KR101251718B1 - Composition for hole transfer layer for organic solar cell, preparation methods of organic solar cell used thereof and organic solar cell thereby - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기 태양전지용 정공수송층 조성물, 이를 이용한 유기 태양전지의 제조방법 및 그에 따라 제조된 유기 태양전지에 관한 것이다.
본 발명의 유기 태양전지를 제조하는 방법은, 기판상에 적층되는 하부전극층과 상부전극층 사이에 1종 이상의 정공수송층을 구비하는 유기 태양전지를 제조하는 방법에 있어서, 상기 정공수송층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리(스티렌- 설포네이트) 및 작용기가 결합된 탄소나노튜브가 혼합된 혼합물을 이용하여 제조되는 것이다.
본 발명은 종래의 유기 태양전지 활성층에서 생성되는 전하가 정공수송층으로 효율적으로 이동되지 않는다는 문제점을 해결한 것으로, 종래 PEDOT 및 PSS의 혼합물로 제조되는 유기 태양전지 정공수송층 대신에 PEDOT 및 PSS와 함께 작용기가 결합된 탄소나노튜브를 첨가하여 제조되는 유기 태양전지 정공수송층이다. 상기 정공수송층은 전하의 이동을 효율적으로 하여 유기 태양전지의 전기에너지 생성효율을 높일 수 있다.The present invention relates to a hole transport layer composition for an organic solar cell, a method for manufacturing an organic solar cell using the same, and an organic solar cell manufactured accordingly.
The method of manufacturing an organic solar cell of the present invention is a method of manufacturing an organic solar cell having at least one hole transport layer between a lower electrode layer and an upper electrode layer stacked on a substrate, wherein the hole transport layer is poly (3, 4-ethylenedioxythiophene), poly (styrene-sulfonate), and carbon nanotubes to which functional groups are combined are prepared using a mixture.
The present invention solves the problem that the charge generated in the conventional organic solar cell active layer is not efficiently transferred to the hole transport layer. Instead of the organic solar cell hole transport layer made of a mixture of the conventional PEDOT and PSS, the functional group together with the PEDOT and PSS Is an organic solar cell hole transport layer prepared by adding a carbon nanotube bonded thereto. The hole transport layer may increase the electrical energy generation efficiency of the organic solar cell by efficiently moving the charge.

Description

유기 태양전지용 정공수송층 조성물, 이를 이용한 유기 태양전지의 제조방법 및 그에 따라 제조된 유기 태양전지{Composition for hole transfer layer for organic solar cell, preparation methods of organic solar cell used thereof and organic solar cell thereby}Composition for hole transfer layer for organic solar cell, preparation method of organic solar cell using same and organic solar cell manufactured according to the same

본 발명은 유기 태양전지용 정공수송층 조성물, 이를 이용한 유기 태양전지의 제조방법 및 그에 따라 제조된 유기 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a hole transport layer composition for an organic solar cell, a method for manufacturing an organic solar cell using the same, and an organic solar cell manufactured accordingly.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어, 특히 주목 받고 있다.Recently, as the exhaustion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy to replace them is increasing. Among them, solar cells have abundant energy resources and have no problems with environmental pollution.

태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광(photons)을 전기 에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다.)를 일컫는다. Solar cells include solar cells that generate steam required to rotate turbines using solar heat, and solar cells that convert photons into electrical energy using the properties of semiconductors. Refers to photovoltaic cells (hereinafter referred to as solar cells).

새로운 에너지의 하나로서 주목을 받으면서 실용화되고 있는 태양전지의 대부분은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 무정형 실리콘과 같은 무기물을 이용한 무기태양전지이다.Most of the solar cells that have been attracting attention as one of new energy are inorganic solar cells using inorganic materials such as monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, and amorphous silicon.

그러나, 이러한 무기 태양전지는 그 제조 프로세스가 복잡하여 제조 비용이 높아 일반 가정용으로 보급되기에는 부적합하기 때문에 무기 태양전지의 제조프로세스에 비해 상대적으로 간단한 제조 프로세스를 통하여 제조비용이 적게 드는 유기 태양전지의 연구가 활발히 진행되고 있다. However, these inorganic solar cells are not suitable for general household use because their manufacturing processes are complicated and their manufacturing costs are high. Therefore, the inorganic solar cells have lower manufacturing costs through a simpler manufacturing process than the inorganic solar cells manufacturing process. Research is actively underway.

또한, 유기 태양전지는 수 100 ㎚ 이내의 두께의 박막으로 만들 수 있으며 유연한 구조로의 적용이 가능하다는 장점이 있어 미래 이동식 정보시스템의 에너지원으로서의 가능성을 제시하는 등 다양한 용도로의 응용이 기대된다.In addition, the organic solar cell can be made into a thin film with a thickness of several hundred nm and can be applied to a flexible structure, which is expected to be applied to various applications such as presenting the potential as an energy source of the future mobile information system. .

일반적인 유기 태양전지는 기판에 형성되는 하부전극층과, 상기 하부전극층의 표면에 접하여 형성되는 정공수송층과, 상기 정공수송층의 표면에 접하여 형성되는 적어도 하나의 활성층 및 상기 활성 층상에 형성되는 상부전극층을 포함한다.A general organic solar cell includes a lower electrode layer formed on a substrate, a hole transport layer formed in contact with the surface of the lower electrode layer, at least one active layer formed in contact with the surface of the hole transport layer, and an upper electrode layer formed on the active layer. do.

상기 유기 태양전지에 빛이 투사될 경우, 활성층에서 양전하(정공)와 음전하(전자)가 생성되며, 전자는 활성층 상부의 전극으로 이동되고, 정공은 정공수송층으로 이동된다. 종래 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(Poly(3,4- ethylenedioxy-thiophene, 이하, PEDOT) 및 폴리(스티렌설포네이트)(poly (styrenesulfonate, 이하, PSS)의 혼합물을 이용하여 제조되는 유기 태양전지의 정공수송층은 정공의 이동이 효율적이지 않아 유기 태양전지의 전기에너지 생성효율이 낮다는 문제점이 있다.When light is projected onto the organic solar cell, positive charges (holes) and negative charges (electrons) are generated in the active layer, electrons are moved to the electrode on the active layer, and holes are moved to the hole transport layer. Conventionally prepared using a mixture of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (Poly (3,4-ethylenedioxy-thiophene, hereinafter PEDOT) and poly (styrenesulfonate, hereinafter PSS) The hole transport layer of the organic solar cell has a problem in that the movement of holes is not efficient and the electrical energy generation efficiency of the organic solar cell is low.

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 유기 태양전지 정공수송층의 정공 이동성을 높임으로서, 유기 태양전지의 전기에너지 생성효율을 개선시킬 수 있는 유기 태양전지를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention for solving the problems of the prior art described above is to provide a method for manufacturing an organic solar cell that can improve the electrical energy generation efficiency of the organic solar cell by increasing the hole mobility of the organic solar cell hole transport layer. do.

위와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 유기 태양전지용 정공수송층 조성물은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxy- thiophene, 이하, PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(poly(styrenesulfonate, 이하, PSS) 및 작용기가 결합된 탄소나노튜브(functional carbon nano tube, 이하 f-CNT)를 혼합하여 이루어진다.The hole transport layer composition for an organic solar cell according to an aspect of the present invention for achieving the above object is poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (poly (3,4-ethylenedioxy-thiophene, hereinafter, PEDOT), poly ( Styrene sulfonate) (poly (styrenesulfonate, hereinafter, PSS) and functional carbon nanotubes (functional carbon nano tube, f-CNT) is combined by mixing.

상기 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽 또는 다중벽 탄소나노튜브 등인 것이 바람직하다.The carbon nanotube is a single wall, double wall or multi-wall Carbon nanotubes and the like are preferable.

상기 작용기는 -COOH, -OH, -SH2, -NH2 또는 -SO3H 등이 바람직하다.The functional group is preferably -COOH, -OH, -SH 2 , -NH 2 or -SO 3 H and the like.

상기 PEDOT과 PSS는 0.8:1 ~ 1:0.8로 혼합되고, 상기 혼합물에 f-CNT가 30~40 부피%로 혼합되는 것이 바람직하다.The PEDOT and PSS are mixed in a range of 0.8: 1 to 1: 0.8, and f-CNT is preferably mixed at 30 to 40% by volume in the mixture.

또한, 본 발명의 유기 태양전지를 제조하는 방법은, 기판상에 적층되는 하부전극층과 상부전극층 사이에 1종 이상의 정공수송층을 구비하는 유기 태양전지를 제조하는 방법에 있어서, 상기 정공수송층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(이하, PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(이하, PSS) 및 작용기가 결합된 탄소나노튜브(functional carbon nano tube, 이하 f-CNT)가 혼합된 혼합물을 이용하여 제조되는 것이다.In addition, the method of manufacturing the organic solar cell of the present invention, in the method of manufacturing an organic solar cell having at least one hole transport layer between the lower electrode layer and the upper electrode layer stacked on the substrate, the hole transport layer is poly ( A mixture of 3,4-ethylenedioxythiophene (hereinafter referred to as PEDOT), poly (styrenesulfonate) (hereinafter referred to as PSS) and functional carbon nanotubes (hereinafter referred to as f-CNT) It is manufactured using.

상기 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽 또는 다중벽 탄소나노튜브인 것이 바람직하다.The carbon nanotube is a single wall, double wall or multi-wall It is preferably a carbon nanotube.

상기 작용기는 -COOH, -OH, -SH2, -NH2 또는 -SO3H 등이 바람직하다.The functional group is preferably -COOH, -OH, -SH 2 , -NH 2 or -SO 3 H and the like.

상기 PEDOT, PSS 및 f-CNT의 혼합용액은 PEDOT과 PSS를 0.8:1 ~ 1:0.8로 혼합하여 혼합물 1을 제조하고, 상기 혼합물 1에 f-CNT를 30~40 부피%로 혼합한 것을 극성용매에 분산하여 제조되는 것이 바람직하다.The mixed solution of PEDOT, PSS and f-CNT is a mixture of PEDOT and PSS 0.8: 1 ~ 1: 0.8 to prepare a mixture 1, the mixture of f-CNT in 30 to 40% by volume polarity It is preferably prepared by dispersing in a solvent.

상기 극성용매는 증류수, 테트라하이드로퓨란 또는 다이메틸포름아마이드 등이 바람직하다.The polar solvent is preferably distilled water, tetrahydrofuran or dimethylformamide.

상기 정공수송층의 코팅 두께는 20~80 ㎚인 것이 바람직하다.The coating thickness of the hole transport layer is preferably 20 ~ 80 nm.

또한, 본 발명의 유기 태양전지는, 기판상에 형성되는 하부전극층; 상기 하부전극층 상에 형성되는 1종 이상의 정공수송층; 상기 정공수송층 상에 형성되는 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성되는 상부전극층; 으로 이루어진 유기 태양전지에 있어서, 상기 정공수송층은 PEDOT, PSS 및 작용기가 결합된 탄소나노튜브(이하, f-CNT)로 이루어진 것이다.In addition, the organic solar cell of the present invention, the lower electrode layer formed on the substrate; At least one hole transport layer formed on the lower electrode layer; An active layer formed on the hole transport layer; An upper electrode layer formed on the active layer; In the organic solar cell consisting of, the hole transport layer is made of carbon nanotubes (hereinafter, f-CNT) bonded to the PEDOT, PSS and functional groups.

상기 작용기는 -COOH, -OH, -SH2, -NH2 또는 -SO3H 등이 바람직하다.The functional group is preferably -COOH, -OH, -SH 2 , -NH 2 or -SO 3 H and the like.

상기 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽 또는 다중벽 탄소나노튜브 등이 바람직하다.The carbon nanotube is a single wall, double wall or multi-wall Carbon nanotubes and the like are preferable.

상기 정공수송층의 두께는 20~80 ㎚인 것이 바람직하다.It is preferable that the thickness of the said hole transport layer is 20-80 nm.

본 발명의 유기 태양전지용 정공수송층은 종래 PEDOT 및 PSS의 혼합물로 제조되는 유기 태양전지 정공수송층 대신에 PEDOT 및 PSS와 함께 작용기가 결합된 탄소나노튜브를 첨가하여 제조되어, 종래의 유기 태양전지 활성층에서 생성되는 정공이 정공수송층으로 효율적으로 이동되지 않는 문제점을 해결하였다. 이와 같이, 본 발명의 유기 태양전지용 정공수송층은 종래보다 정공의 이동을 효율적으로 하여 유기 태양전지의 전기에너지 생성효율을 높일 수 있다.The hole transport layer for the organic solar cell of the present invention is prepared by adding a carbon nanotube combined with a functional group together with PEDOT and PSS, instead of the organic solar cell hole transport layer made of a mixture of conventional PEDOT and PSS, in the conventional organic solar cell active layer The problem is that the generated holes are not efficiently moved to the hole transport layer. As described above, the hole transport layer for the organic solar cell of the present invention can increase the electric energy generation efficiency of the organic solar cell by making the hole movement more efficient than before.

도 1은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 유기 태양전지를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 제조방법에 따른 유기 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 Jsc 값이 첨가되는 f-CNT에 따라 달라짐을 나타낸 것이다.1 shows an organic solar cell manufactured according to the manufacturing method of the present invention.
Figure 2 shows the current-voltage characteristics of the organic solar cell according to the manufacturing method of the present invention.
Figure 3 shows that the Jsc value of the present invention depends on the f-CNT added.

본 발명자는 유기 태양전지의 전기에너지 생성효율을 높이기 위하여 연구하던 중, 종래에 정공수송층에 사용되는 PEDOT 및 PSS 성분에 추가적으로 작용기가 결합된 탄소나노튜브를 첨가하여 신규한 정공수송층을 제조하였고, 제조된 신규한 정공수송층이 개선된 양전하 흐름을 가짐과, 더불어 전기에너지 생성효율을 가짐을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
The inventors of the present invention studied to increase the electrical energy generation efficiency of the organic solar cell, while manufacturing a new hole transport layer by adding a carbon nanotube additionally bonded to the functional group to the PEDOT and PSS components used in the hole transport layer in the prior art, The present invention was completed by confirming that the new hole transport layer has an improved positive charge flow and has an electric energy generation efficiency.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(이하, PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트) (이하, PSS) 및 작용기가 결합된 탄소나노튜브(이하 f-CNT)를 혼합하여 이루어지는 유기 태양전지의 정공수송층용 조성물을 제공한다.The present invention is made by mixing poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (hereinafter referred to as PEDOT), poly (styrenesulfonate) (hereinafter referred to as PSS), and carbon nanotubes (hereinafter referred to as f-CNT) to which functional groups are bound. It provides a composition for a hole transport layer of a solar cell.

유기 태양전지는 태양광을 전기에너지로 변환하는 반도체 소자를 지칭하는 것으로서, 유기 태양전지는 기판/하부전극층/정공수송층/활성층/상부전극층으로 이루어진다. 상기와 같은 유기 태양전지에 태양광이 입사될 경우, 활성층의 유기물질이 빛에너지를 흡수하여 여기(excitation)되고, 정공과 전자가 생성되게 된다. 생성된 전자는 상부전극층 방향으로 이동되어 흐르고, 정공은 정공수송층 방향으로 이동되게 된다.An organic solar cell refers to a semiconductor device that converts sunlight into electrical energy, and the organic solar cell includes a substrate, a lower electrode layer, a hole transport layer, an active layer, and an upper electrode layer. When sunlight is incident on the organic solar cell as described above, the organic material of the active layer absorbs light energy and is excited, and holes and electrons are generated. The generated electrons are moved in the direction of the upper electrode layer and flow, and the holes are moved in the direction of the hole transport layer.

이때, 정공수송층으로 이동되는 정공이 효율적으로 이동되지 않을 경우, 전자의 생성 및 흐름을 방해하게 되고, 결과적으로 전류량이 감소하여, 유기 태양전지의 전기에너지 생성효율이 감소될 수 있다.At this time, if the holes moved to the hole transport layer are not efficiently moved, generation and flow of electrons are disturbed, and as a result, the amount of current decreases, and the efficiency of generating electric energy of the organic solar battery can be reduced.

상기 PEDOT 및 PSS 혼합물로 이루어지는 정공수송층은 활성층으로부터 하부전극을 보호하는 역할과 함께 활성층에서 생성된 정공을 수집하여 하부전극층으로 전달하는 역할을 한다. 이때, 상기 f-CNT가 PEDOT 및 PSS 혼합물에 첨가될 경우, 종래의 정공수송층의 단점인 낮은 정공 수송능력을 보완하여, 높은 정공 수송능력을 가지도록 하는 역할을 한다.
The hole transport layer composed of the PEDOT and PSS mixture serves to protect the lower electrode from the active layer and to collect holes generated in the active layer and transfer the holes generated in the active layer to the lower electrode layer. At this time, when the f-CNT is added to the PEDOT and PSS mixture, to complement the low hole transport capacity, which is a disadvantage of the conventional hole transport layer, serves to have a high hole transport capacity.

상기 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽 또는 다중벽 탄소나노튜브 등인 것이 바람직하다. 이때 상기 탄소나노튜브에 결합되는 상기 작용기로는 -COOH, -OH, -SH2, -NH2 또는 -SO3H 등이 바람직하다. 상기 작용기는 극성용매에 잘 분산될 수 있도록 탄소나노튜브에 극성을 부여하는 역할을 한다.The carbon nanotube is a single wall, double wall or multi-wall Carbon nanotubes and the like are preferable. In this case, the functional group bonded to the carbon nanotubes is preferably -COOH, -OH, -SH 2 , -NH 2 or -SO 3 H. The functional group serves to impart polarity to the carbon nanotubes so that they can be well dispersed in the polar solvent.

상기 PEDOT과 PSS는 0.8:1 ~ 1:0.8로 혼합되고, 상기 혼합물에 f-CNT가 30~40 부피%로 혼합되는 것이 바람직하다.
The PEDOT and PSS are mixed in a range of 0.8: 1 to 1: 0.8, and f-CNT is preferably mixed at 30 to 40% by volume in the mixture.

또한, 본 발명은 유기 태양전지는 기판상에 적층되는 하부전극층과 상부전극층 사이에 1종 이상의 정공수송층을 구비하는 유기 태양전지를 제조방법에 있어서, 상기 정공수송층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(이하, PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(이하, PSS) 및 작용기가 결합된 탄소나노튜브(이하 f-CNT)가 혼합된 용액을 이용하여 제조되는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is a method for manufacturing an organic solar cell having at least one hole transport layer between the lower electrode layer and the upper electrode layer stacked on the substrate, the hole transport layer is a poly (3,4-ethylenediox Citiopen) (hereinafter referred to as PEDOT), poly (styrenesulfonate) (hereinafter referred to as PSS), and a method of manufacturing an organic solar cell manufactured using a mixture of carbon nanotubes (hereinafter referred to as f-CNTs) having functional groups. to provide.

여기서, 상기 탄소나노튜브는 정공의 수송능력이 우수한 물질로서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽 또는 다중벽 탄소나노튜브 등이 사용될 수 있다. 그리고, 탄소나노튜브에 결합된 상기 작용기는 탄소나노튜브의 분산성을 높여 일정한 품질을 갖는 정공수송층 물질을 제조하기 위한 것으로서, -COOH, -OH, -SH2, -NH2 또는 -SO3H인 것이 바람직하다. Here, the carbon nanotubes are materials having excellent hole transport ability, and the carbon nanotubes are single-walled, double-walled or multi-walled. Carbon nanotubes and the like can be used. In addition, the functional group bonded to the carbon nanotubes is for producing a hole transport layer material having a certain quality by increasing the dispersibility of the carbon nanotubes, -COOH, -OH, -SH 2 , -NH 2 or -SO 3 H Is preferably.

이러한 상기 정공수송층의 제조는 상기 PEDOT 및 PSS는 일정비율로 혼합하고, 전체 혼합된 비율에 f-CNT를 적절하게 더 첨가하여 혼합한 것을 용매에 용해시키는 등 2단계로 수행되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게, 정공수송층을 제조하기 위한 혼합물은 PEDOT과 PSS를 0.8:1 ~ 1:0.8로 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물에 f-CNT를 30~40 부피%로 혼합하고, 이를 용해하여 제조될 수 있다. 만약 f-CNT의 첨가량이 30 부피% 미만일 경우, 상기 정공수송층이 구비된 유기 태양전지의 전류특성이 개선되지 않을 수 있으며, 40 부피%를 초과할 경우에는 정공수송층이 형성되기 힘들어 바람직하지 않다.In the preparation of the hole transport layer, the PEDOT and PSS are preferably mixed in a predetermined ratio, and f-CNT is appropriately further added to the total mixed ratio to dissolve the mixture in a solvent. More preferably, the mixture for preparing the hole transport layer is prepared by mixing PEDOT and PSS in a range of 0.8: 1 to 1: 0.8, f-CNT in 30 to 40% by volume in the mixture, dissolved by Can be prepared. If the addition amount of f-CNT is less than 30% by volume, the current characteristics of the organic solar cell provided with the hole transport layer may not be improved, and when it exceeds 40% by volume, the hole transport layer is hardly formed, which is not preferable.

이때, 상기 정공수송층 코팅 두께는 20~80 ㎚인 것이 좋다. 만약 상기 정공수송층의 코팅 두께가 20 ㎚ 미만일 경우, 유기 태양전지의 특성자체가 나타나지 않게 되고, 80 ㎚를 초과할 경우, 저항이 증가하여 전류가 잘 흐르지 않아 바람직하지 않다.
At this time, the hole transport layer coating thickness is preferably 20 ~ 80 nm. If the coating thickness of the hole transport layer is less than 20 nm, the characteristics of the organic solar cell itself does not appear, if it exceeds 80 nm, the resistance is increased so that the current does not flow well is not preferable.

이하, 본 발명의 유기 태양전지를 제조하는 방법을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the organic solar cell of the present invention will be described in more detail.

먼저, 유기 태양전지에 사용할 기판을 준비하고, 기판상에 하부전극층을 형성시킨다. 상기 하부전극층이 형성된 기판을 아세톤 및 이소프로필 알코올 혼합용매로 세척을 실시한다. First, a substrate for use in an organic solar cell is prepared, and a lower electrode layer is formed on the substrate. The substrate on which the lower electrode layer is formed is washed with acetone and isopropyl alcohol mixed solvent.

다음으로, 세척된 기판에 UV-오존 처리를 한 후, PEDOT, PSS 및 f-CNT 용액을 적하시키고, 상부면 전체에 PEDOT, PSS 및 f-CNT 혼합물이 퍼질 수 있도록 스핀 코팅을 실시하여 박막을 형성시킨다. 상기 박막이 형성된 기판을 고온처리하여 용매를 증발시키고, 하부전극층에 박막을 고착시켜 정공수송층을 형성한다.Next, after the UV-ozone treatment on the washed substrate, the PEDOT, PSS and f-CNT solution is added dropwise, and the thin film is spin-coated to spread the PEDOT, PSS and f-CNT mixture on the entire upper surface. Form. The substrate on which the thin film is formed is subjected to high temperature to evaporate the solvent, and the thin film is fixed to the lower electrode layer to form a hole transport layer.

다음으로, 상기 정공수송층 상에 P3HT, PCB의 혼합용액을 떨어뜨리고, 이 용액 상부면 전체에 코팅될 수 있도록 스핀코팅을 실시한다. 이를 가온하여 용매를 증발시켜 활성층을 형성시킨다. Next, drop the mixed solution of P3HT, PCB on the hole transport layer, and spin-coating to be coated on the entire upper surface of the solution. It is heated to evaporate the solvent to form the active layer.

마지막으로, 유기 태양전지의 활성층 상에 상부전극층을 형성시키기 위하여, 진공챔버에 활성층이 구비된 기판을 배치하고, ~10-6 Torr의 압력을 가하면서 금속 입자를 챔버내로 흘려보내, 활성층 상에 상부전극층이 증착될 수 있도록 한다. 이를 적절한 온도와 시간으로 최종 열처리하면, 유기 태양전지를 제조할 수 있다.
Finally, in order to form the upper electrode layer on the active layer of the organic solar cell, by placing a substrate with an active layer in the vacuum chamber, flowing metal particles into the chamber while applying a pressure of ~ 10 -6 Torr, on the active layer Allow the top electrode layer to be deposited. When the final heat treatment at an appropriate temperature and time, it is possible to manufacture an organic solar cell.

또한, 본 발명의 유기 태양전지는,In addition, the organic solar cell of the present invention,

기판상에 형성되는 하부전극층;A lower electrode layer formed on the substrate;

상기 하부전극층 상에 형성되는 1종 이상의 정공수송층;At least one hole transport layer formed on the lower electrode layer;

상기 정공수송층 상에 형성되는 활성층; 및An active layer formed on the hole transport layer; And

상기 활성층 상에 형성되는 상부전극층;An upper electrode layer formed on the active layer;

으로 이루어진 유기 태양전지에 있어서, In the organic solar cell consisting of,

상기 정공수송층은 PEDOT, PSS 및 작용기가 결합된 탄소나노튜브(functional carbon nano tube, 이하 f-CNT)로 이루어진 것이다.The hole transport layer is composed of PEDOT, PSS, and functional carbon nanotubes (hereinafter referred to as f-CNTs) bonded with functional groups.

상기 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽 또는 다중벽 탄소나노튜브 등이 될 수 있으며, 상기 작용기는 -COOH, -OH, -SH2, -NH2 또는 -SO3H 등이 될 수 있다.The carbon nanotube is a single wall, double wall or multi-wall Carbon nanotubes, and the like, the functional group may be -COOH, -OH, -SH 2 , -NH 2 or -SO 3 H and the like.

상기 정공수송층의 두께는 20~80 ㎚인 것이 바람직하다.It is preferable that the thickness of the said hole transport layer is 20-80 nm.

본 발명에 따른 유기 태양전지는 정공수송능력이 우수한 카본나노튜브를 도입함으로 인해서 기존의 유기태양전지보다 높은 전류특성을 얻을 수 있다.
The organic solar cell according to the present invention may obtain higher current characteristics than the conventional organic solar cell by introducing carbon nanotubes having excellent hole transport capability.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to a preferred embodiment so that those skilled in the art can easily practice the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

실시예Example 1: 유기 태양전지의 제조공정 1: Manufacturing Process of Organic Solar Cell

유리기판(12 ㎜ x 12 ㎜) 상부에 산화인듐주석(ITO)을 코팅하여 하부전극층을 형성시키고, 산화인듐주석이 코팅된 기판을 아세톤과 이소프로필 알코올로 세척하여 불순물을 제거하였다. 상기 세척한 기판에 미세불순물을 제거하기 위해 오존처리장치(AH-1700)로 UV-오존 처리하였다. 오존 처리된 기판에 PEDOT 및 PSS 혼합물 증류수에 분산시킨 용액과 작용기가 결합된 다중벽 탄소나노튜브(이하, f-MWCNT)를 다이메틸포름아마이드(DMF)에 분산시킨 용액을 7:3의 부피비로 혼합한 후, 이 용액을 상기 기판에 떨어뜨리고, 1500 rpm으로 30초간 스핀코팅을 실시하였다.Indium tin oxide (ITO) was coated on the glass substrate (12 mm x 12 mm) to form a lower electrode layer, and the indium tin oxide coated substrate was washed with acetone and isopropyl alcohol to remove impurities. UV-Ozone treatment was performed with an ozone treatment apparatus (AH-1700) to remove fine impurities from the washed substrate. A solution of a multi-walled carbon nanotube (hereinafter referred to as f-MWCNT) having a functional group dispersed in distilled water and a mixture of PEDOT and PSS on an ozone-treated substrate in dimethylformamide (DMF) in a volume ratio of 7: 3 After mixing, the solution was dropped on the substrate and spin-coated at 1500 rpm for 30 seconds.

용액을 고착시키기 위하여 230 ℃온도의 핫플레이트 위에서 15분 동안 열을 가하여 50 ㎚ 두께의 정공수송층을 형성시켰다.In order to fix the solution, heat was applied for 15 minutes on a 230 ° C. hot plate to form a hole transport layer having a thickness of 50 nm.

상기 정공수송층에 P3HT 및 PCBM 혼합용액을 정공수송층이 형성된 기판에 적하시키고, 기판을 회전시켜 전체면에 골고루 코팅하였다. 코팅된 용액에서 용매를 증발시키기 위해 50 ℃로 가온시켜 170 ㎚ 두께의 활성층을 형성시켰다.The P3HT and PCBM mixed solution was dropped on the hole transport layer onto the substrate on which the hole transport layer was formed, and the substrate was rotated to coat the entire surface evenly. Warm to 50 ° C. to evaporate the solvent in the coated solution to form a 170 nm thick active layer.

상부전극층을 형성하기 위하여 활성층일 형성된 기판을 진공 챔버에 넣고, ~10-6 토르(Torr)에서 알루미늄을 기상증착하여 80 ㎚의 알루미늄 층을 형성하였다. 이를 140 ℃로 30분간 최종 열처리하여 유기 태양전지를 제조하였다.
In order to form the upper electrode layer, the substrate on which the active layer was formed was placed in a vacuum chamber, and aluminum was vapor-deposited at ˜10 −6 Torr to form an 80 nm aluminum layer. The final heat treatment at 140 ℃ 30 minutes to produce an organic solar cell.

실시예Example 2: 유기 태양전지의 제조공정 2: manufacturing process of organic solar cell

정공수송층을 제조하기 위한 혼합용액에서 f-MWCNT를 40 부피% 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 유기 태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 40 vol% of f-MWCNT was used in the mixed solution for preparing the hole transport layer.

비교예Comparative example 1: 유기 태양전지의 제조 1: Fabrication of Organic Solar Cell

정공수송층을 제조하기 위한 혼합용액에 f-MWCNT를 사용하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 유기 태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that f-MWCNT was not used in the mixed solution for preparing the hole transport layer.

비교예Comparative example 2: 유기 태양전지의 제조 2: Fabrication of Organic Solar Cell

정공수송층을 제조하기 위한 혼합용액에서 f-MWCNT를 10 부피% 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 유기 태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 10 vol% of f-MWCNT was used in the mixed solution for preparing the hole transport layer.

비교예Comparative example 3: 유기 태양전지의 제조 3: Fabrication of Organic Solar Cell

정공수송층을 제조하기 위한 혼합용액에서 f-MWCNT를 20 부피% 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 유기 태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 20 vol% of f-MWCNT was used in the mixed solution for preparing the hole transport layer.

비교예Comparative example 4: 유기 태양전지의 제조 4: Fabrication of Organic Solar Cell

정공수송층을 제조하기 위한 혼합용액에서 f-MWCNT를 50 부피% 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 하여 유기 태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 50 vol% of f-MWCNT was used in the mixed solution for preparing the hole transport layer.

실험예Experimental Example 1: 전류 밀도(J) - 전압(V) 특성 분석 1: Current Density (J)-Voltage (V) Characterization

상기 실시예 1 및 2와 비교예 1~4의 전압대비 전류밀도를 전류-전압 계측기(Keithley 2400)를 이용하여 측정하였다.The current density of the voltages of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4 were measured using a current-voltage meter (Keithley 2400).

그 결과를 도 2(a) 및 (b)와 도 3에 나타내었다.The results are shown in FIGS. 2A and 2B and FIG. 3.

도 2(a)는 태양광이 조사하지 않을 때의 실시예 1 및 비교예 1의 유기 태양전지를 나타낸 것으로서, 외부 전압에 따른 전류의 흐름을 볼 수 있다.2 (a) shows the organic solar cells of Example 1 and Comparative Example 1 when the sunlight is not irradiated, it can be seen the flow of current according to the external voltage.

도 2(b)는 유기 태양전지에 태양광을 조사한 경우이다. 태양광이 조사될 경우, 태양광의 역전압인 외부 전압에 의해 곡선이 오른쪽으로 이동되었음을 볼 수 있는데, 이는 태양광에 의해서 전류와 전압이 증가되었음을 볼 수 있다. 특히, 전압의 상승보다 전류의 상승이 비교예 1보다 두드러진다. 이는 정공수송층으로 전하의 이동이 원활하여 전류 흐름이 증가되었기 때문이라고 판단된다.FIG. 2 (b) shows the case where the organic solar cell is irradiated with sunlight. When the sunlight is irradiated, it can be seen that the curve is shifted to the right by the external voltage, which is the reverse voltage of the sunlight, which indicates that the current and the voltage are increased by the sunlight. In particular, the rise of the current is more pronounced than that of the comparative example 1 rather than the rise of the voltage. This is considered to be because current flow increased due to the smooth movement of charges to the hole transport layer.

또한, 도 3에 나타난 바와 같이, f-CNT의 첨가량이 10% 및 20%일 경우에는 Jsc 값(short circuit current: 전압값이 0이 되었을 때의 전류값)이 오히려 감소하는 경향이 보였다. 그러나, f-CNT의 함량이 30~40%일 경우에는 Jsc 값이 상승하여 유기 태양전지의 전류-전압특성이 개선됨을 알 수 있었다. 그러나 반대로 40 부피%를 초과하는 비교예 4는 정공수송층 자체가 잘 형성되지 않아 측정이 불가능하였다.In addition, as shown in FIG. 3, when the addition amount of f-CNT was 10% and 20%, the Jsc value (short circuit current: current value when the voltage value became 0) tended to decrease. However, when the content of f-CNT is 30 to 40%, it can be seen that the current-voltage characteristic of the organic solar cell is improved by increasing the Jsc value. On the contrary, in Comparative Example 4 exceeding 40% by volume, the hole transport layer itself was not well formed, and thus measurement was impossible.

이로 보아, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 전기에너지 생성효율이 높아졌음을 알 수 있었다.
From this, it can be seen that the organic solar cell according to the present invention has an increased electrical energy generation efficiency.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention, which also belong to the appended claims. Of course.

Claims (14)

폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(Poly(3,4-ethylenedioxy-thiophene, 이하, PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(poly(styrenesulfonate, 이하, PSS) 및 극성 작용기가 결합된 탄소나노튜브(functional carbon nano tube, 이하 극성 f-CNT)를 혼합하여 이루어지며, 상기 PEDOT과 PSS는 0.8:1 ~ 1:0.8로 혼합되고, 상기 혼합물에 극성 f-CNT가 30~40 부피%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지용 정공수송층 조성물.Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (Poly (3,4-ethylenedioxy-thiophene, hereinafter, PEDOT), poly (styrenesulfonate) (poly (styrenesulfonate, hereinafter, PSS) and carbon nano with polar functional groups It is made by mixing a tube (functional carbon nano tube, hereinafter polar f-CNT), the PEDOT and PSS is mixed in a 0.8: 1 ~ 1: 0.8, the polar f-CNT is mixed in the mixture in 30 to 40% by volume Hole transport layer composition for an organic solar cell, characterized in that. 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지용 정공수송층 조성물.The method of claim 1,
The carbon nanotubes are single wall, double wall and multiple wall A hole transport layer composition for an organic solar cell, characterized in that at least one member selected from the group consisting of carbon nanotubes. 제1항에 있어서,
상기 작용기는 -COOH, -OH, -SH2, -NH2 및 -SO3H으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지용 정공수송층 조성물.The method of claim 1,
The functional group is a hole transport layer composition for an organic solar cell, characterized in that one kind selected from the group consisting of -COOH, -OH, -SH 2 , -NH 2 and -SO 3 H. 삭제delete 기판상에 적층되는 하부전극층과 상부전극층 사이에 1종 이상의 정공수송층을 구비하는 유기 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,
상기 정공수송층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(poly(3,4-ethylenedioxy- thiophene, 이하, PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(poly(styrenesulfonate, 이하, PSS) 및 극성 작용기가 결합된 탄소나노튜브(functional carbon nano tube, 이하 극성 f-CNT)가 혼합된 혼합물을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하며, 상기 PEDOT, PSS 및 극성 f-CNT의 혼합물은 PEDOT과 PSS를 0.8:1 ~ 1:0.8로 혼합하여 혼합물 1을 제조하고, 상기 혼합물 1에 극성 f-CNT를 30~40 부피%로 혼합한 것을 극성용매에 용해하여 제조된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.In the method of manufacturing an organic solar cell having at least one hole transport layer between the lower electrode layer and the upper electrode layer stacked on the substrate,
The hole transport layer is a poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (poly (3,4-ethylenedioxy-thiophene, hereinafter, PEDOT), poly (styrenesulfonate) (poly (styrenesulfonate, hereinafter, PSS) and polar functional groups Combined carbon nanotubes (functional carbon nano tube, hereinafter polar f-CNT) is characterized in that it is prepared using a mixture, the mixture of PEDOT, PSS and polar f-CNT is 0.8: 1 PEDOT and PSS ~ 1 to 0.8 to prepare a mixture 1, the mixture of polar f-CNT to 30 to 40% by volume of the organic solar cell manufacturing method characterized in that prepared by dissolving in a polar solvent. 제5항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.The method of claim 5,
The carbon nanotubes are single wall, double wall and multiple wall An organic solar cell manufacturing method, characterized in that at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes. 제5항에 있어서,
상기 작용기는 -COOH, -OH, -SH2, -NH2 및 -SO3H으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.The method of claim 5,
The functional group is -COOH, -OH, -SH 2 , -NH 2 And -SO 3 H organic solar cell manufacturing method characterized in that one selected from the group consisting of -H. 삭제delete 제5항에 있어서,
상기 극성용매는 증류수, 테트라하이드로퓨란 또는 다이메틸포름아마이드 으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.The method of claim 5,
The polar solvent is an organic solar cell manufacturing method characterized in that at least one selected from the group consisting of distilled water, tetrahydrofuran or dimethylformamide. 제5항에 있어서,
상기 정공수송층의 코팅 두께는 20~80 ㎚인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조방법.The method of claim 5,
The coating thickness of the hole transport layer is an organic solar cell manufacturing method, characterized in that 20 ~ 80 nm. 기판상에 형성되는 하부전극층;
상기 하부전극층 상에 형성되는 1종 이상의 정공수송층;
상기 정공수송층 상에 형성되는 활성층; 및
상기 활성층 상에 형성되는 상부전극층;
으로 이루어진 유기 태양전지에 있어서,
상기 정공수송층은 PEDOT, PSS 및 극성 작용기가 결합된 탄소나노튜브(이하 극성 f-CNT)로 이루어지는 혼합물로 형성되며,
상기 혼합물은 상기 PEDOT, PSS 및 극성 f-CNT의 혼합물은 PEDOT과 PSS를 0.8:1 ~ 1:0.8로 혼합하여 혼합물 1을 제조하고, 상기 혼합물 1에 극성 f-CNT를 30~40 부피%로 혼합한 것을 극성용매에 용해하여 제조된 혼합물인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.A lower electrode layer formed on the substrate;
At least one hole transport layer formed on the lower electrode layer;
An active layer formed on the hole transport layer; And
An upper electrode layer formed on the active layer;
In the organic solar cell consisting of,
The hole transport layer is formed of a mixture consisting of PEDOT, PSS and carbon nanotubes (hereinafter polar f-CNT) to which a polar functional group is bonded,
The mixture is a mixture of the PEDOT, PSS and polar f-CNT is a mixture of PEDOT and PSS 0.8: 1 ~ 1: 0.8 to prepare the mixture 1, the mixture 1 to 30 to 40% by volume of the polar f-CNT An organic solar cell, wherein the mixture is a mixture prepared by dissolving a mixture in a polar solvent. 제11항에 있어서,
상기 작용기는 -COOH, -OH, -SH2, -NH2 및 -SO3H으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The method of claim 11,
The functional group is an organic solar cell, characterized in that one kind selected from the group consisting of -COOH, -OH, -SH 2 , -NH 2 and -SO 3 H. 제11항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 단일벽, 이중벽 및 다중벽 탄소나노튜브로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The method of claim 11,
The carbon nanotubes are single wall, double wall and multiple wall An organic solar cell, characterized in that at least one member selected from the group consisting of carbon nanotubes. 제11항에 있어서,
상기 정공수송층의 두께는 20~80 ㎚인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The method of claim 11,
The thickness of the hole transport layer is an organic solar cell, characterized in that 20 ~ 80 nm.
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