KR101081455B1 - ＺｎＯ 나노 물질을 이용한 고효율의 유기 태양전지 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기 태양 전지의 광 변환 효율을 향상시키기 위해 안출된 것이다.
본 발명에 따르면, P3HT와 PCBM 혼합 용액에 ZnO 나노 물질을 부피비 1:0.01~1로 첨가하여 제조한 용액을 ITO층과 정공 전도층이 형성된 기판 위에 스핀 캐스팅하여 활성층을 형성하고 110 내지 140 ℃에서 열처리하고 전극을 형성하여 유기 태양 전지를 완성할 수 있다.
본 발명에 따르면, ZnO 나노 물질을 유기 태양 전지의 활성층에 첨가하여 광 변환 효율을 향상시켜 간편하고 저렴한 비용으로 실용성 있는 태양 전지를 제작할 수 있다.

Description

ＺｎＯ 나노 물질을 이용한 고효율의 유기 태양전지 제조 방법{A Manufacturing Method Of High Efficient Organic Solar Cell Using ZnO Nano Material}

본 발명은 고효율의 유기 태양전지 제조에 관한 것으로, 좀 더 특별하게는 유기 태양 전지의 효율 향상을 위해 ZnO 나노 물질을 첨가한 유기 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.

유기물을 이용한 태양전지는 반도체성 고분자 물질이나 감광성 단분자 등 유기 반도체 재료를 전부 또는 부분적으로 활용하는 헤테로 접합(hetero junction) 태양 전지로써 최근 들어 활발히 연구되어지고 있는 새로운 개념의 태양 전지이다. 유기 태양 전지 기술은 종래의 실리콘 계열의 태양 전지나 화합물 태양 전지에 비하여 저비용의 제조 공정이 가능하여 저가 생산이 가능하며, 대면적 소자 제작 및 유연성(flexible) 소자 제작에도 적용할 수 있는 미래 기반형 태양 전지로써 각광받고 있다.

유기 태양 전지의 기본 구조는 투명 전도막 / 유기 화합물 / 금속 전극의 구조를 기본적으로 갖고 있으며 사용되어 지는 투명 전도막 물질로는 ITO(Indium tin oxide)가 유기 태양전지의 양극(anode)으로 사용되어 지고 알루미늄(Al)과 같은 낮은 일함수를 갖는 금속이 음극(cathode)으로 주로 사용되어 진다. 두 전극 사이에는 유기 반도체 물질이 존재하여 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성하는 활성층으로 존재하게 된다. 이 활성층은 도너(donor) 물질과 액셉터(acceptor) 물질을 혼합한 용액을 주로 스핀 코팅(spin coating) 하는 방법으로 막으로 형성되며, 최근에는 잉크젯(inkjet) 방법이나 스프레이 코팅(spray coating)과 같은 방법으로 박막을 형성하고 있다. 유기 태양전지에 빛이 입사되면 도너(donor) 물질에서 전자-정공 쌍이 형성되며, 이렇게 형성된 전자-정공 쌍은 물질의 계면에서 분리되어 정공은 양극(anode) 쪽으로, 전자는 음극(cathode) 쪽으로 분리되어 전류가 생성되게 된다.

이때 유기 물질의 낮은 이동도에 따른 전자-정공쌍 재결합이 일어나게 되어 생성된 전자-정공쌍이 양쪽의 전극으로 이동하기 전에 소멸되는 경우가 발생하여 에너지 변환 효율이 작아지는 단점이 존재한다.

따라서 본 발명의 목적은 P3HT(poly(3-hexylthiophene))와 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester)으로 이루어진 벌크 헤테로 접합 (BHJ: bulk hetero junction) 태양 전지에 ZnO 나노 물질을 혼합하여 고효율의 유기 태양 전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, ZnO 나노 물질은 메탄올을 용매로 하여 용액으로 제조하고, 상기 용액은 1 내지 5시간 동안 초음파 처리하고,
초음파 처리 후 상온 내지 100 ℃에서 30 분 내지 1 시간 동안 교반하고,
P3HT와 PCBM 혼합 용액과 ZnO 나노 물질 용액의 부피비가 1: 0.01~0.5인 용액을 제조하여 교반하고,
패터닝된 ITO층 위에,
PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):PSS(poly(styrenesulfonate))를 스핀 캐스팅하고 열처리하여 박막을 형성하고,
상기 P3HT와 PCBM 혼합 용액과 ZnO 나노 물질 용액을 상기 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):PSS(poly(styrenesulfonate)) 박막 위에 스핀 캐스팅, 잉크 젯 또는 스프레이 코팅한 후 110 내지 140℃의 온도에서 가열하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 ZnO 나노 물질은 직경이 100 nm 이하로 된 나노 입자, 나노 막대 또는 나노 와이어 중 어느 하나로 구성하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, ZnO 나노 물질의 용매로서 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로포름(chloroform), 에탄올(ethanol), 이소프로판올(isopropanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, P3HT와 PCBM 혼합 용액과 ZnO 나노 물질 용액의 혼합용액의 교반은 무습, 무산소 환경의 글러브 박스(Glove box) 안에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 제조 방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 제조 공정이 간단하여 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 유기 태양 전지의 광 변환 효율을 높일 수 있어 실용화를 촉진할 수 있고, 태양 전지의 가격 대 효율비에 대한 만족도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 공정을 나타내는 도해 순서도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기 태양 전지의 활성층 구성 물질에 대한 에너지 준위를 나타내는 다이어그램이다.
도 3은 본 실시예에 따라 제작된 유기 태양 전지에 대한 파장 대 흡광도를 어닐링 온도별로 보여주는 그래프 이다.
도 4는 본 실시예에 따라 제작된 유기 태양 전지와 ZnO 나노 물질을 포함하지 않은 비교예에 대한 전압 전류 특성 곡선이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 실시예의 유기 태양 전지의 제조 공정을 나타내는 도해적인 순서도이다.

유리 기판(100) 위에 증착 등으로 형성된 ITO층(200)을 포토리소그라피(photolithography) 공정을 이용하여 HCl : HNO₃ : 증류수(DI water) 용액으로 상온에서 30 분 내지 1 시간 동안 습식 에칭(wet etching)을 수행하여 2 mm 선폭의 직사각형 ITO 패턴을 형성한다. HCl: HNO₃:증류수의 혼합비는 부피비로 47:3:50 으로 하였다.

다음, 유기 태양 전지의 활성층을 형성하기 위해 P3HT와 PCBM 유기물을 준비하여 각각 15 mg/ml 의 농도가 되도록 클로로벤젠(chlorobenzene) 용매에 녹인 후 약 3 시간 정도 100 rpm 속도로 교반한다.

다음, 광 변환 효율을 높일 수 있는 첨가물인 ZnO 나노 물질 용액을 제작하기 위해, 직경이 100 nm 이하인 ZnO 나노 물질을 메탄올(methanol) 용매로 넣어 10 mg/ml 농도로 만든 후, 2 시간 동안 초음파 처리하여 분산시킨다. 이러한 처리는 ZnO 나노 물질(나노 입자, 나노 막대, 나노 와이어를 포함한다)의 불용성에 따른 분포 불균일의 문제를 해소할 수 있게 한다.

다음, P3HT와 PCBM 유기물 용액과 ZnO 나노 물질이 포함된 용액을 1: 0.01~1의 부피비, 바람직하게는 40:1의 부피비로 혼합하여 활성층 용액을 제작하고 이를 무습, 무산소 환경의 글러브 박스(Glove box) 안에서 1 시간 동안 100 rpm 으로 교반한다.

다음, 상기 패터닝된 ITO층(200) 위에 정공 전도층으로서 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):PSS(poly(styrenesulfonate)) 를 4000 rpm 의 속도로 30 초간 스핀 캐스팅하여 약 30 nm 두께의 박막을 형성하고 나서, 150 ℃에서 10 분간 열처리 한다. 본 실시예의 경우 열처리 수단으로 핫 플레이트(hot plate)를 사용하였다.

다음, PEDOT:PSS 박막(300)이 형성된 기판을 무습, 무산소 분위기의 글러브 박스로 이동하여 P3HT:PCBM:ZnO 나노 물질이 혼합된 클로로벤젠 용액을 스핀 캐스팅으로 1500 rpm에서 30 초간 처리하여 박막을 형성하고 그 다음 100 내지 140 ℃, 바람직하게는 120 ℃에서 10 분간 열처리 한다.

상술한 바와 같이 활성층(400)까지 형성한 다음, 음극 형성을 위해, 열 증착기(thermal evaporator)로 이동하여 Al 또는 Al/LiF 전극(500)을 형성한다. 이때 전극(500) 두께는 Al 150 nm 및 LiF 2 nm 이하로 증착하며, 전극 형성을 완성하면, 다시 무습, 무산소 분위기의 글러브 박스에서 120 ℃에서 10 분간 후열 처리 한다.

상술한 바와 같이 제작된 ZnO 나노 물질을 포함한 유기 태양 전지의 구성 물질에 대한 에너지 준위를 표시한 다이어그램이 도 2에 나타나 있다. ZnO 나노 물질은 유기 태양전지의 활성층에 P3HT 와 PCBM 과 함께 혼합된 형태로 존재하며, P3HT 와 PCBM의 에너지 준위 사이에 에너지 준위를 갖는다. 이에 따라 빛에 의해 여기 된 전자가 쉽게 음극(cathode)으로 전달되게 하여 태양 전지의 효율을 높이는 데 기여한다.

도 3 및 도 4에 ZnO 나노 물질이 함유된 유기 태양전지의 광흡수 특성 및 전기적 특성이 나타나 있다.

도 3을 보면, ZnO 나노 물질을 함유한 유기 태양전지의 경우 유기물질만 사용한 경우보다 약 10% 정도의 전기적 특성 향상을 나타냄을 알 수 있다. 특히, 열처리 온도가 120 ℃인 경우 다른 온도에서 열처리한 경우 보다 광흡수 특성 향상이 가장 우수하였고, 이러한 전류 밀도 향상이라는 결과는 110 내지 140 ℃ 범위의 열처리 경우에서도 나타날 수 있다.

도 4를 보면, ZnO 나노 물질을 첨가하여 120 ℃로 열처리하였을 때, 전류 밀도가 최대가 됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 110 내지 140 ℃ 범위의 열처리 경우에서도 나타날 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 유리 기판 200: ITO층
300: PEDOT:PSS 박막 400: 활성층
500: 전극

Claims (5)

1. ZnO 나노 물질은 메탄올을 용매로 하여 용액으로 제조하고, 상기 용액은 1 내지 5시간 동안 초음파 처리하고,
   초음파 처리 후 상온 내지 100 ℃에서 30 분 내지 1 시간 동안 교반하고,
   P3HT와 PCBM 혼합 용액과 ZnO 나노 물질 용액의 부피비가 1: 0.01~0.5인 용액을 제조하여 교반하고,
   패터닝된 ITO층 위에,
   PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):PSS(poly(styrenesulfonate))를 스핀 캐스팅하고 열처리하여 박막을 형성하고,
   상기 P3HT와 PCBM 혼합 용액과 ZnO 나노 물질 용액을 상기 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):PSS(poly(styrenesulfonate)) 박막 위에 스핀 캐스팅, 잉크 젯 또는 스프레이 코팅한 후 110 내지 140℃의 온도에서 가열하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 ZnO 나노 물질은 직경이 100 nm 이하로 된 나노 입자, 나노 막대 또는 나노 와이어 중 어느 하나로 구성하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, ZnO 나노 물질의 용매로서 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로포름(chloroform), 에탄올(ethanol), 이소프로판올(isopropanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, P3HT와 PCBM 혼합 용액과 ZnO 나노 물질 용액의 혼합용액의 교반은 무습, 무산소 환경의 글러브 박스(Glove box) 안에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지 제조 방법.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
5. 삭제

Images