KR101144886B1 - 비금속 나노입자를 포함하는 유기태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

비금속 나노입자를 포함하는 유기태양전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비금속 나노입자를 포함하는 유기태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 유기태양전지는 i) 기판, ii) 기판 위에 위치하는 제1 유기물층, 및 iii) 제1 유기물층과 접하고, 기지층 및 기지층으로 둘러싸인 복수의 비금속 나노입자들을 포함하는 제2 유기물층을 포함한다. 복수의 비금속 나노입자들은 제2 유기물층으로 입사되는 광을 산란시켜서 기지층에 포함된 광여기체들을 여기시키도록 적용된다.
유기태양전지, 비금속 나노입자, 유기물층, 광산란

Description

비금속 나노입자를 포함하는 유기태양전지 및 그 제조 방법 {ORGANIC SOLAR CELL COMPRISING NON-METALLIC NANO PARTICLES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 유기태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 비금속 나노입자를 포함하는 유기태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어 자원 고갈 및 자원 가격 상승으로 인해 청정 에너지의 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 청정 에너지로는 태양 에너지, 풍력 에너지, 조력 에너지 등을 그 예로 들 수 있다. 특히, 태양 에너지를 효율적으로 이용하기 위해 태양전지의 연구 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
태양전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 태양전지에 태양광을 비추면 태양전지의 내부에서 전자 및 정공이 생성된다. 생성된 전자 및 정공가 이동하면서 전위차가 발생하여 전류가 흐른다.
비금속 나노입자를 이용해 광을 산란시켜 자유전자 및 정공의 광흡수율을 높인 태양전지를 제공하고자 한다. 또한, 전술한 태양전지의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지는 i) 기판, ii) 기판 위에 위치하는 제1 유기물층, 및 iii) 제1 유기물층과 접하고, 기지층 및 기지층으로 둘러싸인 복수의 비금속 나노입자들을 포함하는 제2 유기물층을 포함한다. 복수의 비금속 나노입자들은 제2 유기물층으로 입사되는 광을 산란시켜서 기지층에 포함된 광여기체들을 여기시키도록 적용된다.
제2 유기물층의 두께는 제1 유기물층의 두께보다 작을 수 있다. 제2 유기물층의 두께는 10nm 내지 40nm일 수 있다. 복수의 비금속 나노입자들 중 하나 이상의 비금속 나노입자와 기지층과의 광굴절률차는 0 보다 크고 0.5 이하일 수 있다. 비금속 나노입자의 광굴절률은 1.8 내지 2.4일 수 있다. 복수의 비금속 나노입자들 중 하나 이상의 비금속 나노입자의 에너지 밴드갭은 -7.6eV 내지 -4.4eV일 수 있다. 비금속 나노입자는 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재로 이루어질 수 있다.
제2 유기물층은 전자주개물질층으로 작용하고, 전자주개물질층은 PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)을 포함할 수 있다. 제1 유기물층 및 제2 유기물층이 상호 접하여 형성된 경계면은 기판의 판면에 실질적으로 평행한 방 향으로 뻗을 수 있다. 제1 유기물층 및 제2 유기물층이 상호 접하여 형성된 복수의 경계면들을 포함하고, 복수의 경계면들 중 둘 이상의 경계면은 기판의 판면과 교차하는 방향으로 뻗을 수 있다. 복수의 경계면들은 둘 이상의 경계면들을 상호 연결하는 또다른 둘 이상의 경계면들을 포함하고, 또다른 둘 이상의 경계면들은 기판의 판면과 실질적으로 평행인 방향으로 뻗을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은, i) 기판을 제공하는 단계, ii) 상기 기판 위에 제1 유기물층을 제공하는 단계, 및 iii) 상기 제1 유기물층과 접하고, 비금속 나노입자가 포함된 제2 유기물층을 제공하는 단계를 포함한다.
제2 유기물층을 제공하는 단계에서 제2 유기물층은 제1 유기물층 위에 스핀 코팅될 수 있다. 제2 유기물층은 페이스트 형태로 제공될 수 있다. 제2 유기물층을 제공하는 단계에서, 제2 유기물층은 기판의 판면과 실질적으로 평행한 방향으로 제1 유기물층과 접하도록 제공될 수 있다. 제1 유기물층을 제공하는 단계에서, 제1 유기물층은 기판 위에 나노 임프린트(nano imprint)될 수 있다. 제2 유기물층을 제공하는 단계에서, 제2 유기물층은 기판의 판면과 교차하는 방향으로 제1 유기물층과 접하도록 제공될 수 있다.
비금속 나노입자를 이용하여 광을 산란시킴으로써 전자주개물질의 광여기율을 높일 수 있다. 그 결과, 광전변환효율이 우수한 태양전지를 제조할 수 있다. 그리고 유기물층에 포함된 비금속 나노입자를 이용하여 태양전지에 입사되는 광을 산란시킴으로써 유기물층에 포함된 자유전자 또는 정공이 좀더 쉽게 광을 흡수하여 여기될 수 있다. 따라서 유기물층의 두께를 좀더 얇게 감소시킬 수 있다.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명을 단지 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 인용부호를 사용하여 나타낸다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
단면도를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또 는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 예를 들면, 편평하다고 도시되거나 설명된 영역은 일반적으로 거칠거나 거칠고 비선형인 특성을 가질 수 있다. 또한, 날카로운 각도를 가지는 것으로 도시된 부분은 라운드질 수 있다. 따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것이 아니다.
명세서에 기재된 "나노"라는 용어는 나노 스케일을 의미하며, 마이크로 단위를 포함할 수도 있다. 또한, 명세서에 기재된 "나노 입자"라는 용어는 나노 스케일을 가진 모든 형태의 입자를 포함한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유기태양전지(100)의 개략적인 단면 구조를 나타낸다. 도 1의 유기태양전지(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 유기태양전지(100)의 구조를 다른 형태로 변형할 수도 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 유기태양전지(100)는 기판(10), 제1 유기물층(20), 제2 유기물층(30) 및 반사 방지막(40)을 포함한다. 유기태양전지(100)(도 1에 도시)의 광흡수율이 좋지 않은 경우, 유기태양전지(100)에 흡수되는 광량이 적으므로 유기태양전지(100)의 광전변환효율이 나쁘다. 따라서 반사 방지막(40)이 유기태양전지(100)에 입사된 광이 유기태양전지(100)에 흡수되지 못하고 외부로 반사되는 것을 방지하므로, 반사 방지막(40)을 사용하여 유기태양전지(100)의 광전변 환효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 반사 방지막(40)은 생략할 수 있다. 이외에, 유기태양전지(100)는 광전 변환에 필요한 다른 소자들을 포함할 수 있다. 이러한 소자들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로 그 상세한 설명을 생략한다.
기판(10)은 실리콘 웨이퍼로 제조될 수 있다. 여기서, 실리콘 웨이퍼는 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘을 모두 사용할 수 있다. 또한, 기판(10)으로서 실리콘 웨이퍼의 소재 가격보다 저가인 유리 또는 플라스틱 등을 사용할 수도 있다.
제1 유기물층(20)은 기판(10) 위에 위치한다. 제1 유기물층(20)은 폴리티오펜계 화합물, 예를 들면 폴리 3-헥실티오펜(poly(3-hexylthiophene), P3HT)을 포함할 수 있다. 제1 유기물층(20)은 전자주개물질층 또는 전자받개물질층으로서 기능할 수 있다. 제1 유기물층(20)이 전자받개물질층으로 기능하는 경우, 제1 유기물층(20)은 광에 의해 제2 유기물층(30)에서 생성된 엑시톤을 받아들여서 전력을 발생시킨다. 즉, 제2 유기물층(30)은 태양전지(100) 내부에서 빛에너지를 전기에너지로 변환시킨다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제2 유기물층(30)과 제1 유기물층(20)은 상호 접하여 경계면(25)을 형성한다. 경계면(25)은 기판(10)의 판면(101)에 실질적으로 평행한 방향, 즉 x축 방향을 따라 뻗어 있다. 전술한 구조로 인하여 제2 유기물층(30)으로부터 발생한 엑시톤이 제1 유기물층(20)에 효율적으로 이송될 수 있으므로, 태양전지(100)의 광전변환효율을 높일 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제2 유기물층(30)은 기지층(301) 및 비금속 나노입자들(303)을 포함한다. 비금속 나노입자들(303)은 기지층(301)으로 둘러싸인다.
제2 유기물층(30)은 전자주개물질층 또는 전자받개물질층으로 기능할 수 있다. 제2 유기물층(30)이 전자주개물질층으로 기능하는 경우, 제2 유기물층(30)은 입사된 광에 의해 여기되어 엑시톤을 방출한다. 제2 유기물층(30)은 플러렌계 화합물, 예를 들면 PCBM(fullerene derivative[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)을 포함할 수 있다. 이하에서는 제2 유기물층(30)이 엑시톤을 방출하는 과정을 좀더 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1의 II 부분을 확대하여 개략적으로 나타낸다. 도 2에 도시한 바와 같이, 반사 방지막(40)의 하부로부터 광이 입사된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 비금속 나노입자들(303)은 제2 유기물층(30)으로 입사된 광을 흡수하지 않고 산란시킨다. 따라서 비금속 나노입자들(303)에 의해 굴절된 광은 기지층(301)에 포함된 광여기체들(3011)을 여기시켜 광여기체들(3011)로부터 엑시톤을 방출시킨다.
비금속 나노입자들(303)의 광굴절률(n1)은 1.8 내지 2.4이다. 비금속 나노입자들(303)의 광굴절률(n1)이 1.8 미만인 경우, 광은 굴절되지 않고 거의 직진한다. 따라서 비금속 나노입자들(303)을 이용하여 광여기체들(3011)의 엑시톤 방출 효율을 증대시키기 어렵다. 또한, 비금속 나노입자들(303)의 광굴절률(n1)이 2.4를 초과하는 경우, 광은 비금속 나노입자들(303)에 의해 전반사될 수 있다. 따라 서 유기태양전지(100)(도 1에 도시, 이하 동일)의 광흡수율이 저하될 수 있다.
한편, 광은 기지층(301)을 통과하여 비금속 나노입자들(303)과 접촉한다. 비금속 나노입자들(303)의 광굴절률(n1)과 기지층(301)의 광굴절률(n2)이 상이하므로, 비금속 나노입자들(303)에 의해 광이 굴절된다. 여기서, 비금속 나노입자(303)와 기지층(301)과의 광굴절률차는 0 보다 크고 0.5 이하일 수 있다. 비금속 나노입자(303)와 기지층(301)과의 광굴절률차가 없는 경우, 비금속 나노입자(303)에 의한 광의 굴절 효과가 미미하다. 따라서 광이 비금속 나노입자(303)에 의해 잘 산란되지 못하므로, 광여기체들(3011)의 엑시톤 방출 효율을 크게 향상시킬 수 없다. 또한, 비금속 나노입자(303)와 기지층(301)과의 광굴절률차가 0.5를 초과하는 경우, 비금속 나노입자들(303)이 광을 전반사시킬 수 있다. 따라서 유기태양전지(100)의 광흡수율이 저하될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 비금속 나노입자들(303)은 광을 흡수하지 않고 광을 산란시킨다. 이를 위한 비금속 나노입자들(303)의 에너지 밴드갭은 -7.6eV 내지 -4.4eV일 수 있다. 비금속 나노입자들(303)의 에너지 밴드갭이 너무 작은 경우, 광은 비금속 나노입자들(303)에 의해 산란되지 못하고, 비금속 나노입자들(303)에 흡수된다. 또한, 비금속 나노입자들(303)의 에너지 밴드갭이 너무 큰 경우, 광은 비금속 나노입자들(303)에 의해 전반사될 수 있다. 그 결과, 유기태양전지(100)의 광흡수율이 저하되어 유기태양전지(100)의 효율이 저하된다.
예를 들면, 비금속 나노입자들(303)의 소재로서 산화아연(ZnO), 산화티타 늄(TiO2) 또는 산화알루미늄(Al2O3) 등을 사용할 수 있다. 이러한 소재들은 광을 흡수하지 않고 광을 산란시킨다. 따라서 이러한 물질들을 비금속 나노입자들(303)의 소재로서 사용하기에 적합하다.
도 2에 도시한 바와 같이, 광은 제2 유기물층(30)을 향하여 z축 방향으로 입사된다. 광은 제2 유기물층(30)을 향하여 z축 방향을 따라 직진한다. 광은 비금속 나노입자들(303)에 의해 굴절되어 산란되면서 광여기체들(301)을 여기시킬 수 있다. 즉, 제2 유기물층(30)내에는 직진하는 광만 존재하는 것이 아니라 비금속 나노입자들(303)에 의해 산란되는 광도 존재하므로, 광여기체들(301)에 입사되는 광량이 증가하여 광여기체들(301)의 엑시톤 방출 효율을 증가시킬 수 있다.
반대로, 제2 유기물층(30)의 내부에 비금속 나노입자들(303)이 존재하지 않는 경우, 제2 유기물층(30) 내부에는 직진하는 광만 존재하므로, 광여기체들(301)의 엑시톤 방출 효율이 좋지 않다. 따라서 유기태양전지의 효율을 높이기 위해서는 제2 유기물층의 두께가 증가해야 한다. 그러나 본 발명의 제1 실시예에서는 비금속 나노입자들(303)을 이용하여 광을 굴절 및 산란시킨다. 따라서 제2 유기물층(30)을 두껍게 제조할 필요가 없다.
따라서, 도 1로 다시 되돌아가면, 제2 유기물층(30)의 두께(t30)(도 1에 도시)는 제1 유기물층(20)의 두께(t20)(도 1에 도시)보다 작다. 좀더 바람직하게는, 제2 유기물층(30)의 두께(t30)는 10nm 내지 40nm일 수 있다. 제2 유기물층(30)의 두께(t30)가 너무 작은 경우, 광여기체들(301)의 양이 너무 적어 유기태양전 지(100)의 효율이 좋지 못하다. 또한, 제2 유기물층(30)의 두께(t30)가 너무 큰 경우, 제2 유기물층(30)의 양이 증가하여 소재 비용이 많이 소모된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유기태양전지(200)의 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 유기태양전지(200)의 구조는 도 1의 유기태양전지(100)의 구조와 유사하므로, 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하며, 그 상세한 설명을 생략한다,
도 3에 도시한 바와 같이, 유기태양전지(200)는 기판(10), 제1 유기물층(22), 제2 유기물층(32) 및 반사 방지막(40)을 포함한다. 이외에, 유기태양전지(200)는 필요에 따라 다른 소자들을 더 포함할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제1 유기물층(22) 및 제2 유기물층(32)은 기판(10)의 판면(101)에 교차하는 방향, 즉 z축 방향을 따라 상호 접하여 복수의 제1 경계면들(27)을 형성한다. 복수의 제1 경계면들(27)은 연속적으로 형성되지 않고 끊어져 있다. 복수의 제2 경계면들(28)은 복수의 제1 경계면들(27) 사이를 이어준다. 여기서, 복수의 제2 경계면들(28)은 기판(10)의 판면(101)에 실질적으로 평행한 방향, 즉 x축 방향을 향하여 뻗어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제1 유기물층(22) 및 제2 유기물층(32)이 접하여 복수의 제1 경계면들(27) 및 복수의 제2 경계면들(28)을 형성하므로, 제1 유기물층(22) 및 제2 유기물층(32)간의 접촉 면적을 최대화할 수 있다. 그 결과, 유기태양전지(200)의 전자이송효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 도 1의 유기태양전지(100) 및 도 3의 유기태양전지(200)의 제조 방법 을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4의 유기태양전지의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 유기태양전지의 제조 방법을 다양한 형태로 변형할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 유기태양전지의 제조 방법은, i) 기판을 제공하는 단계(S10), ii) 기판 위에 제1 유기물층을 제공하는 단계(S20), iii) 제1 유기물층과 접하고, 비금속 나노입자가 포함된 제2 유기물층을 제공하는 단계(S30), 그리고 iv) 제2 유기물층 위에 반사 방지막을 제공하는 단계(S40)를 포함할 수 있다. 여기서, 제2 유기물층 위에 반사 방지막을 제공하는 단계(S40)는 생략할 수 있다.
먼저, 단계(S10)에서는 기판을 제공한다. 기판은 세정한 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다. 실리콘 웨이퍼의 소재로는 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘을 사용할 수 있다.
다음으로, 단계(S20)에서는 기판 위에 제1 유기물층을 제공한다. 제1 유기물층은 저온 증착 방법을 이용하여 기판 위에 형성할 수 있다. 이외에, 나노 임프린트 방법을 이용하여 기판 위에 제1 유기물층을 형성할 수도 있다. 도 3의 제1 유기물층(22)은 층상 구조를 가지지 않으므로, 나노 임프린트 방법을 사용하여 형성할 수 있다.
단계(S30)에서는 제1 유기물층과 접하고, 비금속 나노입자가 포함된 제2 유기물층을 제공한다. 제2 유기물층을 페이스트로 제조한 후, 비금속 나노입자를 제2 유기물층에 혼합한 혼합물을 제조한다. 다음으로 혼합물을 스핀 코팅하여 제1 유기물층과 접하는 제2 유기물층을 제조한다. 제2 유기물층은 기판의 판면과 실질 적으로 수직인 평행한 방향으로 제1 유기물층과 접하도록 제공될 수 있다. 또는, 제2 유기물층은 기판의 판면과 교차하는 방향으로 제1 유기물층과 접하도록 제공될 수 있다.
마지막으로, 단계(S40)에서는 제2 유기물층 위에 반사 방지막을 제공한다. 반사 방지막을 이용하여 광손실을 최소화할 수 있다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
유리 기판 위에 투명 전극을 증착하고 투명 전극을 패터닝하였다. 유리 기판을 세척한 후 산화아연 나노입자를 용매에 분산시켜서 투명 전극 위에 스핀 코팅하였다. 다음으로, 스핀 코팅된 투명 전극 위에 버퍼층, 도너층 및 억셉터층을 차례로 스핀 코팅하였다. 좀더 구체적으로, 40nm 두께의 버퍼층을 스핀 코팅하였다. 다음으로, 2wt%의 P3HT로 된 도너 용액을 600rpm으로 스핀 코팅하였다. 그리고 0.8wt%의 억셉터 용액을 60nm 두께로 스핀 코팅하였다. 다음으로, 스핀 코팅된 억셉터층 위에 100nm 두께의 알루미늄 전극을 증착하여 태양전지를 제조하였다.
실험예 2
2wt%의 P3HT로 된 도너 용액을 800rpm으로 스핀 코팅하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 3
2wt%의 P3HT로 된 도너 용액을 1000rpm으로 스핀 코팅하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
실험예 4
2wt%의 P3HT로 된 도너 용액을 1200rpm으로 스핀 코팅하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 실험예 1과 동일하였다.
비교예
유리 기판 위에 투명 전극을 증착한 후 투명 전극을 패터닝하였다. 유리 기판을 세척한 후 버퍼층, 도너층 및 억셉터층을 차례로 스핀 코팅하였다. 좀더 구체적으로, 40nm 두께의 버퍼층을 스핀 코팅하였다. 다음으로, 2wt%의 P3HT로 된 도너 용액을 600rpm으로 스핀 코팅하였다. 그리고 0.8wt%의 억셉터 용액을 60nm 두께로 스핀 코팅하였다. 다음으로, 스핀 코팅된 억셉터층 위에 100nm 두께의 알루미늄 전극을 증착하여 태양전지를 제조하였다.
비교예 2
2wt%의 P3HT로 된 도너 용액을 800rpm으로 스핀 코팅하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 비교예 1과 동일하였다.
비교예 3
2wt%의 P3HT로 된 도너 용액을 1000rpm으로 스핀 코팅하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 비교예 1과 동일하였다.
비교예 4
2wt%의 P3HT로 된 도너 용액을 1200rpm으로 스핀 코팅하였다. 나머지 실험 조건은 전술한 비교예 1과 동일하였다.
실험 결과
전술한 실험예 1 내지 실험예 4와 비교예 1 및 비교예 4에 따라 제조한 태양전지의 효율을 측정한 결과를 하기의 표 1에 나타내고, 태양전지의 효율을 도 5에 도시한다.
Figure 112009049847421-pat00001
도 5는 실험예 1 내지 실험예 4 및 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 태양전지의 효율을 나타낸 그래프이다. 도 5에서 원들은 좌측에서 우측으로 각각 실험예 1 내지 실험예 4에 따른 태양전지의 효율을 나타내고, 사각형들은 좌측에서 우측으로 각각 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 태양전지의 효율을 나타낸다.
도 5에 도시한 바와 같이, 태양전지의 효율에 있어서 실험예 1 내지 실험예 4가 비교예 1 내지 비교예 4보다 훨씬 우수한 것을 알 수 있었다. 따라서 실험예 1 내지 실험예 4와 같이 나노 입자를 태양전지에 삽입하는 경우, 태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 II 부분을 확대한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 1 및 도 3의 태양전지의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 5는 실험예 1 내지 실험예 4 및 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 태양전지의 효율을 나타낸 그래프이다.

Claims (17)

  1. 기판,
    상기 기판 위에 위치하는 제1 유기물층, 및
    상기 제1 유기물층과 접하고, 기지층 및 상기 기지층으로 둘러싸인 복수의 비금속 나노입자들을 포함하는 제2 유기물층
    을 포함하는 유기태양전지로서,
    상기 복수의 비금속 나노입자들은 상기 제2 유기물층으로 입사되는 광을 산란시켜서 상기 기지층에 포함된 광여기체들을 여기시키도록 적용되고,
    상기 제1 유기물층 및 상기 제2 유기물층이 상호 접하여 형성된 경계면은 상기 기판의 판면에 실질적으로 평행한 방향으로 뻗고,
    상기 제2 유기물층의 두께는 상기 제1 유기물층의 두께보다 작고, 상기 제2 유기물층의 두께는 10nm 내지 40nm이며,
    상기 복수의 비금속 나노입자들 중 하나 이상의 비금속 나노입자와 상기 기지층과의 광굴절률차는 0 보다 크고 0.5 이하이며, 상기 비금속 나노입자의 광굴절률은 1.8 내지 2.4인 유기태양전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 비금속 나노입자들 중 하나 이상의 비금속 나노입자의 에너지 밴드갭은 -7.6eV 내지 -4.4eV인 유기태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 비금속 나노입자는 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2) 및 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재로 이루어지는 유기태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 유기물층은 전자주개물질층으로 작용하고, 상기 전자주개물질층은 PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)을 포함하는 유기태양전지.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 기판을 제공하는 단계,
    상기 기판 위에 제1 유기물층을 제공하는 단계, 및
    상기 제1 유기물층과 접하고, 기지층 및 상기 기지층으로 둘러싸인 복수의 비금속 나노입자들이 포함된 제2 유기물층을 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제2 유기물층을 제공하는 단계에서, 상기 제1 유기물층 및 상기 제2 유기물층이 상호 접하여 형성된 경계면은 상기 기판의 판면에 실질적으로 평행한 방향으로 뻗고,
    상기 제2 유기물층의 두께는 상기 제1 유기물층의 두께보다 작고, 상기 제2 유기물층의 두께는 10nm 내지 40nm이며,
    상기 복수의 비금속 나노입자들 중 하나 이상의 비금속 나노입자와 상기 기지층과의 광굴절률차는 0 보다 크고 0.5 이하이며, 상기 비금속 나노입자의 광굴절률은 1.8 내지 2.4인 유기태양전지의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 유기물층을 제공하는 단계에서 상기 제2 유기물층은 상기 제1 유기 물층 위에 스핀 코팅되는 유기태양전지의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 유기물층은 페이스트 형태로 제공되는 유기태양전지의 제조 방법.
  15. 삭제
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제1 유기물층을 제공하는 단계에서, 상기 제1 유기물층은 상기 기판 위에 나노 임프린트(nano imprint)되는 유기태양전지의 제조 방법.
  17. 삭제
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