KR101244135B1 - 구리 및 산화구리 나노 물질을 이용한 유기 태양 전지 - Google Patents

구리 및 산화구리 나노 물질을 이용한 유기 태양 전지 Download PDF

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김상우
박혜정
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 정공 이송층으로서 p형 반도체 물질인 Cu2O와 금속 물질인 Cu를 코어/쉘(core/shell) 형태의 나노 구조물을 기반으로 한 유기 태양 전지에 관한 것이다. 반도체 특성을 가지는 고분자들로 이루어진 광활성층은 충분한 빛 흡수를 하지 못하는 단점이 있어, 일부 빛이 광활성층을 투과한다. 이러한 단점을 보완하고자 p형 전도성을 가지는 정공 이송층에 빛 반사 특성을 가지는 금속 나노 입자를 도입하여 빛을 반사시킨다. 이는 광활성층에서 좀 더 빛 흡수를 원활히하여 결과적으로 전자-정공의 생성을 증폭시켜 유기 태양전지의 전류밀도를 증가시킴으로써 광변환 효율을 증가시킨다.

Description

구리 및 산화구리 나노 물질을 이용한 유기 태양 전지 {ORGANIC SOLAR CELL USING NANO MATERIALS OF Cu AND Cu2O}
본 발명은 정공 이송층으로서 p형 반도체 물질인 Cu2O와 금속 물질인 Cu를 코어/쉘(core/shell) 형태의 나노 입자들을 기반으로 한 유기 태양 전지에 관한 것이다.
최근 치솟는 유가 상승과 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양전지에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 한편, 태양전지란 광기전력효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로서, 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분된다. 현재 태양전지의 주된 부분을 차지하고 있는 무기물 실리콘 태양전지는 고가의 재료와 복잡한 제작공정으로 인하여 제조단가가 여전히 높다. 이러한 관점에서 최근 많은 연구와 진전이 이루어지고 있는 유기 태양전지는 저가형 태양전지의 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 유기 태양전지는 유기 재료의 손쉬운 가공성과 다양성, 낮은 단가로 인해 기존 태양전지와 비교하여 소자 제작과정이 간단하고 값싼 제조단가의 실현이 가능하다. 현재 유기 태양전지는 5% 대의 광전변환효율을 달성하고 있으며 계속해서 성능향상이 이루어지고 있다.
유기 태양전지는 빛을 받으면, 유기 반도체 물질들로 이루어진 광활성층에서 생성된 전자와 정공 쌍이 상하부 두 전극의 일함수 차이로 인한 전기장 형성으로 인해 분리되어 이동함에 따라 빛 에너지에서 전기 에너지로 전환하게 된다.
이때 광활성층과 상부 및 하부 전극의 일함수 차이가 커서 생성된 전자와 정공이 원활이 이송되지 못한다는 단점을 갖고 있다. 이러한 일함수 차이를 감소시키기 위한 대안으로, 광활성층과 전극 두 물질의 일함수 차이의 사이 일함수 값을 가지며 n형/p형 특성을 갖는 반도체 물질을 이용하여 전자와 정공을 원활히 수송시켜 흐름 손실을 줄이는 역할을 하는 완충층에 대한 연구의 필요성이 부각되고 있으며, 많은 연구들이 이루어지고 있다.
또한, 유기 태양전지의 핵심 층인 광활성층을 구성하는 반도체 특성을 가지는 폴리머들은 일조되는 빛을 충분히 흡수하지 못하고 투과하는 큰 단점이 있기 때문에, 더 많은 빛의 흡수를 유도하기 위해서는 낮은 일함수를 가지는 폴리머 물질 개발과 투과한 빛 수집에 관련된 연구들이 필수적이고, 이 또한 많은 연구들이 이루어지고 있다.
특허문헌 1에 따르면, 유기태양전지의 p형 전도막으로 사용되는 NiO 전도막에 대해 개시하고 있으며, 이의 제조방법 및 이 p형 전도막으로 사용되는 NiO 전도막에 의해 광전 변환 효율이 향상된 유기태양전지에 대해 소개하고 있다. 이와 같이 p형 반도체 특성을 가지는 전도막의 도입은 원활한 정공 수송을 야기함으로써 광전 변환 효율의 향상에 기인한다. 하지만, p형 반도체 특성을 가지는 NiO, MoO3, V2O5, WO3, Cu2O 등 여러 물질들이 있음에도 앞의 특허문헌 1에선 NiO에 국한되어 있다.
특허문헌 2에 따르면, 태양전지에 다양한 크기의 Cu2O 나노입자들로 이루어진 박막들을 이용하여 광전 변환 효율이 향상된 태양전지를 소개하고 있다. 이 특허문헌 2에선 Cu2O에 의해 구동하는 태양전지를 이야기하며, 본 발명에서는 반도체 특성을 가지는 고분자 물질들에 의해 구동되는 유기 태양전지로 그 구동 원리 자체가 상이하며, Cu2O를 정공 수송층으로 사용했다는 점에서 물질의 역할 또한 상이하다.
비특허문헌 1에 따르면, 졸-겔법을 이용하여 CuOx를 합성하여 스틴코팅으로 광활성층 위에 쉽게 박막증착하여 정공을 잘 이동시켜줄 수 있는 정공 이송층으로써의 역할로 유기 태양전지에 사용되었다. 하지만 여기서는 CuOx라하여 정확하게 p형 Cu2O으로만 이뤄진게 아닌 CuO와 Cu2O와 혼합된 형태이며, p형 Cu2O에 의해 광전효율이 향상된 것이기 때문에 온전한 Cu2O 조성이 아니라는 점에서 아쉬움이 남는다. 반면, 본 발명에서는 Cu 나노입자의 겉에 온전한 형태의 p형 전도성 물질인 Cu2O를 형성한 Cu/Cu2O 나노입자를 이용하여 박막화하였다는 점에서 차별성이 있다.
비특허문헌 2에 따르면, 합성한 Cu 나노입자를 헥산 용액 속에서 추가적인 열처리 없이 표면을 Cu2O로 산화시켜 core/shell 구조를 만들 수 있으며, 추가적인 열처리를 통하여 완전한 형태의 Cu2O로 만들 수 있고 소개하고 있다. 반면, 본 발명에서는 이 문헌과 동일한 합성법을 구현하였으나, 헥산 용액에 분산된 Cu/Cu2O 나노입자를 직접 광활성층 위에 도포하여 사용하게 될 경우, 헥산 용액이 광활성층의 기능을 저하시키게 된다. 그래서 본 발명에서는 이를 방지하는 일정 양의 보조 용액을 섞어 소자 특성을 향상시켰다.
국내 공개 특허출원 10-2009-0108601 (2009년 11월 11일) 미국 공개 특허출원 US-6849798 (2005년 2월 1일)
Solgel Processed CuOx Thin Flm as an Anode Interlayer for Inverted Polymer Solar Cells, Ming-Yi Lin et al, Organic Electronics, Vol. 11, p18281834 (2010) Room-Temperature Formation of Hollow Cu2O Nanoparticles, Ling-I Hung et al, Advanced Material, Vol. 22, p1910-1914 (2010)
본 발명의 일 실시예는, 기판, 하부전극, 전자이송층, 광활성층, 정공 이송층, 상부 전극의 순서로 적층된 유기 태양전지에 있어서, 상기 정공 이송층은 중심에 Cu와 그 주위의 Cu2O로 이루어진 코어/쉘 형태의 나노 입자들로 이루어진, 유기 태양 전지를 개시하고 있다.
이 경우 정공 이송층은 Cu 나노입자를 용액 속에서 표면을 산화시키는 단계를 통해 얻어질 수 있고, 또는 Cu 나노입자를 용액 속에서 표면을 산화시키는 단계; 및 열처리 단계를 통해 얻어질 수도 있다.
한편, 상기 전자 이송층은 ZnO, TiO2, TiOx, Cs2CO3 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어진다. 이때, n형 전도성을 가지는 전자 이송층은 sol-gel법, sputter, ALD, thermal evaporator, CVD를 이용하여 증착한 후 대기 분위기에서 500℃ 이내에서 5시간 이내 동안 열처리하여 두께가 10~500nm 범위로 제조될 수 있다.
한편, 상기 광활성층은 p형 반도체 특성을 가지는 P3HT(poly-3-hexylthiophene), PCDTBT(Poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PBTTT( Poly(2,5-bis(3-tetradecylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene)), MEH-PPV(Poly [2-(2′-ethylhexyloxy)-5-methoxy-1,4-phenylenevinylene]), MDMO-PPV(Poly(2-methoxy-5-(3’-7’-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene))와 n형 반도체 특성을 가지는 풀러렌 계열의 C60~C96을 기본으로 하는 PCxBM(Phenyl-CX-Butyric-acid-methyl ester, x=60~96)에서 선택되는 어느 하나 이상이다. 이 경우 광활성층의 p형 도전성 고분자와 n형 도전성 고분자들이 함유된 블렌드 용액을 스핀코팅법, 프린트공법, 스프레이공법을 통하여 증착하여 200℃ 이내에서 60분 이내 동안 열처리하여 제조된다.
또한, 금속 나노입자는 솔루션 합성법, sputter, ALD, thermal evaporator, CVD, 스핀코팅법, 프린트공법, 스프레이공법과 같은 방법들 중 하나 이상의 방법을 통하여 1~20nm의 크기를 가지는 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 아연(Zn)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상이다.
p형 반도체 특성을 가지는 정공 이송층은 솔루션 합성법, sputter, ALD, thermal evaporator, CVD, 스핀코팅법, 프린트공법, 스프레이공법과 같은 방법들 중 하나 이상의 방법을 통하여 Cu2O, NiO, WO3, MoO3, V2O5로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 증착한다
한편, Cu 나노입자의 표면을 산화시키는 용액은 헥산(hexane)과 이소프로판올(iso-propanol)로 이루어지며, 이때 헥산과 이소프로판올의 최적 비율은 2:1이다.
한편, 열처리 온도는 200℃ 이하인 것이 바람직하고, 최적의 열처리 온도는 120℃이며, 산화 시간은 6시간이 바람직하다.
상부 전극은 두께가 50nm~100um인 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 아연(Zn)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 추가적인 실시예는, 유기 태양 전지 형성 방법을 개시하고 있고, 이는 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극 상에 전자 이송층을 형성하는 단계; 상기 전자 이송층 상에 광활성층을 형성하는 단계; 상기 광활성층 상에 정공 이송층을 형성하는 단계; 상기 정공 이송층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 정공 이송층은 중심에 Cu와 그 주위의 Cu2O로 이루어진 코어/쉘 형태의 나노 입자들로 이루어지며, 상기 정공 이송층은 Cu 나노입자를 용액 속에서 표면을 산화시키는 단계; 및 열처리 단계를 통해 얻어진다.
이 경우에도 Cu 나노입자의 표면을 산화시키는 용액은 헥산(hexane)과 이소프로판올(iso-propanol)로 이루어지며 그 비율은 2:1인 것이 바람직하다.
한편, 열처리 온도는 200℃ 이하인 것이 바람직하고, 최적의 열처리 온도는 120℃이며, 산화 시간은 6시간이 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따라 정공 이송층으로서 Cu/Cu2O 나노 물질을 사용한 유기 태양 전지의 모식도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 정공 이송층을 생성하기 위해 Cu 나노입자를 산화시키고 열처리하는 단계를 설명하는 그림이다.
도 3은 스핀 코팅 rpm에 따른 박막 두께 변화를 나타내는 사진이다.
도 4는 헥산 용액 속에서 Cu 나노입자의 표면을 산화시킨 후, 박막 증착시 완충용액으로 이소프로판올의 첨가 비율에 따른 소자 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 열처리 온도에 따른 Cu의 크기의 변화를 나타내는 모식도이다.
도 5b는 도 5a에 따른 Cu의 크기 변화를 확인하기 위한 XRD 그래프이다.
도 6은 헥산과 이소프로판올의 비율이 2:1인 용액 속의 Cu/Cu2O를 스핀코팅법으로 박막화한 후, 열처리 온도에 따른 유기태양전지 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7a 및 7b는 Cu 나노 입자를 용액 속에서 산화시키는 정도에 따른 반사도 및 흡수도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 산화 시간에 따른 유기 태양전지의 소자 특성을 측정 및 정리한 그래프이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
도 1은 본 발명에 따라 정공 이송층으로서 Cu/Cu2O 나노 물질을 사용한 유기 태양 전지의 모식도이다.
도 1에서 보는 것처럼, 본 발명에 따른 유기 태양 전지는 기판, 기판 위의 전극, 전자 이송층, 광활성층, 정공 이송층으로서 Cu/Cu2O, 그리고 전극으로 이루어진다.
빛 에너지가 들어올 경우, 광활성층에서 전자와 정공이 발생하게 되고, 정공은 정공 이송층을 따라 상부 전극으로 이동하게 되며, 전자는 전자 이송층을 따라 하부 전극으로 이동하게 된다.
본 발명에 따르면, 정공 이송층으로서 p형 반도체 물질인 Cu2O 나노 물질과 금속 물질인 Cu를 기반으로 한 정공 이송층을 이용한다. p형 반도체 물질인 Cu2O 나노 물질과 금속 물질인 Cu를 기반으로 한 정공 이송층을 사용하게 되면, 주 물질인 p형 반도체 물질인 Cu2O 나노 물질에 의해 정공이 원활하게 전극으로 빠져나갈 수 있게 되며, 또한 Cu2O 나노 물질 안에 있는 금속 물질인 Cu에 의해 광활성층을 통과하여 빠져나가는 빛이 반사되게 된다. 즉, 금속 물질인 Cu에 의해 광활성층에서 흡수되지 않고 통과된 빛을 반사시켜 주게 되므로, 기존의 태양 전지보다 광 활성층의 빛 흡수율이 증가되어, 태양 전지의 효율이 높아지게 된다는 장점을 갖는다.
본 발명에 따르면, 상기에서 설명한 것과 같은 정공 이송층을 포함하는 유기 태양전지를 개시하고 있으며, 이러한 정공 이송층은 Cu/Cu2O가 코어/쉘 형태(도 2a 및 2b 등에서 볼 수 있음)를 이루고 있으며, 이러한 코어/쉘 형태를 이루는 과정은 이하에서 설명된다.
도 2a에서 보는 것처럼, 정공 이송층으로서 Cu/Cu2O가 코어/쉘 형태를 만들기 위해, 먼저 Cu 나노입자를 tetradecylphosphonic acid 계면활성제가 들어 있는 trioctylamine 용액 속에서 형성시키고, 이렇게 형성된 Cu 나노입자를 Cu를 산화시키는 용액 속에 넣으면 표면이 점점 산화되게 된다.
Cu를 산화시키는 용액으로는 헥산을 이용하였고, 헥산 용액 속에서 Cu는 산화가 이루어지다가 일정 시간 이후에는 산화가 더 이상 이루어지지 않게 된다. 따라서, 산화 시간을 조절함으로써 산화 정도를 조절할 수 있게 된다.
도 2a의 경우에는 산화를 짧게 시킨 경우로서, 약 1시간 이하의 산화를 진행한 경우, 표면에 Cu2O 층이 얇게 형성됨을 확인할 수 있으며, 도 2b이 경우에는 산화를 길게 시킨 경우로서 약 24시간 또는 그 초과의 산화를 진행한 경우 표면에 Cu2O 층이 두텁게 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
이렇게 만들어진 Cu/Cu2O 정공이송층은 스핀 코팅에 의해 광활성층 위에 증착된다. 스핀 코팅을 할 때 스핀 코팅의 rpm에 따라 정공 이송층의 두께는 변하게 되는데, 이는 도 3에서 확인할 수 있다. 도 3에서 보는 것처럼, 스핀 코팅시 rpm이 증가할수록 정공 이송층의 두께는 얇게 증착된다. 표 1은 이러한 스핀 코팅 속도에 따른 정공이송층의 두께를 나타낸다. 이때 모든 조건은 3000rpm으로 고정하여 진행하였다.
스핀코팅 rpm 500 1000 2000 3000
두께 (nm) 24-48 20-30 10-14 9-18
도 4과 표 2는 헥산(haxane)용액 속에서 Cu 나노입자의 표면을 산화시킨 후, 박막 증착시 완충용액으로 이소프로판올(iso-propanol)의 첨가 비율에 따른 소자 특성을 나타내는 것으로서, 임의적으로 열처리 온도를 150℃에서 15분으로 고정하여 진행하였다.
이때, 헥산 용액만 단독으로 사용하여 박막을 증착하였을 시에, 예민한 광활성층에 영향을 주어 효율이 급격히 하락하게 된다. 이러한 하락을 방지하고자 광활성층에 영향을 주지 않는 완충용액으로써 이소프로판올을 일정 비율로 넣는다. 이때, 너무 많은 양의 이소프로판올을 넣게 되면, Cu/Cu2O 나노입자들의 분산을 방해하여 뭉치게 된다. 이러한 이유로, 적정량의 이소프로판올의 양 조절 조건을 잡았다. 이때, 헥산:이소프로판올의 비율이 6:1, 4:1에서는 너무 많은 헥산 용액으로 인하여 광활성층에 영향을 주어 소자 특성이 급격히 떨어지는 것을 확인하였다. 반면, 1:4, 1:6 에서는 너무 많은 이소프로판올의 양으로 인하여 나노입자들의 분산을 저해하여 뭉침에 따라 박막 증착시 고른 박막을 구현할 수 없으며, 또한 얇은 박막 구현함에 한계로 작용함으로 소자 특성이 급격히 떨어짐을 확인하였다.
그래서 그 사이의 용액 비율인 2:1, 1:1, 1:2 에서의 값들을 정리하여 표 2와 도 4로 나타내었다.
헥산 : 이소프로판올 2 : 1 1 : 1 1 : 2
Jsc 9.15 7.88 8.00
Voc 0.54 0.54 0.54
FF 0.42 0.48 0.45
efficiency (%) 2.08 2.05 1.93
표 2에서 보는 것처럼, 각 변수에 따라 Voc(개방전압)는 일정 값을 가지며, 이소프로판올의 비율이 2:1일 때,FF(충진율)은 제일 작으나 그 차이가 거의 미미하고, Jsc(전류밀도)값이 가장 크기 때문에 광전변환 효율이 가장 높았다. 헥산으로 인한 영향을 최소화하기 위하여 적정 이소프로판올의 양은 헥산 : 이소프로판올이 부피 비율로 2:1일 때, 전체적으로 안정된 소자 특성을 나타냈기 때문에 가장 적정 값임을 확인하였다.
이는 Voc는 대부분 광특성을 갖는 광활성층의 두 물질의 전기적 특성에 의해 거의 결정되기 때문에 거의 차이가 없게 나왔다, Jsc는 상하부로 전류가 얼마나 잘 흐르는지의 전류 밀도의 지표이며, FF는 각 층간의 접촉과 각 층의 모폴로지에 의한 저항에 영향을 받는다.
스핀코팅법으로 광활성층 위에 Cu/Cu2O 박막 증착 후, 잔류한 용액 제거를 위해 열처리가 이루어지게 되며, 열처리 온도에 의해 추가적인 산화가 이루어질 수도 있다.
도 5a는 열처리에 따른 산화의 정도를 나타내는 것으로서, 일반적으로 열처리 온도는 200℃ 이하에서 이루어지게 된다. 왜냐하면 열처리 온도가 200℃를 초과할 경우, Cu 부분이 모두 다 산화가 일어나게 되어, 중심에 Cu가 존재하지 아니하게 된다. 중심에 Cu가 없으면 광활성층을 통과한 빛을 반사시키는 효과가 사라지게 되기 때문에, 본 발명의 목적과는 거리가 멀어지게 된다. 또한 200℃ 이상의 온도에서 열처리를 하게 되면, Cu/Cu2O 정공 이송층 아래에 있는 광활성층에 영향을 주게 되기 때문에, 소자의 광전변환 효율이 급격하게 저하시킨다. 따라서, 열처리 온도는 200℃ 이하에서 이루어지는 것이 바람직하다.
도 5a에서 보는 것처럼, 열처리 온도에 따라 산화의 정도가 많이 일어나게 되며, 200℃에서는 모든 Cu가 Cu2O로 산화됨을 확인할 수 있다. 열처리 온도에 따른 산화의 정도를 확인하기 위해 XRD로 확인한 결과, 도 5b에서 보는 것처럼 200℃에서 열처리 한 경우에는 Cu 피크가 나타나지 아니함을 확인할 수 있으며, 100℃에서 열처리한 경우 150℃에서 열처리한 경우보다 Cu 피크가 높게 나타남을 확인할 수 있다. 즉, 열처리 온도가 낮아질수록 산화의 정도는 감소함을 확인할 수 있다.
도 6은 헥산과 이소프로판올의 비율이 2:1인 용액 속의 Cu/Cu2O를 스핀코팅법으로 박막화한 후, 열처리 온도에 따른 유기태양전지 특성을 나타내는 그래프이며, 이를 수치화하여 나타낸 것이 표 3이다.
온도 100 ℃ 120 ℃ 150 ℃
Jsc 6.31 7.02 5.00
Voc 0.57 0.56 0.57
FF 0.60 0.59 0.55
efficiency (%) 2.14 2.33 1.58
표 3에서 정확히 볼 수 있듯이, 열처리 온도에 따라 Voc는 거의 일정한 반면, 120℃일 때 발생된 Jsc 값이 가장 크게 나왔으며, FF는 약간 떨어지는 경향을 보였다. 전체적으로 Jsc의 영향이 크기 때문에, 120℃일때의 효율이 가장 높게 나옴을 확인할 수 있다.
도 7a 및 7b는 Cu 나노 입자를 용액 속에서 산화시키는 정도에 따른 반사도 및 흡수도를 나타내는 그래프이다.
도 7a에서 보는 것처럼 1시간 이내의 짧은 산화를 진행한 경우, 24시간의 긴 산화를 진행한 경우보다 형성된 Cu2O 산화막 두께가 얇아 더 큰 Cu가 중심에 남게 되고, 따라서 반사도가 증가함을 확인할 수 있다. 그리고, 헥산:이소프로판올 비율이 2:1인 Cu/Cu2O 용액을 광활성층 위에 도포 후 스핀 코팅으로 Cu/Cu2O 정공 이송층을 증착 후 120℃에서 15분 열처리를 한 샘플을 가지고 빛 흡수도를 측정한 결과, 도 7b에서 보는 것과 같이 24시간의 긴 산화보다 1시간 이내의 짧은 산화를 진행했을 때 빛 흡수도가 큼을 확인하였다. 이는 중심에 더 큰 Cu가 존재하기 때문에, 광활성층을 투과한 빛을 더 많이 반사시켜 광활성층의 빛 흡수 증가함을 알 수 있다.
헥산에서의 산화 시간이 1시간 이내, 6시간, 24시간인 Cu/Cu2O 용액에 헥산:이소프로판올 비율 2:1로 이소프로판올을 추가로 넣어 혼합용액을 만든다. 각각의 용액을 광활성층 위에 도포 후 스핀 코팅으로 Cu/Cu2O 정공 이송층을 증착 후 120℃에서 15분 열처리를 한 후, 상부 전극을 증착 하여 완전한 유기 태양전지 소자까지 만들어, 유기 태양전지의 소자 특성을 측정 및 정리한 것이 도 8과 표 4이다.
산화 시간 1시간 이내 6시간 24시간
Jsc 7.48 8.48 6.40
Voc 0.58 0.56 0.59
FF 0.55 0.54 0.55
efficiency (%) 2.39 2.57 2.07
표 4에서 정확히 볼 수 있듯이, 산화 시간에 따라 Voc는 미미한 변화가 있는 반면, 산화 시간이 6시간일 때 발생된 Jsc 값이 가장 크게 나왔으며, FF는 약간 떨어지는 경향을 보였다. 전체적으로 Jsc의 변화가 상대적으로 크기 때문에, 6시간 일때의 효율이 가장 높게 나옴을 확인할 수 있다. 이는 6시간보다 작은 시간에서는 Cu크기가 너무 크기 때문에 상대적으로 정공이 흐를 수 있는 Cu2O가 줄어드는 것이기 때문에 Jsc값이 줄었다. 24시간의 경우는 정공이 흐를 수 있는 Cu2O가 충분히 있는 반면, 광활성층에서 투과한 빛을 반사시킨 수 있는 Cu의 양이 작기 때문에 광활성층의 빛 흡수양이 줄어 발생되는 전자-정공의 양이 상대적으로 줄게되어 6시간보다 Jsc가 적은 것이다. 이러한 이유로 산화 시간 6시간에서 적정 Cu크기와 적정 Cu2O를 가지고 있다고 판단된다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 기판, 하부전극, 전자이송층, 광활성층, 정공 이송층, 상부 전극의 순서로 적층된 유기 태양전지에 있어서,
    상기 정공 이송층은 중심에 Cu와 그 주위의 Cu2O로 이루어진 코어/쉘 형태의 나노 입자들로 이루어진,
    유기 태양 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정공 이송층은
    Cu 나노입자를 용액 속에서 표면을 산화시키는 단계를 통해 얻어지는,
    유기 태양 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정공 이송층은,
    Cu 나노입자를 용액 속에서 표면을 산화시키는 단계; 및 열처리 단계를 통해 얻어지는,
    유기 태양 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 이송층은 ZnO, TiO2, TiOx, Cs2CO3 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어진,
    유기 태양 전지.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    Cu 나노입자의 표면을 산화시키는 용액은 헥산(hexane)과 이소프로판올(iso-propanol)로 이루어진,
    유기 태양 전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    헥산과 이소프로판올의 비율이 2:1인,
    유기 태양 전지.
  7. 제 3 항에 있어서,
    열처리 온도는 200℃ 이하인,
    유기 태양 전지.
  8. 제 3 항에 있어서,
    열처리 온도는 120℃ 인,
    유기 태양 전지.
  9. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    산화 시간은 6시간인,
    유기 태양 전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 전극은 두께가 50nm~100um인 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 아연(Zn)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
    유기 태양 전지.
  11. 유기 태양 전지 형성 방법으로서,
    기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극 상에 전자 이송층을 형성하는 단계;
    상기 전자 이송층 상에 광활성층을 형성하는 단계;
    상기 광활성층 상에 정공 이송층을 형성하는 단계;
    상기 정공 이송층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 정공 이송층은 중심에 Cu와 그 주위의 Cu2O로 이루어진 코어/쉘 형태의 나노 입자들로 이루어지며,
    상기 정공 이송층은 Cu 나노입자를 용액 속에서 표면을 산화시키는 단계; 및 열처리 단계를 통해 얻어지는,
    유기 태양 전지 형성 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    Cu 나노입자의 표면을 산화시키는 용액은 헥산(hexane)과 이소프로판올(iso-propanol)로 이루어진,
    유기 태양 전지 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    헥산과 이소프로판올의 비율이 2:1인,
    유기 태양 전지 형성 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    열처리 온도는 200℃ 이하인,
    유기 태양 전지 형성 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    산화 시간은 6시간인,
    유기 태양 전지 형성 방법.
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