자-정공으로 분리되고, 분리된 전자-정공이 외부 회로로 공급되어, 외부 회로를 통하여 전력을 생산하게 된다.
또한, 유기물질은, PPV(poly(p-phenylenevinylene), MDMO-PPV(poly [2-methyl,5-(3,7dimethyl-octyloxy)]-p-phenylenevinylene), CN-PPV(poly(dihexoxy-cyano-terephthalylidene)), MEH-PPV(Poly [2-(2'-ethylhexyloxy)-5-methoxy-1,4- phenylenevinylene), P3HT(poly(3-octylthiophene)), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), PVK(poly(9-vinylcarbazole)) 등과 같은 유기 고분자 물질과 그 유도체가 포함된다.
정공 주입및수송층(35)은 광활성층(30)에서 발생된 정공을 양극(40)으로 이동시키는 것을 도와주는 레이어로서, 광활성층(30)과 양극(40) 사이에 형성된다. 정공 주입및수송층(35)은, PEODT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrene sulfonate)), PVK(poly(9-vinylcarbazole)), THF(Tetrahydrofuran), a-NPD(4,4'-bis[N-(1-napthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl) 중 어느 하나를 이용하며 액상으로 제조가 가능하다. 이때, 친수성 전도성용액을 광활성층(30) 위에 성막할 때, 친수성 소수성 반발에 의한 코팅불량문제는, 기판(10)을 열이 가해지는 핫플레이트(hot plate)위에 올려놓고, 200℃ 이하로 가열하여 스프레이 함으로써, 친수성 용매가 쉽게 증발하도록 하여 효과적으로 성막한다(도 3 참조).
양극(40)은, 전도성 고분자 물질, SWCNT(single-walled carbon nanotubes) 또는 MWCNT(multi-walled carbon nanotubes)로 구성되어, 광활성층(30)에서 발생된 정공을 모아준다. 한편, 양극(anode, 40)의 경우 ITO(indium tin oxide)라는 투명한 금속 산화물을 대부분 이용한다. 그러나, 인듐은 지구상에 매장량이 적어 고가인 희귀금속이며, 진공에서 스퍼터링(sputtering)하여 적층된다. 따라서, 양극을 용액 및 인쇄 공정을 통하여 형성하기 위해서는, 전극재료가 액체상(solution)이거나 인쇄 가능한 페이스트(paste) 형태가 바람직하다. 그러나, ITO를 졸 겔(sol- gel) 합성법 또는 스프레이 분해(spray pyrolysis)를 통하여 액체로 만들 수 있다. 그러나, 위 방식은 400도 이상의 고온이 요구되므로, 유연한 기판을 사용하는 플렉서블 유기태양전지 제조시에는, 적용할 수 없는 단점을 가지고 있다. 그러나, 유리 기판을 이용할 경우에는 고온공정이 가능하므로, ITO 졸 겔(sol-gel) 용액을 이용하는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서는, 양극(40)이 상온에서의 인쇄방식을 적용하여 형성된다. 전도성 고분자 물질을 이용하여 양극(40)을 형성하는 경우에는, 고분자 물질이 양극(40)으로 사용될 수 있을 만큼의 전기 전도도를 가지고 있지 않기 때문에, 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 방법이 필요하다. 따라서, 고분자 물질의 전기전도도를 향상시키기 위하여, 고분자 물질에 소정의 용액을 첨가하여 전기전도도를 크게 향상시킬 수 있다. 전도성 고분자 물질은, 고분자 물질인 PEDOT:PSS에 DMSO(Dimethyl sulfoxide), PC(polycarbonates), DMF(dimethyl formamide), HMPA(hexamethyl phosphorotriamide), THF(tetrahydrofuran), EG(ethylene glycol), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 중 어느 하나를 첨가한 물질을 포함한다.
이때, PEODT:PSS 사용시, PEODT:PSS의 전기 전도도를 극대화시켜 사용하기 위하여 아래와 같은 공정을 거치게 된다. 우선, PEDOT:PSS(95%)에 DMSO(5%), PC(polycarbonates), DMF(dimethyl formamide), HMPA(hexamethyl phosphorotriamide), THF(tetrahydrofuran). EG(ethylene glycol) 중 어느 하나를 첨가하여 전기전도도를 향상시킨 PEODT:PSS 용액을 제조한다. 그런 다음, PEODT:PSS 용액을 코팅하여 투명한 양극(40)을 형성한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서는, 상온에서 인쇄방식을 적용하여 양극(40)을 형성하기 위하여, SWCNT(single-walled carbon nanotubes) 또는 MWCNT(multi-walled carbon nanotubes)를 이용할 수 있다. 이때, 이 방법은, SWCNT 또는 MWCNT를 용매에 분산시켜, 분산된 용액으로 양극(40)을 형성하는 방법이다. 또한, SWCNT를 용매에 고르게 분산시키기 위해서는 분산제로서 계면활성제를 첨가하는 방식이 사용될 수 있다.
따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 인버티드 투명 유기 태양전지의 구조의 일 예를 설명하자면, 음극(20)은 200nm 두께 스퍼터링 된 ITO 필름을 사용한다. 또한, 전자주입층(25a)은 1nm 증착된 LiF 증착시키고, 광활성층(30)은 P3HT(1w%)와 PCBM(0.7w%)을 용매인 클로로벤젠(chlorobenzen)에 혼합하여 충분한 시간동안 섞어주고, 섞인 용액을 고분자 물질 위에 1000rpm 스핀코팅한 후 베이킹(60도?~150)한다. 정공전달및수송층(35)은 PEODT:PSS를 핫플레이트 위에 150? 가열된 광활성층(35) 위에 스프레이 코팅시킨다. 그런 다음, 양극(40)은, PEDOT:PSS에 5w% DMSO를 첨가하여 전기전도도가 향상된 용액을 광활성층(30) 위에 스프레이코팅시켜 형성한다. 이때, 기판(10)은 열이 가해지는 핫플레이트(hot plate)위에 형성시켜서, 스프레이코팅 전에 기판(10)으로 열을 가해 기판(10) 상에 고분자층을 소정의 온도로 가열시킨다. 이때, 광활성층(30)에 패턴 마스크를 얹어서 패턴 마스크 상에 양극(40) 형성 물질을 스프레이할 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법의 순서를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인버티드 투명 유기 태양전지는, 음극 형성단계(S100), 광활성층 형성단계(S200), 양극 형성단계(S300)를 포함한다. 기판상에 음극을 형성하는 음극 형성단계, 음극 상에 광활성층을 형성하는 광활성층 형성단계, 광활성층 상에 용액상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하여 투명한 양극을 형성하는 양극 형성단계를 포함하는 인버티드 투명 유기 태양전지의 제조방법이고, 전도성 고분자 물질은, PEODT:PSS에 DMSO(Dimethyl Sulfoxide), PC(polycarbonates), DMF(dimethyl formamide), HMPA(hexamethyl phosphorotriamide), THF(tetrahydrofuran), EG(ethylene glycol), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 중 어느 하나의 용액을 첨가한 물질이다.
음극형성단계(S100)는, 기판 상에 음극을 형성하는 단계이다. 음극이 이온화된 금속 물질, 소정의 액체 속에서 콜로이드 상태인 금속 잉크 물질 중 어느 하나로 구성되는 경우에, 이온화된 금속 물질 및 금속 잉크 물질 중 어느 하나를 용액공정으로 음극을 형성하고, 음극이 투명 금속 산화물로 구성되는 경우에, 투명 금속 산화물을 용액공정 또는 증착공정으로 상기 음극을 형성한다. 또한, 도시되어 있지는 않지만, 음극형성단계와 광활성층 형성단계 사이에, 광활성층에 발생된 전자가 음극으로 이동하는 것을 도와주거나, 음극으로의 수분 침투를 막거나, 음극의 산화를 방지하거나, 정공의 침투를 차단하는 기능을 하는 전자정공기능층을 형성하는 전자정공기능층 형성단계를 포함할 수 있다. 전자정공기능층 형성단계는, 전자주입층 형성단계, 전자이송층 형성단계, 정공차단층 형성단계 등이 포함될 수 있다.
광활성층 형성단계(S200)는, 음극 상에 광활성층을 형성하는 단계이다.
또한, 도시되어 있지는 않지만, 광활성층 형성단계(S200)와 양극 형성단계(S300) 사이에, 광활성층에서 발생된 정공의 이동을 도와주는 정공 주입및수송층 형성단계를 더 포함할 수 있다.
양극 형성단계(S300)는, 광활성층 상에 용액상태인 전도성 고분자 물질에 소정의 전기 전도도 향상 물질이 첨가된 용액, SWCNT(single-walled carbon nanotubes), MWCNT(multi-walled carbon nanotubes) 중 어느 하나로 구성되어 투명한 양극을 형성한다. 용액공정은, 전도성 고분자 물질, SWCNT(single-walled carbon nanotubes), MWCNT(multi-walled carbon nanotubes) 중 어느 하나의 물질을 광활성층 상에 스프레이하는 공정이다. 전도성 고분자 물질은, 고분자 물질인 PEDOT:PSS에 DMSO(Dimethyl Sulfoxide), PC(polycarbonates), DMF(dimethyl formamide), HMPA(hexamethyl phosphorotriamide), THF(tetrahydrofuran), EG(ethylene glycol), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 중 어느 하나를 첨가한 물질을 포함한다. 또한, 양극 형성단계 전에, 기판 하부에 열을 가하는 열 공급단계(S250, S251)를 포함한다. 한편, 도 2에서는, 기판 하부에 열을 가하는 열 공급단계를 양극 형성단계전으로만 한정하여 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 음극, 광활성층, 전자정공기능층을 형성하기 전에도 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인버티드 투명 유기 태양전지를 용액공정으로 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인버티드 투명 유기 태 양전지는, 친수성의 용액이 소수성의 막에 열을 통하여 성막된다. 이하, 본 발명에서는 인버티드 투명 유기 태양전지를 제작하기 위한 용액 공정으로서, 스프레이 코팅(spray coating)을 일 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 잉크 젯 인쇄(ink jet printing), 롤투롤 인쇄(roll to roll printing), 스크린 인쇄(screen printing) 등의 용액 공정도 사용될 수 있다. 또한, 도 3에서는, 스프레이 코팅(spray coating)을 통하여 양극을 형성하는 과정을 일 예로 하여 설명하고 있으나, 양극에 한정되는 것은 아니고, 음극, 광활성층, 전자정공기능층도 이 공정을 통하여 형성될 수 있다.
스프레이 노즐(spray nozzle)로부터 토출된 작은 친수성의 액적(drolet, T)은 이미 가열되어 있는 소수성 막 또는 소수성 막이 코팅된 기판(10) 위에 달라붙고, 기판(10) 하부에 배치된 핫 플레이트(H)로부터 발생된 열에 의하여 친수성 액적의 친수성 용매가 바로 증발하게 된다. 친수성 용매가 증발하게 되면, 잔류되는 용질에 의하여 얇은 막이 형성된다.
상기 과정을 반복하게 되면, 인버티드 투명 유기 태양전지를 구성하는 음극(20), 광활성층(30), 양극과 음극(20)과 광활성층(30) 사이 또는 광활성층(30)과 양극 사이의 전자정공기능층이 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 인버티드 투명 유기 태양전지를 구성하는 다수의 레이어들을 도 3에 도시된 스프레이 코팅(spray coating)을 포함하는 용액공정(solution process)을 통하여 형성할 수 있기 때문에, 인버티드 투명 유기 태 양전지를 대면적으로 제조할 수 있고, 제조 코스트를 절감시킬 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 인버티드 구조를 가지는 유기 태양전지의 양극을 용액 상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하고 있기 때문에, 양극을 포함한 모든 레이어들을 용액공정을 통하여 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 종래의 유기 태양전지 제조시 사용되는 고진 공 챔버에서의 스퍼터링 공정 또는 증착공정 대신 용액공정을 사용하여 제조하고 있기 때문에, 유기 태양전지 제조시간 및 제조코스트를 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 유기 태양전지의 양극을 용액 상태인 전도성 고분자 물질로 얇게 코팅하는 것에 의하여, 투명하고 높은 효율을 가지는 인버티드 투명 유기 태양전지를 제조할 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 인버티드 투명 유기 태양전지를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법의 순서를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인버티드 투명 유기 태양전지를 용액공정으로 형성하는 방법을 나타내는 도면.
Claims (9)
- 기판;상기 기판 상에 형성된 음극;상기 음극 상에 형성된 광활성층; 및상기 광활성층 상에 형성되고, 용액상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하여 투명하게 형성된 양극;을 포함하는, 인버티드 투명 유기 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 음극은, 이온화된 금속 물질, 소정의 액체 속에서 콜로이드 상태인 금속 잉크 물질, 투명 금속 산화물 중 어느 하나로 구성되는,인버티드 투명 유기 태양전지.
- 제2항에 있어서,상기 투명 금속 산화물은, ITO인,인버티드 투명 유기 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 음극 및 상기 광활성층 사이에 형성된 전자 주입층;상기 전자 주입층과 상기 광활성층 사이에 형성된 전자 수송층; 및상기 전자 수송층과 상기 광활성층 사이에 형성된 정공 차단층;을 더 포함하는, 인버티드 투명 유기 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 광활성층과 상기 양극사이에 형성된 정공 주입및수송층을 더 포함하는,인버티드 투명 유기 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 전도성 고분자 물질은, PEDOT:PSS에 DMSO(Dimethyl Sulfoxide), PC(polycarbonates), DMF(dimethyl formamide), HMPA(hexamethyl phosphorotriamide), THF(tetrahydrofuran), EG(ethylene glycol), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 중 어느 하나를 첨가한 물질인,인버티드 투명 유기 태양전지.
- 기판;상기 기판 상에 형성된 음극;상기 음극 상에 형성된 광활성층; 및상기 광활성층 상에 형성되고, 용액상태인 SWCNT(single-walled carbon nanotubes), MWCNT(multi-walled carbon nanotubes) 중 어느 하나로 코팅하여 투명 하게 형성된 양극;을 포함하는, 인버티드 투명 유기 태양전지.
- 기판상에 음극을 형성하는 음극 형성단계;상기 음극 상에 광활성층을 형성하는 광활성층 형성단계; 및상기 광활성층 상에 용액상태인 전도성 고분자 물질로 코팅하여 투명한 양극을 형성하는 양극 형성단계;를 포함하는 인버티드 투명 유기 태양전지의 제조방법이고,상기 전도성 고분자 물질은, PEDOT:PSS에 DMSO(Dimethyl Sulfoxide), PC(polycarbonates), DMF(dimethyl formamide), HMPA(hexamethyl phosphorotriamide), THF(tetrahydrofuran), EG(ethylene glycol), NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 중 어느 하나의 용액을 첨가한 물질인,인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 양극 형성단계는, 상기 용액 상태인 전도성 고분자 물질을 스프레이 코팅, 롤 투 롤 인쇄, 잉크젯 인쇄, 스프린 인쇄, 딥 코팅, 블레이드 코팅, 슬릿 코팅 중 어느 하나를 이용하는,인버티드 투명 유기 태양전지 제조방법.
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