KR101400902B1 - Organic solar cell and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유기 태양전지 및 그 제조방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기 태양전지의 광활성층 내에 티오펜을 포함하는 유기 리간드가 치환된 양자점, 전자 공여체 및 전자 수용체를 포함하는 유기 태양전지 및 그 제조방법에 대한 것이다. More particularly, the present invention relates to an organic solar cell including a quantum dot having an organic ligand substituted with thiophene in a photoactive layer of an organic solar cell, an electron donor and an electron acceptor, And a manufacturing method thereof.
태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환소자인 태양전지는 다른 에너지원과는 달리 무한하고 환경친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 더해가고 있다. 종래에는 단결정 또는 다결정의 실리콘 태양전지가 많이 사용되어 왔으나, 실리콘 태양전지는 제조비용이 높고 플렉서블 기판에는 적용할 수 없는 등의 문제점이 있어, 최근 이러한 단점을 해결하는 대안으로 고분자 태양전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Unlike other energy sources, solar cells, which are photoelectric conversion devices that convert sunlight into electrical energy, are infinite and environmentally friendly, and their importance is increasing with time. Conventionally, silicon monocrystalline or polycrystalline silicon solar cells have been widely used. However, since silicon solar cells have a high manufacturing cost and can not be applied to flexible substrates, recently, researches on polymer solar cells Is progressing actively.
즉, 고분자 태양 전지는 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 롤 코팅 또는 닥터 블레이드 방법 등으로 제조할 수 있어서 제조 공정이 간단하여 제조 비용이 낮으며, 넓은 면적을 코팅할 수 있고 낮은 온도에서도 박막을 형성할 수 있으며, 유리 기판을 비롯하여 플라스틱 기판 등 거의 모든 종류의 기판을 사용할 수 있다.That is, since the polymer solar cell can be manufactured by spin coating, inkjet printing, roll coating or doctor blade method, the manufacturing process is simple and the manufacturing cost is low, and it is possible to coat a large area and form a thin film at a low temperature And almost all kinds of substrates such as a glass substrate and a plastic substrate can be used.
뿐만 아니라, 기판 형태의 제한 없이 곡면, 구면 등 플라스틱 성형품과 같은 다양한 형태의 태양전지를 제작할 수 있고 구부리거나 접을 수도 있어서 휴대하기 편리하다. 이와 같은 장점을 활용하면 사람의 옷, 가방 등에 부착하거나 휴대용 전기, 전자 제품에 부착하여 사용하기 편리하다. 또한 고분자 블렌드 박막은 빛에 대한 투명도가 높아서 건물의 유리창 또는 자동차의 유리창 등에 부착하여 밖을 볼 수 있게 하면서도 전력을 생산할 수 있어 불투명한 실리콘 태양전지보다 응용범위가 훨씬 높을 수 있다.In addition, various types of solar cells, such as curved surfaces and spherical surfaces, can be fabricated without restriction of substrate type, and they can be bent or folded, which is convenient to carry. Such advantage is convenient to be attached to a person's clothes, a bag, or attached to a portable electric or electronic product. The polymer blend film has high transparency to light, so it can be applied to a glass window of a building or a glass window of an automobile, so that the blend film can generate power while allowing the outside to be seen. Thus, the application range can be much higher than that of an opaque silicon solar cell.
그러나 이와 같은 장점에도 불구하고 고분자 태양전지는 전력변환 효율과 수명이 낮아서 실용적 응용에는 적합하지 않았다. 즉, 고분자 태양전지의 전력변환효율은 1990년대 말까지 약 1% 수준에 머물러 있었으나, 2000년대에 들어오면서 고분자 블렌드 구조의 모폴로지(morphology) 향상 등으로 성능이 크게 향상되기 시작했을 뿐이다.
However, despite these merits, polymer solar cells are not suitable for practical applications because of their low power conversion efficiency and low life span. In other words, the power conversion efficiency of polymer solar cells remained at about 1% by the end of the 1990s, but the performance started to improve greatly due to the improvement of the morphology of the polymer blend structure in the 2000s.
일반적으로 고분자 태양전지는 제1 전극과 제2 전극 사이에 반도체 성질을 갖는 공액 고분자 또는 전도성 고분자와 전자 수용체를 포함하는 박막층을 포함하여 구성된다. Generally, a polymer solar cell includes a thin film layer including a conjugated polymer or a conductive polymer and an electron acceptor having a semiconductor property between a first electrode and a second electrode.
이러한 고분자 태양전지에 사용되는 대표적인 고분자로는 폴리티오펜(polythiophene) 또는 PPV(poly(p-phenylene vinylene) 유도체와 같은 전도성 고 분자로서 이들 전도성 고분자는 전자 공여체(electron donor)의 역할을 한다. 이와 같은 전도성 고분자에 에너지 밴드 갭 이상의 파장을 가지는 빛이 흡수되면, 고분자에 엑시톤(exciton)이 여기된다. 그러나, 일반적으로 전도성 고분자에서 엑시톤 결합에너지는 0.1~1.0eV 범위를 가지고 있어서 상온에서의 열에너지(약 0.025eV) 보다 상당히 크기 때문에 자유 전자 및 정공으로 분리되는 확률이 낮아서 전도성 고분자 막을 이용하여 만든 박막을 사용한 태양전지는 0.1% 이하 수준으로 전력변환효율이 아주 낮다.Typical polymers used in these polymer solar cells are conductive polymers such as polythiophene or poly (p-phenylene vinylene) derivatives, and these conductive polymers act as electron donors. However, in general, the exciton binding energy of the conductive polymer is in the range of 0.1 to 1.0 eV, so that the heat energy at room temperature (for example, (About 0.025 eV), the probability of separation into free electrons and holes is low. Therefore, a solar cell using a thin film made of a conductive polymer membrane has a power conversion efficiency of 0.1% or less.
따라서, 전도성 고분자 단일 박막의 낮은 자유전자 생성 효율을 높이기 위한 방법으로 전도성 고분자와 전자 수용체의 이중 박막을 사용하기도 한다. 그러나, 고분자 반도체에서는 엑시톤의 확산 거리가 3~10nm 정도로 아주 짧기 때문에 전도성 고분자-전자 수용체의 이중 박막층에서는 전체 박막층의 두께(일반적으로 약 100nm 정도임) 중에서 오직 이종 접합(heterojunction) 계면의 3~10nm의 좁은 범위에서만 자유전하가 생성되므로 여전히 전하 생성 효율이 낮다.Therefore, a dual thin film of a conductive polymer and an electron acceptor may be used as a method for enhancing low free electron generation efficiency of a single thin film of a conductive polymer. However, in the polymer semiconductor, the diffusion distance of the excitons is very short, about 3 to 10 nm. Therefore, in the double-layer thin film layer of the conductive polymer-electron acceptor, only the thickness of the thin film layer (generally about 100 nm) Free charge is generated only in a narrow range of the charge generation efficiency.
따라서 전도성 고분자-전자수용체의 이종접합(heterojunction) 계면을 증가시키기 위하여 전도성 고분자와 전자 수용체를 혼합한 블랜드층을 포함하는 고분자 태양전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 경우에는 전도성 고분자-전자 수용체의 이종 접합 계면이 박막 내부 전체에 분포하므로 자유 전하 생성은 박막 전체에서 효과적으로 일어나게 된다. Therefore, in order to increase the heterojunction interface of the conductive polymer-electron acceptor, a polymer solar cell including a blend layer in which a conductive polymer and an electron acceptor are mixed has been actively studied. In this case, the hetero-junction interface of the conductive polymer-electron acceptor is distributed throughout the thin film, so free charge generation occurs effectively throughout the thin film.
이러한 벌크 헤테로 정션 구조의 유기 태양전지는 저렴한 공정비용으로 대면적화, 고효율화가 가능한 에너지원이다. 전도성 고분자-전자수용체의 이종 접합(heterojunction) 계면을 증가시키기 위하여 전도성 고분자와 전자 수용체를 포함하는 고분자 태양전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 경우에는 전도성 고분자-전자 수용체의 이종 접합 계면이 박막 내부 전체에 분포하므로 자유전하 생성은 박막 전체에서 효과적으로 일어난다. Organic solar cells with such a bulk heterojunction structure are energy sources capable of large-scale and high-efficiency operation at low cost. Polymer solar cells including a conductive polymer and an electron acceptor have been actively studied for increasing the heterojunction interface of the conductive polymer-electron acceptor. In this case, the hetero-junction interface of the conductive polymer-electron acceptor is distributed throughout the thin film, so free charge generation occurs effectively throughout the thin film.
가장 흔히 연구되는 구조는 poly(3-hexylthiophene)(P3HT)를 전자 공여체로, PCBM([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester)를 전자 수용체로 하는 P3HT와 PCBM의 혼합물(blend)이 광활성층으로 사용되는 방식이다. 그러나 P3HT와 PCBM의 제한적인 광흡수 대역(PH3T>1.9eV)으로 인해 효율 범위가 제한적이었다. The most commonly studied structure is a blend of P3HT and PCBM with poly (3-hexylthiophene) (P3HT) as an electron donor and PCBM ([6,6] -phenyl-C 61 butyric acid methyl ester) Is used as the photoactive layer. However, due to the limited light absorption band of P3HT and PCBM (PH3T> 1.9 eV), the efficiency range was limited.
이러한 광활성층의 특성 향상을 위해 최근에는 CdSe, PbS, CuInS2 등 넓은 광흡수 범위를 갖는 반도체 나노입자(양자점)를 첨가하는 연구가 시작되었다. 양자점은 넓은 흡수 스펙트럼을 가지며, 크기 조절로 흡수 대역을 조절할 수 있고, 광안정성 및 전하 이동도 측면에서 유리하다. 그러나 대부분의 경우 양자점이 첨가된 P3HT 기반 유기 태양전지는 낮은 광전변환효율을 나타낸다. 이것은 유기 태양전지에 첨가된 양자점이 균일하게 분포되지 못하고, 고분자 광활성층 내에서 응집하면서, 전하 전달 및 추출을 방해하는 역할을 하기 때문으로 생각된다. 이러한 응집 발생의 원인은 양자점을 둘러싸는 유기 리간드에 따라 유기 고분자 광활성층 내에서의 양자점 분산 특성이 많은 영향을 받기 때문이다. Recently, research on adding semiconductor nanoparticles (quantum dots) having a wide light absorption range such as CdSe, PbS and CuInS 2 has been started to improve the properties of the photoactive layer. The quantum dots have a wide absorption spectrum, can adjust the absorption band by adjusting the size, and are advantageous in terms of light stability and charge mobility. However, in most cases, P3HT-based organic solar cells with quantum dots exhibit low photoelectric conversion efficiency. It is considered that this is because the quantum dots added to the organic solar cell are not uniformly distributed, and they act to interfere with charge transfer and extraction while aggregating in the polymer photoactive layer. The cause of such coagulation is attributed to the quantum dot dispersion characteristics in the organic polymer photoactive layer depending on the organic ligands surrounding the quantum dots.
비특허 문헌 1에서는 CdSe 나노입자의 표면을 헥산산(hexanoic acid)으로 처리하는 경우, 입자 간의 응집이 발생하며, P3HT와 혼합하여 태양전지를 제조하였을 때, 대략 2% 가량의 효율 밖에 나타낼 수 없는 문제점이 있었다.In
비특허 문헌 2에서는 PFT(poly(9,9-n-dihexyl-2,7-fluorenilenevinylene-alt-2,5-thienylenevinylene))와 PCBM의 혼합 층에 CdSe를 혼합하는 경우에도 효율은 최대 1.3% 정도로 나타났으며, CdSe가 심하게 응집하는 모습을 나타내는 문제점이 있었다.
이에 본 발명의 발명자들은 기존 발명 들의 양자점이 고분자 광활성 층 내에서 고르게 분산되지 못하고, 응집된다는 문제점들을 고려하여 양자점을 고분자 광활성 층 내에서 분산시키는 방법에 대해서 연구하던 중, 양자점의 표면을 티오펜이 포함된 유기 리간드로 치환하면 양자점 들의 분산성이 향상된다는 점을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the inventors of the present invention have been studying a method of dispersing quantum dots in a polymer photoactive layer in consideration of the problems that the quantum dots of the conventional methods are not uniformly dispersed in the polymer photoactive layer and cohere, And the dispersibility of the quantum dots is improved by substituting the organic ligands with the organic ligands.
본 발명의 목적은 새로운 유기 리간드로 표면처리된 양자점을 유기 태양 전지에 도입하여 광전 에너지 변환 효율이 향상된 유기 태양전지를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide an organic solar cell having improved photoelectric energy conversion efficiency by introducing a quantum dot surface-treated with a new organic ligand into an organic solar cell.
본 발명의 또 다른 목적은 티오펜이 포함된 유기 리간드로 표면이 치환된 양자점과, P3HT와 PCBM을 혼합하여 태양전지의 광활성층을 제조하고, 상기 광활성층을 포함하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공하는 데 있다. Still another object of the present invention is to provide a method for manufacturing an organic solar cell comprising a quantum dot having a surface substituted with an organic ligand containing thiophene, a photoactive layer of a solar cell by mixing P3HT and PCBM, .
이를 위하여 본 발명은 기판과, 상기 기판 위에 위치하며 투명 전도층을 포함하는 제1 전극과 상기 제1 전극 위에 위치하는 정공 주입층과, 상기 정공 주입층 위에 위치하고 전자 공여체, 전자 수용체 및 하기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면처리된 양자점을 포함하는 광활성층 및 상기 광활성층 위에 위치하는 제2 전극을 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다:A first electrode including a transparent conductive layer disposed on the substrate; a hole injection layer disposed on the first electrode; and an electron donor, an electron acceptor, and a hole injection layer disposed on the hole injection layer, And a second electrode located on the photoactive layer, wherein the photoactive layer comprises a quantum dot surface-treated with an organic ligand represented by the following formula
(상기 화학식 1에서 R1, R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 -SH, -NH2, -COOH, H, C1 -6의 직쇄 또는 측쇄 알킬 및 -A-R5로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이며, 이때, 상기 A는 C1 -6의 직쇄 또는 측쇄 알킬렌이며, R5는 -SH, -NH2 또는 -COOH이고, 상기 R1, R2, R3 및 R4 중에서 하나 이상은 -SH, -NH2, -COOH 및 -A-R5로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이다.).
(Wherein R 1 , R 2 , R 3 And R 4 is one member independently selected from -SH, -NH 2, -COOH, H , straight or branched chain alkyl, and the group consisting of C 1 -AR 5 -6, wherein, A is C 1 - a straight or branched alkylene of 6, R 5 is -SH, and -NH 2 or -COOH, wherein R 1, R 2, R 3 And R 4 Is one or more of one type of compound selected from the group consisting of -SH, -NH 2, -COOH, and -AR 5.).
또한 본 발명은, 투명 전도층이 형성된 기판 위에 정공 주입층을 형성시키는 단계(단계 1); 전자 공여체, 전자 수용체 및 하기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면 처리된 양자점을 포함하는 광활성층 제조용 전구 용액을 상기 정공 주입층 위에 도포하고, 건조하여 광활성층을 형성하는 단계(단계 2); 및 상기 광활성 층의 위에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 3)를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of: (1) forming a hole injection layer on a substrate on which a transparent conductive layer is formed; (Step 2) of forming a photoactive layer by applying a precursor solution for preparing a photoactive layer containing an electron donor, an electron acceptor and a quantum dot surface-treated with an organic ligand represented by the following
본 발명에 따른 유기 태양전지에 의하면, P3HT와 PCBM으로 이루어진 태양 전지의 광활성층에 티오펜을 포함하는 유기 리간드를 첨가하고 고르게 분산시켜 태양전지의 효율이 3.4%까지 향상된 양자점 포함 태양전지를 제공할 수 있다.According to the organic solar cell of the present invention, an organic ligand including thiophene is added to a photoactive layer of a solar cell made of P3HT and PCBM and dispersed evenly to provide a quantum dot-containing solar cell improved in efficiency of the solar cell up to 3.4% .
또한 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법에 의하면, 기존에 발생하던 문제인 양자점 사이의 응집 현상을 억제하여 티오펜이 첨가된 양자점을 상기 광활성층의 용액 내에 고르게 분산시킴으로써 양자점의 첨가량에 따라 태양전지의 단락 전류값을 선형적으로 증가시킬 수 있다.Further, according to the method of manufacturing an organic solar cell according to the present invention, aggregation phenomenon between quantum dots, which is a conventional problem, is suppressed and quantum dots doped with thiophene are uniformly dispersed in the solution of the photoactive layer, The short-circuit current value can be increased linearly.
도 1(a), (b)는 2-티오펜 카르복실산으로 치환된 양자점의 형상을 보여주는 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscope; TEM) 사진이다.
도 2는 다양한 유기 리간드로 표면 치환된 양자점의 흡광스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 3(a) 내지 (d)는 다양한 유기 리간드로 표면치환된 양자점들이 광활성층에서 분포된 상태를 보여주는 TEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에 따른 양자점 용액 첨가량에 따른 유기 태양전지의 광전류 밀도-전압(J-V) 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 5는 비교예 2에 따라 올레산이 치환된 양자점 용액 첨가량이 0.1㎖일 때 유기 태양전지의 광전류 밀도-전압(J-V) 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 6은 비교예 3에 따라 피리딘이 치환된 양자점 용액 첨가량이 0.1㎖일 때 유기 태양전지의 광전류 밀도-전압(J-V) 곡선을 보여주는 그래프이다.1 (a) and 1 (b) are transmission electron microscope (TEM) images showing the shape of quantum dots substituted with 2-thiophenecarboxylic acid.
Figure 2 is a graph showing the absorption spectra of quantum dots surface-substituted with various organic ligands.
FIGS. 3 (a) to 3 (d) are TEM images showing quantum dots surface-substituted with various organic ligands distributed in the photoactive layer.
4 is a graph showing the photocurrent density-voltage (JV) curves of organic solar cells according to the quantum dot solution addition amounts according to Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a photocurrent density-voltage (JV) curve of an organic solar cell when the addition amount of the quantum dot solution in which oleic acid is substituted according to Comparative Example 2 is 0.1 ml.
FIG. 6 is a graph showing the photocurrent density-voltage (JV) curve of an organic solar cell when the amount of the pyridine substituted quantum dot solution added is 0.1 ml according to Comparative Example 3. FIG.
본 발명은 기판과, 상기 기판 위에 위치하며 투명 전도층을 포함하는 제1 전극과 상기 제1 전극 위에 위치하는 정공 주입층과, 상기 정공 주입층 위에 위치하고 전자 공여체, 전자 수용체 및 하기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면처리된 양자점을 포함하는 광활성층 및 상기 광활성층 위에 위치하는 제2 전극을 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다:The present invention provides an organic electroluminescent display device comprising a substrate, a first electrode disposed on the substrate and including a transparent conductive layer, a hole injection layer disposed on the first electrode, and an electron donor, an electron acceptor, And a second electrode disposed on the photoactive layer, wherein the photoactive layer comprises a quantum dot surface-treated with an organic ligand,
『화학식 1』&Quot;
(상기 화학식 1에서 R1, R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 -SH, -NH2, -COOH, H, C1 -6의 직쇄 또는 측쇄 알킬 및 -A-R5로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이며, 이때, 상기 A는 C1-6의 직쇄 또는 측쇄 알킬렌이며, R5는 -SH, -NH2 또는 -COOH이고, 상기 R1, R2, R3 및 R4 중에서 하나 이상은 -SH, -NH2, -COOH 및 -A-R5로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이다.).
(Wherein R 1 , R 2 , R 3 And R 4 are each independently selected from -SH, -NH 2, -COOH, H , and one member selected from straight-chain or branched alkyl group consisting of C 1 -AR 5 -6, wherein, A is C 1- a straight or branched alkylene of 6, R 5 is -SH, and -NH 2 or -COOH, wherein R 1, R 2, one or more of the R 3 and R 4 is -SH, -NH 2, -COOH and - AR < 5 >).
본 발명에 따른 유기 태양전지에서 상기 기판으로는 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 석영 및 유리와 같은 투명 무기 기판이거나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), AS 수지(Acrylonitrile styrene copolymer) 및 ABS 수지(acrylonitrile-butadiene-styrene resin)로 구성되는 군에서 선택되는 투명 플라스틱 기판일 수 있다. In the organic solar cell according to the present invention, the substrate is not particularly limited as long as it has transparency, and may be a transparent inorganic substrate such as quartz and glass, or a transparent inorganic substrate such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC) , Polypropylene (PP), polyimide (PI), polyethylene sulfonate (PES), polyoxymethylene (POM), an acrylonitrile styrene copolymer and an acrylonitrile-butadiene- And a transparent plastic substrate.
상기 기판은 약 400~750 nm의 가시광 파장에서 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 투과율을 갖는 것이 좋다.
The substrate preferably has a transmittance of at least 70% or more, preferably 80% or more at a visible light wavelength of about 400 to 750 nm.
본 발명에 따른 유기 태양 전지에서 상기 투명 전도층은 인듐 틴 옥사이드(Indium tin oxide)인 것이 바람직하다.In the organic solar cell according to the present invention, the transparent conductive layer is preferably indium tin oxide.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지에서, 상기 제1 전극은 기판을 통과한 빛이 광활성층에 도달하는 경로가 되므로 높은 투명도를 갖는 물질을 포함하는 것이 바람직하며, 또한 약 4.5eV 이상의 높은 일함수, 낮은 저항을 갖는 전도성 물질이 바람직하다. 따라서 상기 제1 전극에 포함되는 투명 전도층의 구체적인 예로는, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 금, 은, 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등을 들 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.In the organic solar cell according to an embodiment of the present invention, the first electrode includes a material having high transparency since light passing through the substrate reaches the photoactive layer, and it is preferable that the first electrode has a high A conductive material having a work function and a low resistance is preferable. Therefore, specific examples of the transparent conductive layer included in the first electrode is indium tin oxide (ITO), gold, silver, Florin a tin oxide (FTO) doped, ZnO-Ga 2 O 3, ZnO-Al 2 O 3, SnO 2 -Sb 2 O 3 , and the like, but are not limited thereto.
상기 제1 전극은 열 기상 증착, 전자 빔 증착, RF(Radio Frequency) 또는 마그네트론 스퍼터링, 화학적 증착 또는 유사한 방법에 의하여 기판 위에 증착할 수 있다. The first electrode may be deposited on a substrate by thermal vapor deposition, electron beam deposition, RF (Radio Frequency) or magnetron sputtering, chemical vapor deposition or the like.
그리고 상기 제1 전극이 형성된 기판의 위로는 정공 주입층이 형성된다.A hole injection layer is formed on the substrate on which the first electrode is formed.
그리고 상기 정공 주입층은 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), PSS(폴리(스티렌설포네이트)을 포함하는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. The hole injection layer is preferably made of a material including PEDOT (poly (3,4-ethylenedioxythiophene), PSS (poly (styrenesulfonate)).
PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), PSS(폴리(스티렌설포네이트)는 PEDOT가 p공역계 전도성 고분자로 되고 억셉터로서 PSS를 도핑한 구조를 하고 있다. 이하에서는 PEDOT가 PSS를 도핑한 구조를 PEDOT/PSS라고 기재한다.PEDOT (poly (3,4-ethylenedioxythiophene) and PSS (poly (styrenesulfonate)) have a structure in which PEDOT is a p-conjugated conductive polymer and PSS is doped as an acceptor. The doped structure is referred to as PEDOT / PSS.
PEDOT/PSS는 티오펜(theophene)의 구조에 에틸렌디옥시(ethylenedioxy) 그룹을 고리의 형태로 갖고 있으며, 공기나 열에 대한 우수한 안정성을 갖고 있다. 또한 3,4번 위치에 치환되어 있는 에틸렌 디옥시기에 의한 전자 공여 효과에 의하여 티오펜보다 낮은 optical 밴드갭(760nm 내지 780nm 또는 1.6eV 내지 1.7eV)을 갖고 있고, 산화/환원전위차에 따라 변색이 가능하며, 산화상태에서 흡수 밴드가 적외선 영역에 존재하여 투명성의 확보가 가능하다. PEDOT / PSS has an ethylenedioxy group in the form of a ring in the structure of theophene and has excellent stability against air and heat. (760 nm to 780 nm or 1.6 eV to 1.7 eV) lower than that of thiophene due to the electron donating effect by the ethylenedioxy group substituted at the 3,4-positions, and discoloration is caused by the oxidation / reduction potential difference In the oxidation state, the absorption band exists in the infrared region, and transparency can be ensured.
그와 동시에 PSS는 그 음이온(anion) 성이 물에 대한 분산제로서의 역할을 다하기 때문에 PEDOT/PSS 복합체로서 물속에서 안정된 분산체로 존재할 수 있다. 그 결과 박막을 형성할 때 일반적인 습식 코팅을 적용할 수 있어 균일한 막을 제조할 수 있다. At the same time, PSS can exist as a stable dispersion in water as a PEDOT / PSS complex because its anionic nature serves as a dispersant for water. As a result, it is possible to apply a general wet coating to form a thin film, thereby making it possible to produce a uniform film.
상기 정공 주입층으로는 PEDOT/PSS 이외에도 MoO3, NiO, V2O3 등의 무기물 박막을 사용할 수 있다.
As the hole injection layer, an inorganic thin film such as MoO 3 , NiO, or V 2 O 3 may be used in addition to PEDOT / PSS.
상기 정공 주입층 위로는 광활성층이 위치한다.A photoactive layer is located above the hole injection layer.
본 발명에 따른 유기 태양전지의 경우에는, 상기 광활성층은 바람직하게는 전자 공여체(electron doner)로서 p-전자를 포함하는 p-형 전도성 고분자 물질과 전자 수용체(electron acceptor)로서 플러렌 또는 그 유도체를 포함하는 전자 공여체-전자 수용체 혼합층을 포함한다. In the case of the organic solar cell according to the present invention, the photoactive layer preferably comprises a p-type conductive polymer material including p-electrons as an electron donor and fullerene or a derivative thereof as an electron acceptor Electron donor-electron acceptor mixed layer.
상기 전자 공여체의 구체적인 예로는 이에 한정되는 것은 아니나 P3HT(폴리(3-헥실티오펜))인 것이 바람직하다.Specific examples of the electron donor include, but are not limited to, P3HT (poly (3-hexylthiophene)).
전자 공여체로서 사용할 수 있는 것으로는 P3HT이외에도 In addition to P3HT,
폴리[2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌](MEH-PPV, Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]),Poly (2-methoxy-5- (2-ethylhexyloxy) -1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV, phenylenevinylene]),
폴리[1,4(2-메톡시-5-디메틸옥틸옥시) 페닐렌비닐렌](OC1C10-PPV, Poly [1,4(2-methoxy-5-dimethyloctyloxy)phenylenevinylene]),Poly [1,4 (2-methoxy-5-dimethyloctyloxy) phenylenevinylene]) (OC1C10-PPV,
폴리[2-메톡시-5-(3'7'디메틸옥티)-1,4-페닐렌비닐렌](MDMO-PPV, poly[2-methoxy-5-(3'7'dimethylocty)-1,4-phenylenevinylene]),Poly (2-methoxy-5- (3'7'dimethylocty) -1, 4-phenylenevinylene] (MDMO-PPV, 4-phenylenevinylene]),
폴리[N-9"-헵타디카닐-2,7-카바졸알트-5,5-(4'7'-디-2-티닐-2',1',3'-벤조티아디아졸)](PCDTBT, poly[N-9"-heptadecanyl-2,7-carbazolealt-Poly [N-9 "-heptadecanyl-2,7-carbazolate-5,5- (4'7'-di-2-thinyl-2 ', 1', 3'- benzothiadiazole)] (PCDTBT, poly [N-9 "-heptadecanyl-2,7-carbazole-
5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)],5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole)],
폴리[[4,8-비스[(2-에틸헥실])옥시]벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6,-딜][3-플루로-2-[(2-에틸헥실)카보닐]티노[3,4-b]티오펜딜]](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]]Di [4, 8-bis [(2-ethylhexyl)] oxy] benzo [1,2- - [(2-ethylhexyl) carbonyl] Tino [3,4-b] thiophene-pyridyl]] (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]
폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-싸이클로펜타[2,1-b;3,4-b']디티오펜)-알트-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)](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)]), Synthesis of poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2,1- b; 3,4- b '] dithiophene) , 1,3-benzothiadiazole)] (PCPDTBT, poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [ dithiophene) -tallow-4,7- (2,1,3-benzothiadiazole)]),
폴리[2,6-(4,4'-비스(2-에틸헥실)디티에노[3,2-b:2',3'-d]실올레)-알트-4,7(2,1,3-벤조티아디아졸)](PSBTBT, Poly[2,6-(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)]), (2,2- b: 2 ', 3'-d] cyclohexane-aldehyde-4,7 (2,1-bipyridyl) , 3-benzothiadiazole)] (PSBTBT, Poly [2,6- (4,4'-bis (2-ethylhexyl) dithieno [3,2-b: 2 ', 3'- -4,7 (2,1,3-benzothiadiazole)]),
암모늄 퍼플루오로옥탄산-3 (APFO-3, Ammonium perfluorooctanoic acid-3) 및Ammonium perfluorooctanoic acid-3 (APFO-3) and
폴리[4,7-디티오펜-2-일-벤조(1,2,5)티아디아졸-알트-디헥실-9H-플루오렌](PFTBT, poly[4,7-dithiophene-2-yl-benzo(1,2,5)thiadiazole-alt-dihexyl-9H-fluorene])으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것이 바람직하다.
Poly [4,7-dithiophene-2-yl-benzo (1,2,5) thiadiazole-alt-dihexyl-9H-fluorene] (PFTBT, benzo (1,2,5) thiadiazole-alt-dihexyl-9H-fluorene]).
상기 광활성층은 전자 공여체로서 P3HT와, 전자 수용체로서 플러렌 유도체인 PCBM([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester )의 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하며, 그 혼합 중량비율은 1:0.8 내지 1:1.1 가 바람직하다.
The photoactive layer preferably comprises a mixture of P3HT as an electron donor and a fullerene derivative PCBM ([6,6] -phenyl-C 61 butyric acid methyl ester) as an electron acceptor, 1: 1.1 is preferable.
상기 광활성층은 전자 공여체, 전자 수용체 및 하기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면처리된 양자점을 포함한다. 그리고 상기 광활성층은 빛이 흡수되면 엑시톤(exciton)을 형성하고 엑시톤이 전자와 정공으로 분리되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극으로 각각 이동하여 전류가 흐르게 된다:The photoactive layer includes an electron donor, an electron acceptor, and a quantum dot surface-treated with an organic ligand represented by the following formula (1). When the light is absorbed, the photoactive layer forms an exciton, and excitons are separated into electrons and holes, and the electrons and holes move to the first electrode and the second electrode, respectively,
『화학식 1』&Quot;
(상기 화학식 1에서 R1, R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 -SH, -NH2, -COOH, H, C1 -6의 직쇄 또는 측쇄 알킬 및 -A-R5로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이며, 이때, 상기 A는 C1 -6의 직쇄 또는 측쇄 알킬렌이며, R5는 -SH, -NH2 또는 -COOH이고, 상기 R1, R2, R3 및 R4 중에서 하나 이상은 -SH, -NH2, -COOH 및 -A-R5로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이다.).
(Wherein R 1 , R 2 , R 3 And R 4 is one member independently selected from -SH, -NH 2, -COOH, H , straight or branched chain alkyl, and the group consisting of C 1 -AR 5 -6, wherein, A is C 1 - a straight or branched alkylene of 6, R 5 is -SH, and -NH 2 or -COOH, wherein R 1, R 2, R 3 And R 4 Is one or more of one type of compound selected from the group consisting of -SH, -NH 2, -COOH, and -AR 5.).
이에 대해서 좀더 구체적으로 살펴 보면, 본 발명에서 사용되는 전자 공여체 에서 빛을 흡수하여 여기 상태의 엑시톤(전자와 정공쌍)이 형성된다. 이렇게 형성된 엑시톤은 임의의 방향으로 확산하다가 전자 수용체의 계면(interface)을 만나면서 전자와 정공으로 분리된다.In more detail, the electron donor used in the present invention absorbs light to form excitons (electron and hole pairs) in an excited state. The exciton thus formed is diffused in an arbitrary direction and is separated into electrons and holes while meeting the interface of the electron acceptor.
여기서 전자 공여체는 일차적으로 광흡수 파장 범위가 태양광 스펙트럼과 잘 맞고, 매우 강한 광 흡수도를 가지고 있어야 하며, 전하의 이동도 등 전기적 물성이 우수하여야 한다.
In this case, the electron donor should have a good optical absorption spectrum, a very strong light absorption, and excellent electrical properties such as charge mobility.
한편 상기 전자 수용체는 플러렌 또는 그 유도체를 포함하는 것이 바람직하다. 전자 수용체로는 플러렌(fullerene(C60) 자체 혹은 C60이 유기 용매에 잘 녹도록 설계된 PCBM 등이 사용될 수 있다.On the other hand, the electron acceptor preferably includes fullerene or a derivative thereof. As the electron acceptor, fullerene (C 60 ) itself or PCBM designed to dissolve C 60 in an organic solvent can be used.
PCBM이외에도 PC70BM([6,6]-phenyl-C70 butyric acid methyl ester )와ICBA(indene-C 60 bisadduct)의 물질도 사용이 가능하다.In addition to PCBM, PC70BM ([6,6] -phenyl-C 70 butyric acid methyl ester) and ICBA (indene-C 60 bisadduct) materials are also available.
이때 전자 수용체는 가시광 영역에서 광흡수가 적어야 하며, 동시에 전자 공여체와 비교하여 전자 친화도가 커야 되는 조건을 만족하는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the electron acceptor should have a low light absorption in the visible light region and at the same time, satisfy the condition that the electron affinity must be higher than that of the electron donor.
따라서, 전자는 전자친화도가 큰 전자 수용체 쪽으로 이동되고 정공은 전자 공여체 쪽에 남아 각각의 전하 상태로 분리된다.Therefore, the electrons are moved toward the electron acceptor having a high electron affinity, and the holes remain on the electron donor side to separate into the respective charge states.
이들은 일함수 차이로 형성된 내부 전기장과 쌓여진 전하의 농도 차이에 의해 각각의 전극으로 이동하여 수집되며, 최종적으로 외부 회로를 통해 전류의 형태로 흐르게 된다. 이러한 현상을 광기전력 효과(photo voltanic effect)라고 한다.
They are moved to each electrode by the difference of the internal electric field formed by the difference in work function and the accumulated electric charge, and are finally collected in the form of current through the external circuit. This phenomenon is called photovoltaic effect.
하지만 전술한 바와 같이, 전자 공여체로 사용되는 P3HT는 제한적인 광흡수 대역을 갖는다. 따라서 본 발명에서는 P3HT의 광흡수 대역을 확대시키기 위한 방법으로 상기 화학식 1로 표현되는 유기 리간드로 표면 처리된 양자점을 제공한다.
However, as described above, P3HT used as an electron donor has a limited light absorption band. Accordingly, the present invention provides a quantum dot surface-treated with an organic ligand represented by
그리고, 상기 화학식 1로 표현되는 유기 리간드는 2-티오펜아세트산(2-thiopheneacetic acid), 2-티오펜카르복시산(2-thiophene carboxylic acid), 2,5-티오펜디카르복시산(2,5-thiophenedicarboxylic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것이 바람직하다.The organic ligand represented by
상기 2-티오펜아세트산(2-thiopheneacetic acid), 2-티오펜카르복시산(2-thiophene carboxylic acid), 2,5-티오펜디카르복시산(2,5-thiophenedicarboxylic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종은 모두 티오펜기를 가지고 있어서 전자 공여체인 P3HT와의 친화성이 우수하고 이러한 특성으로 인해 P3HT가 광활성 층 내에 고르게 분포되어 있을 때 상기 2-티오펜아세트산(2-thiopheneacetic acid), 2-티오펜카르복시산(2-thiophene carboxylic acid), 2,5-티오펜디카르복시산(2,5-thiophenedicarboxylic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종도 고르게 분포되게 되고 상기 티오펜을 포함하는 유기 리간드에 연결되어 있는 양자점도 고른 분포를 나타낼 수 있게 된다. It is preferable that one kind selected from the group consisting of 2-thiopheneacetic acid, 2-thiophene carboxylic acid and 2,5-thiophenedicarboxylic acid is all (2-thiopheneacetic acid, 2-thiophenecarboxylic acid (2-thiophene carboxylic acid, 2-thiophenecarboxylic acid, and the like) thiophene carboxylic acid, 2,5-thiophenedicarboxylic acid, and the quantum dots connected to the organic ligand including thiophene may have a uniform distribution. .
또한 상기 유기 리간드는 양자점과 결합할 수 있는 작용기를 가지고 있고, 유기 리간드를 포함하는 탄소 체인의 길이가 길어지면, 양자점에 갇혀 있는 전자나 정공의 유동이 자유롭지 못하게 되어 전지의 효율이 떨어지는 문제점이 있으므로 본 발명에 사용되는 유기 리간드로는, 2-티오펜아세트산(2-thiopheneacetic acid), 2-티오펜카르복시산(2-thiophene carboxylic acid) 및 2,5-티오펜디카르복시산(2,5-thiophenedicarboxylic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것이 바람직하다.
The organic ligand has a functional group capable of binding with the quantum dots. When the length of the carbon chain including the organic ligand is long, there is a problem that the flow of electrons or holes trapped in the quantum dots is not free, Examples of the organic ligand used in the present invention include 2-thiopheneacetic acid, 2-thiophene carboxylic acid and 2,5-thiophenedicarboxylic acid. And the like.
그리고 상기 양자점과 유기 리간드의 몰비는 1:0.5~1:4인 것이 바람직하다.The molar ratio of the quantum dot to the organic ligand is preferably 1: 0.5 to 1: 4.
양자점과 유기 리간드의 몰비가 1:0.5 미만이면 각 양자점에 대하여 표면 리간드가 치환되는 비율이 낮아져 이로부터 제조되는 태양전지의 효율을 향상시키기 어렵고, 양자점과 유기 리간드의 몰비가 1:4 이상이면 양자점에 치환되지 않은 유기 리간드가 증가하게 되어 태양전지의 광활성층에 양자점 첨가 효과가 반감된다.
If the molar ratio between the quantum dots and the organic ligand is less than 1: 0.5, the rate of substitution of the surface ligands for each quantum dot is lowered and it is difficult to improve the efficiency of the produced solar cell. If the molar ratio between the quantum dots and the organic ligand is 1: The effect of adding quantum dots to the photoactive layer of the solar cell is reduced by half.
또한 양자점은 넓은 광흡수 스펙트럼을 가지며, 크기 조절로 광흡수 대역을 조절할 수 있고, 광 안정성 및 전하 이동도 측면에서 유리하다. In addition, the quantum dot has a broad light absorption spectrum, can control the light absorption band by adjusting the size, and is advantageous in terms of light stability and charge mobility.
상기 양자점은 Ⅱ-Ⅵ족 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물, Ⅳ족 원소 양자점, Ⅲ-Ⅴ족 화합물, PbSe, PbTe 및 PbS로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지인 것이 바람직하다. Wherein the quantum dot is at least one selected from the group consisting of a II-VI chalcogenide compound, an I-III-VI compound, a Group IV element quantum dot, a III-V compound, PbSe, PbTe and PbS Is preferably an organic solar cell.
이때 Ⅱ-Ⅵ족 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물에서 Ⅱ족은 Cd 또는 Zn, Ⅵ족은 S, Se 및 Te으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이고, 상기 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물에서 Ⅰ족은 Cu 또는 Ag, Ⅲ족은 In 또는 Ga, Ⅵ족은 S, Se 및 Te로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이고, 상기 Ⅳ족 양자점에서 Ⅳ족 원소는 Si, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이고, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물에서 Ⅲ족 원소는 In 또는 Ga, Ⅴ족은 P, As 및 Sb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이다.
In this case, in the II-VI chalcogenide compound, the group II is one kind selected from the group consisting of Cd or Zn, the group VI is S, Se, and Te. In the group I-III-VI compound, Or Ag, a Group III element is In or Ga, a Group VI element is one selected from the group consisting of S, Se and Te, a Group IV element in the Group IV quantum dot is one selected from the group consisting of Si, Ge and Sn, In the III-V group compound, Group III element is In or Ga, and Group V is one kind selected from the group consisting of P, As and Sb.
이때 상기 광활성층을 구성하는 전자 공여체가 P3HT이고, 유기리간드로 표면치환된 양자점이 2-티오펜 카르복실산으로 표면 치환된 CdSe 양자점인 경우, P3HT(poly(3-hexylthiophene))와 2-티오펜 카르복실산으로 표면 치환된 CdSe 양자점의 질량비는 1:0.1~1:1의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다. When the electron donor constituting the photoactive layer is P3HT and the quantum dot surface-substituted with an organic ligand is a CdSe quantum dot surface-substituted with 2-thiophenecarboxylic acid, P3HT (poly (3-hexylthiophene) It is preferable that the mass ratio of the CdSe quantum dot surface-substituted with an openecarboxylic acid is mixed in a ratio of 1: 0.1 to 1: 1.
실험예 4로부터 알 수 있는 바와 같이, P3HT와 유기 리간드로 표면 치환된 CdSe의 양자점의 질량비가 0.1 미만이면 양자점 첨가 효과가 미흡하고, 1 초과이면 양자점이 균일하게 분산되지 못하여 유기 태양전지의 효율이 저하된다.
As can be seen from Experimental Example 4, if the mass ratio of the quantum dots of Pdc and Pdc with the organic ligands is less than 0.1, the effect of doping quantum dots is insufficient. If the mass ratio of quantum dots is more than 1, .
상기 광활성층 위로는 제2 전극이 형성된다. A second electrode is formed on the photoactive layer.
좀더 구체적으로 상기 제2 전극은 LiF, 또는 LiO2 같은 물질로 버퍼층을 형성하고 그 위에 하기 물질을 증착시킨 다층 구조일 수 있다. 여기에 포함되는 물질로는 낮은 일함수의 물질, 구체적으로는 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속, 또는 이들의 합금을 포함하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.More specifically, the second electrode may be a multi-layer structure in which a buffer layer is formed of a material such as LiF or LiO 2 , and the following materials are deposited thereon. Materials that may be included include low work function materials, specifically metals such as magnesium, calcium, sodium, potassium, titanium, indium, yttrium, lithium, aluminum, silver, tin and lead or their alloys But the present invention is not limited thereto.
그리고 상기 제2 전극은, 상기 광활성층으로부터 LiF 층과 Al 층을 순서대로 포함하는 것이 바람직하다.
The second electrode preferably includes a LiF layer and an Al layer sequentially from the photoactive layer.
본 발명은 나아가 상기 양자점을 포함하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.The present invention further provides a method of manufacturing a solar cell including the quantum dot.
본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법은, 투명 전도층이 형성된 기판 위에 정공 주입층을 형성시키는 단계(단계 1)와, 전자 공여체, 전자 수용체 및 상기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면 처리된 양자점을 포함하는 광활성층 제조용 전구 용액을 상기 정공 주입층 위에 도포하고, 건조하여 광활성층을 형성하는 단계(단계 2) 및 상기 광활성 층 위에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 3)를 포함한다.
The method of manufacturing an organic solar cell according to the present invention includes the steps of: (1) forming a hole injection layer on a substrate on which a transparent conductive layer is formed; (2) a step of forming an electron donor, an electron acceptor and an organic ligand surface- (Step 2) of forming a photoactive layer by applying a precursor solution for forming a photoactive layer containing a quantum dot on the hole injection layer and drying the resultant, and forming a second electrode on the photoactive layer (step 3).
이하 본 발명의 유기 태양전지의 제조방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the organic solar battery of the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 단계 1은, 투명 전도층이 형성된 기판 위에 정공 주입층을 형성시키는 단계로서, 더욱 구체적으로 투명 전도층이 형성된 기판을 소정의 속도로 회전시키면서 스핀코팅 또는 슬릿(Slit) 코팅 등과 같은 습식공정, 또는 증착과 같은 건식 공정을 이용하여 정공 주입층을 형성하는 단계이다.
전술한 바와 같이 정공 주입층은 주로 PEDOT / PSS[(Poly 3,4-ethylenedioxythiophene) / (Poly styrenesulfonate)] 물질을 사용할 수 있다.
As described above, PEDOT / PSS [(poly 3,4-ethylenedioxythiophene) / (poly styrenesulfonate)] material can be used as the hole injection layer.
본 발명에 따른 단계 2는, 전자 공여체, 전자 수용체 및 상기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면 처리된 양자점을 포함하는 광활성층 제조용 전구 용액을 상기 정공 주입층 위에 도포하고, 건조하여 광활성층을 형성하는 단계로서, 더욱 구체적으로 전자 공여체로 사용되는 P3HT 등의 물질과 전자 수용체로 사용되는 플러렌 또는 그 유도체를 혼합하는 용액을 제조하고, 상기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면 처리된 양자점을 분산시킨 용액을 따로 제조하여 상기 두 용액을 혼합하여 소정의 온도 이상에서 유지하여 광활성층 제조용 전구 용액을 합성한 후 정공 주입층 위에 도포하고, 100~200℃의 온도로 유지하여 건조하는 단계이다.
상기 전자 공여체로는 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT, Poly(3-hexylthiophene),Examples of the electron donor include poly (3-hexylthiophene) (P3HT, poly (3-hexylthiophene)
폴리[2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌](MEH-PPV, Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]),Poly (2-methoxy-5- (2-ethylhexyloxy) -1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV, phenylenevinylene]),
폴리[1,4(2-메톡시-5-디메틸옥틸옥시) 페닐렌비닐렌](OC1C10-PPV, Poly [1,4(2-methoxy-5-dimethyloctyloxy)phenylenevinylene]),Poly [1,4 (2-methoxy-5-dimethyloctyloxy) phenylenevinylene]) (OC1C10-PPV,
폴리[2-메톡시-5-(3'7'디메틸옥티)-1,4-페닐렌비닐렌](MDMO-PPV, poly[2-methoxy-5-(3'7'dimethylocty)-1,4-phenylenevinylene]),Poly (2-methoxy-5- (3'7'dimethylocty) -1, 4-phenylenevinylene] (MDMO-PPV, 4-phenylenevinylene]),
폴리[N-9"-헵타디카닐-2,7-카바졸알트-5,5-(4'7'-디-2-티닐-2',1',3'-벤조티아디아졸)](PCDTBT, poly[N-9"-heptadecanyl-2,7-carbazolealt-Poly [N-9 "-heptadecanyl-2,7-carbazolate-5,5- (4'7'-di-2-thinyl-2 ', 1', 3'- benzothiadiazole)] (PCDTBT, poly [N-9 "-heptadecanyl-2,7-carbazole-
5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)],5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole)],
폴리[[4,8-비스[(2-에틸헥실])옥시]벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6,-딜][3-플루로-2-[(2-에틸헥실)카보닐]티노[3,4-b]티오펜딜]](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]]Di [4, 8-bis [(2-ethylhexyl)] oxy] benzo [1,2- - [(2-ethylhexyl) carbonyl] Tino [3,4-b] thiophene-pyridyl]] (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]
폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-싸이클로펜타[2,1-b;3,4-b']디티오펜)-알트-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)](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)]), Synthesis of poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2,1- b; 3,4- b '] dithiophene) , 1,3-benzothiadiazole)] (PCPDTBT, poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [ dithiophene) -tallow-4,7- (2,1,3-benzothiadiazole)]),
폴리[2,6-(4,4'-비스(2-에틸헥실)디티에노[3,2-b:2',3'-d]실올레)-알트-4,7(2,1,3-벤조티아디아졸)](PSBTBT, Poly[2,6-(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)]), (2,2- b: 2 ', 3'-d] cyclohexane-aldehyde-4,7 (2,1-bipyridyl) , 3-benzothiadiazole)] (PSBTBT, Poly [2,6- (4,4'-bis (2-ethylhexyl) dithieno [3,2-b: 2 ', 3'- -4,7 (2,1,3-benzothiadiazole)]),
암모늄 퍼플루오로옥탄산-3 (APFO-3, Ammonium perfluorooctanoic acid-3) 및Ammonium perfluorooctanoic acid-3 (APFO-3) and
폴리[4,7-디티오펜-2-일-벤조(1,2,5)티아디아졸-알트-디헥실-9H-플루오렌](PFTBT, poly[4,7-dithiophene-2-yl-benzo(1,2,5)thiadiazole-alt-dihexyl-9H-fluorene])으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것이 바람직하다. Poly [4,7-dithiophene-2-yl-benzo (1,2,5) thiadiazole-alt-dihexyl-9H-fluorene] (PFTBT, benzo (1,2,5) thiadiazole-alt-dihexyl-9H-fluorene]).
그리고 전자 수용체로는 플러렌 또는 그 유도체를 포함하는 것이 바람직하다. 전자 수용체로는 플러렌(fullerene(C60) 자체 혹은 C60이 유기 용매에 잘 녹도록 설계된 PCBM 등이 사용될 수 있다.The electron acceptor preferably includes fullerene or a derivative thereof. As the electron acceptor, fullerene (C 60 ) itself or PCBM designed to dissolve C 60 in an organic solvent can be used.
PCBM이외에도 PC70BM([6,6]-phenyl-C70 butyric acid methyl ester )와ICBA(indene-C 60 bisadduct)의 물질도 사용이 가능하다.
In addition to PCBM, PC70BM ([6,6] -phenyl-C 70 butyric acid methyl ester) and ICBA (indene-C 60 bisadduct) materials are also available.
광활성층(예를 들어, P3HT와 플러렌 또는 그 유도체의 혼합층)으로 이루어진 통상의 유기 태양전지에서는 광활성층의 전하 이동도를 높이기 위하여 일반적으로 약 150℃ (420 K) 정도의 온도에서 열처리를 실시한다. 이러한 열처리에 의하여 P3HT와 플러렌 또는 그 유도체의 블렌드층에서 플러렌 또는 그 유도체 분자가 확산하여 플러렌 또는 그 유도체끼리 뭉치는 상분리(phase separation)가 발생하여 플러렌 또는 그 유도체 클러스터(cluster)와 P3HT 결정(crystallite)이 생성되며, 이와 같은 플러렌 또는 그 유도체 클러스터를 통하여 전자 이동도가 증가하고, P3HT 결정에서도 정공이동도가 증가하게 된다.
In a conventional organic solar cell made of a photoactive layer (for example, a mixed layer of P3HT and fullerene or a derivative thereof), heat treatment is generally performed at a temperature of about 150 ° C (420 K) in order to increase the charge mobility of the photoactive layer . Due to this heat treatment, the fullerene or its derivative molecules diffuse in the blend layer of P3HT and fullerene or its derivatives, resulting in phase separation of fullerene or a group of its derivatives to form fullerene or its derivative cluster and P3HT crystallite ), And the electron mobility increases through the fullerene or its derivative cluster, and the hole mobility also increases with the P3HT crystal.
상기 유기 리간드는 2-티오펜아세트산(2-thiopheneacetic acid), 2-티오펜카르복시산(2-thiophene carboxylic acid), 및 2,5-티오펜디카르복시산(2,5-thiophenedicarboxylic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. Wherein the organic ligand is selected from the group consisting of 2-thiopheneacetic acid, 2-thiophene carboxylic acid, and 2,5-thiophenedicarboxylic acid. It is preferable to use at least one species.
상기 2-티오펜아세트산(2-thiopheneacetic acid), 2-티오펜카르복시산(2-thiophene carboxylic acid), 2,5-티오펜디카르복시산(2,5-thiophenedicarboxylic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종은 모두 티오펜기를 가지고 있어서 전자 공여체인 P3HT와의 친화성이 우수하고 이러한 특성으로 인해 P3HT가 광활성 층 내에 고르게 분포되어 있을 때 상기 2-티오펜아세트산(2-thiopheneacetic acid), 2-티오펜카르복시산(2-thiophene carboxylic acid), 2,5-티오펜디카르복시산(2,5-thiophenedicarboxylic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종도 고르게 분포되게 되고 상기 티오펜을 포함하는 유기 리간드에 연결되어 있는 양자점도 고른 분포를 나타낼 수 있게 된다. It is preferable that one kind selected from the group consisting of 2-thiopheneacetic acid, 2-thiophene carboxylic acid and 2,5-thiophenedicarboxylic acid is all (2-thiopheneacetic acid, 2-thiophenecarboxylic acid (2-thiophene carboxylic acid, 2-thiophenecarboxylic acid, and the like) thiophene carboxylic acid, 2,5-thiophenedicarboxylic acid, and the quantum dots connected to the organic ligand including thiophene may have a uniform distribution. .
또한 상기 유기 리간드는 양자점과 결합할 수 있는 작용기를 가지고 있고, 유기 리간드를 포함하는 탄소 체인의 길이가 길어지면, 양자점에 갇혀 있는 전자나 정공의 유동이 자유롭지 못하게 되어 전지의 효율이 떨어지는 문제점이 있으므로 본 발명에 사용되는 유기 리간드로는, 2-티오펜아세트산(2-thiopheneacetic acid), 2-티오펜카르복시산(2-thiophene carboxylic acid) 및 2,5-티오펜디카르복시산(2,5-thiophenedicarboxylic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것이 바람직하다.
The organic ligand has a functional group capable of binding with the quantum dots. When the length of the carbon chain including the organic ligand is long, there is a problem that the flow of electrons or holes trapped in the quantum dots is not free, Examples of the organic ligand used in the present invention include 2-thiopheneacetic acid, 2-thiophene carboxylic acid and 2,5-thiophenedicarboxylic acid. And the like.
그리고, 유기 태양전지의 제조방법에서 상기 양자점은 Ⅱ-Ⅵ족 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물, Ⅳ족 원소 양자점, Ⅲ-Ⅴ족 화합물, PbSe, PbTe 및 PbS로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.In the method of manufacturing an organic solar cell, the quantum dots include a group II-VI chalcogenide compound, an group III-VI compound, a group IV element quantum dot, a group III-V compound, PbSe, PbTe, and PbS. And at least one selected from the group consisting of
이때 Ⅱ-Ⅵ족 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물에서 Ⅱ족은 Cd 또는 Zn, Ⅵ족은 S, Se 및 Te으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이고, 상기 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물에서 Ⅰ족은 Cu 또는 Ag, Ⅲ족은 In 또는 Ga, Ⅵ족은 S, Se 및 Te로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이고, 상기 Ⅳ족 양자점에서 Ⅳ족 원소는 Si, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이고, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물에서 Ⅲ족 원소는 In 또는 Ga, Ⅴ족은 P, As 및 Sb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이다.
In this case, in the II-VI chalcogenide compound, the group II is one kind selected from the group consisting of Cd or Zn, the group VI is S, Se, and Te. In the group I-III-VI compound, Or Ag, a Group III element is In or Ga, a Group VI element is one selected from the group consisting of S, Se and Te, a Group IV element in the Group IV quantum dot is one selected from the group consisting of Si, Ge and Sn, In the III-V group compound, Group III element is In or Ga, and Group V is one kind selected from the group consisting of P, As and Sb.
상기 단계 2에서 상기 전자 공여체가 P3HT이고 상기 유기 리간드로 표면 치환된 양자점이 2-티오펜 카르복실산으로 표면 치환된 CdSe 양자점일 때, P3HT(poly(3-hexylthiophene))와 2-티오펜카르복실산으로 치환된 CdSe 양자점의 질량비는 1:0.1~1:1의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다. In the
실험예 4로부터 알 수 있는 바와 같이, P3HT와 유기 리간드로 표면 치환된 CdSe의 양자점의 질량비가 0.1 미만이면 양자점 첨가 효과가 미흡하고, 1 초과이면 양자점이 균일하게 분산되지 못하여 유기 태양전지의 효율이 저하된다.
As can be seen from Experimental Example 4, if the mass ratio of the quantum dots of Pdc and Pdc with the organic ligands is less than 0.1, the effect of doping quantum dots is insufficient. If the mass ratio of quantum dots is more than 1, .
그리고 양자점이 포함된 용액은 다음과 같은 공정을 통해서 제조된다.The solution containing the quantum dots is prepared by the following process.
상기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면 처리된 양자점은 a) 올레산으로 표면 처리된 양자점을 유기 용매에 분산하는 단계(단계 2-1)와, b) 상기 양자점 분산 용액에 상기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드를 첨가하는 단계(단계 2-2) 및 c) 상기 유기 리간드가 첨가된 양자점 분산 용액에 극성 용매를 도입하여 양자점을 침전시키고, 진공 건조하는 단계(2-3)를 포함하는 방법으로 제조되는 것이 바람직하다.
The quantum dot surface-treated with the organic ligand represented by
이하 본 발명의 양자점의 표면 처리 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, the surface treatment method of the quantum dot of the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 단계 2-1은 올레산으로 표면 처리된 양자점을 유기 용매에 분산하는 단계로서, 더욱 구체적으로 식물성 오일로부터 대량 합성될 수 있는 올레산으로 표면 처리된 양자점을 톨루엔, 클로로 포름 및 헥산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 유기 용매에 분산시키는 단계이다.
Step 2-1 according to the present invention is a step of dispersing quantum dots surface-treated with oleic acid in an organic solvent. More specifically, quantum dots surface-treated with oleic acid, which can be mass-synthesized from vegetable oil, are dissolved in toluene, chloroform and hexane To at least one organic solvent selected from the group consisting of
본 발명에 따른 단계 2-2는 상기 양자점 분산 용액에 상기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드를 첨가하는 단계로서, 더욱 구체적으로 올레산으로 안정화된 양자점이 분산된 용액에 상기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 치환하는 단계이다. Step 2-2 according to the present invention is a step of adding the organic ligand represented by
상술한 바와 같이, 양자점의 표면을 티오펜(thiophene)을 포함하는 유기 리간드로 치환하면, 전자 공여체, 전자 수용체를 포함하는 광활성층 제조용 전구 용액에서 응집의 발생이 없는 균일한 표면을 얻을 수 있다.As described above, when the surface of the quantum dots is replaced with an organic ligand containing thiophene, a homogeneous surface free from agglomeration can be obtained in a precursor solution for the production of a photoactive layer containing an electron donor and an electron acceptor.
상기 단계 2-2에서 양자점과 유기 리간드의 몰비가 1:0.5~1:4가 되도록 유기 리간드를 첨가하는 것이 바람직하다. 양자점과 유기 리간드의 몰비가 1:0.5 미만이면 각 양자점에 대하여 표면 리간드가 치환되는 비율이 낮아져 이로부터 제조되는 태양전지의 효율을 향상시키기 어렵고, 양자점과 유기 리간드의 몰비가 1:4 이상이면 양자점에 치환되지 않은 유기 리간드가 증가하게 되어 태양전지의 광활성층에 양자점 첨가 효과가 반감된다.
In step 2-2, it is preferable to add an organic ligand such that the molar ratio of the quantum dot to the organic ligand is 1: 0.5 to 1: 4. If the molar ratio between the quantum dots and the organic ligand is less than 1: 0.5, the rate of substitution of the surface ligands for each quantum dot is lowered and it is difficult to improve the efficiency of the produced solar cell. If the molar ratio between the quantum dots and the organic ligand is 1: The effect of adding quantum dots to the photoactive layer of the solar cell is reduced by half.
본 발명에 따른 단계 2-3은 상기 유기 리간드가 첨가된 양자점 분산 용액에 극성 용매를 도입하여 양자점을 침전시키고, 진공 건조하는 단계로서, 더욱 구체적으로 티오펜을 포함하는 유기 리간드로 표면이 균일하게 된 양자점에 대하여 메탄올이나 아세톤과 같은 극성 용매를 도입하여 양자점을 침전시켜 진공 건조시키는 단계이다.Step 2-3 according to the present invention is a step of introducing a polar solvent into the quantum dot dispersion solution to which the organic ligand is added to precipitate the quantum dots and vacuum drying the organic quantum dots. More specifically, the organic ligands include thiophene, A polar solvent such as methanol or acetone is introduced into the quantum dots, and the quantum dots are precipitated and vacuum dried.
상술한 바와 같이 상기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 치환하면, 균일한 형상을 가지는 양자점을 얻게 된다. As described above, when the organic ligand is substituted with the organic ligand represented by
본 발명에 따른 단계 3은, 상기 광활성 층의 위에 제2 전극을 형성하는 단계로서, 더욱 구체적으로 LiF, 또는 LiO2 같은 물질로 버퍼층을 형성하고 나서, 열 기상 증착, 전자 빔 증착, RF 또는 마그네트론 스퍼터링, 화학적 증착 또는 유사한 방법에 의하여 금속층을 형성하는 단계이다. Step 3 according to the present invention is a step of forming a second electrode on the photoactive layer. More specifically, a buffer layer is formed of a material such as LiF or LiO 2 , and then a photoelectric conversion layer is formed by thermal vapor deposition, electron beam evaporation, RF or magnetron Sputtering, chemical vapor deposition or the like to form a metal layer.
본 발명에 따른 제2 전극은 스핀코팅 등으로 상기 광활성층 위에 LiF를 도포한 후, Al층이 도포되어 있는 이중층의 형태인 것이 바람직하다.The second electrode according to the present invention is preferably a double layer in which LiF is coated on the photoactive layer by spin coating or the like and then the Al layer is coated.
본 발명은 또한 이상과 같은 방법으로 제조되고, 기판과, 상기 기판 위에 위치하며 투명 전도층을 포함하는 제1 전극과, 상기 제1 전극 위에 위치하는 정공 주입층과, 상기 정공 주입층 위에 위치하고, 전자 공여체, 전자 수용체 및 상기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면 처리된 양자점을 포함하는 광활성층 및 상기 광활성층 위에 위치하는 제2 전극을 포함하는 유기 태양전지를 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a light emitting device, including: forming a first electrode on a substrate, a first electrode including a transparent conductive layer on the substrate, a hole injection layer disposed on the first electrode, A photoactive layer including an electron donor, an electron acceptor, and a quantum dot surface-treated with an organic ligand represented by
본 발명에 따른 유기 태양전지는 광활성층 내에 전자 공여체, 전자 수용체 및 상기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면 처리된 양자점을 포함하고 있어서 상기 광활성층 내에 상기 유기 리간드로 표면 처리된 양자점을 균일하게 분산시킬 수 있고, 이를 통해 태양전지의 효율을 향상시키는 것이 가능하다. The organic solar cell according to the present invention includes an electron donor, an electron acceptor and a quantum dot surface-treated with an organic ligand represented by the above-mentioned formula (1) in the photoactive layer, thereby uniformly dispersing the quantum dot surface- It is possible to improve the efficiency of the solar cell.
실제적으로 위와 같은 방법으로 제조되는 유기 태양전지는 3.4% 이상의 태양전지 효율을 갖게 된다.
Actually, organic solar cells manufactured by the above method have a solar cell efficiency of 3.4% or more.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예 및 실험예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예 및 실험예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments and experimental examples according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. .
<실시예><Examples>
(실시예 1) 유기 태양전지의 제조 1(Example 1) Production of organic
단계 1: 투명 전도층이 형성된 기판 위에 정공 주입층을 형성하는 단계Step 1: A step of forming a hole injection layer on a substrate on which a transparent conductive layer is formed
투명 전도층으로 ITO가 형성된 유리판 위에 PEODT 및 PSS를 스핀코팅법으로 1000rpm에서 30초 동안 도포하였다. 그리고 150℃의 대기압 유지상태에서 30분 동안 건조하여 정공 주입층을 형성하였다.
PEODT and PSS were applied by spin coating at 1000 rpm for 30 seconds on a glass plate on which ITO was formed as a transparent conductive layer. Then, the substrate was dried at 150 ° C for 30 minutes under atmospheric pressure to form a hole injection layer.
단계 2: 전자 공여체, 전자 수용체 및 하기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면 처리된 양자점을 포함하는 광활성층 제조용 전구 용액을 상기 정공 주입층 위에 도포하고, 건조하여 광활성층을 형성하는 단계Step 2: applying a precursor solution for preparing a photoactive layer containing an electron donor, an electron acceptor and a quantum dot surface-treated with an organic ligand represented by the following formula (1) onto the hole injection layer and drying to form a photoactive layer
P3HT 30mg과 PCBM 24mg을 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene) 1.8㎖에 30mg/㎖의 농도로 용해시켰다. 30 mg of P3HT and 24 mg of PCBM were dissolved in 1.8 ml of 1,2-dichlorobenzene at a concentration of 30 mg / ml.
올레산으로 표면 처리된 CdSe 양자점을 톨루엔에 분산시켰다. 양자점과 유기 리간드의 비율이 몰비로 1:3이 되도록 양자점 분산용액 50㎖에 2-티오펜 카르복실산50㎎ 을 첨가하였다. 상온에서 24시간 교반한 후 아세톤을 도입하여 양자점을 침전시켰다. 그리고 원심 분리하여 가라앉은 침전물을 진공 중에서 건조하였다. The CdSe quantum dot surface-treated with oleic acid was dispersed in toluene. 50 mg of 2-thiophenecarboxylic acid was added to 50 ml of the quantum dot dispersion solution so that the ratio of the quantum dots and the organic ligand was 1: 3 at a molar ratio. After stirring at room temperature for 24 hours, acetone was introduced to precipitate the quantum dots. The precipitate, which was centrifuged and dried, was dried in vacuo.
2-티오펜 카르복실산으로 표면치환된 CdSe 양자점 30㎎을 1,2-디클로로벤젠 1㎖에 30㎎/㎖의 농도로 용해시켜 양자점 용액을 제조하였다. 그리고 이 용액 0.8㎖와 상기 P3HT: PCBM 용액 1.8㎖을 혼합한 후 40~60℃의 온도로 유지하면서 교반시켜 광활성층 제조용 전구 용액을 합성하였다.
30 mg of CdSe quantum dot surface-substituted with 2-thiophenecarboxylic acid was dissolved in 1 ml of 1,2-dichlorobenzene to a concentration of 30 mg / ml to prepare a quantum dot solution. 0.8 ml of this solution and 1.8 ml of the P3HT: PCBM solution were mixed and stirred while maintaining the temperature at 40 to 60 ° C to synthesize a precursor solution for preparing a photoactive layer.
단계 1에서 제조된 정공 주입층 위에 상기 광활성층 제조용 전구용액을 스핀코팅 방법으로 700rpm에서 30초 동안 도포한 후 150℃에서 30분 동안 대기압 하에서 건조하여 광활성층을 형성하였다.
The precursor solution for the preparation of the photoactive layer was coated on the hole injection layer prepared in
단계 3: 상기 광활성층의 위에 제2 전극을 형성하는 단계Step 3: forming a second electrode on top of the photoactive layer
단계 2에서 형성된 광활성층 위에 LiF층과 Al층을 각각 1nm, 100nm가 되도록 열증착장비(Thermal evaporator, Infovin사)로 증착하여 유기태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was fabricated by depositing a LiF layer and an Al layer on the photoactive layer formed in
(실시예 2) 유기 태양전지의 제조 2(Example 2) Production of organic
상기 실시예 1 중 단계 2에서 양자점 용액 0.5㎖ 를 혼합한 후 광활성층 제조용 전구용액을 합성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 유기태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.5 ml of the quantum dot solution was mixed in
(실시예 3 내지 5) 유기 태양전지의 제조 3 내지 5(Examples 3 to 5) Preparation of organic solar cell 3 to 5
상기 실시예 1중 단계 2에서 양자점 용액 0.1㎖(실시예 3), 0.3㎖(실시예 4), 1㎖(실시예 5) 씩 혼합한 후 광활성층 제조용 전구용액을 합성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 유기태양전지를 제조하였다.
Except that 0.1 ml (Example 3), 0.3 ml (Example 4) and 1 ml (Example 5) of a quantum dot solution were mixed in
(비교예 1)(Comparative Example 1)
상기 실시예 1중 단계 2에서 양자점 용액을 혼합하지 않고 광활성층 제조용 전구 용액을 합성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 유기 태양전지를 제조하였다.
An organic solar cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the precursor solution for the preparation of the photoactive layer was synthesized without mixing the quantum dot solution in
(비교예 2)(Comparative Example 2)
상기 실시예 1 중 단계 2에서 올레산(oleic acid)으로 표면치환된 CdSe 양자점 30㎎을 1,2-디클로로벤젠 1㎖에 30㎎/㎖의 농도로 용해시킨 양자점 용액을 제조하였다. 이 양자점 용액 0.1㎖와 상기 P3HT와 PCBM의 혼합 용액 1.8㎖을 혼합하여 광활성층 제조용 전구용액을 합성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 유기 태양전지를 제조하였다.
A quantum dot solution was prepared by dissolving 30 mg of CdSe quantum dot surface-substituted with oleic acid in 1 ml of 1,2-dichlorobenzene at a concentration of 30 mg / ml in
(비교예 3)(Comparative Example 3)
상기 실시예 1 중 단계 2에서 피리딘(pyridine)으로 표면치환된 CdSe 양자점 30㎎을 1,2-디클로로벤젠 1㎖에 30㎎/㎖의 농도로 용해시킨 양자점 용액을 제조하였다. 이 양자점 용액 0.1㎖와 상기 P3HT와 PCBM의 혼합 용액 1.8㎖을 혼합하여 광활성층 제조용 전구용액을 합성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 유기 태양전지를 제조하였다.
A quantum dot solution was prepared by dissolving 30 mg of CdSe quantum dot surface-substituted with pyridine in
<실험예><Experimental Example>
(실험예 1) 2-티오펜 카르복실산으로 표면치환된 CdSe 양자점의 형상 확인 실험(Experimental Example 1) Confirmation of shape of CdSe quantum dot surface-substituted with 2-thiophenecarboxylic acid
2-티오펜 카르복실산으로 표면치환된 CdSe 양자점이 어떠한 형상으로 되는 지 확인하기 위해 하기와 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to confirm the shape of the CdSe quantum dot surface-substituted with 2-thiophenecarboxylic acid.
올레산으로 표면처리된 CdSe 양자점을 톨루엔에 분산하였고, 양자점과 표면리간드의 비율이 몰비로 1:3이 되도록 양자점 분산 용액에 2-티오펜 카르복실산(유기 리간드)를 첨가하였다. 이후 상온에서 1시간 내지 24시간 교반 후 메탄올, 아세톤 등 극성 용매를 도입하여 양자점을 침전시킨 후 진공 중에서 건조하였다.The CdSe quantum dot surface-treated with oleic acid was dispersed in toluene, and 2-thiophenecarboxylic acid (organic ligand) was added to the quantum dot dispersion solution so that the ratio of the quantum dots and the surface ligands was 1: 3 by molar ratio. After stirring at room temperature for 1 hour to 24 hours, a polar solvent such as methanol or acetone was introduced to precipitate quantum dots, followed by drying in vacuum.
도 1(a), (b)는 2-티오펜 카르복실산으로 치환된 양자점의 형상을 보여주는 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscope; TEM) 사진이다.1 (a) and 1 (b) are transmission electron microscope (TEM) images showing the shape of quantum dots substituted with 2-thiophenecarboxylic acid.
도 1(a), (b)에 따르면 2-티오펜 카르복실산으로 치환된 양자점은 직경이 4.6nm이고, 길이가 11.6nm 정도인 기둥 4개가 균일하게 배치된 형상으로 합성된다는 것을 확인할 수 있다.
1 (a) and 1 (b), it is confirmed that the quantum dots substituted with 2-thiophenecarboxylic acid are synthesized into a shape in which four columns having a diameter of 4.6 nm and a length of about 11.6 nm are uniformly arranged .
(실험예 2) 흡광도 특성 분석 실험(Experimental Example 2) Analysis of absorbance characteristics
다양한 유기 리간드로 표면치환된 양자점의 흡광도 특성을 알아보기 위해 하기와 같은 실험을 수행하였다.The following experiments were carried out to investigate the absorbance characteristics of quantum dots substituted with various organic ligands.
실시예 1(2-티오펜카르복실산), 비교예 2(올레산), 비교예 3(피리딘) 중 단계 2에 따라 표면치환된 CdSe 양자점 30㎎을 1,2-디클로로벤젠 1㎖에 30㎎/㎖의 농도로 용해시킨 양자점 용액에 대하여 분광계(Agilent technology사, Cary5000)을 사용하여 흡광도 특성을 분석하였고 그 결과를 도 2에 나타내었다.30 mg of the CdSe quantum dot surface-substituted according to
도 2는 다양한 유기 리간드로 표면 치환된 양자점의 흡광스펙트럼을 보여주는 그래프이다. Figure 2 is a graph showing the absorption spectra of quantum dots surface-substituted with various organic ligands.
도 2에 따르면 피리딘(pyridine)으로 표면 치환된 양자점은 양자점 사이에서 심한 응집이 발생함에 따라 장파장 스펙트럼이 발생한다는 것을 확인할 수 있었다. According to FIG. 2, it can be seen that the long wavelength spectrum occurs due to the severe agglomeration between the quantum dots and pyridine surface-substituted quantum dots.
피리딘으로 치환된 경우 양자점 간의 응집의 결과로 양자점의 흡광도 스펙트럼이 퍼지는 현상이 발생한다. When pyridine is substituted, the absorption spectrum of the quantum dots spreads as a result of aggregation between the quantum dots.
도 2에 따르면, 2-티오펜 카르복실산을 이용하여 표면 치환한 경우에는 응집에 따른 흡수 스펙트럼의 변화가 관찰되지 않았다. 이로부터 2-티오펜카르복실산을 이용하여 표면치환한 경우 1,2 디클로로벤젠(dichlorobenzene)에 균일하게 분산되는 것을 알 수 있고 이를 통하여 본 발명에 따른 2-티오펜카르복실산으로 표면 치환된 양자점의 경우에는 광활성 층 내에 균일하게 분산되어 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.According to Fig. 2, when the surface was substituted with 2-thiophenecarboxylic acid, no change in absorption spectrum was observed due to agglomeration. From this, it can be seen that when the 2-thiophenecarboxylic acid is used for surface substitution, it is uniformly dispersed in 1,2-dichlorobenzene. Thus, In the case of the quantum dot, the efficiency of the solar cell can be improved by being uniformly dispersed in the photoactive layer.
만일 피리딘과 같이 입자의 응집이 발생하면, 양자점의 흡광도 스펙트럼이 퍼지게 되고, 입자의 응집은 벌크 헤테로 정션 타입의 유기태양전지에서 중요한 폴리머(polymer)와 플러렌(fullerene) 간의 균일하고 미세한 상분리에 나쁜 영향을 주므로 전체적으로 태양전지 효율이 떨어지게 되는 결과를 낳게 된다. If the aggregation of particles such as pyridine occurs, the absorption spectrum of the quantum dots will spread, and the aggregation of particles will have a bad effect on the homogeneous and fine phase separation between polymer and fullerene important in bulk heterojunction type organic solar cells The efficiency of the solar cell is deteriorated as a whole.
(실험예 3) 광활성층 제조용 전구용액에서 양자점 분포 확인 실험(Experimental Example 3) Confirmation of quantum dot distribution in a precursor solution for producing a photoactive layer
광활성층 제조용 전구용액에 양자점이 분포되는 양상을 확인하기 위해 하기와 같은 실험을 수행하였다. The following experiment was conducted to confirm the distribution of quantum dots in the precursor solution for photoactive layer production.
실시예 1, 비교예 2 및 3의 단계 2에 따라 제조된 광활성층에 대하여 양자점이 균일하게 분포하는 지 알아보기 위해 TEM(Transmission electron microscope)로 각각의 양자점이 분포된 양상을 관찰하였다. In order to determine whether the quantum dots are uniformly distributed in the photoactive layer prepared according to
도 3(a) 내지 (d)는 다양한 유기 리간드로 표면치환된 양자점들이 광활성층에서 분포된 상태를 보여주는 TEM 사진이다.FIGS. 3 (a) to 3 (d) are TEM images showing quantum dots surface-substituted with various organic ligands distributed in the photoactive layer.
도 3(a)는 비교예 2에 따라 올레산으로 표면 치환된 양자점들이 광활성층에 분포된 상태를 보여주는 TEM 사진이고 도 3(b)는 비교예 3에 따라 피리딘으로 표면 치환된 양자점들이 광활성층에 분포된 상태를 보여주는 TEM 사진이며, 도 3(c)와 (d)는 실시예 1에 따라 2-티오펜 카르복실산으로 치환된 양자점들이 광활성층에 분포된 상태를 보여주는 TEM 사진이다. FIG. 3 (a) is a TEM photograph showing a state where quantum dots substituted with oleic acid are dispersed in the photoactive layer according to Comparative Example 2, and FIG. 3 (b) FIGS. 3 (c) and 3 (d) are TEM images showing the state where quantum dots substituted with 2-thiophenecarboxylic acid according to Example 1 are distributed in the photoactive layer. FIG.
도 3(a) 내지 (d)에 따르면, 다양한 유기 리간드 중에서 2-티오펜 카르복실산으로 치환된 양자점 만이 광활성층 안에서 균일하게 분산된다는 것을 확인할 수 있고, 따라서 본 발명에 따라 제조된 2-티오펜 카르복실산으로 치환된 양자점이 유기 태양전지의 광활성층 안에서 균일하게 분포될 수 있는 양자점이 된다는 것을 확인할 수 있었다.
3 (a) to (d), it can be confirmed that only quantum dots substituted with 2-thiophenecarboxylic acid among various organic ligands are uniformly dispersed in the photoactive layer. Thus, It was confirmed that the quantum dots substituted with the pentacarboxylic acid are quantum dots that can be uniformly distributed in the photoactive layer of the organic solar battery.
(실험예 4) 유기 태양전지의 효율 측정 실험 1(Experimental Example 4) Experiment for Measuring Efficiency of
본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에 따른 2-티오펜 카르복실산으로 치환된 양자점을 포함하는 유기 태양전지의 효율이 어느 정도인지 확인하기 위해 하기와 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to confirm the efficiency of an organic solar cell including quantum dots substituted with 2-thiophenecarboxylic acid according to Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 of the present invention.
태양전지의 효율 측정은 AM 1.5 조건에서 100mW/㎠ 세기의 빛을 발생하는 솔라 시뮬레이터(solar simulator) (Newport, 9600000)을 사용하여 측정하였다. 태양전지의 효율은 수학식 1에 따라 계산된다.The efficiency of the solar cell was measured using a solar simulator (Newport, 9600000) emitting light of 100 mW /
광전류 밀도-전압 (J-V) 특성은 Keithley 2400 source meter를 사용하였고, 기준 태양전지 셀(Bunkoh-keiki BS 520)을 사용하여 광전류를 보정하였다.Photocurrent density-voltage (J-V) characteristics were measured using a Keithley 2400 source meter and corrected for photocurrent using a reference solar cell (Bunkoh-keiki BS 520).
표 1에 따르면, 태양 전지 효율의 경우 2-티오펜 카르복실산을 첨가하는 경우 2-티오펜 카르복실산의 첨가에 따라 향상되어 최대 3.33%까지 효율이 향상되는 것으로 나타났다. According to Table 1, when the 2-thiophenecarboxylic acid was added to the solar cell, the efficiency was improved up to 3.33% by the addition of the 2-thiophenecarboxylic acid.
특히 단락 전류(Jsc) 값이 양자점 첨가량에 따라 8.2mA/㎠에서 최대 9.83mA/㎠까지 점점 향상되는 것을 볼 수 있다.In particular, the short circuit current (Jsc) value is gradually increased from 8.2 mA /
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에 따른 양자점 용액 첨가량에 따른 유기 태양전지의 광전류 밀도-전압(J-V) 곡선을 보여주는 그래프이다.4 is a graph showing the photocurrent density-voltage (J-V) curves of organic solar cells according to the quantum dot solution addition amounts according to Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 of the present invention.
표 1과 도 4에 따르면, P3HT 1 몰당 2-티오펜 카르복실산을 포함하는 양자점 용액을 0.8mg 첨가하는 것이 단락 전류 값의 향상에 기여한다는 것을 확인할 수 있고, 이로부터 2-티오펜 카르복실산을 포함하는 양자점 용액을 첨가하는 것으로 유기 태양전지의 효율을 3.33%까지 향상시킬 수 있어서 본 발명의 실시예 1에 따라 제조되는 유기 태양전지가 효율이 우수한 전지임을 확인할 수 있었다.According to Table 1 and FIG. 4, it can be confirmed that the addition of 0.8 mg of the quantum dot solution containing 2-thiophenecarboxylic acid per 1 mole of P3HT contributes to the improvement of the short-circuit current value, The efficiency of the organic solar cell can be improved up to 3.33% by adding a quantum dot solution containing an acid. Thus, it can be confirmed that the organic solar cell manufactured according to Example 1 of the present invention is a highly efficient cell.
이때 도 4에서 양자점 용액은 30mg/㎖의 농도로 이루어져 있으며, 앞서 언급한 바와 같이, P3HT와 PCBM도 각각 30mg/㎖의 농도로 녹아 있다. 따라서 P3HT:PCBM:CdSe=1:0.8:x라는 비율은 사용한 용액의 부피비를 나타내며, 용질에 상관없이 용매의 농도가 동일하므로 상기 비율은 각각의 용질의 질량비가 된다.
In FIG. 4, the quantum dot solution has a concentration of 30 mg / ml. As mentioned above, P3HT and PCBM are also dissolved at a concentration of 30 mg / ml. Therefore, the ratio of P3HT: PCBM: CdSe = 1: 0.8: x indicates the volume ratio of the used solution, and the ratio is the mass ratio of each solute, regardless of the solute.
(실험예 5) 유기 태양전지의 효율 측정 실험 2(Experimental Example 5) Experiment for Measuring the Efficiency of
본 발명의 비교예 2에 따른 올레산으로 치환된 양자점을 포함하는 유기 태양전지의 효율이 어느 정도인 지 확인하기 위해 하기와 같은 실험을 수행하였다.In order to confirm the efficiency of the organic solar cell including the quantum dot substituted with oleic acid according to Comparative Example 2 of the present invention, the following experiment was conducted.
비교예 2에 따라 올레산을 포함하는 양자점 용액을 0.1㎖ 첨가한 용액에 대하여 실험예 4와 동일한 과정으로 태양전지의 효율을 측정하였다. The efficiency of the solar cell was measured in the same manner as in Experimental Example 4 for a solution in which 0.1 ml of a quantum dot solution containing oleic acid was added according to Comparative Example 2. [
도 5는 비교예 2에 따라 올레산이 치환된 양자점 용액 첨가량이 0.1㎖일 때 유기 태양전지의 광전류 밀도-전압(J-V) 곡선을 보여주는 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing the photocurrent density-voltage (J-V) curve of an organic solar cell when the addition amount of the quantum dot solution in which oleic acid is substituted according to Comparative Example 2 is 0.1 ml.
도 5에 따르면, 태양전지의 효율이 0.35%로 급감한다는 것을 알 수 있고, 이를 통해 올레산으로 표면 치환된 양자점을 포함하는 태양전지의 경우 효율이 줄어든다는 것을 확인할 수 있다.It can be seen from FIG. 5 that the efficiency of the solar cell is drastically reduced to 0.35%, indicating that the efficiency of the solar cell including the quantum dot surface-substituted with oleic acid is reduced.
(실험예 6) 유기 태양전지의 효율 측정 실험 3(Experimental Example 6) Experiment 3 for the efficiency measurement of organic solar cell
본 발명의 비교예 3에 따른 피리딘으로 치환된 양자점을 포함하는 유기 태양전지의 효율이 어느 정도인 지 확인하기 위해 하기와 같은 실험을 수행하였다.The following experiment was conducted to confirm the efficiency of an organic solar cell including pyridine-substituted quantum dots according to Comparative Example 3 of the present invention.
비교예 3에 따라 피리딘을 포함하는 양자점 용액을 0.1㎖ 첨가한 용액에 대하여 실험예 4와 동일한 과정으로 태양전지의 효율을 측정하였다. The efficiency of the solar cell was measured in the same manner as in Experimental Example 4 with respect to the solution in which 0.1 ml of the quantum dot solution containing pyridine was added according to Comparative Example 3.
도 6은 비교예 3에 따라 피리딘이 치환된 양자점 용액 첨가량이 0.1㎖일 때 유기 태양전지의 광전류 밀도-전압(J-V) 곡선을 보여주는 그래프이다. FIG. 6 is a graph showing a photocurrent density-voltage (J-V) curve of an organic solar cell when the amount of the pyridine substituted quantum dot solution is 0.1 ml according to Comparative Example 3. FIG.
도 6에 따르면, Voc(개방전압)은 0.52V, FF는 0.49, Jsc(단락 전류)는 6.68㎃/㎠이고, 태양 에너지 효율은 1.68%라는 것을 알 수 있고, 이를 통해 피리딘으로 표면 치환된 양자점을 포함하는 유기 태양전지의 경우 효율이 줄어든다는 것을 확인할 수 있다.
6, it can be seen that the V oc (open-circuit voltage) is 0.52 V, the FF is 0.49, the J sc (short circuit current) is 6.68 mA /
이상, 본 발명의 바람직한 실시예 및 실험예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Several variations are possible.
Claims (17)
상기 기판 위에 위치하며 투명 전도층을 포함하는 제1 전극;
상기 제1 전극 위에 위치하는 정공 주입층;
상기 정공 주입층 위에 위치하고 전자 공여체, 전자 수용체 및 하기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면처리되고, 테트라포드(tetrapod) 형태인 양자점을 포함하는 광활성층; 및
상기 광활성층 위에 위치하며, 상기 광활성층으로부터 LiF층과 Al 층을 순서대로 포함하는 제2 전극을 포함하되, 상기 전자 공여체와 상기 양자점의 질량비는 1:0.1 ~ 1:0.8인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지:
『화학식 1』
(상기 화학식 1에서 R1, R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 -SH, -NH2, -COOH, H, C1-6의 직쇄 또는 측쇄 알킬 및 -A-R5로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이며,
이때, 상기 A는 C1-6의 직쇄 또는 측쇄 알킬렌이며,
R5는 -SH, -NH2 또는 -COOH이고,
상기 R1, R2, R3 및 R4 중에서 하나 이상은
-SH, -NH2, -COOH 및 -A-R5로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이다.). Board;
A first electrode located on the substrate and including a transparent conductive layer;
A hole injection layer disposed on the first electrode;
A photoactive layer disposed on the hole injection layer and including a quantum dot surface-treated with an electron donor, an electron acceptor, and an organic ligand represented by the following Formula 1, and having a tetrapod form; And
And a second electrode disposed on the photoactive layer and including a LiF layer and an Al layer in order from the photoactive layer, wherein the mass ratio of the electron donor to the quantum dot is 1: 0.1 to 1: 0.8. Solar cell:
&Quot; Formula 1 "
Wherein R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently selected from the group consisting of -SH, -NH 2 , -COOH, H, C 1-6 straight-chain or branched alkyl and -AR 5 One,
Herein, A is C 1-6 linear or branched alkylene,
R 5 is -SH, -NH 2 or -COOH,
At least one of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is
-SH, -NH 2 , -COOH and -AR 5 ).
상기 투명 전도층은 인듐 틴 옥사이드(Indium tin oxide; ITO)로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the transparent conductive layer is made of indium tin oxide (ITO).
상기 정공 주입층은 PEDOT (폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)) / PSS(폴리(스티렌설포네이트)), MoO3, NiO 및 V2O3으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the hole injection layer is one selected from the group consisting of PEDOT (poly (3,4-ethylenedioxythiophene)) / PSS (poly (styrenesulfonate)), MoO 3 , NiO and V 2 O 3 Organic solar cell.
상기 전자 공여체는 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT, Poly(3-hexylthiophene),
폴리[2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌](MEH-PPV, Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]),
폴리[1,4(2-메톡시-5-디메틸옥틸옥시) 페닐렌비닐렌](OC1C10-PPV, Poly [1,4(2-methoxy-5-dimethyloctyloxy)phenylenevinylene]),
폴리[2-메톡시-5-(3'7'디메틸옥티)-1,4-페닐렌비닐렌](MDMO-PPV, poly[2-methoxy-5-(3'7'dimethylocty)-1,4-phenylenevinylene]),
폴리[N-9"-헵타디카닐-2,7-카바졸알트-5,5-(4'7'-디-2-티닐-2',1',3'-벤조티아디아졸)](PCDTBT, poly[N-9"-heptadecanyl-2,7-carbazolealt-
5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)],
폴리[[4,8-비스[(2-에틸헥실])옥시]벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6,-딜][3-플루로-2-[(2-에틸헥실)카보닐]티노[3,4-b]티오펜딜]](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]]
폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-싸이클로펜타[2,1-b;3,4-b']디티오펜)-알트-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)](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)]),
폴리[2,6-(4,4'-비스(2-에틸헥실)디티에노[3,2-b:2',3'-d]실올레)-알트-4,7(2,1,3-벤조티아디아졸)](PSBTBT, Poly[2,6-(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)]),
암모늄 퍼플루오로옥탄산-3 (APFO-3, Ammonium perfluorooctanoic acid-3) 및
폴리[4,7-디티오펜-2-일-벤조(1,2,5)티아디아졸-알트-디헥실-9H-플루오렌](PFTBT, poly[4,7-dithiophene-2-yl-benzo(1,2,5)thiadiazole-alt-dihexyl-9H-fluorene])으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지.The method according to claim 1,
The electron donor may be selected from the group consisting of poly (3-hexylthiophene) (P3HT, Poly (3-hexylthiophene)
Poly (2-methoxy-5- (2-ethylhexyloxy) -1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV, phenylenevinylene]),
Poly [1,4 (2-methoxy-5-dimethyloctyloxy) phenylenevinylene]) (OC1C10-PPV,
Poly (2-methoxy-5- (3'7'dimethylocty) -1, 4-phenylenevinylene] (MDMO-PPV, 4-phenylenevinylene]),
Poly [N-9 "-heptadecanyl-2,7-carbazolate-5,5- (4'7'-di-2-thinyl-2 ', 1', 3'- benzothiadiazole)] (PCDTBT, poly [N-9 "-heptadecanyl-2,7-carbazole-
5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole)],
Di [4, 8-bis [(2-ethylhexyl)] oxy] benzo [1,2- - [(2-ethylhexyl) carbonyl] Tino [3,4-b] thiophene-pyridyl]] (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]
Synthesis of poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2,1- b; 3,4- b '] dithiophene) , 1,3-benzothiadiazole)] (PCPDTBT, poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [ dithiophene) -tallow-4,7- (2,1,3-benzothiadiazole)]),
(2,2- b: 2 ', 3'-d] cyclohexane-aldehyde-4,7 (2,1-bipyridyl) , 3-benzothiadiazole)] (PSBTBT, Poly [2,6- (4,4'-bis (2-ethylhexyl) dithieno [3,2-b: 2 ', 3'- -4,7 (2,1,3-benzothiadiazole)]),
Ammonium perfluorooctanoic acid-3 (APFO-3) and
Poly [4,7-dithiophene-2-yl-benzo (1,2,5) thiadiazole-alt-dihexyl-9H-fluorene] (PFTBT, benzo (1,2,5) thiadiazole-alt-dihexyl-9H-fluorene]).
상기 유기 리간드는
2-티오펜아세트산(2-thiopheneacetic acid), 2-티오펜카르복시산(2-thiophene carboxylic acid) 및 2,5-티오펜디카르복시산(2,5-thiophenedicarboxylic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The method according to claim 1,
The organic ligand
At least one selected from the group consisting of 2-thiopheneacetic acid, 2-thiophene carboxylic acid and 2,5-thiophenedicarboxylic acid. Organic solar cell.
상기 양자점과 상기 유기 리간드의 몰비는 1:0.5~1:4인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the mole ratio of the quantum dot to the organic ligand is 1: 0.5 to 1: 4.
상기 양자점은 Ⅱ-Ⅵ족 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물, Ⅳ족 원소 양자점, Ⅲ-Ⅴ족 화합물, PbSe, PbTe 및 PbS로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지;
(상기 Ⅱ-Ⅵ족 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물에서 Ⅱ족은 Cd 또는 Zn, Ⅵ족은 S, Se 및 Te으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이고,
상기 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물에서 Ⅰ족은 Cu 또는 Ag, Ⅲ족은 In 또는 Ga, Ⅵ족은 S, Se 및 Te로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이고,
상기 Ⅳ족 양자점에서 Ⅳ족 원소는 Si, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이고,
상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물에서 Ⅲ족 원소는 In 또는 Ga, Ⅴ족은 P, As 및 Sb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이다.). The method according to claim 1,
Wherein the quantum dot is at least one selected from the group consisting of a II-VI chalcogenide compound, an I-III-VI compound, a Group IV element quantum dot, a III-V compound, PbSe, PbTe and PbS An organic solar cell;
(In the above-mentioned II-VI chalcogenide compounds, Group II is one kind selected from the group consisting of Cd or Zn, Group V is S, Se and Te,
In the above-mentioned Group I-III-VI compounds, Group I is one kind selected from the group consisting of Cu or Ag, Group III is In or Ga, Group VI is S, Se and Te,
Group IV elements in the Group IV quantum dots are one species selected from the group consisting of Si, Ge and Sn,
In the group III-V compound, Group III element is In or Ga, and Group V is one selected from the group consisting of P, As and Sb.
전자 공여체, 전자 수용체 및 하기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면 처리되고, 테트라포드(tetrapod) 형태인 양자점을 포함하되, 상기 전자 공여체와 상기 양자점의 질량비는 1:0.1 ~ 1:0.8인 광활성층 제조용 전구 용액을 상기 정공 주입층 위에 도포하고, 건조하여 광활성층을 형성하는 단계(단계 2); 및
상기 광활성 층의 위에 상기 광활성층으로부터 LiF층과 Al 층을 순서대로 포함하는 제2 전극을 형성하는 단계(단계 3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법:
『화학식 1』
(상기 화학식 1에서 R1, R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 -SH, -NH2, -COOH, H, C1-6의 직쇄 또는 측쇄 알킬 및 -A-R5로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이며,
이때, 상기 A는 C1-6의 직쇄 또는 측쇄 알킬렌이며,
R5는 -SH, -NH2 또는 -COOH이고,
상기 R1, R2, R3 및 R4 중에서 하나 이상은
-SH, -NH2, -COOH 및 -A-R5로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이다.). Forming a hole injection layer on the substrate on which the transparent conductive layer is formed (step 1);
A quantum dot surface-treated with an electron donor, an electron acceptor and an organic ligand represented by the following formula (1), wherein the mass ratio of the electron donor and the quantum dot is 1: 0.1 to 1: 0.8 Applying a precursor solution onto the hole injection layer and drying to form a photoactive layer (step 2); And
And forming a second electrode on the photoactive layer in order from the photoactive layer to the LiF layer and the Al layer (step 3). The method of claim 1,
&Quot; Formula 1 "
Wherein R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently selected from the group consisting of -SH, -NH 2 , -COOH, H, C 1-6 straight-chain or branched alkyl and -AR 5 One,
Herein, A is C 1-6 linear or branched alkylene,
R 5 is -SH, -NH 2 or -COOH,
At least one of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is
-SH, -NH 2 , -COOH and -AR 5 ).
상기 전자 공여체는 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT, Poly(3-hexylthiophene),
폴리[2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌](MEH-PPV, Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]),
폴리[1,4(2-메톡시-5-디메틸옥틸옥시) 페닐렌비닐렌](OC1C10-PPV, Poly [1,4(2-methoxy-5-dimethyloctyloxy)phenylenevinylene]),
폴리[2-메톡시-5-(3'7'디메틸옥티)-1,4-페닐렌비닐렌](MDMO-PPV, poly[2-methoxy-5-(3'7'dimethylocty)-1,4-phenylenevinylene]),
폴리[N-9"-헵타디카닐-2,7-카바졸알트-5,5-(4'7'-디-2-티닐-2',1',3'-벤조티아디아졸)](PCDTBT, poly[N-9"-heptadecanyl-2,7-carbazolealt-
5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)],
폴리[[4,8-비스[(2-에틸헥실])옥시]벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜-2,6,-딜][3-플루로-2-[(2-에틸헥실)카보닐]티노[3,4-b]티오펜딜]](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]]
폴리[2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-싸이클로펜타[2,1-b;3,4-b']디티오펜)-알트-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)](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)]),
폴리[2,6-(4,4'-비스(2-에틸헥실)디티에노[3,2-b:2',3'-d]실올레)-알트-4,7(2,1,3-벤조티아디아졸)](PSBTBT, Poly[2,6-(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)]),
암모늄 퍼플루오로옥탄산-3 (APFO-3, Ammonium perfluorooctanoic acid-3) 및
폴리[4,7-디티오펜-2-일-벤조(1,2,5)티아디아졸-알트-디헥실-9H-플루오렌](PFTBT, poly[4,7-dithiophene-2-yl-benzo(1,2,5)thiadiazole-alt-dihexyl-9H-fluorene])으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.11. The method of claim 10,
The electron donor may be selected from the group consisting of poly (3-hexylthiophene) (P3HT, Poly (3-hexylthiophene)
Poly (2-methoxy-5- (2-ethylhexyloxy) -1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV, phenylenevinylene]),
Poly [1,4 (2-methoxy-5-dimethyloctyloxy) phenylenevinylene]) (OC1C10-PPV,
Poly (2-methoxy-5- (3'7'dimethylocty) -1, 4-phenylenevinylene] (MDMO-PPV, 4-phenylenevinylene]),
Poly [N-9 "-heptadecanyl-2,7-carbazolate-5,5- (4'7'-di-2-thinyl-2 ', 1', 3'- benzothiadiazole)] (PCDTBT, poly [N-9 "-heptadecanyl-2,7-carbazole-
5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole)],
Di [4, 8-bis [(2-ethylhexyl)] oxy] benzo [1,2- - [(2-ethylhexyl) carbonyl] Tino [3,4-b] thiophene-pyridyl]] (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]
Synthesis of poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2,1- b; 3,4- b '] dithiophene) , 1,3-benzothiadiazole)] (PCPDTBT, poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [ dithiophene) -tallow-4,7- (2,1,3-benzothiadiazole)]),
(2,2- b: 2 ', 3'-d] cyclohexane-aldehyde-4,7 (2,1-bipyridyl) , 3-benzothiadiazole)] (PSBTBT, Poly [2,6- (4,4'-bis (2-ethylhexyl) dithieno [3,2-b: 2 ', 3'- -4,7 (2,1,3-benzothiadiazole)]),
Ammonium perfluorooctanoic acid-3 (APFO-3) and
Poly [4,7-dithiophene-2-yl-benzo (1,2,5) thiadiazole-alt-dihexyl-9H-fluorene] (PFTBT, benzo (1,2,5) thiadiazole-alt-dihexyl-9H-fluorene]).
상기 유기 리간드는
2-티오펜아세트산(2-thiopheneacetic acid), 2-티오펜카르복시산(2-thiophene carboxylic acid), 및 2,5-티오펜디카르복시산(2,5-thiophenedicarboxylic acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법.11. The method of claim 10,
The organic ligand
At least one member selected from the group consisting of 2-thiopheneacetic acid, 2-thiophene carboxylic acid, and 2,5-thiophenedicarboxylic acid Wherein the organic solar cell is a solar cell.
상기 양자점은 Ⅱ-Ⅵ족 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물, Ⅳ족 원소 양자점, Ⅲ-Ⅴ족 화합물, PbSe, PbTe 및 PbS로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법:
(상기 Ⅱ-Ⅵ족 칼코게나이드(chalcogenide) 화합물에서 Ⅱ족은 Cd 또는 Zn, Ⅵ족은 S, Se 및 Te으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이고,
상기 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물에서 Ⅰ족은 Cu 또는 Ag, Ⅲ족은 In 또는 Ga, Ⅵ족은 S, Se 및 Te로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이고,
상기 Ⅳ족 양자점에서 Ⅳ족 원소는 Si, Ge 및 Sn으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이고,
상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물에서 Ⅲ족 원소는 In 또는 Ga, Ⅴ족은 P, As 및 Sb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이다.).
11. The method of claim 10,
Wherein the quantum dot is at least one selected from the group consisting of a II-VI chalcogenide compound, an I-III-VI compound, a Group IV element quantum dot, a III-V compound, PbSe, PbTe and PbS : ≪ tb >< SEP >
(In the above-mentioned II-VI chalcogenide compounds, Group II is one kind selected from the group consisting of Cd or Zn, Group V is S, Se and Te,
In the above-mentioned Group I-III-VI compounds, Group I is one kind selected from the group consisting of Cu or Ag, Group III is In or Ga, Group VI is S, Se and Te,
Group IV elements in the Group IV quantum dots are one species selected from the group consisting of Si, Ge and Sn,
In the group III-V compound, Group III element is In or Ga, and Group V is one selected from the group consisting of P, As and Sb.
상기 유기 리간드로 표면 처리된 양자점은
a) 올레산으로 표면 처리된 양자점을 유기 용매에 분산하는 단계(단계 2-1);
b) 상기 양자점 분산 용액에 하기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드를 첨가하는 단계(단계 2-2); 및
c) 상기 유기 리간드가 첨가된 양자점 분산 용액에 극성 용매를 도입하여 양자점을 침전시키고, 진공 건조하는 단계(2-3)를 포함하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법:
『화학식 1』
(상기 화학식 1에서 R1, R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 -SH, -NH2, -COOH, H, C1 -6의 직쇄 또는 측쇄 알킬 및 -A-R5로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이며,
이때, 상기 A는 C1 -6의 직쇄 또는 측쇄 알킬렌이며,
R5는 -SH, -NH2 또는 -COOH이고,
상기 R1, R2, R3 및 R4 중에서 하나 이상은
-SH, -NH2, -COOH 및 -A-R5로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이다.). 11. The method of claim 10,
The quantum dot surface-treated with the organic ligand
a) dispersing the quantum dot surface-treated with oleic acid in an organic solvent (step 2-1);
b) adding an organic ligand represented by the following formula (1) to the quantum dot dispersion solution (step 2-2); And
(c) introducing a polar solvent into the quantum dot dispersion solution to which the organic ligand is added to precipitate quantum dots and vacuum drying the organic quantum dots; and (2-3)
&Quot; Formula 1 "
(Wherein R 1 , R 2 , R 3 And R 4 is one member independently selected from -SH, -NH 2, -COOH, H , straight or branched chain alkyl, and the group consisting of 5 -AR C 1 -6,
Herein, A is a straight or branched alkylene having 1 to 6 carbon atoms,
R 5 is -SH, -NH 2 or -COOH,
The R 1 , R 2 , R 3 And R 4 One or more of
-SH, -NH 2 , -COOH and -AR 5 ).
상기 단계 2-2는 양자점과 유기 리간드의 몰비가 1:0.5~1:4가 되도록 유기 리간드를 첨가하는 단계인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법.16. The method of claim 15,
Wherein the step 2-2 is a step of adding an organic ligand so that a molar ratio of the quantum dot to the organic ligand is 1: 0.5 to 1: 4.
기판;
상기 기판 위에 위치하며 투명 전도층을 포함하는 제1 전극;
상기 제1 전극 위에 위치하는 정공 주입층;
상기 정공 주입층 위에 위치하고, 전자 공여체, 전자 수용체 및 상기 화학식 1로 표시되는 유기 리간드로 표면 처리되고, 테트라포드(tetrapod) 형태인 양자점을 포함하되, 상기 전자 공여체와 상기 양자점의 질량비는 1:0.1 ~ 1:0.8인 광활성층; 및
상기 광활성층 위에 위치하고, 상기 광활성층으로부터 LiF층과 Al 층을 순서대로 포함하는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
11. A process for the preparation of a compound according to claim 10,
Board;
A first electrode located on the substrate and including a transparent conductive layer;
A hole injection layer disposed on the first electrode;
A quantum dot disposed on the hole injection layer and being in the form of an electron donor, an electron acceptor and an organic ligand represented by Chemical Formula 1 and being in the form of a tetrapod, wherein the mass ratio of the electron donor and the quantum dot is 1: 1: 0.8 photoactive layer; And
And a second electrode located on the photoactive layer and including a LiF layer and an Al layer sequentially from the photoactive layer.
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