KR101055117B1

KR101055117B1 - 나노구조체를 포함하는 태양전지 제조방법

Info

Publication number: KR101055117B1
Application number: KR1020100045944A
Authority: KR
Inventors: 김태환; 양희연; 손동익
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2011-08-08

Abstract

나노구조체를 포함하는 태양전지 제조방법을 제공한다. 태양전지 제조방법은 제1 전극이 형성된 기판을 준비하는 단계; 제1 전극 상에 전자 주개 물질과, 전자 주개 물질과 비상용성인 희생 중합체가 혼합된 혼합 박막층을 형성하는 단계; 혼합 박막층 내의 희생 중합체를 열처리에 의해 제거하여 전자 주개 물질의 나노구조체를 형성하는 단계; 전자 주개 물질의 나노구조체 상에 전자 받개 물질층을 형성하는 단계; 및 전자 받개 물질층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 간단한 방법에 의해 광활성층 내에 나노구조체를 도입할 수 있으므로 태양 전지의 제조 비용을 낮출 수 있다. 또한, 광흡수효율, 전자와 정공의 분리효율 및 이동효율을 높일 수 있어 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.

Description

나노구조체를 포함하는 태양전지 제조방법 {Method for fabricating solar cell including nanostructure}

본 발명은 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광활성층 내에 나노구조체를 포함하는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.

태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 최근 환경 문제와 고유가 문제에 직면하여 청정 대체에너지 기술의 일환으로 많은 연구가 이루어지고 있다.

이 중, 유기 태양전지는 광활성층으로 사용되는 유기 분자의 흡광계수가 높아 얇은 소자로 제작이 가능하고, 간편한 제법과 낮은 설비 비용으로 제조할 수 있으며, 유기물의 특성상 굽힘성 및 가공성 등이 좋아 다양한 분야에 응용할 수 있는 여러 장점이 있다. 그러나, 종래의 유기 태양전지는 전하 트랩 밀도가 커서 전하의 수명과 이동도가 낮고 확산길이도 짧기 때문에 광수집 효율이 좋지 않아 광전변환 효율이 낮은 점이 한계로 지적되고 있다.

태양전지에서 광전류를 생성하기 위해서는 빛의 흡수에 의해 광활성층에서 생성된 엑시톤(exciton)이 전자 주개(donor) 물질과 전자 받개(acceptor) 물질의 접합 계면에서 전자와 정공으로 분리되어야 한다. 그러나, 일반적으로 엑시톤이 이동 가능한 거리는 약 10nm 정도로 필요한 광흡수층의 두께에 비해 매우 작기 때문에 태양전지의 효율을 제한하는 근본적인 요인이 되고 있다. 이에 광활성층 내에 나노막대 또는 나노세선 등의 나노구조체를 도입하여 도너-억셉터 계면 면적 등을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 종래의 다공성 알루미나 템플레이트를 이용한 전기 화학적 방법은 전해액 속에 포함된 불순물에 의한 소자 오염의 문제가 있으며, 화학 기상 성장법과 기상 에피택시 성장법은 고가의 장비 및 고진공을 요하기 때문에 제조 비용이 높아진다는 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 광전변환효율을 향상시키는 한편, 제조 비용을 저감할 수 있는 태양전지 제조방법을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 광활성층 내에 나노구조체를 포함하는 태양전지 제조방법을 제공한다.

상기 방법은 제1 전극이 형성된 기판을 준비하는 단계, 상기 제1 전극 상에 전자 주개 물질과, 전자 주개 물질과 비상용성인 희생 중합체가 혼합된 혼합 박막층을 형성하는 단계, 상기 혼합 박막층 내의 희생 중합체를 열처리에 의해 제거하여 전자 주개 물질의 나노구조체를 형성하는 단계, 상기 전자 주개 물질의 나노구조체 상에 전자 받개 물질층을 형성하는 단계 및 상기 전자 받개 물질층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 희생 중합체는 폴리알킬렌글리콜일 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌글리콜 또는 폴리프로필렌글리콜일 수 있다.

상기 전자 주개 물질은 펜타센, 쿠마린 6, ZnPC, CuPC, TiOPC, Spiro-MeOTAD, F16CuPC, SubPc, N3, P3HT, P3KT, PT, P3OT, PCPDTBT, PCDTBT, PFDTBT, MEH-PPV, MDMO-PPV, PFO 및 PFO-DMP 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.

상기 전자 받개 물질층은 n형 유기 반도체층 또는 n형 금속 산화물층일 수 있다.

이 경우, 상기 n형 유기 반도체층은 C60, PC₆₁BM, PC₇₁BM, PC₈₁BM, PDCDT, PenPTC, PTCBI, ADIDI, PTCDA, PTCDI, NTDA, MePTC, HepPTC, Liq, TPBi, PBD, BCP, Bphen, BAlq, Bpy-OXD, BP-OXD-Bpy, TAZ, NTAZ, NBphen, Bpy-FOXD, OXD-7, 3TPYMB, 2-NPIP, HNBphen, POPy2, BP4mPy, TmPyPB 및 BTB 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 층일 수 있으며, 상기 n형 금속 산화물층은 ZnO, TiO₂ 및 SnO₂ 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 층일 수 있다.

상기 전자 주개 물질의 나노구조체는 다수의 홀을 갖는 박막형 전자 주개 물질층 또는 다수의 돌기로 이루어진 돌기형 전자 주개 물질층일 수 있다.

상기 혼합 박막층을 형성하는 단계는 스핀 코팅법에 의해 수행할 수 있다.

또한, 상기 혼합 박막층을 형성하기 전에, 제1 전극 상에 정공수송층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 제1 전극이 형성된 기판을 준비하는 단계, 상기 제1 전극 상에 전자 주개 물질과 폴리에틸렌글리콜이 혼합된 혼합 박막층을 형성하는 단계, 상기 혼합 박막층 내의 폴리에틸렌글리콜을 열처리에 의해 제거하여 전자 주개 물질의 나노구조체를 형성하는 단계, 상기 전자 주개 물질의 나노구조체 상에 전자 받개 물질층을 형성하는 단계 및 상기 전자 받개 물질층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법을 제공한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 광활성층 내에 나노구조체를 도입함으로써, 광흡수효율, 전자와 정공의 분리효율 및 이동효율을 높일 수 있어 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 간단한 용액 공정 및 열처리를 통하여 나노구조체를 제조할 수 있으므로 태양전지의 제조 비용을 낮출 수 있으며, 대면적의 소자 제작이 가능하다. 또한, 상기 열처리 과정을 통해 전자 주개 물질의 결정성을 향상시킬 수 있으므로, 전하의 이동 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 사시도이다.
도 3a 및 3b는 실험예 1에 따라 제조된 나노구조쳬의 SEM 이미지(도 3b는 단면 SEM 이미지)이다.
도 4는 실험예 2에 따라 제조된 나노구조체의 SEM 이미지이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 나타낸 흐름도이다.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 사시도이다.

도 1(S10) 및 도 2a를 참조하면, 제1 전극(110)이 형성된 기판(100)을 준비한다.

상기 기판(100)은 태양전지를 지지하기 위해 사용되는 것으로 유리, 석영, Al₂O₃ 및 SiC 등에서 선택된 광투과성 무기물 기판 또는 PET(polyethylene terephthlate), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PVC(polyvinyl chloride), PVP(polyvinyl pyrrolidone), PI(polyimide), PE(polyethylene), PEN(polyethylene naphthalate) 및 PAR(polyarylate) 등에서 선택된 광투과성 플라스틱 기판일 수 있다.

상기 제1 전극(110)은 상기 기판(100) 상에 위치하며, 기판(100)을 통과한 빛이 광활성층에 도달하도록 광투과성 물질인 것이 바람직하다. 상기 제1 전극(110)은 낮은 저항을 갖는 전도성 물질로서, 그 상부에 위치한 광활성층에서 생성된 정공을 받아 외부 회로로 전달하는 양극의 역할을 수행할 수 있다.

이 경우, 상기 제1 전극(110)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), ZnO(zinc oxide), Al-도핑된 ZnO(AZO), Ga-도핑된 ZnO(GZO), In/Ga-도핑된 ZnO(IGZO), Mg-도핑된 ZnO(MZO), Mo-도핑된 ZnO, Al-도핑된 MgO, Ga-도핑된 MgO 및 CuAlO₂ 중 어느 하나의 막일 수 있다.

또한, 상기 제1 전극(110)은 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), C60(풀러렌, fllerene), 전도성 고분자 및 이들의 복합체 중 어느 하나의 유기물 전극일 수 있다. 제1 전극(110)을 유기물 전극으로 형성한 경우 가요성 플라스틱 기판 상에 용이하게 태양전지를 형성할 수 있다.

상기 제1 전극(110)은 열기상증착(thermal evaporation)법, 전자빔증착(e-beam evaporation)법, 스퍼터링(sputtering)법, 화학적 증착법 또는 유사한 방법 등에서 적절하게 선택하여 형성할 수 있다.

도 1(S11) 및 도 2b를 참조하면, 상기 제1 전극(110) 상에 정공수송층(115)을 형성한다.

상기 정공수송층(115)은 광활성층에서 생성된 정공이 제1 전극(110)으로 용이하게 전달되도록 하며, 제1 전극(110)의 표면 거칠기를 완화시키는 완충층의 역할을 수행할 수 있다.

상기 정공수송층(115)은 NPB, β-NPB, TPD, Spiro-TPD, Spiro-NPB, DMFL-TPD, DMFL-NPB, DPFL-TPD, DPFL-NPB, α-NPD, Spiro-TAD, BPAPF, NPAPF, NPBAPF, Spiro-2NPB, PAPB, 2,2'-Spiro-DBP, Spiro-BPA, TAPC, Spiro-TTB, β-TNB, HMTPD, α,β-TNB, α-TNB, β-NPP, PEDOT: PSS 및 PVK 중에서 선택되는 어느 하나로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 전자 주개 물질의 HOMO 준위와 제1 전극의 일함수(또는 HOMO 준위) 사이의 에너지 준위를 갖는 다른 물질도 사용 가능하다.

다만, 상기 정공수송층(115)의 형성 과정은 생략될 수도 있다.

도 1(S12) 및 도 2c를 참조하면, 상기 정공수송층(115)(정공수송층이 생략된 경우, 제1 전극(110)) 상에 전자 주개 물질과, 전자 주개 물질과 비상용성인(incompatible) 희생 중합체가 혼합된 혼합 박막층(120)을 형성한다.

상기 희생 중합체는 상기 혼합 박막층(120)을 형성한 후 제거되는 물질로서, 그 제거에 의해 후술하는 바와 같이 상기 혼합 박막층(120)을 전자 주개 물질의 나노구조체로 변환할 수 있도록 하는 수단이 되는 물질이다. 상기 희생 중합체는 폴리에테르(polyether)계 화합물, 예를 들어, 폴리알킬렌글리콜(polyalkylene glycol)일 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol) 또는 폴리프로필렌글리콜(polypropylene glycol)일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol)일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 명세서 전체에 걸쳐, 상기 폴리알킬렌글리콜(polyalkylene glycol)은 알킬렌 옥사이드(alkylene oxide)의 올리고머(oligomer) 또는 폴리머(polymer)를 의미하며, 폴리알킬렌옥사이드(polyalkylene oxide) 및 폴리옥시알킬렌(polyoxyalkylene)을 포괄하는 의미로 이해되어야 한다.

상기 전자 주개 물질은 외부에서 입사된 태양광을 흡수하여 전자-정공쌍(엑시톤, exciton)을 형성하는 한편, 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 p-n 접합 계면에서 분리된 정공을 양극 방향으로 이동시키는 역할을 하는 물질을 의미한다. 즉, 상기 전자 주개 물질은 p형 반도체로 사용 가능한 저분자 또는 고분자 유기물일 수 있으며, 예를 들어, 펜타센(pentacene), 쿠마린 6(coumarin 6, 3-(2-benzothiazolyl)-7-(diethylamino)coumarin), ZnPC(zinc phthalocyanine), CuPC(copper phthalocyanine), TiOPC(titanium oxide phthalocyanine), Spiro-MeOTAD(2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene), F16CuPC(copper(II) 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro-29H,31H-phthalocyanine), SubPc(boron subphthalocyanine chloride) 및 N3(cis-di(thiocyanato)-bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)-ruthenium(II)) 중에서 선택되는 어느 하나, 또는 P3HT(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)), P3KT(poly[3-(potassium-6-hexanoate)thiophene-2,5-diyl]), PT(poly(thiophene-2,5-diyl)), P3OT(poly(3-octylthiophene-2,5-diyl)), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), PCDTBT(poly[N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PFDTBT(poly(2,7-(9-(2'- ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole))), MEH-PPV(poly[1-methoxy-4-(2-ethylhexyloxy-2,5-phenylenevinylene)]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene]), PFO(poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)) 및 PFO-DMP(poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) end capped with dimethylphenyl) 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 상기 혼합 박막층(120)은 상기 전자 주개 물질과 상기 희생 중합체를 함유하는 혼합 용액을 캐스팅(casting)법, 스핀 코팅(spin coating)법, 잉크젯 프린팅(ink-jet printing)법, 스크린 프린팅(screen printing)법 또는 닥터블레이드(doctor blade)법 등에 의해 도포하여 형성할 수 있으며, 바람직하게는 스핀 코팅법에 의해 수행할 수 있다.

이 경우, 상기 혼합 용액의 용매는 상기 전자 주개 물질과 상기 희생 중합체를 모두 녹일 수 있는 용매라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 전자 주개 물질로 P3HT를, 희생 중합체로 폴리에틸렌글리콜을 사용하는 경우, 클로로벤젠(chlorobenzene) 또는 다이클로로벤젠(dichlorobenzene) 등과 같은 유기 용매를 사용할 수 있다.

도 1(S14) 및 도 2d를 참조하면, 상기 혼합 박막층(120) 내의 희생 중합체를 열처리에 의해 제거하여 전자 주개 물질의 나노구조체(130)를 형성한다.

상기 전자 주개 물질의 나노구조체(130)는 상기 혼합 박막층(120)을 형성하는 과정에서 전자 주개 물질과 희생 중합체 간의 상분리 현상 및 열처리에 의한 희생 중합체의 제거 과정을 통해 형성될 수 있다.

상기 전자 주개 물질의 나노구조체(130)는, 예를 들어, 다수의 홀(hole)을 갖는 박막형 전자 주개 물질층 또는 다수의 돌기로 이루어진 돌기형 전자 주개 물질층일 수 있다(도 2d에 도시된 나노구조체(130)는 돌기형 전자 주개 물질층을 과장하여 표현한 것임).

이 경우, 상기 홀 및 상기 돌기의 너비 내지 높이는 전자 주개 물질과 희생 중합체를 함유하는 혼합 용액의 농도 및 스핀 코팅 속도 등을 조절하여 수~수백 나노미터(nm)의 범위로 조절할 수 있다.

또한, 상기 열처리 온도는 사용되는 희생 중합체의 종류에 따라 적절한 범위에서 선택될 수 있으며, 예를 들어, 폴리에틸렌글리콜을 사용하는 경우 그 분자량에 따라 약 160℃ 내지 300℃의 온도 범위에서 선택될 수 있다.

특히, 상기 열처리 과정을 통해 용매와 희생 중합체가 제거되는 동시에 전자 주개 물질의 결정성이 향상될 수 있으므로, 광활성층에서 생성된 전하의 이동 효율을 증가시킬 수 있다.

도 1(S16) 및 도 2e를 참조하면, 상기 전자 주개 물질의 나노구조체(130) 상에 전자 받개 물질층(140)을 형성한다.

상기 전자 받개 물질층(140)은 상기 전자 주개 물질의 나노구조체(130)와 함께 광활성층(150)을 형성하며, p-n 접합 계면(135)에서 분리된 전자를 음극 방향으로 이동시키는 역할을 하는 영역을 의미한다.

상기 전자 받개 물질층(140)은 n형 유기 반도체층 또는 n형 금속 산화물층일 수 있다.

상기 n형 유기 반도체층은, 예를 들어, C60(풀러렌, fullerene), PC₆₁BM([6,6]-phenyl-C₆₁-butyric acid methyl ester), PC₇₁BM([6,6]-phenyl-C₇₁-butyric acid methyl ester), PC₈₁BM(([6,6]-phenyl-C₈₁-butyric acid methyl ester), PDCDT(N,N'-bis(2,5-di-tert-butylphenyl)-3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic acid diimide), PenPTC(perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid N,N'-dipenthylimide), PTCBI(perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic bis-benzimidazde), ADIDI(antra[2",1",9";4,5,6,6",5",10";4',5',6']diisoquino[2,1-a;2',1'-a']diperimidine-12,25-dione), PTCDA(perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride), PTCDI(perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid dimide), NTDA(1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride), MePTC(perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid N,N'-dimethylimide), HepPTC(perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid N,N'-diheptylimide), Liq(8-hydroxyquinolinolato-lithium), TPBi(2,2',2"-(1,3,5-benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole)), PBD(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), BCP(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), Bphen(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), BAlq(bis(2-methyl-8-quinolinolate)-4-(phenylphenolato)aluminium), Bpy-OXD(1,3-bis[2-(2,2'-bipyridine-6-yl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene), BP-OXD-Bpy(6,6'-bis[5-(biphenyl-4-yl)-1,3,4oxadiazo-2-yl]-2,2'-bipyridyl), TAZ(3-(4-biphenyl)-4-phenyl-5-tert-butylphenyl-1,2,4-triazole), NTAZ(4-(Naphthalen-1-yl)-3,5-diphenyl-4H-1,2,4-triazole), NBphen(2,9-bis(naphthalen-2-yl)-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), Bpy-FOXD(2,7-bis[2-(2,2'-bipyridine-6-yl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]-9,9-dimethylfluorene), OXD-7(1,3-bis[2-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene), 3TPYMB(tris(2,4,6-trimethyl-3-(pyridin-3-yl)phenyl)borane), 2-NPIP(1-methyl-2-(4-(naphthalen-2-yl)phenyl)-1H-imidazo[4,5f][1,10]phenanthroline), HNBphen(2-(naphthalen-2-yl)-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline), POPy2(phenyl-dipyrenylphosphine oxide), BP4mPy(3,3',5,5'-tetra[(m-pyridyl)-phen-3-yl]biphenyl), TmPyPB(1,3,5-tri[(3-pyridyl)-phen-3-yl]benzene) 및 BTB(4,4'-bis(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)) 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 층일 수 있다.

상기 n 형 금속 산화물층은, 예를 들어, ZnO, TiO₂ 및 SnO₂ 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 층일 수 있다.

한편, 상기 전자 받개 물질층(140)은 상기 n형 유기 반도체 또는 상기 n형 금속 산화물(구체적으로, 나노 입자 형태의 금속 산화물)을 함유하는 용액을 캐스팅법, 스핀 코팅법, 잉크젯 프린팅법 또는 스크린 프린팅법 등에 의해 도포하여 형성할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 과정을 거쳐, 광활성층(150)은 전자 받개 물질층(140)이 전자 주개 물질의 나노구조체(130)와 나노스케일로 맞물린 구조를 형성할 수 있으며, 결과적으로 p-n 접합 계면(135)이 증가되므로 광흡수에 의해 생성된 엑시톤의 전자-정공 분리능을 향상시킬 수 있다.

도 1(S18) 및 도 2f를 참조하면, 상기 전자 받개 물질층(140) 상에 제2 전극(160)을 형성한다.

상기 제2 전극(160)은 낮은 저항을 갖는 전도성 물질로서, 그 하부에 위치한 광활성층(150)에서 생성된 전자를 받아 외부 회로로 전달하는 음극의 역할을 수행할 수 있다.

상기 제2 전극(160)은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 금속 전극일 수 있다.

또한, 상기 제2 전극(160)은 그래핀, 탄소나노튜브, 풀러렌, 전도성 고분자 및 이들의 복합체 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 유기물 전극일 수 있으며, 제2 전극(160)을 투명한 유기물 전극으로 형성한 경우 전지 상부에서의 수광이 가능하다.

상기 제2 전극(160)은 열기상증착법, 전자빔증착법, 스퍼터링법, 화학적 증착법 또는 금속을 포함하는 전극 형성용 페이스트를 도포한 후 열처리하여 형성할 수 있다.

이처럼 본 발명에 따르면, 광활성층 내에 나노구조체를 도입함으로써, 광흡수 면적을 넓힐 수 있는 동시에, 증가된 p-n 접합 계면에 의해 생성된 엑시톤이 전자와 정공으로 분리될 수 있는 유효 분리 영역을 증가시킬 수 있으므로 엑시톤의 분리효율을 높일 수 있다. 또한, 종래의 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조와는 달리 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 각각 양극과 음극에 연결된 연속상 구조를 가지므로, 분리된 전자와 정공이 자발적 전하 흐름 방향을 따라 적절한 전극으로 이동할 수 있어 전하의 이동효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 태양전지에 입사된 빛의 전반사를 억제하는 텍스처링(texturing) 효과를 얻을 수 있으므로 광흡수효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에서의 나노구조체 형성은 전자 주개 물질과 희생 중합체의 혼합물을 스핀 코팅 등의 용액 공정을 통하여 도포한 후, 열처리하는 간단한 방법으로 형성할 수 있으므로 태양전지의 제조 비용을 낮출 수 있는 장점이 있다. 이에 더하여, 상기 열처리 과정을 통해 전자 주개 물질의 결정성을 향상시킬 수 있으며, 이는 전하의 이동효율을 더욱 향상시켜 광전변환효율 향상에 기여할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실험예 1: 나노구조체의 제조(1)>

클로로벤젠(chlorobenzene) 1ml에 P3HT(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl))와 PEG(polyethylene glycol)을 각각 5:1(30mg:6mg)의 중량비로 용해시켜 혼합 용액을 제조하였다. 다음, 상기 혼합 용액을 기판 상에 2000rpm으로 5초 동안 스핀 코팅하여 P3HT와 PEG의 혼합물을 함유하는 혼합 박막을 형성하였다. 이어서, 기판을 핫플레이트(hot plate)에 올리고, 180 ℃에서 10분 동안 열처리하여 PEG(및 클로로벤젠)를 제거하였다.

도 3a 및 3b는 상기 실험예 1에 따라 제조된 나노구조체의 SEM 이미지(도 3b는 단면 SEM 이미지)이다.

도 3a 및 3b를 참조하면, P3HT와 PEG를 함유하는 혼합 박막에서 열처리에 의한 PEG 제거를 통해, 다수의 홀을 갖는 박막형 P3HT층을 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.

<실험예 2: 나노구조체의 제조(2)>

클로로벤젠(chlorobenzene) 3ml에 P3HT(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl))와 PEG(polyethylene glycol)을 각각 5:1(50mg:10mg)의 중량비로 용해시켜 혼합 용액을 제조하였다. 다음, 상기 혼합 용액을 기판 상에 5000rpm으로 40초 동안 스핀 코팅하여 P3HT와 PEG의 혼합물을 함유하는 혼합 박막을 형성하였다. 이어서, 기판을 핫플레이트(hot plate)에 올리고, 180 ℃에서 10분 동안 열처리하여 PEG(및 클로로벤젠)를 제거하였다.

도 4는 상기 실험예 2에 따라 제조된 나노구조체의 SEM 이미지이다.

도 4를 참조하면, P3HT와 PEG를 함유하는 혼합 박막에서 열처리에 의한 PEG 제거를 통해, 다수의 돌기로 이루어진 돌기형 P3HT층을 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.

100: 기판 110: 제1 전극
115: 정공수송층 120: 혼합 박막층
130: 전자 주개 물질의 나노구조체 135: p-n 접합 계면
140: 전자 받개 물질층 150: 광활성층
160: 제2 전극

Claims

제1 전극이 형성된 기판을 준비하는 단계;
상기 제1 전극 상에 전자 주개 물질과, 전자 주개 물질과 비상용성인 희생 중합체가 혼합된 혼합 박막층을 형성하는 단계;
상기 혼합 박막층 내의 희생 중합체를 열처리에 의해 제거하여 전자 주개 물질의 나노구조체를 형성하는 단계;
상기 전자 주개 물질의 나노구조체 상에 전자 받개 물질층을 형성하는 단계; 및
상기 전자 받개 물질층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 희생 중합체는 폴리알킬렌글리콜인 태양전지 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 폴리알킬렌글리콜은 폴리에틸렌글리콜 또는 폴리프로필렌글리콜인 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 전자 주개 물질은 펜타센, 쿠마린 6, ZnPC, CuPC, TiOPC, Spiro-MeOTAD, F16CuPC, SubPc, N3, P3HT, P3KT, PT, P3OT, PCPDTBT, PCDTBT, PFDTBT, MEH-PPV, MDMO-PPV, PFO 및 PFO-DMP 중에서 선택되는 어느 하나인 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 전자 받개 물질층은 n형 유기 반도체층 또는 n형 금속 산화물층인 태양전지 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 n형 유기 반도체층은 C60, PC₆₁BM, PC₇₁BM, PC₈₁BM, PDCDT, PenPTC, PTCBI, ADIDI, PTCDA, PTCDI, NTDA, MePTC, HepPTC, Liq, TPBi, PBD, BCP, Bphen, BAlq, Bpy-OXD, BP-OXD-Bpy, TAZ, NTAZ, NBphen, Bpy-FOXD, OXD-7, 3TPYMB, 2-NPIP, HNBphen, POPy2, BP4mPy, TmPyPB 및 BTB 중 에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 층인 태양전지 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 n형 금속 산화물층은 ZnO, TiO₂ 및 SnO₂ 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 층인 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 전자 주개 물질의 나노구조체는 다수의 홀을 갖는 박막형 전자 주개 물질층인 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 전자 주개 물질의 나노구조체는 다수의 돌기로 이루어진 돌기형 전자 주개 물질층인 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 혼합 박막층을 형성하는 단계는 스핀 코팅법에 의해 수행하는 것인 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 혼합 박막층을 형성하기 전에, 제1 전극 상에 정공수송층을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양전지 제조방법.
제1 전극이 형성된 기판을 준비하는 단계;
상기 제1 전극 상에 전자 주개 물질과 폴리에틸렌글리콜이 혼합된 혼합 박막층을 형성하는 단계;
상기 혼합 박막층 내의 폴리에틸렌글리콜을 열처리에 의해 제거하여 전자 주개 물질의 나노구조체를 형성하는 단계;
상기 전자 주개 물질의 나노구조체 상에 전자 받개 물질층을 형성하는 단계; 및
상기 전자 받개 물질층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.