KR101032456B1

KR101032456B1 - 유기 태양 전지 발광층의 형성 방법 및 이를 이용한 유기 태양 전지

Info

Publication number: KR101032456B1
Application number: KR1020100097049A
Authority: KR
Inventors: 김오길; 안세영
Original assignee: 메디소스플러스(주)
Priority date: 2009-10-05
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2011-05-03
Also published as: KR20110037899A

Abstract

유기 태양 전지 발광층의 형성 방법이 개시된다. 본 발명에 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법은 (a) 전자 도너를 D, 전자 억셉터를 A라고 할 때, D-A-D의 배열을 가지는 D-A-D 로드(rod; 10) 복수개를 준비하는 단계; (b) D-A-D 로드(10)의 양단의 D(12)를 화학적으로 처리하는 단계; (c) A(11)와 화학적 친화력이 있는 베이스 전극(300)을 준비하는 단계; 및 (d) 복수개의 D-A-D 로드(10)를 베이스 전극(300)에 공급하여 베이스 전극(300) 상에 복수개의 D-A-D 로드(10)가 자기 조립(self-assembly)되어 형성된 나선형(spiral) 구조의 헬리컬(helical) 로드 복수개를 포함하는 발광층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유기 태양 전지 발광층의 형성 방법 및 이를 이용한 유기 태양 전지{FABRICATING METHOD OF THE EMITTING LAYER OF AN ORGANIC SOLAR CELL AND AN ORGANIC SOLAR CELL USING THE SAME}

본 발명은 자기 조립(self-assembly) 방식으로 수직 정렬된(aligned) 광전도성(photoconductive) 헬리컬 로드(rod)로 구성된 발광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지에 관한 것이다.

태양광 발전을 이용한 태양 전지는 광 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 소자다. 이러한 변환의 효율은 기본적으로 그 소자의 재료 시스템 및 재료 특성에 의존한다. 소자의 재료 및 그 구성요소를 달리하여, 태양 전지의 특성 및 구조를 다양화한 수 많은 태양 전지가 보고되어 왔다.

변환 효율을 결정하는 물리적인 변수들로는, 여기(excited) 상태에서의 양자 효율(quantum efficiency), 도너(donor; 이하 D) 또는 억셉터(acceptor; 이하 A), 발색단(chromophore)에서 전하 분리된(charge-separated) 상태인 전자 및 정공의 수명, 마주보고 있는 전극으로의 전하 이동도(charge mobility) 등을 들 수 있다.

한편, 태양 전지 중의 한 종류인 유기 태양 전지는 D/A 쌍의 유기/폴리머 반도체 혼합물, p-n 접합 시스템 및 유기 염료와 비유기 반도체를 포함하는 하이브리드 시스템 등으로 구성된다. 일반적으로, 이러한 재료들은 한 쌍의 전극 사이에 삽입되어(sandwiched) 하나의 층 (layered) 소자로 사용된다. 전형적인 유기 태양 전지시스템으로는, 폴리(3-octylphenylthiophene)/폴리(3-(2-ethylhexyloxy)-6-methoxyphenylen-2-cyanovinylene), 폴리(3-hexylthiophene)/카드뮴 셀레니드(cadmium selenide; CdSe) 분산체(dispersion), 정공 이송(hole-transporting) 폴리머를 포함하는 염료/산화티탄 하이브리드 시스템 등이 있다.

수 많은 타입의 분자 모델이 자연적 광합성(photosynthetic) 반응 센터(center)를 모사하는(mimics) 것으로 알려져 있지만, 태양광 발전에 적용하기 위하여 실제로 통합된 시스템은 드물다.

최근에, 본 출원인은 헬리컬(helical) 초분자(supramolecular) 시스템을 개발하였는데, 이러한 시스템에 따르면, D-A 쌍의 발색단이 헬리컬 아밀로오스(amylose)에 의하여 단일 분자 수준으로(single-molecularly) 캡슐화 되어 있으며(encapsulated), 그 헬리컬 표면은 광수용 안테나(photoreceptor antenna)로 사용될 수 있는 시아닌(cyanine) 염료 분자 어레이에 의하여 덮여있다(decorated). 이러한 안테나에 의하여 수집되는 광 에너지는, 그 헬릭스(helix) 내 발색단의 D 유닛으로 집중되고(funneled), 전하의 분리가 발생하는 헬리컬 채널을 거쳐서 A 유닛으로 이동되게 된다. 이러한 통합된 헬리컬 초분자 시스템은 95% 이상의 훌륭한 에너지/전자 전이를 나타내었다. 더욱이, 이 시스템은 전극 상에서 수직으로 자기-조립될(self-assembled) 수 있기 때문에, 이 시스템을 보조 전극(counter electrode) 사이에 삽입함으로써, 태양광 발전 장치가 제조될 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 자기 조립 방식으로 수직 정렬된 광전도성 헬리컬 로드로 구성된 발광층을 포함하는 유기 태양 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지 발광층의 형성 방법은 (a) 전자 도너를 D, 전자 억셉터를 A라고 할 때, D-A-D의 배열을 가지는 D-A-D 로드(rod) 복수개를 준비하는 단계; (b) 상기 D-A-D 로드의 양단의 D를 화학적으로 처리하는 단계 (c) 상기 A와 화학적 친화력이 있는 베이스 전극을 준비하는 단계; 및 (d) 상기 복수개의 D-A-D 로드를 상기 베이스 전극에 공급하여 상기 베이스 전극 상에 상기 복수개의 D-A-D 로드가 자기 조립(self-assembly)되어 형성된 나선형(spiral) 구조의 헬리컬(helical) 로드 복수개를 포함하는 발광층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 D는 포르피린(porphyrin)이며 상기 A는 페릴린 비스이미드(perylene bisimide)일 수 있다.

상기 (b) 단계는 상기 D-A-D 로드의 양단(D)에 전기적 극성을 갖는 리간드를 부착시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 리간드는 키랄(chiral) 리간드일 수 있다.

상기 (d) 단계에서, 상기 헬리컬 로드는 상기 복수개의 D-A-D 로드의 A 사이의 인력으로 인하여 상기 복수개의 D-A-D 로드가 수직으로 결합됨으로써 형성되되 상기 복수개의 D-A-D 로드 양 단에 부착된 리간드 사이의 척력으로 인하여 상기 복수개의 D-A-D 로드가 소정의 각도를 가지며 비틀리게 결합됨으로써 형성될 수 있다.

상기 (d) 단계 이전에 상기 복수개의 D-A-D 로드의 A 사이에 강한 인력이 발생하도록 상기 복수개의 D-A-D 로드를 처리할 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지는 베이스 전극; 상기 베이스 전극 상에 형성된 발광층; 및 상기 발광층 상에 형성된 상부 전극을 포함하며, 상기 발광층은, 전자 도너를 D, 전자 억셉터를 A라고 할 때, D-A-D 배열을 가지는 복수개의 로드가 자기 조립에 의하여 나선형 구조로 합성되어 형성된 헬리컬 로드 복수개를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 베이스 전극과 상부 전극 중 적어도 어느 하나는 광에 대하여 투명한 재질일 수 있다.

본 발명에 의하면, 자기 조립 방식으로 수직 정렬된 광전도성 헬리컬 로드로 구성된 발광층을 포함하는 유기 태양 전지를 제공할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 에너지 변환 효율이 향상된 유기 태양 전지를 제공할 수 있게 된다.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지에 발광층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 구성을 나타내는 도면이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 바람직한 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 발광층(100)을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에서는 본 발명의 D-A-D 로드(10)를 나타내고 있다.

먼저, 도 1을 참조하면, 복수개의 D-A-D 로드(10)를 준비할 수 있다.

본 발명의 D-A-D 로드(10)는 유기 태양 전지에서 사용될 수 있는 발색단을 의미할 수 있다. 여기서, D(12)는 전자 도너를 의미할 수 있으며, 전자를 A(11)에 부여하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, A(11)는 전자 억셉터를 의미할 수 있으며, 전자를 D(12)로부터 부여 받는 역할을 수행할 수 있다.

전자를 부여하는 역할을 수행할 수 있다면 D(12)는 특별한 물질로 한정되지 아니하나, 바람직하게는 본 발명의 D(12)로서 포르피린(porphyrin)을, 더 바람직하게는 테트라-아릴 포르피린(tetra-aryl porphyrin; TPP)을 채용할 수 있다. 또한, 위와 유사하게, 전자를 부여 받는 역할을 수행할 수 있다면 D(12)는 특별한 물질로 한정되지 아니하나, 바람직하게는 본 발명의 A(11)로서 페릴린 비스이미드(perylene bisimide)를 채용할 수 있다.

도 2 및 도 3에서는 포르피린과 페릴린 비스이미드의 분자 구조가 도시되고 있다. 포르피린과 페릴린 비스이미드는, π-결합된 반도체 빌딩 블록으로서의 역할을 수행할 수 있으며, 양자 모두 π-π 스태킹(stacking)을 선호하는 거대한 평면 복합 구조(large planar conjugated structure)를 가지고 있어 강한 응집 성향을 나타내게 된다.

D-A-D 로드(10)에서 D(12)와 A(11)는 플렉시블 체인 스페이서(flexible chain spacer)에 의해 연결될 수 있다. 이러한 플렉시블 체인 스페이서는 친수성(hydrophilic)의 특성을 가질 수 있다. 플렉시블 체인 스페이서에 의해서 D(12)와 A(11)는 D-A-D 배열로 응집(aggregation)될 수 있다.

위의 개념을 더 확대시키는 경우, D-A-D 로드(10) 외에도 친수성을 가지는 X가 전자 도너 D(12)와 전자 억셉터 A(11)에 도입되어 D-A-X 형태의 로드(미도시)를 제조할 수도 있다. 이러한 D-A-X 로드 역시 아래에서 설명되는 방법에 의하여 헬리컬 로드(110)로서 성장될 수 있을 것이다.

다음으로, 도 1을 더 참조하면, D-A-D 로드(10)의 양단의 D(12)를 화학적으로 처리할 수 있다.

D-A-D 로드(10)의 양단의 D(12)를 화학적으로 처리하는 이유는 D(12)를 J-응집[J-aggregation; 부분적으로 슬립된 π-중첩(overlapping)]시키기 위한 것이다. 본 발명에서는 후술하는 바와 같이 복수개의 D-A-D 로드(10)를 자기 조립(self-assembly)시켜 나선형(spiral) 구조의 헬리컬(helical) 로드를 형성할 필요가 있는데, 이를 위해서는 D(12)가 J-응집하는 것이 매우 유리하기 때문이다(후술하는 바와 같이, D(12)는 J-응집되어 안테나 역할(광수용체)을 수행하기 때문에, D(12)가 J-응집하지 아니하고 완전하게 H-응집하는 경우, 안테나로서의 D(12)의 여기 에너지는 손실(진정)될 것이며, 의도하였던 나선형 구조의 헬리컬 로드(110)의 형성은 불가능할 것이다).

또한, D(12)의 H-응집[페이스 투 페이스(face-to-face) 스태킹]은 여기를 진정시키는(quenching) 것을 유발하지만, D(12)의 J-응집은 응집체를 지나는 여기자(exciton)의 이동으로 인하여 양자 효율 및 에너지 이동 효율을 향상시킬 수 있기 때문에, D(12)가 J-응집하는 것이 유기 태양 전지의 에너지 변환 효율 향상을 위해서도 매우 중요하다.

D(12)의 J-응집을 유도하기 위하여 D(12)를 화학적으로 처리하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 이하에서는 위와 같은 여러 가지 방법 중 몇 가지 방법에 대해서 소개하기로 한다.

우선, D(12)를 화학적으로 처리하는 한 가지 방법은 D(12)에 전기적 극성을 가지는 리간드(13)를 부착하는 것이다. 다시 말하여, D-A-D 로드(10)의 양단에 존재하는 D(12)에 전기적 극성을 가지는 리간드(13)를 부착하는 것이다. 도 1을 참조하면, D(12)에 리간드(13)가 부착되어 있는 모습을 확인할 수 있다.

D(12)에 부착된 리간드(13)는 서로 입체적인 척력을 가지는 것이 바람직하다. D-A-D 로드(10) 양 단에 부착된 리간드(13) 사이의 입체적인 척력으로 인하여, 후술하는 발광층(100) 형성 공정에서 복수개의 D-A-D 로드(10)가 소정의 각도를 가지며 비틀리게 결합될 수 있기 때문이다.

이러한 리간드(13)는 (친수성을 가지는) 키랄 리간드(13)인 것이 바람직하다. 이와 같은 키랄 리간드(13)의 휘감기려는(twisting) 힘에 의하여 D(12)가 J-응집되어 복수개의 D-A-D 로드(10)가 자기 조립됨으로써 나선형 구조의 헬리컬 로드(110)가 형성될 수 있기 때문이다. 키랄 리간드(13)는 당류(saccharide), 아미노산 또는 여타의 광학적 활성 리간드(13)일 수 있다.

다음으로, D(12)를 화학적으로 처리하는 또 다른 방법은 D(12)가 포르피린인 경우에 적용될 수 있는 방법이다. 바로, 포르피린 링 센터(ring center)를 활성화하는 것인데, 이는 이웃하는 포르피린들의 주위에서 상호 작용하고 있는 그룹들을 끌어 당기기 위한 단순한 화학적 변형을 행하는 것이다. 즉, 측면에서의 상호 작용에 의해 부분적으로 π-중첩된 응집을 촉진시키는 것이다. 이를 위하여, D(12)와 A(11) 사이에 플렉시블한 체인 링커[linker; 예를 들면, 올리고마 정도의 옥시에틸렌 체인(oligomeric oxyethylene chain)]을 도입할 수도 있다.

포르피린 링 센터(ring center)를 활성화하는 방법으로서 두 가지 방법을 고려할 수 있다.

먼저, 한 가지 방법은 양성자 첨가 반응(protonation)을 이용하는 것이고, 다른 한 가지 방법은 포르피린 링 센터를 베이스(base)로 하는 금속 복합체(metal complexation)를 이용하는 것이다. 이러한 접근법에 기초가 되는 개념은, 포르피린 링 센터가 전기적으로뿐만 아니라 입체적으로도 포르피린의 J-응집을 위한 측면에서의 (헤드 투 테일 구조를 가지도록 하는) 상호 작용을 조절하는데 중요한 역할을 수행한다는 것이다.

먼저, 양성자 첨가 반응(protonation)에 대해서 살펴보자.

포르피린 링 센터는 황산(sulfuric acid)와 같은 강한 산으로부터 양성자가 첨가되기 쉽도록 염기성을 가지고 있다. 포르피린 링 센터에 양성자가 첨가되는 경우, (원래 포르피린 면과 수직 상태인) 메소-아릴 치환기들(meso-aryl substituents)이 (포르피린 링과) 거의 동일 평면이 되기 쉽다. 이에 따라 포르피린 링 센터는 이웃하는(incoming) 포르피린 링 센터와 부분적인 π-중첩이 이루어질 수 있게 된다. 결과적으로, 비록 각 작용기(functionality)의 전기적인 성질에 따라 중첩의 정도가 달라지게 될지라도, 포르피린의 α 또는 γ 메소 위치(meso-positions)에 치환된 다양한 아릴 작용기들은 포르피린의 J-응집을 유발하면서 포르피린 링 센터와 연관할 수 있다.

다음으로, 포르피린 링 센터를 베이스(base)로 하는 금속 복합체(metal complexation)에 대해서 살펴보자.

아연(zinc) 및 구리(copper) 할로겐화 물질(cupper halide)과 같은 금속 염들은 포르피린 링 센터 염기와 배위 결합할 수 있다. 금속 복합된(금속 염이 배위 결합된) 포르피린은 부가적인 리간드, 특히 이미다졸(imidazol), 피리딘(pyridine) 및 피페리딘(piperidine) 같은 아민 작용기와 더 결합할 수 있다. 금속 복합된 포르피린은 측면 주위에 이러한 잔기를 가지고 있을 때, 인접된 분자와 서로 배위 결합하려 한다. 이러한 성질에 의하여 금속 복합된 포르피린 중앙 부근에는 카르복실산(carboxylic acid)이 결합될 수 있는데, 이 경우, 포르피린 중앙 위치에 측면적으로 붙어있는 카르복실산(carboxylic acid)은 인접(immediate) 측면에 이웃한 물질들 사이에 H-결합을 형성시킬 수 있다. 이러한 H-결합은 포르피린 간의 슬립된 코페이셜 스태킹(cofacial stacking)을 유발할 수 있다. 다시 말하여, 위와 같은 H-결합 작용에 의하여 포르피린은 J-응집할 수 있게 된다.

한편, 위와 같은 포르피린 링 센터를 활성화하는 방법을 이용할 때에도 전기적 극성을 갖는 리간드(13)는 D-A-D 로드(10)의 양단의 D(12)에 부착될 수 있다.

한편, D-A-D 로드(10)의 A(11)는 서로 강한 인력을 가지도록 처리될 수 있다. A(11)가 서로 강한 인력을 가지도록 처리하는 방법은 특별하게 한정되지 아니하며 공지의 여러 가지 화학 처리 방법이 이용될 수 있을 것이다. 페릴린 비스이미드는, 기본적으로 J-응집과 같은 강한 자기-스태킹(self-stacking)을 나타낼 수 있으며, 긴 친수성 체인들이 양단에 붙어 있는 경우에는 로드-형태의 응집체를 형성할 수 있다.

다음으로, 베이스 전극(300)을 준비할 수 있다.

여기서 베이스 전극(300)은 A(11)와 화학적 친화력이 있을 수 있다. 이를 위하여, 베이스 전극(300)은 표면은 특정 기질로 처리될 수 있다. 예를 들면, 베이스 전극(300)의 표면은 아민 처리될 수 있는데, 이를 위하여, 3-아미노푸로필 트리메톡시실란(3-aminopropyl trimethoxysilane) 같은 물질이 이용될 수 있다.

베이스 전극(300)의 위와 같은 특성 때문에 베이스 전극(300)은 발광층(100)이 형성되기 위한 기초 부재로서의 역할을 수행할 수 있다. 이와는 별도로, 베이스 전극(300)은 발광층(100)에서 생성된 전류가 흐르도록 하는 역할도 수행할 수 있다.

이러한 베이스 전극(300)은 전극의 역할을 수행할 수 있으면서도 광에 대하여 투명한 재질일 수 있다. 이를 테면, 베이스 전극(300)은 ITO로 구성될 수 있다.

다음으로, D(12)가 화학적으로 처리된 복수개의 D-A-D 로드(10)를 베이스 전극(300)에 공급하여 베이스 전극(300) 상에 발광층(100)을 형성할 수 있다.

이때에, 발광층(100)은 복수개의 D-A-D 로드(10)가 자기 조립되어 형성된 나선형 구조의 헬리컬 로드(110) 복수개를 포함할 수 있다. 이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여, 복수개의 D-A-D 로드(10)가 자기 조립되는 과정에 대해서 살펴보기로 한다.

도 4 및 도 5에서는 본 발명의 복수개의 D-A-D 로드(10)가 자기 조립되는 모습을 도시하고 있다.

먼저, D-A-D 로드(10)의 자기 조립은 A(11)와 친화력이 있는 베이스 전극(300)과 D-A-D 로드(10)의 A(11)와의 결합에 의하여 시작될 수 있다. 즉, 복수개의 D-A-D 로드(10) 중 일부가 베이스 전극(300)에 부착됨으로써 헬리컬 로드(110)의 성장이 시작될 수 있다.

그 이후에 나머지 D-A-D 로드(10)들은 베이스 전극(300)에 부착된 D-A-D 로드(10)에 자기 조립 방식으로 결합될 수 있다. 이때에, D-A-D 로드(10)의 A(11) 사이의 인력으로 인하여 복수개의 D-A-D 로드(10)의 A(11)가 서로 결합될 수 있으며, 이와 동시에, D-A-D 로드(10)의 D(12)가 서로 J-응집하면서 결합될 수 있다. 이에 따라, 나선형의 구조를 가지는 복수개의 헬리컬 로드(110)가 베이스 전극(300) 상에 수직으로 고정되게(rigidly) 성장될 수 있다. 결합된 A(11) 스택은 전하 캐리어를 이송하는 헬리컬 로드(110)의 중심으로뿐만 아니라 선회축(pivot)으로서의 결정적인 역할을 수행할 수 있다.

D-A-D 로드(10)의 D(12)에 부착된 리간드(13)는 전기적인 척력을 발휘하여 복수개의 D-A-D 로드(10)가 소정의 각도를 가지며 비틀리게 결합되도록 함으로써 헬리컬 로드(110)가 보다 나선형의 구조를 가지도록 도와줄 수 있다. 이를 테면, 키랄 리간드(13)는 입체적인 힘을 발휘함으로써 상승 작용하는(synergistic) 역할을 수행하여 응집체를 휘감아 헬리컬 로드(110)가 나선형 구조가 되도록 하는데 도움을 줄 수 있다.

한편, A(11)가 페릴린 비스이미드인 경우, A(11)는 π-π 스태킹을 이루며 결합될 수 있다. π-π 스태킹은 일반적으로 수성(aqueous) 환경에서 촉진될 수 있다. 따라서, D-A-D 로드(10)에 친수성 구성 요소[이를 테면, A(11), D(12) 또는 D-A-D 로드(10) 사이의 연결체]의 도입이 필요할 수 있다.

복수개의 D-A-D 로드(10)는 용액에 포함된 상태로 베이스 전극(300)에 공급되는 것이 바람직하다. 이를 테면, D(12)가 포르피린이고 A(11)가 페릴린 비스이미드인 경우, 디메틸 술폭시드(dimethyl sulfoxide; DMSO), N,N-디메틸 포르마이드(N,N-dimethyl formamide; DMF) 또는 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran; THF) 같은 극성 유기 용매에서 용해된 상태로 공급되는 것이 바람직하다. 이 경우, 용액은 스핀 캐스팅(spin-casting)법 또는 침지(dipping)법으로 공급될 수 있다.

물이 풍부한 상황에서, D-A-D 로드(10)는 응집이 발생하기 시작하고 그 길이가 외부 환경에 의존하는 헬리컬 로드(110)로 성장하기 유리하다. 보다 상세하게는, 수용액에서 J-유형의 응집은 두드러지게 촉진되며 자기 조립에 의한 헬리컬 물체를 형성하게 한다. 페릴린 비스이미드는 강한 소수성을 가지고 있으나, 그 주위에 친수성 리간드(13)를 도입시킴으로써 수용액에서 용해될 수 있다. 이러한 성질과 관련하여, 친수성 및 유기 가용성(organic-soluble) 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide) 체인이 포르피린과 페릴린 비스이미드 사이의 연결체로서 사용될 수 있다. 흥미롭게도, 수용액에서 페릴린 비스이미드의 스태킹 수는 농도가 증가하면서 증가되고, 이에 대응하여 그들의 흡수 밴드는 적색 편이될 수 있다.

또한, D-A-D 로드(10)는 볼라형 친양쪽성 계면활성(bolaamphiphilic) 특성을 가지는 경우, J-응집 및 자기 조립에 의한 헬리컬 로드(110)의 형성이 촉진될 수 있기 때문에, D-A-D 로드(10)는 볼라형 친양쪽성 계면활성 특성을 가지는 것이 바람직하다. 포르피린 및 페릴린 비스이미드가 소수성인 것을 감안할 때에, 리간드(13)는 친수성을 가지는 것이 바람직할 것이다.

위와 같은 방법으로 제조된 헬리컬 로드(110)가 도 6에 도시되고 있다.

이러한 헬리컬 로드(110)는 발광층(100)으로서의 역할을 수행할 수 있다. 헬리컬 로드(110) 주위에 있는 D(12)로부터의 광여기(photoexcitation)의 증폭된 이동(amplified transfer)은 중심인 A(11)로 향하게 되며, 이에 따라 D+ 및 A-로 전하 분리 상태를 일으킬 수 있는데, 그 결과 캐리어 전하들이 스태킹된(stacked) A(11)의 헬리컬 중심을 통하여 보조 전극으로 이송될 수 있다. 즉, 본 발명에서 자기 조립 과정을 통하여 형성된 D(12)의 J-응집체는 광 수집 안테나 기능을 수행하거나, 식물 또는 박테리아 같은 광합성 유기물의 엽록소(chlorophyll) 응집체를 모사하는데 이용될 수 있다.

이때에, J-응집하고 있는 D(12) 사이의 천이 쌍극자 모멘트(transition dipole moment)의 여기성(excitonic) 결합이 유도될 수 있으며, 이에 따라 D(12)의 슬립된 스택(slipped-stack) 상으로 많은 여기자 확산이 유도될 수 있다.

광여기 중에, D(12)의 여기는 J-응집체 어레이(array)를 넘어 탈위(delocalize)할 수 있는데, 이는 천이 쌍극자 모멘트의 헤드 투 테일 (head-to-tail) 정렬, 흡수 밴드(absorption bands)의 적색 편이(red-shifted)의 발생, 효율적인 에너지/전자의 A(11)로의 이동 때문이다.

D(12)를 포르피린으로 A(11)를 페릴린 비스이미드로 구성하는 경우 상술되었던 효과 외에도 다음과 같은 효과가 창출될 수 있다.

포르피린과 페릴린 간의 여기자 결합 작용(exciton coupling interaction)시에는, 페릴린 비스이미드의 흡수(absorption; λmax = 약 550nm)가 포르피린의 소렛(Soret) 밴드(λmax = ca. 415nm)와 포르피린의 Q-밴드(λmax = 약 570-645nm) 사이에 위치하기 때문에, 여기 에너지가 효율적으로 포르피린의 Q-밴드 내로 집중될 수 있다. 따라서, 포르피린으로부터 중심 페릴린으로의 전자 이동이 두드러지게 발생하고, 그 결과 D+ 및 A-로 전하 분리 상태가 되며, 전하 캐리어 전자들이 매우 효율적으로 페릴린 비스이미드의 스태킹 축을 따라 이동할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 구성을 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 유기 태양전지는 글래스 기판(200), 베이스 전극(300), 발광층(100), 상부 전극(400)을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.

베이스 전극(300) 및 발광층(100)에 대해서는 위에서 설명한 바 있으므로 상세한 설명은 생략하도록 하겠다.

한편, 글래스는 베이스 전극(300) 하에 형성되어 유기 태양전지를 보호하는 역할을 수행할 수 있으며, 상부 전극(400)은 발광층(100) 상에 형성되어 발광층(100)에서 생성된 전류가 흐르도록 하는 역할을 수행할 수 있다. 상부 전극(400)은 광에 대하여 투명한 재질로 구성될 수 있다. 예를 들면, 상부 전극(400)은 ITO로 구성될 수 있다. 상부 전극(400)은 진공 증착과 같은 공지의 여러 가지 증착 방법을 통해서 형성될 수 있다.

본 발명의 유기 태양 전지는 나선형 구조를 가지는 복수개의 헬리컬 로드(110)로 구성된 발광층(100)을 포함하고 있기 때문에 높은 에너지 변환 효율을 나타낼 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항과 한정된 실시예 및 도면에 의하여 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변경을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: D-A-D 로드
11: A
12: D
13: 리간드
100: 발광층
110: 헬리컬 로드
200: 글래스 기판
300: 베이스 전극
400: 상부 전극

Claims

(a) 전자 도너를 D, 전자 억셉터를 A라고 할 때, D-A-D의 배열을 가지는 복수개의 D-A-D 로드(rod)를 준비하는 단계;
(b) 상기 복수개의 D-A-D 로드의 상기 D에 전기적 극성을 갖는 리간드를 부착시키는 단계;
(c) 상기 복수개의 D-A-D 로드의 상기 A와 화학적 친화력이 있는 베이스 전극을 준비하는 단계; 및
(d) 상기 복수개의 D-A-D 로드를 상기 베이스 전극에 공급하여 상기 베이스 전극 상에 상기 복수개의 D-A-D 로드가 자기 조립(self-assembly)되어 형성된 복수개의 나선형(spiral) 구조의 헬리컬(helical) 로드를 포함하는 발광층을 형성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 발광층의 형성 방법.
제1항에 있어서,
상기 D-A-D 로드의 상기 D는 포르피린(porphyrin)이며, 상기 D-A-D 로드의 상기 A는 페릴린 비스이미드(perylene bisimide)인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 발광층의 형성 방법.
제1항에 있어서,
상기 리간드는 상기 복수개의 D-A-D 로드의 상기 D가 J-응집(J-aggregation)되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 발광층의 형성 방법.
제1항에 있어서,
상기 리간드는 키랄(chiral) 리간드인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 발광층의 형성 방법.
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 헬리컬 로드는 상기 복수개의 D-A-D 로드의 상기 A 사이의 인력으로 인하여 상기 복수개의 D-A-D 로드가 수직으로 결합됨으로써 형성되되, 상기 복수개의 D-A-D 로드의 상기 D에 부착된 리간드 사이의 척력으로 인하여 상기 복수개의 D-A-D 로드가 소정의 각도를 가지며 비틀리게 결합됨으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 발광층의 형성 방법.
삭제
베이스 전극;
상기 베이스 전극 상에 형성되는 발광층; 및
상기 발광층 상에 형성되는 상부 전극
을 포함하며,
상기 발광층은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지.
제7항에 있어서,
상기 베이스 전극과 상부 전극 중 적어도 어느 하나는 광에 대하여 투명한 재질인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지.