KR101025240B1 - Organic Solar Cell - Google Patents
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Abstract
서로 대향하는 음극과 양극, 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 개재된 적어도 한 개의 광활성층을 구비하되, 상기 광활성층은 정공수용체, 전자수용체 및 액정물질을 포함하는 유기 태양전지가 제공된다.An organic solar cell including a cathode and an anode facing each other and at least one photoactive layer interposed between the cathode and the anode is provided, the photoactive layer including a hole acceptor, an electron acceptor, and a liquid crystal material.
Description
본 명세서에 개시된 기술은 일반적으로 유기 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광활성층의 모폴로지를 제어함으로써 광전변환효율이 향상된 유기 태양전지에 관한 것이다.The technology disclosed herein relates generally to an organic solar cell, and more particularly, to an organic solar cell having improved photoelectric conversion efficiency by controlling the morphology of the photoactive layer.
유기 태양전지는 실리콘 태양전지의 대안으로 각광받고 있는 차세대 태양전지로서, 이 유기 태양전지를 구성하는 핵심물질은 공액(conjugated) 고분자이다. 공액고분자는 실리콘 태양전지와는 다르게 흡광계수가 높아서 얇은 박막 (약 100 nm정도)으로도 태양빛을 충분히 흡수할 수 있기 때문에 얇은 소자로도 제작이 가능하며, 고분자의 특성상 굽힘성 및 가공성 등이 좋아서 실리콘 태양전지가 주로 사용되고 있는 건축물 이외의 다양한 응용분야가 있다는 장점이 있다.Organic solar cells are the next generation solar cells that are in the spotlight as an alternative to silicon solar cells, and the core material of the organic solar cell is a conjugated polymer. Unlike silicon solar cells, conjugated polymers have a high absorption coefficient and can absorb sunlight even with a thin film (about 100 nm). Therefore, the conjugated polymer can be manufactured as a thin device. It has the advantage that there are various application fields other than buildings where silicon solar cells are mainly used.
1986년 이스트먼 코닥의 탕(C. Tang)이 CuPc(copper phthalocyanine)와 페릴렌 테트라카복실산 유도체(perylene tetracarboxylic derivative)를 이용한 이종접합 구조로 태양전지의 실용화 가능성을 처음 제시한 이후에 유기 태양전지에 대한 관심과 연구가 증폭되었다. 이 후, 1990년 초 히거(heeger) 그룹에서 공액 고분자와 풀러렌(fullerene) 유도체의 혼합막을 광활성층으로 사용하여 전기를 발생시키는 태 양전지가 보고되었다. 여기에서 단일층 태양전지의 단점인 엑시톤의 짧은 확산도를 극복함으로써 효율을 어느 정도 증가시켰다. 그러나 이 경우에서도 풀러렌의 낮은 용해도가 문제되었기 때문에 풀러렌을 개질한 풀러렌 유도체(PCBM)가 개발되어 효율이 3% 까지 향상된 바 있다. 이 후 지속적으로 고효율의 유기 태양전지를 얻기 위한 여러 가지 연구가 진행되고 있으며, 현재 최고 6.5% 정도의 광전변환 효율이 발표되었다. 그리고 유기반도체의 에너지 준위 및 물성을 잘 조절하면 이론적으로 10% 정도의 광전변환 효율도 가능하다는 최근의 예측은 유기 태양 전지에 대한 실용화의 앞날을 밝게 하고 있다.In 1986, C. Tang of Eastman Kodak presented the possibility of practical application of solar cell with heterojunction structure using copper phthalocyanine (CuPc) and perylene tetracarboxylic derivative (perylene tetracarboxylic derivative). Interest and research have been amplified. Later, in the early 1990s, a solar cell was reported using a mixed film of a conjugated polymer and a fullerene derivative as a photoactive layer in the Heger group. Here, the efficiency was increased to some extent by overcoming the short diffusivity of excitons, which is a disadvantage of single layer solar cells. However, even in this case, since the low solubility of fullerenes was a problem, fullerene-modified fullerene derivatives (PCBMs) were developed to improve efficiency by 3%. Since then, various studies have been conducted to obtain high efficiency organic solar cells, and photoelectric conversion efficiency of up to 6.5% has been announced. In addition, the recent prediction that the photovoltaic conversion efficiency of about 10% is theoretically possible by controlling the energy level and physical properties of organic semiconductors brightens the future of practical use for organic solar cells.
유기 태양전지의 상용화를 위해서는 고효율화가 반드시 이루어져야 한다. 이런 맥락에서 엑시톤의 분리를 용이하게 할 수 있도록 P형과 N형 물질을 블렌딩(blending)하는 벌크헤테로접합 방식으로 계면의 면적을 증가시켜 광전변환 효율을 증가시키는 방법, 유기 태양전지 소자 제작 후 열처리 과정을 추가함으로써 광전변환 효율 향상시키는 방법, 구조적으로 단일 셀을 직류로 연결시킨 형태의 적층 구조인 텐덤(tandemn) 태양전지를 이용하는 방법 등이 개발되었으나 상업화하기에는 추가적인 효율상승을 필요로 하고 있다.In order to commercialize organic solar cells, high efficiency must be achieved. In this context, the method of increasing the photoelectric conversion efficiency by increasing the area of the interface by the bulk heterojunction method of blending P-type and N-type materials to facilitate the separation of excitons, and heat treatment after fabrication of organic solar cell devices By adding a process, a method of improving photoelectric conversion efficiency and a method of using a tandem solar cell, which is a structure in which a single cell is connected by direct current with a DC structure, have been developed.
일 실시예에 따르면, 유기 태양전지는 서로 대향하는 음극과 양극, 및 상기 음극과 상기 양극 사이에 개재된 적어도 한 개의 광활성층을 구비하되, 상기 광활성층은 정공수용체, 전자수용체 및 액정물질을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the organic solar cell includes a cathode and an anode facing each other, and at least one photoactive layer interposed between the cathode and the anode, wherein the photoactive layer includes a hole acceptor, an electron acceptor, and a liquid crystal material. can do.
광활성층 형성에 이용되는 전자 수용체와 정공 수용체 물질의 혼합 용액에 첨가제로 액정물질을 미량 도입하여 박막을 형성시킬 수 있다. 그 결과 액정물질의 배향 특성을 통하여 전자나 홀의 이동이 용이한 모폴로지가 도출됨으로써 광전변환효율이 크게 향상된 유기 태양전지 소자를 제공할 수 있다.A thin film may be formed by introducing a small amount of the liquid crystal material as an additive into the mixed solution of the electron acceptor and the hole acceptor material used for forming the photoactive layer. As a result, a morphology in which electrons or holes are easily moved through the alignment characteristics of the liquid crystal material may be provided, thereby providing an organic solar cell device having greatly improved photoelectric conversion efficiency.
상기 광활성층과 상기 양극 사이에는 양극층 평탄화층이 더 포함될 수 있다.An anode layer planarization layer may be further included between the photoactive layer and the anode.
상기 음극 또는 상기 양극은 유리, 플라스틱, 메탈호일 또는 세라믹 상에 형성될 수 있다.The cathode or the anode may be formed on glass, plastic, metal foil, or ceramic.
상기 전자수용체는 풀러렌과 그 유도체, CdS, CdSe, CdTe, 또는 ZnSe와 같은 반도체 나노입자를 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다.The electron acceptor may be used alone or in combination of fullerenes and derivatives thereof, semiconductor nanoparticles such as CdS, CdSe, CdTe, or ZnSe.
상기 정공수용체는 프탈로시아닌계 안료, 인디고, 티오이니고계 안료, 멜로시아닌 화합물, 시아닌 화합물, 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-p-phenylenevinylene), 폴리파라페닐렌비닐렌 유도체, 폴리티오펜(polythiophene) 또는 폴리티오펜 유도체를 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다.The hole receptor may be a phthalocyanine-based pigment, an indigo, a thionigo-based pigment, a melancyanine compound, a cyanine compound, a polyparaphenylenevinylene, a polyparaphenylenevinylene derivative, a polythiophene ) Or polythiophene derivatives may be used alone or in combination.
상기 액정물질은 네마틱(nematic) 액정, 스멕틱(smectic) 액정, 디스코틱 (discotic) 액정, 강유전성(ferroelectric) 액정 또는 콜레스테릭(cholesteric) 액정을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다.The liquid crystal material may be used singly or in combination with nematic liquid crystal, smectic liquid crystal, discotic liquid crystal, ferroelectric liquid crystal, or cholesteric liquid crystal.
상기 광활성층은 정공수용체 30 내지 80 중량%, 전자수용체 10 내지 70 중량% 및 액정물질 0.1 내지 20 중량%을 포함할 수 있다. 상기 범위에서 광전변환효율이 우수한 유기 태양전지가 제조될 수 있다.The photoactive layer may include 30 to 80 wt% of the hole acceptor, 10 to 70 wt% of the electron acceptor, and 0.1 to 20 wt% of the liquid crystal material. In the above range, an organic solar cell having excellent photoelectric conversion efficiency may be manufactured.
이하, 도면을 참조하여 본 명세서에 개시되는 기술에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described in detail for the technology disclosed herein.
도 1은 통상적인 유기 태양전지의 구조를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 유기 태양전지는 기판(100), 양극(투명전극)층(101), 양극층 평탄화층(buffer layer)(102), 광활성층(103), 음극(104)으로 구성된다. 통상의 유기 태양전지는 높은 일함수를 가진 투명 전극인 ITO(indium tin oxide)를 양극 물질로, 낮은 일함수를 가진 Al이나 Ca 등을 음극 물질로 사용한다.1 is a view showing the structure of a conventional organic solar cell. Referring to FIG. 1, an organic solar cell includes a
유기 태양전지는 실리콘 태양전지와는 달리 정공 수용체(hole acceptor: D) 와 전자 수용체(electron acceptor: A) 물질의 접합 구조로 이루어져 있고, 가시광선을 흡수하면 정공 수용체에서 전자-홀 쌍(electron-hole pair)가 생성되고 전자 수용체로 전자가 이동함으로써 전자-홀의 분리가 이루어지는 과정을 통해 광기전력 효과를 나타내게 되는데, 이는 소위 광여기 전하 이동현상(photoinduced charge transfer, PICT)"이라 불리는 정공 수용체와 전자 수용체 물질 사이의 매우 빠른 전하 이동현상에서 기인하는 것이다.Unlike silicon solar cells, organic solar cells consist of a junction structure of a hole acceptor (D) and an electron acceptor (A) material, and when absorbing visible light, an electron-hole pair Hole pairs are generated and electrons move to the electron acceptor, resulting in a photovoltaic effect through the separation of electron-holes, which is called the photoinduced charge transfer (PICT). This is due to very fast charge transfer between the receptor materials.
광활성층(103)은 100 nm 정도의 두께를 가진, 정공 수용체(D) 물질과 전자 수용체(A) 물질의 2층 구조 혹은 복합박막[(D+A) blend] 구조를 이용하는데, 경우 에 따라서는 정공 수용체와 전자 수용체층 사이에 후자의 복합 박막이 끼어 있는 혼합구조[D/(D+A)/A]를 이용하기도 한다. 또한 버퍼층으로 양극(101)인 ITO 전극과 광활성층 사이에는 양극층 평탄화층(102) 또는 정공 이송층(hole transport layer)을, 음극(104)과 광활성층(103) 사이에는 전자 이송층(electron transport layer)을 끼워 넣기도 한다. 통상의 유기 태양전지의 작동 원리는 다음과 같다. 유기 태양전지에 광을 쬐어주면, 광은 기판과 양극, 양극층 평탄화층(102)을 거쳐 정공 수용체에서 흡수되어 여기 상태의 전자-홀 쌍(exciton)이 형성된다. 이 전자-홀 쌍은 임의 방향으로 확산하다가 전자 수용체 물질과의 계면(interface)을 만나면 전자와 정공으로 분리된다. 즉, 전자는 전자 친화도가 큰 전자 수용체 물질 쪽으로 이동하고 홀은 정공 수용체 쪽에 남아 각각의 전하상태로 분리된다. 이들은 양쪽 전극의 일함수 차이로 형성된 내부 자기장과 쌓여진 전하의 농도 차에 의해 각각의 전극으로 이동하여 수집되며 최종적으로 외부 회로를 통해 전류의 형태로 흐르게 된다. 그러나 전하-홀 쌍이 다시 재결합하여 없어지는데 까지 걸리는 시간이 100 피코초라는 짧은 시간이기 때문에 전하-홀 쌍이 재결합 없이 공액 고분자 내에서 움직일 수 있는 거리는 약 10 nm 라고 알려져 있다. 그러므로 빛을 받아서 생긴 전하-홀 쌍이 재결합 없이 쪼개져 전자와 홀을 생성하려면 전자 수용체와 정공 수용체의 계면이 전하-홀 쌍이 생긴 곳으로부터 10 nm 이내에 존재하여야 한다. 이러한 거리는 전자 수용체와 정공 수용체사이의 모폴로지에 의해 크게 좌우된다. 따라서 유기 태양전지 소자의 전자 수용체와 정공 수용체 네트워크의 모폴로지를 제어하는 것이 효율 향상의 가장 중요한 요소로 인식되고 있다.The
이하, 광활성층에 액정물질을 소량 첨가함으로써, 액정물질의 배향 특성을 통하여 전자나 홀의 이동이 용이한 모폴로지를 갖는 새로운 유기 태양전지 소자를 제조하는 공정을 구체적으로 기술하고자 한다.Hereinafter, by adding a small amount of the liquid crystal material to the photoactive layer, a process of manufacturing a new organic solar cell device having a morphology that is easy to move electrons or holes through the alignment characteristics of the liquid crystal material will be described in detail.
기판/양극층 제공Substrate / anode layer provided
먼저 기판을 제공한다. 기판으로는 태양전지의 광입사면측에 설치하는 경우, 광투과성을 갖는 것으로 무색 투명하거나 다소 착색되어 있을 수도 있다. 예컨대 소다라임 유리나 무알칼리 유리 등의 투명 유리기판이나, 폴리에스테르, 폴리아미드, 에폭시 수지 등으로부터 임의로 제작된 플라스틱 필름을 이용할 수도 있다. 상기 양극으로는 ITO(인듐틴옥사이드)외에도 FTO(불소 도핑된 틴 옥사이드), IZO(인듐징크옥사이드), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등과 같이 투명전극이 이용될 수 있다. 양극을 형성하는 단계에서는 스퍼터링 또는 진공 증착법이 이용될 수 있다. 기판 상부에 형성된 전극을 아세톤, 알콜, 물 혹은 이들의 혼합용액에 담근 후 초음파 세정을 실시한다.First, a substrate is provided. As a board | substrate, when provided in the light-incidence surface side of a solar cell, it may be colorless transparent or somewhat colored, having light transmittance. For example, transparent glass substrates such as soda-lime glass or alkali-free glass, and plastic films arbitrarily produced from polyester, polyamide, epoxy resin, or the like may be used. In addition to ITO (Indium Tin Oxide), the anode may be FTO (Fluorine-doped Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , SnO 2 -Sb 2 O 3, or the like. Transparent electrodes can be used. In the forming of the anode, sputtering or vacuum deposition may be used. The electrode formed on the substrate is immersed in acetone, alcohol, water, or a mixed solution thereof, followed by ultrasonic cleaning.
양극층 평탄화층 형성Anode layer planarization layer formation
다음, 상기 기판/양극층 상에 양극층 평탄화층을 형성한다. 양극층 평탄화층을 구성하는 재료로서는, 정공을 수송하는 능력을 갖고, 양극과 광활성층 모두에서 홀 이동 효과를 가지면서, 동시에 전자를 차단하는 특성 뿐 아니라 박막 형성 능력이 우수한 화합물이 바람직하다. 구체적으로는 프탈로시아닌 유도체, 나프탈로시아닌 유도체, 방향족 디아민 화합물, 트리아졸, 이미다졸, 및 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT)등의 전도성 고분자 등의 고분자 재료가 사용되지만, 특별히 이들에 한정되는 것은 아니다. 홀수송층의 형성 방법으로는 형성방법으로는 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 진공증착법 등이 사용될 수 있다.Next, an anode layer planarization layer is formed on the substrate / anode layer. As the material constituting the anode layer planarization layer, a compound having the ability of transporting holes, having a hole movement effect in both the anode and the photoactive layer and at the same time blocking electrons as well as excellent film forming ability is preferable. Specifically, polymer materials such as conductive polymers such as phthalocyanine derivatives, naphthalocyanine derivatives, aromatic diamine compounds, triazoles, imidazoles, and polyethylenedioxythiophene (PEDOT) are used, but are not particularly limited thereto. As a method of forming the hole transport layer, a spin coating method, a spray coating method, a screen printing method, a vacuum deposition method, or the like may be used as the forming method.
광활성층 형성Photoactive Layer Formation
다음, 상기 양극층 평탄화층 상에 광활성층을 형성한다. 광활성층은 정공 수용체와 전자 수용체가 혼합된 것으로서, 정공 수용체는 프탈로시아닌계 안료, 인디고, 티오이니고계 안료, 멜로시아닌 화합물 시아닌 화합물 등의 화합물과 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-p-phenylenevinylene)과 폴리티오펜(polythiophene) 등을 포함하는 전도성 고분자이고, 전자수용체로서 특별히 제한되는 것은 아니지만, 풀러렌과 그 유도체, CdS, CdSe, CdTe, 또는 ZnSe와 같은 반도체 나노입자를 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다. 이때 나노 입자의 크기는 1~100 nm 정도의 것이 사용될 수 있다.Next, a photoactive layer is formed on the anode layer planarization layer. The photoactive layer is a mixture of a hole acceptor and an electron acceptor, and the hole acceptor comprises a compound such as a phthalocyanine pigment, an indigo, a thionigo pigment, a melancyanine compound, a cyanine compound, and a poly-p-phenylenevinylene. And polythiophene and the like, and are not particularly limited as an electron acceptor, but may be used alone or in combination with fullerenes and derivatives thereof, and semiconductor nanoparticles such as CdS, CdSe, CdTe, or ZnSe. . At this time, the size of the nanoparticles may be used of about 1 ~ 100 nm.
광활성층 형성용 용액을 제조하기 위해 정공 수용체와 전자 수용체의 혼합물을 용해시킨 용액을 만들고 여기에 액정물질을 첨가한다. 사용되는 용매로서는 클로로포름, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 톨루엔 등의 극성 용매를 이용할 수 있다. 광활성층의 형성방법으로는 스핀코팅, 스프레이 코팅,스크린 인쇄, 바(bar) 코팅, 닥터블레이드 방식, 잉크젯 방식 등이 가능하다.To prepare a solution for forming a photoactive layer, a solution in which a mixture of a hole acceptor and an electron acceptor is dissolved is prepared, and a liquid crystal material is added thereto. As the solvent used, polar solvents such as chloroform, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene and toluene can be used. The method of forming the photoactive layer may be spin coating, spray coating, screen printing, bar coating, doctor blade method, ink jet method, or the like.
광활성층에 첨가되는 액정물질은 임의의 형태의 액정 물질들을 하나 또는 두 개 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 사용하는 액정물질은 4-이소티오시아나토페닐(4-isothiocyanatophenyl), 4-펜틸비시클로[2.2.2]옥탄-1-카복실레이트(4-pentylbicyclo[2.2.2]octane-1-carboxylate), n-(4-에톡시벤질리덴)-4-부틸아닐린(n-(4-ethoxybenzylidene)-4-butylaniline), 4'-옥틸-4-비페닐카보니트릴(4'-octyl-4-biphenylcarbonitrile), 4-(트랜스-4-펜틸시클로헥실)벤조니트릴( 4-(trans-4-pentylcyclohexyl)benzonitrile), 4-메톡시신남산(4-methoxycinnamic acid), 4'-(헥실옥시)-4-비페닐카보니트릴(4'-(hexyloxy)-4-biphenylcarbonitrile), 1-이소티오시아나토-4-(트랜스-4-프로필시클로헥실)벤젠(1-isothiocyanato-4-(trans-4-propylcyclohexyl)benzene), 4-시아노페닐-4-부틸벤조에이트(4-cyanophenyl-4-butylbenzoate), 1-(4-트랜스-헥실시클로헥실)-4-[2-(4-이소티오시아나토페닐)에틸]벤젠(1-(4-trans-hexylcyclohexyl)-4-[2-(4-isothiocyanatophenyl)ethyl]benzene) 및 4'-헵틸-4-비페닐카보니트릴(4'-heptyl-4-biphenylcarbonitrile) 등으로 대표되는 네마틱(nematic) 액정과 4,n-헥실옥시페닐-4,n'-데실옥시벤조에이트(4,n-hexyloxyphenyl-4,n'-decyloxybenzoate), 4-(데실옥시)벤조산(4-(decyloxy)benzoic acid), 4-(헵틸옥시)벤조산(4-(heptyloxy)benzoic acid), 4-[(S,S)-2,3-에폭시헥실옥시]페닐](4-[(S,S)-2,3-epoxyhexyloxy]phenyl), 4-(운데실옥시)벤조산(4-(undecyloxy)benzoic acid), 4-octyl-4-cyanobiphenyl(4-옥틸-4-시아노비페닐), 콜레스테릴 스테아레이트(cholesteryl stearate), 4,4'-비페닐 디카복실산(4,4'-biphenyl dicarboxylic acid), 및 페닐피리미딘(phenylpyrimidine) 등으로 대표되는 스멕틱(smectic) 액정, 2,3,6,7,10,11-헥사메톡시트리페닐렌(2,3,6,7,10,11-hexamethoxytriphenylene), (도데실-D-셀로비오사이드)헵타도데카노에이트 ((dodecyl-D-cellobioside)heptadodecanoate), 페릴렌디이미드 1,3,5-트리에티닐벤젠(perylenediimide 1,3,5-triethynylbenzene), 프탈로시아닌(phthalocyanine), 트리시클로퀴나졸린(tricycloquinazoline), 2,3,6,7,10-헥사헥실티오트리페닐렌( 2,3,6,7,10-hexahexylthiotriphenylene), 헥사펜틸옥시트리페닐렌(hexapentyloxytriphenylene), 비페닐 에티닐벤젠(biphenyl ethynylbenzene), 페닐시클로헥산(phenylcyclohexane), 시클로헥실 시클로헥산(cyclohexyl cyclohexane), 2,4,6-트리페닐-1,3,5-트리아진(2,4,6-triphenyl-1,3,5-triazine) 및 2,3,6,7,10,11-hexakis(pentyloxy) triphenylene 등으로 대표되는 디스코틱 (discotic) 액정 등을 포함한다. 뿐만 아니라 전계에 의해 역전될 수 있는 자발적인 전기 분극을 가지는 입자들인 강유전성(ferroelectric) 액정들이 본 발명에서 사용되어 질 수 있다. 대표적인 것들로 p-디옥시벤질리덴-p-아미노-2-메틸시나메이트(p- dioxybenzylidene-p-amino-2-methylcinnamate), 2-(4-부틸옥시페닐)-5-옥틸옥시피리미딘(2-(4-butyloxyphenyl)-5-octyloxypyrimidine) 및 헥사키스(4-(4'-((s))-6-메틸옥틸옥시)비페녹시)시클로트리포스파젠(hexakis(4-(4′-((s)-6-methyloctyloxy)biphenoxy)cyclotriphosphazene) 등이 있다. 그리고 콜레스테릴 아세테이트(cholesteryl acetate), 콜레스테릴 벤조에이트(cholesteryl benzoate), 콜레스테릴 카프릴레이트(cholesteryl caprylate), 콜레스테릴 클로라이 드(cholesteryl chloride), 콜레스테릴 헤미숙시네이트(cholesteryl hemisuccinate), 콜레스테릴 올리에이트(cholesteryl oleate), 콜레스테릴 클로로포르메이트(cholesteryl chloroformate), 콜레스테릴올레일 카보네이트(cholesteryloleyl carbonate), 콜레스테릴 팔미테이트(cholesteryl palmitate) 및 콜레스테릴 펠라고네이트(cholesteryl pelargonate) 등의 콜레스테릭(cholesteric) 액정 등이 있으며, 그 외에도 다양한 액정물질이 이용될 수 있다.The liquid crystal material added to the photoactive layer may be used by mixing one or two or more liquid crystal materials of any type. The liquid crystal material used is 4-isothiocyanatophenyl, 4-pentylbicyclo [2.2.2] octane-1-carboxylate, 4-pentylbicyclo [2.2.2] octane-1-carboxylate, n- (4-ethoxybenzylidene) -4-butylaniline (n- (4-ethoxybenzylidene) -4-butylaniline), 4'-octyl-4-biphenylcarbonitrile (4'-octyl-4-biphenylcarbonitrile) , 4- (trans-4-pentylcyclohexyl) benzonitrile, 4-methoxycinnamic acid, 4 '-(hexyloxy) -4- Biphenylcarbonitrile (4 '-(hexyloxy) -4-biphenylcarbonitrile), 1-isothiocyanato-4- (trans-4-propylcyclohexyl) benzene (1-isothiocyanato-4- (trans-4-propylcyclohexyl) benzene), 4-cyanophenyl-4-butylbenzoate, 1- (4-transhexylcyclohexyl) -4- [2- (4-isothiocyanatophenyl ) Ethyl] benzene (1- (4-trans-hexylcyclohexyl) -4- [2- (4-isothiocyanatophenyl) ethyl] benzene) and 4'-heptyl-4-biphenylcarbonitrile (4'-heptyl-4-biphenylc nematic liquid crystal represented by arbonitrile) and the like, 4, n-hexyloxyphenyl-4, n'-decyloxybenzoate (4, n-hexyloxyphenyl-4, n'-decyloxybenzoate), 4- (decyloxy Benzoic acid (4- (decyloxy) benzoic acid), 4- (heptyloxy) benzoic acid), 4-[(S, S) -2,3-epoxyhexyloxy] phenyl] (4-[(S, S) -2,3-epoxyhexyloxy] phenyl), 4- (undecyloxy) benzoic acid, 4-octyl-4-cyanobiphenyl (4-octyl-4 Smectic represented by cyanobiphenyl), cholesteryl stearate, 4,4'-biphenyl dicarboxylic acid, and phenylpyrimidine. smectic) liquid crystal, 2,3,6,7,10,11-hexamethoxytriphenylene (2,3,6,7,10,11-hexamethoxytriphenylene), (dodecyl-D-cellobiside) hep Dodecyl-D-cellobiosideheptadodecanoate, perylenediimide 1,3,5-triethynylbenzene, phthalocyanine, Tricycloquinazoline, 2,3,6,7,10-hexahexylthiotriphenylene, 2,3,6,7,10-hexahexylthiotriphenylene, hexapentyloxytriphenylene, biphenyl Biphenyl ethynylbenzene, phenylcyclohexane, cyclohexyl cyclohexane, 2,4,6-triphenyl-1,3,5-triazine (2,4,6-triphenyl- Discotic liquid crystals represented by 1,3,5-triazine) and 2,3,6,7,10,11-hexakis (pentyloxy) triphenylene and the like. In addition, ferroelectric liquid crystals, particles having spontaneous electrical polarization that can be reversed by an electric field, can be used in the present invention. Representatives include p-dioxybenzylidene-p-amino-2-methylcinnamate, 2- (4-butyloxyphenyl) -5-octyloxypyrimidine (p-dioxybenzylidene-p-amino-2-methylcinnamate) 2- (4-butyloxyphenyl) -5-octyloxypyrimidine) and hexakis (4- (4 '-((s))-6-methyloctyloxy) biphenoxy) cyclotriphosphazene (4- (4') -((s) -6-methyloctyloxy) biphenoxy) cyclotriphosphazene), cholesteryl acetate, cholesteryl benzoate, cholesteryl caprylate, and cholesterol Cholesteryl chloride, cholesteryl hemisuccinate, cholesteryl oleate, cholesteryl chloroformate, cholesteryl oleyl carbonate ( cholesteryloleyl carbonate, cholesteryl palmitate, and cholesteryl pelagonate (cholesteryl p cholesteric liquid crystals such as elargonate) and the like, and various liquid crystal materials may be used.
상기 광활성층은 정공수용체 30 내지 80 중량%, 전자수용체 10 내지 70 중량% 및 액정물질 0.1 내지 20 중량%을 포함할 수 있다. 상기 범위에서 광전변환효율이 우수한 유기 태양전지가 제조될 수 있다.The photoactive layer may include 30 to 80 wt% of the hole acceptor, 10 to 70 wt% of the electron acceptor, and 0.1 to 20 wt% of the liquid crystal material. In the above range, an organic solar cell having excellent photoelectric conversion efficiency may be manufactured.
음극층의 형성Formation of Cathode Layer
다음 상기 광활성층 상에 음극층을 형성한다. 음극층은 광활성층에서 발생한 전자를 효과적으로 수집하기 위한 전극으로서, 일함수가 작은 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 전극재료를 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 음극층의 재료로서는 알칼리 금속, 나트륨-칼륨 합금, 마그네슘-은혼합물, 알루미늄-리튬 합금, 알루미늄-리튬플루오르 혼합물 등을 사용할 수 있다. 이들의 전극재료는 스퍼터링 또는 진공 증착법으로 막을 형성 시킬 수 있으며, 형성 방법이 특별히 한정 되는 것은 아니다.Next, a cathode layer is formed on the photoactive layer. The cathode layer is an electrode for effectively collecting electrons generated in the photoactive layer, and it is preferable to use an electrode material composed of a metal, an alloy, an electrically conductive compound, and a mixture thereof having a small work function. As the material of such a cathode layer, an alkali metal, sodium-potassium alloy, magnesium-silver mixture, aluminum-lithium alloy, aluminum-lithium fluorine mixture, or the like can be used. These electrode materials can form a film by sputtering or a vacuum deposition method, and the formation method is not specifically limited.
실링공정Sealing process
유기 태양전지는 동작 중에 수분과 산소에 의해 열화가 될 수 있으므로, 대기로부터 형성된 각 층을 차단시킬 필요가 있다. 우선 유리재질의 보호캡 중앙에 수분을 흡수할 수 있는 흡습제를 부착하고, 테두리 부위에는 실링재를 디스펜싱 시킨다. 다음으로 제작된 소자(기판/양극층/양극평탄화층/광활성층/음극)를 디스펜싱된 실링재 상부에 배치시킨 다음, UV 혹은 열을 가하여 실링재를 경화시킨다. 만약 UV를 이용하여 실링재를 경화시킬 경우에는 광활성층 부분에는 UV 광이 유입되지 않도록 조치해야 하며, 이는 UV에 의해 광활성층 등이 열화가 될 수 있기 때문이다. 이외에도 실링공정은 진공 하에서 다층 박막을 형성시키는 방법을 이용할 수도 있다. 이러한 실링공정은 이미 유기전계발광소자 산업분야에서 잘 확립되어 있다.Since organic solar cells may be degraded by moisture and oxygen during operation, it is necessary to block each layer formed from the atmosphere. First, attach a moisture absorbent that can absorb moisture in the center of the protective cap of the glass material, and the sealing material is dispensed on the rim. Next, the fabricated device (substrate / anode layer / anode leveling layer / photoactive layer / cathode) is disposed on the dispensed sealing material, and then the sealing material is cured by applying UV or heat. If the sealing material is cured using UV, UV light should not be introduced into the photoactive layer, since the photoactive layer may be deteriorated by UV. In addition, the sealing process may use a method of forming a multilayer thin film under vacuum. This sealing process is already well established in the organic light emitting device industry.
이하 유기 태양전지 구현방법을 실시예를 통하여 구체화하지만, 이는 본 명세서에 개시된 기술의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 명세서에 개시된 기술이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a method of implementing an organic solar cell will be embodied through examples, but the present invention is only presented to aid the understanding of the technology disclosed herein, and the technology disclosed herein is not limited to the following examples.
<비교예 1>Comparative Example 1
양극층으로서 15 Ω/sq의 시트 저항을 가지는 ~1,500 Å두께의 투명 인듐틴옥사이드(ITO)를 유리 기판 상에 형성(이하 ITO 기판이라 함)하였다. 이 ITO 기판을 아세톤, 세미코크린(풀우치과학사제), 이소프로필 알코올((주)덕산화학제)에 담근 후 각 15 분간 초음파 세정을 행한 후, 건조시켰다. 다음, 대기압 플라즈마 표면처리 장치에서 3분 동안 이 ITO 기판의 표면처리를 행하였다. 다음, ITO 상부에 양극층 평탄화층으로서, 폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설포네이트(스탈크사 제, 이하 PEDOT:PSS라 약칭한다.)를 0.45 μm의 필터를 사용하여 여과한 후, 스핀 코팅에 의해 40nm의 막두께로 형성하였다. 이 기판을 140 ℃에서 15 분간 건조시킨 후, 산소 1 ppm 이하의 드라이 질소 분위기의 글러브 박스로 이송하였다. 전자 공여체 재료로서, 위치 규칙적인 폴리 트리헥실티오펜(Rieke Metals제, 이하 P3HT라 약칭한다) 15 mg과 전자 수용체 재료로서, 풀러렌 유도체인 [6,6]-페닐C61-부티릭 애시드 메틸 에스테르(Nano-C제, 이하 PCBM라 약칭한다) 12 mg을 1 mL의 클로로벤젠에 용해하여 광활성층용 용액을 미리 제조하였으며, 이 광활성층용 용액을 필터에 통과시켜 여과하였다. PEDOT:PSS 상부에 여과된 광활성층 용액을 스핀 코팅하고, 50 ℃에서 40 분간 건조하여 막두께 100 nm의 광활성층을 형성하였다. 다음, 이 기판을 진공증착장치에 세트하고, 광활성층 위에 음극으로서 리튬플로라이드를 0.5nm의 막두께로 형성하고, 그 위에 100 nm의 막두께의 Al 박막을 진공증착법을 이용해서 형성했다. 다음, 이 각 층이 형성된 ITO 기판을 드라이 질소분위기의 글러브박스에서 실링공정을 거쳐 도 1과 같은 층구성의 유기 태양전지를 얻었다.A transparent indium tin oxide (ITO) having a thickness of ˜1,500 kPa having a sheet resistance of 15 Ω / sq as an anode layer was formed on a glass substrate (hereinafter referred to as an ITO substrate). The ITO substrate was immersed in acetone, semicoclean (manufactured by Plough Science, Inc.), and isopropyl alcohol (manufactured by Duksan Chemical Co., Ltd.), followed by ultrasonic cleaning for 15 minutes, and then dried. Next, this ITO substrate was surface-treated for 3 minutes in an atmospheric plasma surface treatment apparatus. Next, polyethylene dioxythiophene: polystyrenesulfonate (hereinafter, abbreviated as PEDOT: PSS) was filtered using a 0.45 μm filter as an anode layer planarization layer on the top of ITO, followed by 40 nm by spin coating. The film thickness was formed. After drying this board | substrate at 140 degreeC for 15 minutes, it transferred to the glove box of the dry nitrogen atmosphere of 1 ppm or less of oxygen. 15 mg of regioregular polytrihexylthiophene (hereinafter referred to as P3HT) as an electron donor material and [6,6] -phenylC61-butyric acid methyl ester which is a fullerene derivative as electron acceptor material ( 12 mg of Nano-C, hereinafter abbreviated as PCBM) was dissolved in 1 mL of chlorobenzene to prepare a solution for the photoactive layer in advance, and the photoactive layer solution was filtered through a filter. The photoactive layer solution filtered on top of PEDOT: PSS was spin coated and dried at 50 ° C. for 40 minutes to form a photoactive layer having a thickness of 100 nm. Subsequently, this substrate was set in a vacuum deposition apparatus, and lithium fluoride was formed as a cathode on the photoactive layer with a film thickness of 0.5 nm, and an Al thin film with a film thickness of 100 nm was formed thereon using a vacuum deposition method. Next, the ITO substrate on which each layer was formed was subjected to a sealing process in a glove box of a dry nitrogen atmosphere to obtain an organic solar cell having a layer structure as shown in FIG. 1.
제작된 유기 태양전지 소자는 150 ℃로 맞추어진 핫플레이트 위에서 30분간 열처리되었다. 광전변환 효율을 측정하였으며, 유기 태양전지 소자의 전압-전류밀도는 Keithley 236 Source Measurement와 Solar Simulator (300W simulator models 81150 and 81250, Spectra physics Co.)를 사용하여 표준조건 (AM 1. 5, 100 mW/cm2, 25 ℃)에서 측정되었으며, 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과는 도 2에 도시되어 있다. 개방회로 전압(Voc)은 0.69 V, 단락회로 전류(Jsc)는 9.25mA/cm2, 곡선 인자(fill factor)는 0.70을 나타냈으며, 이로써 4.46 %의 광전변환 효율을 나타내었다.The fabricated organic solar cell device was heat-treated for 30 minutes on a hot plate set at 150 ° C. The photoelectric conversion efficiency was measured, and the voltage-current density of the organic solar cell device was measured using Keithley 236 Source Measurement and Solar Simulator (300W simulator models 81150 and 81250, Spectra physics Co.) under standard conditions (AM 1. 5, 100 mW). / cm 2 , 25 ℃), the voltage-current density measurement results of the solar cell device is shown in FIG. The open circuit voltage (Voc) was 0.69 V, the short circuit current (Jsc) was 9.25mA / cm 2 , and the fill factor was 0.70, thereby representing 4.46% photoelectric conversion efficiency.
<실시예 1>≪ Example 1 >
비교예 1에서 제시한 태양전지 제조 과정 중에서 P3HT 15 mg과 풀러렌 유도체인 PCBM 12 mg을 1 mL의 클로로벤젠에 용해하여 조제한 용액에 BL004로 시판되고 있는 머크사의 저분자 액정 100 ㎕를 첨가한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조하였다.A solution prepared by dissolving 15 mg of P3HT and 12 mg of PCBM, a fullerene derivative in 1 mL of chlorobenzene, was added 100 μl of Merck's low molecular liquid crystal, commercially available as BL004, to the solution prepared in Comparative Example 1. All manufactured the organic solar cell in the same manner.
제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.68, Jsc 값은 10.55, 곡선 인자는 73 %로 측정되었으며, 광전변환율은 5.23 %였다. 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과는 도 3에 도시되어 있다.The VOC value of the fabricated organic solar cell was 0.68, the Jsc value was 10.55, the curve factor was 73%, and the photoelectric conversion rate was 5.23%. The voltage-current density measurement results of the device are shown in FIG. 3.
<실시예 2><Example 2>
P3HT와 PCBM 혼합 용액에 4-시아노-4'-펜틸비페닐(4-Cyano-4'-pentylbiphenyl, LC1)을 첨가하여 광활성층 용액을 제조한 것을 제외하고는 비교예 1에서 제시된 방법과 모두 동일하게 유기 태양전지를 제조하였다. 제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.71, Jsc 값은 10.77, 곡선 인자는 68 %로 측정되었으며, 광전변환율은 5.20 %였다.All of the methods shown in Comparative Example 1 were performed except that the photoactive layer solution was prepared by adding 4-cyano-4'-pentylbiphenyl (LC1) to the mixed solution of P3HT and PCBM. In the same manner, an organic solar cell was manufactured. The organic solar cell had a Voc value of 0.71, a Jsc value of 10.77, a curve factor of 68%, and a photoelectric conversion rate of 5.20%.
<실시예 3><Example 3>
P3HT와 PCBM 혼합 용액에 4,4'-아조옥시디아니솔(4, 4'-Azoxydianisole, LC2)을 첨가하여 광활성층 용액을 제조한 것을 제외하고는 비교예 1에서 제작된 유기 태양전지와 모두 동일하게 유기 태양전지를 제조하였다. 제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.69, Jsc 값은 8.92, 곡선 인자는 76 %로 측정되었으며, 광전변환율은 4.70 %였다.All of the organic solar cells manufactured in Comparative Example 1 were prepared except that 4,4'-Azooxydianisole (LC2) was added to the P3HT and PCBM mixed solution to prepare a photoactive layer solution. In the same manner, an organic solar cell was manufactured. The fabricated organic solar cell had a Voc value of 0.69, a Jsc value of 8.92, a curve factor of 76%, and a photoelectric conversion rate of 4.70%.
<실시예 4><Example 4>
실시예 1에서 제시한 태양전지 제조 과정 중 광활성층 용액의 P3HT의 함량을 10 mg으로 변경하였고, PCBM의 함량을 15 mg으로 변경한 것을 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 제조하였다. Voc 값은 0.67, Jsc 값은 9.45, 곡선 인자는 72 %로 측정되었으며 이로서 4.5%의 광전변환 효율을 나타내었다.The P3HT content of the photoactive layer solution was changed to 10 mg and the PCBM content was changed to 15 mg in the solar cell manufacturing process shown in Example 1, and all were prepared in the same manner. The Voc value was 0.67, the Jsc value was 9.45, and the curve factor was 72%, indicating a photoelectric conversion efficiency of 4.5%.
<실시예 5> 저분자 액정물질이 함유된 유기 태양전지의 제조Example 5 Fabrication of Organic Solar Cell Containing Low Molecular Liquid Crystal Material
실시예 1에서 제시한 태양전지 제조 과정 중 광활성층 용액에 첨가된 액정물질의 양을 500㎕로 변화시킨 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 제조하였다. 제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.69, Jsc 값은 9.55, 곡선 인자는 75 %로 측정되었으며, 광전변환율은 4.94 %였다. 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과는 도 4에 나타내었다.Except for changing the amount of the liquid crystal material added to the photoactive layer solution in the solar cell manufacturing process shown in Example 1 to 500㎛ all were prepared by the same method. The fabricated organic solar cell had a Voc value of 0.69, a Jsc value of 9.55, a curve factor of 75%, and a photoelectric conversion rate of 4.94%. The voltage-current density measurement results of the device are shown in FIG. 4.
<실시예 6><Example 6>
실시예 1에서 제시한 태양전지 제조 과정 중에서 P3HT대신 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-ρ-phenylenevinylene)을 사용한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조하였다. 제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.67, Jsc 값은 9.55, 곡선 인자는 71 %로 측정되었으며, 광전변환율은 4.54 %였다.Organic solar cells were manufactured in the same manner except that polyparaphenylenevinylene was used instead of P3HT in the solar cell manufacturing process shown in Example 1. The fabricated organic solar cell had a Voc value of 0.67, a Jsc value of 9.55, a curve factor of 71%, and a photoelectric conversion rate of 4.54%.
<실시예 7><Example 7>
실시예 1에서 제시한 태양전지 과정 중에서 PCBM 대신에 제2의 풀러렌 유도체를 이용한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조하였다. 여기서 제2의 풀러렌 유도체는 기 발표된 문헌[Szydłowska, K. Trzci´nska, R. Bilewicz, J. Mieczkowski, Synth. Met. 158, 75(2008)]과 동일한 방법으로 합성하여 소자제작에 이용하였다. 제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.64, Jsc 값은 9.67, 곡선 인자는 73 %로 측정되었으며, 광전변환율은 4.51 %였다. 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과는 도 5에 나타내었다.Organic solar cells were manufactured in the same manner except for using the second fullerene derivative instead of PCBM in the solar cell process shown in Example 1. The second fullerene derivatives here are described in Szydłowska, K. Trzci´nska, R. Bilewicz, J. Mieczkowski, Synth. Met. 158, 75 (2008)] and synthesized in the same manner as the device fabrication. The fabricated organic solar cell had a Voc value of 0.64, a Jsc value of 9.67, a curve factor of 73%, and a photoelectric conversion rate of 4.51%. The voltage-current density measurement results of the device are shown in FIG. 5.
실시예 1~7에 따라 제작된 유기 태양전지 소자에서 광활성층의 두 물질 사이의 밴드갭 에너지 차이에 의하여 결정되는 개방 회로 전압의 값이 액정이 첨가되지 않은 비교예 1보다 높게 측정되었고, 광전류의 흐름과 우수한 계면 접촉에 따른 이온전도도에 의하여 결정되는 단락회로 전류의 경우도 액정물질이 첨가되지 않았을 경우보다 더 높은 값을 나타내었다. 이로 인하여 에너지 전환효율도 액정이 첨가되 지 않은 경우와 비교하여 높은 경향을 나타내었다.In the organic solar cell device fabricated according to Examples 1 to 7, the value of the open circuit voltage determined by the difference in the bandgap energy between the two materials of the photoactive layer was measured to be higher than that of Comparative Example 1 without the addition of liquid crystal. The short-circuit current determined by the ion conductivity according to the flow and good interfacial contact also showed a higher value than the case where no liquid crystal material was added. For this reason, the energy conversion efficiency also showed a higher tendency compared with the case where no liquid crystal was added.
상술한 바에 따르면, 유기 태양전지 소자의 광활성층 용액에 미량의 액정을 첨가하여 매우 간단한 공정으로 유기 태양전지 소자를 제작할 수 있다. 상기 유기 태양전지의 광활성층에는 액정 물질이 첨가됨으로써 종래의 액정 물질이 첨가되지 않은 유기 태양전지 소자보다 높은 광전변환효율을 얻을 수 있다.As described above, the organic solar cell device can be manufactured in a very simple process by adding a small amount of liquid crystal to the photoactive layer solution of the organic solar cell device. By adding a liquid crystal material to the photoactive layer of the organic solar cell, a photoelectric conversion efficiency higher than that of an organic solar cell device in which a conventional liquid crystal material is not added may be obtained.
도 1은 통상적인 유기 태양전지의 구조를 나타낸 도면이다.1 is a view showing the structure of a conventional organic solar cell.
도 2는 비교예 1의 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과이다.2 is a voltage-current density measurement result of the solar cell device of Comparative Example 1.
도 3은 실시예 1의 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과이다.3 is a voltage-current density measurement result of the solar cell device of Example 1.
도 4는 실시예 5의 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과이다.도 5는 실시예 7의 태양전지 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과이다.4 is a voltage-current density measurement result of the solar cell device of Example 5. FIG. 5 is a voltage-current density measurement result of the solar cell device of Example 7. FIG.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020080104659A KR101025240B1 (en) | 2008-10-24 | 2008-10-24 | Organic Solar Cell |
Applications Claiming Priority (1)
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