KR101225901B1 - 유기태양전지 및 유기태양전지의 전극 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 유기태양전지 및 유기태양전지의 전극 - Google Patents
유기태양전지 및 유기태양전지의 전극 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 유기태양전지 및 유기태양전지의 전극 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 유기태양전지 및 유기태양전지의 전극 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 유기태양전지 및 유기태양전지의 전극에 관한 것이다.
일례로, 기판의 표면에 자기조립박막을 형성하는 자기조립박막 형성단계; 상기 자기조립박막이 형성된 상기 기판 상에 프린팅 공정을 이용하여 직선 또는 격자 패턴을 갖는 제 1 전극을 형성하는 제 1 전극 형성단계; 상기 제 1 전극이 형성된 투명전극 상에 전도성 유기물질을 포함하는 제 1 보조전극을 형성하는 제 1 보조전극 형성단계; 상기 제 1 보조전극 상에 유기 광흡수층을 형성하는 유기 광흡수층 형성단계; 상기 유기 광흡수층 상에 제 2 보조전극을 형성하는 제 2 보조전극 형성단계; 및 상기 제 2 보조전극 상에 제 2 전극을 형성하는 제 2 전극 형성단계를 포함하는 유기태양전지의 제조방법을 개시한다.
일례로, 기판의 표면에 자기조립박막을 형성하는 자기조립박막 형성단계; 상기 자기조립박막이 형성된 상기 기판 상에 프린팅 공정을 이용하여 직선 또는 격자 패턴을 갖는 제 1 전극을 형성하는 제 1 전극 형성단계; 상기 제 1 전극이 형성된 투명전극 상에 전도성 유기물질을 포함하는 제 1 보조전극을 형성하는 제 1 보조전극 형성단계; 상기 제 1 보조전극 상에 유기 광흡수층을 형성하는 유기 광흡수층 형성단계; 상기 유기 광흡수층 상에 제 2 보조전극을 형성하는 제 2 보조전극 형성단계; 및 상기 제 2 보조전극 상에 제 2 전극을 형성하는 제 2 전극 형성단계를 포함하는 유기태양전지의 제조방법을 개시한다.
Description
본 발명은 유기태양전지 및 유기태양전지의 전극 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 유기태양전지 및 유기태양전지의 전극에 관한 것이다.
일반적으로 유기태양전지는 투명기판, 주석도핑 산화인듐(tin-doped indium oxide) 박막 등의 투명전극(양극), 광흡수층 및 알루미늄 전극(음극)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 상기 광흡수층은 전자 수용체(electron acceptor)와 정공 수용체(hole acceptor tor electron donor)가 혼재되어 있는 벌크 이종접합 구조를 갖는다. 상기 정공 수용체로는 폴리-3-헥실티오펜 [poly-3-hexylthiophene, P3HT]과 같은 티오펜계의 고분자 물질이 사용될 수 있다. 상기 전자 수용체로는 풀러렌 (fullerene, 60)을 사용할 수 있다.
이러한 유기태양전지는 저가격, 대면적화의 유리함, 그리고 공정이 간단한 장점이 있어 향후 플렉서블 소자로서 저분자 진공 증착형 소자에 비해 유리하다고 볼 수 있다.
최근, 비용이 비교적 저렴하고 고속 생산이 가능한 인쇄 공정을 이용하여 유기태양전지를 더욱 효과적으로 제작하기 위해, ITO와 같은 투명전극을 플렉서블 기판 등에 입히는 코팅 공정이 가장 중요한 기술 중 하나로서 부각되고 있다. 이러한 기술 가운데 최근, 전통적인 인쇄 공정에서 사용하는 연속 공정 롤투롤(roll-to-roll) 인라인 인쇄 방식을 통한 전자소자 생산에 관심이 집중되고 있다. 그러나, ITO 전극은 플렉서블 기판에 형성된 후 휘어짐 등의 기계적 충격에 취약한 편이며, 대면적 공정 시 프린팅이 제한적이라는 문제점이 있다.
한편, ITO 전극을 대체할 다양한 미세패턴의 전극이 개발되고 있으며, 이 중에 라인 형태의 그리드 전극이 있다. 이러한 그리드 전극의 제작 방법으로서 소프트 리소그래피(soft lithography)와 임프린팅(imprinting) 등의 방법이 있다. 그러나, 이러한 방법들은 잉크젯 등의 직접 프린팅 공정에 비해 대면적의 평평한 몰드를 제작하거나 노광 장비가 필요하기 때문에 공정단계가 까다롭다는 단점이 있다. 이에 따라, 이러한 방법들은 단속적 생산과 에칭 등으로 인한 생산 공정의 복잡성으로 인해 생산성이 낮다.
일반적인 전자재료용 잉크젯 방식에서 사용되는 써멀 버블(thermal bubble) 잉크젯 헤드는, 사용 가능한 잉크의 제한과 열처리 문제 등으로 인해 디스플레이 공정에 적용하기 어려운 단점이 있다. 또한, 압전 방식의 잉크젯 헤드는, 단위 출력에너지, 잉크의 점성, 액적 불균일, 액적 크기 및 노즐이 잉크 건조에 의해 잘 막히는 현상 등의 한계로 인해 실제 공정에 적용하는데 상당한 어려움이 있다.
젯팅(jetting)에 의한 패턴 형성을 공정에 의해 제어하는 방법 중 대표적으로 전기장을 이용한 노즐의 유체 제어방식(electrohydrodynamic jetting)이 있다. 이 방식은 최근, 고해상도의 프린팅 기술 분야에 적용되어 잉크젯 공정의 새로운 기술분야로서 연구되고 있으나, 노즐의 집적화 및 공정장비의 설계 등으로 인해 상당한 기술적 노하우를 필요로 한다.
이와 같이, 미세패턴을 용이하게 형성할 수 있는 잉크젯 및 분사방식 젯팅 공정은 젯팅용 헤드 및 정전기적 분사방식 등 해당 기술개발에서 요구되는 장비의 사양이 매우 높으며 공정의 안정성 또한 해결되지 못한 상태이다.
본 발명은 플렉서블 기판 및 대면적에 적용이 용이하고, 생산 비용을 절감시키며 성능이 향상된 유기태양진지의 제조방법과 그 제조방법에 의해 제조된 유기태양전지를 제공한다.
또한, 상기 유기태양전지용 전극의 제조방법과 그 제조방법에 의해 제조된 유기태양전지용 전극을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법은, 기판의 표면에 자기조립박막을 형성하는 자기조립박막 형성단계; 상기 자기조립박막이 형성된 상기 기판 상에 프린팅 공정을 이용하여 직선 또는 격자 패턴을 갖는 제 1 전극을 형성하는 제 1 전극 형성단계; 상기 제 1 전극이 형성된 투명전극 상에 전도성 유기물질을 포함하는 제 1 보조전극을 형성하는 제 1 보조전극 형성단계; 상기 제 1 보조전극 상에 유기 광흡수층을 형성하는 유기 광흡수층 형성단계; 상기 유기 광흡수층 상에 제 2 보조전극을 형성하는 제 2 보조전극 형성단계; 및 상기 제 2 보조전극 상에 제 2 전극을 형성하는 제 2 전극 형성단계를 포함한다.
또한, 상기 자기조립박막 형성단계는, 상기 기판의 표면을 친수성 또는 소수성 표면으로 형성하여 상기 기판의 표면 에너지를 조절할 수 있다.
또한, 상기 자기조립박막 형성단계는, 상기 기판의 표면에 알킬실란계 자기조립박막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극 형성단계는, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅 및 그라비어 프린팅 공정을 이용하여 진행할 수 있다.
또한, 상기 제 1 보조전극 형성단계에서, 상기 전도성 유기물질은 PEDOT:PSS[Poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulfonate] 계열의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 유기 광흡수층 형성단계는, 상기 제 1 보조전극 상에 정공 수용층을 형성하는 정공 수용층 형성단계; 및 상기 정공 수용층 상에 전자 수용층을 형성하는 전자 수용층 형성단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 정공 수용층 형성단계는, 폴리-3-알킬티오펜[poly-3-alkylthiophene, P3AT], 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT], 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌 비닐렌[poly(2-methyl,5-(3',7'-dimethyloctyloxy)) -1,4-phenylene vinylene, MDMO-PPV], 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)[poly(2-methoxy,5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, MEH-PPV], 폴리 (3,6-카바졸), 폴리(N-4-옥틸페닐_2,7-카바졸비닐렌)[poly(N-(4-octyloxyphenyl)-2,7-carbazolenevinylene), PCV], 및 폴리(N-옥틸록시페닐)-2,7-카바졸비닐렌-alt-2,5-티오펜) [poly(N-(4-octyloxyphenyl)-2,7-carbazolenevinylene-alt-2,5-thiophene), PCVT] 중 적어도 하나의 전도성 고분자 물질을 포함하여 상기 정공 수용층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 전자 수용층 형성단계는, 풀러렌 유도체를 포함하여 상기 전자 수용층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 풀러렌 유도체는, 페닐-C61-뷰티릭엑시드 메틸에스터[[6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM]를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 보조전극 형성단계는, 할로겐화합물, 알칼리 금속, 및 옥사디아졸계 고분자물질 중 적어도 하나의 물질을 포함하여 상기 제 2 보조전극을 형성하고, 상기 할로겐화합물은 LiF, BaF2, NaF, KF, 및 CsF 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 알칼리 금속은 Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법은, 기판의 표면에 자기조립박막을 형성하는 자기조립박막 형성단계; 및 상기 자기조립박막이 형성된 상기 기판 상에 프린팅 공정을 이용하여 직선 또는 격자 패턴을 갖는 제 1 전극을 형성하는 제 1 전극 형성단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극이 형성된 투명전극 상에 전도성 유기물질을 포함하는 제 1 보조전극을 형성하는 제 1 보조전극 형성단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 보조전극 형성단계에서, 상기 전도성 유기물질은 PEDOT:PSS[Poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulfonate] 계열의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 자기조립박막 형성단계는, 상기 기판의 표면을 친수성 또는 소수성 표면으로 형성하여 상기 기판의 표면 에너지를 조절할 수 있다.
또한, 상기 자기조립박막 형성단계는, 상기 기판의 표면에 알킬실란계 자기조립박막을 형성할 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극 형성단계는, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅 및 그라비어 프린팅 공정을 이용하여 진행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유기태양전지는, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법에 의해 제조된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유기태양전지의 전극은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지의 전극 제조방법에 의해 제조된다.
본 발명에 따르면, 플렉서블 기판 및 대면적에 적용이 용이하고, 생산 비용을 절감시키며 성능이 향상된 유기태양진지의 제조방법과 그 제조방법에 의해 제조된 유기태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 상기 유기태양전지용 전극의 제조방법과 그 제조방법에 의해 제조된 유기태양전지용 전극을 제공할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법을 설명하기 위해 나타낸 흐름도이다.
도 1b는 도 1a의 유기 광흡수층 형성단계를 더욱 구체적으로 설명하기 위해 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 의해 형성된 유기태양전지의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제 1 전극의 패턴의 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 제 1 전극의 현미경 사진이다.
도 5는 실험예 1에 따른 유기태양전지에서 공급전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실험예 2에 따른 유기태양전지에서 공급전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 비교예에 따른 유기태양전지에서 공급전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 1b는 도 1a의 유기 광흡수층 형성단계를 더욱 구체적으로 설명하기 위해 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 의해 형성된 유기태양전지의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제 1 전극의 패턴의 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 제 1 전극의 현미경 사진이다.
도 5는 실험예 1에 따른 유기태양전지에서 공급전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실험예 2에 따른 유기태양전지에서 공급전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 비교예에 따른 유기태양전지에서 공급전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법(S100)을 설명하기 위해 나타낸 흐름도이다. 도 1b는 도 1a의 유기 광흡수층 형성단계(S140)를 더욱 구체적으로 설명하기 위해 나타낸 흐름도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 의해 형성된 유기태양전지(200)의 단면도이다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제 1 전극의 패턴의 예를 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 제 1 전극의 현미경 사진이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법(S100)은, 자기조립박막 형성단계(S110), 제 1 전극 형성단계(S120), 제 1 보조전극 형성단계(S130), 유기 광흡수층 형성단계(S140), 제 2 보조전극 형성단계(S150), 및 제 2 전극 형성단계(S160)를 포함한다.
상기 자기조립박막 형성단계(S110)에서는 상기 기판(210)의 표면에 자기조립박막(211, self assembled monolayer; SAM)을 형성한다.
상기 자기조립박막(211)은 상기 기판(210)의 표면이 친수성 또는 소수성을 갖도록 함으로써 상기 기판(210)의 표면 에너지를 조절할 수 있다. 즉, 상기 제 1 전극(220)의 구성물질과 기판(210) 간의 표면 에너지 차이에 따라 잉크젯 프린팅 공정 시 잉크 방울의 퍼짐(spreading) 정도를 제어할 수 있으며, 이에 따라 미세패턴의 선폭의 조절도 가능하다. 상기 자기조립박막(211)은 후술하는 제 1 전극(220)의 구성물질과 상기 기판(210) 간의 표면 에너지 차이를 증가시킴으로써 제 1 전극(220) 패턴의 선폭을 제어할 수 있도록 한다. 기판(210)의 표면 에너지 제어는 알킬 실란계 버퍼 물질을 이용하여 친수성 또는 소수성 표면을 형성함으로써 가능하다.
상기 자기조립박막(211)은 스핀 코팅, 딥 코팅(dip coating) 또는 증기 증발법 등의 공정을 통하여 형성될 수 있다.
한편, 상기 기판(210)은 유리와 같은 투명기판 또는 다양한 종류의 플렉서블한 플라스틱 기판일 수 있다. 바람직하게는 투명기판일 수 있으며, 투명기판일 경우 양호한 기계적 강도, 열 안정성 및 투명성을 갖는 것이 바람직하다. 투명기판의 예로는 투명 플라스틱 필름 등이 있다.
상기 제 1 전극 형성단계(S120)에서는 잉크젯 프린팅 공정을 이용하여 상기 자기조립박막(211)이 형성된 기판(210) 상에 직선 패턴 또는 격자 패턴을 갖는 제 1 전극(220)을 형성할 수 있다. 상기 제 1 전극(220)은 잉크젯 프린팅 공정뿐만 아니라, 노즐 프린팅 및 그라비어 프린팅 등과 같은 연속코팅공정을 통해서도 형성될 수 있다.
상기 제 1 전극(220)은 도 3a에 도시된 바와 같은 직선 패턴(220a), 도 3b에 도시된 바와 같은 격자 패턴(220b)으로 형성될 수 있다. 또한, 직선 패턴(220a)과 격자 패턴(220b)의 혼합형도 가능하다.
상기 제 1 전극(220)은 일정한 피치(pitch)로 소정의 선폭과 두께를 갖도록 형성할 수 있다. 여기서, 미세패턴의 선폭의 제어는 상술한 바와 같이 상기 기판(210)의 표면 에너지의 제어에 따라 프린팅 공정 시 잉크의 퍼짐 정도를 조절함으로써 가능하다. 따라서, 상기 제 1 전극 형성단계(S120)를 통하여 투명전극에 가까울 정도로 제 1 전극(220)의 선폭과 피치를 조절할 수 있다.
단, 유기태양전지의 광 투과율과 전극의 저항은 미세패턴의 선폭이 증가함에 따라 감소할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 전극(220) 형성 시 최적 저항 및 투명도를 갖도록 미세패턴의 선폭과 피치를 조절하는 것이 중요하다. 이러한 점에서 본 발명의 실시예에 따른 제조방법은 보다 넓은 범위에서 전극의 최적 저항 및 투명도를 조절할 수 있으므로, 유기태양전지의 성능과 효율을 향상시킬 수 있다.
유기태양전지의 효율을 높이기 위해서는 70% 이상의 광 투과율을 가지며, 제 1 전극(220)의 쉬트 저항이 수백 Ω/mm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1 전극(220)의 두께는 10㎚ 내지 1㎛일 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 400㎚일 수 있다.
상기 제 1 전극(220)의 구성 물질로는, 4eV 이상의 일함수를 갖는 금속, 합금 전기전도성 화합물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는, Au, Ag, Cu 등의 물질을 사용할 수 있으며, 투과율 90% 이상인 메쉬(mesh) 형태의 그리드 라인 및 크로스 라인 구조를 형성할 수도 있다.
상기 제 1 보조전극 형성단계(S130)에서는 상기 제 1 전극(220)이 형성된 상기 기판(210) 상에 코팅 공정을 통해 제 1 보조전극(230)을 형성할 수 있다. 제 1 보조전극(230)은 상기 제 1 전극(220)을 덮도록 상기 기판(210) 상에 형성될 수 있다. 이때, 상기 기판(210)의 표면은 친수성 또는 소수성을 가지므로, 친수성 또는 소수성을 갖는 전도성 유기물질로 제 1 보조전극(230)을 형성할 수 있다. 여기서 전도성 유기물질은 PEDOT:PSS[Poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulfonate] 계열의 전도성 고분자 물질을 포함할 수 있다.
이러한 제 1 보조전극(230)은 상기 제 1 전극(220)과 함께 기존의 유기태양전지의 양극 전극인 ITO 전극을 대체할 수 있다.
상기 유기 광흡수층 형성단계(S140)에서는 진공 증착 공정 등을 통하여 상기 제 1 보조전극(230) 상에 적어도 하나의 유기 광흡수층(240)을 형성할 수 있다.
상기 유기 광흡수층(240)은 정공 수용층(241) 및 전자 수용층(242)이 순차적으로 적층되어 구성될 수 있다. 또는, 상기 유기 광흡수층(240)은 상기 정공 수용층(241)과 전자 수용층(242)이 혼합된 구조일 수 있다.
상기 유기 광흡수층(240)은 대략 100nm 내지 230nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 유기 광흡수층(240)은, 도 1b에 도시된 바와 같이, 제 1 보조전극(230) 상에 정공 수용층(241)을 형성하고(S141), 정공 수용층(241) 상에 전자 수용층(242)을 형성(S142)함으로써, 형성될 수 있다.
상기 정공 수용층(241)은, 폴리-3-알킬티오펜[poly-3-alkylthiophene, P3AT], 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT], 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌 비닐렌[poly(2-methyl,5-(3',7'-dimethyloctyloxy)) -1,4-phenylene vinylene, MDMO-PPV], 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)[poly(2-methoxy,5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, MEH-PPV], 폴리 (3,6-카바졸), 폴리(N-4-옥틸페닐_2,7-카바졸비닐렌)[poly(N-(4-octyloxyphenyl)-2,7-carbazolenevinylene), PCV], 및 폴리(N-옥틸록시페닐)-2,7-카바졸비닐렌-alt-2,5-티오펜) [poly(N-(4-octyloxyphenyl)-2,7-carbazolenevinylene-alt-2,5-thiophene), PCVT] 중 적어도 하나의 전도성 고분자 물질을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 전자 수용층(242)은, 풀러렌 유도체를 포함하여 상기 전자 수용층을 형성될 수 있다. 상기 풀러렌 유도체로는, 페닐-C61-뷰티릭엑시드 메틸에스터[[6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM]를 포함할 수 있다.
상기 제 2 보조전극 형성단계(S150)에서는 코팅 공정을 통하여 상기 유기 광흡수층(240) 상에 제 2 보조전극(250)을 형성할 수 있다.
상기 제 2 보조전극(250)은 전자 주입의 기능을 수행하는 층으로서 전자 수송성이 좋은 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 그 구성물질로는, 할로겐화합물, 알칼리 금속, 및 옥사디아졸계 고분자물질 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 여기서 상기 할로겐화합물은 LiF, BaF2, NaF, KF, 및 CsF 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 상기 알칼리 금속은 Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제 2 전극 형성단계(S160)에서는 진공 증착 공정 등을 통하여 상기 제 2 보조전극(250) 상에 제 2 전극(260)을 형성할 수 있다. 상기 제 2 전극(260)은 유기태양전지의 음극 전극으로서, 그 구성물질로는 4eV 미만의 일함수를 갖는 금속, 합금, 전기전도성 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제 2 전극(260)의 구성물질로는 Na, Na-K 합금, 칼슘, 마그네슘, 리튬, 리튬 합금, 인듐, 알루미늄, 마그네슘 합금, 및 알루미늄 합금 등이 있다. 이외에 알루미늄/AlO2, 알루미늄/리튬, 마그네슘/은 또는 마그네슘/인듐 등도 사용할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실험예에 따른 유기태양전지에 대하여 설명하도록 한다.
도 5는 실험예 1에 따른 유기태양전지에서 공급전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다. 도 6은 실험예 2에 따른 유기태양전지에서 공급전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다. 도 7은 비교예에 따른 유기태양전지에서 공급전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
[실험예 1]
본 발명의 실험예 1에서는, 알킬 실란계 SAM 물질인 Octadecyltrichlorosilane(OTS)을 사용하여 유리기판의 표면을 처리한 후 105도 이상에서 water contact angle 조건(23mN/m의 surface energy)에서 수계 용매로 구성된 Ag nanoparticle 잉크를 균일한 라인 패턴이 형성되도록 젯팅(jetting) 공정을 수행함으로써 제 1 전극을 구현하였다. 이때, 인쇄된 전극 라인 패턴의 선폭은 10um이고, 패턴 간 피치는 230um로 측정되었다.
이후, 기판에 인쇄된 전극 라인 패턴에 대략 200도의 열처리 공정을 거친 후, 친수성 전극 물질 및 정공 전달 물질인 PEDOT:PSS(Clevios PH500)를 코팅하여 제 1 보조전극을 형성하였다. 상기 PEDOT:PSS의 코팅 후 열처리는 100도에서 30분 동안 수행하였다.
이후, 유기 광흡수층 코팅 용액을 1000rpm으로 스핀 코팅한 후 건조하여 유기 광흡수층을 형성하였다. 보다 구체적으로, 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 광흡수층을 스핀코팅에 의해 형성시켰다.
이후, 유기 박막 상에 LiF/알루미늄 금속을 증착하여 유기 태양전지 소자를 제조하였다.
이와 같이 제작된 유기태양전지의 구조는 Glass/Ag-grid/ PEDOT-PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al이다.
상기에서 제조된 유기태양전지의 효율을 평가하기 위해서 AM 1.5G 필터를 사용하여 빛의 스펙트럼을 조절하였고, 샘플에 도달하는 광원은 1 sun 조건, 즉 100 mW/cm2으로 조절하였으며, 이러한 표준 조건하에 측정된 제 1 실험예에 따른 유기태양전지(sample 1)의 효율은 하기의 표 1 에 나타내었다.
| sample 1 | |
| Jsc (mA/cm2) | 6.925 |
| FF | 0.605 |
| Voc (V) | 0.610 |
| Efficiency (%) | 2.559 |
[실험예 2]
본 발명의 실험예 2에서는, 실험예 1의 경우와 동일한 구조(Glass/Ag-grid/PEDOT-PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al)의 유기태양전지를 제작하였다. 단, 제 1 보조전극인 PEDOT-PSS (Clevios PH500)과 유기 광흡수층 사이에 전도도가 상대적으로 낮은 PEDOT:PSS (Clevios AI4083)의 박막을 스핀코팅 방법을 통하여 추가적으로 성막하였다. 동일한 표준 측정 조건하에 측정된 제 2 실험예에 따른 유기태양전지(sample 2)의 효율은 하기의 표 2에 나타내었다.
| sample 2 | |
| Jsc (mA/cm2) | 6.344 |
| FF | 0.569 |
| Voc (V) | 0.600 |
| Efficiency (%) | 2.169 |
[비교예]
비교예에서는, 본 발명의 제 1 전극을 사용하지 않는 유기태양전지의 구조로서 유리기판 상에 PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al의 구조를 갖는 유기태양전지를 제작하였다. 약15분 UV-O3 처리한 기판 상에 스핀 코팅을 통해 PEDOT:PSS (Clevios PH500)를 형성하였고 실험예 1 및 2에서 사용된 동일한 성분의 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT]과 페닐-C61-뷰티릭엑시드 메틸에스터[[6,6]phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM]을 클로로벤젠에 4.3wt% 로 각각 녹인 용액을 중량비 1:0.6로 섞어 제조한 광흡수층을 900rpm 으로 스핀 코팅한 후 건조하여 유기 광흡수층을 형성하였다. LIF/Al전극 역시 실험예 1 및2에서와의 동일 조건에서 진공 증착하여 소자를 제조하였다. 역시 표준 조건하에 측정된 비교예에 따른 유기태양전지(sample 3)의 효율을 하기의 표 3에 나타내었다.
| sample 3 | |
| Jsc (mA/cm2) | 7.222 |
| FF | 0.463 |
| Voc (V) | 0.610 |
| Efficiency (%) | 2.041 |
상기와 같이, 본 발명의 제 1 전극이 형성된 실험예 1 및 2에 따른 유기태양전지(sample 1, 2)은 본 발명과 같은 제 1 전극이 형성되지 않은 비교예에 따른 유기태양전지(sample 3)에 비해 전류밀도 등의 효율이 더 좋다는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 프린팅 방식을 사용하면서도 기판의 표면 처리공정을 통해 미세 선폭의 제어가 용이하도록 하였고, 광활성층과 계면 보조층 등을 적절하게 사용하여 저저항 전극을 형성함으로써, 고효율의 유기태양전지를 제공할 수 있다.
이에 따라, 플렉서블 혹은 대면적 응용에 어렵거나 비용 부담이 큰 기존의 ITO 전극과 같은 투명전극을 대체할 수 있다.
또한, 인쇄형 그리드 투명 전극을 도입함으로써, 다양한 모양, 크기로 제작 가능하며 플렉서블 기판에서의 적용성을 높일 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 유기태양전지 및 유기태양전지의 전극 제조방법 및 그 제조방법에 의한 유기태양전지 및 유기태양전지의 전극을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
200: 유기태양전지
211: 자기조립박막
220: 제 1 전극
230: 제 1 보조전극
240: 유기 광흡수층
241: 정공 수용층
242: 전자 수용층
250: 제 2 보조 전극
260: 제 2 전극
211: 자기조립박막
220: 제 1 전극
230: 제 1 보조전극
240: 유기 광흡수층
241: 정공 수용층
242: 전자 수용층
250: 제 2 보조 전극
260: 제 2 전극
Claims (18)
- 기판의 표면에 자기조립박막을 형성하는 자기조립박막 형성단계;
상기 자기조립박막이 형성된 상기 기판 상에 프린팅 공정을 이용하여 직선 또는 격자 패턴을 갖는 제 1 전극을 형성하는 제 1 전극 형성단계;
상기 제 1 전극이 형성된 투명전극 상에 전도성 유기물질을 포함하는 제 1 보조전극을 형성하는 제 1 보조전극 형성단계;
상기 제 1 보조전극 상에 유기 광흡수층을 형성하는 유기 광흡수층 형성단계;
상기 유기 광흡수층 상에 제 2 보조전극을 형성하는 제 2 보조전극 형성단계; 및
상기 제 2 보조전극 상에 제 2 전극을 형성하는 제 2 전극 형성단계를 포함하는 유기태양전지의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 자기조립박막 형성단계는,
상기 기판의 표면을 친수성 또는 소수성 표면으로 형성하여 상기 기판의 표면 에너지를 조절하는 유기태양전지의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 자기조립박막 형성단계는,
상기 기판의 표면에 알킬실란계 자기조립박막을 형성하는 유기태양전지의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극 형성단계는,
잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅 및 그라비어 프린팅 공정을 이용하여 진행하는 유기태양전지의 전극 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 보조전극 형성단계에서,
상기 전도성 유기물질은 PEDOT:PSS[Poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulfonate] 계열의 물질을 포함하는 유기태양전지의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 유기 광흡수층 형성단계는,
상기 제 1 보조전극 상에 정공 수용층을 형성하는 정공 수용층 형성단계; 및
상기 정공 수용층 상에 전자 수용층을 형성하는 전자 수용층 형성단계를 포함하는 유기태양전지의 제조방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 정공 수용층 형성단계는,
폴리-3-알킬티오펜[poly-3-alkylthiophene, P3AT], 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT], 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌 비닐렌[poly(2-methyl,5-(3',7'-dimethyloctyloxy)) -1,4-phenylene vinylene, MDMO-PPV], 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)[poly(2-methoxy,5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, MEH-PPV], 폴리 (3,6-카바졸), 폴리(N-4-옥틸페닐_2,7-카바졸비닐렌)[poly(N-(4-octyloxyphenyl)-2,7-carbazolenevinylene), PCV], 및 폴리(N-옥틸록시페닐)-2,7-카바졸비닐렌-alt-2,5-티오펜) [poly(N-(4-octyloxyphenyl)-2,7-carbazolenevinylene-alt-2,5-thiophene), PCVT] 중 적어도 하나의 전도성 고분자 물질을 포함하여 상기 정공 수용층을 형성하는 유기태양전지의 제조방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 전자 수용층 형성단계는, 풀러렌 유도체를 포함하여 상기 전자 수용층을 형성하는 하는 유기태양전지의 제조방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 풀러렌 유도체는,
페닐-C61-뷰티릭엑시드 메틸에스터[[6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM]를 포함하는 유기태양전지의 제조방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 2 보조전극 형성단계는,
할로겐화합물, 알칼리 금속, 및 옥사디아졸계 고분자물질 중 적어도 하나의 물질을 포함하여 상기 제 2 보조전극을 형성하고,
상기 할로겐화합물은 LiF, BaF2, NaF, KF, 및 CsF 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 알칼리 금속은 Ca, 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하는 유기태양전지의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 유기태양전지.
- 기판의 표면에 자기조립박막을 형성하는 자기조립박막 형성단계;
상기 자기조립박막이 형성된 상기 기판 상에 프린팅 공정을 이용하여 직선 또는 격자 패턴을 갖는 제 1 전극을 형성하는 제 1 전극 형성단계; 및
상기 제 1 전극이 형성된 투명전극 상에 전도성 유기물질을 포함하는 제 1 보조전극을 형성하는 제 1 보조전극 형성단계를 포함하는 유기태양전지의 전극 제조방법. - 삭제
- 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 보조전극 형성단계에서,
상기 전도성 유기물질은 PEDOT:PSS[Poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrenesulfonate] 계열의 물질을 포함하는 유기태양전지의 제조방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 자기조립박막 형성단계는,
상기 기판의 표면을 친수성 또는 소수성 표면으로 형성하여 상기 기판의 표면 에너지를 조절하는 유기태양전지의 전극 제조방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 자기조립박막 형성단계는,
상기 기판의 표면에 알킬실란계 자기조립박막을 형성하는 유기태양전지의 전극 제조방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 전극 형성단계는,
잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅 및 그라비어 프린팅 공정을 이용하여 진행하는 유기태양전지의 전극 제조방법. - 제 12 항, 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 유기태양전지의 전극.
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