KR101364957B1 - 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 유기 태양 전지 - Google Patents

환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 유기 태양 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 유기 태양 전지에 관한 것으로, 구체적으로 기판 상부에 제1전극을 형성하는 단계(단계 1);단계 1의 제1전극 상부에 산화 그래핀을 적층하는 단계(단계 2);단계 2의 적층된 산화 그래핀에 100 - 300 ℃의 온도로 어닐링을 수행하여 산화 그래핀을 환원시키는 단계(단계 3);단계 3의 환원된 산화 그래핀 상부에 광활성층을 적층하는 단계(단계 4); 및 단계 4의 광활성층 상부에 제2전극을 형성하는 단계(단계 5)를 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 유기 태양 전지는 정공추출을 위한 계면층으로서 환원된 산화 그래핀을 삽입함으로써 광전변환효율이 향상된 유기 태양 전지를 제조할 수 있고, 종래, 산화 그래핀의 열처리 환원 온도보다 낮은, 100 - 300 ℃의 온도에서 산화 그래핀을 환원시킴으로써, 유리 또는 플라스틱과 같은 유연한 기판 상부에 적층이 용이할 뿐만 아니라, 에너지 측면에서도 유리한 효과가 있다.

Description

환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 유기 태양 전지 {Method for organic photovoltaics with reduced graphene oxide and organic photovoltatics prepared thereof}
본 발명은 정공 추출을 위한 계면층으로서 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 유기 태양 전지에 관한 것이다.
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.
신재생 에너지 중에서 태양전지는 태양광에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 반도체소자이다. 구체적으로, n형 반도체와 p형 반도체의 접합형태를 가지는 PN 다이오드 구조와 동일하다. 외부에서 빛이 태양에너지 밴드갭 에너지 이상의 빛에너지를 가지고 태양전지에 입사되었을 때, 전자들은 상기 빛에너지를 수렴하여 전자들은 가전자대(valence band)로부터 전도대(conduction band)로 여기된다. 상기 전자들의 여기과정에서 가전자대(valence band)에서 홀(hole)이 생성된다. p형 반도체에서 여기된 전자는 n형 반도체 방향으로 이동하고, n형 반도체에서 생성된 홀은 p형 반도체 방향으로 이동함으로써 상기 PN 다이오드 구조 양단에 전압차가 생기고, 이때 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하면 전지로서 동작하게 된다.
태양전지는 광활성층의 구성 물질에 따라 크게 무기물 태양전지 또는 유기물 태양전지로 구분할 수 있다. 유기 태양 전지의 기본 구조는 높은 일함수를 가진 전도성 투명전극을 양극으로, 낮은 일함수를 가진 Al 등을 음극 물질로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 전자 도너 물질 및 전자 억셉터 물질을 포함하는 광활성층을 포함하며, 버퍼층으로 양극과 광활성층 사이에 정공 이송층을, 음극과 광활성층 사이에는 전자 이송층을 끼워 넣기도 한다.
상술한 유기 태양 전지 제조 기술의 개발 방향은 주로 신뢰성 및 에너지 변환효율 향상 등에 있으며, 이러한 태양광 전지의 효율을 나타내느 주요 변수로는 개방 회로 전압(open-circuit voltage, Voc), 단락 회로 전류(short-circuit cureent, Jsc) 및 필 팩터(fill factor,FF)등이 있다. 상기 개방 회로 전압은 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이며, 상기 단락 회로 전류는 회로가 단락된 상태, 즉 외부 저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향의 전류 밀도이다. 상기 필 팩터는 최대 전력점에서 전류 밀도와 전압 값의 곱을 상기 개방 회로 전압과 상기 단락 회로 전류의 곱으로 나눈 값이다.
상술한 주요 변수는 상기 유기 태양 전지의 구조를 설계하는데 필수적으로 고려해야 할 사항이다. 따라서, 상기 태양 전지의 효율과 관련하여 상기 주요 변수를 제어하는 방법은 계속적으로 연구되어 지고 있다.
종래, 유기 태양 전지의 효율을 향상시키는 방법으로는 다양한 방법들이 공지되어있다.
특허문헌 1에는 유기 태양 전지에 PEDOT:PSS 정공수송층에 분산된 금속나노입자의 표면플라즈몬공명에 의한 가시광선 영역의 광흡수 증대효과를 적층형에 도입하여 광전 변환 효율을 향상시키는 방법이 개시되어 있다. 문제점이 있다. 그러나 상기 방법은 흡습성이 있는 PEDOT:PSS를 정공수송층으로 사용함으로써 유기 태양 전지의 장기간 안정성이 낮은 문제점이 있다.
한편, 그래핀은 이차원의 판상 구조 형태를 갖는 넓은 표면적을 가진 물질로서, sp2 혼성 탄소를 포함하여 전기적, 열적, 기계적 특성이 매우 뛰어나 초고용량 캐패시터(capacitor), 이차전지, 수소저장 물질과 같은 에너지 저장물질, 트랜지스터, 센서, 투명전극 및 고분자 복합체 등 다양한 분야에서 각광받고 있는 물질이다.
일반적으로 그래핀은 대량생산이 어렵고, 제조단가가 높아 일반적으로 산화 그래핀을 대량생산하여 이를 열 또는 화학적으로 처리하여 물리적 특성을 제어하여 사용한다. 산화 그래핀을 환원시켜 사용하면 고투명성을 갖고, 용액공정이 가능하여 대면적 코팅이 가능하고, 금속촉매를 필요로 하지 않으며, 저온공정이 가능하고, 전기적특성을 조절하기가 용이할 뿐만 아니라, 기계적으로 유연한 장점이 있다.
화학적 박리법을 이용하여 산화 그래핀을 제조하는 방법은 흑연을 산화시켜 그라파이트 옥사이드(graphite oxide)를 제조한 후, 간단한 초음파 처리를 통해 수용액 상에서 한 장의 그래핀 옥사이드(graphene oxide) 서스펜션을 만드는 방법이다. 그러나, 상기 화학적 박리법을 이용하여 제조된 산화 그래핀은 산화 및 초음파 처리 과정 중 물리적 성질이 저하되는 문제가 있다. 구체적으로, 흑연을 산화시키는 과정 중에 산소를 포함하는 작용기들이 그래핀 표면에 결합하게 되며, 이로 인해 친수성 그룹들이 부착됨으로써 그래핀 층간 거리가 멀어지게 되어 그 결과 그래핀의 물성을 좌우하는 sp2 혼성 탄소가 파괴된다.
이와 같이 산화 그래핀은 제조과정에서 산소를 포함하는 작용기들이 결합되어 있으므로, 이를 열처리하거나 환원제를 사용하여 이를 환원시킴으로써 물리적 특성을 보완한다.
종래, 산화 그래핀을 환원시키기 위해 높은 온도의 열처리가 요구되었으나, 이는 상대적으로 고온에 약한 유연한 기판 위에 사용하기 용이하지 않은 문제점 및 불필요하게 과도한 열 에너지를 소비한다는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자들은 유기 태양 전지의 광전 변환 효율을 향상시키기 위한 방법을 연구하던 중, 본 발명의 유기 태양 전지의 제조방법은 정공추출을 위한 계면층으로서 환원된 산화 그래핀을 삽입함으로써 광전변환효율이 향상된 유기 태양 전지를 제조할 수 있고, 종래, 산화 그래핀의 열처리 환원 온도보다 낮은, 100 - 300 ℃의 온도에서 산화 그래핀을 환원시킴으로써, 유리 또는 플라스틱과 같은 유연한 기판 상부에 적층이 용이할 뿐만 아니라, 에너지 측면에서도 유리한 효과가 있음을 알아냄으로써 본 발명을 완성하였다.
특허문헌 1: 대한민국 등록특허 제10-2010-1104226호
본 발명의 목적은 정공 추출을 위한 계면층으로서 환원된 산화 그래핀이 적층된 투명 전극을 구비하는 유기 태양 전지용 기판의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 기판의 제조방법에 의해 제조된 투명전극이 구비된 유기 태양 전지용 기판을 제공하는 데 있다.
나아가, 본 발명의 목적은 상기 제조방법에 의해 제조된 유기 태양 전지용 기판을 구비하는 유기 태양 전지의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 유기 태양 전지의 제조방법에 의해 제조된 유기 태양 전지를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
기판 상부에 제1전극을 형성하는 단계(단계 1);
단계 1의 제1전극 상부에 산화 그래핀을 적층하는 단계(단계 2); 및
단계 2의 적층된 산화 그래핀에 100 - 300 ℃의 온도로 어닐링을 수행하여 산화 그래핀을 환원시키는 단계(단계 3)를 포함하는 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
상기 기판의 제조방법에 의해 제조된 투명전극이 구비된 유기 태양 전지용 기판을 제공한다.
나아가, 본 발명은
기판 상부에 제1전극을 형성하는 단계(단계 1);
단계 1의 제1전극 상부에 산화 그래핀을 적층하는 단계(단계 2);
단계 2의 적층된 산화 그래핀에 100 - 300 ℃의 온도로 어닐링을 수행하여 산화 그래핀을 환원시키는 단계(단계 3);
단계 3의 환원된 산화 그래핀 상부에 광활성층을 적층하는 단계(단계 4); 및
단계 4의 광활성층 상부에 제2전극을 형성하는 단계(단계 5)를 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
상기 유기 태양 전지의 제조방법에 의해 제조된 유기 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 유기 태양 전지의 제조방법은 정공추출을 위한 계면층으로서 환원된 산화 그래핀을 삽입함으로써 광전변환효율이 향상된 유기 태양 전지를 제조할 수 있고, 종래, 산화 그래핀의 열처리 환원 온도보다 낮은, 100 - 300 ℃의 온도에서 산화 그래핀을 환원시킴으로써, 유리 또는 플라스틱과 같은 유연한 기판 상부에 적층이 용이할 뿐만 아니라, 에너지 측면에서도 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 정공추출을 위한 계면층으로서 환원된 산화 그래핀 층이 삽입된 유기 태양 전지를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 3의 환원된 산화 그래핀 층이 삽입된 유기 태양전지 및 비교예 1 - 2의 유기 태양 전지의 전압에 대한 전류밀도를 측정한 결과이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 - 5의 환원된 산화 그래핀 층이 삽입된 유기 태양 전지의 환원을 위한 열처리 온도에 따른 광전변환효율을 비교하기 위하여, 시간에 다른 전력변환효율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은
기판 상부에 제1전극을 형성하는 단계(단계 1);
단계 1의 제1전극 상부에 산화 그래핀을 적층하는 단계(단계 2); 및
단계 2의 적층된 산화 그래핀에 100 - 300 ℃의 온도로 어닐링을 수행하여 산화 그래핀을 환원시키는 단계(단계 3)를 포함하는 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법을 제공한다.
이하 상술한 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법을 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 1은 기판 상부에 제1전극을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 1의 기판으로는 유리, 플라스틱 기판 등을 사용할 수 있다. 상기 기판은 빛이 일차적으로 입사되는 부분으로서 빛의 투과율이 우수함과 동시에 제조되는 유기 태양 전지 내에서의 내부 단락을 방지할 수 있도록 투명절연성 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 1의 투명 전극층은 기판 상부에 적층되며, 외부로부터 입사되는 빛을 광흡수층으로 통과시키는 역할을 한다. 상기 투명전극층은 태양광이 기판쪽에서 조사되므로 투명도가 높은 물질일수록 유리하며, 구체적으로 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al) 또는 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide)를 사용할 수 있다. 바람직하게는 높은 일 함수를 가지는 전도성 투명 물질인 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide)를 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 2는 제1전극 상부에 산화 그래핀을 적층하는 단계이다.
구체적으로, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 2의 산화 그래핀의 적층은 스핀코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법 등에 의해 수행될 수 있으며, 바람직하게는 스핀코팅법에 의해 수행될 수 있다. 스핀코팅법은 코팅할 물질의 용액이나 액체 상태의 코팅할 물질을 코팅이 필요한 기질 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 코팅 방법으로, 기질 위에 얇은 코팅막을 형성할 수 있으며 회전 속도, 회전 시간 또는 코팅하기 위한 물질의 농도에 따라 코팅막의 두께를 조절할 수 있는 장점이 있다.
상기 산화 그래핀의 적층을 위한 스핀코팅은 270 - 280 mg/L 농도의 산화그래핀 수용액을 사용하는 것이 바람직하다. 산화그래핀 수용액의 농도가 270 mL 미만인 경우 산화 그래핀의 함량이 너무 적어 적층되는 정도가 미미한 문제점이 있고 280 mL 이상인 경우 용액의 점도가 높아져서 수용액 상태라기보다는 젤 상태에 가깝게 되므로 스핀코팅법에 의하여 적층되는 산화 그래핀의 함량을 적절하게 제어하지 못하는 문제점이 있다. 바람직하게는, Graphene Supermarket에서 구입한 산화 그래핀 수용액을 사용할 수 있으며, 조성비는 탄소 79% 및 산소 20 %, 농도는 275 mg/L, 플레이크(flake) 크기는 0.5 - 5 ㎛, 두께는 적어도 80%의 산화 그래핀은 단원자층의 두께이고, 색상은 갈색이다.
또한, 본 발명에 따른 산화 그래핀의 적층을 위한 스핀코팅은 30 - 50 초 동안 4500 - 5500 rpm의 조건 하에서 수행되는 것이 바람직하다. 스핀 코팅은 회전 속도, 회전 시간 등에 의하여 코팅의 두께와 균일성이 결정되므로 이의 적합한 조합을 결정하는 것이 중요하다. 상기 스핀코팅 시간이 30 초 미만인 경우 적층되는 산화 그래핀의 두께가 너무 얇아, 정공 추출을 위한 역할을 하기에 충분하지 못한다는 문제점이 있고, 50 초를 초과하는 경우 적층되는 산화 그래핀의 두께가 너무 두꺼워 전체 소자 효율을 저해할 문제점이 있다. 또한 상기 스핀코팅 속도가 4500 rpm 미만인 경우 투명 전극 상에 균일하게 적층되지 않아, 정공 추출 또한 산화 그래핀 층에서 균일하게 일어나지 못한다는 문제점이 있고, 5500 rpm 초과하는 경우 불필요하게 과도한 에너지를 사용한다는 문제점이 있다.
다음으로, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 3은 단계 2의 적층된 산화 그래핀에 100 - 300 ℃의 온도로 어닐링을 수행하여 산화 그래핀을 환원시키는 단계이다.
상기 어닐링 과정을 수행함으로써, 산화 그래핀 표면에 결합된 산소를 포함하는 작용기들을 환원시켜 산화 그래핀의 제조과정 중에 파괴된 sp2 구조를 복원시킴으로써, 그래핀 옥사이드의 물리적 특성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 3의 어닐링은 대기 조건 하, Glove box(방사성 물질이나 대기속에서 불안정한 물질을 취급하기 위해 사용하는 장갑이 딸린 상자)에서, 급속 열처리 장비(RTP; Rapid Thermal Process)를 이용하여 수행될 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 3의 어닐링은 100 - 300 ℃에서 수행하여 투명 전극 상부에 적층된 산화 그래핀을 환원시킬 수 있다. 상기 어닐링 온도가 100 ℃ 미만인 경우, 산화 그래핀에서 산화물 기를 제거하기에 충분하지 못하다는 문제점이 있고, 300 ℃가 초과하는 경우 높은 온도의 열처리로 인한 기판의 열안정성의 문제점 및 과도한 에너지의 사용 등의 문제점이 있다. 더욱 바람직하게는 상기 어닐링은 150 - 250 ℃에서 수행될 수 있다.
종래, 산화 그래핀을 환원시키기 위해 높은 온도의 열처리가 요구되었으나, 이는 상대적으로 고온에 약한 유연한 기판 위에 사용하기 용이하지 않은 문제점 및 에너지의 소비가 크다는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명은 100 - 300 ℃의 온도에서도 산화 그래핀을 환원시킬 수 있으며 이로 인해 광전 변환 효율의 상승 효과는 유지시킬 수 있어, 종래의 높은 온도의 열처리로 인해 발생하는 문제점을 극복할 수 있다.
한편, 상기 기판의 제조방법에 의해 제조된 투명전극이 구비된 유기 태양 전지용 기판을 제공한다.
본 발명에 따른 투명전극이 구비된 유기 태양 전지용 기판은 정공 추출을 위한 환원된 산화 그래핀 층을 삽입함으로써 정공수송층은 정공을 운반하는데 뛰어난 효과를 나타내며, 높은 전기전도도를 가지므로 소자의 내부 저항을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 적층구조에서 발생하는 직렬 저항에 의한 전력 손실을 줄일 수 있는 장점이 있어, 유기 태양 전지에 유용하게 사용될 수 있다.
한편, 본 발명은
기판 상부에 제1전극을 형성하는 단계(단계 1);
단계 1의 제1전극 상부에 산화 그래핀을 적층하는 단계(단계 2);
단계 2의 적층된 산화 그래핀에 100 - 300 ℃의 온도로 어닐링을 수행하여 산화 그래핀을 환원시키는 단계(단계 3);
단계 3의 환원된 산화 그래핀 상부에 광활성층을 적층하는 단계(단계 4); 및
단계 4의 광활성층 상부에 제2전극을 형성하는 단계(단계 5)를 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
이하, 상술한 유기 태양 전지의 제조방법을 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 유기 태양 전지의 제조방법에 있어서, 단계 1은 기판 상부에 제1전극을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 본 발명에 따른 유기 태양 전지의 제조방법에 있어서, 단계 1의 기판으로는 유리, 플라스틱 기판 등을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유기 태양 전지의 제조방법에 있어서, 단계 1의 투명 전극층은 기판상에 스퍼터링과 같은 통상적인 방법으로 적층할 수 있다. 본 발명의 유기 태양 전지의 제조방법에 있어서, 투명전극층으로는 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al) 또는 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide)를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 높은 일 함수를 가지는 전도성 투명 물질인 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide)를 사용할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 유기 태양 전지의 제조방법에 있어서, 단계 2는 제1전극 상부에 산화 그래핀을 적층하는 단계이다.
구체적으로, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 2의 산화 그래핀의 적층은 스핀코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법 등에 의해 수행될 수 있으며, 바람직하게는 스핀코팅법에 의해 수행될 수 있다.
상기 산화 그래핀의 적층을 위한 스핀코팅은 270 - 280 mg/L 농도의 산화그래핀 수용액을 사용하는 것이 바람직하다. 산화그래핀 수용액의 농도가 270 mL 미만인 경우 산화 그래핀의 함량이 너무 적어 적층되는 정도가 미미한 문제점이 있고 280 mL 이상인 경우 용액의 점도가 높아져서 수용액 상태라기보다는 젤 상태에 가깝게 되므로 스핀코팅법에 의하여 적층되는 산화 그래핀의 함량을 적절하게 제어하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 산화 그래핀의 적층을 위한 스핀코팅은 30 - 50 초 동안 4500 - 5500 rpm의 조건 하에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 스핀코팅 시간이 30 초 미만인 경우 적층되는 산화 그래핀의 두께가 너무 얇아, 정공 추출을 위한 역할을 하기에 충분하지 못한다는 문제점이 있고, 50 초를 초과하는 경우 적층되는 산화 그래핀의 두께가 너무 두꺼워 전체 소자 효율을 저해할 문제점이 있다. 또한 상기 스핀코팅 속도가 4500 rpm 미만인 경우 투명 전극 상에 균일하게 적층되지 않아, 정공 추출 또한 산화 그래핀 층에서 균일하게 일어나지 못한다는 문제점이 있고, 5500 rpm 초과하는 경우 불필요하게 과도한 에너지를 사용한다는 문제점이 있다.
다음으로, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 3은 단계 2의 적층된 산화 그래핀에 100 - 300 ℃의 온도로 어닐링을 수행하여 산화 그래핀을 환원시키는 단계이다.
구체적으로, 본 발명에 따른 유기 태양 전지의 제조방법에 있어서, 단계 3의 어닐링은 대기 조건 하, Glove box(방사성 물질이나 대기속에서 불안정한 물질을 취급하기 위해 사용하는 장갑이 딸린 상자)에서, 급속 열처리 장비(RTP; Rapid Thermal Process)를 이용하여 수행될 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 3의 어닐링은 100 - 300 ℃에서 수행하여 투명 전극 상부에 적층된 산화 그래핀을 환원시킬 수 있다. 상기 어닐링 온도가 100 ℃ 미만인 경우, 산화 그래핀에서 산화물 기를 제거하기에 충분하지 못하다는 문제점이 있고, 300 ℃가 초과하는 경우 높은 온도의 열처리로 인한 기판의 열안정성 문제점 또는 과도한 에너지의 사용 등의 문제점이 있다.
다음으로, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 4는 단계 3의 환원된 산화 그래핀 상부에 광활성층을 적층하는 단계이다.
구체적으로, 본 발명에 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법에 있어서, 단계 4의 광활성층의 구조는 전자 억셉터 물질(A)과 전자 도너 물질(D)의 혼합박막의 1층 구조(A+D blend), 전자 억셉터 물질과 전자 도너 물질이 각각 적층된 형태의 2층 구조(A/D), 또는 전자 억셉터 층과 전자 도너 층 사이에 혼합박막이 끼어 있는 3층 구조(A/(A+D)/D)일 수 있으며, 바람직하게는 혼합 박막 구조를 사용할 수 있다. 혼합 박막의 구조는 무기계 태양전지의 p-n 접합 구조와 뚜렷이 구별되는 유기 태양 전지만의 독특한 구조로, 도너 물질과 억셉터 물질의 영역 크기를 10 nm 이하 이내 수준에서 섞어 놓아 적층 구조에 비해 도너/억셉터 게면의 면적이 수백 배 이상 커지는 효과를 나타내게 된다. 이는 그만큼 전하 분리의 가능성을 더 크게 증진시키며 또한 미세 광산란에 의한 광흡수 효율을 높이는 역할을 하기도 한다.
또한, 본 발명에 따른 유기 태양 전지의 제조방법에 있어서, 단계 4의 전자 도너 물질은 일차적으로 광흡수 파장 범위가 태양광 스펙트럼과 잘 맞고 매우 강한 광흡수도를 가지고 있어야 하며, 전하의 이동도 등 전기적 물성이 우수하여야 한다.
본 발명에 따른 유기 태양 전지의 제조방법에 있어서, 단계 4의 전자 도너 물질은 PBDTTT-C(poly[4,8-bis-alkyloxybenzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-[alkyl thieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate]-2,6-diyl), PTB7 (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]]), PCPDTBT (poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b'] dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), PC61BM [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 PC71BM로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
나아가, 본 발명에 따른 유기 태양 전지의 제조방법에 있어서, 단계 4의 전자 억셉터 물질은 광흡수 기능보다는 도너와 비교하여 전자 친하도와 전하이동도가 클 것이 요구된다.
본 발명에 따른 유기 태양 전지의 제조방법에 있어서, 단계 4의 전자 억셉터 물질은 풀러렌(fullerene; C60), [6,6]-페닐-C61-부티릭 액시트 메틸 에테르([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ether; PCBM), [6,6]-페닐-C71-부티릭 액시트 메틸 에테르([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ether; PC70BM), 페릴렌(perylene) 및 3,4,9,10-vpflffpsxpxmfkzkqhrtlfflrqltmqpswmdlalekwhf(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole; PTCBT)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따른 유기 태양 전지의 제조방법에 있어서, 단계 5의 제2전극은 음극 전극으로서 광활성층 상부에 형성된다.음극 전극은 상기 광반응층에서 발생한 전자를 수집하는 기능을 하며 구체적으로, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 인듐(In), 알칼리 금속, 나트륨-칼륨(Na:K) 합금, 마그네슘-은(Mg:Ag) 합금, 리튬-알루미늄(Li/Al) 이층전극, 리튬플루오라이드-알루미늄(LiF/Al) 이층전극으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 바람직하게는 낮은 일함수를 가지는 Al을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명은
상기 유기 태양 전지의 제조방법에 의해 제조된 유기 태양 전지를 제공한다.
구체적으로 본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 유기 태양 전지는 정공추출을 위한 계면층으로서 환원된 산화 그래핀을 삽입함으로써 광전변환효율이 향상된다.
또한, 종래 산화 그래핀의 열처리 환원 온도보다 낮은, 100 - 300 ℃의 온도에서 산화 그래핀을 환원시킴으로써, 유리 또는 플라스틱과 같은 유연한 기판 상부에 적층이 용이할 뿐만 아니라, 에너지 측면에서도 유리한 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지의 제조
단계 1. 기판 상부에 제1전극을 형성하는 단계
스퍼터링과 같은 통상적인 방법으로 500 ㎚ - 1 ㎛ 두께의 산화인듐주석(ITO)이 적층된 유리기판을 아세톤 또는 이소프로필 알코올을 이용하여 세척하거나 산소 분위기에서 자외선을 조사하여 표면처리(UVO) 하였다.
단계 2. 산화 그래핀을 적층하는 단계
다음으로, 농도가 275 ㎎/ℓ인 산화 그래핀과 물의 혼합용액을 스핀코팅법(5000 rpm, 40 초)을 이용하여 산화인듐주석 제1전극 상부에 그래핀 옥사이드 정공수송층을 1 ~ 3 ㎚로 적층하였다.
단계 3. 산화 그래핀을 환원시키는 단계
스핀코팅된 산화 그래핀 정공수송층을 핫 플레이트 위에서 어닐링 온도 100 ℃에서 10분 동안 환원시켰다.
단계 4. 유기계 광활성층을 적층하는 단계
다음으로, 스핀코팅법을 이용하여 환원된 산화 그래핀 층 상부에 PBDTTT-C:PCBM(중량비, 1:2)과 디클로로벤젠수용액(농도, 2 중량%)과 혼합한 용액을 80 ~ 100 ㎚ 두께로 적층하였다. 상기 단계 완료 후, 상온에서 10 분간 건조시켰다.
단계 5. 제2전극층을 적층하는 단계
다음으로, 열증착법을 이용하여 상기 PBDTTT-C:PCBM 상부에 알루미늄층을 100 ㎚ 두께로 적층하여 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지를 제조하였다.(도 1).
< 실시예 2> 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지
상기 실시예 1 중 상기 단계 3의 열처리를 150 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 실시예 2의 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 3> 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지
상기 실시예 1 중 상기 단계 3의 열처리를 180 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 실시예 3의 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 4> 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지
상기 실시예 1 중 상기 단계 3의 열처리를 200 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 실시예 4의 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 5> 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지
상기 실시예 1 중 상기 단계 3의 열처리를 250 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 실시예 5의 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 6> 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지
상기 실시예 1 중 상기 단계 3의 열처리를 300 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 실시예 6의 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 비교예 1> 환원된 산화 그래핀 층이 삽입되지 않은 유기 태양 전지
상기 실시예 1 중 단계 2 및 단계 3를 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 비교예 1의 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 비교예 2> 정공수송층으로 산화 그래핀이 삽입된 유기 태양 전지
상기 실시예 1 중 단계 3을 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 비교예 2의 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실험예 1> 광전기화학 성능의 분석
본 발명에 따른 정공수송층으로 환원된 산화 그래핀을 삽입한 유기 태양 전지의 향상된 광전기화학 성능을 확인하기 위하여, 실시예 1 - 6 및 비교예 1 - 2의 유기 태양 전지에 대하여 전류밀도-전압 곡선을 측정하고, 그 결과를 도 2 및 도3에 나타내었고, 이로부터 계산된 성능 평가 인자들을 표 1에 나타내었다.
하기 표 1 중 단락회로전류밀도(Jsc), 개방회로전압(Voc) 및 필 팩터자(Fill Factor, FF)는 태양전지의 전력변환효율을 특징 짓는 변수이다.
상기 단락회로전류밀도는 회로가 단락된 상태로, 외부저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향(음의 값)의 전류밀도이다. 단락회로전류밀도는 입사광의 세기와 파장분포가 결정된 상태에서, 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합(recombination)하여 손실되지 않고 얼마나 효과적으로 전지 내부에서 외부회로 쪽으로 보내어지는가에 의존한다. 상기 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공의 재결합에 의한 손실은 재료의 내부 또는 계면에서 일어날 수 있다.
상기 개방회로전압은 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이다.
상기 필팩터는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압의 곱(Jmp×Vmp)을 단락회로전류밀도와 개방회로전압의 곱(Jsc×Voc)으로 나눈 값이다. 상기 필 팩터는 빛이 조사된 상태에서 J - V 곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 지표이다.
태양전지의 광전변환효율(PCE)는 단락회로전류밀도, 개방회로전압 및 필 팩터의 곱(Jsc×Voc
Figure 112012047363011-pat00001
FF)을 공급된 빛 에너지(Pin)로 나눈 값으로, 태양전지에 의해 생산된 최대 전력과 입사광 에너지 Pin 사이의 비율이다.
단락회로전류밀도
(mA/cm2)		 개방회로전압
(V)		 필 팩터 광전변환효율
(%)
실시예 1 10.90 0.69 0.39 2.87
실시예 2 10.77 0.69 0.41 3.01
실시예 3 10.64 0.69 0.43 3.31
실시예 4 10.62 0.70 0.43 3.32
실시예 5 10.40 0.71 0.44 3.39
실시예 6 10.43 0.72 0.44 3.41
비교예 1 10.97 0.65 0.37 2.66
비교예 2 10.03 0.65 0.36 2.43
그 결과, 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 200 ℃ 에서 어닐링을 수행한 환원된 산화 그래핀 층이 삽입된 유기 태양 전지(실시예 1 - 6)는 환원된 산화 그래핀 층이 삽입되지 않은 유기 태양 전지(비교예 1)보다 광전변환효율이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 산화 그래핀 층이 삽입된 유기 태양 전지(비교예 2)는 산화 그래핀 층이 삽입되지 않은 유기 태양 전지(비교예 1)보다 광전변환효율이 오히려 감소하는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1(어닐링 온도 100 ℃) 및 실시예 2(어닐링 온도 150 ℃)의 환원된 산화 그래핀 층이 삽입된 유기 태양 전지는 비교예 1의 환원된 산화 그래핀 층이 삽입되지 않은 유기 태양 전지보다 광전변환효율이 약 7% 및 13% 증가하였으나, 실시예 3(어닐링 온도 180 ℃), 실시예 4(어닐링 온도 200 ℃), 실시예 5(어닐링 온도 250 ℃) 및 실시예 6(어닐링 온도 300 ℃)의 유기 태양 전지는 비교예 1의 태양전지보다 광전변환효율이 각각 약 25%, 25%, 27% 및 28% 증가했음을 알 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 열처리 온도가 높아질수록 광전변환효율이 급겹히 상승하나, 약 180 ℃(실시예 3) - 200 ℃(실시예 4) 온도에서는 광전변환효율의 상승폭이 미미해짐을 알 수 있다. 즉, 환원된 산화 그래핀을 삽입함으로 인한 광전변환효율의 상승 효과는 약 180 ℃(실시예 3) - 200 ℃(실시예 4)온도의 열처리를 통해 충분히 나타날 수 있음을 의미한다.
이로부터, 이로부터 본 발명의 유기 태양 전지의 제조방법은 환원된 산화 그래핀 정공수송층을 유기태양전지에 삽입함으로써 광전변환효율을 향상시킬 뿐만 아니라, 종래, 산화 그래핀을 환원시키기 위한 어닐링 온도보다 낮은 약 180 - 200 ℃의 온도에서 어닐링한 환원된 산화 그래핀을 사용하여도 광전변환효율이 우수한 유기 태양전지를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (20)

  1. 플라스틱 기판 상부에 제1전극을 형성하는 단계(단계 1);
    단계 1의 제1전극 상부에 산화 그래핀을 적층하는 단계(단계 2); 및
    단계 2의 적층된 산화 그래핀에 180 내지 200 ℃의 온도로 어닐링을 수행하여 산화 그래핀을 환원시키는 단계(단계 3)를 포함하는 투명전극이 구비된 유기태양전지용 기판의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    단계 1의 제1전극은 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide;ZnO:Al), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al) 및 불소함유 산화주석(FTO; Fluorine-doped tin oxide)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기태양전지용 기판의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    단계 1의 산화 그래핀의 적층은 스핀코팅법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지용 기판의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스핀코팅법은 270 - 280 mg/L 농도의 산화 그래핀 수용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지용 기판의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스핀코팅법은 30 - 50 초 동안 4500 - 5500 rpm의 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지용 기판의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제1항의 제조방법에 의해 제조되는 유기태양전지용 기판.
  9. 플라스틱 기판 상부에 제1전극을 형성하는 단계(단계 1);
    단계 1의 제1전극 상부에 산화 그래핀을 적층하는 단계(단계 2);
    단계 2의 적층된 산화 그래핀에 180 내지 200 ℃의 온도로 어닐링을 수행하여 산화 그래핀을 환원시키는 단계(단계 3);
    단계 3의 환원된 산화 그래핀 상부에 광활성층을 적층하는 단계(단계 4); 및
    단계 4의 광활성층 상부에 제2전극을 형성하는 단계(단계 5)를 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    단계 1의 제1전극은 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide;ZnO:Al), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al) 및 불소함유 산화주석(FTO; Fluorine-doped tin oxide)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    단계 1의 산화 그래핀의 적층은 스핀코팅법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 스핀코팅법은 270 - 280 mg/L 농도의 산화 그래핀 수용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 스핀코팅법은 30 - 50 초 동안 4500 - 5500 rpm의 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  15. 삭제
  16. 제9항에 있어서,
    단계 4의 광활성층의 구조는 전자 억셉터 물질(A)과 전자 도너 물질(D)의 혼합박막의 1층 구조(A+D blend), 전자 억셉터 물질과 전자 도너 물질이 각각 적층된 형태의 2층 구조(A/D), 및 전자 억셉터 층과 전자 도너 층 사이에 혼합박막이 끼어 있는 3층 구조(A/(A+D)/D)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    전자 도너 물질은 PBDTTT-C(poly[4,8-bis-alkyloxybenzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-[alkyl thieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate]-2,6-diyl), PTB7 (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]]), PCPDTBT (poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b'] dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), PC61BM [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 PC71BM로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    전자 억셉터 물질은 풀러렌(fullerene; C60), [6,6]-페닐-C61-부티릭 액시트 메틸 에테르([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ether; PCBM), [6,6]-페닐-C71-부티릭 액시트 메틸 에테르([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ether; PC70BM), 페릴렌(perylene) 및 3,4,9,10-vpflffpsxpxmfkzkqhrtlfflrqltmqpswmdlalekwhf(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole; PTCBT)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  19. 제9항에 있어서,
    단계 5의 제2전극은 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 인듐(In), 알칼리 금속, 나트륨-칼륨(Na:K) 합금, 마그네슘-은(Mg:Ag) 합금, 리튬-알루미늄(Li/Al) 이층전극, 리튬플루오라이드-알루미늄(LiF/Al) 이층전극으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  20. 제9항의 제조방법에 의해 제조되는 유기 태양 전지.
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