KR101145903B1 - 용액법에 의해 제작되는 유기 태양전지의 제조방법 및 그로부터 제조된 유기 태양전지 - Google Patents

용액법에 의해 제작되는 유기 태양전지의 제조방법 및 그로부터 제조된 유기 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용액법에 의해 제작되는 유기 태양전지의 제조방법 및 그로부터 제조된 유기 태양전지에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법은 전극상에 용액 코팅 이후 건조공정으로 수행되는 용액법에 의한 박막형성 단계를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 코팅 이후 코팅 표면에 가스 퍼징하여 용액 내 수분을 건조함으로써, 충분한 건조가 이루어지지 않아 형성되는 박막 내 기포를 효과적으로 제거할 수 있다. 특히, 본 발명의 제조방법은 롤-투-롤 공정에 적용 가능한 블레이드 법에 의해 수행됨으로써, 대면적의 유기 태양전지를 재현성 있게 확보하고, 유기 태양전지의 에너지 변환효율(Power Conversion Efficiency)을 증가시킬 수 있다. 나아가, 본 발명의 제조방법은 유기 발광 다이오드(OLED) 및 유기 박막 트랜지스터(OTFT) 등의 유기물 반도체를 블레이드 법으로 유기 박막을 코팅할 경우에도 적용할 수 있다.

Description

용액법에 의해 제작되는 유기 태양전지의 제조방법 및 그로부터 제조된 유기 태양전지{MANUFACTURING METHOD OF ORGANIC PHOTOVOLTAIC CELL FABRICATED BY SOLUTION PROCESS AND ORGANIC PHOTOVOLTAIC CELL FABRICATED THEREBY}
본 발명은 용액법에 의해 제작되는 유기 태양전지의 제조방법 및 그로부터 제조된 유기 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용액법에 의한 박막형성 단계를 일공정으로 포함하는 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 용액법으로 제조 시, 용액 코팅 이후 잔여수분이 충분히 건조되지 않아 박막 내 발생된 기포로 인한 문제점을 해소하기 위하여, 용액 코팅 이후, 코팅 표면을 가스 퍼징으로 건조하여 박막을 형성하는 유기 태양전지의 제조방법 및 그로부터 제조된 유기 태양전지에 관한 것이다.
세계적으로 태양전지 시장에서 약 90%가 실리콘 재료를 기반으로 한 태양전지다. 실리콘 태양전지는 재료비와 제작 단가가 비싸기 때문에 원자력 발전, 화력 발전처럼 대규모로 전기를 발전시키는 데에는 아직 한계를 보이고 있다. 이러한 실리콘 계열의 태양전지의 문제를 해결하기 위한 방안으로 유기물을 이용한 태양전지 소자가 대두되는데, 이는 유기 태양전지가 더 저렴하게 소자를 생산할 수 있는 이점이 있기 때문이다.
유기 태양전지는 크게 애노드(anode)와 광활성층, 캐소드(cathode)로 구성되어 있다. 일반적으로 광활성층으로 유기물이 사용되며, 애노드와 캐소드는 각각 인듐주석산화물(ITO; indium thin oxide)와 알루미늄(Al)이 주로 사용되지만, 현재 전세계적으로 애노드와 캐소드 전극 재료까지 유기 물질로 대체하려는 연구가 활발하다. 또한, 로우 밴드갭(low band-gap)을 가진 신규 유기 고분자 연구성과에 따라 에너지 변환효율이 점차 증가되고 있는 추세이다.
실리콘 태양전지보다 효율이 낮은 유기 태양전지가 시장경제력을 가지기 위해서는 저렴한 원료를 이용하여 대면적의 소자를 대량으로 생산하는 방향으로 가야 한다. 이런 측면에서, 유기 태양전지 소자는 디스플레이 분야에서 이미 어느 정도 기술력을 확보한 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정을 그대로 사용할 수 있기 때문에 플렉서블한 기판을 사용한 대면적의 태양전지를 대량 생산할 수 있는 장점을 가지고 있다. 즉, 실리콘 웨이퍼의 경우 30cm의 크기를 기준으로 연간 최대 약 90,000 m2만큼 생산할 수 있으나, 유기 태양전지의 경우 롤-투-롤 공정을 사용하여 10～20m/sec의 속도로 생산할 경우, 실리콘 웨이퍼의 생산량과 동일 면적만큼 만들기 위해서는 대략 2～10 시간이면 가능하다.
일반적으로 유기 태양전지는 애노드 전극/정공전달층/광활성층/전자수송층/캐소드 전극으로 구성된 구조에서 상기 광활성층의 형성방법은 크게 도너와 억셉터 물질을 진공 분위기에서 증착법으로 박막을 제조하는 방법과 용액공정을 이용하여 박막을 제조하는 두 가지 방법으로 분류된다. 더욱 상세하게는 증착을 이용하는 방법은 도너와 억셉터를 모두 단분자를 사용하는 반면, 용액공정을 사용하는 방법은 일반적으로 도너 물질로 고분자를 사용하고, 억셉터로는 고분자, 플러렌 유도체, 페릴렌 유도체, 양자점 무기나노입자 등을 사용한다. 따라서, 단분자를 증착하여 사용하는 경우보다, 고분자를 이용한 용액공정을 사용하면, 진공 기술이 필요하지 않고, 대면적의 소자를 값싸게 대량생산할 수 있기 때문에 최근에는 고분자를 이용한 용액공정 쪽에 연구의 무게가 집중되고 있다.
그러나 용액법에 의한 박막의 형성단계를 포함하는 종래 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 특히 정공전달층은 물을 기반으로 하는 수용액으로서, 기판에 코팅 이후 충분한 건조과정을 거치지 않으면 정공전달층 내부에 수분이 잔류하게 되고, 이후, 광활성층과 캐소드를 적층하는 연속공정을 거치면서 고온에서 열처리하면 정공전달층에 남아 있던 수분이 증발하면서 기포가 발생된다.
또한 광활성층의 경우에도 박막의 모폴로지 조절을 위하여 트리클로로벤젠(trichlorobenzene)과 같은 고비점의 용매나 1,8-디요오드옥탄(1,8-diiodooctane)과 고비점의 첨가제를 사용하기도 하는데, 이들 첨가제는 종래의 음극을 고진공 중에서 열증착할 경우 제거될 수 있지만, 용액법에 의하여 기판 이후의 모든 공정을 진행할 경우 쉽게 제거되기 어려운 문제점이 있다. 따라서, 종래 용액법에 의해 제작된 유기 태양전지 소자의 경우, 코팅 이후 충분한 건조과정을 거치지 않아 잔류하는 수분이 후열처리과정에서 표면 상에 기포로 확인된다. 이러한 유기 태양전지 소자 내 기포는 광활성층과 캐소드 전극의 계면간 접촉 불량을 야기하고, 기포가 심하게 발생되면 소자의 회로가 단락될 수 있으므로, 최종적으로는 소자의 에너지 변환효율 향상을 기대할 수 없다.
이에, 잔여 수분을 제거하기 위하여, 용액 코팅 이후 건조 온도를 더 높여주게 되면, 확산 현상에 의해 용액 코팅된 표면이 거칠어질 수 있으며, 나아가 상기 코팅 표면이 열 분해되는 또 다른 문제를 야기한다.
따라서, 용액법에 의한 박막의 형성단계를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 우수한 에너지 변환효율과 대면적의 유기 태양전지를 대량으로 생산하기 위해서는 용액 코팅 이후, 코팅 표면의 잔여 수분제거 또는 잔여 고비점 용매 및 잔여 첨가제의 제거가 선행되어야 한다.
본 발명의 목적은 용액법에 의한 박막의 형성단계를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 박막 내 기포를 효과적으로 제거하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법을 적용하여 구현되는 에너지 변환효율이 개선된 유기 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 용액법에 의한 박막형성 단계를 일공정으로 포함하는 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 전극상에 용액 코팅 이후, 코팅 표면을 가스 퍼징으로 건조하여 박막을 형성하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법에서, 건조공정은 상기 박막의 표면으로부터 5 내지 40㎝로 유지되어 가스가 퍼징되도록 설계되며, 이때 가스 퍼징은 풍속 10 m/sec 이상, 1분 이상 동안 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 건조공정에 사용되는 가스는 목적에 따라, 아르곤 또는 질소에서 선택되는 비활성 가스; 또는 건조된 공기를 사용할 수 있다.
본 발명의 유기 태양전지의 제조방법은 용액법에 의해 형성되는 박막이라면 적용가능하며, 그 박막은 정공전달층 및/또는 광활성층일 수 있다.
본 발명의 제조방법에서 용액법은 스핀 코팅, 블레이드 법, 잉크젯 코팅, 스프레이 분사법, 스크린 인쇄법 및 그라비아 법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 방법을 수행하며, 더욱 바람직하게는 롤-투-롤 공정에 적용 가능한 블레이드 법으로 수행하는 것이다.
본 발명은 상기 용액법에 의해 제작된 유기 태양전지의 제조방법으로부터 형성된 박막층이 구비된 유기 태양전지를 제공한다.
이때, 상기 박막층이 정공전달층 및/또는 광활성층일 수 있으며, 애노드 전극 및 캐소드 전극간에 추가로 형성될 수 있는 버퍼층에도 적용 가능하다.
본 발명의 제조방법에 따라, 종래 용액법에 의한 박막형성 단계를 일공정으로 포함하는 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 용액 코팅 이후, 충분한 건조가 이루어지지 않아 발생되는 박막 내 기포를 효과적으로 제거할 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명의 제조방법은 용액법으로 박막을 형성할 때, 코팅 이후 코팅 표면을 가스 퍼징하여 용액 내 수분을 건조 제거함으로써, 박막 내 기포로 인한 문제를 해소할 수 있다. 따라서, 재현성이 확보되고 에너지 변환효율이 개선된 유기 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법은 용액법에 적용되는 유기 태양전지뿐만 아니라, 유기 발광 다이오드(OLED) 및 유기 박막 트랜지스터(OTFT) 등의 유기물 반도체에 적용하여 유기 박막을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제조방법에서 가스 퍼징을 이용한 건조공정의 개략적 모식도이고,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 유기 태양전지 소자의 사진이고,
도 3은 본 발명의 제조방법에서 가스의 풍속변화에 따라 제조된 유기 태양전지 소자의 사진이고,
도 4는 본 발명의 제조방법에서 가스 퍼징 시간변화에 따라 제조된 유기 태양전지 소자의 사진이고,
도 5는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 유기 태양전지 소자의 광활성층 두께 변화에 따른 에너지 변환효율을 도시한 결과이고,
도 6은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 유기 태양전지 소자의 광활성층 두께 변화에 따른 직렬 저항변화를 도시한 결과이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 용액법에 의한 박막형성 단계를 일공정으로 포함하는 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 전극상에 용액 코팅 이후, 코팅 표면을 가스 퍼징으로 건조하여 박막을 형성하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다. 이에, 본 발명의 제조방법은 용액 코팅 이후 잔여수분 및 유기용매가 충분히 건조되지 않아 발생된 박막 내 기포를 효과적으로 제거한다.
도 1은 본 발명의 제조방법에서 가스 퍼징을 이용한 건조공정의 개략적 모식도로서, 건조공정을 구체적으로 살펴보면, 건조 장치의 하단에 가스 배출구를 배치하여 주입되는 가스가 소자의 표면을 따라 빠져나가도록 설계한다.
본 발명의 건조공정은 상기 코팅 표면에 5 내지 40㎝, 더욱 바람직하게는 5 내지 10㎝의 거리로 유지되어 가스가 퍼징되도록 설계한다. 상기 거리변화에 따라, 퍼징 시간이 달라지는 것은 당연히 이해될 것이다. 이때, 상기 코팅 표면과 가스 주입구간의 거리가 5㎝ 미만이면, 가스 퍼징효과가 균일하지 않아 바람직하지 않으며, 40㎝를 초과하는 거리라면, 충분한 건조를 위해서 초기 분출되는 압력이 높아야 하므로 결국 사용되는 공기의 양을 너무 많아 경비가 상승될 우려가 있다.
또한, 가스는 가스 실린더에서 유압 조절 장치를 통해 일정한 압력으로 주입되는데, 이때, 바람직한 가스의 퍼징 조건은 풍속이 10m/sec 이상, 더욱 바람직하게는 10 내지 15m/sec이다. 이때, 15m/sec를 초과하면 경제적 측면에서 불리하다. 또한, 가스 퍼징 시간은 1분 이상 수행되는 것이 바람직하며, 퍼징 시간을 너무 오랫동안 수행하면, 롤-투-롤 공정 시간이 길어져서 생산효율이 감소하기 때문에 바람직하지 않으므로, 1분 이상 최대 5분 이내에 완료될 수 있도록 가스 풍속조건이 조절되어야 한다.
가스가 주입되는 동안에 가스의 풍량에 의해 시편의 위치가 이동되는 것을 방지하기 위해 로터리 펌프를 이용하여 시편의 바닥을 진공 고정시켜 가스가 주입되는 동안에 움직이지 않도록 한다.
본 발명의 건조공정에 사용되는 가스는 용액 내 수분을 제거하기 위한 목적으로 사용되며, 바람직하게는 99.9% 이상 고순도의 아르곤, 질소 등의 비활성 가스를 사용할 수 있다.
또한, 산소가 롤-투-롤 공정 및 소자의 특성에 크게 영향을 미치지 않은 경우, 상기 비활성 가스 이외에 건조된 공기를 사용할 수도 있다.
본 발명의 유기 태양전지의 제조방법은 종래 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 용액법에 의해 형성되는 박막공정이라면, 적용 가능하다.
따라서, 본 발명의 용액법에 의해 제작된 유기 태양전지의 제조방법에 의해서 형성된 박막은 정공전달층 및/또는 광활성층일 수 있다. 즉, 고분자 용액을 이용한 코팅방법으로 광활성층을 형성하면, 증착공정과는 달리, 진공 기술이 필요 없고 대면적의 소자를 대량 생산할 수 있으므로, 본 발명의 건조공정을 수행한 용액법에 의해 정공전달층 또는 광활성층을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법에서 용액 코팅 이후, 코팅 표면을 가스 퍼징하는 건조공정은 정공전달층 및 광활성층이 형성되는 공정 시점에 연속적으로 적용될 수 있다.
이때, 연속공정으로 수행되기 위해서는 본 발명의 제조방법 상, 형성되는 박막이 컨베이어 벨트상에서 순차적으로 이송되면서 용액이 코팅된 표면에 가스가 퍼징되도록 수행하는 것이다.
도 2는 본 발명의 개선된 용액법에 의해 제조된 유기 태양전지 소자의 사진으로서, 400 dpi의 해상도를 가지는 컴퓨터 스캐너로 전극 쪽을 관찰한 결과, 종래 용액법으로 제조된 유기 태양전지 소자에 있어서, 박막 내 관찰된 기포가 완전히 제거되었음을 확인할 수 있다.
본 발명의 제조방법에서 용액법은 스핀 코팅, 블레이드 법, 잉크젯 코팅, 스프레이 분사법, 스크린 인쇄법 및 그라비아 법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 수행한다. 더욱 바람직하게는 롤-투-롤 공정에 적용 가능한 블레이드 법에 의해 대면적의 유기 태양전지를 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명의 유기 태양전지의 제조방법은 용액이 코팅된 이후 코팅표면을 가스 퍼징하여 건조하는 본 공정을 유기 발광 다이오드(OLED) 및 유기 박막 트랜지스터(OTFT) 등의 유기물 반도체 제조공정에 적용한 유기 박막을 제조할 수 있다.
본 발명은 상기 용액법에 의해 제작된 유기 태양전지의 제조방법으로부터 형성된 박막층이 구비된 유기 태양전지를 제공한다.
본 발명의 유기 태양전지가 애노드 전극/정공전달층(hole transport layer)/광활성층/전자수송층/캐소드 전극으로 구성된 경우, 본 발명의 유기 태양전지에서 구비되는 박막층으로는 정공전달층 및/또는 광활성층일 수 있으며, 애노드 전극 및 캐소드 전극간에 추가로 형성될 수 있는 버퍼층에도 해당될 수 있다. 이때, 상기 박막층은 해상도 400dpi 측정조건하에서 박막층 내 기포없는 균일한 표면을 확인할 수 있다.
더욱 바람직하게는 본 발명의 용액법에 의해 제작된 유기 태양전지는 용액법 중, 블레이드 법에 구현된다. 이에, 본 발명의 유기 태양전지는 롤-투-롤 공정에 적용 가능한 블레이드 법에 의해 대면적의 유기 태양전지를 대량으로 제공할 수 있는 동시에, 재현성이 확보되며, 에너지 변환효율의 개선된 물성을 확보한다.
도 3은 본 발명의 제조방법에서 가스의 풍속변화에 따라 제조된 유기 태양전지 소자의 사진이고, 도 4는 본 발명의 제조방법에서 가스 퍼징 시간변화에 따라 제조된 유기 태양전지 소자의 사진이다.
상기 도 3 및 도 4에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 용액법에 의해 제작된 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 10m/sec의 가스 풍속으로 20초 이상 가스 퍼징을 수행하면, 박막층(정공전달층)의 기포가 효율적으로 제거됨을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 유기 태양전지 소자의 광활성층 두께 변화에 따른 에너지 변환효율을 도시한 결과로서, 종래 용액법에 의해 제조된 소자 대비, 본 발명의 유기 태양전지 소자의 경우 큰 에너지 변환효율을 보인다.
또한, 도 6은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 유기 태양전지 소자의 광활성층 두께 변화에 따른 직렬 저항변화를 도시한 결과로서, 종래 용액법에 의해 제조된 소자대비, 본 발명의 유기 태양전지 소자의 경우 낮은 직렬 저항을 보임으로써, 소자의 에너지 변화효율의 개선을 기대할 수 있다. 또한, 이러한 효율 개선결과는 10회 이상 반복수행 이후에도 재현성 있는 결과를 확인할 수 있다.
본 발명의 유기 태양전지에서, 애노드 전극은 유리 또는 플렉서블한 플라스틱에서 선택되는 기판 상에 인듐주석산화물(ITO)이 패턴화된 것을 사용한다.
또한, 정공전달층에 사용되는 고분자 유기물은 PEDOT:PSS(Poly 3,4 ethylenendioxythiophene : Poly styrene sulfonic acid)을 사용하며 AI 4084 용액을 사용할 수 있다. 이때, 상기 인듐주석산화물이 패턴화된 기판상에 형성된 애노드 전극에, PEDOT: PSS함유용액을 용액법, 더욱 바람직하게는 블레이드 법에 의해 코팅한 후 시간을 지체하지 않고 본 발명의 건조공정을 수행하여 PEDOT:PSS를 건조시켜 정공전달층을 형성한다.
상기 PEDOT:PSS 함유용액이 코팅된 박막 표면을 가스 퍼징으로 건조시킨 후, 가열 처리하여 표면 형상을 개선할 수 있다. 구체적으로는 가열 처리조건은 120 내지 140℃의 온도로 10 내지 20분 동안 수행한다.
본 발명의 유기 태양전지에서, 광활성층은 상기 정공전달층 상에, 전자주게(도너) 재료로서 폴리(3-헥실싸이오펜)(poly(3-hexylthiophene, P3HT)를 사용하고, 전자받게(억셉터) 재료로서 페닐-C61-부티릭산 메틸 에스테르(phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM) 유도체를 유기용매에 용해시킨 용액을 용액법에 의해 코팅하여 형성한다. 이때, 유기용매는 클로로벤젠(chlorobenzene) 또는 디클로로벤젠(ortho-dichlorobenzene)을 사용한다.
본 광활성층 제조시, 사용되는 용액법은 스핀 코팅법, 블레이드법(닥터 블레이드, 나이프-오버-에지 등), 잉크젯 코팅, 스프레이 분사법, 스크린 인쇄법, 그라비아 방법 등에서 선택 수행될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 블레이드 법에 의해 코팅형성되는 것이다.
본 발명의 유기 태양전지에서, 전자수송층(칼슘 또는 불소화리튬)/캐소드 전극(알루미늄)은 증기 증착에 의해 형성된다. 이후, 각 계면간의 접착을 위하여, 150℃의 가열판에서 30분 동안 후열처리를 수행한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 유기 태양전지 소자 제작 1
ITO 유리 기판(애노드 전극)에, PEDOT:PSS(Poly 3,4 ethylenendioxythiophene:Poly styrene sulfonic acid) 함유용액을 블레이드 법으로 코팅하였다. 코팅 이후, 도 1에 도시된 건조 장치에 고정시킨 후, 가스 주입구와 샘플 소자간의 거리를 10cm로 유지시킨 후, 99.9%의 질소가스를 20 psi(약 1.38 bar, 풍속 약 14m/sec)의 압력으로 퍼징하였다.
이때, 가스 배출구를 건조 장치의 하단에 배치하여 주입되는 가스가 소자의 표면을 따라 빠져나가도록 설계하였다. 또한, 가스가 주입되는 동안, 가스의 풍량에 의해 시편의 위치가 이동되는 것을 방지하기 위해 로터리 펌프를 이용하여 시편의 바닥을 진공 고정시켜 가스가 주입되는 동안에 움직이지 않도록 고정하였다. 가스 퍼징 시간은 1분 동안 수행하여 건조하였다. 이후, 표면 형상의 개선을 위하여, 120℃에서 10분 동안 가열 처리하여 정공전달층을 제작하였다.
상기 정공전달층상에 P3HT(poly 3-hexylthiophene)과 PCBM(6,6-phenyl-C61 butyric acid methyl ester) 혼합물을 함유한 용액을 블레이드 법으로 코팅하여 광활성층을 제조하였다. 광활성층 형성 이후, 전자수송층 및 캐소드 전극으로서 불소화리튬/알루미늄 전극을 진공 증착하여, 유기 태양전지 소자를 제작하였다. 이때, 150℃의 가열판에서 30분 동안 후 열처리하여, 각 계면간의 접착을 원활하도록 수행하였다.
<실시예 2> 유기 태양전지 소자 제작 2
상기 실시예 1에서 수행된 가스 주입구와 샘플 소자간의 거리 10㎝로 유지시킨 후, 99.9%의 질소가스의 풍속조건 대신에, 10m/sec로 1분 동안 가스 퍼징하며 건조하여 정공전달층을 형성하고, 상기 정공전달층 상에 P3HT(poly 3-hexylthiophene)과 PCBM(6,6-phenyl-C61 butyric acid methyl ester) 혼합물을 함유한 용액을 스핀 코팅하여 광활성층을 형성하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
<비교예 1>
상기 가스 주입구와 샘플 소자간의 거리 10㎝로 유지시킨 후, 99.9% 질소가스의 퍼징없이(풍속조건 0m/sec, 가스 퍼징 시간 0분)로 정공전달층을 형성하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하였다.
<비교예 2～3>
상기 가스 주입구와 샘플 소자간의 거리 10㎝로 유지시킨 후, 99.9% 질소가스의 풍속 4m/sec 및 7m/sec 조건으로 각각 가스 퍼징하고 1분 동안 건조하여 정공전달층을 형성하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하였다.
<실시예 3～4> 유기 태양전지 소자 제작 3～4
상기 가스 주입구와 샘플 소자간의 거리 10㎝로 유지시킨 후, 99.9%의 질소가스의 풍속 10m/sec 조건으로 가스 퍼징하되, 퍼징 시간을 20초 및 60초 동안 건조하여 정공전달층을 형성하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하였다.
<비교예 4>
상기 가스 주입구와 샘플 소자간의 거리 10㎝로 유지시킨 후, 99.9%의 질소가스의 풍속 10m/sec 조건으로 가스 퍼징하되, 퍼징 시간을 10초 동안 건조하여 정공전달층을 형성하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하였다.
<실험예 1>
상기 실시예 1에서 제작된 유기 태양전지 소자의 전기 광학적 특성을 측정하고, 하기 수학식 1에 의해 에너지 전환효율을 산출하였다.
Figure 112010032862411-pat00001
(상기에서, FF는 필펙터(채움인자), Jsc는 광 단락 전류밀도이고, Voc는 광개방 전압이다. Pin은 조사된 빛의 세기 mA/cm2이고, 본 실험에서는 AM 1.5G 100mW/cm2)
도 2는 상기 실시예 1의 건조공정을 거쳐 제작된 유기 태양전지 소자의 표면을 관찰한 사진으로서, 종래 용액법에 의한 표면과 달리, 기포가 완전히 제거된 표면을 확인하였다.
이에, 도 5는 실시예 1의 유기 태양전지 소자에 대한 광활성층 두께 변화에 따른 에너지 변환효율 변화를 도시한 결과로서, 비교예 1의 종래 용액법에 의해 제작된 소자보다, 높은 에너지 변환효율을 보였다.
또한, 도 6은 실시예 1에서 제조된 유기 태양 전자 소자의 경우, 소자의 광활성층 두께 변화에 따른 직렬 저항 변화를 도시한 결과로서, 비교예 1의 소자 대비, 직렬 저항이 작은 결과를 보임으로써, 소자의 효율 개선을 확인하였다. 이러한 효율 개선은 10회 반복 수행 이후에도 재현성있게 측정되었다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 전극상에 용액이 코팅된 후 건조공정으로 수행되는 용액법에 의해 박막의 형성단계를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 코팅이후 코팅 표면을 가스 퍼징하여 건조하는 공정으로 박막을 형성하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공하였다.
본 발명의 제조방법은 용액법에 의해 형성되는 박막 내 수분이 열처리 공정이후 상기 수분이 기포로 발생되어 유발되는 문제점을 해소함으로써, 용액법에 의해 수행하면서도 에너지 변환효율이 개선된 유기 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 용액법에 의한 유기 태양전지의 제조방법을 통해 특히, 롤-투-롤 공정에 적용 가능한 블레이드 법에 의해 수행되므로, 대면적의 유기 태양전지를 재현성 있게 생산할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 본 발명의 제조방법은 유기 태양전지뿐만 아니라, 유기 발광 다이오드(OLED) 및 유기 박막 트랜지스터(OTFT) 등의 유기물 반도체를 본 발명의 용해법에 의해 코팅이후 코팅 표면을 가스 퍼징하여 건조하는 공정을 적용하는 제조방법을 통해 개선된 물성의 유기 박막을 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (12)

  1. 용액법에 의한 박막형성 단계를 일공정으로 포함하는 유기 태양전지의 제조방법에 있어서,
    물을 기반으로 하는 PEDOT:PSS 함유용액을 기판에 코팅한 이후, 코팅 표면에 5 내지 40㎝의 거리로 유지시킨 후, 가스 퍼징하여 용액 내 수분을 건조 제거하여 박막 내 기포를 제거한 정공전달층 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용액법에 의해 제작된 유기 태양전지의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 건조공정이 풍속 10m/sec 이상의 가스가 1분 이상 퍼징되는 것을 특징으로 하는 상기 용액법에 의해 제작된 유기 태양전지의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스가 아르곤 또는 질소에서 선택되는 비활성 가스인 것을 특징으로 하는 상기 용액법에 의해 제작된 유기 태양전지의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 용액법이 스핀 코팅, 블레이드 법, 잉크젯 코팅, 스프레이 분사법, 스크린 인쇄법 및 그라비아 법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 용액법에 의해 제작된 유기 태양전지의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 용액법이 블레이드 법인 것을 특징으로 하는 상기 용액법에 의해 제작된 유기 태양전지의 제조방법.
  10. 제1항, 제3항, 제4항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항의 용액법에 의해 제작된 유기 태양전지의 제조방법으로부터 형성된 박막층이 구비된 유기 태양전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 박막층이 해상도 400dpi 측정조건하에서 표면상 무 기포의 정공전달층인 것을 특징으로 하는 상기 유기 태양전지.
  12. 삭제
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