KR101198912B1 - 1차원 나노구조를 갖는 전하수송층을 구비하는 유기태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

1차원 나노구조를 갖는 전하수송층을 구비하는 유기태양전지 및 그 제조방법을 제공한다. 상기 유기태양전지는 하부 전극을 구비한다. 상기 하부 전극 상에 1차원 나노구조들을 구비하는 하부 전하수송층이 배치된다. 상기 하부 전하수송층 상에 전자 도너 물질과 전자 억셉터 물질을 함유하는 광활성층이 배치된다. 상기 광활성층 상에 상부 전극이 배치된다. 이러한 유기태양전지는 하부 전하수송층이 연속성 있는 비등방성 형태를 갖는 1차원 나노구조를 구비하여, 우수한 전하수송능력을 나타낼 수 있다. 따라서, 광활성층에서 생성된 전자 또는 정공을 상기 하부 전극으로 빠르게 전달할 수 있어 광전변환효율이 향상될 수 있다.

Description

1차원 나노구조를 갖는 전하수송층을 구비하는 유기태양전지 및 그 제조방법{Organic solar cell including charge transport layer having 1-dimensional nanostructures, and method for fabricating the same}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기태양전지에 관한 것이다.
고유가 시대에 대체 에너지원으로써 각광을 받고 있는 유기태양전지는 저비용의 공정이 요구되며 휘어질 수 있는 특성을 갖는 등의 장점으로 인해 최근 활발한 연구가 진행되고 있다.
이러한 유기태양전지는 양극과 음극 사이에 개재되고, 전자 도너와 전자 억셉터를 갖는 광활성층을 구비한다. 상기 광활성층에 광이 조사되면 상기 전자 도너와 상기 전자 억셉터 사이의 계면에서 전자-정공 쌍이 생성되고, 상기 생성된 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어, 전자는 전자 억셉터를 통해 음극으로 전달되고, 정공은 전자 도너를 통해 양극으로 전달된다. 이 때, 전자와 정공 즉, 전하의 전극으로의 전달률이 높아질 때 광전변환효율은 향상될 수 있다.
전하전달을 용이하게 하기 위해, 상기 광활성층과 전극 사이에 전하전달층을 개재하고자 하는 시도가 있다. 그러나, 아직 까지는 이러한 전하전달층의 성능은 더욱 향상될 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전하전달능력이 향상된 전하전달층을 구비하는 유기태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 유기태양전지를 제공한다. 상기 유기태양전지는 하부 전극을 구비한다. 상기 하부 전극 상에 1차원 나노구조 들을 구비하는 하부 전하수송층이 배치된다. 상기 하부 전하수송층 상에 전자 도너 물질과 전자 억셉터 물질을 함유하는 광활성층이 배치된다. 상기 광활성층 상에 상부 전극이 배치된다.
상기 1차원 나노구조들은 금속 산화물 또는 화합물 반도체일 수 있다. 상기 1차원 나노구조들은 주석 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물, 몰리브덴 산화물, 바나듐 산화물, 또는 구리 산화물 등의 금속 산화물일 수 있다. 상기 1차원 나노구조들은 CdSe, CdTe, ZnSe 또는 ZnTe 등의 화합물 반도체일 수 있다. 상기 1차원 나노구조들은 도펀트 도핑된 금속 산화물일 수 있다. 구체적으로, 상기 1차원 나노구조들은 안티몬이 도핑된 주석 산화물일 수 있다.
일 예에서, 상기 하부 전하수송층은 상기 1차원 나노구조들과 상기 1차원 나노구조들 사이의 빈 공간을 채우는 하부 전하수송 보조층을 포함할 수 있다. 상기 하부 전하수송층이 전자수송층인 경우에, 상기 하부 전하수송 보조층의 전도대는 상기 전자 억셉터 물질의 전도대와 상기 1차원 나노구조의 전도대의 사이에 위치할 수 있다. 한편, 상기 하부 전하수송층이 정공수송층인 경우에, 상기 하부 전하수송 보조층의 가전자대는 상기 전자 억셉터 물질의 가전자대와 상기 1차원 나노구조의 가전자대의 사이에 위치할 수 있다.
상기 하부 전하수송 보조층은 아연 산화물층 또는 PEDOT:PSS층일 수 있다. 상기 하부 전하수송층이 전자수송층인 경우에, 상기 1차원 나노구조는 주석 산화물이고, 상기 하부 전하수송 보조층은 아연 산화물층일 수 있다. 상기 하부 전하수송층이 정공수송층인 경우에, 상기 1차원 나노구조는 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 구리 산화물, CdTe 또는 ZnTe이고, 상기 하부 전하수송 보조층은 PEDOT:PSS층일 수 있다.
다른 예에서, 상기 하부 전하수송층은 하부 전하수송 보조층 및 상기 하부 전하수송 보조층 상에 배치된 상기 1차원 나노구조들을 포함할 수 있다. 상기 하부 전하수송 보조층은 아연 산화물층 또는 PEDOT:PSS층일 수 있다. 상기 하부 전하수송층이 전자수송층인 경우에, 상기 1차원 나노구조는 주석 산화물이고, 상기 하부 전하수송 보조층은 아연 산화물층일 수 있다. 한편, 상기 하부 전하수송층이 정공수송층인 경우에, 상기 1차원 나노구조는 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 구리 산화물, CdTe 또는 ZnTe이고, 상기 하부 전하수송 보조층은 PEDOT:PSS층일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 유기태양전지의 제조방법을 제공한다. 먼저, 하부 전극을 형성한다. 상기 하부 전극 상에 1차원 나노구조들을 구비하는 하부 전하수송층을 형성한다. 상기 하부 전하수송층 상에 배치되고 전자 도너 물질과 전자 억셉터 물질을 함유하는 광활성층을 형성한다. 상기 광활성층 상에 배치된 상부 전극을 형성한다. 상기 1차원 나노구조들은 전기방사법을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 유기태양전지는 하부 전하수송층이 연속성 있는 비등방성 구조를 갖는 1차원 나노구조를 구비하여, 우수한 전하수송능력을 나타낼 수 있다. 따라서, 광활성층에서 생성된 전자 또는 정공을 상기 하부 전극으로 빠르게 전달할 수 있어 광전변환효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 유기태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 4는 상기 1차원 나노구조 제조예를 통해 제조된 ATO 나노 와이어의 전자주사현미경 이미지(a), 전자투과현미경 이미지(b), X-ray 회절 패턴(c) 및 XANES(X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy) 이미지(d)이다.
도 5는 실시예 2, 실시예 4 및 비교예를 통해 제조된 유기태양전지들의 전류-전압 그래프이다.
도 6은 실시예들 1 내지 3, 및 비교예를 통해 제조된 유기태양전지들의 전류-전압 그래프이다.
도 7은 실시예들 1 내지 3을 통해 제조된 유기태양전지의 에너지 다이어그램을 나타낸 개략도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 또한, 본 명세서에서 상부 및 하부는 보는 각도에 따라서 서로 바뀔 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 하부 전극(11), 하부 전하수송층(13), 광활성층(15), 상부 전하수송층(17), 및 상부 전극(19)을 차례로 형성할 수 있다. 상기 상부 전하수송층(17)은 경우에 따라서 생략될 수 있다. 또한, 상기 기판(10)은 상기 상부 전극(19) 상에 배치될 수도 있다.
상기 기판(10)은 광투과 기판 또는 광반사 기판일 수 있다. 상기 광투과 기판은 유리기판 또는 플라스틱 기판일 수 있고, 상기 광반사 기판은 금속 기판일 수 있다. 상기 하부 전극(11)과 상기 상부 전극(19)은 ITO(Indium Tin Oxide)막, FTO(Fluorinated Tin Oxide)막, IZO(Indium Zinc Oxide)막, AZO(Al-doped Zinc Oxide)막 또는 IZTO(Indium Zinc Tin Oxide)막 등의 광투과 전극, Al막, Ca막, 또는 Mg막 등의 금속막 또는 폴리아닐린 등의 전도성 고분자 전극일 수 있다. 상기 하부 전극(11)과 상기 상부 전극(19)의 종류는 각각의 일함수와 광투과도를 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
상기 광활성층(15)은 전자 도너 물질과 전자 억셉터 물질을 구비할 수 있다. 상기 광활성층(15)은 전자 도너 물질과 전자 억셉터 물질이 서로 섞여 있는 벌크-헤테로정션(bulk heterojunction; BHJ)층일 수 있다. 상기 광활성층(15)이 벌크-헤테로정션층인 경우에, 상기 도너 물질과 상기 억셉터 물질의 혼합농도는 1:0.1 내지 1:10의 질량비를 가질 수 있다. 이와는 달리, 상기 광활성층(15)은 차례로 적층된 전자 도너 물질층과 전자 억셉터 물질층을 구비할 수 있다. 상기 광활성층(15)에 광이 조사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어, 전자와 정공 중 어느 하나는 상기 하부 전하수송층(13)을 통해 상기 하부 전극(11)으로 전달되고, 전자와 정공 중 나머지 하나는 상기 상부 전하수송층(17)을 통해 상기 상부 전극(19)으로 전달된다.
상기 전자 도너 물질은 광을 흡수하여 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 레벨의 전자를 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 레벨로 여기시키는 물질로서, 폴리티오펜(polythiophenes), 폴리플로렌(polyfluorene), 폴리아닐린(polyanilines), 폴리카바졸(polycarbazoles), 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazoles), 폴리페닐렌(polyphenylenes), 폴리페닐비닐렌(polyphenylvinylenes), 폴리실란(polysilanes), 폴리티에닐렌비닐렌(polythienylenevinylenes), 폴리이소티아나프타넨(polyisothianaphthanenes), 폴리사이클로펜타디티오펜(polycyclopentadithiophenes), 폴리실라사이클로펜타디티오펜(polysilacyclopentadithiophenes), 폴리사이클로펜타디티아졸(polycyclopentadithiazoles), 폴리티아졸로티아졸(polythiazolothiazoles), 폴리티아졸(polythiazoles), 폴리벤조티아다이아졸(polybenzothiadiazoles), 폴리티오펜옥사이드(poly(thiophene oxide)s), 폴리사이클로펜타디티오펜옥사이드(poly(cyclopentadithiophene oxide)s), 폴리티아디아졸로퀴녹살린(polythiadiazoloquinoxaline), 폴리벤조이소티아졸(polybenzoisothiazole), 폴리벤조티아졸(polybenzothiazole), 폴리티에노티오펜(polythienothiophene), 폴리티에노티오펜옥사이드(poly(thienothiophene oxide)), 폴리디티에노티오펜(polydithienothiophene), 폴리디티에노티오펜옥사이드(poly(dithienothiophene oxide)s), 폴리테트라하이드로이소인돌(polytetrahydroisoindoles), 또는 이들의 공중합체일 수 있다. 일 예로서, 상기 전자 도너 물질은 폴리티오펜의 한 종류인 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene); P3HT)이거나, 폴리사이클로펜타디티오펜(polycyclopentadithiophenes)의 한 종류인 폴리(사이클로펜타디티오펜-co-벤조티아디아졸)일 수 있다. 상기 폴리(사이클로펜타디티오펜-co-벤조티아디아졸)은 PCPDTBT (poly [2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt -4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]일 수 있다.
상기 전자 억셉터 물질은 전자 도너 물질로부터 여기된 전자를 받는 물질로서, C60 내지 C84 예를 들어, C60, C70, C76, and C84의 플러렌(fullerene) 또는 그 유도체, 페리렌(perylene), 고분자 또는 양자점(Quantum Dot)일 수 있다. 상기 플러렌 유도체는 PCBM 일 예로서, PCBM(C60)([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), 또는 PCBM(C70)([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester)일 수 있다.
상기 하부 전하수송층(13)은 전자 또는 정공 수송층일 수 있다. 상기 하부 전하수송층(13)은 전도성 또는 반도체성을 갖는 1차원 나노구조(13a) 예를 들어, 나노와이어, 나노막대 등을 구비할 수 있다. 상기 1차원 나노구조(13a)는 연속성 있는 비등방성 형태를 가지므로 우수한 전하수송능력을 나타낸다. 따라서, 상기 광활성층(15)에서 생성된 전자 또는 정공을 상기 하부 전극(11)으로 빠르게 전달할 수 있다. 상기 하부 전하수송층(13)이 전자수송층인 경우에, 상기 1차원 나노구조(13a)의 전도대(conduction band, 또는 LUMO)는 상기 활성층(15) 내의 전자 억셉터 물질의 전도대(또는 LUMO)에 비해 낮은 에너지 레벨(큰 절대 에너지값)을 나타낼 수 있다. 이와는 반대로, 상기 하부 전하수송층(13)이 정공수송층인 경우에, 상기 1차원 나노구조(13a)의 가전자대(또는 HOMO)는 상기 활성층(15) 내의 전자 도너 물질의 가전자대(valence band, 또는 HOMO)에 비해 높은 에너지 레벨(작은 절대 에너지값)을 나타낼 수 있다.
상기 1차원 나노구조(13a)는 금속 산화물 반도체 또는 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 상기 금속 산화물 반도체는 주석 산화물(예를 들어, SnO2), 티타늄 산화물(예를 들어, TiO2), 아연 산화물(예를 들어, ZnO), 텅스텐 산화물(예를 들어, WO3), 몰리브덴 산화물(예를 들어, MoO3), 바나듐 산화물(예를 들어, V2O5), 또는 구리 산화물(예를 들어, CuO)일 수 있다. 일 예로서, 상기 금속 산화물 반도체는 전기전도도 및 광투과도가 우수한 주석 산화물일 수 있다. 상기 화합물 반도체는 II-VI족 또는 III-V족 화합물반도체, 구체적으로 CdSe, CdTe, ZnSe, 또는 ZnTe일 수 있다. 상기 주석 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, CdSe 및 ZnSe는 n형 반도체로서 전자 수송이 용이할 수 있고, 상기 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 구리 산화물, CdTe 및 ZnTe는 p형 반도체로서 정공수송이 용이할 수 있다. 상기 금속 산화물 반도체는 전하 전도성 향상을 위해 도펀트를 더 포함할 수 있다. 상기 도펀트는 안티몬(Sb), 탄탈늄(Ta), 유로피엄(Eu) 등의 이종 금속 또는 플로린(fluorine)일 수 있다. 일 예로서, 상기 도펀트는 비교적 저렴하고 전기전도도를 크게 증가시킬 수 있는 안티몬일 수 있다.
상기 1차원 나노구조(13a)는 전기방사법을 사용하여 제조된 것일 수 있다.
상기 금속 산화물 1차원 나노구조의 경우, 금속 전구체 예를 들어, 금속염과 고분자를 혼합한 금속 전구체-고분자 혼합 용액을 전기방사 장치의 주사기에 넣고 펌프를 이용해 일정한 속도로 토출시키는 동시에 일정한 전압을 인가하여 수 ~ 수백 nm의 지름을 갖는 금속 전구체-고분자 혼합 1차원 나노구조를 형성한 후, 이를 산화분위기에서 열처리하여 금속을 산화시키는 동시에 상기 고분자 및 불순물을 제거하여 형성할 수 있다. 도핑된 금속 산화물 1차원 나노구조의 경우, 상기 금속 전구체-고분자 혼합 용액에 도펀트 전구체를 더 첨가하여 형성할 수 있다.
상기 화합물 반도체 1차원 나노구조의 경우, 제1 금속 전구체, 제2 금속 전구체 및 고분자를 혼합한 금속 전구체-고분자 혼합 용액을 전기방사 장치의 주사기에 넣고 펌프를 이용해 일정한 속도로 토출시키는 동시에 일정한 전압을 인가하여 수 ~ 수백 nm의 지름을 갖는 금속 전구체-고분자 혼합 1차원 나노구조를 형성한 후, 이를 불활성 기체 분위기에서 열처리하여 소성한 후, 수소처리를 통해 환원하여 형성할 수 있다.
상기 1차원 나노구조(13a)는 그의 형태적 특성 상 입자들 사이에 빈 공간들이 있을 수 있다. 상기 하부 전하수송층(13)은 상기 1차원 나노구조(13a)들 사이의 빈 공간을 채우는 전하수송보조층(13b)을 더 포함할 수 있다. 이러한 전하수송보조층(13b)는 상기 1차원 나노구조(13a)로 인해 발생하는 표면 거칠기를 완화시킬 수 있다. 이 때, 상기 전하수송보조층(13b)은 도시된 바와 같이, 상기 1차원 나노구조(13a)들 사이의 빈 공간을 채울 뿐이어서, 상기 1차원 나노구조(13a)와 상기 광활성층(15)은 직접적으로 연결될 수 있다.
상기 하부 전하수송층(13)이 전자수송층인 경우에, 상기 전하수송보조층(13b)의 전도대(또는 LUMO)는 상기 전자 억셉터 물질의 전도대(또는 LUMO)와 상기 1차원 나노구조(13a)의 전도대(또는 LUMO) 사이의 레벨을 가질 수 있다. 이와는 반대로, 하부 전하수송층(13)이 정공수송층인 경우에, 상기 전하수송보조층(13b)의 가전자대(또는 HOMO)는 상기 전자 도너 물질의 가전자대(또는 HOMO)와 상기 1차원 나노구조(13a)의 가전자대(또는 HOMO) 사이의 레벨을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 광활성층(15) 내에서 생성된 전자 또는 정공은 상기 전하수송보조층(13b)과 상기 1차원 나노구조(13a)을 차례로 거쳐서 상기 하부 전극(11)에 전달되므로, 전하수송능력이 더욱 향상될 수 있다. 그러나, 상기 1차원 나노구조(13a)와 상기 광활성층(15)은 직접적으로 연결되는 영역에서는 전하는 상기 전하수송보조층(13b)를 거치지 않고 상기 광활층층(15)에서 상기 1차원 나노구조(13a)로 직접 전달될 수도 있다.
상기 전하수송보조층(13b)은 금속 산화물층 또는 전도성 고분자층일 수 있다. 금속 전구체 용액(금속 산화물층인 경우) 또는 전도성 고분자 용액을 준비하여 이를 상기 1차원 나노구조(13a) 상에 스핀 코팅하고 열처리하여 상기 전하수송보조층(13b)을 형성할 수 있다. 이와는 달리, 상기 1차원 나노구조(13a)를 금속 전구체 용액 또는 전도성 고분자 용액 내에 분산시킨 후, 상기 하부 전극(11) 상에 이를 스핀 코팅하고 열처리하여 상기 1차원 나노구조(13a)와 상기 전하수송보조층(13b)을 동시에 배치할 수 있다. 상기 전하수송보조층(13b)은 일 예로서, 아연 산화물층 또는 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate))층일 수 있다.
상기 상부 전하수송층(17)은 상기 하부 전하수송층(13)과 반대 극성의 전하를 수송하는 층으로, 전자 수송층인 경우에는 주석 산화물층, 티타늄 산화물층, 아연 산화물층, CdSe층 또는 ZnSe층일 수 있고, 정공 수송층인 경우에는 PEDOT:PSS층, 몰리브덴 산화물층, 텅스텐 산화물층, 바나듐 산화물층, 구리 산화물층, CdTe층 또는 ZnTe층일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지를 나타낸 단면도이다. 본 실시예에 따른 유기태양전지는 후술하는 것을 제외하고는, 도 1을 참조하여 설명한 유기태양전지와 동일할 수 있다.
도 2를 참조하면, 전하수송보조층(13b)은 1차원 나노구조(13a)들 사이의 빈 공간을 채울 뿐 아니라 1차원 나노구조(13a)들 상부에도 형성되어, 전체 영역에서 상기 1차원 나노구조(13a)와 광활성층(15) 사이에 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 광활성층(15) 내에서 생성된 전자 또는 정공은 상기 전하수송보조층(13b)과 상기 1차원 나노구조(13a)을 차례로 거쳐서 상기 하부 전극(11)에 전달되므로, 전하수송능력이 더욱 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지를 나타낸 단면도이다. 본 실시예에 따른 유기태양전지는 후술하는 것을 제외하고는, 도 1을 참조하여 설명한 유기태양전지와 동일할 수 있다.
도 3를 참조하면, 하부 전극(11) 상에 전하수송보조층(13b)를 적층한 후, 상기 전하수송보조층(13b) 상에 1차원 나노구조들(13a)을 적층할 수 있다. 이 때, 상기 1차원 나노구조들(13b) 사이의 공간는 광활성층(15)의 하부 일부분에 의해 채워질 수 있다.
이 경우, 상기 광활성층(15) 내에서 생성된 전자 또는 정공은 상기 1차원 나노구조(13a)와 상기 전하수송보조층(13b)을 차례로 거쳐서 상기 하부 전극(11)에 전달되거나, 상기 전하수송보조층(13b) 만을 거쳐서 상기 하부 전극(11)에 전달될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
1차원 나노구조 제조예: ATO 나노 와이어 제조예
0.1 g의 SnCl2?2H2O와 0.018g의 SbCl3?2H2O를 각각 1 ml의 메탄올에 녹인 후 서로 혼합하였다. 이 혼합된 용액을 다시 Poly(vinyl pyrrolidone) 0.3g을 6 ml의 메탄올에 녹인 용액과 혼합하여 전기방사용액을 만들었다. 이 전기방사용액을 전기방사장치의 주사기에 넣고 펌프를 통해 1.0 ml/h의 유속으로 분출시켰다. 이 때 약 10 kV의 고전압을 가해주어 실리콘 포집기에서 약 150nm의 지름을 갖는 Sn 및 Sb 전구체-PVP 혼합 나노 와이어를 포집하였다. 이렇게 포집된 Sn 및 Sb 전구체-PVP 혼합 나노 와이어를 공기분위기에서 600℃의 온도로 6시간 동안 열처리하여, 고분자를 연소시켜 Sb가 도핑된 Sn 나노 와이어(Anomony-doped Tin Oxide nanowire, ATO nanowire)를 형성하였다.
도 4는 상기 1차원 나노구조 제조예를 통해 제조된 ATO 나노 와이어의 전자주사현미경 이미지(a), 전자투과현미경 이미지(b), X-ray 회절 패턴(c) 및 XANES(X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy) 이미지(d)이다.
도 4를 참조하면, 약 40 내지 50nm의 지름과 수 마이크로 미터의 길이를 갖는 ATO 나노 와이어가 제조된 것을 알 수 있으며(a)(b), XRD 패턴에서는 안티몬 관련 피크는 보이지 않으며 전형적인 다결정 주석 산화물 패턴을 보이고 있다(c). 또한, ATO 나노 와이어 내에서 안티몬은 전형적인 도핑된 안티몬 상인 Sb2O5으로 존재하여 +5가를 나타냄을 알 수 있다(d).
실험예 1: 유기태양전지 제조예
유리 기판 상에 하부 전극으로서 ITO층이 코팅된 기판을 제공하였다. 상기 1차원 나노구조 제조예를 통해 제조된 ATO 나노 와이어를 Zn(acet), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 및 에탄올아민(ethanolamine)을 함유하는 용액 내에 분산시켜, ATO 나노 와이어-아연전구체 분산액 내에서 상기 ATO 나노 와이어의 함량이 0.05㎎/㎖가 되도록 하였다. 상기 분산액을 상기 ITO층 상에 스핀코팅한 후 열처리하여 하부 전하수송층을 형성하였다. 전자 도너 물질로서 P3HT와 전자 억셉터 물질로서 PCBM을 디클로로벤젠에 넣어 블렌딩하여 P3HT:PCBM 용액을 만든 후, 상기 하부 전하수송층 상에 상기 P3HT:PCBM 용액을 스핀코팅하여 광활성층을 형성하였다. 상기 광활성층 상에 MoO3층을 형성하여 상부 전하수송층을 형성한 후, 상기 상부 전하수송층 상에 Ag층을 형성하여 상부전극을 형성하였다.
실험예 2: 유기태양전지 제조예
ATO 나노 와이어의 함량이 0.1㎎/㎖가 되도록 ATO 나노 와이어-아연전구체 분산액을 만든 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법을 사용하여 유기태양전지를 제조하였다.
실험예 3: 유기태양전지 제조예
ATO 나노 와이어의 함량이 0.2㎎/㎖가 되도록 ATO 나노 와이어-아연전구체 분산액을 만든 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법을 사용하여 유기태양전지를 제조하였다.
실험예 4: 유기태양전지 제조예
유리 기판 상에 하부 전극으로서 ITO층이 코팅된 기판을 제공하였다. 하부 전극 상에 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 및 에탄올아민(ethanolamine)을 함유하는 용액을 스핀코팅하고 열처리하여 하부 전하수송 보조층으로서 아연 산화물층을 형성하였다. 상기 1차원 나노구조 제조예를 통해 제조된 ATO 나노 와이어를 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol) 내에 분산시킨 분산액을 상기 하부 전하수송 보조층 상에 스핀코팅하고 열처리하여, 상기 하부 전하수송 보조층 상에 ATO 나노 와이어층을 형성하여, 아연 산화물층과 ATO 나노 와이어층의 이중층을 갖는 하부 전하수송층을 형성하였다. 상기 하부 전하수송층 상에 실험예 1과 동일한 방법으로 광활성층, 상부 전하수송층 및 상부 전극을 차례로 형성하였다.
비교예 4
유리 기판 상에 하부 전극으로서 ITO층이 코팅된 기판을 제공하였다. 하부 전극 상에 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 및 에탄올아민(ethanolamine)을 함유하는 용액을 스핀코팅하고 열처리하여 아연 산화물층을 형성하였다. 상기 아연 산화물층 상에 실험예 1과 동일한 방법으로 광활성층, 상부 전하수송층 및 상부 전극을 차례로 형성하였다.
도 5는 실시예 2, 실시예 4 및 비교예를 통해 제조된 유기태양전지들의 전류-전압 그래프이고, 도 5에서 도출할 수 있는 특성들을 정리하면 다음과 같다.
Voc
[V]		 Jsc
[㎃/㎠]		 FF
[%]		 PCE
[%]		 직렬저항
[Ω㎠]		 분로저항
[Ω㎠]
비교예 0.550 9.837 53.4 2.890 0.998 589.2
실시예 2 0.581 9.886 56.3 3.233 0.944 1110.2
실시예 4 0.604 8.941 56.9 3.073 1.073 1012.9
<비교예>
하부 전하수송층으로서 아연 산화물층의 단일층을 적용한 유기태양전지
<실시예 2>
하부 전하수송층으로서 아연 산화물층 내에 ATO 나노 와이어를 삽입한 유기태양전지(ATO 나노 와이어-아연전구체 분산액 내에서 ATO 나노와이어의 함량: 0.1㎎/㎖).
<실시예 4>
하부 전하수송층으로서 아연 산화물층과 그 상부의 ATO 나노 와이어층의 이중층을 갖는 유기태양전지.
도 5 및 표 1을 참조하면, 실시예들 2 및 4를 통해 제조된 유기태양전지는 비교예에 비해 Voc, FF가 증가하였고, 이로 인해 광전변환효율(PCE)가 증가된 것을 알 수 있다. 또한, 실시예들 2 및 4에서는 1차원 나노구조를 전하수송층 내에 적용함으로써, 직렬저항이 감소하였고(작은 값이 바람직함)/또는 분로저항이 증가하였음(큰 값이 바람직함)을 알 수 있다.
도 6은 실시예들 1 내지 3, 및 비교예를 통해 제조된 유기태양전지들의 전류-전압 그래프이고, 도 6에서 도출할 수 있는 특성들을 정리하면 다음과 같다.
Voc
[V]		 Jsc
[㎃/㎠]		 FF
[%]		 PCE
[%]		 직렬저항
[Ω㎠]		 분로저항
[Ω㎠]
비교예 0.550 9.837 53.4 2.890 0.998 589.2
실시예 1 0.592 8.987 56.7 3.108 0.850 1342.5
실시예 2 0.581 9.886 56.3 3.233 0.944 1110.2
실시예 3 0.576 9.001 54.5 2.828 1.186 241.2
<실시예 1>
하부 전하수송층으로서 아연 산화물층 내에 ATO 나노 와이어를 삽입한 유기태양전지(ATO 나노 와이어-아연전구체 분산액 내에서 ATO 나노와이어의 함량: 0.05㎎/㎖).
<실시예 2>
하부 전하수송층으로서 아연 산화물층 내에 ATO 나노 와이어를 삽입한 유기태양전지(ATO 나노 와이어-아연전구체 분산액 내에서 ATO 나노와이어의 함량: 0.1㎎/㎖).
<실시예 3>
하부 전하수송층으로서 아연 산화물층 내에 ATO 나노 와이어를 삽입한 유기태양전지(ATO 나노 와이어-아연전구체 분산액 내에서 ATO 나노와이어의 함량: 0.2㎎/㎖).
도 6 및 표 2를 참조하면, 실시예들 1 및 2를 통해 제조된 유기태양전지는 비교예에 비해 Voc, FF가 증가하였고 또한, 직렬저항이 감소하였고(작은 값이 바람직함) 분로저항이 증가(큰 값이 바람직함)하여, 광전변환효율(PCE)가 증가된 것을 알 수 있다. 한편, 실시예 3에서는 Voc와 FF는 증가하였으나, 직렬저항과 분로저항이 다소 악화되어 광전변환효율이 비교예에 비해 증가하지는 못했다. 이를 통해, 모든 특성을 향상시키기 위해서는 ATO 나노 와이어-아연전구체 분산액 내에서 ATO 나노와이어의 함량은 0.2㎎/㎖ 미만이 바람직함을 알 수 있다.
도 7은 실시예들 1 내지 3을 통해 제조된 유기태양전지의 에너지 다이어그램을 나타낸 개략도이다.
도 7을 참조하면, 아연 산화물층의 전도대는 광활성층의 전자 억셉터 물질인 PCBM의 전도대와 ATO 나노 와이어의 전도대의 사이에 위치하여, 전자수송이 더 효율적으로 일어남을 알 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 특정 실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (18)

  1. 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 1차원 나노구조들과 상기 1차원 나노구조들 사이의 빈 공간을 채우는 하부 전하수송 보조층을 구비하는 하부 전하수송층;
    상기 하부 전하수송층 상에 배치되고 전자 도너 물질과 전자 억셉터 물질을 함유하는 광활성층; 및
    상기 광활성층 상에 배치된 상부 전극을 포함하는 유기태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차원 나노구조들은 금속 산화물 또는 화합물 반도체인 유기태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 1차원 나노구조들은 주석 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 텅스텐 산화물, 몰리브덴 산화물, 바나듐 산화물, 또는 구리 산화물인 유기태양전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 1차원 나노구조들은 CdSe, CdTe, ZnSe 또는 ZnTe인 유기태양전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 1차원 나노구조들은 도펀트가 도핑된 금속 산화물인 유기태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 1차원 나노구조들은 안티몬이 도핑된 주석 산화물인 유기태양전지
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전하수송 보조층은 상기 1차원 나노구조들의 상부를 덮는 유기태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전하수송층이 전자수송층인 경우에,
    상기 하부 전하수송 보조층의 전도대는 상기 전자 억셉터 물질의 전도대와 상기 1차원 나노구조의 전도대의 사이에 위치하는 유기태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전하수송층이 정공수송층인 경우에,
    상기 하부 전하수송 보조층의 가전자대는 상기 전자 억셉터 물질의 가전자대와 상기 1차원 나노구조의 가전자대의 사이에 위치하는 유기태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전하수송 보조층은 아연 산화물층 또는 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate))층인 유기태양전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전하수송층이 전자수송층인 경우에,
    상기 1차원 나노구조는 주석 산화물이고, 상기 하부 전하수송 보조층은 아연 산화물층인 유기태양전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전하수송층이 정공수송층인 경우에,
    상기 1차원 나노구조는 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물층, 바나듐 산화물, 구리 산화물, CdTe 또는 ZnTe이고, 상기 하부 전하수송 보조층은 PEDOT:PSS층인 유기태양전지.
  13. 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 배치된 하부 전하수송 보조층 및 상기 하부 전하수송 보조층 상에 배치된 1차원 나노구조들을 구비하는 하부 전하수송층;
    상기 하부 전하수송층 상에 배치되고 전자 도너 물질과 전자 억셉터 물질을 함유하는 광활성층; 및
    상기 광활성층 상에 배치된 상부 전극을 포함하는 유기태양전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 하부 전하수송 보조층은 아연 산화물층 또는 PEDOT:PSS층인 유기태양전지.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 하부 전하수송층이 전자수송층인 경우에,
    상기 1차원 나노구조는 주석 산화물이고, 상기 하부 전하수송 보조층은 아연 산화물층인 유기태양전지.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 하부 전하수송층이 정공수송층인 경우에,
    상기 1차원 나노구조는 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물층, 바나듐 산화물, 구리 산화물, CdTe 또는 ZnTe이고, 상기 하부 전하수송 보조층은 PEDOT:PSS층인 유기태양전지.
  17. 하부 전극을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극 상에 1차원 나노구조들과 상기 1차원 나노구조들 사이의 빈 공간을 채우는 하부 전하수송 보조층을 구비하는 하부 전하수송층을 형성하는 단계;
    상기 하부 전하수송층 상에 배치되고 전자 도너 물질과 전자 억셉터 물질을 함유하는 광활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 광활성층 상에 배치된 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기태양전지 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 1차원 나노구조들은 전기방사법을 사용하여 형성된 유기태양전지 제조방법.
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