KR101047396B1 - 유기 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
제1 전극; 상기 제1 전극과 대향 배치되는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광활성층; 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 위치하는 정공 수송층; 및 상기 제2 전극과 상기 광활성층 사이에 위치하고 카르복시산 무수물로 이루어진 제1 음극 계면층을 포함하는 유기 태양전지 소자 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 유기 태양전지 소자는 제2 전극과 광활성층의 일함수 차이에 따른 전자 수송에 필요한 에너지 장벽을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 음극 계면층을 형성하지 않은 종래의 유기 박막 태양전지 소자와 비교하여 에너지 전환 효율과 광 전류 밀도를 향상시킬 수 있고, 또한 종래의 LiF 등의 금속 화합물 절연막을 이용하는 경우 발생하는 Li 등의 금속 성분의 확산을 막아 신뢰성을 지속할 수 있는 유기 박막 태양전지를 제공할 수 있다.
유기 태양전지, 음극 계면층, 카르복시산 무수물
Description
본 발명은 유기 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 전환 효율을 향상시킬 수 있는 유기 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 인류는 지금까지 이룩한 문명의 원동력인 화석연료의 점진적인 고갈로 말미암아 미래 대체 에너지 개발에 박차를 가 하고 있는 실정이다. 대체 에너지 중에서 가장 유망하고 활발히 연구되고 있는 분야가 태양광 발전이다. 태양광 발전은 무한정, 무공해의 햇빛을 직접 전기로 바꿀 수 있는 첨단기술로 햇빛이 비치는 곳에서는 어디서나 전기를 얻을 수 있으며. 다른 발전 방식과는 달리 대기 오염, 소음, 발열, 진동 등의 공해가 전혀 없는 깨끗한 에너지 원이다. 또한 연료의 수송과 발전 설비의 유지 관리가 거의 불 필요하며, 수명이 길고, 설비규모의 선택과 설치 공사가 쉬운 장점이 있다.
최근 들어 정보 전자산업의 급속한 발전과 함께 차세대 디스플레이로서 유연 성(flexible) 디스플레이에 대한 관심이 증대하고 있다. 사실 미래의 구부러지는 디스플레이도 그에 걸 맞는 전기 에너지원이 없다면 그 편의성이 반으로 경감될 것이다. 기존의 무기재료를 활용하는 태양전지가 본격적인 대체 에너지원으로서 화력발전을 대체할 태양광 발전소에서 그 주된 용도를 찾는다면. 유기 태양전지는 건물의 창이나 벽, 발코니 등에 설치하여 수려한 외관을 창출하며 동시에 전기를 생산해내는 소위 BIPV(Building Integrated Photovoltaic System) 용도에서 크게 쓰여질 것이다. 물론 장래에는 유연성 디스플레이에도 가장 궁합이 맞는 파트너가 될 것이며 입는 옷이나 들고 다니는 가방을 장식하면서 사람의 건강과 일상을 책임지는 핵심 에너지원 역할을 톡톡히 할 것이다.
이러한 유기 태양 전지는 유리 기판 위에 양극(anode), 정공 수송층, 광활성층, 전자 수송층 및 음극(cathode)이 순차적으로 증착된 적층 구조를 가지며, 높은 일함수를 가진 전도성 투명전극(ITO)을 양극으로 낮은 일함수를 가진 Al이나 Ca 등을 음극 물질로 사용한다. 그리고 광활성층은 100 nm 정도의 두께를 가진, 도너(전자 주게, D) 물질과 억셉터(전자 받게, A) 물질의 두 층 구조(D/A bi-layer) 혹은 복합 박막((D+A) blend) 구조를 이용한다. 또한 버퍼층으로 양극과 광활성층 사이에 정공 수송층을 음극과 광활성층 사이에는 전자 수송층을 끼워 넣기도 한다.
이렇게 구성된 유기 박막 태양전지에 빛을 쬐어주면, 주로 도너 물질에서 빛을 흡수하여 여기 상태의 에너지 덩어리인 전자-정공 쌍(엑시톤)을 형성한다. 이 엑시톤은 임의 방향으로 확산하다가 억셉터 물질과의 계면을 만나면 전자와 정공으로 분리된다. 즉, 전자 친화도가 큰 업셉터 물질은 전자를 급속히 잡아당겨 전하 분리를 유도하며, 도너 층에 남아있는 정공은 양쪽 전극의 일 함수 차이로 형성된 내부 전기장과 쌓여진 전하의 농도 차에 의해 양극으로 이동하고 전자는 역시 억셉터층 내부를 따라 음극으로 이동하여 수집된다. 수집된 전하는 최종적으로 외부 회로를 통해 전류의 형태로 흐르게 된다.
이때, 소자의 효율을 향상시키기 위해서는 광활성층 내의 정공과 전자의 균형이 중요하다. 그러나 상대적으로 높은 음전극의 일 함수 때문에 음극으로의 전자 수송시 높은 에너지 장벽이 형성 된다. 그래서 유기 박막 태양 전지의 효율을 향상시키기 위해서는 낮은 일 함수를 가지는 음극을 형성시키는 것이 무엇보다도 중요하다.
그러나 낮은 일 함수를 가지는 Ca, Li, Mg 와 같은 금속은 반응성이 높고 수분에 민감한 특징을 가지고 있으므로 공기 중에서 안정한 Al을 음극으로 많이 사용하고 있다.
상대적으로 높은 일 함수를 가지는 Al으로부터의 전자의 주입을 향상시키기 위해서 Al 음극을 대체하는 전극으로 Mg:Ag, Al:Li 등과 같은 합금을 사용하여 일 함수를 낮추는 방법이 보고된바 있다. 그러나, 최근 가장 효율적인 방법으로 인정되고 있는 것은 유기물과 Al 사이에 얇은 절연막을 삽입하여 전자 주입을 향상시키는 방법으로서, 현재 가장 많이 이용되고 있는 절연막은 LiF 이다.
그러나, LiF 등의 금속성 화합물은 Li 등의 금속 성분이 유기물 내로 확산되기 때문에 유기 태양 전지의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
본 발명은 상대적으로 높은 일 함수를 가지는 제2 전극과 광활성층 사이에 존재하는 에너지 장벽을 낮추고, 동시에 종래의 LiF 등의 금속 화합물 절연막 이용시 발생하는 Li 등의 금속 성분의 확산을 막아 에너지 전환 효율과 광전류 밀도가 향상되면 서도 신뢰성 있는 유기 태양전지 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향 배치되는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광활성층; 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 위치하는 정공 수송층; 및 상기 제2 전극과 상기 광활성층 사이에 위치하고, 카르복시산 무수물로 이루어진 제1 음극 계면층을 포함하는 유기 태양전지 소자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기 태양전지 소자는 상기 제1 음극 계면층과 상기 제2 전극 사이에 위치하고, 상기 제1 음극 계면층을 형성하는 카르복시산 무수물과 상이한 카르복시산 무수물로 이루어진 제2 음극 계면층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 음극 계면층을 형성하는 카르복시산 무수물 및 상기 제2 음극 계면층을 형성하는 카르복시산 무수물은 피로멜리트산 이무수물(pyromellitic dianhydride, PMDA), 트리멜리트산 무수물(trimellitic anhydride, TMA), 이들의 유도체 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 음극 계면층 및 상기 제2 음극 계면층 중 하나 이상은 열 진공 증착 방식으로 증착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기 태양전지 소자는 상기 제2 전극과 상기 제1 음극 계면층 사이에, LiF, CsF, Al2O3, MgF, NaCl, KCl, 알칼리 금속 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 이루어진 제3 음극 계면층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기 태양전지 소자는 상기 제2 전극과 상기 제2 음극 계면층 사이에, LiF, CsF, Al2O3, MgF, NaCl, KCl, 알칼리 금속 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 이루어진 제3 음극 계면층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물(ITO)로 이루어지고, 상기 정공 수송층은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트))로 이루어지며, 상기 광활성층은 P3HT(폴리(3-헥실티오펜) 및 PCBM([6,6]-페닐 C61-부트릭 산 메틸에스테르)의 혼합박막이고, 상기 제2 전극은 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 기판 상에 제1 전극을 증착하는 단계; 상 기 증착된 제1 전극 상에 정공 수송층을 증착하는 단계; 상기 증착된 정공 수송층 상에 광활성층을 증착하는 단계; 상기 증착된 광활성층 상에 카르복시산 무수물을 이용하여 제1 음극 계면층을 증착하는 단계; 및 상기 증착된 제1 음극 계면층 상에 제2 전극을 증착하는 단계를 포함하는 유기 태양전지 소자의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기 태양전지 소자의 제조 방법은 상기 제1 음극 계면층의 증착 단계에 이어서, 상기 증착된 제1 음극 계면층 상에 제1 음극 계면층 증착에 이용된 카르복시산 무수물과 상이한 카르복시산 무수물을 이용하여 제2 음극 계면층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 음극 계면층 및 상기 제2 음극 계면층 중 하나 이상은 열 진공 증착 방식으로 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 음극 계면층의 증착 단계에 이어서, 상기 증착된 제1 음극 계면층 상에 LiF, CsF, Al2O3, MgF, NaCl, KCl, 알칼리 금속 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 이용하여 제3 음극 계면층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 음극 계면층의 증착 단계에 이어서, 상기 증착된 제2 음극 계면층 상에 LiF, CsF, Al2O3, MgF, NaCl, KCl, 알칼리 금속 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 이용하여 제3 음극 계면층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기 태양전지 소자의 제조 방법은 상기 제1 전극의 증착 단계에 이어서, 상압 플라즈마 처리를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 상압 플라즈마 처리는 180 내지 220 W에서 O2 6 내지 9 sccm과 Ar 8 내지 12 sccm 하에서의 O2 상압 플라즈마 처리일 수 있다.
상기 유기 태양전지 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물(ITO)을 이용하고, 상기 정공 수송층은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트))를 이용하며, 상기 광활성층은 P3HT(폴리(3-헥실티오펜) 및 PCBM([6,6]-페닐 C61-부트릭 산 메틸에스테르)의 혼합물을 이용하고, 상기 제2 전극은 알루미늄을 이용하여 증착하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2 전극과 광활성층의 일함수 차이에 따른 전자 수송에 필요한 에너지 장벽을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 음극 계면층을 형성하지 않은 종래의 유기 박막 태양전지 소자와 비교하여 에너지 전환 효율과 광 전류 밀도가 향상된 유기 박막 태양전지 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 종래의 LiF 등의 금속 화합물 절연막을 이용하는 경우 발생하는 Li 등의 금속 성분의 확산을 막아 신뢰성을 지속할 수 있는 유기 박막 태양전지를 제공할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 유기 태양전지 소자에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 태양전지 소자는 기판(10) 상의 제1 전극(20); 상기 제1 전극과 대향 배치되는 제2 전극(60); 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광활성층(40); 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 위치하는 정공 수송층(30); 및 상기 제2 전극과 상기 광활성층 사이에 위치하는 음극 계면층(50)을 포함한다.
이하 각 구성요소에 관하여 설명한다. 이하의 설명에서 편의상 도 1의 각 층의 윗쪽 면을 상면, 아래쪽 면을 하면으로 지칭한다.
기판(10)
기판(10)은 제1 전극(20), 정공 수송층(30), 광활성층(40), 음극 계면층(50) 및 제2 전극을 지지하기 위한 것으로서, 평판상의 부재로 이루어질 수 있다.
상기 기판으로는 태양광 등의 외부 광을 입사시킬 수 있는 실질적으로 투명(무색투명, 착색투명 또는 반투명)인 물질이라면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있으며, 예컨대, 각종 유리재료, 각종 세라믹스재료, 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리프로필렌(PP) 등과 같은 각종 수지재료를 예로 들 수 있다.
상기 기판의 평균 두께는 재료, 용도 등에 따라 적절히 설정될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 상기 투명 기판은 Ti, In, Ga 및 Al로 이루어진 군에서 선택된 물질로 도핑될 수 있다.
상기 기판은 필요에 따라 생략하는 것도 가능하고 투명하지 않은 물질도 가능하다.
제1 전극(20)
본 발명의 일 실시예에서는 상기 기판(10)의 상면에 층상의 제1 전극이 위치한다. 상기 제1 전극은 양극(anode)일 수 있다.
상기 제1 전극의 재료로는, 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 주석계 산화물, 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide, ATO), 산화아연(zinc oxide), 플루오르 도프 산화주석(FTO), 이들의 조합 등의 전도성 금속산화물; 알루미늄, 니켈, 코발트, 백금, 은, 금, 구리, 몰리브덴, 티탄, 탄탈 등의 금속 또는 이들을 포함하는 합금; 또는 흑연 등의 각종 탄소재료 등을 들 수 있고, 이들 중 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 전도성, 투명성 및 내열성이 우수한 SnO2 또는 비용 측면에서 저렴한 ITO를 사용 할 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 전도성 금속 산화물의 단일막 또는 다층막으로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 전극의 평균두께로서는 재료, 용도 등에 따라 적절히 설정 될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(20)은 투과도가 높은 ITO 막 등의 투명 전극이며, 스퍼터링(sputtering)법, 기상 증착법 또는 이온빔 증착법 등 공지된 방식 중 어느 하나에 의하여 바람직하게 형성될 수 있다.
정공
수송층
(30)
본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1 전극(20)의 상면에 층상의 정공 수송층(30)이 위치한다.
상기 정공 수송층은 광활성층에서 발생한 정공을 포착하고 수송하는 기능을 할 수 있다.
상기 정공 주입층(30)을 형성하는 전도성고분자로는 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)), PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린, 프탈로시아닌, 펜타센, 폴리디페닐, 아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, Cu-PC(커퍼 프탈로시아닌) 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(T-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴) 디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌, 이들의 유도체 등의 전도성 고분자 등이 하나 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있으며, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니다.
바람직하게는 상기 정공 주입층으로 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)) 혼합물을 이용할 수 있다.
상기 정공 주입층은 일반적인 증착법 또는 코팅 방법, 예를 들어 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩, 스퍼터링 등의 방법을 이용하거나, 또는 전기영동법을 이용하여 상기 제1 전극의 상면에 증착 또는 코팅될 수 있으며, 반드시 이러한 방법에 한정되는 것은 아니다.
상기 정공 주입층의 평균두께로서는 재료, 용도 등에 따라 적절히 설정될 수 있으며, 특별히 한정되지는 않지만, 5 ~ 2000 nm가 바람직하다. 상기 범위를 벗어나는 경우 정공전달 특성 저하 또는 구동 전압 상승으로 바람직하지 못할 수 있다.
광활성층(40)
본 발명의 일 실시예에서는 상기 정공 수송층(30)의 상면에 층상의 광활성층(40)이 위치한다.
상기 광활성층은 100 nm 정도의 두께를 가진, 전자 주게(donor, D) 물질과 전자 받게(acceptor, A) 물질의 두 층 구조(D/A bi-layer) 혹은 복합 박막((D+A) blend) 구조를 이용할 수 있다.
상기 광활성층(40)은 바람직하게는 전자 주게(electron doner)로서 π-전자를 포함하는 p-형 전도성고분자 물질과 전자 받게(electron acceptor)로서 플러렌 또는 그 유도체를 포함하는 전도성고분자-전자받게 블렌드층을 포함할 수 있다.
상기 전자 주게로 이용되는 전도성고분자의 구체적인 예로는 P3HT(폴리(3-헥 실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 이들의 유도체 등을 포함하나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니다. 상기 전도성 고분자는 2종 이상의 물질의 조합일 수 있다.
상기 전자 받게의 구체적인 예로는 플러렌 또는 그 유도체, CdSe 등의 나노 결정, 탄소 나노 튜브, 나노 로드, 나노 와이어 등을 포함하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 광활성층은 전자 주게로서 P3HT와 전자받게로서 플러렌 유도체인 PCBM([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester)의 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하며, 그 혼합 중량비율은 1:0.1 내지 1:2 가 바람직하다.
상기 광활성층은 일반적인 증착법 또는 코팅 방법, 예를 들어 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩, 스퍼터링 등의 방법을 이용하거나, 또는 전기영동법을 이용하여 상기 정공주입층의 상면에 증착 또는 코팅될 수 있으며, 반드시 이러한 방법에 한정되는 것은 아니다.
음극 계면층(50)
본 발명의 일 실시예에서는 상기 광활성층(40)의 상면에 층상의 음극 계면층(50)이 위치한다.
상기 음극 계면층은 상대적으로 높은 일 함수를 가지는 제2 전극과 광활성층 사이에 존재하는 에너지 장벽을 낮추어, 광활성층(40)과 제 2전극(60)사이의 전자이동을 용이하게 할 수 있다.
상기 음극 계면층은 단일층 또는 상이한 물질의 다층 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극 계면층은 카르복시산 무수물(carboxylic acid anhydride)로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 카르복시산 무수물은 분자 내에 방향족 고리를 포함하는 카르복시산 무수물일 수 있으며, 예컨대, 피로멜리트산 이무수물(Pyromellitic dianhydride, PMDA), 트리멜리트산 무수물(Trimellitic anhydride, TMA), 프탈산 무수물(Phthalic anhydride), 벤조산 무수물(Benzoic anhydride), 이사토산 무수물(Isatoic anhydride), 1,8-나프탈산 무수물(1,8-Naphthalic anhydride), 1,4,5,8-나프탈렌테트라카르복시산 이무수물(1,4,5,8-Naphthalenetetracarboxylic dianhydride) 등을 들 수 있으며, 가장 바람직하게는, 피로멜리트산 이무수물(Pyromellitic dianhydride) 또는 트리멜리트산 무수물(Trimellitic anhydride)이다.
상기 음극 계면층은 상기 카르복시산 무수물의 유도체가 이용될 수 있으며, 예컨대, 할로겐 원소, 알킬기 또는 기타 치환기로 치환된 유도체가 이용될 수 있다.
상기 분자 내에 방향족 고리를 포함하는 카르복시산 무수물의 유도체로는, 예컨대, 테트라클로로프탈산 무수물(Tetrachlorophthalic anhydride), 3-클로로프탈산 무수물(3-Chlorophthalic anhydride), 4-술포프탈산 무수물(4-Sulfophthalic anhydride), 4-플루오로프탈산 무수물(4-Fluorophthalic anhydride), 테트라브로모프탈산 무수물(Tetrabromophthalic anhydride), 테트라요도프탈산 무수물(Tetraiodophthalic anhydride), 시스-1,2,3,6-테트라히드로프탈산 무수물(cis-1,2,3,6-Tetrahydrophthalic anhydride) 등이 있을 수 있다.
상기 음극 계면층은 상기 카르복시산 무수물 또는 이들의 유도체가 혼합물로서 이용될 수도 있다.
상기 음극 계면층은 일반적인 증착법 또는 코팅 방법으로 증착 또는 코팅될 수 있다. 바람직하게는, 상기 음극 계면층은 열 진공 증착법(thermal vaccum evaporation)을 이용하여 비교적 간단하게 증착시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 음극 계면층(제1 음극 계면층(51))의 상면에 제2 음극 계면층(52)을 추가적으로 위치시킬 수 있다(도 2 참조).
상기 제2 음극 계면층으로는 상기 제1 음극 계면층에 이용될 수 있는 물질과 동일하게, 카르복시산 무수물, 이들의 유도체 또는 이들의 혼합물이 이용될 수 있으며, 상기 제1 음극 계면층으로 선택된 화합물과는 상이한 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제2 음극 계면층은 전술한 음극 계면층(제1 음극 계면층)과 동일한 방법으로 증착 또는 코팅될 수 있으며, 바람직하게는 열 진공 증착법(thermal vaccum evaporation)을 이용하여 제1 음극 계면층의 상면에 증착시킬 수 있다
일반적으로 유기물과 금속 사이에 계면층을 삽입하는 경우 계면층의 두께가 너무 두꺼워지면 계면층을 터널링하기 어려워져 오히려 전자 수송 효율이 떨어지기 때문에 효율적인 정공 수송을 위하여 재료, 용도 등에 따라 적절한 두께로 상기 음극 계면층들을 형성할 수 있다.
예컨대, 피로멜리트산 이무수물(PMDA)을 사용하여 음극 계면층을 형성하는 경우, 바람직하게는 0.1 내지 1.0 nm의 두께로 형성할 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.3 내지 0.5 nm의 두께가 좋고, 가장 바람직하게는 0.5nm이다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 제1 음극 계면층의 상면, 다층의 음극 계면층을 포함하는 경우 가장 상층의 음극 계면층의 상면 또는 다층의 음극 계면층의 사이에 LiF, CsF, Al2O3, MgF, NaCl, KCl, 알칼리 금속 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 이루어진 제3 음극 계면층(53)을 더 포함할 수 있다(도 3 참조).
이러한 제3 음극 계면층을 더 포함하는 경우, 유기 태양전지 소자는 광활성층(40)과 제3 음극 계면층 사이에 제1 음극 계면층 또는 다층의 음극 계면층이 형성되어 있기 때문에, 상기 LiF 등으로 이루어지는 종래 많이 사용되는 음극 계면층의 금속이 광활성층으로 확산되는 것을 방지하는 효과를 가질 수 있다.
제2 전극(60)
본 발명의 일 실시예에서는 상기 음극 계면층(50)의 상면에 층상의 제2 전 극(60)이 위치한다. 상기 제2 전극은 음극(cathode)일 수 있다.
상기 제2 전극은 광활성층으로의 전자 주입이 용이하도록 일 함수가 작은 물질을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 제2 전극의 재료로는, 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 인듐, 이트륨, 리튬, 은, 납, 세슘 등의 금속 또는 이들의 2종 이상의 조합을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 제2 전극으로 알루미늄(Al)을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 본 발명에 따른 유기 태양전지 소자는 상기 기판(10) 상에 제1 전극(20), 정공 수송층(30), 광활성층(40), 음극 계면층(50) 및 제2 전극(60)을 순차적으로 적층하여 형성할 수 있으며, 유리 기판 상에 제1 전극은 ITO, 정공 수송층은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)): PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 광활성층은 P3HT(폴리(3-헥실티오펜)와 PCBM ([6,6]-페닐 C61-부트릭 산 메틸에스테르) 혼합박막, 제1 음극 계면층으로는 피로멜리트산 이무수물, 제2 전극(60)으로 알루미늄을 이용하여 구성할 수 있다.
전술한 음극 계면층을 형성시키지 않은 종래의 유기 태양 전지 소자의 에너지 대역을 도 4에 나타내었다. 도 2를 참조하면, 종래의 유기 태양 전지 소자는 음극과 광활성층 사이에 약 0.9eV의 에너지 장벽이 존재하여 전자 수송을 방해하게 된다. 이에 반하여, 본 발명에 따른 유기 태양 전지 소자는, 음극과 광활성층 사이 에 음극 계면층을 형성함으로써, 음극과 광활성층 사이의 상기 에너지 장벽을 낮추어 광활성층과 음극 사이의 전자 수송이 용이하게 하고, 이에 따라 에너지 전환 효율과 광 전류 밀도 (Jsc)를 향상시킬 수 있다.
유기 태양전지 소자의 제조 방법
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 소자는 기판(10) 상에 제1 전극(20)을 증착하는 단계; 상기 증착된 제1 전극 상에 정공 수송층(30)을 증착하는 단계; 상기 증착된 정공 수송층 상에 광활성층(40)을 증착하는 단계; 상기 증착된 광활성층 상에 카르복시산 무수물을 이용하여 제1 음극 계면층(50)을 증착하는 단계; 및 상기 증착된 제1 음극 계면층 상에 제2 전극(60)을 증착하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
예컨대, 상기 기판(10) 상에 상기 제1 전극(20)은 진공 증착 등의 방법을 통해 형성할 수 있고, 상기 정공 수송층(30)과 광활성층(40)은 스핀 코팅 법을 이용하여 증착할 수 있으며, 상기 제 1음극 계면층(50)과 제2 전극(60)은 진공 증착 공정을 이용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 상기 제1 음극 계면층을 상기 광활성층(40)의 상면에 열 진공 증착 방식으로 증착할 수 있으며, 또한, 상기 증착된 제1 음극 계면층의 상면에 제2 음극 계면층을 열 진공 증착 방식으로 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 제1 음극 계면층의 상면(제2 음극 계면층을 증착한 경우 제2 음극 계면층의 상면)에 LiF, CsF, Al2O3, MgF, NaCl, KCl, 알칼리 금속 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 이용하여 제3 음극 계면층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극(20)을 증착한 후 상압 플라즈마 처리를 수행하는 단계를 더 포함함으로써 광 전류 밀도를 증가 시키고 유기 태양 전지 소자의 효율을 증가시킬 수 있다.
상기 상압 플라즈마 처리는 O2 상압 플라즈마 처리일 수 있으며, 이는 180 내지 220 W에서 O2 7 내지 8 sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute)과 Ar 8 내지 12 sccm 하에서 수행되는 것일 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
ITO 기판(ITO가 코팅된 유리 기판)의 상면에 PEDOT:PSS와 이소프로필 알코올을 1:2로 혼합한 용액을 이용하여 2000 rpm으로 40초 동안 스핀코팅으로 정공 수송 층을 증착한 후, 110℃의 온도에서 10분간 건조 시켰다. 형성된 정공 수송층 박막의 두께는 30 nm이다.
상기 정공 수송층 위에 광활성층으로서, 클로로벤젠 용매에 PCBM과 P3HT를 1:1 비율로 4 중량%로 용해시킨 용액을 이용하여 900 rpm으로 10초 동안 스핀코팅을 하여 혼합 박막을 증착하여 200 nm 두께의 박막을 형성하였다.
상기 광활성 층이 증착된 기판에 금속용 쉐도우 마스크(shadow mask)에 부착하여 고진공(4 X 10-6) 상태에서 음극 계면층으로서 피로멜리트산 이무수물(PMDA)를 0.1~0.2Å/s의 속도로 진공 증착하고, 이어서 음극인 Al을 1.0Å/s의 속도로 진공 증착 하였다. 음극 계면층의 두께는 0.3 nm로 형성되고, 음극 Al층의 두께는 80 nm로 형성되었다. 그 후, 140℃의 온도에서 30분간 후열처리를 하여 유기 태양전지 소자를 제조하였다.
실시예 2 내지 4
음극 계면층의 증착 두께에 따른 유기 태양 전지 소자의 성능을 알아보기 위하여 피로멜리트산 이무수물 음극 계면층의 두께를 0.5 nm(실시예 2), 0.7 nm(실시예 3) 및 1.0 nm(실시예 4)로 증착하고 나머지 과정은 실시예 1과 동일한 방법으로 각각 유기 태양전지 소자를 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 2에서 ITO막과 접촉하여 O2 상압 플라즈마 처리를 더 한 것을 제외하고는 동일한 과정을 실시하여 유기 태양 전지 소자를 제조하였다. 상기 O2 상압 플라즈마 처리는 200 W에서 O2 7.5 sccm과 Ar 10 sccm 하에서 수행하였다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 피로멜리트산 이무수물(PMDA) 대신 트리멜리트산 무수물(TMA)을 이용하여 음극 계면층을 형성한 것을 제외하고는 동일한 과정을 실시하여 유기 태양 전지 소자를 제조하였다.
실시예 7
상기 실시예 2에서 음극 계면층을 형성한 다음 LiF를 0.5nm 두께로 추가로 증착시킨 것을 제외하고는 동일한 과정을 실시하여 유기 태양 전지 소자를 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 음극 계면층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 동일한 과정을 실시하여 유기 태양 전지 소자를 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1에서 상기 음극 계면층을 형성하는 대신 LiF를 1 nm로 증착시킨 것을 제외하고는 동일한 과정을 실시하여 유기 태양 전지 소자를 제조하였다.
음극 계면층 증착에 따른 소자의 흡수도 특성과 거칠기 특성을 도 5 및 도 6에 나타내었다. 음극 계면층을 형성하여도 소자의 흡수 스펙트럼 영역의 변화는 거의 없었으며 표면 거칠기는 음극 계면층 증착시에 더 감소됨을 보였다.
음극 계면층의 증착 두께에 따른 유기 태양 전지 소자의 성능을 알아보기 위하여 상기 실시예 1 에서 4, 및 비교예 1에서 제조한 유기 태양 전지 소자의 광 전압 및 광 전류를 측정하여 도 7에 나타내었다. 이때, 광원으로는 제논 램프(Xenon lamp)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM1.5)은 표준 태양 전지를 사용하여 보정하였다.
하기 표 1은 음극 계면층의 증착 두께에 따른 유기 태양전지 소자의 측정된 광 전류 전압 곡선으로부터 계산된 광전류 밀도(Jsc), 개방 전압(Voc), 충진 계수(Fill Factor, FF)를 하기 식에 대입하여 산출한 광전 효율을 나타낸 표이다.
적절한 음극 계면층의 두께를 가지는 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 유기 태양전지 소자가 음극 계면층을 형성하지 않은 종래 유기 태양 전지 소자에 비하여 향상된 특성을 보이는 것을 알 수 있다.
에너지 변환 효율= (Voc*Isc*FF)/(Pinc)
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 비교예 1 | |
| 음극 계면층의 증착 두께 |
0.3 nm | 0.5 nm | 0.7 nm | 1 nm | 0 nm |
| 에너지 변환 효율(%) | 2.49 | 2.77 | 2.09 | 1.94 | 2.22 |
| 광전류밀도(Jsc) (mA/cm2) |
8.6 | 9.5 | 7.4 | 6.8 | 8.0 |
| 개방 전압(Voc) (V) |
0.57 | 0.58 | 0.56 | 0.55 | 0.57 |
| 충진 계수 (FF) |
0.51 | 0.51 | 0.51 | 0.51 | 0.48 |
상기 표 1을 보면, 음극 계면층 형성에 의한 Voc, FF의 변화는 거의 없었고 광 전류 밀도에서 다른 특성을 보였으며, 음극 계면층의 두께가 0.5nm의 경우 광 전류 밀도가 가장 크게 나타났다.
본 발명에 따른 유기 태양 전지 소자에 있어서, 상압 플라즈마 처리에 따른 소자의 성능을 알아보기 위하여 실시예 5에서 제조한 유기 태양 전지 소자의 광 전류 밀도 측정하고 그 결과를 도 8에 나타내었다. 상압 플라즈마 처리를 함으로써 소자 성능을 더욱 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
피로멜리트산 이무수물과 마찬가지로 트리멜리트산 무수물을 이용하여 음극 계면층을 형성한 실시예 6의 유기 태양 전지 소자의 경우, 도 9에서 보는 바와 같이, 피로멜리트산 이무수물과 마찬가지로 음극 계면층을 형성하지 않았을 때보다 광전류 밀도 특성이 향상되는 것을 알 수 있었다.
종래의 음극 계면층으로 많이 사용되고 있는 LiF를 삽입하여 소자를 구성하였을 때와 비교하기 위해 실시예 7과 비교예 2에서 제조한 유기 태양 전지 소자의 광전류 특성을 측정하여 그 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10에서 보는 바와 같이, LiF의 두께가 줄었음에도 불구하고 소자의 특성이 LiF만 증착 한 결과보다 광 전류 밀도가 향상되는 결과를 볼 수 있었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 음극 계면층을 형성하지 않은 종래의 유기 태양 전지 소자의 에너지 대역을 나타낸 도면이다.
도 5은 음극 계면층을 형성하지 않은 종래의 유기 태양전지 소자와 본 발명의 일 실시예에 따라 음극 계면층을 형성한 소자의 흡수도를 나타낸 그래프이다.
도 6는 음극 계면층을 형성하지 않은 종래의 유기 태양전지 소자와 본 발명의 일 실시예에 따라 음극 계면층을 형성한 소자의 표면 거칠기를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 4에서 제조한 유기 태양전지 소자의 음극 계면층 두께에 따른 광 전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예 2에서 제조한 유기 태양 전지 소자의 O2 상압 플라즈마 처리에 따른 소자의 광 전류 밀도를 측정한 그래프이다.
도 9은 실시예 6에서 제조한 유기 태양 전지 소자의 광 전류 밀도를 측정한 그래프 이다.
도 10은 실시예 7에서 제조한 유기 태양 전지 소자의 광 전류 밀도를 측정한 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 기판
20: 제1 전극
30: 정공 수송층
40: 광활성층
50: 음극 계면층
51: 제1 음극 계면층
52: 제2 음극 계면층
53: 제3 음극 계면층
60: 제2 전극
Claims (15)
- 제1 전극;상기 제1 전극과 대향 배치되는 제2 전극;상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광활성층;상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 위치하는 정공 수송층;상기 제2 전극과 상기 광활성층 사이에 위치하고, 카르복시산 무수물로 이루어진 제1 음극 계면층; 및상기 제2 전극과 상기 제1 음극 계면층 사이에 상기 제1 음극 계면층을 형성하는 카르복시산 무수물과 상이한 카르복시산 무수물로 이루어진 제2 음극 계면층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 제1 음극 계면층을 형성하는 카르복시산 무수물 및 상기 제2 음극 계면층을 형성하는 카르복시산 무수물은 피로멜리트산 이무수물, 트리멜리트산 무수물, 이들의 유도체 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 음극 계면층 및 상기 제2 음극 계면층 중 하나 이상은 열 진공 증착 방식으로 증착되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 제2 전극과 상기 제2 음극 계면층 사이에,LiF, CsF, Al2O3, MgF, NaCl, KCl, 알칼리 금속 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 이루어진 제3 음극 계면층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물(ITO)로 이루어지고,상기 정공 수송층은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트))로 이루어지며,상기 광활성층은 P3HT(폴리(3-헥실티오펜) 및 PCBM([6,6]-페닐 C61-부트릭 산 메틸에스테르)의 혼합박막이고,상기 제2 전극은 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 소자.
- 기판 상에 제1 전극을 증착하는 단계;상기 증착된 제1 전극 상에 정공 수송층을 증착하는 단계;상기 증착된 정공 수송층 상에 광활성층을 증착하는 단계;상기 증착된 광활성층 상에 카르복시산 무수물을 이용하여 제1 음극 계면층을 증착하는 단계;상기 증착된 제1 음극 계면층 상에 제1 음극 계면층 증착에 이용된 카르복시산 무수물과 상이한 카르복시산 무수물을 이용하여 제2 음극 계면층을 증착하는 단계; 및상기 증착된 제2 음극 계면층 상에 제2 전극을 증착하는 단계를 포함하는 유기 태양전지 소자의 제조 방법.
- 삭제
- 제8항에 있어서,상기 제1 음극 계면층 및 상기 제2 음극 계면층 중 하나 이상은 열 진공 증착 방식으로 증착하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 소자의 제조 방법.
- 삭제
- 제8항에 있어서,상기 제2 음극 계면층의 증착 단계에 이어서,상기 증착된 제2 음극 계면층 상에 LiF, CsF, Al2O3, MgF, NaCl, KCl, 알칼리 금속 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 이용하여 제3 음극 계면층을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 소자의 제조 방법.
- 제8항에 있어서,상기 제1 전극의 증착 단계에 이어서,상압 플라즈마 처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 소자의 제조 방법.
- 제13항에 있어서,상기 상압 플라즈마 처리는 180 내지 220 W에서 O2 7 내지 8 sccm과 Ar 8 내지 12 sccm 하에서의 O2 상압 플라즈마 처리인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 소자의 제조 방법.
- 제8항에 있어서,상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물(ITO)을 이용하고,상기 정공 수송층은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트))를 이용하며,상기 광활성층은 P3HT(폴리(3-헥실티오펜) 및 PCBM([6,6]-페닐 C61-부트릭 산 메틸에스테르)의 혼합물을 이용하고,상기 제2 전극은 알루미늄을 이용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 소자의 제조 방법.
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