KR101033304B1 - Light emitting organic photovoltaic cells and mathod of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

버퍼층 대신 고분자 전해질층을 도입함으로써 광전변환특성 및 발광특성을 가지는 유기 태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명은 종래의 태양전지의 구조에 고분자 전해질층을 도입하여 외부에서 전압을 가하지 않은 상태에서는 광전변환에 의한 전류를 생성하고, 외부에서 전압을 가하게 되면 발광특성을 가지게 되는 유기 태양전지에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 제1 전극과 광활성층 사이에 고분자 전해질층을 도입하여 발광특성을 가지는 유기 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 또한, 태양전지의 내구성을 증진시키기 위해 광활성층과 제2 전극사이에 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광특성을 가지는 유기 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.An organic solar cell having a photoelectric conversion characteristic and a light emitting characteristic by introducing a polymer electrolyte layer instead of a buffer layer and a method of manufacturing the same are disclosed. The present invention relates to an organic solar cell in which a polymer electrolyte layer is introduced into a structure of a conventional solar cell to generate a current by photoelectric conversion in a state in which no voltage is applied from the outside, and when the voltage is applied from the outside. . In addition, the present invention relates to a method of manufacturing an organic solar cell having a luminescent property by introducing a polymer electrolyte layer between the first electrode and the photoactive layer. In addition, the present invention relates to a method of manufacturing an organic solar cell having light emitting characteristics, further comprising a protective layer between the photoactive layer and the second electrode in order to enhance durability of the solar cell.

유기 태양전지, 고분자 전해질층, 발광특성, 보호층 Organic solar cell, polymer electrolyte layer, luminescence properties, protective layer

Description

발광특성을 가지는 유기 태양전지 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING ORGANIC PHOTOVOLTAIC CELLS AND MATHOD OF MANUFACTURING THE SAME}Organic solar cell having luminescent properties and its manufacturing method {LIGHT EMITTING ORGANIC PHOTOVOLTAIC CELLS AND MATHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 유기 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 전해질층을 도입하여 정전압이 가해진 상태에서는 발광특성을 가지는 유기 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to an organic solar cell, and more particularly, to an organic solar cell having light emission characteristics in a state where a constant voltage is applied by introducing a polymer electrolyte layer.

현재 상용화된 대부분의 태양전지는 실리콘을 이용한 무기 태양전지이다. 실리콘 태양전지는 실리콘을 제조하는 공정상 제조가격이 높고 반도체 산업등에서 실리콘 수요가 증가하므로써 실리콘 재료의 가격도 상승하는 추세이다. Most of the commercially available solar cells are inorganic solar cells using silicon. Silicon solar cells have a high manufacturing price due to the process of manufacturing silicon, and the price of silicon materials is also on the rise as silicon demand increases in the semiconductor industry.

이러한 실리콘 태양전지의 단점 및 한계를 극복하기 위해 유기 태양전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 유기 태양전지는 실리콘 태양전지와 달리 흡광계수가 높아서 얇은 박막(100㎚ 정도)으로도 태양빛을 충분히 흡수할 수 있기 때문에 얇은 소자로 제작이 가능하며, 유기물의 특성상 굽힘성 및 가공성등이 좋아서 다양한 응용분야가 가능하다는 장점이 있다.In order to overcome the shortcomings and limitations of such silicon solar cells, research on organic solar cells is being actively conducted. Unlike silicon solar cells, organic solar cells have a high absorption coefficient and can absorb sunlight even with a thin film (about 100 nm). Therefore, they can be manufactured as thin devices. The advantage is that the application is possible.

하지만 종래의 유기 태양전지의 경우 기판, 제1 전극, 버퍼층, 광활성층, 제2 전극으로 구성되며 빛으로부터 전류를 생성하는 태양전지 고유의 기능만을 수행 하고 있다.However, the conventional organic solar cell includes a substrate, a first electrode, a buffer layer, a photoactive layer, and a second electrode, and performs only a unique function of the solar cell generating current from light.

현재 상용화되고 있는 전자기기는 제품내 동일 소자가 다기능을 수행하는 것이 경제성 및 소형화에 의한 휴대편이성을 위해 요구되고 있다.Currently, commercially available electronic devices are required for the convenience of portability due to economical efficiency and miniaturization that the same device in a product performs multifunction.

특히, 태양전지가 전기를 생성하는 고유의 기능외에 전압을 인가한 경우 발광특성을 갖게 되는 경우 휴대용 전자기기등의 스마트 디스플레이화가 가능할 수 있다.In particular, when a solar cell has a light emission characteristic when a voltage is applied in addition to an inherent function of generating electricity, smart display such as a portable electronic device may be possible.

하지만 현재 발광특성을 갖는 태양전지는 개발이 되지 않은 상태이다.However, solar cells having light emission characteristics have not been developed.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 종래의 태양전지를 구성하는 버퍼층 대신 고분자 전해질층이 도입되고 광전변환특성을 갖는 유기 태양전지를 제공하는 데 그 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an organic solar cell having a photoelectric conversion characteristics and a polymer electrolyte layer is introduced in place of the buffer layer constituting the conventional solar cell.

또한 본 발명은 버퍼층 대신 고분자 전해질층을 도입하여 발광 특성을 가지는 유기태양전지를 제공하는데 그 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide an organic solar cell having light emission characteristics by introducing a polymer electrolyte layer instead of a buffer layer.

본 발명의 또 다른 목적은 제1 전극과 광활성층 사이에 고분자 전해질층을 도입하여 발광특성을 가지는 유기 태양전지를 제조하는 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a manufacturing method for manufacturing an organic solar cell having a light emitting property by introducing a polymer electrolyte layer between the first electrode and the photoactive layer.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지는 기판, 상기 기판상에 형성되는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성되는 고분자 전해질층, 상기 고분자 전해질층 상에 형성되는 광활성층 및 상기 광활성층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 광활성층은 발광특성을 가질 수 있다.An organic solar cell according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is formed on a substrate, a first electrode formed on the substrate, a polymer electrolyte layer formed on the first electrode, the polymer electrolyte layer It characterized in that it comprises a photoactive layer and a second electrode formed on the photoactive layer. The photoactive layer may have light emission characteristics.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 태양전지는 상기 광활성층과 상기 제2 전극사이에 보호층을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the organic solar cell according to another embodiment of the present invention is characterized in that it comprises a protective layer between the photoactive layer and the second electrode.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유기 태양전지의 제조방법은 먼저 기판을 제공하는 단계, 이어서 상기 기판상에 제1 전극을 형성하는 단계, 이어서 상기 제1 전극상에 고분자 전해질층을 형성하는 단계, 이어서 상기 고분자 전해질층상에 광활성층을 형성하는 단계, 마지막으로 상기 광활성층상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an organic solar cell, the method including: providing a substrate, followed by forming a first electrode on the substrate, and then using a polymer on the first electrode. Forming an electrolyte layer, followed by forming a photoactive layer on the polymer electrolyte layer, and finally forming a second electrode on the photoactive layer.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the detailed description and the drawings.

상기한 바와 같은 본 발명의 유기 태양전지에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상이 있다.According to the organic solar cell of the present invention as described above has one or more of the following effects.

첫째, 버퍼층 대신 고분자 전해질층을 도입함으로써 광전변환효과를 나타내는 태양전지의 제조가 가능하다.First, it is possible to manufacture a solar cell exhibiting a photoelectric conversion effect by introducing a polymer electrolyte layer instead of a buffer layer.

둘째, 버퍼층 대신 고분자 전해질층을 도입함으로써 동일 소자내에서 발광특성을 갖는 태양전지의 제조가 가능하다.Second, by introducing a polymer electrolyte layer instead of a buffer layer it is possible to manufacture a solar cell having a light emitting property in the same device.

셋째, 광활성층과 제2 전극사이에 보호층을 도입하여 수분이나 공기등의 외부환경으로부터 소자를 보호할 뿐만 아니라 유기 태양전지의 효율을 증가시킬 수 가 있다.Third, by introducing a protective layer between the photoactive layer and the second electrode can not only protect the device from the external environment such as moisture or air, but also increase the efficiency of the organic solar cell.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be embodied in various different forms, and the present embodiments merely make the disclosure of the present invention complete, and are common in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, which is to be defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광특성을 갖는 유기 태양전지를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, an organic solar cell having light emission characteristics according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail to avoid unnecessarily obscuring the subject matter of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지의 적층구조를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a laminated structure of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지는 기판, 제1 전극, 고분자 전해질층, 광활성층, 제2 전극을 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 1, an organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention may include a substrate, a first electrode, a polymer electrolyte layer, a photoactive layer, and a second electrode.

기판(10)은 유기 태양전지를 지지하기 위해 사용되는 것으로 투명한 유리 기판 또는 PET(Poly Ethylene Terephthlate), PES(Polyethersulphone), PC(Polycarbonate), PI(Polyimide), PEN(Polyethylene Naphthalate), PAR(Polyarylate)중 선택된 투명 플라스틱 기판이 사용될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.The substrate 10 is used to support an organic solar cell and is a transparent glass substrate or a poly ethylene terephthlate (PET), a polyethersulphone (PES), a polycarbonate (PC), a polyimide (PI), a polyethylene naphthalate (PEN), and a polylate (PAR). Selected transparent plastic substrate can be used. But it is not limited thereto.

제1 전극(20)은 기판(10)을 통과한 빛이 광활성층(40)에 도달하도록 투명한 물질인 것이 바람직하다.The first electrode 20 is preferably made of a transparent material such that light passing through the substrate 10 reaches the photoactive layer 40.

또한, 제1 전극(20)은 일함수가 높으며 낮은 저항을 갖는 전도성 물질이 사용된다.In addition, the first electrode 20 is made of a conductive material having a high work function and low resistance.

이 경우, 제1 전극(20)을 형성하는 물질은 AZO(Al-doped Zinc Oxide), ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 계 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.In this case, the material forming the first electrode 20 may be Al-doped Zinc Oxide (AZO), Indium Tin Oxide (ITO), Fluorine-doped Tin Oxide (FTO), Indium Zinc Oxide (IZO), or a mixture thereof. It may be selected from the group consisting of.

고분자 전해질층(30)은 제1 전극(20)상에 형성되며 주쇄가 공액 고분자(conjugated polymer)의 구조를 가지고 측쇄에 전하를 띄게 하여 전해질의 특성을 가진다.The polymer electrolyte layer 30 is formed on the first electrode 20, and has a structure of a conjugated polymer, which has a structure of a conjugated polymer, and thus has a characteristic of an electrolyte by causing a charge to the side chain.

고분자 전해질층(30) 특히, 고분자 전해질 주쇄의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위는 제1 전극(20)의 일함수보다 클 수 있다.The polymer electrolyte layer 30, in particular, the highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) energy level of the polymer electrolyte main chain may be greater than the work function of the first electrode 20.

또한, 고분자 전해질 주쇄의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지 준위는 광활성층(40)의 LUMO의 에너지 준위보다 작되, 상기 광활성층(40)의 LUMO 에너지 준위와 상기 고분자 전해질층(30)의 LUMO 에너지 준위 사이의 차이는 광활성층(40) 내의 전자가 고분자 전해질층(30)으로 이동되지 않을 정도일 수 있다. 다시 말해서, 상기 고분자 전해질층(30)은 전자저지층의 역할을 수행할 수 있다. In addition, a low unoccupied molecular orbital (LUMO) energy level of the polymer electrolyte main chain is less than an energy level of LUMO of the photoactive layer 40, but an LUMO energy level of the photoactive layer 40 and LUMO energy of the polymer electrolyte layer 30. The difference between the levels may be such that electrons in the photoactive layer 40 do not move to the polymer electrolyte layer 30. In other words, the polymer electrolyte layer 30 may serve as an electronic blocking layer.

그 결과, 상기 광활성층(40) 내에 전자들이 누적되게 함으로써 발광이 잘 이루어질 수 있도록 한다.As a result, electrons accumulate in the photoactive layer 40 so that light emission can be made well.

이와 더불어서, 제1 전극(20)과 제2 전극(50) 사이에 전계가 인가된 경우, 예를 들어 제1전극(20)에 양의 전압이 인가되고 제2 전극(50)에 음의 전압이 인가된 경우, 고분자 전해질층(30) 내 제1 전극(20)에 인접하여 배열된 음전하는 제1 전극(20)으로부터 고분자 전해질층(30)으로의 정공주입을 더 용이하게 할 수 있다.In addition, when an electric field is applied between the first electrode 20 and the second electrode 50, for example, a positive voltage is applied to the first electrode 20 and a negative voltage is applied to the second electrode 50. When this is applied, the negative charge arranged adjacent to the first electrode 20 in the polymer electrolyte layer 30 can more easily inject holes from the first electrode 20 into the polymer electrolyte layer 30.

반면, 고분자 전해질층(30) 내 광활성층(40)에 인접하여 양전하가 배열되기는 하나, 광활성층(40)과 고분자 전해질층(30) 사이의 큰 LUMO 에너지 준위 차이로 인해 광활성층(40)의 전자는 상기 고분자 전해질(30)층으로 유입되기 어려울 수 있다.On the other hand, although positive charges are arranged adjacent to the photoactive layer 40 in the polymer electrolyte layer 30, due to the large difference in LUMO energy level between the photoactive layer 40 and the polymer electrolyte layer 30, Electrons may be difficult to enter the polymer electrolyte 30 layer.

고분자 전해질층(30)에 사용되는 물질은 poly(9,9'-bis(6”-(N,N,N-trimethylammonium) hexyl)fluorene-alt-co-phenylene)bromide, poly ((2- cyclooctatetraenylethyl)- trimethylammonium trifluoromethanesulfonate), poly- (tetramethylammonium 2-cyclooctatetraenylethanesulfonate), poly((2-methoxy-5-(3-sulfonatopropoxy)-1, 4-phenylene)-1,2-ethenediyl), K을 상대이온으로 갖는 poly((2-methoxy-5-propyloxysulfonate-1,4- phenylenevinylene)-alt-(1,4-phenylenevinylene)), 상대이온으로 H, Na, tetradecyltrimethylammonium(TDMA)를 갖는 sulfonated poly(p-phenylene), poly(N-(4-sulfonatobutyloxyphenyl)-4,4-diphenylamine-alt-1,4-phenylene) sodium salt, poly (N-4,4'-diphenylamine-alt-N-(p-trifluoromethyl) phenyl-4,4'-diphenylamine) sodium salt, poly((9,9-bis(6'-(N,N,Ntrimethylammonium)hexyl)-fluorene-2,7-diyl)-alt-(2,5-bis(pphenylene)-1,3,4-oxadiazole)), PFP-Na(sodium poly(9,9'-bis(4-sulfonatobutyl)fluorene-alt-co-1,4-phenylene)) 중 선택되는 어느 하나가 될 수 있다.The material used for the polymer electrolyte layer 30 is poly (9,9'-bis (6 ”-(N, N, N-trimethylammonium) hexyl) fluorene-alt-co-phenylene) bromide, poly ((2-cyclooctatetraenylethyl )-trimethylammonium trifluoromethanesulfonate), poly- (tetramethylammonium 2-cyclooctatetraenylethanesulfonate), poly ((2-methoxy-5- (3-sulfonatopropoxy) -1, 4-phenylene) -1,2-ethenediyl), with K as a counterion poly ((2-methoxy-5-propyloxysulfonate-1,4-phenylenevinylene) -alt- (1,4-phenylenevinylene)), sulfonated poly (p-phenylene) with H, Na, tetradecyltrimethylammonium (TDMA) as counterion, poly (N- (4-sulfonatobutyloxyphenyl) -4,4-diphenylamine-alt-1,4-phenylene) sodium salt, poly (N-4,4'-diphenylamine-alt-N- (p-trifluoromethyl) phenyl-4 , 4'-diphenylamine) sodium salt, poly ((9,9-bis (6 '-(N, N, Ntrimethylammonium) hexyl) -fluorene-2,7-diyl) -alt- (2,5-bis (pphenylene ) -1,3,4-oxadiazole)), PFP-Na (sodium poly (9,9'-bis (4-sulfonatobutyl) fluorene-alt-co-1,4-phenylene)) Can be.

그러나 상기 기술한 물질들에 한정되는 것은 아니며 고체 고분자 전해질이라면 고분자 전해질층(30)에 사용될 수 있다.However, the material is not limited to the above-described materials and may be used for the polymer electrolyte layer 30 as long as it is a solid polymer electrolyte.

광활성층(40)은 고분자 전해질층(30)상에 형성되며 빛을 받아 전자와 정공을 분리시켜 전류를 만들어내는 층으로 반도체성 고분자와 플러렌 유도체(fluorine derivatives)를 사용한다.The photoactive layer 40 is formed on the polymer electrolyte layer 30 and uses a semiconducting polymer and a fullerene derivative (fluorine derivatives) as a layer for generating light by separating light from electrons and holes.

반도체성 고분자는 빛을 흡수하여 전자를 주는 전자주개(electron donor)가 되며 플러렌 유도체는 반도체성 고분자로부터 전자를 받는 전자받개(electron acceptor)가 된다.The semiconducting polymer becomes an electron donor for absorbing light and gives electrons, and the fullerene derivative becomes an electron acceptor for receiving electrons from the semiconducting polymer.

본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층(40)은 전자주개-전자받개 물질이 섞여 있는 벌크 이종접합(bulk heterojunciton) 구조를 가지며 전자주개-전자받개 물질 계면에서 전자친화도의 차이에 의한 광여기된 전하의 이동이 이루어 진다.The photoactive layer 40 according to the embodiment of the present invention has a bulk heterojunciton structure in which the electron donor-electron acceptor material is mixed and photoexcitation is caused by the difference in electron affinity at the electron donor-electron acceptor interface. Charge transfer is achieved.

보다 구체적으로, 유기 태양전지에 빛을 쬐어주면, 전자주개 물질에서 빛을 흡수하여 여기 상태의 전자-정공쌍(exciton)이 형성된다. 이 전자-정공쌍은 임의 방향으로 확산하다가 전자주개-전자받개 물질 계면을 만나게 된다. More specifically, when the organic solar cell is exposed to light, an electron donor material absorbs light to form an electron-hole pair (exciton) in an excited state. The electron-hole pair diffuses in any direction and meets the electron donor-electron acceptor interface.

이 경우, 전자받개 물질의 전자친화도가 전자주개 물질보다 더 크므로 전자는 전자친화도가 큰 전자받개 물질쪽으로 이동하고 정공은 전자주개 물질에 남아 각각의 전하로 분리된다.In this case, since the electron affinity of the electron acceptor material is greater than that of the electron donor material, electrons move toward the electron acceptor material having a high electron affinity, and holes remain in the electron donor material and are separated into respective charges.

전자 및 정공은 양극과 음극의 일함수 차이로 형성된 내부 전기장과 축적된 전하의 농도차에 의해 각각의 전극으로 이동하여 수집되며 최종적으로 외부회로를 통해 전류의 형태로 흐르게 된다.Electrons and holes are collected and moved to the respective electrodes by the difference in concentration between the internal electric field and the accumulated charge formed by the work function difference between the anode and the cathode, and finally flow through the external circuit in the form of a current.

상기 광활성층(40)은 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조를 가지며 전자주개와 전자받개가 광활성층(40)내의 모든 곳에서 나노규모에서 광여기전하이동 계면을 이루므로, 광전하이동계면이 늘어나게 되어 빛에 의해 생성된 전자-정공쌍(exciton)으로부터 가까운 거리에 광전하이동계면이 존재하게 되어 전자-정공쌍들이 효과적으로 전자와 정공으로 분리될 수 있다.The photoactive layer 40 has a bulk heterojunction structure, and the electron donor and the electron acceptor form a photoexcitation charge-transfer interface at a nanoscale everywhere in the photoactive layer 40, thereby increasing the photocharge transfer interface. The photocharge transfer interface exists at a close distance from the electron-hole pair generated by light, and the electron-hole pairs can be effectively separated into electrons and holes.

한편, 본 발명에 의한 유기 태양전지는 제1 및 제2 전극(20, 50)에 전압을 인가할 경우 전자들이 제2 전극(50)으로부터 광활성층(40)의 LUMO 에너지 준위로 주입이 되게 되며 광활성층(40)과 고분자 전해질층(30) 사이의 큰 LUMO 에너지 준위 차이로 인해 광활성층(40)내에 축적이 되게 된다.Meanwhile, in the organic solar cell according to the present invention, when voltage is applied to the first and second electrodes 20 and 50, electrons are injected into the LUMO energy level of the photoactive layer 40 from the second electrode 50. The large LUMO energy level difference between the photoactive layer 40 and the polymer electrolyte layer 30 causes accumulation in the photoactive layer 40.

또한, 제1 전극(20)으로부터 주입된 홀들은 고분자 전해질층(30)내 제1 전극(20)에 인접하여 배열된 음전하에 의해 고분자 전해질층(30)으로 용이하게 전달되게 된다. 그 결과 광활성층(40)내에서 전자와 홀간 재결합으로 발광특성을 나타내게 된다.In addition, holes injected from the first electrode 20 are easily transferred to the polymer electrolyte layer 30 by negative charges arranged adjacent to the first electrode 20 in the polymer electrolyte layer 30. As a result, in the photoactive layer 40 exhibits light emission characteristics by recombination between electrons and holes.

전자주개(electron donor)는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), MEH-PPV(poly-[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-3(3',7'-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene]), PFDTBT(poly((2,7-(9,9-dioctyl)-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)), PCPDTBT(poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PCDTBT(poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)]) 중 선택된 어느 하나가 될 수 있다. 그러나 상기 물질들에 한정되는 것은 아니다.Electron donors are P3HT (poly (3-hexylthiophene)), MEH-PPV (poly- [2-methoxy-5- (2'-ethylhexyloxy) -1,4-phenylene vinylene]), MDMO-PPV ( poly [2-methoxy-5-3 (3 ', 7'-dimethyloctyloxy) -1-4-phenylene vinylene]), PFDTBT (poly ((2,7- (9,9-dioctyl) -fluorene) -alt- 5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole), PCPDTBT (poly [N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5) , 5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole)]), PCDTBT (poly [N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5 , 5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole)]), but is not limited to the above materials.

또한, 전자받개(electron acceptor)는 전자주개(electron donor)와 비교하여 높은 전자친화도를 갖는 물질이 적합하며 플러렌(fullerene: C60), 플러렌 유도체, PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10 perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole) 중 선택된 어느 하나가 될 수 있다. 상기 플러렌 유도체는 PC60BM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester) 또는 PC70BM([6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester)일 수 있다. 그러나 상기 물질들에 한정되는 것은 아 니다.Also, the electron acceptor is suitable for a material having a high electron affinity compared to the electron donor, and includes fullerene (C 60 ), fullerene derivatives, polybenzimidazole (PBI), PTCBI (3,4, 9,10 perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole). The fullerene derivative may be PC 60 BM ([6,6] -phenyl-C 61 butyric acid methyl ester) or PC 70 BM ([6,6] -phenyl-C 71 butyric acid methyl ester). However, it is not limited to these substances.

본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지는 광활성층(40)내 전자주개 물질로 PCDTBT(poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)]), 전자받개 물질로 PC70BM([6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester)을 사용한다.The organic solar cell according to the embodiment of the present invention is a PCDTBT (poly [N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- (4 ′, 7) as an electron donor material in the photoactive layer 40. '-Di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole)]), PC 70 BM ([6,6] -phenyl-C 71 butyric acid methyl ester) is used as the electron acceptor.

이 경우 PCDTBT와 PC70BM의 혼합 중량비율은 1:4가 바람직하다.In this case, the mixing weight ratio of PCDTBT and PC 70 BM is preferably 1: 4.

광활성층(40)의 두께는 전도성 고분자에 빛이 조사되어 생성된 엑시톤(exciton)의 확산을 위해 얇은 것이 바람직하나 보다 많은 태양빛을 흡수하기 위해 적어도 20㎚이상 이어야 하며 바람직하게는 20~200㎚의 두께를 가진다.The thickness of the photoactive layer 40 is preferably thin for diffusion of excitons generated by irradiation of light to the conductive polymer, but should be at least 20 nm or more to absorb more sunlight, preferably 20 to 200 nm. Has a thickness of.

제2 전극(50)은 제1 전극(20)과 대향 배치되며 낮은 일함수를 갖는 물질이 사용된다.The second electrode 50 is disposed to face the first electrode 20, and a material having a low work function is used.

제2 전극(50)을 형성하는 물질은 Al, Ca, Mg, K, Ti, Li 과 같은 금속 또는 이들의 합금을 포함하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The material forming the second electrode 50 includes, but is not necessarily limited to, a metal such as Al, Ca, Mg, K, Ti, Li, or an alloy thereof.

제1 전극(20)과 제2 전극(50)간 일함수의 차이는 분리된 전하를 이동시킬 전기장을 형성하게 된다.The difference in work function between the first electrode 20 and the second electrode 50 forms an electric field to transfer the separated charges.

보호층(60)은 광활성층(40)과 제2 전극(50)사이에 게재되며 산소나 수증기등이 광활성층(40)에 침투함으로 인한 소자의 열화(degradation)를 방지한다. The protective layer 60 is interposed between the photoactive layer 40 and the second electrode 50 to prevent degradation of the device due to penetration of oxygen or water vapor into the photoactive layer 40.

또한, 보호층(60)을 도입함으로써 광활성층(40)에 도입되는 광량을 증대시켜 유기 태양전지의 효율을 증대시킬 수가 있다.In addition, by introducing the protective layer 60, the amount of light introduced into the photoactive layer 40 can be increased to increase the efficiency of the organic solar cell.

보호층(60)의 소재는 타이타늄 산화물(TiOx)이 사용되며 졸-겔(sol-gel) 방법에 의해 형성된다. 이 경우 보호층(60)의 두께는 2~50㎚의 두께를 가진다.The material of the protective layer 60 is titanium oxide (TiOx) is used and is formed by the sol-gel (sol-gel) method. In this case, the protective layer 60 has a thickness of 2 to 50 nm.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 태양전지 제조방법은 먼저 기판을 제공하는 단계, 이어서 제1 전극을 형성하는 단계, 이어서 고분자 전해질층을 형성하는 단계, 이어서 광활성층을 형성하는 단계, 마지막으로 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an organic solar cell, which includes first providing a substrate, then forming a first electrode, then forming a polymer electrolyte layer, and then forming a photoactive layer. It can be configured to include forming two electrodes.

기판(10)을 제공하는 단계는 외부의 빛을 투과할 뿐만 아니라 발광특성을 나타낼 수 있도록 투명한 유리 기판, 플라스틱 기판등이 사용된다.In the providing of the substrate 10, a transparent glass substrate, a plastic substrate, or the like may be used to transmit external light and exhibit light emission characteristics.

제1 전극(20)을 형성하는 단계는 기판(10)상에 전도성 물질을 형성하는 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따를 때 기판(10)상에 양극을 형성한다.The forming of the first electrode 20 is to form a conductive material on the substrate 10, and according to an embodiment of the present invention, an anode is formed on the substrate 10.

이 경우 양극용 물질은 투명 전극용 물질인 산화주석(SnO2), AZO(Al-doped Zinc Oxide), ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 중 선택된 어느 하나가 될 수 있다.In this case, the positive electrode material is made of tin oxide (SnO 2 ), AZO (Al-doped Zinc Oxide), Indium Tin Oxide (ITO), Fluorine-doped Tin Oxide (FTO), and Indium Zinc Oxide (IZO). It can be any one selected.

제1 전극(20)을 형성하는 방법은 열기상증착(thermal evaporation), 전자빔증착(e-beam evaporation), RF(Radio Frequency) 스퍼터링 또는 마그네트론 스퍼터링법 등이 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.The first electrode 20 may be formed by thermal evaporation, e-beam evaporation, RF (radio frequency) sputtering, or magnetron sputtering. But it is not limited thereto.

고분자 전해질층(30)을 형성하는 단계는 제1 전극(20)상에 주쇄가 공액 고분자(conjugated polymer)의 구조를 가지고 측쇄에 전하를 띄게 한 고분자 물질을 형성하게 된다.In the forming of the polymer electrolyte layer 30, the main chain has a structure of a conjugated polymer on the first electrode 20 to form a polymer material having charge on the side chain.

본 발명의 일 실시예에 의한 고분자 전해질층(30)은 PFP-Na(sodium poly(9,9'-bis(4-sulfonatobutyl)fluorene-alt-co-1,4-phenylene)) 로 구성된다.The polymer electrolyte layer 30 according to an embodiment of the present invention is composed of PFP-Na (sodium poly (9,9'-bis (4-sulfonatobutyl) fluorene-alt-co-1,4-phenylene)).

고분자 전해질은 수용성이며 메탄올(40%), 이소프로판올(40%), 물(20%)을 섞은 용매에 녹인 후 제1 전극(20)상에 형성된다.The polymer electrolyte is water-soluble and is formed on the first electrode 20 after being dissolved in a solvent in which methanol (40%), isopropanol (40%) and water (20%) are mixed.

이 경우 고분자 전해질층(30)을 형성하는 방법은 고분자 전해질이 녹아있는 용액을 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅 (dip coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 인쇄(screen printing), 드롭 캐스팅(drop casting), 도장법(stamp method), 닥터 블레이드(doctor blade), 롤투롤 (roll-to-roll) 중 선택된 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다.In this case, the method of forming the polymer electrolyte layer 30 may include spin coating, dip coating, ink-jet printing, spray coating, It can be formed by any one method selected from screen printing, drop casting, stamp method, doctor blade, roll-to-roll.

고분자 전해질층(30)의 두께는 1~150nm 인 것을 특징으로 한다.The thickness of the polymer electrolyte layer 30 is characterized in that 1 ~ 150nm.

또한, 제1 전극(20)상에 형성된 고분자 전해질층(30)을 산소분위기에서 60-120℃에서 10분~1시간 열처리를 하게 된다.In addition, the polymer electrolyte layer 30 formed on the first electrode 20 is heat-treated at 60-120 ° C. for 10 minutes to 1 hour in an oxygen atmosphere.

광활성층(40)을 형성하는 단계는 고분자 전해질층(30) 상에 반도체성 고분자와 플러렌 유도체를 혼합하여 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 형태로 형성하게 된다.In the forming of the photoactive layer 40, the semiconducting polymer and the fullerene derivative are mixed on the polymer electrolyte layer 30 to form a bulk heterojunction.

이 경우 광활성층(40)은 반도체성 고분자와 플러렌 유도체를 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 클로로포름, 톨루엔등 유기 용매에 용해시킨후 고분자 전해질층(30)상에 형성하게 된다.In this case, the photoactive layer 40 is formed on the polymer electrolyte layer 30 after dissolving the semiconducting polymer and the fullerene derivative in an organic solvent such as chlorobenzene, dichlorobenzene, chloroform and toluene.

광활성층(40)은 반도체성 고분자와 플러렌 유도체가 함께 녹아있는 용액을 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅 (dip coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 인쇄(screen printing), 드롭 캐스팅(drop casting), 도장법(stamp method), 닥터 블레이드(doctor blade), 롤투롤 (roll-to-roll) 중 선택된 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다.The photoactive layer 40 is formed by spin coating, dip coating, ink-jet printing, spray coating, and screen printing a solution in which a semiconductor polymer and a fullerene derivative are dissolved together. It can be formed by any one method selected from screen printing, drop casting, stamp method, doctor blade, roll-to-roll.

이 경우, 광활성층(40)은 벌크 이종접합 구조를 가지며 충분한 빛의 흡수를 위해 광활성층(40)의 두께는 20~200nm 인 것을 특징으로 한다.In this case, the photoactive layer 40 has a bulk heterojunction structure and the thickness of the photoactive layer 40 is 20-200 nm for sufficient light absorption.

보호층(60)은 광활성층(40)과 제2 전극(50)사이에 게재될 수 있으며 유기 태양전지 작동시 공기나 수분의 유입을 차단하여 소자의 내구성을 확보하는 역할을 한다.The protective layer 60 may be disposed between the photoactive layer 40 and the second electrode 50, and serves to secure durability of the device by blocking the inflow of air or moisture during operation of the organic solar cell.

본 발명의 일 실시예에 의한 보호층(60)은 구성물질이 타이타늄 산화물(TiOx)이며 Titanium(IV) 이소프로판올과 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 에탄올아민 (ethanolamine)을 사용하여 졸-겔(sol-gel) 법으로 합성한다.The protective layer 60 according to the embodiment of the present invention is composed of titanium oxide (TiOx) and sol- using Titanium (IV) isopropanol, 2-methoxyethanol, and ethanolamine. It synthesize | combines by the gel (sol-gel) method.

또한, 졸-겔(sol-gel) 합성 반응이 일어나는 과정에서 타이타늄(Ti)이 산소와 반응하는 것을 막기 위해 질소 분위기에서 제작한다.In addition, in order to prevent the reaction of titanium (Ti) with oxygen in the process of sol-gel (sol-gel) synthesis reaction is produced in a nitrogen atmosphere.

상기와 같은 방법으로 제작한 타이타늄 산화물 전구체 졸(sol)은 실온에서 가수분해에 의해 타이타늄 산화물 (TiOx)를 형성한다.The titanium oxide precursor sol prepared by the above method forms titanium oxide (TiO x ) by hydrolysis at room temperature.

보호층(60)의 형성은 타이타늄 산화물(TiOx) 용액을 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스크린 프린팅(screen printing), 닥터 블레이드(doctor blade), 드롭 캐스팅(drop casting), 도장법(stamp method) 또는 롤투롤(roll-to-roll) 프린팅 등을 사용하여 이루어질 수 있다.The formation of the protective layer 60 may be performed by spin coating, dip coating, ink-jet printing, screen printing, doctor blade, and titanium oxide (TiOx) solution. ), Drop casting, stamp method or roll-to-roll printing and the like.

제2 전극(50)을 형성하는 단계는 광활성층(40)상에 전도성 물질을 형성하는 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따를 때 광활성층(40)상에 음극이 형성된다.The forming of the second electrode 50 is to form a conductive material on the photoactive layer 40, and according to one embodiment of the present invention, a cathode is formed on the photoactive layer 40.

제2 전극(50)은 열기상증착(thermal evaporation), 전자빔증착(e-beam evaporation), RF(Radio Frequency) 스퍼터링 또는 마그네트론 스퍼터링법 등에 의해 형성될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.The second electrode 50 may be formed by thermal evaporation, e-beam evaporation, radio frequency (RF) sputtering or magnetron sputtering. But it is not limited thereto.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 종래의 태양전지(비교예) 및 본발명(제조예)를 준비하는 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, an experimental example (example) for preparing a conventional solar cell (comparative example) and the present invention (manufacturing example) will be presented to help understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following experimental examples.

<종래의 태양전지(비교예)>Conventional Solar Cells (Comparative Example)

투명 플라스틱 기판상에 제1 전극인 ITO(Indium Tin Oxide)를 증착하고 제1 전극상에 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxylene thiphene)-polystyrene sulphonic acid)로 이루어진 버퍼층을 스핀코팅(spin coating)법에 의해 형성하였다. Depositing ITO (Indium Tin Oxide) as a first electrode on a transparent plastic substrate and spin coating a buffer layer of PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenedioxylene thiphene) -polystyrene sulphonic acid) onto the first electrode It was formed by the method.

이어서, 상기 버퍼층상에 PCDTBT(poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)])와 PC70BM([6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester)을 블렌딩한 광활성층을 스핀코팅법에 의해 형성하였다. 마지막으로 상기 광활성층상에 제2 전극인 Al을 증착하였다.Then, PCDTBT (poly [N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- (4 ′, 7′-di-2-thienyl-2 ′, 1 ′, 3 ′) on the buffer layer -benzothiadiazole)]) and PC 70 BM ([6,6] -phenyl-C 71 butyric acid methyl ester) were formed by spin coating. Finally, Al, a second electrode, was deposited on the photoactive layer.

<본발명(제조예)><Invention (manufacturing example)>

투명 플라스틱 기판상에 제1 전극인 ITO(Indium Tin Oxide)를 증착하고 공액 고분자인 PFP-Na(sodium poly(9,9'-bis(4-sulfonatobutyl)fluorene-alt-co-1,4-phenylene))를 메탄올(40%), 이소프로판올(40%), 물(20%)을 섞은 용매에 녹여 고분자 전해질 용액을 준비하였다.ITO (Indium Tin Oxide) is deposited on the transparent plastic substrate and conjugated polymer PFP-Na (sodium poly (9,9'-bis (4-sulfonatobutyl) fluorene-alt-co-1,4-phenylene) )) Was dissolved in a solvent mixed with methanol (40%), isopropanol (40%) and water (20%) to prepare a polymer electrolyte solution.

상기 용매에 녹인 PFP-Na를 제1 전극상에 스핀코팅(spin coating)법에 의해 형성한 후 산소분위기에서 110℃에서 10분간 열처리를 하였다.PFP-Na dissolved in the solvent was formed on the first electrode by spin coating, and then heat-treated at 110 ° C. for 10 minutes in an oxygen atmosphere.

이어서, 상기 고분자 전해질층상에 PCDTBT(poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)])와 PC70BM([6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester)을 블렌딩한 광활성층을 스핀코팅법에 의해 형성하였다. 마지막으로 상기 광활성층상에 제2 전극인 Al을 증착하였다.Then, PCDTBT (poly [N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- (4 ′, 7′-di-2-thienyl-2 ′, 1 ′, 3) on the polymer electrolyte layer '-Benzothiadiazole)]) and PC 70 BM ([6,6] -phenyl-C 71 butyric acid methyl ester) were blended to form a photoactive layer by spin coating. Finally, Al, a second electrode, was deposited on the photoactive layer.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고분자 전해질의 하나인 PFP-Na(sodium poly[9,9'-bis(4-sulfonatobutyl)fluorene-alt-co-1,4-phenylene])의 분자구조를 나타낸 도면이다.2 is a molecular structure of PFP-Na (sodium poly [9,9'-bis (4-sulfonatobutyl) fluorene-alt-co-1,4-phenylene]) which is one of the polymer electrolytes according to one embodiment of the present invention The figure which shows.

도 3은 도 2에 도시된 PFP-Na로 구성된 고분자 전해질의 파장변화에 따른 형광 및 전계발광특성을 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a view showing fluorescence and electroluminescence characteristics according to the wavelength change of the polymer electrolyte composed of PFP-Na shown in FIG. 2.

도 4는 종래의 유기 태양전지와 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지(LESC)의 전압-전류 변화를 나타낸 도면이다.4 is a view showing a voltage-current change between a conventional organic solar cell and an organic solar cell (LESC) according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이 종래의 유기 태양전지와 본 발명에 의한 고분자 전해질층을 구비한 유기 태양전지를 Air Mass(AM) 1.5 100mW의 태양광 스펙트럼에 준하는 빛을 조사했을 때 거의 동등한 전압-전류 특성 일 예로서, 거의 비슷한 에너지 전환 효율(에너지 변환효율은 약 4.9%)을 나타냄을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, when the conventional organic solar cell and the organic solar cell including the polymer electrolyte layer according to the present invention are irradiated with light corresponding to the solar spectrum of Air Mass (AM) 1.5 100 mW, the voltage-current is almost equivalent. Characteristics As an example, it can be seen that the energy conversion efficiency (energy conversion efficiency is about 4.9%).

도 5는 종래의 태양전지의 전압-전류-밝기 특성을 나타낸 도면이다.5 is a view showing the voltage-current-brightness characteristics of a conventional solar cell.

도 5에 도시된 바와 같이 정전압이 가해진 경우 종래의 태양전지는 빛이 전혀 관찰되지 않음을 알 수 있다.When the constant voltage is applied as shown in Figure 5 it can be seen that the conventional solar cell is not observed at all.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지의 전압-전류-밝기 특성을 나타낸 도면이다.6 is a view showing the voltage-current-brightness characteristics of the organic solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지는 정전압이 가해진 경우 발광특성을 나타냄을 알 수 있다.As shown in Figure 6 it can be seen that the organic solar cell according to an embodiment of the present invention exhibits light emission characteristics when a constant voltage is applied.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지의 전계발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.7 is a view showing an electroluminescence spectrum of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지의 전계발광 현상을 나타낸 사진이다.8 is a photograph showing an electroluminescence phenomenon of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 고분자 전해질층을 도입한 유기 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.9 is a diagram showing an energy band diagram of an organic solar cell incorporating a polymer electrolyte layer according to an embodiment of the present invention.

도 9에 도시된 고분자 전해질은 PFP-Na(Sodium poly[9,9' -bis(4- sulfonatobutyl)fluorene-co-alt-1,4-phenylene]), 공액 고분자는 PCDTBT(poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)]), 플러렌 유도체는 PC70BM([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester) 이다.9 is PFP-Na (Sodium poly [9,9'-bis (4-sulonatobutyl) fluorene-co-alt-1,4-phenylene]), and the conjugated polymer is PCDTBT (poly [N-9]. ′ -Heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- (4 ′, 7′-di-2-thienyl-2 ′, 1 ′, 3′-benzothiadiazole)]), and the fullerene derivative is PC 70 BM ( [6,6] -phenyl-C 71 -butyric acid methyl ester).

도 10는 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지로서 고분자 전해질층의 두께가 20㎚인 경우 전계발광 스펙트럼의 변화를 나타낸 도면이다.10 is a view showing a change in the electroluminescence spectrum when the thickness of the polymer electrolyte layer is 20 nm as an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지로서 고분자 전해질층의 두께가 35㎚인 경우 전계발광 스펙트럼의 변화를 나타낸 도면이다.11 is a view showing a change in electroluminescence spectrum when the thickness of the polymer electrolyte layer as an organic solar cell according to an embodiment of the present invention is 35nm.

도 10 및 11에 도시된 바와 같이, 고분자 전해질층의 두께가 20㎚인 경우 약 1.9eV에서 발광피크가 나타남을 알 수 있다. 이는 광활성층의 전자주개 물질의 LUMO와 HOMO 에너지 차이에 부합하므로, 발광이 주로 광활성층 내에서 일어남을 알 수 있다. As shown in FIGS. 10 and 11, it can be seen that the light emission peak appears at about 1.9 eV when the thickness of the polymer electrolyte layer is 20 nm. This corresponds to the LUMO and HOMO energy difference of the electron donor material of the photoactive layer, it can be seen that the emission mainly occurs in the photoactive layer.

한편, 고분자 전해질층의 두께가 35㎚와 같이 두꺼운 경우, 약 3.2eV, 약 1.9eV, 약 2.2eV에서 발광피크가 나타남을 알 수 있다. 2.2eV는 광활성층의 전자주개 물질의 LUMO와 고분자 전해질의 HOMO의 에너지 차이에 부합하므로 이는 고분자 전해질의 정공과 공액 고분자의 전자로 인해 생성된 엑시플렉스(exciplex)에 의한 발광으로 설명될 수 있다. On the other hand, when the thickness of the polymer electrolyte layer is thick, such as 35nm, it can be seen that the emission peak appears at about 3.2eV, about 1.9eV, about 2.2eV. Since 2.2 eV corresponds to the energy difference between the LUMO of the electron donor material of the photoactive layer and the HOMO of the polymer electrolyte, this may be explained by light emission by exciplex generated by holes of the polymer electrolyte and electrons of the conjugated polymer.

또한, 3.2eV는 고분자 전해질의 LUMO와 HOMO의 에너지 차이에 부합하므로 발광이 고분자 전해질층 내에서도 일어남을 알 수 있다.In addition, since 3.2 eV corresponds to the energy difference between LUMO and HOMO of the polymer electrolyte, light emission may occur in the polymer electrolyte layer.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 종래의 유기 태양전지의 구조에서 버퍼층 대신 고분자 전해질층을 도입함으로써 종래의 태양전지 특성의 변화없이 발광특성을 가지는 소자를 제작하는 것이 가능하다.As described above, according to the present invention, a polymer electrolyte layer is introduced in place of a buffer layer in the structure of a conventional organic solar cell, thereby making it possible to manufacture a device having light emission characteristics without changing the characteristics of the conventional solar cell.

또한, 본 발명에 의한 유기 태양전지에 구비되는 고분자 전해질층의 두께를 조절 및 광활성층으로 사용하는 물질의 에너지 갭 을 조절함으로써 발광되는 광의 색의 조절이 가능할 수 있다.In addition, it may be possible to control the color of the light emitted by controlling the thickness of the polymer electrolyte layer provided in the organic solar cell according to the present invention and the energy gap of the material used as the photoactive layer.

본 발명에 의한 광전자소자는 현재 고분자 발광 다이오드가 사용되고 있는 산업 전반에 응용이 가능하며 단독으로 전력생산이 가능하므로 휴대성이 강조되는 유비쿼터스 시스템 전반에 걸쳐 사용이 가능하다.The optoelectronic device according to the present invention can be applied to the entire industry in which polymer light emitting diodes are currently used, and can be used throughout the ubiquitous system where portability is emphasized because power can be produced by itself.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. I can understand that.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지의 적층구조를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a laminated structure of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고분자 전해질층을 구성하는 PFP-Na의 분자구조를 나타낸 도면이다.2 is a diagram showing the molecular structure of PFP-Na constituting the polymer electrolyte layer according to an embodiment of the present invention.

도 3은 도 2에 도시된 PFP-Na로 구성된 고분자전해질의 파장변화에 따른 형광 및 전계발광특성을 나타낸 도면이다.3 is a view showing fluorescence and electroluminescence characteristics according to the wavelength change of the polymer electrolyte composed of PFP-Na shown in FIG.

도 4는 종래의 유기 태양전지와 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지(LESC)의 전압-전류 변화를 나타낸 도면이다.4 is a view showing a voltage-current change between a conventional organic solar cell and an organic solar cell (LESC) according to an embodiment of the present invention.

도 5는 종래의 유기 태양전지의 전압-전류-밝기 특성을 나타낸 도면이다.5 is a view showing the voltage-current-brightness characteristics of the conventional organic solar cell.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지의 전압-전류-밝기 특성을 나타낸 도면이다.6 is a view showing the voltage-current-brightness characteristics of the organic solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지의 전계발광 스펙트럼을 나타낸 도면이다.7 is a view showing an electroluminescence spectrum of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지의 전계발광현상을 나타낸 사진이다.8 is a photograph showing an electroluminescence phenomenon of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.9 is a diagram showing an energy band diagram of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지로서 고분자 전해질층의 두께가 20㎚인 경우 전계발광 스펙트럼의 변화를 나타낸 도면이다.10 is a view showing a change in the electroluminescence spectrum when the thickness of the polymer electrolyte layer as the organic solar cell according to an embodiment of the present invention 20nm.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 유기 태양전지로서 고분자 전해질층의 두께가 35㎚인 경우 전계발광 스펙트럼의 변화를 나타낸 도면이다.11 is a view showing a change in electroluminescence spectrum when the thickness of the polymer electrolyte layer as an organic solar cell according to an embodiment of the present invention is 35nm.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

10 : 기판 20 : 제1 전극10 substrate 20 first electrode

30 : 고분자 전해질층 40 : 광활성층30 polymer electrolyte layer 40 photoactive layer

50 : 제2 전극 60 : 보호층50: second electrode 60: protective layer

Claims (15)

기판;Board; 상기 기판 상에 형성되는 제1 전극;A first electrode formed on the substrate; 상기 제1 전극 상에 형성되는 고분자 전해질층;A polymer electrolyte layer formed on the first electrode; 상기 고분자 전해질층 상에 형성되는 광활성층(photo active layer); 및A photo active layer formed on the polymer electrolyte layer; And 상기 광활성층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고,A second electrode formed on the photoactive layer, 상기 광활성층은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 통해 외부에서 인가된 전압에 의해 발광특성을 나타내는 유기 태양전지.The photoactive layer is an organic solar cell exhibiting light emission characteristics by a voltage applied from the outside through the first electrode and the second electrode. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광활성층과 상기 제2 전극사이에 보호층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.An organic solar cell comprising a protective layer between the photoactive layer and the second electrode. 제 3 항에 있어서, 상기 보호층은 타이타늄 산화물(TiOx) 로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The organic solar cell of claim 3, wherein the protective layer is made of titanium oxide (TiOx). 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 전해질층은,The method of claim 1, wherein the polymer electrolyte layer, poly(9,9-bis(6”-(N,N,N-trimethylammonium) hexyl)fluorene-alt-co-phenylene)bromide, poly ((2- cyclooctatetraenylethyl)- trimethylammonium trifluoromethanesulfonate), poly-(tetramethylammonium 2-cyclooctatetraenylethanesulfonate), poly((2-methoxy-5-(3-sulfonatopropoxy)-1, 4-phenylene)-1,2-ethenediyl), K을 상대이온으로 갖는 poly((2-methoxy-5-propyloxysulfonate-1,4- phenylenevinylene)-alt-(1,4-phenylenevinylene)), 상대이온으로 H, Na, tetradecyltrimethylammonium(TDMA)를 갖는 sulfonated poly(p-phenylene), poly(N-(4-sulfonatobutyloxyphenyl)-4,4'-diphenylamine-alt-1,4-phenylene) sodium salt, poly (N-4,4'-diphenylamine-alt-N-(p-trifluoromethyl) phenyl-4,4'-diphenylamine) sodium salt, poly((9,9-bis(6'-(N,N,Ntrimethylammonium)hexyl)-fluorene-2,7-diyl)-alt-(2,5-bis(pphenylene)-1,3,4-oxadiazole)), PFP-Na(sodium poly(9,9'-bis(4-sulfonatobutyl)fluorene-alt-co-1,4-phenylene)) 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.poly (9,9-bis (6 ”-(N, N, N-trimethylammonium) hexyl) fluorene-alt-co-phenylene) bromide, poly ((2-cyclooctatetraenylethyl)-trimethylammonium trifluoromethanesulfonate), poly- (tetramethylammonium 2- cyclooctatetraenylethanesulfonate), poly ((2-methoxy-5- (3-sulfonatopropoxy) -1, 4-phenylene) -1,2-ethenediyl), poly ((2-methoxy-5-propyloxysulfonate-1) with a counterion of K , 4-phenylenevinylene) -alt- (1,4-phenylenevinylene)), sulfonated poly (p-phenylene), poly (N- (4-sulfonatobutyloxyphenyl) -4, having H, Na, tetradecyltrimethylammonium (TDMA) as counterion 4'-diphenylamine-alt-1,4-phenylene) sodium salt, poly (N-4,4'-diphenylamine-alt-N- (p-trifluoromethyl) phenyl-4,4'-diphenylamine) sodium salt, poly ( (9,9-bis (6 '-(N, N, Ntrimethylammonium) hexyl) -fluorene-2,7-diyl) -alt- (2,5-bis (pphenylene) -1,3,4-oxadiazole)) , PFP-Na (sodium poly (9,9'-bis (4-sulfonatobutyl) fluorene-alt-co-1,4-phenylene)) an organic solar cell, characterized in that made of at least one material. 제 1 항에 있어서, 상기 광활성층은,The method of claim 1, wherein the photoactive layer, 전자주개 물질과 전자받개 물질간 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.An organic solar cell comprising a bulk heterojunction structure between an electron donor material and an electron acceptor material. 제 6 항에 있어서, 상기 전자주개 물질은,The method of claim 6, wherein the electron donor material, P3HT(poly(3-hexylthiophene)), MEH-PPV(poly-[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-3(3',7'-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene]), PFDTBT(poly((2,7-(9,9-dioctyl)-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)), PCPDTBT(poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PCDTBT(poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)]) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.Poly (3-hexylthiophene) (P3HT), MEH-PPV (poly- [2-methoxy-5- (2'-ethylhexyloxy) -1,4-phenylene vinylene]), MDMO-PPV (poly [2-methoxy-5) -3 (3 ', 7'-dimethyloctyloxy) -1-4-phenylene vinylene]), PFDTBT (poly ((2,7- (9,9-dioctyl) -fluorene) -alt-5,5- (4' , 7'-di-2-thienyl-2 ', 1', 3'-benzothiadiazole), PCPDTBT (poly [N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2 ', 1', 3'-benzothiadiazole)]), PCDTBT (poly [N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- (4 ′, 7′-di-2-thienyl-2 ′, 1 ′, 3′-benzothiadiazole)]). 제 6 항에 있어서, 상기 전자받개 물질은,The method of claim 6, wherein the electron acceptor material, 플러렌(fullerene: C60), 플러렌 유도체, PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10 perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.An organic solar cell comprising at least one of a fullerene (C 60 ), a fullerene derivative, a polybenzimidazole (PBI), and a PTCBI (3,4,9,10 perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole). 제 7 항에 있어서, 상기 전자주개 물질은 PCDTBT(poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)])인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The method of claim 7, wherein the electron donor material is PCDTBT (poly [N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- (4 ′, 7′-di-2-thienyl-2 ′, 1 ', 3'-benzothiadiazole)]). 제 8 항에 있어서, 상기 전자받개 물질은 PC70BM([6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester)인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The organic solar cell of claim 8, wherein the electron acceptor material is PC 70 BM ([6,6] -phenyl-C 71 butyric acid methyl ester). 기판을 제공하는 단계;Providing a substrate; 상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;Forming a first electrode on the substrate; 상기 제1 전극 상에 고분자 전해질층을 형성하는 단계;Forming a polymer electrolyte layer on the first electrode; 상기 고분자 전해질층 상에 광활성층을 형성하는 단계; 및Forming a photoactive layer on the polymer electrolyte layer; And 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,Forming a second electrode on the photoactive layer; 상기 광활성층은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 통해 외부에서 인가된 전압에 의해 발광특성을 나타내는 유기 태양전지 제조방법.The photoactive layer is an organic solar cell manufacturing method exhibiting the light emission characteristics by the voltage applied from the outside through the first electrode and the second electrode. 삭제delete 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 광활성층을 형성하는 단계와 상기 제2 전극을 형성하는 단계 사이에 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.Forming a protective layer between the step of forming the photoactive layer and the step of forming the second electrode. 제 11 항에 있어서, 상기 고분자 전해질층을 형성하는 단계는,The method of claim 11, wherein the forming of the polymer electrolyte layer, 고분자 전해질이 녹아있는 용액을 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅 (dip coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 인쇄(screen printing), 드롭 캐스팅(drop casting), 도장법(stamp method), 닥터 블레이드(doctor blade) 또는 롤투롤 (roll-to-roll) 중 어느 하나의 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.Spin coating, dip coating, ink-jet printing, spray coating, screen printing, drop casting Method of manufacturing an organic solar cell, characterized in that formed by any one of a method, a stamp method, a doctor blade or a roll-to-roll. 제 13 항에 있어서, 상기 보호층을 형성하는 단계는,The method of claim 13, wherein forming the protective layer, 타이타늄 산화물(TiOx) 용액을 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스크린 프린팅(screen printing), 닥터 블레이드(doctor blade), 드롭 캐스팅(drop casting), 도장법(stamp method) 또는 롤투롤(roll-to-roll) 프린팅 중 어느 하나의 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.Titanium oxide (TiOx) solution is spin coated, dip coated, ink-jet printing, screen printing, doctor blade, drop casting Method of manufacturing an organic solar cell, characterized in that made by any one of a method, a stamp method or roll-to-roll printing.
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