KR101130516B1 - 고효율 유기태양전지 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

고효율 유기태양전지 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101130516B1
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진병두
황경석
박재균
이준엽
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단국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 유기태양전지 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 유기태양전지 소자는 제1 전극; 제1 전극 상에 형성되는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되는 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 형성되는 제2 전극을 구비한 유기태양전지 소자이며, 상기 버퍼층은 n-타입 금속산화물층을 포함하고, 상기 n-타입 금속산화물층 상에 자기조립박막층(Self Assembled Monolayer, SAM)이 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 유기태양전지 소자는 전극과 광활성층 간의 계면 특성을 조절하여 전자/정공의 수송 효율을 향상 시킬 수 있고, 투명 유기태양전지 소자 및 합착형 구조 등과 같은 다양한 유기태양전지의 설계를 보다 용이하게 실시할 수 있다.

Description

고효율 유기태양전지 소자 및 이의 제조 방법{High Efficient Organic Solar Cell and Method for Preparing the same}
본 발명은 고효율 유기태양전지 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
유기태양전지는 두 개의 전극 사이에 광흡수층을 포함하고 있는 구조로 되어 있다. 상기 광흡수층은 전자수용체와 정공수용체의 이층막으로 구성되거나 또한 서로 혼합되어 있는 벌크 이종접합 구조로 이루어져 있으며, 상기 광흡수층에서 광흡수와 전하분리 과정이 진행되어 전자와 정공이 각각 전극으로 이동하게 된다.
하지만, 이러한 전하 이동은 광흡수층과 전극 사이의 에너지 준위/일함수 (work function)간의 차이로 인하여 광전류 및 전압손실이 상당히 발생하고 있으며, 이로 인하여 유기태양전지의 효율 감소가 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위해서 광흡수층과 전극 사이에서 계면 특성을 개선하여 오믹 접촉을 유도하기 위해서 버퍼(buffer)층을 삽입하는 방법이 있다. 상기 버퍼층으로 양극 전극과 광흡수층 사이에는 대부분 전도성 고분자인 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrenesulfonate) 등이 널리 사용되고 있다. 이러한 재료는 산성도가 높아 ITO의 표면을 부식하여 인듐(In) 등의 원소가 유기태양전지 작동 중 확산되어 광흡수층으로 침투될 가능성이 있고, 소자의 안정성을 저하시킬 수 있으며, 친수성(hydrophilic) 특성으로 인하여 코팅 공정도 상당히 까다로운 편이다. 또한, 다른 유기 정공 수송층 물질 (아릴아민계 등)을 사용할 수 있으나, 이러한 물질은 증착 혹은 용액공정으로 형성된 박막이 주개/받개(donor/accepter) 광흡수층 코팅 공정시 무너져 내리는 등 동종의 용액에 녹는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 구조적 안정성 및 전하의 수송 효율이 개선되고 다양한 소자 설계의 가능성을 제공할 수 있는 유기태양전지 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 유지태양전지 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양상은,
제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되는 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 형성되는 광활성층; 및
상기 광활성층 상에 형성되는 제2 전극을 구비한 유기태양전지 소자에 있어서,
상기 버퍼층은 n-타입(n-type)금속산화물층을 포함하고,
상기 n-타입 금속산화물층 및 상기 광활성층 사이에 자기조립박막층(Self Assembled Monolayer, SAM)이 형성되는 인버티드(inverted) 유기태양전지 소자에 관한 것이다.
상기 광활성층 및 제2 전극 사이에 p-타입(p-type)금속산화물층이 더 형성될 수 있다.
상기 p-타입 금속산화물층은 텅스텐옥사이드(WO3), 니켈옥사이드(Nickel oxide), 몰리브데늄옥사이드(Molybdenum oxide, MoO2, MoO3) 및 세륨 도핑된 텅스텐옥사이드(CeWO3)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide: ATO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tinoxide: FTO) 및 알루미늄 도핑된 산화아연(Al-doped Zinc Oxide: AZO), 산화아연(zinc oxide)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 n-타입 금속산화물층은 티타늄디옥사이드(Titanium dioxide), 징크 옥사이드(Zinc oxide) 및 알루미늄 도핑된 징크옥사이드(Al-doped ZnO)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 자기조립박막층은 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropytriethoxysilane), 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane), 3-메타크릴록시프로필트리메톡시실란(3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane), 헥사메틸다이실라젠(Hexamethyldisilazane), 트리데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로옥틸트리클로로실란(Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl-1-trichlorosilane))으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 유기태양전지 소자는 상기 유기태양전지 소자 구성을 포함하는 제 1 및 제 2 유기태양전지 소자가 서로 마주보게 배치된 합착형 모듈 구조의 유기태양전지 소자로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 양상은,
기판 상에 제 1전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에 n-타입 금속산화물층을 형성하는 단계;
상기 n-타입 금속산화물층 상에 자기조립박막층을 형성하는 단계; 및
상기 자기조립박막층 상에 광활성층을 형성하는 단계를 포함하는 유기태양전지 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
상기 제조 방법은 상기 광활성층 상에 p-타입 금속산화물층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 n-타입 금속산화물층을 형성하는 단계는 제1 전극 상에 n-타입 금속산화물 전구체를 코팅하고 열처리하여 n-타입 금속산화물층을 형성할 수 있다.
본 발명은 광활성층과 각 전극 간의 계면 특성을 조절하여 전자/정공 전달 효율을 높이고, 단락전류와 필 팩터(fill factor)를 증가시켜 고효율을 가지는 유기태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명에 의한 유기태양전지 소자는 투명 전극을 도입하여 투명 유기태양전지 소자 및 합착형 모듈 구조의 유기태양전지 소자를 제공할 수 있고, 상기 합착형 모듈 구조는 별도의 봉지기판을 요구하지 않으면서 단순한 제조 공정을 이용하여 용이하게 제조되고, 구조적 안정성을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 기판/제1 전극/n-타입 금속산화물-자기조립박막층/광활성층/제2 전극을 포함하는 유기태양전지 소자를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 기판/제1 전극/n-타입 금속산화물층- 자기조립박막층/광활성층-p-타입 금속산화물층/제2 전극을 포함하는 유기태양전지 소자를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 유리기판/ITO 전극/TiO2-OTS/ P3HT:PCBM/WO3/Ag 전극을 포함하는 유기태양전지 소자를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 유리기판/ITO 전극/TiO2-MPS/ P3HT:PCBM/WO3/Ag 전극을 포함하는 유기태양전지 소자를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1에 따른 유리기판/ITO 전극/TiOX/P3HT:PCBM/ PEDOT:PSS/Ag 전극을 포함하는 유기태양전지 소자를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 유리기판/ITO 전극/TiO2-MPS/ P3HT:PCBM/WO3/Ag/ZnS전극을 포함하는 투명 유기태양전지 소자를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 합착형 모듈 구조의 유기태양전지 소자를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 접착층을 포함하는 합착형 모듈 구조의 유기태양전지 소자를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 관하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 유기태양전지 소자를 제공한다.
도 1및 도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 유기태양전지 소자는 기판(미도시), 제1 전극(10), 버퍼층(20), 광활성층(30) 및 제2 전극(40)을 포함한다.
기판
상기 기판은 유기태양전지 소자를 지탱하고, 태양광 등과 같은 외부로부터 입사되는 빛을 입사시킬 수 있는 투명 재질이라면 제한 없이 사용될 수 있다(도면에 미도시). 상기 기판은 유리 또는 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyethyleneTerephthlate), 폴리에틸렌나프탈레이트(PolyethyleneNaphthalate), 폴리이미드, 폴리프로필렌, 폴리아크릴레이트(Polyarylate) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
제1 전극(10)
상기 제1 전극(10)은 상기 기판의 상부에 형성된다. 상기 제1 전극(10)은 투명하거나 전도성 물질일 수 있고, 상기 제1 전극(10)을 이루는 물질은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide: ATO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al-doped Zinc Oxide: AZO) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 인듐 틴 옥사이드를 사용하여 투명 전극을 형성할 수 있다.
버퍼층 (20)
상기 버퍼층(20)은 광활성층과 전극 사이에 계면 특성을 개선하여 전하 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 버퍼층(20)은 상기 제1 전극(10) 상에 형성되고, n-타입 금속산화물층(21)을 포함한다. 상기 n-타입 금속산화물층(21)은 전하수집층으로 작용하고, 전극과의 계면에서 전하 수송을 용이하게 하도록 수송 저항을 보다 향상시킬 수 있다.
상기 n-타입 금속산화물층(21)은 티타늄디옥사이드(Titanium dioxide, TiO2), 징크옥사이드(Zinc oxide, ZnO), 알루미늄 도핑된 징크옥사이드(Al-doped ZnO) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 티타늄디옥사이드를 포함할 수 있다.
상기 버퍼층(20)은 상기 n-타입금속산화물층(21)과 광활성층(30) 사이에 다양한 관능기를 가지는 자기조립박막층(Self Assembled Monolayer, SAM, 22)을 포함할 수 있다.
상기 자기조립박막층(22)은 상기 n-타입금속산화물층(21)과 광활성층(30)의 계면에 형성되어 상기 금속산화물층(21)의 표면을 개질하여 상기 광활성층의 이종접합 또는 벌크 이종접합 구조에서 전자-정공쌍이 분리되면, 분리된 전자를 전극으로 효과적으로 전달하도록 광활성층과 금속산화물층의 계면 화학성분 분포를 제어하는 역할을 한다. 그 결과 광활성층(30)과의 계면에서 전하의 수송 저항을 낮추어 단락전류와 전하 수송 효율을 증가시키고, 고효율의 유기태양전지를 제공할 수 있다.
상기 자기조립박막층은 상기 특성을 제공할 수 있는 유기물이면 제한 없이 포함할 수 있고, 바람직하게는 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropytriethoxysilane, APTES), 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane, OTS), 3-메타크릴록시프로필트리메톡시실란(3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane, MPS), 헥사메틸다이실라젠(Hexamethyldisilazane, HMDS), 트리데카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로옥틸-1-트리클로로실란(Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl-1-trichlorosilane, FTS) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
광활성층 (30)
상기 광활성층(30)은 상기 버퍼층(20) 상에 형성되고, 빛을 받아 전자와 정공을 분리시켜 전류를 생성한다. 상기 광활성층(30)은 전자수용체(electron acceptor)와 정공수용체(hole acceptor 또는 electron donor)가 혼재되어 있는 이종접합 또는 벌크 이종접합 구조일 수 있다.
상기 정공수용체는 P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), 폴리실록산카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레1)-2,5-페닐렌-비닐렌, 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 이들의 유도체 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다,
상기 전자수용체는 풀러렌 (fullerene, 60), 플러렌유도체, PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), PCBM([6,6]phenyl-C61-butyricacidmethylester) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 광활성층(30) 상에 p-타입 금속산화물층(31)이 더 형성될 수 있다. 상기 p-타입 금속산화물층(31)은 상기 광활성층(31)과 제2 전극(40)의 계면에 형성되어 상기 전극으로 전하 수송을 원활하고, 특히, 인버티드 유기 태양전지 셀(inverted organic solar cell) 구조를 구비한 유기태양전지에서 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 p-타입 금속산화물층(31)은 텅스텐옥사이드(WO3), 니켈옥사이드(Nickel oxide), 몰리브데늄옥사이드(Molybdenum oxide, MoO2, MoO3) 및 세륨 도핑된(Ce-doped ) 텅스텐옥사이드(CeWO3) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
제 2 전극(40)
상기 제 2 전극(40)은 상기 광활성층(30) 또는 p-타입 금속산화물층(31) 상에 형성된다. 상기 제 2 전극(40)은 알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 인듐, 이트륨, 리튬, 은, 납, 세슘 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 알루미늄 또는 은을 포함할 수 있다.
또한, 투명 유기태양전지 소자를 형성하기 위해서 징크설파이드(ZnS) 등을 사용하여 투명 전극을 형성할 수 있다(도 6). 보다 구체적으로, 상기 투명전극은 매우 얇은 두께 (10-15nm)의 금속층 (은, 알루미늄 등)과 p-타입의 산화물 (WO3) 등의 적층구조, 혹은 은과 같은 금속과 산화물의 동시 증착층, 은과 마그네슘/칼슘 등 알칼리 금속과의 동시 증착층 등으로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 의해서 본 발명의 유기태양전지는 기판(미도시), 제1 전극(10), 버퍼층(20, n-타입 금속산화물층(21)/자기조립박막층(22)), 광활성층(30) 및 제2 전극(40)이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
또한, 본 발명의 유기태양전지는 기판, 제1 전극(10), 버퍼층(20, n-타입 금속산화물층(21)/자기조립박막층(22)), 광활성층(30), p-타입 금속산화물층(31) 및 제2 전극(40)이 순차적으로 적층되어 구성될 수 있다.
본 발명의 일 구현에 의해서 상기 유기태양전지 소자를 이용하여 합착형 모듈 구조의 유기태양전지 소자를 제공할 수 있다.
예를 들어, 도 7을 참조하면 상판 및 하판 모듈이 구성되고, 상기 상판 모듈로서, 유리 기판 상에 형성된 제1 전극(10); 상기 제1 전극(10) 상에 형성된 버퍼층(20); 상기 버퍼층(20) 상에 형성되는 광활성층(30); 및 상기 광활성층(30) 상에 형성되는 제 2 전극(40)을 포함하고 제1 유기태양전지 소자; 및 상기 하판 모듈로서, 유리기판 상에 형성된 제1 전극(10'); 상기 제1 전극(10') 상에 형성된 버퍼층(20'); 상기 버퍼층 상에 형성되는 광활성층(30'); 및 상기 광활성층 상에 형성되는 제2 전극(40')을 포함하는 제2 유기태양전지 소자가 서로 마주보게 배치된 합착형 모듈 구조의 유기태양전지 소자일 수 있다.
상기 합착형 모듈 구조의 유기태양전지 소자는 봉지 기판을 별도로 사용할 필요 없이 상기 상판/하판 모듈을 서로 마주보게 배치하여 용이하게 제조할 수 있고, 1종 이상의 광활성층이 구비되기에 서로 다른 파장대의 태양광을 흡수하도록 고안함으로써 유기태양전지의 효율을 보다 개선시킬 수 있다.
상기 상판/하판 모듈에서 기판, 전극, 버퍼층, 광활성층 등은 상기 언급한 유기태양전지 소자의 구성성분을 포함할 수 있고, 상기 상/하판 모듈은 서로 동일하거나 또는 상이한 구성성분을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 상판/하판 모듈에서 제1 전극(10, 10') 및 제2 전극(40, 40')은 투명 전극일 수 있다.
바람직하게는, 상기 상판/하판 모듈에서 광활성층(30, 30')은 광흡수 파장대가 서로 상이한 전자수용체와 정공수용체로 구성되어 유기태양전지의 효율을 보다 개선시킬 수 있다.
상기 상/하판 모듈에서 상기 버퍼층은 n-타입 금속산화물층 및 자기조립박막층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 상/하판 모듈에서 광활성층(30, 30')은 p-타입 금속산화물층을 더 포함할 수 있다.
상기 상판/하판 모듈은 서로 마주보게 배치되어 접촉 하거나 또는 접촉 없이 합착될 수도 있고, 상기 상판/하판 모듈 사이에 접착층을 구비하여 합착될 수 있다(도 8).
상기 접착층은 접착성이 있는 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 바람직하게는 투명성을 가진 물질일 수 있다.
상기 합착형 모듈 구조의 유기태양전지 소자는 봉지재로 밀봉될 수 있다. 상기 봉지재는 통상적으로 유기태양전지 소자에 적용 가능한 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다.
본 발명은 상기 유기태양전지 소자의 제조 방법을 제공한다.
상기 제조 방법은 제1 전극(10)을 형성하는 단계, 버퍼층(20)을 형성하는 단계, 광활성층(30)을 형성하는 단계 및 제2 전극(40)을 형성하는 단계 등을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(10)을 형성하는 단계는 상기 제 1전극 물질을 진공증착 등으로 기판 상에 제1 전극(10)을 형성할 수 있다.
상기 버퍼층(20)을 형성하는 단계는 상기 제1 전극(10) 상에 버퍼층을 형성할 수 있다. 상기 버퍼층(20)을 형성하는 단계는 n-타입 금속산화물층(21)을 형성하는 단계 및 상기 금속산화물층(21) 상에 자기조립박막층(Self Assembled Monolayer, SAM, 22)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 n-타입 금속산화물층을 형성하는 단계는 상기 제1 전극(10) 상에 n-타입 금속산화물 전구체를 코팅하여 열처리할 수 있다.
상기 금속산화물 전구체는 용액공정으로 코팅될 수 있고, 구체적으로, 스핀코팅, 딥코팅, 잉크젯프린팅, 스프레이코팅, 스크린인쇄, 드롭캐스팅, 도장법 또는 닥터블레이드 등에 의해서 코팅될 수 있다.
상기 코팅된 금속산화물 전구체 코팅층은 열처리 하여 금속산화물층으로 형성될 수 있다. 상기 금속의 종류에 따라 산화물을 형성하는 온도, 시간 및 열처리 분위기를 선택할 수 있다. 예를 들어, TiOx층을 400 내지 500 ℃에서 1 시간 내지 2 시간 동안 질소 분위기에서 열처리하여 티타늄디옥사이드(TiO2)층을 형성할 수 있으며, 이에 제한하는 것은 아니다.
상기 자기조립박막층(Self Assembled Monolayer, SAM, 22)을 형성하는 단계는 상기 금속산화물층 상에 자기조립박막 물질을 스핀 코팅, 딥코팅, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 드롭 캐스팅, 도장법 또는 닥터 블레이드 등에 의해서 형성할 수 있다.
상기 광활성층(30)을 형성하는 단계는 상기 버퍼층(20) 상에 진공증착 등에 의해서 광활성층(30)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 광활성층(30) 상에 진공증착 등에 의해서 p-타입 금속산화물층(31)을 더 형성할 수 있다.
상기 제2 전극(40)을 형성하는 단계는 상기 광활성층(30) 또는 p-타입 금속산화물층(31) 상에 진공증착 등으로 제2 전극(40)을 형성할 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
유기태양전지 소자의 구조:
ITO/OTS로 표면처리된 TiO2/P3HT:PCBM/WO3/Ag
티타늄 이소프록사이드(Titanium(IV) isopropoxide, 2.4g, 8.44mmol)를 천천히 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol, 12.5ml) 에 가한 후 혼합용액을 1시간 환류시키고, 에탄올아민(ethanolamine, 1.27g, 20.7mmol)을 안정화제로서 역시 천천히 상기 혼합 용액에 가해 주고 1시간 환류(reflux)시키면 TiOx 전구체 용액(precursor solution, 오렌지색)이 얻어진다. 이 용액을 사용하여 TiOx층을 약 25nm 두께로 유리기판/ITO전극 상에 스핀코팅하였다. SAM 물질은 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane, OTS)을 0.05%농도로 톨루엔(toluene)용매로 희석하여 450 ℃로 1시간 질소분위기에서 결정화시킨 TiO2(졸-겔(sol-gel) 코팅 후의 TiOx에서 본 열처리공정에 의해 TiO2가 형성되었을 것으로 판단됨) 위에 1000rpm으로 스핀코팅(spin-coating)하고 수차례 톨루엔으로 스핀 세척 후 80 ℃로 30분 건조시켰다. 광흡수층으로는 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT]과 페닐-C61-뷰티릭엑시드 메틸에스터[[6,6]phenyl-C61-butyricacidmethylester, PCBM]을 클로로벤젠에 4wt% 로 각각 녹인 용액을 중량비 1:0.6로 섞어 제조한 220nm 두께로 스핀코팅에 의해 표면처리된 TiO2 상에 형성시켰다. 이후의 p-타입WO3 산화물(10nm), Ag전극 (150nm)은 진공증착으로 형성시켰다. 상기 제조된 유기태양전지 소자는 도 3에 제시하였다.
상기에서 제조된 유기태양전지의 효율을 평가하기 위해서 AM 1.5G 필터를 사용하여 빛의 스펙트럼을 조절하였고, 샘플에 도달하는 광원은 1 sun 조건, 즉 100 mW/cm2으로 조절하였다. 본 발명에서 제작한 유기태양전지 소자의 효율은 2.19%이다.
실시예 2
유기태양전지 소자의 구조:
ITO/MPS로 표면처리된 TiO2/P3HT:PCBM/WO3/Ag
SAM 물질을 3-메타크릴록시프로필트리메톡시실란(3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane, MPS)으로 사용하고, 이외 실험 방법은 실시예 1과 동일하게 진행하였다. 실시예 1과 같이 TiOx층을 약 25nm 두께로 스핀코팅하였다. SAM 물질은 3-메타크릴록시프로필트리메톡시실란(3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane, MPS)을 0.05%농도로 메탄올/물(methanol/water) 혼합 용매로 희석하여 450℃로 1시간 결정화시킨 TiO2 위에 1000rpm으로 스핀 코팅하고 용매로 스핀 세척 후 80℃로 30분 건조시켰다. 광흡수층으로는 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT]과 페닐-C61-뷰티릭엑시드 메틸에스터[[6,6]phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM]을 클로로벤젠에 4wt% 로 각각 녹인 용액을 중량비 1:0.6로 섞어 제조한 220nm 두께로 스핀코팅에 의해 표면처리된 TiO2 상에 형성시켰다. 이후의 p-타입WO3 산화물(10nm), Ag전극(150nm)은 진공 증착에 의해 형성시켰다. 상기 제조된 유기태양전지 소자는 도 4에 제시하였다.
상기에서 제조된 유기태양전지의 효율을 평가하기 위해서 AM 1.5G 필터를 사용하여 빛의 스펙트럼을 조절하였고, 샘플에 도달하는 광원은 1 sun 조건, 즉 100 mW/cm2으로 조절하였다. 본 발명에서 제작한 유기태양전지 소자의 효율은 2.69%이다.
비교예 1
일반적으로 많이 알려져 있는 인버티드 셀(inverted cell)형태의 유기태양전지 소자 구조인 ITO/TiOx/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Ag를 제작하였다. 상기 TiOx 전구체(precursor)를 250℃로 열처리된 것이며, 이외 구성은 통상적으로 알려진 방법으로 형성하였다. 상기 제조된 유기태양전지 소자는 도 5에 제시하였다.
상기에서 제조된 유기태양전지의 효율을 평가하기 위해서 AM 1.5G 필터를 사용하여 빛의 스펙트럼을 조절하였고, 샘플에 도달하는 광원은 1 sun 조건, 즉 100 mW/cm2으로 조절하였다. 본 발명에서 제작한 유기태양전지 소자의 효율은 1.4%이다.
상기 실시예 및 비교예의 결과에 따라, 본 발명은 광활성층과 전극 간의 계면 특성을 조절하여 전자와 정공의 수집과 수송을 보다 원활하게 유도하고, 고효율의 유기태양전지 소자를 제공할 수 있다.
10, 10': 제1 전극 20, 20': 버퍼층
21 : n-타입 금속산화물층 22: 자기조립박막층
30, 30': 광활성층 31: p-타입 금속산화물층
32 : 유기물 p-타입(PEDOT:PSS) 40, 40': 제 2 전극
50: 봉지재 60: 버스바

Claims (16)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되는 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성되는 광활성층; 및
    상기 광활성층 상에 형성되는 제2 전극을 구비한 유기태양전지 소자에 있어서,
    상기 버퍼층은 n-타입 금속산화물층을 포함하고,
    상기 n-타입 금속산화물층 및 상기 광활성층 사이에 자기조립박막층(Self Assembled Monolayer, SAM)이 형성되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기태양전지 소자에서 광활성층 및 제2 전극 사이에 p-타입 금속산화물층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 p-타입 금속산화물층은 텅스텐옥사이드(WO3), 니켈옥사이드(Nickel oxide), 몰리브데늄옥사이드(Molybdenum oxide, MoO2, MoO3), 세륨 도핑된 텅스텐옥사이드(CeWO3)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 안티몬 틴 옥사이드(antimony tin oxide: ATO), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tinoxide: FTO), 알루미늄 도핑된 산화아연(Al-doped Zinc Oxide: AZO) 및 산화아연(zinc oxide)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 n-타입 금속산화물층은 티타늄디옥사이드(Titanium dioxide), 징크 옥사이드(Zinc oxide) 및 알루미늄 도핑된 징크옥사이드(Al-doped Zinc Oxide)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자기조립박박층은 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropytriethoxysilane), 옥타데실트리클로로실란(Octadecyltrichlorosilane), 3-메타크릴록시프로필트리메톡시실란(3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane), 헥사메틸다이실라젠(Hexamethyldisilazane), 트리데카플루오로1,1,2,2-테트라히드로옥틸트리클로로실란(Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl-1-trichlorosilane))으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 유기태양전지 소자를 포함하는 제1 및 제 2 유기태양전지 소자가 서로 마주보게 배치되는 합착형 모듈 구조인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제 2 유기태양전지 소자의 광활성층은 동일 또는 상이한 전자수용체와 정공수용체를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 유기태양전지 소자는 봉지재로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 유기태양전지 소자 사이에 접착층이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자.
  11. 기판 상에 제 1전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 n-타입 금속산화물층을 형성하는 단계;
    상기 n-타입 금속산화물층 상에 자기조립박막층을 형성하는 단계; 및
    상기 자기조립박막층 상에 광활성층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광활성층 상에 p-타입 금속산화물층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 p-타입 금속산화물층은 진공증착으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 n-타입 금속산화물층을 형성하는 단계는 제1 전극 상에 n-타입 금속산화물 전구체를 코팅하고 열처리하여 n-타입 금속산화물층을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 n-타입 산화물 전구체는 스핀코팅, 딥코팅, 잉크젯프린팅, 스프레이코팅, 스크린인쇄, 드롭캐스팅, 도장법 또는 닥터블레이드에 의해서 코팅되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자의 제조 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 자기조립박막층은 스핀 코팅, 딥코팅, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 드롭 캐스팅, 도장법 또는 닥터 블레이드에 의해서 코팅되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 소자의 제조 방법.
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