KR101137983B1 - 고효율 유기태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자 수송층의 모폴로지(morphology) 향상을 통한 고효율 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 친전자성 기능을 가지는 수용성 고분자 전자 수송층에 계면활성제(surfactant)를 첨가하여, 모폴로지를 향상시켜 단락전류밀도(short circuit current density), 개방전압(open circuit voltage), 필팩터(fill factor)의 증가를 통한 고효율의 유기태양전지 및 그를 제조하는 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명은 유기 친전자성 기능기를 가지는 수용성 고분자가 도입된 전자 수송층에 계면활성제를 첨가시켜 광전변환층과 전자 수송층의 밀착성을 향상시키고, 전자 수송층 내부의 마이크로폼(microfoam)을 제거하는 역할을 하여 표면 모폴로지(surface morphology)를 향상시켜, 단락전류밀도(short circuit current density), 개방전압(open circuit voltage), 필팩터(fill factor)의 증가를 통한 고효율의 유기태양전지를 제공하는 것이 가능하다.

Description

고효율 유기태양전지 및 그 제조방법{Manufacturing method of high efficiency organic photovoltaic cells}
본 발명은 전자 수송층의 모폴로지(morphology) 향상을 통한 고효율 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 친전자성 기능을 가지는 수용성 고분자 전자 수송층에 계면활성제(surfactant)를 첨가하여 모폴로지를 향상시켜 단락전류밀도(short circuit current density), 개방전압(open circuit voltage), 필팩터(fill factor)의 증가를 통한 고효율의 유기태양전지 및 그를 제조하는 방법에 관한 것이다.
태양전지는 공해가 없다는 장점 때문에 지구환경 보존의 관점에서 재평가되고 있으며, 차세대 청정에너지원으로서의 연구가 활발히 이루어지고 있다.
현재까지 알려진 태양전지의 종류에는 단결정 또는 다결정 벌크 실리콘을 이용한 태양전지, 비정질, 미결정질 도는 다결정질 실리콘을 이용한 박막형 태양전지를 비롯하여 화합물 반도체 태양전지, 연료감응형 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등 매우 다양하다.
종래 상용화된 단결정 벌크(bulk) 실리콘을 이용한 태양전지는 높은 제조단가 및 설치비용 때문에 적극적인 활용이 이루지지 못하고 있다. 이러한 비용문제를 해결하기 위하여 유기물을 이용한 박막형 태양전지에 관한 연구가 진행 중에 있으며, 고효율 태양전지를 제조하기 위한 여러 가지 시도들이 제안되고 있다.
유기박막 태양전지 기술은 고분자 혹은 저분자 유기 반도체를 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 기술로, 유기물의 가장 큰 장점인 저렴한 비용과 제조공정의 용이성을 바탕으로 박막형 소자, 대면적 소자, 롤-투-롤(roll-to-roll) 방법 등에 의한 유연성(flexible) 소자 등 초저가, 다용도의 대량 생산 특정을 모두 갖춘 차세대 기술이다.
통상적으로, 유기태양전지는 전자공여체(electron donor)와 전자수여체(electron acceptor) 물질의 접합구조로 이루어져 있으며, 이러한 광전변환층에 빛이 입사되면 전자공여체에서 전자와 정공쌍이 여기되고 전자가 전자수용체로 이동함으로써 전자와 정공의 분리가 일어난다. 따라서, 빛에 의해 생성된 캐리어들은 전자-정공으로 분리되는 현상을 거쳐 외부회로로 이동함에 따라 전력을 생산하게 된다.
상기와 같은 이유로, 최근에는 값이 싸면서도 유연기판에 적용할 수 있는 벌크 헤테로정션 유기태양전지에 대한 관심이 좋아지고 있다. 미국공개특허 제2006-0011233호에는 전자공여체로서 폴리-3-헥실티오펜(poly(3-hexylthiophene); P3HT)과, 전자수용체로 [6,6]-페닐-C 61 -부틸산 메틸에스테르([6,6]-phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester; PCBM)을 사용하고, 스핀코팅법으로 광전변환층이 도입된 유기태양전지가 개시되어 있지만, 이들의 에너지 변환효율이 높지 않다는데 문제가 있었다.
이를 해결하고자 벌크 헤테로정션 구조의 유기태양전지에 정공 주입층, 정공수송층, 전자 주입층 및 전자 수송층 등 1개 이상의 층을 삽입하여 에너지 변환효율을 높이고자하는 연구가 진행되고 있다. 대표적으로 국내공개특허 제 10-2007-0108040호에서는 유기태양전지의 정공 수송층에 글리세롤이 포함된 G-PEDOT:PSS를 도입하여 벌크 헤테로정션 구조의 유기태양전지를 제작하였으나, 여전히 낮은 에너지 변환효율을 나타내었으며, K.Y Jen 그룹에서는 전자 수송층으로 하기 화학식 1의 구조를 갖는 poly[9,9-bis(6'-(diethanolamino)hexyl)-fluorene] (PFN-OH)를 사용하여 개방전압을 향상시켰지만, 박막의 모폴로지가 좋지 않아 에너지 변환효율의 증가는 보이지 못했다.
[화학식 1]
Figure 112010037096257-pat00001
poly[9,9-bis(6'-(diethanolamino)hexyl)-fluorene](PFN-OH)
따라서, 실제 유기태양전지의 상업화를 위해서는 더 높은 에너지 변환효율을 나타내는 소자의 개발이 필요하다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 주된 목적은 친전자성 기능기를 가지는 수용성 고분자에 의해 형성되는 전자 수송층의 표면 모폴로지(surface morphology)를 향상시켜, 단락전류밀도(short circuit current density), 개방전압(open circuit voltage), 필팩터(fill factor)의 증가를 통한 고효율의 유기태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 투명기판 위에 형성된 제1 전극, 정공 수송층, 광전변화층, 전자 수송층 및 제2 전극을 포함하는 유기태양전지에 있어서, 전자 수송층에 계면활성제(surfactant)를 첨가하여 상기 전자 수송층의 표면 모폴로지를 향상시킨 고효율 유기태양전지를 제공한다.
본 발명에서, 상기 전자 수송층에 첨가되는 계면활성제는 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올(2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol)인 것을 특징으로 하며, 상기 계면활성제는 2-에틸헥산올(2-ethylhexanol), 2-부톡시헥산올(2-butoxyethanol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), n-프로필 알코올(n-propyl alcohol), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol),프로필렌 글리콜(propylene glycol)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 용매에 용해하여 상기 전자 수송층에 대해 0.1내지 3 중량%로 첨가하는 것이 좋다.
본 발명은 또한, 전자 수송층에 계면활성제(surfactant)를 첨가하여 상기 전자 수송층의 표면 모폴로지를 향상시키는 것을 특징으로 하는 고효율 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 본 발명은 (1) 친전자성 기능기를 가지는 수용성 고분자를 용해하는 단계; (2) 상기 고분자 용액에 계면활성제를 첨가하는 단계; 및 (3) 상기 용액을 여과하여 박막을 형성하는 단계;를 포함하여 전자 수송층을 제조하는 것이 특징이며, 상기 친전자성 기능기를 가지는 수용성 고분자는 폴리[9,9-비스(6'-(디에탄올아미노)헥실)-플루오렌]이고, 상기 계면활성제는 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올(2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol)이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명은 유기 친전자성 기능기를 가지는 수용성 고분자가 도입된 전자 수송층에 계면활성제를 첨가시켜 광전변환층과 전자 수송층의 밀착성을 향상시키고, 전자 수송층 내부의 마이크로폼(microfoam)을 제거하는 역할을 하여 표면 모폴로지(surface morphology)를 향상시켜, 단락전류밀도(short circuit current density), 개방전압(open circuit voltage), 필팩터(fill factor)의 증가를 통한 고효율의 유기태양전지를 제공하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 전자 수송층을 적용한 유기태양전지는 에너지 변환효율이 우수하고, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅 등의 비교적 간단한 공정으로 박막을 형성할 수 있기 때문에 대면적, 고효율의 유기태양전지를 저렴한 가격으로 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유기태양전지의 구조이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 따른 유기태양전지의 전류밀도-전압(J-V) 특성 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 유기태양전지의 IPCE 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 광활성층의 AFM 사진이다(RMS 0.32 ㎚).
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 전자 수송층인 PFN-OH의 AFM 사진이다(RMS 0.556 ㎚).
도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 이소프로필알콜에 용해된 계면활성제를 첨가한의 전자 수송층의 AFM 사진이다(RMS 0.276 ㎚).
도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 에틸렌 글리콜에 용해된 계면활성제를 첨가한의 전자 수송층의 AFM 사진이다(RMS 0.156 ㎚).
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 유기태양전지의 개략적인 구조로, 도시된 바와 같이, 하부로부터 기판(110), 제1 전극(120), 정공 수송층(130), 광전변환층(140), 전자 수송층(150) 및 제2 전극(160)이 적층된 구조를 갖는다.
본 발명에서, 소자 제작에 사용되는 상기 기판(110)은 유리 및 석영판 이외에도 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polyperopylene), PI(polyimide), PC(polycarbornate), PS(polystylene), POM(polyoxyethlene), AS 수지(acrylonitrile styrene copolymer), ABS 수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 및 TAC(Triacetyl cellulose) 등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질로 제조될 수 있다.
본 발명의 제1 전극(120)은 스퍼터링, E-Beam, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 투명전극 물질을 상기 기판의 일면에 도포되거나 필름형태로 코팅됨으로써 형성된다. 제1 전극(120)은 애노드의 기능을 하는 부분으로써, 후술하는 제2 전극(160)에 비해 일함수가 큰 물질로 투명성 및 도전성을 갖는 임의의 물질이 사용될 수 있다. 예를 들면, ITO(indium tin oxide), 금, 은, 플로린이 도핑된 틴 옥사이드(fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(aluminium doped zink oxide, AZO), IZO(indium zink oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 ATO(antimony tin oxide) 등이 있으며, 바람직하게는 ITO를 사용하는 것이 좋다.
패터닝된 ITO 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로판올(IPA)로 순차적으로 세정한 다음 수분제거를 위해 가열판에서 100~150℃로 1~30분간, 바람직하게는 120℃에서 10분간 건조하고, 기판이 완전히 세정되면 기판 표면을 친수성으로 개질한다.
상기와 같은 표면 개질을 통해 접합표면전위를 정공주입층의 표면 전위에 적합한 수준으로 유지할 수 있으며, 개실 시 ITO 기판위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상된다. 이를 위한 전처리 기술로는 a) 평행평판형 방전을 이용한 표면 산화법, b) 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 및 c) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 산화하는 방법 등이 있으며, 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한가지를 선택하게 되는데 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 기판 표면의 산소이탈을 방지하고 수분 및 유기물의 잔류를 최대한 억제해야 전처리의 실질적인 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용하였으며, 초음파 세정 후 패턴된 ITO 기판을 가열판(hot plate)에서 베이킹(baking)하여 잘 건조시킨 다음 챔버에 투입하고 UV 램프를 작용시켜 산소 가스가 UV광과 반응하여 발생하는 오존에 의해 패턴된 ITO 기판을 세정하게 된다.
그러나, 본 발명에 있어서의 패턴된 ITO 기판의 표면개질방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무방하다.
상기 전처리된 제1 전극(120)의 상부에는 정공 수송층(130)이 스핀코팅 또는 딥코팅 등의 방법을 통해 도입되는데, 본 발명에서는 전도성 고분자 용액으로서 폴리리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)[PEDOT:PSS]를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 광전변환층(140)은, 폴리[N-9'-헵타데카닐-2,7-카바졸-알트-5,5-(4',7'-디-2-티에닐-2',1',3'-벤조티아디아졸)][PCDTBT] 등 로우 밴드갭(low band gap) 고분자 또는 C-T 타입 고분자 및 그의 유도체를 전자공여체로 하고, [6,6]-페닐-C 61 -부틸산 메틸에스테르(PCBM(C 60 )) 및 [6,6]-페닐-C 71 -부틸산 메틸에스테르(PC 71 BM)를 전자수용체로 하며, 그 비율은 1 : 2 ~ 1 : 6, 바람직하게는 1 : 3 ~ 1 : 5의 중량비로 배합되어 있는 광전변환물질을 사용할 수 있다.
상기와 같은 광전변환물질들은 유기용매에 용해시키는데, 바람직하게는 2가지 이상의 끓는점이 다른 유기용매에 용해시킨 용액을 스핀코팅 등의 방법으로 10 내지 150nm, 바람직하게는 60 내지 120nm 두께로 광전변환층을 도입한다. 이때, 광전변환층은 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이드, 브러쉬 페인팅 등의 방법을 응용할 수 있다.
또한, 상기 전자수용체는 PCBM(C 60 )을 포함하여, C 70 , C 76 , C 78 , C 80 , C 82 , C 84 등의 다른 플러렌 유도체를 사용할 수도 있으며, 코팅된 박막은 80 내지 160℃, 바람직하게는 90 내지 140℃에서 어닐링 하여 전도성 고분자의 결정성을 높여주는 것이 좋다.
본 발명의 전자 수송층(150)은 전자 수송층의 모폴로지를 향상시키기 위해 계면활성제(surfactant)를 첨가하여 제조한다.
이때, 상기 전자 수송층은 친전자성 기능을 가지는 수용성 고분자를 물, 에탄올 또는 이들의 혼합용매에 용해하고, 상기 고분자 용액에 계면활성제를 첨가한 후 여과하여 박막을 형성하는 단계를 포함하여 제조할 수 있다.
본 발명에서 상기 친전자성 기능기를 가지는 수용성 고분자로는 폴리[9,9-비스(6'-디에탄올아미노)헥실)-플루오렌]이 바람직하며, 상기 계면활성제는 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올인 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 상기 계면활성제를 2-에틸헥산올 (2-ethylhexanol), 2-부톡시헥산올(2-butoxyethanol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), n-프로필 알코올(n-propyl alcohol), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 용매에 50 내지 75중량%로 용해하여, 상기 수용성 고분자가 물, 에탄올 또는 이들의 혼합물에 0.1 내지 1중량%로 용해된 용액에 1 내지 3중량%를 첨가하여 혼합한 후 스핀 코팅 등의 방법으로 2 내지 20nm 코팅하여 열처리하는 것이 좋다.
가장 바람직하게는, 폴리[9,9-비스(6'-(디에탄올아미노)헥실)-플루오렌][PFN-OH]을 에탄올 0.1 내지 0.5중량%로 용해시킨 용액에 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올이 에틸렌 글리콜에 50중량% 용해된 용액을 1 내지 3중량% 첨가하여 혼합한 후 스핀코팅의 방법으로 5 내지 15nm 두께로 코팅하여 70 내지 90℃에서 10 내지 30분간 열처리하는 것이 좋다.
또한, 상기 전자 수송층은 스핀코팅의 방법 외에도 딥코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이드, 브러쉬 페인팅 등의 방법을 응용할 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 계면활성제가 첨가된 전자 수송층(150)은 표면 모폴로지(surface morphology)가 향상되어 단락전류밀도(short circuit current density), 개방전압(open circuit voltage) 및 필팩터(fill factor)가 증가하여 에너지변환효율에 좋다.
본 발명의 제2 전극(160)은 전자 수송층(150)이 도입된 상태에서 5ㅧ 10-7 torr 이하의 진공도를 보이는 열증착기 내부에서 증착된다. 이때 사용가능한 전극재료로는 불화리튬/알루미늄, 불화리튬/칼슘/알루미늄, 칼슘/알루미늄, 불화바륨/알루미늄, 불화바륨/바륨/알루미늄, 바륨/알루미늄, 알루미늄, 금, 은, 마스네슘:은, 또는 리튬:알루미늄 중에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 불화바륨/바륨/알루미늄 구조로 제작된 전극을 사용하는 것이 좋다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1. 패턴된 ITO 기판 세정
패턴된 ITO glass(면저항: ~15 Ω/sq2, 삼성 코닝, 한국) 기판의 표면을 세정하기 위하여, 세정제(Alconox, Aldtrich, 미국), 아세톤, 및 이소프로판올(IPA)을 사용해 순차적으로 각각 20분씩 초음파 세정을 실시한 후, 질소로 물기를 완전히 불어낸 다음 가열판에서 120℃로 10분간 건조해 수분을 완전히 제거하였다.
패턴된 ITO 기판의 세정이 완료되면, UVO 세정기(UVO cleaner, Ahtech LTS, 한국)에서 10분 동안 표면을 친수성으로 개질하였다.
실시예 2. 전자 수송층의 제조(1)
전자 수송층의 모폴로지를 향상시키기 위해 계면활성제인 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올이 이소프로필 알콜에 50중량% 용해된 용액(Sufynol 104 PA, Air Products, 미국)을 폴리[9,9-비스(6'-(디에탄올아미노)헥실)-플루오렌][PFN-OH]을 에탄올에 0.2중량% 용해시킨 용액에 2중량%를 첨가하여 24시간동안 교반한 후 스핀코팅 등의 방법으로 10 ㎚ 두께로 도입한 후, 80℃에서 20분간 열처리하였다.
실시예 3. 전자 수송층의 제조(2)
전자 수송층의 모폴로지를 향상시키기 위해 계면활성제인 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올이 에틸렌 글리콜에 50중량% 용해된 용액(Sufynol 104 E, Air Products, 미국)을 폴리[9,9-비스(6'-(디에탄올아미노)헥실)-플루오렌][PFN-OH]을 에탄올에 0.2중량% 용해시킨 용액에 2중량%를 첨가하여 24시간동안 교반한 후 스핀코팅 등의 방법으로 10 ㎚ 두께로 도입한 후, 80℃에서 20분간 열처리하였다.
실시예 4. 유기태양전지의 제조(1)
폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)[PEDOT:PSS]를 상기 실시예 1에서 제조한 패터닝된 ITO 위에 40 ㎚ 두께로 스핀 코팅한 후, 핫플레이트에서 120℃에서 20분간 열처리하여 잔류용매를 제거하고 버퍼층을 완성하였다.
폴리[N-9'-헵타데카닐-2,7-카바졸-알트-5,5-(4',7'-디-2-티에닐-2',1',3'-벤조티아디아졸)][PCDTBT]와 PCBM(70)을 1 : 4의 중량비로 혼합한 광전변환층 재료를 오쏘-디클로로벤젠 용매에 0.5중량%의 농도로 용해시키고, 상기의 버퍼층이 도입된 ITO 기판에 스핀코팅한 다음 120℃에서 10분간 열처리하여 100 ㎚ 두께의 광전변환층을 도입하였다.
전자 수송층으로, 폴리[9,9-비스(6'-(디에탄올아미노)헥실)-플루오렌][PFN-OH]을 에탄올에 0.2중량% 용해시킨 용액을 10nm 두께로 스핀코팅한 후, 80℃에서 20분간 열처리하였다.
이어서 5× 10-7 torr 이하의 진공도를 보이는 열증착기 내부에서 불화바륨(BaF2)을 0.1Å/s의 속도로 2 ㎚, 바륨(Ba)을 0.2Å/s의 속도로 2 ㎚ 및 알루미늄(Al)을 5Å/s의 속도로 100 ㎚ 증착하여 유기태양전지를 제조하였다.
이렇게 제조된 소자는 수분과 산소에 의한 분해를 방지하기 위하여 수분 및 산소 흡습제를 봉지유리 안쪽면에 도입한 후, 자외선 경화제를 이용하여 밀봉하였다.
실시예 5. 유기태양전지의 제조(2)
실시예 4와 동일한 방법 및 조건으로 유기태양전지를 제조하되, 전자 수송층은 상기 실시예 2의 방법으로 제조하였다.
실시예 6. 유기태양전지의 제조(3)
상기 실시예 4와 동일한 방법 및 조건으로 유기태양전지를 제조하되, 전자 수송층은 상기 실시예 3의 방법으로 제조하였다.
비교예 1. 유기태양전지의 제조(4)
상기 실시예 4와 동일한 방법 및 조건으로 유기태양전지를 제조하되, 전자 수송층을 도입하지 않고 제조하였다.
비교예 2. 유기태양전지의 제조(5)
상기 비교예 1과 동일한 방법 및 조건으로 유기태양전지를 제조하되, BaF2와 Ba을 도입하지 않고 제조하였다.
실험예 1. 유기태양전지의 특성 평가
상기 실시예 4~6 및 비교예 1~2에서 제조한 유기태양전지의 전기광학적 특성을 측정하기 위하여, 키슬리 2400 소스미터와 태양광 모의실험장치(Oriel 150W solar simulator)를 사용해 표준조건(Air Mass 1.5 Global, 100 ㎽/㎠, 25℃)에서 전류-전압밀도를 측정하였다.
상기 유기태양전지들의 광단락전류밀도(Jsc), 광개방전압(Voc), 필팩터(Fill Factor;FF) 및 에너지변환효율은 하기 표 1에 나타내었다.
이때, Fill Factor(FF)는 최대 전력점에서 전압값(Vmax)ㅧ 전류밀도(Jmax)/(Vocㅧ Jsc), 에너지변환효율은 FFㅧ (Jscㅧ Voc)/Pin, Pin=100[㎽/㎠]으로 계산하였다.
광단락전류밀도
Jsc(㎃/㎠)		 광개방전압
Voc(V)		 Fill Factor(필팩턱)
(%)		 에너지변환효율
(%)
실시예 4 8.6 0.8990 42.1 3.2
실시예 5 8.8 0.9394 43.7 3.6
실시예 6 9.9 0.9596 44.5 4.2
비교예 1 8.0 0.9394 39.7 3.0
비교예 2 8.7 0.8182 35.4 2.5
또한, 도 2는 상기 유기태양전지들의 전류밀도-전압(J-V) 특성 그래프이고, 도 3는 입사광자의 전류변환효율(incident photon-to-current conversion efficiency; IPCE) 그래프이며, 도 4은 상기에서 제조한 전자 수송층의 AFM 사진이다.
상기 표 1과 도 2 및 도 3에서도 알 수 있듯이, 비교예에서의 광전변환효율은 각각 비교예 1이 3.0%, 비교예 2가 2.5%인 것에 비해, 실시예 6에서는 4.2%로 최고 68%의 증가를 보였다.
광전변환층에 알루미늄 전극만을 도입한 비교예 2의 경우, 전자 주입층 및 전자 수송층의 부재로 가장 낮은 광개방전압과 필팩터를 나타내 2.5%의 낮은 에너지변환효율을 보였다. 하지만, 전자 주입층인 Ba과 전자 수송층인 BaF2를 도입한 비교예 1의 경우, 광개방전압과 필팩터가 증가하면서 3.0%의 증가된 에너지 변환효율을 보였다.
전자 수송층으로, PFN-OH를 도입한 실시예 4의 경우, 비교예 1에서 보다 광 단락전류밀도와 필팩터가 증가하면서, 3.2%의 증가된 에너지 변환효율을 보였다. PFN-OH 층을 도입하여 전자의 수송능력의 증대로 인한 에너지 변환효율의 증대를 기대했지만, 광개방전압의 감소로, 소폭의 증가만이 관찰되었다. 그 이유는 도 4a 및 b의 모폴로지 관찰을 통해 해석할 수 있다. 광활성층인 PCDTBT 박막의 표면거칠기(root mean square, RMS)는 0.32nm 이지만, PCDTBT/PFN-OH 박막의 RMS는 0.556nm로 증가한 것을 알 수 있다. 통상적으로, 표면 거칠기의 증가는 캐소드와 접촉면적의 증가로 인한 단락전류밀도의 증가를 보이지만, 광개방전압 및 필팩터의 감소를 야기한다. 따라서, 실시예 4는 친전자성 기능기인 PFN-OH에 의해 단락전류밀도의 증가를 보였지만, 나빠진 표면 거칠기로 인해 크게 개선된 에너지 변환효율을 보이지 못했다.
따라서, 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올이 이소프로필 알콜에 용해된 계면활성제를 PFN-OH에 도입하여 표면 거칠기를 개선하였다. 실시예 5에서의 RMS는 도 4c에서 알 수 있듯이, 0.276nm로 PCDTBT의 RMS보다 낮아졌으며, 광단락전류밀도, 광개방전압 및 필팩터가 모두 증가하여 3.6%의 에너지 변환효율을 보였다.
2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올이 에틸렌 글리콜에 용해된 계면활성제를 PFN-OH에 도입한 실시예 6은 도 4d에서 알 수 있듯이 RMS가 0.156nm로 매우 좋아진 것을 확인할 수 있었다. 광단락전류밀도는 9.9mA/cm2, 광개방전압은 0.9596V, 필팩터는 44.5%로 에너지 변환효율은 4.2%보여 전자 수송층 및 전자 주입층을 적용하지 않은 비교예 2보다 68%의 효율 증가를 보였다.
이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 투명기판 위에 형성된 제1 전극, 정공 수송층, 광전변환층, 전자 수송층 및 제2 전극을 포함하는 태양전지에 있어서,
    전자 수송층에 계면활성제(surfactant)를 첨가하여 상기 전자 수송층의 표면 모폴로지(morphology)를 향상시키되,
    상기 계면활성제는 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올 (2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol)인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 계면활성제는 2-에틸헥산올(2-ethylhexanol), 2-부톡시헥산올(2-butoxyethanol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), n-프로필 알코올(n-propyl alcohol), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 용매에 용해하여 전자 수송층에 대해 0.1 내지 3중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  4. 기판 상에 제1 전극, 정공 수송층, 광전변환층, 전자 수송층, 제2 전극을 순차적으로 적층하여 제조하는 유기태양전지 제조방법에 있어서,
    상기 전자 수송층은,
    (1) 친전자성 기능기를 가지는 수용성 고분자를 물, 에탄올 또는 이들의 혼합용매에 용해하는 단계;
    (2) 상기 고분자 용액에 계면활성제(surfactant)로서 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올 (2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol)을 첨가하는 단계; 및
    (3) 상기 용액을 여과하여 박막을 형성하는 단계;를 포함하여 상기 전자 수송층의 표면 모폴로지(morphology)를 향상시키는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 계면활성제는 2-에틸헥산올(2-ethylhexanol), 2-부톡시헥산올(2-butoxyethanol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), n-프로필 알코올(n-propyl alcohol), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 용매에 용해하여 전자 수송층에 대해 0.1 내지 3중량%로 첨가하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 친전자성 기능기를 가지는 수용성 고분자는 폴리[9,9-비스(6'-(디에탄올아미노)헥실)-플루오렌][PFN-OH]인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 박막은 상기 계면활성제가 첨가된 고분자 용액을 2 내지 20 ㎚의 두께로 코팅 후 70 내지 90℃로 열처리하여 형성하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.
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