KR101245160B1 - 플라즈몬 공명을 이용한 유기박막 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

플라즈몬 공명을 이용한 유기박막 태양전지 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈몬 공명을 이용한 유기박막 태양전지 및 이의 제조방법에 대한 것이다. 본 발명의 유기박막 태양전지는, 기판, 상기 기판 상에 형성되며 격자형의 투명금속 패턴을 포함하는 양전극, 상기 양전극 상에 형성되며 전자공여층 및 전자수용층을 포함하는 유기다층박막, 상기 상기 유기다층박막 상에 형성되는 음전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유기박막 태양전지 및 그의 제조방법에 따르면, 양전극을 격자형의 투명금속 패턴으로 형성함으로써, 표면플라즈몬(Surface plasmon polariton) 공명에 의해 광전변환층에 강한 빛 에너지를 집중시킬 수 있다. 이에 따라 빛 에너지의 흡수율을 증가시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

플라즈몬 공명을 이용한 유기박막 태양전지 및 그의 제조방법{ORGANIC THIN FILM SOLAR CELL USING SURFACE PLASMON RESONANCE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 유기박막 태양전지 및 그의 제조방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 광전변환층에 강한 빛 에너지를 집중시킴으로써 빛 에너지의 흡수율을 증가시키고 그에 따라 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 유기박막 태양전지 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
최근 치솟는 유가 상승 및 화석에너지의 고갈과 더불어 지구 환경 문제, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서 무공해 에너지원인 태양전지에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
태양전지란 광기전력 효과를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 독립적으로 각종 전자기기, 무인등대, 인공위성, 로켓 등의 주전력원으로 이용될 뿐만 아니라 상용교류전원의 계통과 연계되어 보조전력원으로도 널리 이용되고 있으며, 가정용 및 산업용 전력 생산을 위한 발전설비로서의 활용에도 큰 기대를 얻고 있다.
이러한 태양전지는 무기물 반도체를 기반으로 한 태양전지와 유기물 반도체를 기반으로 한 태양전지로 나눌 수 있다.
무기물 반도체를 기반으로 한 태양전지의 대표적 예는 실리콘을 이용한 태양전지로, 현재 빌딩이나 가정집의 옥탑에 설치하는 전력효율 15% 이상의 전지부터 우주선이나 무인위성 등에 사용되는 30% 이상의 전지까지 제작되고 있다. 하지만, 제조공정의 복잡함과 고비용, 그리고 대면적 공정의 어려움은 그 단점으로 지적되고 있다.
이에 반하여, 유기물을 기반으로 하는 유기박막 태양전지는 대면적 공정이 용이하며 값싸고 간편한 공정으로 제작되어질 수 있고, 나아가 특유의 구부러지는 성질로 플렉서블한 전자소자에 응용될 수 있는 장점이 있다.
유기박막 태양전지에서 유기 반도체는 광자를 흡수하여 쿨롱 상호작용(Coulomb interaction)에 의한 전자-정공쌍(electron-hole pair)인 들뜸알(exciton)를 형성하고, 이것은 유기반도체 전자주개(donor)층 과 전자받개(acceptor)층의 접합면(D/A interface)으로 확산 이동한다. 들뜸알은 접합면에서 전자와 정공으로 분리되고, 각각의 전극에 수송되어 기전력을 발생한다.
그러나, 들뜸알의 확산 길이는 약 10nm 전후로 짧으므로, 실제로는 주개와 받개의 접합면으로부터 약 10nm 거리의 범위 내에 있는 영역에서 생선된 들뜸알만 전하를 만들게 된다. 따라서, 유기박막 태양전지의 효율 향상에 있어서 들뜸알의 확산율은 중요한 요소 중의 하나이다.
한편, 유기박막 태양전지의 효율 향상을 위해서는 태양빛의 흡수율(Absorption efficiency)을 증대시킬 필요가 있고, 유기박막이 태양빛을 충분히 흡수하기 위해서는 필요한 두께는 약 100nm 전후로 보고되고 있다. 그러므로, 높은 흡수율을 갖는 유기반도체는 낮은 들뜸알 확산율을 갖게 되고, 반대로 높은 들뜸알의 확산율을 갖는 유기반도체는 낮은 흡수율을 갖게 된다. 따라서, 이 두가지 효율(태양빛의 흡수율과 들뜸알의 확산율)사이의 경쟁으로 태양전지의 전력변환효율이 제한되며, 현재까지의 보고된 연구결과 중 최대 전력변환효율은 약 7% 정도이다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은 광전변환층에 강한 빛 에너지를 집중시킴으로써 빛 에너지의 흡수율을 증가시키고 그에 따라 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 유기박막 태양전지 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판, 상기 기판 상에 형성되며 격자형의 투명금속 패턴을 포함하는 양전극, 상기 양전극 상에 형성되며 전자공여층 및 전자수용층을 포함하는 유기다층박막, 상기 상기 유기다층박막 상에 형성되는 음전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지를 제공한다.
상기 양전극은 예를 들어 은으로 이루어지는 금속 박막으로 형성될 수 있다.
상기 투명금속 패턴의 격자 주기는 100 내지 500 nm인 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 투명금속 패턴을 형성하는 금속선의 폭은 상기 격자 주기의 25% 내지 50%인 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기다층박막은 상기 전자공여층 및 양전극 사이에 배치되는 정공수송층을 더 포함할 수 있다.
상기 정공수송층은 예를 들어 PEDOT:PSS 또는 WO3로 형성될 수 있다.
상기 정공수송층은 상기 격자형 투명금속 패턴의 격자 사이 공간을 채우도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 유기다층박막은 상기 전자수용층 및 음전극 사이에 배치되는 전자수송층을 더 포함할 수 있다.
상기 전자수송층은 예를 들어 BPhen, BCP, ZnO 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성될 수 있다.
상기 전자공여층은 예를 들어 CuPc 또는 ZnPc로 형성될 수 있다.
상기 전자수용층은 예를 들어 PTCBI 또는 C60으로 형성될 수 있다.
상기 음전극은 예를 들어 은, 금 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 금속 재료로 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 본 발명에 따른 유기박막 태양전지를 포함하는 가요성 소자를 제공한다.
본 발명은 또한, 기판 위에 격자형의 투명금속 패턴의 양전극을 형성하는 단계, 상기 양전극 위에 상기 투명금속 패턴의 격자 사이 공간을 채우도록 정공수송층을 형성하는 단계, 상기 정공수송층 위에 전자공여층 및 전자수용층을 형성하는 단계, 상기 전자수용층 위에 전자수송층을 형성하는 단계 및 상기 전자수송층 위에 음전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 양전극을 형성하는 단계에서 상기 투명극속 패턴은 포토리소그래피를 이용한 리프트-오프 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명의 유기박막 태양전지 및 그의 제조방법에 따르면, 양전극을 격자형의 투명금속 패턴으로 형성함으로써, 표면플라즈몬(Surface plasmon polariton) 공명에 의해 광전변환층에 강한 빛 에너지를 집중시킬 수 있다. 이에 따라 빛 에너지의 흡수율을 증가시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기박막 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 유기박막 태양전지에서 양전극의 형태를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 각각 격자형 패턴 및 스트라이프형 패턴의 양전극에서 플라즈몬 공명의 발생 양상을 보여주는 도면이다.
도 5는 1차원 스트라이프형 패턴을 사용한 태양전지 소자에서 x 방향으로 진동하는 Electric fields가 수직입사하였을 때, 전체 주기를 변화시키면서 각 파장에 따른 이상적 흡수층(모든 파장에서 동일한 흡수율 : 흡수계수-1.5x105cm-1)의 광 흡수율을 계산한 결과이다.
도 6은 도 5의 A (전체주기:320nm, 입사파장:640nm)지점과 B (전체주기:290nm, 입사파장:760nm) 지점에 해당하는 소자에서의 시간평균 전자기에너지 분포를 나타낸다.
도 7은 2차원 은격자(정사각형)를 사용한 태양전지 소자에서 Electric fields가 수직입사 하였을 때, 전체 주기를 변화 시키면서 각 파장에 따른 이상적 흡수층(모든 파장에서 동일한 흡수율 : 흡수계수-1.5x105cm-1)의 광 흡수율을 계산한 결과이다.
도 8은 도 7의 A (전체주기:320nm, 입사파장:700nm)지점과 B (전체주기:280nm, 입사파장:700nm) 지점에 해당하는 소자에서의 시간평균 전자기에너지 분포를 나타낸다.
도 9 내지 도 11은 각각 실시예 1 및 비교예 1, 2의 유기박막 태양전지의 양전극의 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 실시예 1 및 비교예 1, 2의 유기박막 태양전지의 EQE 평가 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기박막 태양전지를 나타낸 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기박막 태양전지는 기판(10), 기판(10) 상에 형성된 유기다층박막(30) 및 유기다층박막(30) 상에 형성된 음전극(40)을 포함하여 이루어지며, 유기다층박막(30)은 정공수송층(35), 정공수송층(35) 상에 형성된 광전변환층(33), 광전변환층(33) 상에 형성된 전자수송층(37)을 포함하여 이루어진다.
기판(10)으로는 유리 기판 또는 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리 메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리이미드(polyimide)와 같은 투명 수지 기판 등이 사용될 수 있다.
양전극(20)은 태양광이 전자공여층(31) 및 전자수용층(32)을 포함하는 광전변환층(33)으로 통과할 수 있도록 투명하게 형성되며, 은과 같은 금속을 열증착 등의 방법을 이용하여 기판(10) 위에 박막 형태로 코팅하여 형성될 수 있다. 이하 설명될 격자형 패턴 형성을 위하여 포토리소그래피를 이용한 리프트-오프 방식이 채용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 유기박막 태양전지에서 양전극(20)의 형태를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 양전극(20)은 가로, 세로의 금속선이 교차하는 격자형 패턴으로 형성된다. 이와 같이 격자형 패턴으로 양전극(20)이 형성됨에 따라, 자유전자의 진동에 의하여 발생되는 전자기 에너지인 표면플라즈몬 공명에 의해 광전변환층의 광 흡수율을 향상시킬 수 있다.
도 3 및 도 4는 각각 2차원의 격자형 패턴 및 1차원의 스트라이프형 패턴의 양전극(20)에서 플라즈몬 공명의 발생 양상을 보여주는 도면이다. 여기서, H, E, k는 각각 Magnetic fields (H-fields), Electric fields, Propagating wave-vector 를 나타낸다.
플라즈몬 공명은 금속과 유전체 사이의 경계에서 자유전자의 진동에 의한 공명으로 발생되는 현상이다. 따라서, 자유전자를 금속/유전체 경계에서 진동 시키려면 Electrical fields의 진동 방향은 금속/유전체 경계에 대하여 수직이여야만 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 빛의 수직 입사에 대하여 플라즈몬 공명이 스트라이프형 패턴의 양전극에서는 E-fields가 x 방향으로 진동하는 경우에만 발생할 수 있다. 반면, 2차원의 격자형 전극 패턴에서는 도 4에 도시된 바와 같이 x 방향 그리고 y 방향으로 진동하는 E-fields 두 경우 모두에서 플라즈몬 공명이 발생할 수 있다.
도 5는 1차원 스트라이프형 패턴을 사용한 태양전지 소자에서 x 방향으로 진동하는 Electric fields가 수직입사하였을 때, 전체 주기를 변화시키면서 각 파장에 따른 이상적 흡수층(모든 파장에서 동일한 흡수율 : 흡수계수-1.5x105cm-1)의 광 흡수율을 계산한 결과이다. y축은 전체 주기를 나타내며, x 축은 입사파장을 나타낸다(rw=0.25, 정공수송층 두께:5nm, 이상적 흡수층 두께:10nm, 전자수송층 두께:50nm). 여기서 적색(흡수울 0.6 이상)으로 나타나는 지역이 플라즈몬 공명에 의하여 광흡수가 향상된 부분인데, 그래프에 표현된 바와 같이 스트라이프형 패턴의 전체 주기를 바꾸어 플라즈몬 공명이 발생하는 파장지역을 조정할 수 있다.
도 5의 왼쪽 상단부의 그래프는 y 방향으로 진동하는 Electric fields가 수직입사하였을 경우의 광 흡수율을 나타낸다(전체주기 300nm). y 방향으로 진동하는 Electric fields가 수직입사하였을 경우를 x 방향으로 진동하는 Electric fields가 입사된 경우와 비교해 보면 흡수율이 매우 저조함을 알 수 있으며, 이는 y 방향으로 진동하는 Electric fields가 플라즈몬 공명을 만들지 않기 때문이다.
도 6은 도 5의 A (전체주기:320nm, 입사파장:640nm)지점과 B (전체주기:290nm, 입사파장:760nm) 지점에 해당하는 소자에서의 시간평균 전자기에너지 분포를 나타낸다. 가로선은 각 층의 경계를 나타낸다. E는 입사파의 전기장 진폭이 E0일 경우의 각 위치에서의 전기장 진폭이다. 도 6에서 보여지는 바와 같이 적색지역(흡수율 0.6 이상)에서 강한 플라즈몬 공명이 발생함을 확인할 수 있으며, 이는 소자 내에서 전체적으로 공명이 발생하는 Strongly Coupled - Surface Plasmon Polariton(SC-SPP)와 스트라이프형 전극의 주변에서 강하게 발생하는 Weakly Coupled - Surface Plasmon Polariton (WC-SPP)로 구분하는 것이 가능하다.
도 7은 2차원 은격자(정사각형)를 사용한 태양전지 소자에서 Electric fields가 수직입사 하였을 때, 전체 주기를 변화 시키면서 각 파장에 따른 이상적 흡수층(모든 파장에서 동일한 흡수율 : 흡수계수-1.5x105cm-1)의 광 흡수율을 계산한 결과이다. y축은 전체 주기를 나타내며, x 축은 입사파장을 나타낸다 (rw=0.25, 정공수송층 두께:5nm, 이상적 흡수층 두께:10nm, 전자수송층 두께:25nm). 도 7에서 적색(흡수율 0.6 이상)으로 나타나는 지역이 플라즈몬 공명에 의하여 광흡수가 향상된 부분이다. 그래프에 표시된 바와 같이 은격자 패턴의 전체 주기를 바꾸어 플라즈몬 공명이 발생하는 파장지역을 조정할 수 있다. 은격자(정사각형)를 사용할 경우 x 방향 또는 y 방향으로 진동하는 Electric fields에 의한 광 흡수율은 구조의 90도 회전 대칭으로 인하여 동일하다.
도 8은 도 7의 A (전체주기:320nm, 입사파장:700nm)지점과 B (전체주기:280nm, 입사파장:700nm) 지점에 해당하는 소자에서의 시간평균 전자기에너지 분포를 나타낸다. 가로선은 각 층의 경계를 나타낸다. E는 x방향으로 진동하는 입사파의 전기장 진폭이 E0일 경우의 각 위치에서의 전기장 진폭이다. 위의 그림은 y=85nm 지점의 xz-plane 을 나타내며, 아래 그림은 z=30nm 지점의 xy-plane 을 나타낸다. 도 8에서 보여지는 바와 같이 적색지역(흡수율 0.6 이상)에서 강한 플라즈몬 공명이 발생함을 확인할 수 있다. 그리고 B지점의 경우 xy-plane에서 전자기장 분포를 보면 x 방향에 수직인 격자 부분에서만 플라즈몬 공명이 있음을 확인할 수 있다(이는, y방향으로 진동하는 Electric fields 에서도 동일하게 나타난다).
또한, 양전극(20)의 투명금속 패턴의 격자 주기는 100 내지 500 nm인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
양전극(20)의 투명금속 패턴을 형성하는 금속선의 폭은 격자 주기(주기:300nm)의 50% 내지 25% 인 것이 바람직하며, 주기의 50%를 초과할 경우 금속의 흡수하는 빛에너지 가 증가하여 소자의 활성층이 흡수할 수 있는 흡수가 줄어드는 문제가 있고, 25%미만인 경우 미량의 금속으로 인하여 플라즈몬 공명이 일어나지 않는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
정공수송층(35)은 양전극(20) 위에 투명금속 패턴의 격자 사이 공간을 채우도록 형성되는데, 예를 들어 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)):PSS(poly(styrenesulfonate)) 또는 WO3와 형성될 수 있으며, 스핀코팅 등의 방법이 이용될 수 있다.
또한, 광전변환층(33)은 전자공여층(31) 및 전자수용층(32)으로 구성되며, 전자공여층(31)은 예를 들어 CuPc, ZnPc 등의 물질로, 전자수용층(32)은 PTCBI, C60 등의 물질로 형성될 수 있다.
또한, 전자수송층(37)은 BPhen, BCP, ZnO, TiO2 등으로 형성될 수 있다.
정공수송층(35), 전자공여층(31), 전자수용층(32) 및 전자수송층(37)으로 구성되는 유기다층박막(30)은 예를 들어 열증착 등의 방법으로 형성될 수 있다.
상기 음전극(40)은 예를 들어 은, 알루미늄, 칼슘, 바륨, 마그네슘, 리튬 또는 세슘 등의 금속 재료로 열증착 등의 방법으로 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
이하 실시예 1 및 비교예 1, 2에서는 양전극의 구조에 따라 광전변환층이 흡수하는 광에너지를 광학 시뮬레이션을 통하여 계산하였으며, 이를 통해 편광에 의한 의존도를 확인하였다. 광학 시뮬레이션은 Rigorous Coupled Wave Analysis model을 사용하여 이루어졌으며, 실제 소자에서의 결과와 일치할 수 있도록 광학상수(optical refractive indices)는 실제 물질로부터 얻어진 값을 사용하였다.
실시예 1
유리기판에 포토리스그래피 및 열증착을 이용한 리프트-오프 방법으로 정사각형의 격자형 은 박막 패턴(주기: 240nm, 폭: 60nm)을 형성하였다. 이어서, 은 박막 패턴 위에 격자 사이 공간을 채우도록 정공수송층을 형성하고, 정공수송층 위에 전자공여층, 전자수용층 및 전자수송층을 순차적으로 형성하였다. 여기서, 정공수송층 은 스핀코팅 방법으로 전자공여층, 전자수용층 및 전자수송층은 열증착법을 이용하여 각각 PEDOT:PSS, CuPc, PTCBI, BPhen으로 형성하였다. 다음으로, 전자수송층 위에 은을 이용하여 열증착법으로 100nm의 음전극을 형성함으로써 유기박막 태양전지를 제조하였다.
비교예 1
유리기판에 열증착을 이용해 10nm의 은 박막을 형성하였다. 이어서, 은 박막 위에 정공수송층, 전자공여층, 전자수용층 및 전자수송층을 순차적으로 형성하였다. 여기서, 정공수송층은 스핀코팅 방법으로, 전자공여층, 전자수용층 및 전자수송층은 열증착법을 이용하여 각각 PEDOT:PSS, CuPc, PTCBI, BPhen으로 형성하였다. 다음으로, 전자수송층 위에 은을 이용하여 열증착법으로 100nm의 음전극을 형성함으로써 유기박막 태양전지를 제조하였다.
비교예 2
유리기판에 포토리스그래피 및 열증착을 이용한 리프트-오프 방법으로 스트라이프형 은 박막 패턴(주기:300nm, 폭: 75nm 두께 :20nm)을 형성하였다. 이어서, 은 박막 패턴 위에 금속선 사이 공간을 채우도록 정공수송층을 형성하고, 정공수송층 위에 전자공여층, 전자수용층 및 전자수송층을 순차적으로 형성하였다. 여기서, 정공수송층은 스핀코팅 방법으로, 전자공여층, 전자수용층 및 전자수송층은 열증착법을 이용하여 각각 PEDOT:PSS, CuPc, PTCBI, BPhen으로 형성하였다. 다음으로, 전자수송층 위에 은을 이용하여 열증착법으로 100nm의 음전극을 형성함으로써 유기박막 태양전지를 제조하였다.
도 9 내지 도 11은 실시예 1 및 비교예 1, 2의 유기박막 태양전지의 양전극의 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
상기 실시예 1 및 비교예 1, 2의 유기박막 태양전지는 평가의 형평성을 유지하기 위하여, 격자 및 스트라이프의 주기 및 폭(실시예 1, 비교예 2) 및 유기다층박막의 두께(실시예 1 및 비교예 1, 2)는 각각 최고의 단락전류를 출력하도록 최적화하였다. 유기다층박막의 각 구성요소의 두께는 하기 표 1과 같다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2
정공수송층(nm) 5 51 5
전자공여층(nm) 8 13 10
전자수용층(nm) 2.5 4 3
전자수송층(nm) 25 51 47
소자의 광흡수율 향상에 의한 성능을 비교하기 위하여 단락전류밀도 (Jsc, Short-circuit current density)를 계산하였다. 단락전류밀도란 태양전지에서 출력가능한 최대전류를 의미한다.
또한, 소자의 광흡수율 향상에 의한 성능을 비교하기 위하여 External Quantum Efficiency(EQE)를 계산하였다. EQE란 어떤 파장의 광자 100개가 소자에 입사하였을 경우 추출되는 전자의 개수에 대한 확률값이다. 예를 들어, 550nm 파장에서 EQE=0.8일 경우 550nm 광자 100개가 소자에 입사되면 소자는 약100*0.8=80개의 전자를 만들어 낸다.
단락전류밀도 및 EQE 평가에서 빛은 유기박막 태양전지에 수직으로 입사한다고 가정하였다.
실시예 1 및 비교예 1, 2의 유기박막 태양전지의 단락전류밀도 계산 결과, 각각 8.99 mA/cm2, 6.61 mA/cm2, 6.94 mA/cm2로 실시예 1의 단락전류밀도가 가장 높음을 확인하였다.
도 12는 실시예 1 및 비교예 1, 2의 유기박막 태양전지의 EQE 평가 결과를 나타낸 도면이다. 도 12는 x 축을 입사된 빛의 파장으로 y 축을 EQE값으로 하여 실시예 1 및 비교예 1, 2의 3가지 종류의 투명전극을 사용하였을때 각 구조에서 최적화 되어진 EQE값을 나타낸 결과이다. 여기서, 빨강색선은 실시예 1의 격자형 은 투명전극, 파란색선은 비교예 2의 스트라이프형 은 투명전극, 녹색선은 비교예 1의 패턴이 없는 평평한 은 투명전극에 대한 것이다. 또한, 청록색 점선은 비교예 2의 스트라이프형 은 투명전극에 x 편광된 빛만 입사된 경우에 대한 것이고, 보라색 점선은 비교예 2의 스트라이프형 은 투명전극에 y 편광된 빛만 입사된 경우에 대한 결과를 나타낸다.
도 12의 EQE 평가 결과, 실시예 1의 유기박막 태양전지의 EQE가 파장 300nm~800nm의 범위에서 비교예 1, 2의 유기박막 태양전지보다 광범위하고 높음을 알 수 있다.
위의 단락전류밀도 및 EQE 평가를 통해, Fabry-Perot type 공명(거울 반사에 의한 공명)을 발생시켜 광전변환층에서의 광흡수율을 증가시키는 비교예 1의 유기박막 태양전지의 양전극 구조에 비해 플라즈몬 공명을 통해 광전변환층의 광흡수율을 증가시키는 비교예 2의 유기박막 태양전지의 양전극 구조에서 보다 향상된 결과를 얻었다.
특히, 실시예 1의 유기박막 태양전지의 경우 격자형 패턴의 양전극 구조에 의해 수직 입사하는 전자기파의 편광 방향에 관계 없이 플라즈몬을 공명을 발생시킴으로써 월등히 향상된 광흡수율을 얻을 수 있음을 확인하였다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이고 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 기판 20: 양전극
30: 유기다층박막 31: 전자공여층
32: 전자수용층 33: 광전변환층
35: 정공수송층 37: 전자수송층
40: 음전극

Claims (16)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되며 100 내지 500 nm의 격자 주기를 갖는 격자형의 투명금속 패턴을 포함하는 양전극;
    상기 양전극 상에 형성되며 전자공여층 및 전자수용층을 포함하는 유기다층박막;
    상기 유기다층박막 상에 형성되는 음전극;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양전극은 은 금속 박막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투명금속 패턴을 형성하는 금속선의 폭은 상기 격자 주기의 25 내지 50 %인 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유기다층박막은 상기 전자공여층 및 양전극 사이에 배치되는 정공수송층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 정공수송층은 PEDOT:PSS 또는 WO3를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 정공수송층은 상기 격자형 투명금속 패턴의 격자 사이 공간을 채우도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유기다층박막은 상기 전자수용층 및 음전극 사이에 배치되는 전자수송층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전자수송층은 BPhen, BCP, ZnO 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택되는 고분자 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전자공여층은 CuPc 또는 ZnPc를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전자수용층은 PTCBI 또는 C60를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 음전극 재료는 은, 금 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  13. 100 내지 500 nm의 격자 주기를 갖는 격자형의 투명금속 패턴으로 형성되는 양전극을 포함하며,
    정공수송층이 상기 격자형 투명금속 패턴의 격자 사이 공간을 채우도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  14. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제13항 중에서 선택되는 어느 한 항에 따른 유기박막 태양전지를 포함하는 가요성 소자.
  15. 기판 위에 100 내지 500 nm의 격자 주기를 갖는 격자형의 투명금속 패턴의 양전극을 형성하는 단계;
    상기 양전극 위에 상기 투명금속 패턴의 격자 사이 공간을 채우도록 정공수송층을 형성하는 단계;
    상기 정공수송층 위에 전자공여층 및 전자수용층을 형성하는 단계;
    상기 전자수용층 위에 전자수송층을 형성하는 단계; 및
    상기 전자수송층 위에 음전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 유기박막 태양전지의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 양전극을 형성하는 단계에서 상기 투명극속 패턴은 포토리소그래피를 이용한 리프트-오프 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지의 제조방법.
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