KR101096943B1 - 유기 태양전지용 활성층 조성물, 이를 이용한 유기 태양전지 제조방법 및 그에 따른 유기 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 태양전지용 활성층 조성물, 이를 이용한 유기 태양전지 제조방법 및 그에 따른 유기 태양전지에 관한 것이다.
본 발명의 유기 태양전지용 활성층 조성물은 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체가 혼합되어 이루어진다.
본 발명의 유기 태양전지용 활성층은 종래 전자주게 물질과 전자받게 물질의 혼합물로 제조되는 유기 태양전지 활성층 대신에, 전자주게 물질 및 전자받게 물질의 혼합물과 함께 트리페닐아민 유도체를 첨가하여 제조되어, 종래의 유기 태양전지의 활성층의 전자 이동도가 낮다는 문제점을 해결하였다. 이와 같이, 본 발명의 유기 태양전지용 활성층은 전자 이동도를 높일 수 있어, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 유기 태양전지용 활성층 조성물은 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체가 혼합되어 이루어진다.
본 발명의 유기 태양전지용 활성층은 종래 전자주게 물질과 전자받게 물질의 혼합물로 제조되는 유기 태양전지 활성층 대신에, 전자주게 물질 및 전자받게 물질의 혼합물과 함께 트리페닐아민 유도체를 첨가하여 제조되어, 종래의 유기 태양전지의 활성층의 전자 이동도가 낮다는 문제점을 해결하였다. 이와 같이, 본 발명의 유기 태양전지용 활성층은 전자 이동도를 높일 수 있어, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 효율을 높일 수 있다.
Description
본 발명은 유기 태양전지용 활성층 조성물, 이를 이용한 유기 태양전지 제조방법 및 그에 따른 유기 태양전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어, 특히 주목 받고 있다.
태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광(photons)을 전기 에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다.)를 일컫는다.
새로운 에너지의 하나로서 주목을 받으면서 실용화되고 있는 태양전지의 대부분은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 무정형 실리콘과 같은 무기물을 이용한 무기태양전지이다.
그러나, 이러한 무기 태양전지는 제조 프로세스가 복잡하여 제조비용이 높아 일반 가정용으로 보급되기에는 부적합하기 때문에 무기 태양전지의 제조 프로세스에 비해 상대적으로 간단한 제조 프로세스를 통하여 제조비용이 적게 드는 유기 태양전지의 연구가 활발히 진행되고 있다.
또한, 유기 태양전지는 수 100 ㎚ 이내의 두께의 박막으로 만들 수 있으며 유연한 구조로의 적용이 가능하다는 장점이 있어 미래 이동식 정보시스템의 에너지원으로서의 가능성을 제시하는 등 다양한 용도로의 응용이 기대된다.
일반적인 유기 태양전지는 기판에 형성되는 하부전극층과, 상기 하부전극층의 표면에 접하여 형성되는 정공수송층과, 상기 정공수송층의 표면에 접하여 형성되는 적어도 하나의 활성층 및 상기 활성 층상에 형성되는 상부전극층을 포함한다.
상기 유기 태양전지에 빛이 투사될 경우, 활성층에서 양전하(정공)와 음전하(전자)가 생성되며, 전자는 활성층 상부의 전극으로 이동되고, 정공은 정공수송층으로 이동된다. 종래의 유기 태양전지의 활성층은 전자주게 물질인 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene), 이하 P3HT)과 , 전자받게 물질인 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C61(1-(3-methoxycarbonyl)-propyl-1-phenyl-(6,6)C61, 이하 PCBM)의 혼합물을 이용하여 제조되며, 이러한 유기 태양전지의 활성층은 전자의 이동도가 낮아, 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 효율이 낮은 문제점이 있다.
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 전자 이동도가 개선된 유기 태양전지용 활성층을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 전자 이동도가 개선된 활성층을 사용하여 전자 이동을 촉진하여 빛 에너지를 전기에너지로의 변환하는 효율을 개선시킬 수 있는 유기 태양전지를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 유기 태양전지용 활성층 조성물은 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체가 혼합되어 이루어진다.
상기 전자주게 물질은 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene), 이하 P3HT), 폴리(3-알킬티오펜)(poly(3-alkyl-thiophene, 이하 P3AT), 폴리(3-옥틸티오펜)(poly(3-octylthiophene, 이하 P3OT), 폴리(2-메톡시-5-(2'-에틸헥실옥시)-p-페닐렌)비닐렌(poly(2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene)vinylene, 이하 MEH-PPV) 또는 폴리{2-메톡시-5-[(3,7-디메틸옥틸)옥시]페닐렌}비닐렌(poly{2-methoxy-5-[(3,7-dimethyloctyl)oxy]phenylene}vinylene, 이하 MDMO-PPV) 등이며, 전자받게 물질은 풀러렌 유도체인 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C61(1-(3-methoxycarbonyl)-propyl-1-phenyl-(6,6)C61, 이하 PC61BM), 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C70(1-(3-methoxycarbonyl)-propyl-1-phenyl-(6,6)C70, 이하 PC70BM) 또는 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C84(1-(3-methoxycarbonyl)-propyl-1-phenyl-(6,6)C84, 이하 PC84BM) 등이 바람직하다.
상기 트리페닐아민 유도체는 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-[1,1'-디페닐]-4,4'-디아민 또는 4,4,4-트리스[N-(2-나프틸)-N-페닐아미노]트리페닐아민 등을 사용할 수 있다.
상기 전자주게 물질과 전자받게 물질은 1:0.5~1:1로 혼합비를 이루고, 상기 혼합물에 전체 중량에 대비하여 트리페닐아민 유도체가 0.1~4 중량%로 혼합될 수 있다.
또한, 본 발명의 유기 태양전지는, 유기 태양전지에 있어서, 기판상에 형성되는 하부전극층; 상기 하부전극층 상에 형성되는 정공수송층; 상기 정공수송층 상에 형성되는 1종 이상의 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성되는 상부전극층; 을 포함하되, 상기 활성층은 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체로 이루어지는 혼합물로 형성된 것이다.
상기 전자주게 물질은 P3HT, P3AT, P3OT, MEH-PPV 또는 MDMO-PPV 등이며, 전자받게 물질은 풀러렌 유도체인 PC61BM, PC70BM 또는 PC84BM 등이 바람직하다.
상기 트리페닐아민 유도체는 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-[1,1'-디페닐]-4,4'-디아민 또는 4,4,4-트리스[N-(2-나프틸)-N-페닐아미노]트리페닐아민 등을 사용할 수 있다.
상기 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체로 이루어지는 혼합물은 전자주게 물질:전자받게 물질이 1:0.5~1:1 비율이며, 전자주게 물질:전자받게 물질 혼합의 전체중량에 대해서 트리페닐아민 유도체를 0.1~4 중량%의 혼합인 것이 바람직하다.
상기 활성층의 두께는 100~200 ㎚인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 유기 태양전지를 제조하는 방법은, 기판상에 적층되는 하부전극층과 상부전극층 사이에 적어도 하나의 활성층을 구비하는 유기 태양전지를 제조방법에 있어서, 상기 활성층은 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체가 혼합된 용액을 이용하여 제조되는 것이다.
상기 전자주게 물질은 P3HT, P3AT, P3OT, MEH-PPV 또는 MDMO-PPV 등이며, 전자받게 물질은 풀러렌 유도체인 PC61BM, PC70BM 또는 PC84BM 등이 바람직하다.
상기 트리페닐아민 유도체는 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-[1,1'-디페닐]-4,4'-디아민 또는 4,4,4-트리스[N-(2-나프틸)-N-페닐아미노]트리페닐아민 등을 사용할 수 있다.
상기 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체의 혼합용액은 전자주게 물질과 전자받게 물질를 1:0.5~1:1로 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물에 트리페닐아민 유도체를 0.1~4 중량%로 혼합한 것을 유기용매에 용해하여 제조된 것을 사용할 수 있다.
상기 유기용매는 클로로벤젠, 클로로포름 또는 파라자일렌 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 유기 태양전지용 활성층은 종래 전자주게 물질 및 전자받게 물질의 혼합 조성물에 트리페닐아민 유도체를 첨가하여 전기 이동도를 개선하였다.
그에 따라, 본 발명의 유기 태양전지용 활성층을 사용하는 유기 태양전지는 전자 이동도가 개선되어 전자 이동을 촉진하여, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 효율을 개선하였다.
도 1은 본 발명의 유기 태양전지를 제조하는 방법을 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 유기 태양전지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 제조방법에 따라 트리페닐아민 유도체 첨가량을 달리하여 제조된 유기 태양전지에 빛을 비추었을 때, 전류와 전압의 상관관계를 나타낸 것이다(TPD는 트리페닐아민 유도체를 지칭함).
도 4는 본 발명의 제조방법에 따라 트리페닐아민 유도체 첨가량에 따른 유기 태양전지의 전기 에너지 변환효율과 필팩터의 상관관계를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 제조방법에 따라 트리페닐아민 유도체 첨가량을 달리하여 제조된 유기 태양전지에 빛을 비추었을 때, 전류와 전압의 상관관계를 나타낸 것이다(TPD는 트리페닐아민 유도체를 지칭함).
도 4는 본 발명의 제조방법에 따라 트리페닐아민 유도체 첨가량에 따른 유기 태양전지의 전기 에너지 변환효율과 필팩터의 상관관계를 나타낸 것이다.
본 발명자는 유기 태양전지 활성층의 전자 이동도를 높여 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 효율을 높일 수 있는 방법 연구하던 중, 종래에 활성층에 사용되는 전자주게 물질 및 전자받게 물질 혼합물에 추가적으로 트리페닐아민 유도체를 첨가한 조성물을 제조하고, 이를 이용하여 제조된 활성층이 개선된 전자 이동도를 가짐과 더불어 개선된 전기에너지 생성효율을 가짐을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 유기 태양전지용 활성층 조성물에 대해서 설명한다.
본 발명의 유기 태양전지용 활성층 조성물은 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체가 혼합되어 이루어진다.
유기 태양전지에 빛이 입사되면, 전자주게 물질에서 빛을 흡수하여 여기상태의 에너지인 엑시톤이라 불리는 전자-정공 쌍을 형성하게 된다. 이 엑시톤은 임의 방향으로 확산하다가 전자받게 물질과의 계면을 만나면 전자와 정공으로 분리되게 된다. 전자받게 물질은 전자를 잡아당겨 전하분리를 유도하며, 전자주게 층에 남아 있는 정공은 양극으로 이동하고 전자받게 층에 있던 전자는 음극으로 이동하여 전류의 형태로 흐르게 된다.
본 발명의 활성층 조성물은 전자주게 물질로 사용되는 P3HT, P3AT, P3OT, MEH-PPV 또는 MDMO-PPV 등과, 전자받게 물질로 사용되는 풀러렌 유도체인 PC61BM, PC70BM 또는 PC84BM 등의 혼합물에 트리페닐아민 유도체를 첨가함으로써 전자 이동도를 증가시켜 태양전지의 변환효율을 높인 것이다.
상기 전자주게 물질은 태양광을 쬐어주었을 때 빛을 흡수하여 엑시톤이라 불리는 전자-정공 쌍을 형성시키는 주 역할을 한다. 전자주게 물질에서 형성된 엑시톤은 임의 방향으로 확산하다가 전자받게 물질과 만나면 전자와 정공으로 분리되게 된다.
상기 전자받게 물질은 전자 친화도가 큰 물질로서, 전자를 잡아당겨 전자와 정공의 분리를 유도하는 주 역할을 한다. 전자받게 물질에 있는 전자는 전자받게 물질을 따라 음극으로 이동하여 수송되게 된다.
상기 트리페닐아민 유도체는 활성층에서 전자 이동도를 향상시키는 역할을 한다. 트리페닐아민 유도체는 유기 태양전지에서 정공수송층에 사용되는 물질로 높은 정공 이동도를 가진다. 이러한 물질을 전자주게 물질과 전자받게 물질 용액에 첨가함으로써 활성층에서 정공 이동도를 높이고 태양전지의 효율을 향상시킨다.
상기 언급된 물질을 이용하여 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 것을 용이하게 하는 활성층 조성물의 제조는 전자주게 물질과 전자받게 물질은 1:0.5~1:1 비율로 혼합하고, 상기 혼합물 전체 중량에 대비하여 트리페닐아민 유도체가 0.1~4 중량%로 혼합하여 활성층 조성물을 제조할 수 있다.
이때, 상기 트리페닐아민 유도체는 N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)- [1,1’-디페닐]-4,4’-디아민 또는 4,4,4-트리스[N-(2-나프틸)-N-페닐아미노]트리페닐아민 등을 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 유기 태양전지용 활성층 조성물을 이용한 유기 태양전지에 대해서 설명한다.
하기 유기 태양전지는 본 발명의 도 2를 참조하여 설명한다.
본 발명의 유기 태양전지는,
기판상에 형성되는 하부전극층;
상기 하부전극층 상에 형성되는 정공수송층;
상기 정공수송층 상에 형성되는 활성층; 및
상기 활성층 상에 형성되는 상부전극층;
을 포함하되,
상기 활성층은 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체로 이루어지는 혼합물로 형성된 것이다.
상기와 같은 구조를 갖는 유기 태양전지에 태양광이 조사될 경우, 활성층의 물질이 빛 에너지를 흡수하고, 활성층의 물질이 흡수한 빛 에너지로 인해서 물질이 일부가 전자와 정공으로 분리된다. 상기 과정을 통하여 분리된 전자는 상부전극층으로 이동되고, 정공은 하부전극층으로 이동된다. 이러한 전자 흐름이 지속적으로 발생되면서, 전류와 전압이 발생하게 되어 빛 에너지가 전기에너지로 변환될 수 있게 된다.
상기 활성층은 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체로 이루어지는 혼합물은 전자주게 물질:전자받게 물질가 1:0.5~1:1 비율이며, 전자주게 물질:전자받게 물질 혼합의 전체중량에 대해서 트리페닐아민 유도체를 0.1~4 중량%의 혼합인 것이 바람직하다.
이때, 상기 트리페닐아민 유도체의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우, 활성층의 전자 이동도도를 높일 수 없어 바람직하지 않고, 4 중량%를 초과할 경우, 태양광의 흡수 면적이 좁아져, 유기 태양전지의 에너지 변환효율이 낮아질 수 있다.
상기 활성층의 두께는 100~200 ㎚인 것이 바람직하다. 이때, 상기 활성층의 코팅 두께가 100 ㎚ 미만일 경우, 태양광을 흡수할 수 있는 부분이 줄어들어 높은 효율을 기대하기 어렵다. 200 ㎚를 초과할 경우, 두께가 두꺼워질수록 전하이동도가 떨어지기 때문에 태양전지 효율이 떨어질 수 있다.
다음으로, 본 발명의 유기 태양전지용 활성층 조성물과 이를 이용하여 유기 태양전지를 제조하는 방법을 설명한다.
또한, 본 발명의 유기 태양전지를 제조하는 방법은, 기판상에 적층되는 하부전극층과 상부전극층 사이에 적어도 하나의 활성층을 구비하는 유기 태양전지를 제조방법에 있어서, 상기 활성층은 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체가 혼합된 용액을 이용하여 제조되는 것이다.
상기 활성층을 제조하기 위하여 사용되는 혼합용액은 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체를 혼합하여 제조될 수 있다. 상기 혼합용액은 전자주게 물질과 전자받게 물질을 1:0.5~1:1로 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물에 트리페닐아민 유도체를 0.1~4 중량%로 혼합한 후, 유기용매에 용해하여 제조될 수 있다.
이때, 상기 트리페닐아민 유도체의 첨가량이 0.1 중량% 미만일 경우, 활성층의 전자 이동도도를 높일 수 없어 바람직하지 않고, 4 중량%를 초과할 경우, 첨가된 트리에틸아민이 과량으로 존재하게 되어 태양광의 흡수 면적이 좁아지게 되며, 이로 인해 유기 태양전지의 전기에너지 생성효율이 낮아질 수 있다.
상기 트리페닐아민 유도체는 유기 태양전지의 에너지 변환효율을 높일 수 있는 물질인 것이 바람직하며, N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’- 디페닐]-4,4’-디아민 또는 4,4,4-트리스[N-(2-나프틸)-N-페닐아미노]트리페닐아민 등이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 유기용매는 클로로벤젠, 클로로포름 또는 파라자일렌 등을 사용할 수 있다.
이하에서는 상기 유기 태양전지를 제조하는 방법을 보다 상세히 설명한다.
먼저, 유기 태양전지에 사용할 기판을 준비하고, 기판상에 하부전극층을 형성시킨다. 상기 하부전극층이 형성된 기판을 아세톤 및 이소프로필 알코올 혼합용매로 세척을 실시한다.
다음으로, 세척한 상기 하부전극층이 형성된 기판에 UV-오존 처리를 한 후, PEDOT:PSS 용액을 적하시키고, 상부면 전체에 PEDOT:PSS 용액이 퍼질 수 있도록 스핀 코팅을 실시하여 박막을 형성시킨다. 상기 박막이 형성된 기판을 고온처리하여 용매를 증발시키고, 하부전극층에 박막을 고착시켜 정공수송층을 형성한다.
다음으로, 상기 정공수송층 상에 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 트리페닐아민 유도체의 혼합용액을 떨어뜨리고, 이 용액 상부면 전체에 코팅될 수 있도록 스핀코팅을 실시한다. 이를 가온하여 용매를 증발시켜 활성층을 형성시킨다.
마지막으로, 유기 태양전지의 활성층 상에 상부전극층을 형성시키기 위하여, 진공챔버에 활성층이 구비된 기판을 배치하고, ~10-6 토르의 압력하에 금속을 녹여 챔버내로 흘려보내, 활성층 상에 상부전극층이 증착될 수 있도록 한다. 이를 적절한 온도와 시간으로 최종 열처리하면, 유기 태양전지를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1: 유기 태양전지용 활성층 코팅액
P3HT:PCBM가 10:7 비율이며, P3HT:PCBM 혼합의 전체중량에 대해서 N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’- 디페닐]-4,4’-디아민을 3 중량% 만큼 무게를 잰 후 클로로벤젠 1 ㎖을 부어 활성층 코팅액을 제조하였다. 용액을 제조한 후에는 용액이 골고루 잘 혼합되게 하기 위해서 상온에서 약 하루 정도 교반하여 활성층 코팅액을 제조하였다.
실시예
2: 유기 태양전지의 제조공정
캠포르 술포닉산(camphor sulfonic acid, CSA)이 도핑된 N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’-디페닐]-4,4’-디아민을 0.1~4 중량% 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 활성층 코팅액을 제조하였다.
실시예
3: 유기 태양전지
유리기판(12×12 ㎜) 산화인듐주석(ITO)을 코팅 하부전극층을 형성시키고, 산화인듐주석이 코팅된 기판을 아세톤과 이소프로필 알코올로 세척하여 불순물을 제거하였다. 상기 세척한 기판을 UV-오존 장치에 넣고 5~10분간 UV-오존 처리를 하여 불순물을 제거하고, 활성층이 잘 형성될 수 있도록 하였다. 오존 처리된 기판에 PEDOT:PSS 용액(HC starck에서 구입하여 사용)을 떨어뜨리고, 스핀 코팅하였다. 용액을 고착시키기 위하여 230 ℃온도의 핫플레이트 위에서 15분 동안 열을 가하여 70 ㎚ 두께의 정공수송층이 형성되었다.
상기 실시예 1의 활성층 코팅액을 정공수송층이 형성된 기판에 적하시키고, 기판을 회전시켜 전체면에 골고루 코팅하였다. 코팅된 용액에서 용매를 증발시키기 위해 50 ℃로 가온시켜 170 ㎚ 두께의 활성층을 형성시켰다.
상부전극층을 형성하기 위하여 활성층이 형성된 기판을 진공 챔버에 넣고, ~10-6 토르(Torr)에서 알루미늄을 열증착하여 80 ㎚의 알루미늄 층을 형성하였다. 이를 140 ℃로 30분간 최종 열처리하여 유기 태양전지를 제조하였다.
실시예
4: 유기 태양전지
상기 실시예 2의 활성층 코팅액을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 하여 유기 태양전지를 제조하였다.
비교예
1: 유기 태양전지
N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’-디페닐]-4,4’-디아민을 사용하지 않는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 활성층 코팅액을 제조하였다. 이를 이용하여 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조하였다.
비교예
2: 유기 태양전지의 제조
N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’-디페닐]-4,4’-디아민을 5 중량% 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 활성층 코팅액을 제조하였다. 이를 이용하여 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조하였다.
비교예
3: 유기 태양전지의 제조
N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’-디페닐]-4,4’-디아민을 7 중량% 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 활성층 코팅액을 제조하였다. 이를 이용하여 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조하였다.
비교예
4: 유기 태양전지의 제조
N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’-디페닐]-4,4’-디아민을 10 중량% 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 활성층 코팅액을 제조하였다. 이를 이용하여 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조하였다.
비교예
5: 유기 태양전지의 제조
N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’-디페닐]-4,4’-디아민을 20 중량% 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 활성층 코팅액을 제조하였다. 이를 이용하여 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조하였다.
실험예
1: 전류 밀도(J) - 전압(V) 특성 분석
상기 제조된 유기 태양전지의 전압에 따른 전류밀도 특성을 측정하기 위하여 솔라시뮬레이터 시스템을 이용하여 하기와 같은 실험을 실시하였다.
그 결과를 도 3 및 4에 나타내었다.
도 3에 나타난 바와 같이, 트리페닐아민 유도체의 첨가량을 달리한 유기 태양전지에 빛을 쪼였을 때, 전류와 전압의 상관관계를 나타낸 것이다.
도 4에 나타나 바와 같이, (a)는 입사되는 태양광 세기 100 mW/㎝2에 대해서 유기 태양전지의 전기 에너지 변환효율을 나타낸 것이고, (b)는 트리페닐아민 유도체 함유량에 따른 필팩터를 나타낸 그래프이다. 필팩터가 클수록 태양전지 변환효율도 커지기 때문에 (a)와 (b)가 동일한 결과 추세를 나타내고 있음을 알 수 있다.
트리페닐아민 유도체가 3 wt% 첨가했을 때 전기 에너지 변환효율과 필팩터 값이 같이 증가하는 경향을 보였다. 그러나, 트리페닐아민 유도체가 함량이 늘어나면, 반대로 전기 에너지 변환효율과 필팩터 값이 모두 감소하였다. 이유는 빛을 흡수할 수 있는 부분이 줄어들기 때문에 효율이 오히려 감소하였다.
따라서, 트리페닐아민 첨가량이 소량일 경우, 빛 흡수량이 감소하여도 전자이동도가 증가하여 필팩터와 전기 에너지 변환효율이 향상됨을 알 수 있었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.
Claims (14)
1:0.5~1:1로 혼합비를 이루는 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 이러한 전자주게물질과 전자받게 물질의 혼합물의 전체 중량에 대비하여 N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’-디페닐]-4,4’-디아민이 0.1~4 중량%로 혼합되어 이루어지는 유기 태양전지용 활성층 조성물.
제1항에 있어서,
상기 전자주게 물질은 폴리(3-헥실티오펜), 폴리(3-알킬티오펜), 폴리(3-옥틸티오펜), 폴리(2-메톡시-5-(2’-에틸헥실옥시)-p-페닐렌)비닐렌 및 폴리{2-메톡시-5-[(3,7-디메틸옥틸)옥시]페닐렌}비닐렌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, 상기 전자받게 물질은 풀러렌 유도체인 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C61, 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C70 및 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C84으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지용 활성층 조성물.
상기 전자주게 물질은 폴리(3-헥실티오펜), 폴리(3-알킬티오펜), 폴리(3-옥틸티오펜), 폴리(2-메톡시-5-(2’-에틸헥실옥시)-p-페닐렌)비닐렌 및 폴리{2-메톡시-5-[(3,7-디메틸옥틸)옥시]페닐렌}비닐렌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, 상기 전자받게 물질은 풀러렌 유도체인 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C61, 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C70 및 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C84으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지용 활성층 조성물.
삭제
삭제
유기 태양전지에 있어서,
기판상에 형성되는 하부전극층;
상기 하부전극층 상에 형성되는 정공수송층;
상기 정공수송층 상에 형성되는 1종 이상의 활성층; 및
상기 활성층 상에 형성되는 상부전극층;
을 포함하되,
상기 활성층은 1:0.5 ~ 1:1로 혼합비를 이루는 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 이러한 전자주게 물질과 전자받게 물질의 혼합물의 전체 중량에 대비하여 N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’-디페닐]-4,4’-디아민을 0.1 ~ 4 중량% 포함하는 혼합물로 형성되며,
태양광 세기 100 ㎽/㎠에 대해서 전기 에너지 변환효율이 3.5% 초과 및 3.7% 이하인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
기판상에 형성되는 하부전극층;
상기 하부전극층 상에 형성되는 정공수송층;
상기 정공수송층 상에 형성되는 1종 이상의 활성층; 및
상기 활성층 상에 형성되는 상부전극층;
을 포함하되,
상기 활성층은 1:0.5 ~ 1:1로 혼합비를 이루는 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 이러한 전자주게 물질과 전자받게 물질의 혼합물의 전체 중량에 대비하여 N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’-디페닐]-4,4’-디아민을 0.1 ~ 4 중량% 포함하는 혼합물로 형성되며,
태양광 세기 100 ㎽/㎠에 대해서 전기 에너지 변환효율이 3.5% 초과 및 3.7% 이하인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
제5항에 있어서,
상기 전자주게 물질은 폴리(3-헥실티오펜), 폴리(3-알킬티오펜), 폴리(3-옥틸티오펜), 폴리(2-메톡시-5-(2’-에틸헥실옥시)-p-페닐렌)비닐렌 및 폴리{2-메톡시-5-[(3,7-디메틸옥틸)옥시]페닐렌}비닐렌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, 상기 전자받게 물질은 풀러렌 유도체인 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C61, 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C70 및 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C84으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
상기 전자주게 물질은 폴리(3-헥실티오펜), 폴리(3-알킬티오펜), 폴리(3-옥틸티오펜), 폴리(2-메톡시-5-(2’-에틸헥실옥시)-p-페닐렌)비닐렌 및 폴리{2-메톡시-5-[(3,7-디메틸옥틸)옥시]페닐렌}비닐렌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, 상기 전자받게 물질은 풀러렌 유도체인 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C61, 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C70 및 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C84으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
삭제
삭제
제5항에 있어서,
상기 활성층의 두께는 100~200 ㎚인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
상기 활성층의 두께는 100~200 ㎚인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
기판상에 적층되는 하부전극층과 상부전극층 사이에 적어도 하나의 활성층을 구비하는 유기 태양전지를 제조방법에 있어서,
상기 활성층은 1:0.5~1:1로 혼합비를 이루는 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 이러한 전자주게 물질과 전자받게 물질의 혼합물의 전체 중량에 대비하여 N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’-디페닐]-4,4’-디아민이 0.1 ~ 4 중량%로 혼합된 용액을 이용하여 제조되며,
태양광 세기 100 ㎽/㎠에 대해서 전기 에너지 변환효율이 3.5% 초과 및 3.7% 이하인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.
상기 활성층은 1:0.5~1:1로 혼합비를 이루는 전자주게 물질, 전자받게 물질 및 이러한 전자주게 물질과 전자받게 물질의 혼합물의 전체 중량에 대비하여 N,N’-디페닐-N,N’-비스(3-메틸페닐)-[1,1’-디페닐]-4,4’-디아민이 0.1 ~ 4 중량%로 혼합된 용액을 이용하여 제조되며,
태양광 세기 100 ㎽/㎠에 대해서 전기 에너지 변환효율이 3.5% 초과 및 3.7% 이하인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.
제10항에 있어서,
상기 전자주게 물질은 폴리(3-헥실티오펜), 폴리(3-알킬티오펜), 폴리(3-옥틸티오펜), 폴리(2-메톡시-5-(2’-에틸헥실옥시)-p-페닐렌)비닐렌 및 폴리{2-메톡시-5-[(3,7-디메틸옥틸)옥시]페닐렌}비닐렌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, 상기 전자받게 물질은 풀러렌 유도체인 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C61, 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C70 및 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C84으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.
상기 전자주게 물질은 폴리(3-헥실티오펜), 폴리(3-알킬티오펜), 폴리(3-옥틸티오펜), 폴리(2-메톡시-5-(2’-에틸헥실옥시)-p-페닐렌)비닐렌 및 폴리{2-메톡시-5-[(3,7-디메틸옥틸)옥시]페닐렌}비닐렌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상이며, 상기 전자받게 물질은 풀러렌 유도체인 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C61, 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C70 및 1-(3-메톡시카르보닐)-프로필-1-페닐-(6,6)C84으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.
삭제
삭제
제10항에 있어서,
상기 용액은 클로로벤젠, 클로로포름 및 파라자이렌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는1종 이상의 유기용매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.
상기 용액은 클로로벤젠, 클로로포름 및 파라자이렌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는1종 이상의 유기용매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.
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| KR1020100000501A KR101096943B1 (ko) | 2010-01-05 | 2010-01-05 | 유기 태양전지용 활성층 조성물, 이를 이용한 유기 태양전지 제조방법 및 그에 따른 유기 태양전지 |
Country Status (1)
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-
2010
- 2010-01-05 KR KR1020100000501A patent/KR101096943B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| S.Roquet et al., "Triphenylamine-Thienylenevinylene hybrid systems with internal charge transfer as donor materials for heterojunction solar cells", JACS,Vol.128, pp.3459-3466* |
| Y.J.Cheng et alt., "Synthesis of conjugated polymers for organic solar cell applications", Chemical Reviews, Vol.109, pp.5868-5923* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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