KR101282564B1

KR101282564B1 - 유기용매를 첨가한 전도성 유기박막의 제조방법 및 이를 이용한 유기태양전지

Info

Publication number: KR101282564B1
Application number: KR1020110090664A
Authority: KR
Inventors: 김현재; 양정석; 오상훈
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-07-04
Also published as: KR20130027213A

Abstract

본 발명은 고효율의 유기 태양전지 제조를 위하여 아세트산 등의 용매가 첨가된 PEDOT:PSS 박막을 정공 수송층으로 사용한 유기태양전지 제조방법에 관한 것이다.
종래의 유기태양전지는 P3HT와 PCBM의 혼합물을 활성층으로 하고, PEDOT:PSS를 정공 수송층으로 하여 유기태양전지를 제작하고 있다. 하지만 유기태양전지에서 각 박막에서의 전자와 정공의 낮은 이동도로 인한 낮은 광 에너지 변환 효율은 유기태양전지가 극복해야 할 가장 큰 문제점으로 작용한다. 본 발명운, 상기에서 명시한 PEDOT:PSS에 아세트산 등의 용매를 첨가하여 정공 수송층으로 사용하여 애노드까지 이동하는 정공의 이동도를 증가시키므로 정공 수송층에서의 정공 재결합으로 인한 손실을 줄이므로 광 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다.

Description

유기용매를 첨가한 전도성 유기박막의 제조방법 및 이를 이용한 유기태양전지{Modified PEDOT:PSS with Organic Solvent And Organic Solar Cells using It}

본 발명은 유기태양전지에 관한 것이며, 더 상세하게는 태양전지의 활성층에서 생성된 전공을 전달하는 정공 수송층의 전도성 향상 기술에 관한 것이다.

현 시점에서 에너지 자원의 확보는 각 나라의 미래를 좌우할 중요한 문제로 받아들여지고 있다. 이에 화석연료를 대체하는 신재생 에너지 개발은 국가적인 차원에서 모든 노력이 기울여지고 있으며, 특히 태양전지는 가장 주목받는 기술 중에 하나이다. 그 중에서 유기태양전지는 제작공정의 비용이 낮고, 유연한 기판에 적용 가능하고 투명하기 때문에 무기 태양전지가 가질 수 없는 분야에서 높은 성장 가능성을 지니고 있다.

유기 태양전지는 기본적으로 박막형 구조이며 투명전극인 ITO(Indium thin oxide)를 애노드(양극)로, 낮은 일함수를 갖는 알루미늄(Al)을 캐소드(음극)로 주로 사용한다. 광활성층은 전자주개물질(도너)인 poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 와 전자받개물질(액셉터)인 (6,6) phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM)으로 구성되며 주로 이 두 물질을 혼합한 물질을 스핀 코팅(spin coating) 방법으로 적층 한다. 광활성층 영역에 에너지를 가지는 빛을 쬐어주면

천이 (transition)가 발생하고, 도너 물질에서 전자-전공 쌍이 형성된다. 이 전자-전공 쌍은 계면에서 분리되어 정공(hole)은 애노드(anode)로 전자는 캐소드(cathode)로 분리이송되어 전류가 발생 된다.

유기태양전지에서 사용되고 있는 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS)는 투명하고 적절한 에너지 레벨을 지니고 있어 정공 수송층으로 주로 사용되는 유기물이다. 하지만 PEDOT:PSS의 정공 수송율이 낮고 무기 박막에 비하여 상대적으로 낮은 전도도로 인하여 유기태양전지의 효율을 향상시키지 못하고 있다. 이를 극복하기 위하여 PEDOT:PSS에 다른 물질을 첨가하여 박막의 저항을 낮추어 박막 자체의 전도도를 향상시키고 소자의 효율을 향상시킬 필요가 있다.

본 발명의 목적은 유기태양전지에 사용되는 정공 수송층인 PEDOT:PSS의 저항률을 줄여 전도성을 향상시켜 태양전지 소자의 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 아세트산(Acetic Acid)과 같이 PEDOT:PSS와 혼합되어 정공 전도도를 높일 수 있는 용매를 첨가한 PEDOT:PSS 박막을 정공 수송층으로 사용하여 정공 수송층의 정공 수송율을 높이고, 그에 따라 상기 정공 수송층을 이용한 태양전지를 제작하여 소자의 효율을 향상시킬 수 있었다. 아세트산 등의 용매가 첨가된 PEDOT:PSS는 기존 PEDOT:PSS만으로 된 박막이 가지는 1.71×10^-1Ωcm이라는 저항률에 비해 2.29×10^-5Ωcm라는 향상된 저항률을 나타내어 정공을 투명 전도막인 ITO 전극까지 충분히 이동시켜 궁극적으로 유기태양전지의 효율을 향상시켰다.

따라서 본 발명은, 애노드/활성층/캐소드를 포함하는 전지소자에서 상기 애노드와 활성층 사이에 적층되는 정공 수송층으로 사용되는 박막으로서,

아세트산, 글리세롤(Glycerol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide (DMF)), 에틸렌글리콜(ethylene glycol (EG)), 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide (DMSO)), 솔비탈(sorbital) 중 어느 하나의 유기용매와 PEDOT:PSS 혼합물을 상기 애노드 위에 코팅하여 형성하는 것을 특징으로 하는 유기박막의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 유기박막의 제조방법에 있어서, PEDOT:PSS와 상기 유기용매를 혼합하여 형성된 정공 수송층 박막은 50 내지 200 ℃로 열처리하는 것을 특징으로 하는 유기박막의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 유기박막의 제조방법에 있어서, PEDOT:PSS와 상기 유기용매의 비율이 부피비로 1 내지 10:1인 것을 특징으로 하는 유기박막의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 유기박막의 제조방법에 있어서, PEDOT:PSS와 상기 유기용매의 혼합용액을 균일하게 분산시키기 위하여 100 내지 1000 rpm으로 30 분 내지 3 시간 동안 교반 처리하는 것을 특징으로 하는 유기 박막의 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기의 유기박막을 정공 수송층으로 사용하여,

애노드로서 투명전극을 유리기판에 형성한 투명전극/유리기판 위에 상기 정공 수송층을 박막으로 적층하고,

P3HT:PCBM이 혼합된 클로로벤젠 용액을 코팅하여 상기 정공수송층에 적층하고 50 내지 200℃의 온도에서 열처리하여 활성층을 형성하고,

상기 활성층 위에 캐소드를 증착하여 제작한 것을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 유기태양전지에 있어서, 상기 캐소드는 LiF와 Al을 접촉한 박막으로 형성한 것을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 정공 이동도가 낮은 PEDOT:PSS에 아세트산(Acetic Acid) 용매를 혼합한 용액으로 정공 수송층 박막을 형성함으로써 정공 수송층의 전도성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 정공 수송률을 향상시킨 상기 정공 수송층을 사용한 P3HT, PCBM 기반의 유기 태양전지를 제작하여 유기 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있으며, 이외에도 고 효율의 정공 수송층을 필요로 하는 다양한 유기 전자 소자에 상기 정공 수송층을 응용할 수 있다.

도 1은 본 실시예에 의한 아세트산(Acetic Acid)을 첨가한 PEDOT:PSS 박막을 정공 수송층으로 사용한 유기 태양전지의 제작 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 따라 제작된 유기 태양전지의 구조이다.
도 3는 본 실시예에 따라 아세트산(Acetic Acid)을 첨가한 PEDOT:PSS 박막을 정공 수송층으로 사용하여 제작된 유기 태양전지의 전류밀도-전압 그래프 (J-V)를 나타낸 것이다.

이하, 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 아래의 1 단계로부터 6 단계까지 수행하여, 도 2과 같은 유기태양전지를 제작한다.

1 단계

도 1에 따라 유기 태양전지를 제작하기 위하여 투명전극/유리기판(ITO/glass)을 포토리소그라피 작업을 통해 염산:질산:증류수를 적절한 비율로 섞은 용액에서 1시간 정도 습식각 작업을 통해 선폭이 1 내지 6 mm인 직사각형의 ITO 패터닝을 형성시킨다. 상기 염산:질산:증류수는 부피비로 45~49:1~5:50 정도가 바람직하다.

2 단계

유기 태양전지에 정공 수송층을 제작하기 위한 용액을 제조하기 위하여 기존 정공 수송층으로 사용되는 PEDOT:PSS에 용매로서 아세트산을 부피비로 1 내지 10:1의 비율로 섞는다. 이와 같은 방법으로 형성한 용액을 약 100 내지 1000, 바람직하게는, 300 rpm으로 30 분 내지 3 시간 정도 교반(stirring) 처리하여 용액(solution)을 준비한다. 교반 공정을 통해 PEDOT:PSS와 아세트산은 화학반응을 일으켜 전도성이 향상되는 것으로 예측된다.

3 단계

패턴이 형성된 투명전극/유리(ITO/glass) 기판 위에 정공 수송층을 형성하기 위해, 상기 2 단계에서 제조한, 아세트산이 첨가된 PEDOT:PSS 용액을 3000 rpm 정도의 속도로 30 초 정도 스핀 코팅하여 박막을 형성한 뒤에 50 내지 200℃, 바람직하게는, 150 ℃ 온도에서 5 내지 20분, 바람직하게는, 10분간 열처리한다. 박막의 형성은 스핀 코팅 외에도 스프레이 코팅, 잉크젯 프린팅, 롤투롤 인쇄 또는 딥 코팅 등이 가능하다.

4 단계

다음, 활성층을 제작하기 위하여 무습, 무산소 분위기의 글로브 박스에서 전자주개물질(도너)인 P3HT 및 전자받개물질(액셉터)인 PCBM 유기물을 준비하여 각각 1:0.8 비율로 15mg/ml, 12mg/ml의 농도가 되도록 준비하고 이 두 물질을 클로로벤젠 용매에 녹인 후 약 3 시간 정도 100rpm 내외로 교반(stirring) 처리한다.

5 단계

아세트산(acetic acid)이 첨가된 PEDOT:PSS 박막이 증착된 ITO 기판을 무습, 무산소 분위기의 글로브 박스로 이동한 후 P3HT:PCBM이 혼합된 클로로벤젠 용액을 스핀 코팅 방법을 이용하여 1500rpm 정도로 30초 내외의 시간 동안 적층하고 50 내지 200℃, 바람직하게는, 120℃ 정도의 온도로 열처리를 수행하고 글로브 박스 안에 15분 정도 놓아둔다.

6 단계

활성층까지 형성된 유기 태양전지를 열 증착(thermal evaporation) 장치 안으로 이동시켜서 오믹 컨택(ohmic contact)을 형성하도록 도와주는 LiF와 캐소드으로 사용되는 알루미늄(Al)을 증착한다. 이때 LiF의 두께는 1 내지 10 nm, 바람직하게는, 5 nm 이내로 증착하고 알루미늄(Al)의 두께는 120 nm 이내로 증착한다. 전극 증착이 끝난 후 다시 무습, 무산소 분위기의 글로브 박스에서 50 내지 200℃, 바람직하게는, 120℃에서 10분 정도 열처리를 수행한다.

상기와 같이 하여, 제작비용을 낮추면서도 정공 수송층의 전도도를 높여 정공 수송율을 크게 향상시킨 유기 태양전지를 제공하여, 활성층에서 생성된 정공이 정공 수송층에서 재결합으로 소멸 되는 비율을 크게 낮추어서 효율을 높인 유기 태양전지를 제작할 수 있다.

상기 방법에 의해 제작된 정공 수송층 유기박막은 기존 PEDOT:PSS만으로 된 박막이 가지는 1.71×10^-1Ωcm이라는 저항률에 비해 2.29×10^-5Ωcm라는 향상된 저항률을 나타내었다.

또한, 상기 유기박막은 유기태양전지 외, 동일 구조를 이루는 유기발광소자 등의 전자소자에도 응용될 수 있다.

도 3에는 본 실시예에 따라 제작된 유기태양전지의 전류-전압 특성 곡선을 나타내었다. 이로부터 PEDOT:PSS와 아세트산의 혼합비가 2 내지 4:1의 범위에서 유기태양전지의 효율이 우수하게 될 수 있음을 알 수 있다.

또한, 아세트산 이외에도 PEDOT:PSS에 용매로서 첨가되어 정공 전도도를 향상시킬 수 있는 것으로, 글리세롤(Glycerol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide (DMF)), 에틸렌글리콜(ethylene glycol (EG)), 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide (DMSO)), 솔비탈(sorbital) 등이 있으며, 상기 공정을 통해 유기박막으로 제작될 수 있으며, 이러한 유기박막은 유기태양전지 또는 유기발광소자 등에 정공 수송층으로 활용될 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도면 부호 없음

Claims

애노드/활성층/캐소드를 포함하는 전지소자에서 상기 애노드와 활성층 사이에 적층되는 정공 수송층으로 사용되는 박막으로서,
아세트산, 디메틸술폭시드(dimethyl sulfoxide (DMSO)), 솔비탈(sorbital) 중 어느 하나의 유기용매와 PEDOT:PSS 혼합물을 상기 애노드 위에 코팅하여 형성하는 것을 특징으로 하는 유기박막의 제조방법.
제1항에 있어서, PEDOT:PSS와 상기 유기용매를 혼합하여 형성된 정공 수송층 박막은 50 내지 200 ℃로 열처리하는 것을 특징으로 하는 유기박막의 제조방법.
제1항에 있어서, PEDOT:PSS와 상기 유기용매의 비율이 부피비로 1 내지 10:1인 것을 특징으로 하는 유기박막의 제조방법.
제1항에 있어서, PEDOT:PSS와 상기 유기용매의 혼합용액을 균일하게 분산시키기 위하여 100 내지 1000 rpm으로 30 분 내지 3 시간 동안 교반 처리하는 것을 특징으로 하는 유기 박막의 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 유기박막을 정공 수송층으로 사용하여,
애노드로서 투명전극을 유리기판에 형성한 투명전극/유리기판 위에 상기 정공 수송층을 박막으로 적층하고,
P3HT:PCBM이 혼합된 클로로벤젠 용액을 코팅하여 상기 정공수송층에 적층하고 50 내지 200℃의 온도에서 열처리하여 활성층을 형성하고,
상기 활성층 위에 캐소드를 증착하여 제작한 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
제5항에 있어서, 상기 캐소드는 LiF와 Al을 접촉한 박막으로 형성한 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.