KR101410942B1 - 유기태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

유기태양전지 및 그의 제조방법 Download PDF

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KR101410942B1 KR1020120148705A KR20120148705A KR101410942B1 KR 101410942 B1 KR101410942 B1 KR 101410942B1 KR 1020120148705 A KR1020120148705 A KR 1020120148705A KR 20120148705 A KR20120148705 A KR 20120148705A KR 101410942 B1 KR101410942 B1 KR 101410942B1
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김종규
권현아
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지는 기판, 상기 기판 위에 박막형태의 베이스층과 상기 베이스층 위에 3차원 형상의 나노구조체층을 포함하는 투명전극, 상기 투명전극 위에 형성된 활성층 및 상기 활성층 위에 형성된 상부전극을 포함한다.

Description

유기태양전지 및 그의 제조방법{Organic solar cell and manufacturing method thereof}
본 발명은 유기태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비표면적이 큰 3차원 나노 구조의 투명전극을 이용하여 전극에서의 정공의 수집 및 이동도를 향상시키고 입사되는 태양광을 산란시켜 광전변환효율을 향상시킨 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈과 지구 온난화, 원자력 에너지의 안전 우려 등으로 인해 대체 에너지의 개발이 시급해짐에 따라 지속 가능한 대체 에너지의 개발이 시급하다. 그 중 무한한 태양광으로부터 에너지를 얻을 수 있는 태양전지는 상대적으로 지역편중이 덜하고, 친환경적이기 때문에 연구가 활발히 진행 중이다.
태양전지는 크게 실리콘 등의 무기물을 기반으로 하는 무기태양전지와 탄소화합물 기반의 유기태양전지로 나눌 수 있다. 그 중 유기태양전지는 무기태양전지에 비해 효율이 낮다는 단점이 있지만, 저온 공정으로 구현될 수 있기 때문에 다양한 기판과의 호환성이 뛰어나고, 초저가형 공정에 의해 발전 단가가 낮으며, 가볍고, 두께가 얇아 유연성 있는 소자로 개발할 수 있기 때문에 그 연구가 활발히 진행되고 있다.
유기태양전지의 에너지 변환 효율이 떨어지는 이유는 활성층의 두께가 얇아서 집광효율을 높이기 위한 표면 처리가 힘들고, 빛을 흡수하여 형성된 엑시톤의 확산거리가 짧아서 전자와 홀이 전극으로 수송되기 전에 재결합할 확률이 높으며, 캐리어의 이동도 또한 낮기 때문이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 활성층의 모폴로지 및 계면을 제어하여 엑시톤의 원활한 분리와 분리된 전하의 효과적인 수송을 가능하게 하는 연구가 진행되고 있다. 또한, 집광효율을 높이기 위해 나노구조체를 전극에 형성하여 빛의 산란을 유도하여 활성층에서 흡수하는 빛의 양을 증가시키려는 연구가 진행되고 있다.
그러나, 위와 같은 방법은 주로 고온에서의 열처리를 통하여 이루어지기 때문에 고분자 반도체에 치명적인 손상이 발생할 수 있다. 또한 그 공정이 다소 복잡하고 대면적 웨이퍼 공정에 적용이 어렵다는 단점이 있다.
한편, 투명전극을 나노구조체로 형성함으로써 유기태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시키는 연구 사례가 있었지만, 그 대상이 되는 투명전극물질이 나노구조체로 형성하기 쉬운 ZnO로 한정되어 있다.
투과성과 전도성에서 장점을 가지는 ITO와 같은 물질은 고온에서의 열처리 등으로 나노구조체로 형성되기 때문에 유기태양전지에 적용하기 어려운 단점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 경사각 증착법을 통해 투명전극에 3차원 나노구조체를 형성함으로써 빛을 흡수하여 형성된 엑시톤이 확산거리 내에서 전자와 홀로 분리될 수 있도록 하고 분리된 홀이 전자와 재결합하기 전에 전극으로 전달될 수 있도록 하며, 동시에 입사되는 빛의 산란을 유도하여 광 흡수 효율 또한 향상시켜 최종적으로 에너지 변환효율을 크게 향상시킨 유기태양전지를 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지는 기판, 상기 기판 위에 박막형태의 베이스층과 상기 베이스층 위에 3차원 형상의 나노구조체층을 포함하는 투명전극, 상기 투명전극 위에 형성된 활성층 및 상기 활성층 위에 형성된 상부전극을 포함한다.
상기 투명전극은 상기 나노구조체층 표면에 정공수송층을 더 포함할 수 있다.
상기 나노구조체층은 나노헬릭스, 나노막대, 경사나노막대, 나노와이어, 나노리본, 나노스프링 및 나노콘 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 구조일 수 있다.
상기 투명전극의 베이스층은 ITO, FTO, AZO, GZO, IZO, ZnO 및 SnO2중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 나노구조체층은 ITO, FTO, AZO, GZO, IZO, ZnO 및 SnO2중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 투명전극은 열처리를 통한 결정성을 가질 수 있다.
상기 정공수송층은 PEDOT:PSS, MoO3, NiO, V2O5 및 WO3 중에서 선택되 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 기판은 유리(glass), PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS 및 PMMA 중에서 어느 하나일 수 있다.
상기 활성층은 고분자 반도체 P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF 및 PFN으로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM 및 ICBA로 이루어진 군에서 선택된 1종이 접합을 이루도록 형성될 수 있다.
상기 상부전극은 반사특성을 갖는 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법은 기판 상에 나노 구조를 갖는 투명전극을 형성하는 단계, 상기 투명전극 위에 활성층을 형성하는 단계, 상기 활성층 위에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 투명전극을 형성하는 단계는 상기 기판 위에 베이스층을 형성하고 상기 베이스층 위에 나노구조체를 형성시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 베이스층은 전자선 증착법, 열 증착법 또는 스퍼터링 증착법 중에서 어느 하나를 이용하여 박막 형태로 증착하는 것일 수 있다.
상기 나노구조체는 증착시의 플럭스 선과 상기 베이스층과 경사를 이루도록 증착하는 것일 수 있다.
상기 나노구조체 증착시 기설정된 속도 및 방향의 패턴으로 기판을 회전시키면서 증착시킬 수 있다.
상기 나노구조체 증착 전 상기 베이스층 위에 프리 패터닝(pre patterning)을 통해서 상기 나노구조체의 밀도를 조절할 수 있다.
상기 프리 패터닝(pre patterning)은 금속 나노점을 형성시키는 것일 수 있다.
상기 프리 패터닝(pre patterning)에 사용되는 물질은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO, ZnO, 및 SnO2 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 프리 패터닝(pre patterning)은 전자선 리쏘그라피(electron-beam lithography), 레이져 간섭 리쏘그라피(laser interference lithography) 또는 나노 임프린트 리쏘그라피(nano imprint lithography) 방식으로 나노 패턴을 형성하는 것일 수 있다.
상기 투명전극을 300~600℃에서 열처리하여 결정화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 나노구조체 표면에 정공수송층을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 유기태양전지 및 그의 제조방법에 따르면 투명전극을 나노 구조로 만듦으로써 활성층과의 접촉 면적이 넓어져서 엑시톤의 짧은 확산 거리 내에 전극이 존재하기 때문에 분리된 캐리어를 효과적으로 수집할 수 있어 유기태양전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 엑시톤으로부터 분리된 홀이 전자와 재결합하기 전에 전극으로 수집될 수 있기 때문에 유기태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 활성층과 투명전극의 계면에 입사되는 광에 대해 산란을 유발하여 활성층 내부에서 더 많은 광이 흡수될 확률이 크게 증가하여 유기태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고 투명전극을 나노 구조로 만드는 방법이 고온, 고압에서 이루어지지 않고 경사각 증착법을 이용하여 이루어지기 때문에 대면적 웨이퍼 공정에 적용이 가능하고, 제작단가가 낮으며, 재현성이 뛰어나기 때문에 유기태양전지에서 제약되었던 여러 가지 나노구조체를 형성하는 것이 가능하다.
이러한 경사각 증착법을 이용하면 나노 구조의 밀도 조절이 금속 나노점들에 가능해지기 때문에 고분자 활성층을 나노구조체에 따라 균일하게 코팅하는 것이 더 쉬어지며, 이 경우 금속 나노점들에 의한 플라즈몬 공명 현상에 의해 빛을 효과적으로 흡수하여 유기태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노구조를 갖는 투명전극을 이용한 유기태양전지의 단면도이다.
도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 구조를 갖는 투명 전극을 이용한 유기태양전지의 제조방법의 공정개략도이다.
도3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ITO 나노헬릭스 구조의 투명전극의 나노구조체층에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ITO 경사나노막대 구조의 투명전극의 나노구조체층에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 SnO2 나노헬릭스 구조의 투명전극의 나노구조체층에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 투명전극의 열처리 후 X-선 회절 분석 그래프이다.
도7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Ag 나노점을 박막형태의 ITO 베이스층에 형성시킨 것을 나타내는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 유기태양전지에 대하여 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노구조를 갖는 투명전극을 이용한 유기태양전지의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지는 기판(10), 상기 기판의 위에 박막형태의 베이스층(21)과 상기 베이스층(21) 위에 3차원 형상의 나노구조체층(22)을 포함하는 투명전극(20), 상기 투명전극(20) 위에 형성된 활성층(30) 및 상기 활성층(30) 위에 형성된 상부전극(40)을 포함한다.
상기 기판은 유리(glass), PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS 및 PMMA 중에서 어느 하나일 수 있다.
상기 투명전극(20)은 상기 기판 위에 100~1000nm의 두께를 가진 박막형태의 베이스층(21)을 포함하며, 그 위에 3차원의 나노구조체층(22)을 포함할 수 있다. 상기 나노구조체층(22)은 경사각 증착법에 의해 형성될 수 있으며, 이 때 나노 구조는 증착시의 기판의 회전속도, 방향 및 경사각 변화에 따라 다양한 형태를 가질 수 있으며, 그 형태는 나노 헬릭스, 나노 막대, 경사 나노 막대, 나노 와이어, 나노 리본, 나노 스프링, 나노 콘 중 어느 하나 이상의 구조일 수 있다.
상기 투명전극은 ITO, FTO, AZO, GZO, IZO, ZnO 및 SnO2중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있으며, 열 증착법, 전자선 증착법 또는 스퍼터링 증착법 등으로 형성될 수 있다.
상기 투명전극(20)의 나노구조체층(22)은 전극의 계면에 입사되는 빛에 대해 산란을 유발하여 광활성층(30) 내부에 더 많은 빛이 흡수될 확률을 급격하게 증가시켜 유기태양전지의 광 흡수 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 투명전극(20)은 약 300~600 ℃에서 약 30초~5분 동안 열처리함으로써 결정성을 가질 수 있다. 투명전극(20)이 결정성을 가짐으로써 전달된 정공의 이동도를 크게 향상시킬 수 있다.
상기 투명전극(20)은 나노구조체층(22) 위에 투명전극의 일함수를 증가시켜 정공이 수월하게 이동할 수 있는 정공수송층(50)을 더 포함할 수 있다. 정공수송층(50)은 PEDOT:PSS, MoO3, NiO, V2O5 및 WO3 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있으며, 보다 쉽게 정공수송층(50)이 형성될 수 있도록 프리패터닝에 의해 나노구조체층(22)의 밀도를 조절할 수 있다.
일예로, 상기 프리패터닝은 베이스층(21) 위에 전도성 물질을 이용하여 나노구조체층(22)을 형성할 수 있는 핵 형성 지점이 될 수 있는 나노점들을 형성함으로써 가능하다. 상기 나노점은 금속일 수 있다.
금속 나노점들은 열 증착법, 전자선 증착법 또는 스퍼터링 증착법을 통해 수 나노미터의 금속을 증착한 후 약 300~800℃의 온도에서 30초~5분 동안 열처리함으로써 형성될 수 있다. 열처리를 통하여 금속의 응집이 일어나면서 박막 형태의 금속이 나노점으로 형성될 수 있다. 금속 나노점들로 프리 패터닝을 할 경우, 금속 나노점들에 의한 플라즈몬 공명 현상이 일어나서 광 흡수 효율이 높아지는 효과를 기대할 수 있다.
상기 금속 나노점의 증착되는 두께에 따라 나노구조체층의 밀도가 조절될 수 있고, 경사각 증착법에 의한 나노구조체층 증착시 그 경사각에 따라 나노구조체의 밀도가 조절될 수 있다.
상기 정공수송층(50)은 투명전극의 나노구조체층을 따라 균일하게 코팅함으로써 광활성층에서 형성된 전하를 넓은 표면적에서 효과적으로 수집함으로써 유기태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 정공수송층에 사용되는 물질은 PEDOT:PSS, MoO3, NiO, V2O5 및 WO3 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
일예로 전도성 고분자 물질이 코팅될 수 있으며 PEDOT:PSS를 이용하여 스핀코팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 닥터 블레이딩 또는 고분자 중합반응을 통해 코팅될 수 있다.
상기 광활성층(30)은 P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF 및 PFN으로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM 및 ICBA로 이루어진 군에서 선택된 1종이 접합을 이루도록 형성될 수 있다.
광활성층(30)이 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 혼합되어 구성되지 않고 전자 주개층과 전자 받개층이 적층 구조를 이루어질 경우, 각 층이 투명전극의 정공수송층에 균일하게 코팅됨으로써 엑시톤의 분리가 넓은 표면에서 일어나도록 하는 효과가 있으며, 광활성층이 혼합되어 구성될 경우에 발생할 수 있는 단점, 즉 전하가 전극으로 전달되는 확률이 떨어지는 것을 보완할 수 있다.
상기 상부전극(40)은 반사 특성을 갖는 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 구조를 갖는 투명 전극을 이용한 유기태양전지의 제조방법의 공정개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법은 기판 상에 나노 구조를 갖는 투명전극을 형성하는 단계, 상기 투명전극 위에 활성층을 형성하는 단계, 상기 활성층 위에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 투명전극을 형성하는 단계는 상기 기판 위에 베이스층을 형성하고 상기 베이스층 위에 나노구조체를 형성시키는 단계를 포함한다.
도2를 참조하여 보다 자세히 설명하면, 우선 기판상에 투명전극을 형성하기 위해서 기판상에 투명전극의 베이스층을 형성한다.(S10) 이 때 베이스층을 전자선 증착법, 열 증착법 또는 스퍼터링 증착법을 이용하여 증착할 수 있으며, 박막형태로 100~1000nm의 두께로 증착하는 것이 바람직하다. 증착 후에는 표면의 거칠기를 줄이기 위해서 100~200nm정도 폴리싱하여 표면을 매끄럽게 하는 과정이 포함될 수 있다.
상기 기판은 유리(glass), PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS 및 PMMA 등을 사용하여 제작할 수 있다.
상기 베이스층은 ITO, FTO, AZO, GZO, IZO, ZnO 및 SnO2 등에 의해 증착될 수 있다.
상기 베이스 층위에 경사각 증착법에 의해 3차원 구조의 나노구조체층을 형성한다.(S20) 경사각 증착법이란 투명전극으로 쓰일 수 있는 물질을 기판 위에 증착시킬 때 증착단계에서 발생되는 플럭스 선과 박막형태의 투명전극의 베이스층을 소정의 경사각을 이룬 상태로 설정된 속도 및 방향의 패턴으로 회전시키면서 증착시키는 것이다. 상기 속도와 회전방향 등을 조절하여 다양한 3차원 형태의 나노구조체을 형성하는 것이 가능하다. 베이스층은 ITO, FTO, AZO, GZO, IZO, ZnO 및 SnO2 등에 의해 증착될 수 있다.
상기 나노구조체층의 밀도는 프리패터닝에 의해 조절이 가능하다. 이러한 프리패터닝은 일예로 금속을 베이스층 위에 3~20nm로 증착한 후 열처리로 나노점을 형성하여 나노구조체층의 밀도를 조절할 수 있다. 또 다른 일예로 프리패터닝은 전자선 리쏘그라피(electron-beam lithography), 레이져 간섭 리쏘그라피(laser interference lithography), 나노 임프란트 리쏘그라피(nsno imprint lithography), 스테퍼를 이용한 리쏘그라피후에 에칭 또는 리프트 오프 방법에 의해 직경3~20nm의 나노점을 형성하여 이루어질 수 있다. 또한 다른 방법으로 프리패터닝은 알루미늄 양극 산화 방법, 광화학 에칭 방법, 전자빔 리쏘그라피 방법 또는 나노 피라미드 형상을 갖는 산화물을 이용하는 방법을 통해 형성된 나노 임프린트 몰드의 패턴을 상기 기판에 전사하는 방법에 통해서 이루어질 수 있다.
상기 투명전극은 약300~600℃의 온도에서 약 30초~5분의 시간 동안 열처리에 의해 결정화시킬 수 있다. 투명전극은 결정화에 의해 투명도가 향상될 뿐만 아니라 활성층에서 전달된 정공의 이동도를 크게 향상시킬 수 있다.
상기 나노 구조층 위에 정공수송층을 코팅한다.(S30) 정공수송층은 PEDOT:PSS, MoO3, NiO, V2O5 및 WO3 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있으며, 특히 전도성 고분자 물질인 PEDOT:PSS를 이용하여 스핀 코팅, 임베딩, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 닥터블레이딩 또는 고분자 중합반응을 통하여 투명전극 위에 균일하게 코팅될 수 있다.
상기 정공수송층 위에 활성층을 형성시킨다.(S40) 활성층에 쓰일 수 있는 물질을 투명전극의 나노구조를 따라 균일하게 코팅한다. 코팅방법은 스핀 코팅, 잉크젯 코팅, 스크린 프린팅, 닥터 블레이딩 또는 고분자 중합반응 등을 통하여 이루어 질 수 있다. 우선 P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF 및 PFN으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 균일하게 코팅한 후, PCBM 또는 ICBA 중의 어느 하나를 그 위에 코팅할 수 있다.
상기 활성층 위에 상부전극을 형성시킨다.(S50) 상부전극은 반사특성을 갖는 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있으며, 전자선 증착법 또는 열 증착법 또는 스퍼터링 증착법을 이용하여 형성시킬 수 있다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법에서 실리콘 기판 위에 ITO 나노 헬릭스 구조의 투명전극의 나노구조체층에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법에서 실리콘 기판 위에 ITO 경사 나노 막대 구조의 투명전극의 나노구조체층에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
ITO 나노 헬릭스 구조는 증착물질의 플럭스 선과 박막형태의 투명전극의 베이스층이 이루는 각도를 80°가 되도록 유지하고 증착시의 기판의 회전속도를 0.1rpm, 증착속도를 2.0Å/s로 하여 증착하였다.
ITO 경사 나노 막대 구조는 위의 나노 헬릭스 구조와 같은 조건에서 기판의 회전없이 증착하였다. 회전에 따라 나노 헬릭스 구조가 형성할 수 있음을 알 수 있으며, 각 나노구조층은 큰 비표면적으로 인하여 광활성층에서 형성된 전하를 넓은 표면적에서 효과적으로 수집함으로써 유기태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법에서 실리콘 기판 위에 SnO2 나노 헬릭스 구조의 투명전극의 나노구조체층에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다. SnO2 나노 헬릭스 구조는 증착물질의 플럭스 선과 박막형태의 투명전극의 베이스층이 이루는 각도를 80°가 되도록 유지하고 증착시의 기판의 회전속도를 0.1rpm, 증착속도를 2.5Å/s로 하여 증착하였다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법에서 열처리한 ITO 투명전극의 X-선 회절 분석 그래프이다. 상기 투명전극은 300~600℃의 온도에서 열처리에 의해 결정화시킬 수 있다. ITO 투명전극을 550℃의 온도에서, 산소 분위기 하에 1분간 열처리하였다. 도 6에서 보면 열처리에 의해 결정화가 이루어졌으며, BCC구조를 가지는 것을 알 수 있다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법에서 Ag 나노점을 박막형태의 ITO 베이스층에 형성시킨 것을 나타내는 주사전자현미경(SEM) 사진이다. ITO를 이용하여 투명전극의 베이스층을 형성시킨 후 베이스층의 면에 대한 수직선이 이루는 각도를 80°가 되도록 유지하고 0.5Å/s의 속도로 3nm의 두께로 증착한 뒤에 350℃에서 1분 동안 열처리하여 Ag 나노점들을 형성시켰다. 도7에서 보는 바와 같이 나노점들이 형성되어 그 위에 나노점들을 조절하여 그 위에 증착되는 투명전극의 나노구조체의 밀도를 조절할 수 있다.
이상 첨부된 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 기판 20: 투명전극
21: 베이스층 22: 나노구조체층
30: 활성층 40: 상부전극
50: 정공수송층

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 박막형태의 베이스층과 상기 베이스층 위에 3차원 형상의 나노구조체층을 포함하는 투명전극;
    상기 투명전극 위에 형성된 활성층; 및
    상기 활성층 위에 형성된 상부전극;
    을 포함하는 유기태양전지이되,
    상기 나노구조체층은 나노헬릭스, 나노막대, 경사나노막대, 나노와이어, 나노리본, 나노스프링 및 나노콘 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 구조인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  2. 제1항에서
    상기 투명전극은 상기 나노구조체층 표면에 정공수송층을 더 포함하는 유기태양전지.
  3. 삭제
  4. 제2항에서,
    상기 투명전극의 베이스층은 ITO, FTO, AZO, GZO, IZO, ZnO 및 SnO2중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  5. 제4항에서,
    상기 나노구조체층은 ITO, FTO, AZO, GZO, IZO, ZnO 및 SnO2중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  6. 제1항에서,
    상기 투명전극은 열처리를 통한 결정성을 가지는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  7. 제2항에서,
    상기 정공수송층은 PEDOT:PSS, MoO3, NiO, V2O5 및 WO3 중에서 선택되 적어도 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  8. 제1항, 제2항, 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
    상기 기판은 유리(glass), PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate), PES(polyether sulfone), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide), PA(poly acrylate), PUA, PDMS 및 PMMA 중에서 어느 하나인 유기태양전지
  9. 제1항, 제2항, 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
    상기 활성층은 고분자 반도체 P3HT, PCDTBT, PCTDTBT, MEH-PPV, PTB7, PBDTTT-CF 및 PFN으로 이루어진 군에서 선택된 1종과 PCBM 및 ICBA로 이루어진 군에서 선택된 1종이 접합을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  10. 제1항, 제2항, 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
    상기 상부전극은 반사특성을 갖는 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS 중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기태양전지
  11. 기판 상에 나노 구조를 갖는 투명전극을 형성하는 단계;
    상기 투명전극 위에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 위에 상부전극을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 투명전극을 형성하는 단계는 상기 기판 위에 베이스층을 형성하고 상기 베이스층 위에 나노구조체를 형성시키는 단계를 포함하는 유기태양전지의 제조방법이되,
    상기 나노구조체층은 나노헬릭스, 나노막대, 경사나노막대, 나노와이어, 나노리본, 나노스프링 및 나노콘 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 구조인 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  12. 제11항에서,
    상기 베이스층은 전자선 증착법, 열 증착법 또는 스퍼터링 증착법 중에서 어느 하나를 이용하여 박막 형태로 증착하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  13. 제11항에서,
    상기 나노구조체는 증착시의 플럭스 선과 상기 베이스층과 경사를 이루도록 증착하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  14. 제13항에서,
    상기 나노구조체 증착시 기설정된 속도 및 방향의 패턴으로 기판을 회전시키면서 증착시키는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  15. 제11항에서,
    상기 나노구조체 증착 전 상기 베이스층 위에 프리 패터닝(pre patterning)을 통해서 상기 나노구조체의 밀도를 조절하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  16. 제15항에서,
    상기 프리 패터닝(pre patterning)은 금속 나노점을 형성시키는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  17. 제16항에서,
    상기 프리 패터닝(pre patterning)에 사용되는 물질은 Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO, ZnO, 및 SnO2 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.
  18. 제15항에서,
    상기 프리 패터닝(pre patterning)은 전자선 리쏘그라피(electron-beam lithography), 레이져 간섭 리쏘그라피(laser interference lithography) 또는 나노 임프린트 리쏘그라피(nano imprint lithography) 방식으로 나노 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.
  19. 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에서,
    상기 투명전극을 300~600℃에서 열처리하여 결정화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.
  20. 제11항에서 내지 제18항 중 어느 한 항에서
    상기 나노구조체 표면에 정공수송층을 형성시키는 단계를 더 포함하는 유기태양전지 제조방법.
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