KR101239171B1 - Organic Solar Cells with dye, and Method of Manufacturing the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 정공수송층을 포함하는 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an organic solar cell including a hole transport layer and a method of manufacturing the same.
Description
본 발명은 염료를 포함하는 광활성층을 포함하는 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an organic solar cell including a photoactive layer containing a dye and a method of manufacturing the same.
석유자원 고갈의 위기감, 교토 의정서의 기후변화 협약 발효, 신흥 개도국들의 경제성장에 따른 폭발적인 에너지 수요 등 기존 에너지와 차원이 다른 청정 무제한의 에너지가 요구되고 있으며, 국가적인 차원에서 신,재생에너지 기술개발이 진행되고 있다. There is a need for clean and unlimited energy that is different from the existing energy such as the crisis of exhaustion of oil resources, the entry into force of the Kyoto Protocol's climate change agreement, and the explosive demand for energy due to the economic growth of emerging developing countries. This is going on.
신재생 에너지 중에서 태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자이며, 현재 우주에서부터 가정에 이르기까지 전원공급용으로 광범위하게 활용되고 있다. Among the renewable energy, solar cells are the core elements of photovoltaic power generation that converts sunlight directly into electricity, and are widely used for power supply from space to home.
이러한 태양전지는 주로 실리콘이나 화합물 반도체를 이용하고 있으나, 실리콘 또는 화합물 반도체 태양전지는 반도체 소자 제작공정으로 제조되기 때문에 제조단가가 높다. 특히 태양전지의 주된 부분을 차지하고 있는 실리콘 태양전지는 실리콘 원자재의 수급에 어려움을 겪고 있다. Such solar cells mainly use silicon or compound semiconductors, but silicon or compound semiconductor solar cells are manufactured in a semiconductor device manufacturing process and thus have high manufacturing costs. In particular, silicon solar cells, which occupy a major portion of solar cells, have difficulty in supplying and receiving silicon raw materials.
이러한 상황에서 실리콘 소재를 사용하지 않는 유기태양전지가 본격 연구되기 시작하였으며, 효율이 높은 유기태양전지의 대한 요구가 증대되고 있다.Under these circumstances, organic solar cells that do not use silicon materials have begun to be studied in earnest, and demand for highly efficient organic solar cells is increasing.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 광전변환효율이 높은 태양전지를 제공하기 위한 것이다.In this background, an object of the present invention is to provide a solar cell having high photoelectric conversion efficiency.
일측면으로 염료를 포함하는 광활성층을 포함하는 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다. Provided is a solar cell including a photoactive layer including a dye in one aspect and a method of manufacturing the same.
도 1은 일실시예에 따른 유기태양전지를 나타낸다.
도 2는 다른 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법의 흐름도이다.
도 3는 전자주개:염료복합체 형성(카르복실산기와 비공유전자쌍과의 상호작용)의 개념도이다.
도 4는 전자주개:염료복합체 형성(술폰산기와 비공유전자쌍과의 상호작용)의 개념도의 개념도이다.
도 5는 전자주개:염료복합체 형성(인산기와 비공유전자쌍과의 상호작용)의 개념도이다.
도 6은 염료를 포함하지 않는 광활성층과 염료를 포함하는 광활성층의 XPS 분석결과를 나타낸다.
도 7은 실시예 1에 따른 유기태양전지의 전류 밀도-전압 특성을 나타낸다.
도 8은 실시예 3에 따른 유기태양전지의 전류 밀도-전압 특성을 나타낸다.
도 9는 실시예 6에 따른 유기태양전지의 전류 밀도-전압 특성을 나타낸다.1 illustrates an organic solar cell according to an embodiment.
2 is a flowchart of a method of manufacturing an organic solar cell according to another embodiment.
3 is a conceptual diagram of electron donor: dye complex formation (interaction of a carboxylic acid group with a non-covalent electron pair).
4 is a conceptual diagram of an electron donor: dye complex formation (interaction of a sulfonic acid group with a non-covalent electron pair).
5 is a conceptual diagram of electron donor: dye complex formation (interaction of phosphate group with non-covalent electron pair).
6 shows the XPS analysis results of the photoactive layer containing no dye and the photoactive layer containing dye.
7 shows current density-voltage characteristics of the organic solar cell according to Example 1. FIG.
8 shows current density-voltage characteristics of an organic solar cell according to Example 3. FIG.
9 shows current density-voltage characteristics of the organic solar cell according to Example 6. FIG.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. In addition, in describing the component of this invention, terms, such as 1st, 2nd, A, B, (a), (b), can be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements.
어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
When a component is described as being "connected", "coupled", or "connected" to another component, the component may be directly connected to or connected to the other component, It should be understood that an element may be "connected,""coupled," or "connected."
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지를 나타낸다. 1 shows an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지는 기판(100), 제1 전극(101), 광활성층(103) 및 제2 전극(105)을 포함한다. 이 때 제1 전극(101)과 제2 전극(105)은 서로 대향한다. As shown in FIG. 1, an organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
제1 전극(101)은 제2 전극(105)에 비하여 높은 일함수를 가진 투명전도성 물질로 이루어질 수 있다. The
광활성층(103)은 전자주개 물질, 전자받개 물질 및 반응성기를 갖는 염료를 포함하고 있다. 다시말해 광활성층(103)은 전자주개 물질에 존재하는 비공유전자쌍과 염료의 반응성기가 상호작용하여 전자주개에 도입된 염료(이하 "전자주개:염료 복합체"라 함)를 포함하고 있다. 이때 이 상호작용은 비공유전자쌍과 반응성기 간의 화학결합, 정전기적인 인력 등을 의미할 수 있다.The
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지에 빛이 입사되면, 빛은 기판(100), 제1 전극(101)을 거쳐 광활성층(103)에 도달한다. 빛은 광활성층(103)에 존재하는 전자주개 또는 도너 물질에 흡수되어 여기 상태의 전자-정공 쌍이 형성된다. When light is incident on the organic solar cell according to the exemplary embodiment of the present invention, the light reaches the
전자-정공 쌍은 임의의 방향으로 확산하다가 전자받게 또는 억셉터 물질의 계면을 만나면 전자와 정공으로 분리된다. 즉, 전자는 전자 친화도가 큰 전자받게 또는 억셉터 물질로 이동하고 정공은 전자주개 또는 도너 물질에 남아 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리된다. The electron-hole pair diffuses in any direction and then splits into electrons and holes when it meets the interface of the electron acceptor or acceptor material. That is, electrons move to the electron acceptor or acceptor material having a high electron affinity, and holes remain in the electron donor or donor material, and the electron-hole pair is separated into electrons and holes.
분리된 전자와 정공은 제1 전극(101) 및 제2 전극(105) 사이의 일함수 차이로 형성된 내부 자기장과 전하의 농도 차에 의해 각각의 전극으로 이동하여 수집되며 최종적으로 외부 회로를 통해 전류의 형태로 흐른다.The separated electrons and holes are collected and moved to each electrode by the concentration difference between the internal magnetic field and the charge formed by the work function difference between the
한편, 일실시예에 따른 유기태양전지는 버퍼층의 역할을 수행하며 제1 전극(101)과 광활성층(103) 사이에 위치하는 정공수송층(102)과, 버퍼층의 역할을 수행하며 광활성층(103)과 상기 제1 전극(101)에 비하여 낮은 일함수를 가진 제2 전극(105) 사이에 위치하는 전자수송층(104)을 더 포함할 수 있다. 즉, 정공수송층(102)은 정공이 일함수가 높은 제1 전극(101)으로 이동하는 것을 용이하게 하고, 전자수송층(104)는 전자가 일함수가 낮은 제2 전극(105)으로 이동하는 것을 용이하게 한다.
On the other hand, the organic solar cell according to an embodiment serves as a buffer layer and the
이상 도면을 참조하여 일실시예에 따른 유기태양전지를 설명하였으나 이하 유기태양전지의 제조방법에 대해 설명한다. Hereinafter, an organic solar cell according to an embodiment has been described with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, a method of manufacturing an organic solar cell will be described.
도 2는 다른 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법의 흐름도이다.2 is a flowchart of a method of manufacturing an organic solar cell according to another embodiment.
도 2를 참조하면 유기태양전지의 제조방법은 기판 상에 제1전극을 형성하는 단계(S601), 제1전극 상에 정공수송층을 형성하는 단계(S602), 정공수송층 상에 염료를 포함하는 광활성층을 형성하는 단계(S603), 광활성층 상에 전자수송층을 형성하는 단계(S604), 전자수송층 상에 제2전극을 형성하는 단계(S605)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2, in the method of manufacturing an organic solar cell, a step of forming a first electrode on a substrate (S601), a step of forming a hole transport layer on a first electrode (S602), and photoactive activity including a dye on the hole transport layer Forming a layer (S603), forming an electron transport layer on the photoactive layer (S604), and forming a second electrode on the electron transport layer (S605) may be included.
이때 각 단계는 진공방식이 적용될 수도 있고 습식방식이 적용될 수도 있다. 진공방식이라 함은 진공챔버(vacuum chamber) 내에서 해당되는 단위 박막을 형성하는 것을 의미하며 각 층의 종류에 따라 열증착, 스퍼트증착, chemical vapor deposition, 전자빔 증착 등이 적용될 수 있다. 또한 습식방식이라 함은 해당되는 소재를 액상의 매질에 용해시키거나 분산시킨 후 잉크젯프린팅, 스크린프린팅, 그라비아(gravure)프린팅, 플렉소그라피(flexography), 닥터블레이드(doctor blade)코팅 방식, 전기도금 방식, 전기영동방식, 딥코팅(dip coating) 방식 등으로 박막을 형성하는 것을 의미한다.At this time, each step may be a vacuum method or a wet method may be applied. The vacuum method means forming a corresponding unit thin film in a vacuum chamber, and thermal deposition, sputter deposition, chemical vapor deposition, electron beam deposition, etc. may be applied according to the type of each layer. In addition, the wet method refers to ink jet printing, screen printing, gravure printing, flexography, doctor blade coating, electroplating after dissolving or dispersing a corresponding material in a liquid medium. The thin film is formed by a method, an electrophoresis method, a dip coating method, or the like.
도 1 및 도 2를 참조하여 다른 실시예에 따른 유기태양전지의 제조 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, a method of manufacturing an organic solar cell according to another embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.
<기판(100) 및 제1 전극(101)의 형성> <Formation of
기판(100)을 통하여 빛이 입사될 경우 기판(100)은 광투과성을 갖는 물질로 형성되며, 무색 투명한 물질로 이루어질 수도 있고, 착색되어 있을 수도 있다. 예를 들어, 기판(100)은 소다석회 실리카 유리, 비정질 유리, 폴리 이미드와 같은 유연성있는 플라스틱 등과 같이 빛을 투과시킬 수 있으면 무엇이든지 사용될 수 있다.When light is incident through the
이러한 기판(100)은 사용 직전에 세정공정을 거치며, 아세톤, 알콜 물 혹은 이들의 혼합 용액에 담근 후 초음파 세정을 실시한다. The
제1 전극(101)은 전기전도성을 가지며 투명한 물질일 수 있다. 한편 제1전극(101)은 정공수송층(102)과 오믹접합이 가능할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(101)은 In2O3, ITO(indium-tin oxide), p형 IGZO(indium-gallium-zinc oxide), Ga2O3-In2O3, ZnO, ZnO-In2O3, AZO(Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al), Zn2In2O5-In4Sn3O12, SnO2, FTO(Fluorine-doped tin oxide; SnO2:F), ATO(Aluminium-tin oxide; SnO2:Al) 등과 같이 인듐(In), 틴(Sn), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 알루미늄(Al)과 같은 금속의 단독 혹은 복합산화물일 수 있다.The
제1 전극(101)은 DC 스퍼터링 방식, 화학적 증착법(CVD), 원자층 증착(ALD), 졸겔 코팅(sol-gel coating), 전기도금법 등으로 형성될 수 있다. 제1 전극(101)의 두께는 100 nm 이상 1,000 nm 이하일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. The
기판(100) 상부에 형성된 제1 전극(101)은 아세톤, 알콜, 물 혹은 이들의 혼합용액에 담근 후 초음파 세정이 실시될 수 있다.
The
<정공수송층(102)의 형성><Formation of
정공수송층(102)은 정공을 수송하는 능력을 갖고, 전자를 차단하는 특성 뿐 아니라 박막 형성 능력이 우수한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어 정공수송층(102)는 프탈로 시아닌계 안료, 인디고, 티오인디고계 안료, 멜로시아닌 화합물, 시아닌 화합물 등의 저분자 화합물, PEDOT:PSS [poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate)], G-PEDOT [poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate):polyglycol(glycerol)], PANI:PSS[polyaniline:poly(4-styrene sulfonate)], PANI:CSA(polyaniline:camphor sulfonic acid), PDBT[poly(4,4'-dimethoxy bithophene)], 아릴아민기(aryl amine group)를 가지는 저분자와 고분자, 방향족아민기(aromatic amine group)를 가지는 저분자와 고분자소재, MoO3, V2O5, NiO, WO3 등과 같은 금속산화물일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. The
정공수송층(102)은 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법 등에 의해 형성될 수 있으며, 진공 하에서 열증착이나 스퍼터링 방식에 의해 형성될 수도 있다.The
정공 수송층(102)의 두께는 5~300 nm일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. The thickness of the
이러한 정공수송층(102)은 제1전극(101)과 광활성층(103) 사이의 계면에너지를 제어하여 정공의 원활한 흐름을 유도하여 광활성층(103)에서 생성된 정공을 제1전극(1010)으로 전달하는 역할을 수행하므로, 태양전지의 효율을 상승시키는데 일조할 수 있지만 태양전지로서 작동하는데 반드시 필요한 것은 아니다.
The
<광활성층 형성><Photoactive Layer Formation>
광활성층(103)은 정공수송층(102) 상에 형성될 수 있다. 광활성층(103)은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어 광활성층(103)은 (1) 전자받개(A) 물질과 전자주개(D):염료(C)복합체 물질의 혼합박막[(A+D:C) blend]층의 1층구조일 수도 있고, (2) 전자받개(A) 물질과 전자주개(D):염료(C)복합체가 각각 적층된 형태(A/D:C)의 2층구조일 수도 있고, (3)전자받개(A)층과 전자주개(D):염료(C)복합체층 사이에 상기 혼합박막이 끼어 있는 3층구조[A/(A+D:C)/D:C]일 수도 있고 또다른 3층 구조의 예로서 전자받개(A)층과 전자주개(D)층 사이에 상기 혼합박막이 끼어 있는 3층구조[A/(A+D:C)/D]일 수도 있다. The
전자받게(A) 또는 억셉터 물질은 풀러렌(fullerene; C60), [6,6]-페닐-C61-부티릭 액시드 메틸 에테르([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ether; PCBM), [6,6]-페닐-C71-부티릭 액시드 메틸 에테르([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ether; PC70BM)와 같은 풀러렌 유도체, 페릴렌(perylene)과 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실릭비스벤즈이미다졸(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole; PTCBI)와 같은 페릴렌 유도체, ZnO, TiO2, CdS, CdSe, 또는 ZnSe와 같은 반도체 나노입자로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 이 때 반도체 나노 입자의 크기는 1 nm 이상 100 nm 이하일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electron acceptor (A) or acceptor material is fullerene (C60), [6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ether ([6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ether; PCBM ), Fullerene derivatives such as [6,6] -phenyl-C71-butyric acid methyl ether (PC70BM), perylene and 3,4 Perylene derivatives, such as 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole (PTBBI), semiconductor nanoparticles such as ZnO, TiO 2 , CdS, CdSe, or ZnSe It may be one or more selected from the group consisting of. In this case, the size of the semiconductor nanoparticles may be 1 nm or more and 100 nm or less, but is not limited thereto.
전자주개:염료복합체의 구성요소 중의 하나인 전자주개(D) 또는 도너 물질은 분자내에 비공유전자쌍을 갖는 반도체 특성의 화합물일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 전자주개:염료복합체는 태양광을 흡수하여 엑시톤(전자-정공쌍)을 형성시키는 역할을 할 수 있다. Electron donor: An electron donor (D) or donor material, which is one of the components of the dye complex, may be a compound having a semiconductor characteristic having a non-covalent electron pair in a molecule, but is not limited thereto. Electron donor: Dye complex can act to absorb sunlight and form excitons (electron-hole pairs).
예를 들어 전자주개(D) 또는 도너 물질은 poly[[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl]-2,5- thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl- 2,5-thiophenediyl](PCDTBT) 등과 같은 카바졸계 고분자 유도체, poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 등과 같은 티오펜계 고분자 유도체, poly[2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl]](PCPDTBT), poly[(4,4-dioctyldithieno(3,2-b:2',3'-d)silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothia diazole)-4,7-diyl](PSBTBT), poly[4,8-bis-alkyloxybenzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene-2,6-diyl -alt-(alkylthieno(3,4-b)thiophene-2-carboxylate)-2,6-diyl](PBDTTT), Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]](PTB7), poly[4,8-bis(2-ethyl hexyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-octanoyl-5-fluoro-thieno [3,4-b]thiophene-2-carboxylate)2,6-diyl](PBDTTT-CF) 등과 같은 싸이클로펜타다이티오펜계 고분자 유도체, poly[2,7-(9,9'-hexylfluorene)-alt-2,3-dimethyl-5,7-dithien-2-yl-2,1,3-benzothiadiazole](PFDTBT), poly[2,7-(9,9'-hexylfluorene)-alt-2,3-dimethyl-5,7-dithien-2-yl-thieno[3,4-b]pyrazine](PDTTP), poly[2,7-(9,9-dioctyl-fluorene)-alt-5,5-(4,7-di-2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole)](PFO-DBT), poly[(2,7-dioctylsilafluorene)-2,7-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5-diyl](PSiFDTBT)등과 같은 플루오렌(fluorene)계 고분자 유도체 등을 포함하는 전도성 고분자일 수 있다. For example, an electron donor (D) or donor material may be poly [[9- (1-octylnonyl) -9H-carbazole-2,7-diyl] -2,5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4, Carbazole polymer derivatives such as 7-diyl-2,5-thiophenediyl] (PCDTBT), thiophene polymer derivatives such as poly (3-hexylthiophene) (P3HT), poly [2,1,3-benzothiadiazole-4,7 -diyl [4,4-bis (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2,1-b: 3,4-b '] dithiophene-2,6-diyl]] (PCPDTBT), poly [(4,4 -dioctyldithieno (3,2-b: 2 ', 3'-d) silole) -2,6-diyl-alt- (2,1,3-benzothia diazole) -4,7-diyl] (PSBTBT), poly [4,8-bis-alkyloxybenzo (1,2- b : 4,5- b ' ) dithiophene-2,6-diyl-alt- (alkylthieno (3,4- b ) thiophene-2-carboxylate) -2, 6-diyl] (PBDTTT), Poly [[4,8-bis [(2-ethylhexyl) oxy] benzo [1,2-b: 4,5-b '] dithiophene-2,6-diyl] [3- fluoro-2-[(2-ethylhexyl) carbonyl] thieno [3,4-b] thiophenediyl]] (PTB7), poly [4,8-bis (2-ethyl hexyloxy) benzo (1,2-b: 4, 5-b ') dithiophene-2,6-diyl-alt- (4-octanoyl-5-fluoro-thieno [3,4-b] thiophene-2-carboxylate) 2,6-diyl] (PBDTTT-CF) and the like Same cyclopentadi Thiophene polymer derivative, poly [2,7- (9,9'-hexylfluorene) -alt-2,3-dimethyl-5,7-dithien-2-yl-2,1,3-benzothiadiazole] (PFDTBT) , poly [2,7- (9,9'-hexylfluorene) -alt-2,3-dimethyl-5,7-dithien-2-yl-thieno [3,4-b] pyrazine] (PDTTP), poly [ 2,7- (9,9-dioctyl-fluorene) -alt-5,5- (4,7-di-2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole)] (PFO-DBT), poly [(2 , 7-dioctylsilafluorene) -2,7-diyl- alt - fluorene, such as (4,7-bis (2-thienyl ) -2,1,3-benzothiadiazole) -5,5-diyl] (PSiFDTBT) (fluorene ) May be a conductive polymer including a polymer derivative.
구체적으로 비공유전자쌍을 갖는 다양한 전자주개 물질은 다음 화학식1로 표현되는 화합물들 중 하나일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. Specifically, various electron donor materials having a lone pair may be one of compounds represented by the following Chemical Formula 1, but are not limited thereto.
[화학식 1] [Formula 1]
P3HT PCDTBTP3HT PCDTBT
PCPDTBT PTB1 PCPDTBT PTB1
화학식 1에서 알 수 있듯이 P3HT 및 PTB1은 분자내에 비공유전자쌍을 갖는 황원자(S)를 포함하고 있으며, PCDTBT 및 PCPDTBT의 경우 비공유전자쌍을 갖는 황원자(S)와 질소원자(N)를 동시에 가지고 있다. 이러한 황원자 및 질소원자에 포함된 비공유전자쌍은 염료의 반응성기와 상호작용(화학결합을 통한 이온결합 형성 혹은 dipole-dipole interaction 등)을 하는 기능을 수행하게 된다. As can be seen from the formula (1) P3HT and PTB1 includes a sulfur atom (S) having a non-covalent electron pair in the molecule, and in the case of PCDTBT and PCPDTBT has a sulfur atom (S) and a nitrogen atom (N) having a non-covalent electron pair at the same time. The non-covalent electron pairs contained in these sulfur and nitrogen atoms interact with the reactive groups of the dye (eg, ionic bond formation or dipole-dipole interaction).
전자주개:염료복합체의 또 다른 구성요소 중의 하나인 염료는 상기 전자주개의 비공유전자쌍과 상호작용을 할 수 있는 반응성기를 포함하고 있어 가시광이나 적외선을 흡수할 수 있는 물질일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 화학식 2 내지 4에 나타난 바와 같이 염료에서 비공유전자쌍과 상호작용을 할 수 있는 반응성기로는 카르복실산기, 술폰산기, 인산기를 예로 들 수 있으나 이에 제한되지 않는다. Electron donor: Dye, which is another component of the dye complex, may include a reactive group capable of interacting with a non-covalent electron pair of the electron donor, and may be a material capable of absorbing visible or infrared light, but is not limited thereto. As shown in
예를 들어 카르복실산기(carboxylic acid group)를 갖는 염료는 화학식 2로 표현된 화합물들 중 하나일 수 있다. For example, the dye having a carboxylic acid group may be one of the compounds represented by the formula (2).
[화학식 2][Formula 2]
C-1 C-2 C-3 C-4C-1 C-2 C-3 C-4
C-5 C-6 C-7 C-5 C-6 C-7
C-8 C-9 C-10C-8 C-9 C-10
C-11 C-12 C-13C-11 C-12 C-13
C-14 C-15 C-16 C-14 C-15 C-16
C-17 C-18 C-17 C-18
예를 들어 술폰산기(sulfonic acid group)를 갖는 염료는 화학식 3으로 표현된 화합물들 중 하나일 수 있다. For example, the dye having a sulfonic acid group may be one of the compounds represented by the formula (3).
[화학식 3] (3)
S-1 S-2 S-3 S-1 S-2 S-3
S-4 S-5 S-4 S-5
예를 들어 인산기(phosphoric acid group)를 갖는 염료를 갖는 염료는 화학식 4로 표현된 화합물들 중 하나일 수 있다.For example, the dye having a dye having a phosphoric acid group may be one of the compounds represented by the formula (4).
[화학식 4][Formula 4]
P-1 P-2 P-3 P-1 P-2 P-3
P-4 P-5P-4 P-5
반응성기를 갖는 염료와 전자주개 물질에 존재하는 비공유전자쌍은 다양한 상호작용(화학결합을 통한 이온결합 형성 혹은 dipole-dipole interaction 등)이 가능하며, 그 중에서 화학결합을 통한 이온결합의 형성 예를 도 3 내지 도5에 나타내었다. 즉, 전자주개에 포함된 황원자 혹은 질소원자(비공유전자쌍)와 염료가 가지고 있는 반응성기가 상호작용하여 전자주개:염료복합체를 형성할 수 있다. The non-covalent electron pair present in the dye having a reactive group and the electron donor material can be various interactions (such as the formation of ionic bonds or dipole-dipole interaction through chemical bonds), among which the formation of ionic bonds through chemical bonds is shown in FIG. To FIG. 5. That is, a sulfur atom or a nitrogen atom (non-covalent electron pair) included in the electron donor and a reactive group of the dye may interact to form an electron donor: dye complex.
이때 도 3는 전자주개:염료복합체 형성(카르복실산기와 비공유전자쌍과의 상호작용)의 개념도이다. 도 4는 전자주개:염료복합체 형성(술폰산기와 비공유전자쌍과의 상호작용)의 개념도의 개념도이다. 도 5는 전자주개:염료복합체 형성(인산기와 비공유전자쌍과의 상호작용)의 개념도이다. 3 is a conceptual diagram of electron donor: dye complex formation (interaction of a carboxylic acid group with a non-covalent electron pair). 4 is a conceptual diagram of an electron donor: dye complex formation (interaction of a sulfonic acid group with a non-covalent electron pair). 5 is a conceptual diagram of electron donor: dye complex formation (interaction of phosphate group with non-covalent electron pair).
도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이 전자주개에 존재하는 황원자와 질소원자는 비공유전자쌍을 가지고 있으며, 염료에 존재하는 반응성기(주로 산성기)와 상호작용하여 전자주개:염료복합체 형성이 가능할 수 있다. 구체적인 전자주개:염료 복합체를 화학식 5에 나타내었다. 3 to 5, the sulfur atom and the nitrogen atom present in the electron donor have a non-covalent electron pair, and may interact with a reactive group (mainly an acid group) present in the dye to form an electron donor: dye complex. . Specific electron donor: dye complex is shown in the formula (5).
[화학식 5][Chemical Formula 5]
화학식 5에 도시한 바와 같이 염료의 반응성기와 전자주개의 비공유전자쌍이 화학반응이 진행되어 이온결합을 형성할 수도 있으며, 염료의 반응성기와 전자주개의 비공유전자쌍 간의 dipole-dipole interaction을 형성할 수도 있다. 염료에 포함된 반응성기의 수는 분자당 1개 이상일 수도 있고 반응성기가 여러개 일 수도 있으나 이에 제한되지 않는다. 이와같이 반응성기가 여러개 일 경우는 전자주개 분자내에 존재하는 비공유전자쌍과의 상호작용에 일부 또는 전부의 반응성기가 참여할 수도 있다. As shown in Formula 5, the non-covalent electron pair of the reactive group of the dye and the electron donor may undergo a chemical reaction to form an ionic bond, or may form a dipole-dipole interaction between the non-covalent electron pair of the dye and the reactive group of the dye. The number of reactive groups included in the dye may be one or more per molecule or may be several reactive groups, but is not limited thereto. As such, when there are several reactive groups, some or all of the reactive groups may participate in the interaction with the unshared pair of electrons present in the electron donor molecule.
전자주개:염료복합체의 형성방법은 비공유전자쌍을 갖는 전자주개와 반응성기를 갖는 염료를 혼합하고 여기에 용매를 가한 후 적정온도(0~200℃)에서 일정시간(0.5~48시간) 교반하여 제조할 수 있다. 필요에 따라서 산성물질과 염기성 물질을 추가하여 상호작용을 촉진시킬 수도 있다. 상기와 같은 방법으로 제조된 전자주개:염료복합체를 전자받개 물질과 혼합하고 이를 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법 등을 통하여 박막으로 제조함으로써 염료를 포함하는 광활성층을 형성할 수 있다. Electron donor: Dye complex formation method is prepared by mixing an electron donor having a non-covalent electron pair and a dye having a reactive group, adding a solvent to it and stirring it for a predetermined time (0.5 to 48 hours) at an appropriate temperature (0 ~ 200 ℃) Can be. If necessary, acidic and basic substances may be added to facilitate the interaction. Electron donor prepared by the above method: by mixing the dye composite with the electron acceptor material and by producing a thin film by spin coating method, spray coating method, screen printing method, bar coating method, doctor blade coating method, etc. A photoactive layer comprising a dye can be formed.
또한 저분자 유기물인 경우 진공 하에서 열증착에 의해 형성될 수도 있다.In the case of a low molecular organic material, it may also be formed by thermal evaporation under vacuum.
염료를 포함하는 광활성층(103)의 두께는 5~300 nm일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
The thickness of the
<전자수송층(104)의 형성><Formation of
전자수송층(104)은 광활성층(103)에서 생성된 전자를 제2전극(105)으로 전달시키는 역할을 한다. The
전자수송층(104)은 n-type 반도체 특성을 갖는 물질을 이용할 수 있다. 전자수송층(104)은 (1)TiOx(1<x<2), TiO2, ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga, ZnO:N, SnO2와 같은 금속산화물을 포함하거나 (2) Cs2CO3, titanium(diisoproxide)bis(2,4-pentadionate)와 같은 유기-금속화합물을 포함하거나, (3) CdS, ZnS, MnS, Zn(O,S), ZnSe, (Zn,In)Se, In(OH,S), In2S3와 같은 n-type 특성의 칼코지나이드화합물을 포함하거나, (4) tetrakis(dimethylamino)ethylene, poly(ethylene oxide)와 같은 저분자와 고분자을 포함하거나, (5) hexadecanthiol, 1H,1H,2H,2H-perfluoro decanethiol 등의 분자 자기 조립(self assembly monolayer)과 같은 유기화합물을 이용할 수 있다. The
이러한 전자수송층(104)은 금속전구체 졸 혹은 상기 화합물을 용매에 용해시킨 용액을 이용하여 잉크젯방식, 오프셋 인쇄방식, 그라비아 인쇄방식 등으로 박막을 형성시킬 수 있다. The
또한 금속산화물 나노입자 및 n-type 특성의 칼코지나이드화합물 나노입자를 제조하고 이를 분산매질에 첨가제와 함께 분산시켜 잉크, 슬러리, 페이스트 등의 형태로 제조하여 상기 제시된 인쇄방식으로 박막을 형성시킬 수 있다. 상기 금속산화물 및 n-type 특성의 칼코지나이드화합물은 전술한 인쇄방식 이외에도 진공장비를 이용하여 박막을 형성할 수도 있다. 특히 칼코지나이드화합물의 경우는 화학욕증착(chemical bath deposition) 방식이나 ILGAR(ion layer gas reaction) 방식이 적용될 수도 있다. In addition, metal oxide nanoparticles and chalcogenide compound nanoparticles having n-type characteristics may be prepared and dispersed in an dispersion medium with additives to form a thin film by the printing method described above by preparing them in the form of ink, slurry, paste, and the like. have. The metal oxide and the chalcogenide compound having n-type characteristics may form a thin film using vacuum equipment in addition to the printing method described above. In particular, in the case of chalcogenide compounds, chemical bath deposition or ILGAR may be applied.
전자수송층(104)의 박막의 두께는 0.1~200 nm일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. The thickness of the thin film of the
이러한 전자수송층(104)은 제2전극(105)과 광활성층(103) 사이의 계면에너지를 제어하여 전자의 원활한 흐름을 유도하여 광활성층(103)에서 생성된 전자를 제2전극(105)으로 전달하는 역할을 수행한다. 전자수송층(104)은 태양전지의 효율을 상승시키는데 일조할 수 있지만 태양전지로서 작동하는데 반드시 필요한 것은 아니다.
The
<제2 전극(105)의 형성><Formation of
제2전극(105)는 전자수송층(104) 상에 형성될 수 있다. 제2전극(105)은 전자를 수집하는 역할(즉, 전자수송층으로부터 전자를 받아들이는 역할)을 수행한다. 제2전극(105)은 높은 전기전도도 특성을 가질 수 있으며 전자수송층과 오믹 접합이 가능할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. The
이러한 제2전극(105)의 재료는 일함수가 작은 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 및 이들의 혼합물 중 하나 또는 하나 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. The material of the
구체적으로 제2전극(105)의 재료는 알루미늄(Al), 아연(Zn), 타타늄(Ti), 인듐(In), 알칼리 금속, 나트륨-칼륨(Na:K) 합금, 마그네슘-은(Mg:Ag) 합금, 리튬-알루미늄(Li/Al) 이층전극, 리튬플루오라이드-알루미늄(LiF/Al) 이층전극 중 하나 또는 하나 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. Specifically, the material of the
제2전극(105)의 두께는 약 0.1~5 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. The thickness of the
제2전극(105)은 DC 스퍼터링방식, 열증착 또는 이와 달리 화학적 증착법(CVD), 원자층 증착(ALD), 전기도금 및 각종 프린팅기술과 같은 습식방식 등에 의해 형성될 수 있다. The
도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 일실시예에 따른 유기태양전지는 기판(100)/제1전극(101)/정공수송층(102)/염료를 포함하는 광활성층(103)/전자수송층(104)/제2전극(105) 순서일 수 있으나 다른 실시예에 따른 유기태양전지는 정공수송층(102)와 전자수송층(104)의 위치가 서로 바뀐 인버트형 유기태양전지일 수도 있다. 예를 들어 다른 실시예에 따른 인버트형 유기태양전지는 기판/제1전극/전자수송층/염료를 포함하는 광활성층/정공수송층/제2전극을 차례대로 포함할 수도 있다. 다른 실시예에 따른 인버터형 유기태양전지의 경우 제2전극용 소재로는 일함수가 큰 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 전극재료일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. In the organic solar cell according to the exemplary embodiment described with reference to FIGS. 1 to 5, the
예를 들어 인버터형 유기태양전지용 제2전극은 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 금(Au), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd) 중 하나 또는 하나 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 이때 제2전극의 두께는 약 0.1~5 ㎛일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. For example, the second electrode for an inverter-type organic solar cell includes silver (Ag), platinum (Pt), tungsten (W), copper (Cu), molybdenum (Mo), gold (Au), nickel (Ni), and palladium. One or more of (Pd), but is not limited thereto. In this case, the thickness of the second electrode may be about 0.1 to 5 μm, but is not limited thereto.
따라서, 또다른 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법은 기판 상에 제1전극을 형성하는 단계와 염료를 포함하는 광활성층을 형성하는 단계, 광활성층과 상기 제1전극 사이에 전자수송층 또는 정공수송층 중 하나를 형성하거나 광활성층과 상기 제2전극 사이에 전자수송층 또는 정공수송층 중 하나를 형성하는 단계를 포함할 수도 있다. Therefore, according to another embodiment, a method of manufacturing an organic solar cell includes forming a first electrode on a substrate and forming a photoactive layer including a dye, and an electron transport layer or a hole between the photoactive layer and the first electrode. The method may include forming one of the transport layers or forming one of the electron transport layer and the hole transport layer between the photoactive layer and the second electrode.
전술한 일실시예에 따른 유기태양전지는 동작 중에 수분과 산소에 의해 열화가 될 수 있으므로 대기로부터 형성된 각 층을 차단시킬 필요가 있다. The organic solar cell according to the embodiment described above may be deteriorated by moisture and oxygen during operation, and thus, it is necessary to block each layer formed from the atmosphere.
우선 유리재질의 보호캡 중앙에 수분을 흡수할 수 있는 흡습제를 부착하고, 테두리 부위에는 실링재를 디스펜싱시킨다. First, a moisture absorbent capable of absorbing moisture is attached to the center of the protective cap of the glass material, and the sealing material is dispensed on the edge portion.
다음으로 제작된 소자(기판(100)/제1전극(101)/정공수송층(102)/염료를 포함하는 광활성층(103)/전자수송층(104)/제2전극(105) 또는 기판/제1전극/전자수송층/염료를 포함하는 광활성층/정공수송층/제2전극)를 디스펜싱된 실링재 상부에 배치시킨 다음, UV 혹은 열을 가하여 실링재를 경화시킨다. 만약 UV를 이용하여 실링재를 경화시킬 경우에는 광활성층(103) 부분에는 UV 광이 유입되지 않도록 조치해야 하며, 이는 UV에 의해 광활성층 등이 열화가 될 수 있기 때문이다. Next, the device (
이외에도 실링공정은 진공 하에서 다층 박막을 형성시키는 방법을 이용할 수도 있다. In addition, the sealing process may use a method of forming a multilayer thin film under vacuum.
이들의 실링공정은 이미 유기전계발광소자 산업분야에서 잘 확립되어 있다. 상기와 같은 구조 및 제조공정으로 구현된 일실시예에 따른 유기태양전지는 추가적으로 제1전극(101) 상부(혹은 하부)에 그리드전극이 형성될 수도 있다. 그리드전극은 주로 금속 접촉층으로 이루어지고 전자빔 시스템 또는 다른 방법을 통하여 형성시킬 수 있으며, 주로 Ni, Al, Ag 등이 이용될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. These sealing processes are already well established in the organic light emitting device industry. In the organic solar cell according to the exemplary embodiment implemented with the above structure and manufacturing process, a grid electrode may be additionally formed on the upper portion (or lower portion) of the
또한, 기판(100) 내부 혹은 외부에 반사방지층이 추가적으로 형성될 수도 있다. 태양전지에 입사되는 태양광의 반사 손실을 줄여 효율을 더욱 더 증가시키는 기능을 하는 반사방지층은 일반적으로 실리콘나이트라이드(SiNx) 등이 사용되는데 전자빔 증발법, 화학적증착법(CVD) 등에 의하여 두께가 600~1000 Å 정도로 형성할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
In addition, an anti-reflection layer may be additionally formed inside or outside the
이상 도면을 참조하여 일실시예에 따른 유기태양전지 및 그 제조방법을 설명하였으나 이하 구체적인 실시예들 및 비교예를 상세히 설명하나 이제 제한되지 않는다.
An organic solar cell and a method of manufacturing the same according to an embodiment have been described with reference to the accompanying drawings, but specific examples and comparative examples will be described in detail below, but are not limited thereto.
비교예 1Comparative Example 1
<기판/제1전극의 준비> <Preparation of substrate / first electrode>
유리 기판 상부에 ITO(15 O/sq의 시트 저항, 두께 1,500 Å) 제1전극이 형성된 기판(이하 ITO 기판이라 함)을 제조하였다. 이 ITO 기판을 아세톤, 세미코크린(풀우치과학사제), 이소프로필 알코올((주)덕산화학제)에 담근 후 각 15 분간 초음파세정을 행한 후, 건조시켰다. 다음에, 대기압 플라즈마 표면처리 장치에서 3분 동안 ITO 기판의 표면처리를 행하였다.
A substrate (hereinafter referred to as an ITO substrate) having an ITO (sheet resistance of 15 O / sq, thickness of 1,500 Pa) first electrode was formed on the glass substrate. The ITO substrate was immersed in acetone, semicoclean (manufactured by Fulluchi Science, Inc.), and isopropyl alcohol (manufactured by Duksan Chemical Co., Ltd.), followed by ultrasonic cleaning for 15 minutes, and then dried. Next, the ITO substrate was surface treated for 3 minutes in an atmospheric plasma surface treatment apparatus.
<정공수송층 형성><Formation of hole transport layer>
ITO막으로 이루어지는 양극층 위에, 정공수송층으로서, 폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설포네이트(스탈크사제, PEDOT:PSS라 약칭한다.)를 0.45 ㎛의 필터를 사용하여 필터한 후, 이를 이용하여 광활성층 상부에 스핀 코팅하였다. 이 기판을 140 ℃에서 15 분간 건조시켜 40 nm의 막두께로 전자수송층을 형성하였다.
As a hole transporting layer, polyethylene dioxythiophene: polystyrenesulfonate (abbreviated as Stark, PEDOT: PSS) was filtered on a positive electrode layer made of an ITO film using a 0.45 μm filter, and then the photoactive layer was used. Spin coated on top. The substrate was dried at 140 ° C. for 15 minutes to form an electron transport layer with a film thickness of 40 nm.
<광활성층용 소재의 준비 및 박막형성><Preparation and Thin Film Formation of Photoactive Layer Materials>
전자주개 재료로서, 위치 규칙적인 폴리 트리 헥실티오펜(Rieke Metals 제, P3HT라 약칭한다)을 15 mg, 전자받개 재료로서, 풀러렌 유도체인 [6,6]-페닐 C61-부티릭 애시드 메틸 에스테르 Nano-C제, PCBM라 약칭한다)를 12 mg, 1mL의 클로로벤젠에 용해하여 조제한 용액을 스핀 코팅에 의해 정공수송층 위에 도포하는 것에 의해, 막두께 100 nm의 광활성층을 형성했다. 이 후 50 ℃에서 40 분간 건조되었다.
15 mg of regioregular polytrihexylthiophene (abbreviated as P3HT) as an electron donor material, [6,6] -phenyl C61-butyric acid methyl ester Nano which is a fullerene derivative as an electron acceptor material A solution prepared by dissolving (manufactured by -C, abbreviated as PCBM) in 12 mg and 1 mL of chlorobenzene was applied onto the hole transport layer by spin coating to form a photoactive layer having a thickness of 100 nm. This was dried for 40 minutes at 50 ℃.
<전자수송층 소재의 준비 및 박막형성><Preparation and thin film formation of electron transport layer material>
상기 광활성층 상부에 형성되는 전자수송층의 형성은 다음과 같다. 전자수송층용 재료로서는 TiOx(1< x< 2)를 이용하였다. Titanium(IV) isoproxide 10 ml를 2-methoxyethanol 50 ml와 ethanolamine 5 ml와 혼합하였다. 이 혼합용액을 80℃ 로 승온시킨 후 2시간 동안 교반하였다. 이어서 120℃로 승온 후 1시간 교반하여 TiOx 용액을 제조하였다. 상기 광활성층 상부에 TiOx 용액을 잉크젯 방식으로 코팅하고 90℃에서 8분간 건조하여 전자수송층(TiOx)을 형성하였다.
Formation of the electron transport layer formed on the photoactive layer is as follows. TiOx (1 <x <2) was used as an electron carrying layer material. 10 ml of titanium (IV) isoproxide was mixed with 50 ml of 2-methoxyethanol and 5 ml of ethanolamine. The mixed solution was heated to 80 ° C. and stirred for 2 hours. Subsequently, after raising the temperature to 120 ° C., the mixture was stirred for 1 hour to prepare a TiOx solution. The TiOx solution was coated on the photoactive layer by an inkjet method and dried at 90 ° C. for 8 minutes to form an electron transport layer (TiOx).
<제2전극의 형성><Formation of Second Electrode>
전자수송층 상부에 형성되는 금속전극인 제2전극은 LiF/Al 이층구조의 전극을 채택하였다. 먼저 고진공(10-6 torr) 하에서 LiF를 열증착 시킨 후 곧바로 Al을 열증착 시켜 금속전극을 형성시켰으며, 이를 질소분위기의 글러브박스로 이동시키고 실링공정을 거쳐 Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/TiOx/LiF/Al와 같은 구조의 유기태양전지를 제조하였다.
The second electrode, which is a metal electrode formed on the electron transport layer, adopts a LiF / Al bilayer electrode. First of all, LiF was thermally evaporated under high vacuum (10 -6 torr) and Al was then thermally evaporated to form a metal electrode, which was then moved to a glove box in a nitrogen atmosphere and subjected to a sealing process and then to Glass / ITO / PEDOT: PSS / P3HT. : An organic solar cell having a structure such as PCB / TiOx / LiF / Al was prepared.
<광전변환효율 측정><Photoelectric conversion efficiency measurement>
제작된 유기태양전지의 광전변환 효율을 측정하였다. 유기태양전지 소자의 전압-전류밀도는 Keithley 236 Source Measurement와 Solar Simulator (300W simulator models 81150 and 81250, Spectra physics Co.)를 사용하여 표준 조건 (AM 1. 5, 100 mW/cm2, 25 ℃)에서 측정되었다. 개방회로 전압(Voc)은 0.67 V, 단락회로 전류(Jsc)는 10.23 mA/cm2, 필 팩터 또는 곡선 인자(fill factor, 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Jmp)는 43%로 나타났으며, 이로서 2.95 %의 광전변환 효율을 나타내었다.
The photoelectric conversion efficiency of the fabricated organic solar cell was measured. The voltage-current density of the organic solar cell device was measured using Keithley 236 Source Measurement and Solar Simulator (300W simulator models 81150 and 81250, Spectra physics Co.) under standard conditions (AM 1.5, 100 mW / cm 2 , 25 ° C). Measured in The open circuit voltage (V oc ) is 0.67 V, the short circuit current (J sc ) is 10.23 mA / cm 2 , the fill factor or the fill factor, the product of the current density at the maximum power point and the voltage value (Vmp × Jmp ) Was 43%, indicating a photoelectric conversion efficiency of 2.95%.
실시예 1Example 1
비교예 1에서 제시한 유기태양전지 제조 과정 중에서 P3HT 15 mg과 풀러렌 유도체인 PCBM 12 mg을 1 mL의 클로로벤젠에 용해하여 조제한 용액에, 화학식 2의 C-2 염료, 0.2 mg를 첨가하여 50 에서 48 시간 반응시킨 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기태양전지(Glass/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:C-2:PCBM/TiOx/LiF/Al)를 제조하였다. To a solution prepared by dissolving 15 mg of P3HT and 12 mg of a fullerene derivative PCBM in 1 mL of chlorobenzene in the organic solar cell manufacturing process shown in Comparative Example 1, 0.2 mg of C-2 dye of
소자 제작에 앞서, P3HT의 황원자(S)에 존재하는 비공유전자쌍에 C-2의 염료가 도입되었는지 확인하기 위하여 XPS 분석을 실시 하였다. 먼저 C-2가 첨가된 광활성층용 혼합용액을 제조하고 이를 이용하여 박막을 형성하였으며 형성된 박막의 표면을 XPS로 분석하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. P3HT내 황원자(S)의 S2p 특성피크(165 eV)가 C-2 염료(도 6에서는 BD로 표시됨)첨가에 의해 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이로서 P3HT의 황원자에 C-2의 반응성기가 도입되어 있음을 확인할 수 있었다. Prior to fabrication of the device, XPS analysis was performed to confirm that the dye of C-2 was introduced into the lone pair of electrons present in the sulfur atom (S) of P3HT. First, a mixed solution for C-2 added photoactive layer was prepared, and a thin film was formed using the same. The surface of the formed thin film was analyzed by XPS, and the results are shown in FIG. 6. It can be seen that the S2p characteristic peak (165 eV) of the sulfur atom (S) in P3HT is reduced by the addition of C-2 dye (denoted as BD in FIG. 6), whereby a reactive group of C-2 is introduced into the sulfur atom of P3HT. It could be confirmed.
또한, 제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.65, Jsc 값은 16.0, 곡선 인자는 67%로 측정되었으며, 광전변환율은 7.0%였다. 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과는 도 7에 도시되어 있다.
In addition, the fabricated organic solar cell had a Voc value of 0.65, a Jsc value of 16.0, a curve factor of 67%, and a photoelectric conversion rate of 7.0%. The voltage-current density measurement results of the device are shown in FIG.
실시예 2Example 2
비교예 1에서 제시한 태양전지 제조 과정 중에서 PTB1 15 mg과 풀러렌 유도체인 PCBM 12 mg을 1 mL의 클로로벤젠에 용해하여 조제한 용액에 구조식 2의 염료 C-13, 0.15 mg를 첨가하고, 전자수송층으로 10 nm의 TiOx 층을 도입한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기태양전지(Glass/ITO/PEDOT:PSS/PTB1:C-13:PCBM/TiOx/LiF/Al)를 제조하였다. To the solution prepared by dissolving 15 mg of PTB1 and 12 mg of PCBM, a fullerene derivative in 1 mL of chlorobenzene, 0.15 mg of dye C-13 of
제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.66, Jsc 값은 16.2, 곡선 인자는 69 %로 측정되었으며, 광전변환율은 7.4 %였다.
The organic solar cell had a Voc value of 0.66, a Jsc value of 16.2, a curve factor of 69%, and a photoelectric conversion rate of 7.4%.
실시예 3Example 3
비교예 1에서 제시한 태양전지 제조 과정 중에서 PCDTBT 15 mg과 풀러렌 유도체인 PC70BM 60 mg을 2 mL의 클로로벤젠에 용해하여 조제한 용액에 P-4, 1 mg를 첨가하여 광활성층을 제조한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기태양전지(Glass/ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:P-4:PC70BM/TiO2/LiF/Al)를 제조하였다. Except that the photoactive layer was prepared by adding 1 mg of P-4 and 1 mg to a solution prepared by dissolving 15 mg of PCDTBT and 60 mg of fullerene derivative PC70BM in 2 mL of chlorobenzene in the solar cell manufacturing process shown in Comparative Example 1. All were prepared in the same manner as the organic solar cell (Glass / ITO / PEDOT: PSS / PCDTBT: P-4: PC70BM / TiO 2 / LiF / Al).
제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.84, Jsc 값은 15.7, 곡선 인자는 59%로 측정되었으며, 광전변환율은 7.9%였다. 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과는 도 8에 도시되어 있다.
The VOC value of the fabricated organic solar cell was 0.84, the Jsc value was 15.7, the curve factor was 59%, and the photoelectric conversion rate was 7.9%. The voltage-current density measurement results of the device are shown in FIG. 8.
실시예 4Example 4
실시예 3에서 제시한 태양전지 제조과정 중에서 전자수송층을 ZnO으로 변경한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기태양전지(Glass/ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:P-4:PC70BM/ZnO/LiF/Al)를 제조하였다. The organic solar cells (Glass / ITO / PEDOT: PSS / PCDTBT: P-4: PC70BM / ZnO / LiF /) were manufactured in the same manner except that the electron transport layer was changed to ZnO in the solar cell manufacturing process shown in Example 3. Al) was prepared.
제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.87, Jsc 값은 20.7 곡선 인자는 50%로 측정되었으며, 광전변환율은 9.0%였다.
The organic solar cell had a Voc value of 0.87, a Jsc value of 20.7, and a curve factor of 50%. The photoelectric conversion rate was 9.0%.
실시예 5Example 5
비교예 1에서 제시한 태양전지 제조 과정 중에서 PCPDTBT 15 mg과 풀러렌 유도체인 PCBM 12 mg을 1 mL의 클로로벤젠에 용해하여 조제한 용액에 C-9, 2.4mg를 첨가한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기 태양전지(Glass/ITO/PEDOT:PSS/PCPDTBT:C-9:PCBM/TiOx/LiF/Al)를 제조하였다. The same procedure was followed except that 15 mg of PCPDTBT and 12 mg of PCBM, a fullerene derivative, were dissolved in 1 mL of chlorobenzene in the solar cell manufacturing process shown in Comparative Example 1 except that C-9 and 2.4 mg were added. An organic solar cell (Glass / ITO / PEDOT: PSS / PCPDTBT: C-9: PCBM / TiOx / LiF / Al) was prepared.
제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.67, Jsc 값은 19.7, 곡선 인자는 64%로 측정되었으며, 광전변환율은 8.5%였다.
The fabricated organic solar cell had a Voc value of 0.67, a Jsc value of 19.7, a curve factor of 64%, and a photoelectric conversion rate of 8.5%.
실시예 6Example 6
실시예 5에서 제시한 태양전지 제조 과정 중에서 정공수송층으로 PEDOT:PSS대신 PANI:PSS 30 nm형성 시킨 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기태양전지(Glass/ITO/PANI:PSS/PCPDTBT:C-9:PC70BM/TiOx/LiF/Al)를 제조하였다. The organic solar cells (Glass / ITO / PANI: PSS / PCPDTBT: C-9) were manufactured in the same manner except that PANI: PSS 30 nm was formed instead of PEDOT: PSS in the solar cell manufacturing process shown in Example 5. : PC70BM / TiOx / LiF / Al) was prepared.
제작된 유기태양전지의 Voc 값은 0.69, Jsc 값은 17.0, 곡선 인자는 69%로 측정되었으며, 광전변환율은 8.1%였다. 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과는 도 9에 도시되어 있다.
The fabricated organic solar cell had a Voc value of 0.69, a Jsc value of 17.0, a curve factor of 69%, and a photoelectric conversion rate of 8.1%. The voltage-current density measurement results of the device are shown in FIG.
실시예 7Example 7
실시예 5에서 제시한 태양전지 제조과정 중에서 전자수송층으로 TiOx 층대신 5 nm의 ZnO:Al층을 추가한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기태양전지Glass/ITO/PEDOT:PSS/PCPDTBT:C-9:PC70BM/ZnO:Al/LiF/Al)를 제조하였다. The organic solar cell glass / ITO / PEDOT: PSS / PCPDTBT: C- was fabricated in the same manner except that a 5 nm ZnO: Al layer was added instead of the TiOx layer in the solar cell manufacturing process shown in Example 5. 9: PC70BM / ZnO: Al / LiF / Al) was prepared.
제작된 유기태양전지의 Voc 값은 0.66, Jsc 값은 17.7 곡선 인자는 67%로 측정되었으며, 광전변환율은 7.8%였다.
The VOC value of the fabricated organic solar cell was 0.66, the Jsc value was 17.7, and the curve factor was 67%, and the photoelectric conversion rate was 7.8%.
실시예 8Example 8
전술한 비교예 1에 제시된 유기태양전지 제조과정에 있어서, 유리기판 대신에 PEN(poly ethylene naphthalate)을 사용하고, P3HT 15 mg과 풀러렌 유도체인 PC70BM 12 mg을 1 mL의 클로로벤젠에 용해하여 조제한 용액에 S-2, 10 mg를 첨가한 용액을 이용하여 광활성층을 제조하였고, 전자수송층인 TiOx를 형성하지 않는 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기태양전지(PEN/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:S-2:PC70BM/TiOx/LiF/Al)를 제조하였다. In the organic solar cell manufacturing process shown in Comparative Example 1, a solution prepared by dissolving PEN (polyethylene naphthalate) instead of a glass substrate and dissolving 15 mg of P3HT and 12 mg of fullerene derivative PC70BM in 1 mL of chlorobenzene. A photoactive layer was prepared using a solution in which S-2 and 10 mg were added thereto, and organic solar cells (PEN / ITO / PEDOT: PSS / P3HT) were manufactured in the same manner except that TiOx, an electron transport layer, was not formed. S-2: PC70BM / TiOx / LiF / Al) was prepared.
제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.66, Jsc 값은 12.5 곡선 인자는 59%로 측정되었으며, 광전변환율은 4.98%였다.
The fabricated organic solar cell had a Voc value of 0.66, a Jsc value of 12.5 curve factor of 59%, and a photoelectric conversion rate of 4.98%.
실시예 9Example 9
앞서 실시예 8에 제시된 유기태양전지 제조과정에 있어서, 정공수송층으로 PEDOT:PSS대신 G-PEDOT을 사용한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기태양전지(PEN/ITO/G-PEDOT/P3HT:S-2:PC70BM/LiF/Al)를 제조하였다. 제작된 유기 태양전지의 Voc 값은 0.66, Jsc 값은 13.5, 곡선 인자는 59%로 측정되었으며, 광전변환율은 5.26%였다.
In the organic solar cell manufacturing process shown in Example 8 above, except that the G-PEDOT instead of PEDOT: PSS as the hole transport layer, all of the organic solar cells (PEN / ITO / G-PEDOT / P3HT: S- 2: PC70BM / LiF / Al) was prepared. The fabricated organic solar cell had a Voc value of 0.66, a Jsc value of 13.5, a curve factor of 59%, and a photoelectric conversion rate of 5.26%.
전술한 비교예의 광전변환효율은 2.95%인 것과 비교하여 실시예들의 광전변환효율(%)을 표로 정리하면 표1과 같다. Compared with the photoelectric conversion efficiency of the above-described comparative example is 2.95%, Table 1 summarizes the photoelectric conversion efficiency (%) of the embodiments as shown in Table 1.
실시예들에 따른 유기태양전지는 프린팅 방식 등이 가능하여 저가로 제조할 수 있을 뿐만 아니라 표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이 광전변환효율이 4.98% 이상으로 상대적으로 높아 상업화가 가능할 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 유기태양전지는 비교예에 따른 유기태양전지와 비교할 때 적어도 1.69배 이상의 광전변환효율을 나타내어 다른 유기태양전지에 비해 휠씬 광전변환효율이 큰 장점이 있다. The organic solar cell according to the embodiments may be manufactured at low cost by using a printing method and the like, and as shown in Table 1, the photoelectric conversion efficiency may be relatively high as 4.98% or more, and thus commercialization may be possible. In addition, the organic solar cell according to the embodiments exhibits a photoelectric conversion efficiency of at least 1.69 times or more when compared to the organic solar cell according to the comparative example, and thus, the photoelectric conversion efficiency is greater than that of other organic solar cells.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. In other words, within the scope of the present invention, all of the components may be selectively operated in combination with one or more.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.It is also to be understood that the terms such as " comprises, "" comprising," or "having ", as used herein, mean that a component can be implanted unless specifically stated to the contrary. But should be construed as including other elements. All terms, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Commonly used terms, such as predefined terms, should be interpreted to be consistent with the contextual meanings of the related art, and are not to be construed as ideal or overly formal, unless expressly defined to the contrary.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
Claims (11)
상기 광활성층은 전자주개 물질과 전자받개 물질을 추가로 포함하며, 상기 전자주개 물질에 존재하는 비공유전자쌍과 상기 염료의 반응성기가 상호작용하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.A first electrode and a second electrode facing each other; And a photoactive layer formed between the first electrode and the second electrode and including a dye.
The photoactive layer further includes an electron donor material and an electron acceptor material, wherein the unshared electron pair present in the electron donor material and the reactive group of the dye interact with each other.
상기 염료는 상기 전자주개 물질에 존재하는 비공유전자쌍과 상호작용할 수 있는 카르복실산기, 술폰산기, 인산기 중 하나 또는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method of claim 2,
The dye is an organic solar cell, characterized in that it comprises one or more of a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group that can interact with the non-covalent electron pair present in the electron donor material.
상기 광활성층은 전자받개(A)과 상기 전자주개(D):염료(C)복합체 물질의 혼합박막[(A+D:C) blend]의 1층구조, 전자받개(A)과 전자주개(D):염료(C)복합체가 각각 적층된 형태(A/D:C)의 2층구조, 전자받개(A)과 전자주개(D):염료(C)복합체층 사이에 상기 혼합박막이 삽입된 3층구조[A/(A+D:C)/D:C], 전자받개(A)과 전자주개(D) 사이에 상기 혼합박막이 삽입된 3층구조[A/(A+D:C)/D] 중 하나 또는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 유기태양전지. The method according to claim 2 or 3,
The photoactive layer has a single layer structure of a mixed thin film [(A + D: C) blend] of an electron acceptor (A) and an electron donor (D): dye (C) composite material, an electron acceptor (A) and an electron donor ( D): The mixed thin film is inserted between the two-layer structure in which the dye (C) complex is laminated (A / D: C), and the electron acceptor (A) and the electron donor (D): dye (C) composite layer. Three-layer structure [A / (A + D: C) / D: C], three-layer structure in which the mixed thin film is inserted between the electron acceptor (A) and the electron donor (D). C) / D] or one or more of the organic solar cell.
상기 염료는 아래 화학식들 중 하나로 표현되는 화합물인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
The dye is an organic solar cell, characterized in that the compound represented by one of the following formula.
상기 광활성층과 상기 제1전극 사이에 전자수송층 또는 정공수송층 중 하나를 형성하거나 상기 광활성층과 상기 제2전극 사이에 전자수송층 또는 정공수송층 중 하나를 형성하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.A first electrode and a second electrode facing each other; And a photoactive layer formed between the first electrode and the second electrode and including a dye.
An organic solar cell, wherein one of an electron transport layer and a hole transport layer is formed between the photoactive layer and the first electrode, or one of an electron transport layer and a hole transport layer is formed between the photoactive layer and the second electrode.
염료를 포함하는 광활성층을 형성하는 단계;
상기 광활성층 상에 제 2전극을 형성하는 단계; 및
상기 광활성층과 상기 제1전극 사이에 전자수송층 또는 정공수송층 중 하나를 형성하거나 상기 광활성층과 상기 제2전극 사이에 전자수송층 또는 정공수송층 중 하나를 형성하는 단계;를 포함하는 유기태양전지의 제조방법. Forming a first electrode on the substrate;
Forming a photoactive layer comprising a dye;
Forming a second electrode on the photoactive layer; And
Forming one of an electron transport layer or a hole transport layer between the photoactive layer and the first electrode, or forming one of an electron transport layer or a hole transport layer between the photoactive layer and the second electrode; Way.
상기 광활성층은 전자주개 물질과 전자받개 물질을 추가로 포함하며, 상기 전자주개 물질에 존재하는 비공유전자쌍과 상기 염료의 반응성기가 상호작용하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.The method of claim 7, wherein
The photoactive layer further includes an electron donor material and an electron acceptor material, wherein the unshared electron pair present in the electron donor material and the reactive group of the dye interact with each other.
상기 염료는 상기 전자주개 물질에 존재하는 비공유전자쌍과 상호작용할 수 있는 카르복실산기, 술폰산기, 인산기 중 하나 또는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.9. The method of claim 8,
The dye is a method of manufacturing an organic solar cell, characterized in that it comprises one or more of a carboxylic acid group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group that can interact with the non-covalent electron pair present in the electron donor material.
상기 광활성층은 전자받개(A)과 상기 전자주개(D):염료(C)복합체 물질의 혼합박막[(A+D:C) blend]의 1층구조, 전자받개(A)과 전자주개(D):염료(C)복합체가 각각 적층된 형태(A/D:C)의 2층구조, 전자받개(A)과 전자주개(D):염료(C)복합체층 사이에 상기 혼합박막이 삽입된 3층구조[A/(A+D:C)/D:C], 전자받개(A)과 전자주개(D) 사이에 상기 혼합박막이 삽입된 3층구조[A/(A+D:C)/D] 중 하나 또는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법. 10. The method according to claim 8 or 9,
The photoactive layer has a single layer structure of a mixed thin film [(A + D: C) blend] of an electron acceptor (A) and an electron donor (D): dye (C) composite material, an electron acceptor (A) and an electron donor ( D): The mixed thin film is inserted between the two-layer structure in which the dye (C) complex is laminated (A / D: C), and the electron acceptor (A) and the electron donor (D): dye (C) composite layer. Three-layer structure [A / (A + D: C) / D: C], three-layer structure in which the mixed thin film is inserted between the electron acceptor (A) and the electron donor (D). C) / D], or a method for producing an organic solar cell.
상기 염료는 아래 화학식들 중 하나로 표현되는 화합물인 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
The dye is a method for producing an organic solar cell, characterized in that the compound represented by one of the following formula.
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