KR101030039B1 - 유기 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

광전변환재료로서 도전성 고분자와 나노입자의 혼합물을 사용하는 벌크 이종접합 구조를 가지는 유기 태양전지의 변환효율을 높이고자 한다. 이를 위해 본 발명에서는 빛에 의해 생성 및 분리된 전자의 수집을 돕기 위해 전극 위에 탄소 나노튜브를 수직으로 배열하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 서로 대향 배치되는 음극 및 양극; 음극 위에 형성되고 수직으로 배열된 탄소 나노튜브; 음극 및 양극 사이에 위치하고 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층을 포함하는 구성이다.
탄소 나노튜브, 유기, 태양전지

Description

유기 태양전지 및 그 제조방법 {Organic solar cell and fabrication method thereof}
도 1은 종래 유기 태양전지의 구조가 도시된 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 유기 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.
본 발명은 유기 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도전성 고분자와 나노입자의 혼합물을 사용하는 벌크 이종접합 구조의 유기 태양전지에서 탄소 나노튜브를 사용하여 효율을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
유기 태양전지에 관한 대표적인 종래 기술로는 미국특허 5,331,183호가 있다. 도 1은 종래 유기 태양전지의 구조가 도시된 단면도로서, 이에 도시된 바와 같이, 종래 유기 태양전지는 기판 및 그 위에 형성된 주석도핑 산화인듐(ITO : tin-doped indium oxide) 박막과 같은 투명전극(양극)(1)과 알루미늄 전극(음극)(2)의 사이에 전자수용체(electron acceptor)(3)와 정공수용체(hole acceptor)(4)가 혼재되어 있는 벌크 이종접합 구조를 가지고 있다.
정공수용체(4)로는 피피브이(PPV:poly-para-phenylene vinylene)와 같은 도 전성을 갖는 공액 고분자(conjugated polymer)가 사용되고, 전자수용체로(3)는 풀러렌(fullerene, 60)을 사용한다.
공액고분자와 풀러렌은 두 전극 사이에 혼합되어 있는데, 이 때 빛에 의해 생성된 전자를 풀러렌을 통해 알루미늄 전극으로 손실 없이 수집하기 위해서는 공액고분자 내에 풀러렌이 충분히 혼합되어 있어야 한다. 풀러렌이 공액고분자와 잘 혼합되도록 하기 위해 피씨비엠(PCBM([6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester), methanofullerene의 일종)과 같은 풀러렌 유도체를 사용한다.
공액고분자가 빛을 흡수하여 전자-정공쌍(exciton)이 생성되고 전자와 정공은 각각 풀러렌과 공액고분자를 경유하여 양극 및 음극에 수집된다.
이와 같은 종래 기술에서 전자수용체로 사용하는 풀러렌은 탄소원자 60개가 축구공 모양으로 결합되어 있는 구조이며 분리된 전자를 잘 받아들이는 이상적인 전자수용체이지만 전극으로 전자를 전달하기에 적합한 재료는 아니다. 따라서 전자수용체가 받아들인 전자가 음극으로 충분히 전달되지 못함으로 인해 유기 고분자 태양전지의 효율이 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 전자수용체가 받아들인 전자를 음극으로 효과적으로 전달하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유기 태양전지, 그 중에서도 광전변환재료로서 도전성 고분자와 나노입자의 혼합물을 사용하는 벌크 이종접합 구조를 가지는 유기 태양전지의 변환효율을 높이는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 빛에 의해 생성 및 분리된 전자의 수집을 돕기 위해 전극 위에 탄소 나노튜브를 수직으로 배열하는 것을 특징으로 한다.
이렇게 하면 벌크 이종접합 구조의 유기 태양전지에서 빛에 의해 생성 및 분리된 전자를 전극 위에 수직으로 배열된 탄소 나노튜브를 통해 수집함으로써 전자의 수집효율을 높이고, 나아가 광전변환층인 도전성 고분자와 나노입자 혼합물층의 두께를 증가시켜 더욱 많은 빛을 흡수할 수 있게 함으로써 변환효율의 향상을 기대할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 서로 대향 배치되는 음극 및 양극; 음극 위에 형성되고 수직으로 배열된 탄소 나노튜브; 음극 및 양극 사이에 위치하고 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층을 포함하는 구성이다.
이 때 광전변환층의 두께는 100nm 보다 클 수 있다.
음극은 유리 또는 세라믹 기판과 같은 절연기판 상에 형성된 알루미늄 또는 텅스텐과 같은 도전성 박막 형태일 수도 있고, 또는 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 실리콘 중의 어느 하나로 이루어진 금속판 형태일 수도 있다.
양극은 태양광이 투과할 수 있는 투명전극인 것이 바람직하고, 일 예로는 주석도핑 산화인듐(ITO : tin-doped indium oxide) 또는 불소도핑 산화주석(FTO : fluorine-doped tin oxide)이 있다.
정공수용체는 피피브이(PPV:poly-para-phenylene vinylene)를 포함하는 도전 성 고분자이고, 전자수용체는 풀러렌(fullerene, 60), CdS, CdSe, CdTe, ZnSe 중의 어느 하나로 이루어진 나노입자일 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 유기 태양전지를 제조하기 위해서는, 음극을 준비하는 단계; 음극 상에 탄소 나노튜브를 수직으로 배열되도록 형성하는 단계; 탄소 나노튜브 및 음극 상에 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층을 형성하는 단계; 광전변환층 상에 양극을 형성하는 단계를 순차 수행한다.
탄소 나노튜브를 형성하는 단계에서는 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 방법을 이용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 음극 상에 코발트, 니켈, 및 텅스텐 중의 어느 하나를 포함하는 촉매박막을 형성한 후 촉매박막 상에 플라즈마 화학기상증착 방법으로 탄소 나노튜브를 수직으로 배열되도록 형성할 수 있다.
광전변환층을 형성하는 단계에서는 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 닥터 블레이드법 중의 어느 한 방법으로 광전변환층을 100nm 보다 큰 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
음극을 준비하는 단계에서는 유리 또는 세라믹으로 이루어진 절연기판 상에 알루미늄 박막 또는 텅스텐 박막을 형성하거나, 또는 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 실리콘 중의 어느 하나로 이루어진 금속판을 준비할 수 있다.
양극을 형성하는 단계에서는 스퍼터링 또는 진공증착법에 의해 주석도핑 산화인듐(ITO : tin-doped indium oxide) 또는 불소도핑 산화주석(FTO : fluorine-doped tin oxide)을 형성할 수 있다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에서는 전자수용체가 받아들인 전자를 음극으로 효과적으로 전달하기 위한 수단으로서 음극 위에 수직으로 배열된 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 사용한다.
미국특허 2002/0159943에 단일벽(single wall) 탄소 나노튜브의 배열 또는 배열된 탄소 나노튜브의 끝부분에 빛에 반응하는 색소(photoactive dye)가 결합된 것을 광흡수 재료(photon collector)로 사용한 예가 있다.
그러나 본 발명에서는 광흡수 재료로서 전자 및 정공 수용체가 혼합된 벌크 이종접합 재료를 사용하고, 분리된 전자를 전극에 전달하는 수단으로 탄소 나노튜브를 사용하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 유기 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 서로 대향 배치되는 음극(10, 11)과 양극(14)을 포함하고 있고, 음극(10, 11) 위에는 수직으로 배열된 탄소 나노튜브(12)가 형성되어 있으며, 음극(10, 11) 및 양극(14) 사이에는 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층(13)이 위치하고 있다.
음극은 유리나 세라믹과 같은 절연 기판(10) 상에 알루미늄 박막 또는 텅스텐과 같은 도전성 박막(11)이 형성된 구조이다. 또는 음극은 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 실리콘과 같은 금속판을 기판으로 사용할 수 있으며, 이처럼 기판이 금속인 경우 그 위의 전극층은 생략할 수 있다.
음극(10, 11) 위에 탄소 나노튜브 배열을 성장시키는 방법은 여러 문헌에 제시되어 있다. 예를 들면 M. Chhowalla 등이 발표한 "플라즈마 화학기상증착 방법을 이용한 수직으로 배열된 탄소 나노튜브의 성장 조건(Growth process conditions of vertically aligned carbon nanotubes using plasma enhanced chemical vapor deposition)"(Journal of Applied Physics, volume 90, number 10, page 5308-5317)에서는 실리콘을 기판으로 하고 직류 플라즈마 화학기상증착법(PECVD)을 사용하여 기판에 대해 수직으로 배열된 탄소 나노튜브를 성장시켰다.
즉, 기판 위에 두께 0.5~20nm의 코발트(Co) 또는 니켈(Ni) 촉매를 스퍼터링(sputtering)이나 진공증착법으로 형성한 후 750℃에서 열처리를 하면 Co 또는 Ni 박막이 기판과의 표면장력 및 열팽창계수의 차이로 인해 무수히 작은 섬(island) 형태로 분리된다. 이어서 암모니아(NH3)와 아세틸렌(C2H2) 가스 분위기에서 직류 플라즈마를 형성하면 기판 위에 탄소 나노튜브가 수직으로 성장한다. 성장되는 탄소 나노튜브의 직경, 성장속도 및 밀도(단위면적당 탄소 나노튜브의 수)는 촉매 박막의 두께로 조절할 수 있다.
또 다른 방법을 예로 들면, M. Tanemura 등이 발표한 "플라즈마 화학기상증착 방법에 의한 배열된 탄소 나노튜브이 성장: 성장 파라미터의 최적화(Growth of aligned carbon nanotubes by plasma-enhanced chemical vapor deposition: Optimization of growth parameters)"(Journal of Applied Physics, volume 90, number 3, page 1529-1533)에서는 탄소 나노튜브를 텅스텐 위에 성장하였으며 그 방법은 앞에 제시한 예와 유사하다.
최영철 등이 발표한 "니켈 박막의 표면 형상이 고주파 플라즈마 화학기상증 착 방법에 의한 배열 탄소 나노튜브의 성장에 미치는 영향(Effect of surface morphology of Ni thin film on the growth of aligned carbon nanotubes by microwave plasma-enhanced chemical vapor deposition)"(Journal of Applied Physics, volume 88, number 8, page 4898-4903)에서는 실리콘 기판 위에 고주파(microwave) PECVD법으로 탄소 나노튜브를 성장시켰다.
상술한 바와 같은 방법으로 음극(10, 11) 위에 탄소 나노튜브를 성장시킨 후 그 위에 도전성 고분자와 나노입자가 혼합된 광전변환층(13)을 도포한다. 도포 방법으로는 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 닥터 블레이드법 등이 가능하다.
이 때 광전변환층(13)은 100nm 보다 큰 두께로 형성한다. 종래 기술에서는 빛에 의해 생성된 전자의 수집효율이 낮아 광전변환층(13)의 두께가 100nm 정도까지로 제한되었으나, 본 발명에서는 탄소 나노튜브(12)를 통해 전자를 효과적으로 수집할 수 있으므로 광전변환층(13) 층의 두께를 100nm 보다 크게 증가시킴으로써 빛의 흡수를 증가시키는 것이 가능하다. 따라서, 높은 변환효율을 얻을 수 있게 된다.
아울러 종래의 발명에서는 광전변환층(13)의 두께가 너무 얇기 때문에 빛의 흡수를 증가시키기 위해서는 도전성 고분자의 광학적 밴드갭을 작게 할 필요가 있었다. 그러나, 일반적으로 도전성 고분자의 광학적 밴드갭이 작아질수록 재료의 안정성이 떨어지기 때문에 안정하면서도 광학적 밴드갭이 작은 도전성 고분자를 개발하는 것이 기술적인 과제였다.
그러나, 본 발명에서는 광전변환층(13)을 충분히 두껍게 할 수 있으므로 안정하면서도 광학적 밴드갭이 큰 기존의 도전성 고분자를 사용해도 높은 변환효율을 얻을 수 있게 된다.
광전변환층(13)은 정공수용체와 전자수용체가 혼합된 것으로서, 정공수용체는 피피브이(PPV:poly-para-phenylene vinylene)를 포함하는 도전성 고분자이고, 전자수용체는 풀러렌(fullerene, 60), CdS, CdSe, CdTe, ZnSe 중의 어느 하나로 이루어진 나노입자인 것이 바람직하다. 나노입자로서는 풀러렌이 대표적이지만 CdS, CdSe, CdTe, 또는 ZnSe와 같은 반도체 나노입자도 적용할 수 있다.
광전변환층(13)을 코팅한 후에는 최종적으로 주석도핑 산화인듐(ITO : tin-doped indium oxide) 또는 불소도핑 산화주석(FTO : fluorine-doped tin oxide)ITO와 같은 투명전극으로 이루어진 양극(14)을 형성한다.
일반적으로 ITO 박막은 스퍼터링이나 진공증착법으로 형성할 수 있지만 도전성 고분자로 구성된 광전변환층(13) 위에 형성하는 경우에는 진공증착법이 더욱 바람직하다. 스퍼터링의 경우 박막 형성 과정에서 높은 에너지를 가진 이온이 광전변환층(13)에 손상을 줄 수 있기 때문이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 벌크 이종접합 구조의 유기 태양전지에서 빛에 의해 생성 및 분리된 전자를 전극 위에 수직으로 배열된 탄소 나노튜브를 통해 수집함으로써 전자의 수집효율을 높이는 효과가 있다.
또한 광전변환층인 도전성 고분자와 나노입자 혼합물층의 두께를 증가시켜 더욱 많은 빛을 흡수할 수 있게 함으로써 변환효율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 서로 대향 배치되는 음극 및 양극;
    상기 음극 위에 형성되고 수직으로 배열된 탄소 나노튜브;
    상기 음극 및 양극 사이에 위치하고 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층을 포함하며,
    상기 정공수용체는 피피브이(PPV:poly-para-phenylene vinylene)를 포함하는 도전성 고분자이고, 상기 전자수용체는 CdS, CdSe, CdTe, ZnSe 중의 어느 하나로 이루어진 나노입자인 유기 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전변환층의 두께가 100nm 보다 큰 유기 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극은 절연기판 상에 형성된 도전성 박막이거나 또는 도전성 기판인 유기 태양전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 절연기판은 유리 또는 세라믹 기판이고, 상기 도전성 박막은 알루미늄 박막 또는 텅스텐 박막이며,
    상기 도전성 기판은 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 실리콘 중의 어느 하나로 이루어진 금속판인 유기 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극은 주석도핑 산화인듐(ITO : tin-doped indium oxide) 또는 불소도핑 산화주석(FTO : fluorine-doped tin oxide)을 포함하는 투명 전극인 유기 태양전지.
  6. 삭제
  7. 음극을 준비하는 단계;
    상기 음극 상에 탄소 나노튜브를 수직으로 배열되도록 형성하는 단계;
    상기 탄소 나노튜브 및 음극 상에 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층을 형성하는 단계;
    상기 광전변환층 상에 양극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 정공수용체는 피피브이(PPV:poly-para-phenylene vinylene)를 포함하는 도전성 고분자이고, 상기 전자수용체는 CdS, CdSe, CdTe, ZnSe 중의 어느 하나로 이루어진 나노입자인 유기 태양전지의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브를 형성하는 단계에서는 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 방법으로 상기 탄소 나노튜브를 형성하는 유기 태양전지의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브를 형성하는 단계에서는 상기 음극 상에 코발트, 니켈, 및 텅스텐 중의 어느 하나를 포함하는 촉매박막을 형성한 후 상기 촉매박막 상에 플라즈마 화학기상증착 방법으로 탄소 나노튜브를 수직으로 배열되도록 형성하는 유기 태양전지의 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 광전변환층을 형성하는 단계에서는 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 닥터 블레이드법 중의 어느 한 방법으로 상기 광전변환층을 100nm 보다 큰 두께로 형성하는 유기 태양전지의 제조 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 음극을 준비하는 단계에서는 유리 또는 세라믹으로 이루어진 절연기판 상에 알루미늄 박막 또는 텅스텐 박막을 형성하거나, 또는 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 실리콘 중의 어느 하나로 이루어진 금속판을 준비하는 유기 태양전지의 제조 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 양극을 형성하는 단계에서는 스퍼터링 또는 진공증착법에 의해 주석도핑 산화인듐(ITO : tin-doped indium oxide) 또는 불소도핑 산화주석(FTO : fluorine-doped tin oxide)을 형성하는 유기 태양전지의 제조 방법.
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