KR101414011B1 - 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

유기 태양 전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 유기 태양 전지는 서로 대향 배치되는 음극 및 양극, 상기 음극과 양극 사이에 위치하고, 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광활성층, 상기 양극과 상기 광활성층 사이에 위치하고, 정공전달물질을 포함하는 정공전달층, 그리고 상기 양극과 정공전달층 사이 및 상기 정공전달층과 광활성층 사이 중 적어도 하나의 위치에, 측쇄에 친수성 관능기를 포함하는 불소계 고분자를 상기 양극 또는 정공전달층 표면과 반응시켜 형성되는 발수성 표면처리층을 포함한다.
상기 유기 태양 전지는 본 발명에 따른 유기 태양 전지는, 양극과 정공전달층 사이의 쇼트키 배리어가 감소되어 주입 물성이 향상되고, 개선된 균일성과 평활성 및 배향성을 갖는 광활성층의 형성으로 π 스택킹 영역이 증가되어 향상된 전지 효율을 나타낼 수 있다.

Description

유기 태양 전지 및 이의 제조 방법{POLYMER SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 양극과 정공전달층 사이 또는 정공전달층과 광활성층 사이에 발수성(hyperphobic) 표면처리층을 포함하는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
유기 태양 전지는 이중 결합이 교대로 되어 있는 폴리파라페닐렌비닐렌(PPV) 등의 공액 고분자(conjugated polymer)와 CuPc, 페릴렌, 펜타센 등의 감광성 저분자, (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르(PCBM) 등의 유기 반도체 재료를 활용하는 구조의 태양 전지이다. 상기 유기 반도체 재료는 디자인이 가능하고, 다양하게 합성하는 것이 가능하여 상기 유기 태양 전지는 무한한 발전의 가능성을 가지고 있다.
상기 유기 태양 전지는 기본적으로 박막형 구조를 가지고 있으며, 주로 투명 전극인 산화인듐주석(ITO)을 양극으로, 낮은 일함수를 갖는 알루미늄(Al) 등의 금속 전극을 음극으로 사용하며, 광활성층은 100nm 정도의 두께로 정공수용체(hole acceptor)와 전자수용체(electron acceptor)가 혼재되어 있는 벌크 이종 접합 구조를 가지고 있다.
상기 정공수용체로는 상기 PPV와 같은 도전성을 갖는 공액 고분자가 사용되고, 상기 전자수용체로는 풀러렌(fullerene)을 사용한다. 이때, 빛에 의해 생성된 전자를 풀러렌을 통해 알루미늄 전극으로 손실 없이 수집하기 위해서는 공액 고분자 내에 풀러렌이 충분히 혼합되어 있어야 하므로, 풀러렌이 공액 고분자와 잘 혼합되도록 하기 위해 상기 PCBM과 같은 풀러렌 유도체를 사용할 수 있다.
상기 공액 고분자가 빛을 흡수하면 전자-정공쌍(exciton)을 생성하고, 상기 생성된 전자와 정공은 각각 풀러렌과 공액 고분자를 경유하여 양극 및 음극에 수집된다.
상기 유기 태양 전지는 손쉬운 가공성 및 저렴한 가격으로 대량생산이 가능하며, 롤투롤(roll-to-roll) 방식에 의한 박막 제작이 가능하므로 유연성을 가지는 대면적 전자소자의 제작이 가능하다는 장점이 있다.
그러나, 상기와 같은 기술적, 경제적 유리함에도 불구하고 낮은 효율로 인해 실용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서, 유기 태양 전지 분야에서는 효율 향상을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재까지 효율 관련 연구로는 흡수한 빛을 효과적으로 활용하기 위한 광활성층 또는 전자전달층 및 정공전달층의 원료 선정이나 제조 공정 그리고 낮은 전하 이동도를 극복하기 위한 유기 박막의 형태, 구조 그리고 결정성 증가 등에 집중되고 있다.
본 발명의 목적은 양극과 정공전달층 사이의 쇼트키 배리어가 감소되어 주입 물성이 향상되고, 개선된 균일성과 평활성 및 배향성을 갖는 광활성층의 형성으로 π 스택킹(stacking) 영역이 증가되어 향상된 전지 효율을 나타낼 수 있는 유기 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 유기 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지는, 서로 대향 배치되는 음극 및 양극, 상기 음극과 양극 사이에 위치하고, 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광활성층, 상기 양극과 상기 광활성층 사이에 위치하고, 정공전달물질을 포함하는 정공전달층, 그리고 상기 양극과 정공전달층 사이 및 상기 정공전달층과 광활성층 사이 중 적어도 하나의 위치에, 측쇄에 친수성 관능기를 포함하는 불소계 고분자를 상기 양극 또는 정공전달층 표면과 반응시켜 형성되는 발수성 표면처리층을 포함한다.
상기 친수성 관능기는 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기, 히드록시기, 아민기, 니트로기, 티오기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 측쇄에 친수성 관능기를 갖는 불소계 고분자는 폴리(퍼플루오로설포네이트), 플루오로카본 비닐에테르, 플루오로화 비닐에테르, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 발수성 표면처리층은 두께가 0.1 내지 100nm일 수 있다.
상기 발수성 표면처리층은 0.5 내지 60dyne/cm의 표면장력을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법에 따르면, 서로 대향 배치되는 음극 및 양극을 형성하는 단계, 상기 음극과 양극 사이에 위치하고, 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광활성층을 형성하는 단계, 상기 양극과 상기 광활성층 사이에 위치하고, 정공전달물질을 포함하는 정공전달층을 형성하는 단계, 그리고 상기 양극과 정공전달층 사이 및 상기 정공전달층과 광활성층 사이 중 적어도 하나의 위치에 발수성 표면처리층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 발수성 표면처리층을 형성하는 단계는, 분자의 한쪽 말단에 측쇄에 친수성 관능기를 포함하는 불소계 고분자를 유기 용매에 용해시켜 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 제조하는 단계, 양극 또는 정공전달층과 상기 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 반응시키는 단계, 및 상기 양극 또는 정공전달층 상의 상기 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 세척 및 건조하는 단계를 포함한다.
상기 유기 태양 전지의 제조 방법은 상기 반응 공정 전 양극 또는 정공전달층의 표면을 친수화 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 친수화 처리는 O2 플라즈마 처리법, UV/오존 세척, 산 또는 알칼리 용액을 이용한 표면 세척, 질소 플라즈마 처리법 및 코로나 방전 세척으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나에 의해 실시될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 유기 태양 전지(100)는 서로 대향 배치되는 음극(160) 및 양극(120), 상기 음극(160) 및 양극(120) 사이에 위치하고, 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광활성층(140), 상기 양극(120)과 상기 광활성층(140) 사이에 위치하고, 정공전달물질을 포함하는 정공전달층(130), 그리고 상기 양극(120)과 정공전달층(130) 사이 및 상기 정공전달층(130)과 광활성층(140) 사이 중 적어도 하나의 위치에 발수성 표면처리층(170 및 180)을 포함한다.
상기 음극(160) 및 양극(120)은 기판(110) 위에 위치한다. 상기 기판(110)은 투명성을 갖는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 석영 또는 유리와 같은 투명 무기 기판이거나, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에테르이미드(PEI)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 특히, 상기 투명 플라스틱 기판은 플렉서블(flexible)하면서도 높은 화학적 안정성, 기계적 강도 및 투명도를 가지는 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 기판(110)은 약 400 내지 750nm의 가시광 파장에서 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 투과율을 갖는 것이 좋다.
상기 양극(120)은 상기 기판(110)을 통과한 빛이 광활성층(140)에 도달할 수 있도록 하는 경로가 되므로 높은 투명도를 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 약 4.5eV 이상의 높은 일함수, 낮은 저항을 갖는 전도성 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 양극(120)을 형성하는 양극 형성 물질의 구체적인 예로는 주석도핑 산화인듐(ITO: tin-doped indium oxide), 불소도핑 산화주석(FTO: fluorine-doped tin oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 투명산화물, 또는 전도성 고분자, 그라펜(graphene) 박막, 그라펜 산화물(graphene oxide) 박막, 탄소나노튜브 박막과 같은 유기 투명전극, 금속이 결합된 탄소나노튜브 박막과 같은 유-무기 결합 투명전극 등을 사용할 수 있다.
상기 음극(160)은 일함수가 낮은 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 음극 형성 물질은 구체적으로 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 알루미늄, 은, 주석, 납, 스테인레스 스틸, 구리, 텅스텐 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광활성층(140)은 정공수용체와 전자수용체가 혼합된 벌크 이종 접합 구조를 가진다. 상기 정공수용체는 전기 전도성 고분자 또는 유기 저분자 반도체 물질 등과 같은 유기 반도체로서, 상기 전기 전도성 고분자는 폴리티오펜(polythiphene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리플루오렌(polyfulorene), 폴리피롤(polypyrrole), 이들의 공중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 상기 유기 저분자 반도체 물질은 펜타센(pentacene), 안트라센(anthracene), 테트라센(tetracene), 퍼릴렌(perylene), 올리고티오펜(oligothiphene), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 정공수용체는 바람직하게 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT], 폴리-3-옥틸티오펜[poly-3-octylthiophene, P3OT], 폴리파라페닐렌비닐렌[poly-p-phenylenevinylene, PPV], 폴리(디옥틸플루오렌)[poly(9,9'-dioctylfluorene)], 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)[poly(2-methoxy,5-(2-ethyle-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, MEH-PPV], 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌비닐렌[poly(2-methyl,5-(3',7'-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene, MDMOPPV] 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 전자수용체는 풀러렌(fullerene, C60) 또는 풀러렌 유도체, CdS, CdSe, CdTe 및 ZnSe 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자일 수 있다. 상기 전자수용체는 바람직하게 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM], (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester; C70-PCBM], (6,6)-티에닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM], 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 정공전달층(130)은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(PSS), 폴리아닐린, 프탈로시아닌, 펜타센, 폴리디페닐 아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, 구리 프탈로시아닌(Cu-PC) 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(T-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴) 디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 정공전달물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 상기 PEDOT와 PSS의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 광활성층(140)은 상기 정공수용체로서 P3HT와 상기 전자수용체로서 PCBM의 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하고, 이때 상기 P3HT와 PCBM의 혼합 중량 비율을 1:0.1 내지 1:2일 수 있다.
상기 유기 태양 전지(100)는 상기 음극(160)과 상기 광활성층(140) 사이에 전자전달층(150)을 더 포함할 수 있다. 상기 전자전달층(150)은 리튬플로라이드, 칼슘, 리튬 및 티타늄산화물(titanium oxide) 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전자전달물질을 포함할 수 있다.
한편, 상기 유기 태양 전지(100)는 상기 양극(120)과 정공전달층(130) 사이 및 상기 정공전달층(130)과 광활성층(140) 사이 중 적어도 하나의 위치에 발수성 표면처리층(170 및 180)을 포함한다.
상기 발수성 표면처리층(170 및 180)은 측쇄에 친수성 관능기를 포함하는 불소계 고분자를 포함하며, 이때 고분자는 양극 또는 정공전달층 표면 측으로 친수성 관능기가 향하여 양극 또는 정공전달층 표면과 결합을 하고, 그 반대편으로 소수성의 불소기 부분이 위치하여 양극 또는 정공전달층 표면이 소수성을 띄도록 한다. 양극 상에 발수성 표면처리층이 형성되는 경우 양극과 정공전달층 사이의 쇼트키 배리어가 감소되어 주입 물성이 향상되고, 또한 증가된 균일성 및 평활성을 갖는 광활성층의 형성이 가능하다. 또한 정공전달층 상에 발수성 표면처리층이 형성되는 경우, 배향된 광활성층 형성이 가능하여 π 스택킹 영역을 확대시킬 수 있다.
상기 친수성 관능기는 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기, 히드록시기, 아민기, 니트로기, 티오기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 불소계 고분자로는 퍼플루오로계 고분자 또는 플루오로에테르계 고분자를 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용가능한 측쇄에 친수성 관능기를 갖는 불소계 고분자로는 구체적으로 폴리(퍼플루오로설포네이트), 플루오로카본 비닐에테르, 플루오로화 비닐에테르 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으며, 더욱 구체적으로 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리테트라플루오로 에틸렌, 폴리-1,2-디플루오로 에틸렌, 폴리클로로트리플루오로 에틸렌, 폴리헥사플루오로 프로필렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 상기 측쇄에 친수성 관능기를 갖는 불소계 고분자로는 소수성의 폴리테트라플루오로 에틸렌을 주쇄로 하고 측쇄에 친수성인 술폰산 함유 관능기를 갖는 퍼플루오로설폰산을 포함하는 폴리(퍼플루오로설포네이트)를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 하기 화학식 1의 구조를 갖는 폴리(퍼플루오로설포네이트)를 사용할 수 있다:
[화학식 1]
Figure 112010079418666-pat00001
상기 식에서, 5≤x≤13.5, 1000≤y, 그리고 1≤z이다.
상기 발수성 표면처리층(170 및 180)의 두께는 0.1 내지 100nm일 수 있다. 상기 발수성 표면처리층(170)의 두께가 상기 범위 내인 경우 정공의 이동 속도를 향상시키면서도 외부로부터 산소와 수분이 침투하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 특히, 상기 발수성 표면처리층(170)의 두께가 100nm를 초과하는 경우 분자의 거대화로 인해 표면 균일성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 발수성 표면처리층(170 및 180)은 0.5 내지 60dyne/cm의 표면장력을 나타낼 수 있다. 상기 표면장력은 소수성 부분에 따라 결정되는데 표면장력이 상기 범위 내인 경우 적절한 소수성 특성을 얻을 수 있어 쇼트키 배리어 감소 효과가 최대화될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법을 도시한 공정도로, 상기 유기 태양 전지는 양극과 정공전달층 사이 및 정공전달층과 광활성층 사이에 발수성 표면처리층을 포함한다. 이하, 상기 도 2를 참조하여 상기 유기 태양 전지(100)의 제조 방법을 설명한다.
상기 양극(120)은 상기 기판(110)의 일면에 상기 양극 형성 물질을 열 기상 증착, 전자 빔 증착, RF 또는 마그네트론 스퍼터링, 화학적 증착 또는 이와 유사한 방법을 통하여 일정한 패턴을 가지도록 형성할 수 있다(S10). 선택적으로 상기 양극(120) 형성 후 O2 플라즈마 처리법, UV/오존 세척, 산 또는 알칼리 용액을 이용한 표면 세척, 질소 플라즈마 처리법 및 코로나 방전 세척으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 이용하여 상기 기판(110)의 표면을 처리할 수 있다.
다음으로, 상기 양극(120) 위에 상기 발수성 표면처리층(170)을 형성한다(S20). 상기 발수성 표면처리층(170)은 측쇄에 친수성 관능기를 포함하는 불소계 고분자를 유기 용매에 용해시켜 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 제조하는 단계(S21), 상기 양극과 상기 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 반응시키는 단계(S22), 및 상기 양극 상의 상기 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 건조하는 단계 (S23)를 통하여 제조할 수 있다.
상기 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 제조하는 단계(S21)에서, 상기 발수성 표면처리층 형성용 조성물은 측쇄에 친수성 관능기를 포함하는 불소계 고분자를 유기 용매에 용해시킴으로써 제조할 수 있다. 유기 용매로는 알코올계 유기 용매를 사용할 수 있고, 상기 알코올계 유기 용매로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 측쇄에 친수성 관능기를 포함하는 불소계 고분자는 앞서 설명한 바와 동일하며, 상기 측쇄에 친수성 관능기를 포함하는 불소계 고분자는 발수성 표면처리층 형성용 조성물 중에 0.01 중량% 내지 10 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 측쇄에 친수성 관능기를 포함하는 불소계 고분자의 함량은 형성되는 표면처리층의 두께를 결정하는데, 측쇄에 친수성 관능기를 포함하는 불소계 고분자가 상기 범위내의 농도로 포함될 때 적절한 두께의 표면처리층을 형성할 수 있다.
상기 양극과 상기 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 반응시키는 단계(S22)는 상기 양극을 상기 발수성 표면처리층 형성용 조성물에 침지시켜 이루어질 수 있고, 상기 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 상기 양극에 도포하거나 기상 반응(vapor reaction)을 이용할 수도 있다.
상기 양극을 상기 발수성 표면처리층 형성용 조성물에 침지시키는 경우, 침지 시간 및 침지 횟수에 따라 양극 위에 형성되는 발수성 표면처리층의 두께를 조절할 수 있으며, 최종 형성되는 발수성 표면처리층이 0.1 내지 100nm 의 두께를 갖도록 하는 범위로 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 표면상의 불순물을 제거하고, 산소종 폭격(oxygen species bombardment)을 형성하여 표면을 활성화함으로써 발수성 표면처리층 형성 효율을 높이고, 층간 접착력을 강화시키기 위해, 양극 침지전 양극 표면에 대해 친수화 처리를 실시할 수 있다. 상기 친수화 처리는 O2 플라즈마 처리법, UV/오존 세척, 산 또는 알칼리 용액을 이용한 표면 세척법, 질소 플라즈마 처리법, 코로나 방전 세척 등에 의해 실시될 수 있다. 상기 O2 플라즈마 처리법에 의해 친수화 처리를 하는 경우 O2 플라즈마 처리는 30 초 이내로 실시하는 것이 표면의 손상을 방지할 수 있어 바람직하다.
상기 양극 상의 발수성 표면처리층 형성용 조성물에 대한 세척 및 건조 단계(S22)에서, 상기 세척 공정은 발수성 표면처리층 형성용 조성물 중의 유기용매를 제거하기 위한 것으로, 헥산, 에탄올 또는 이소프로판올 등을 사용하여 실시할 수 있으며, 상기 건조 공정은 양극을 회전시키거나 건조한 공기나 질소 등을 공급하여 표면을 건조시킬 수 있다.
다음으로, 상기 발수성 표면처리층(170) 위에 정공전달층(130)을 형성한다(S30). 상기 정공전달층(130)은 상기 정공전달물질을 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩 또는 스퍼터링 등의 방법으로 코팅하거나, 또는 전기영동법으로 형성할 수 있다. 상기 정공전달층(130)의 두께는 바람직하게 5 내지 2000 nm일 수 있다.
다음으로, 상기 정공전달층(130) 위에 발수성 표면처리층(180)을 형성한다(S40). 상기 발수성 표면처리층 형성 공정은 양극 대신 정공전달층을 발수성 표면처리층 형성용 조성물에 함침시키는 것을 제외하고는 앞서 설명한 발수성 표면처리층(170) 형성 단계(S20)에서와 동일한 방법으로 실시함으로써 발수성 표면처리층(180)을 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 발수성 표면처리층(180) 위에 상기 광활성층(140)을 형성한다(S50). 상기 광활성층(140)은 상기 전자수용체와 상기 정공수용체를 용매로 용해시켜 제조된 혼합물을 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩 또는 스퍼터링 등의 방법으로 코팅하거나, 또는 전기영동법으로 형성할 수 있다. 상기 광활성층(140)의 두께는 바람직하게 5 내지 2000nm일 수 있다.
상기 광활성층(140)은 25 내지 150℃에서 5 내지 145분 동안 건조 공정 및 열처리 공정 통하여 제조할 수 있다. 상기 건조 공정과 열처리 공정의 적절한 조절에 의하여 상기 전자수용체와 상기 정공수용체 사이에 적절한 상분리를 유도할 수 있고, 상기 전자수용체의 배향을 유도할 수 있다.
상기 열처리 공정은 70 내지 150℃에서 5 내지 20분 동안 이루어질 수 있는데, 온도가 70℃ 미만인 경우 상기 전자수용체 및 상기 정공수용체의 이동도가 낮아서 열처리 효과가 미미할 수 있고, 상기 열처리 온도가 150℃를 초과하는 경우 상기 전자수용체의 열화로 인하여 성능이 저하될 수 있다. 또한, 상기 열처리 시간이 5분 미만인 경우 상기 전자수용체 및 상기 정공수용체의 이동도가 낮아서 열처리 효과가 미미할 수 있고, 상기 열처리 시간이 20분을 초과하는 경우 상기 전자수용체의 열화로 인하여 성능이 저하될 수 있다.
선택적으로 상기 광활성층(140) 위에 상기 전자전달층(150)을 형성할 수 있다(S60). 상기 전자전달층(150)은 상기 전자전달물질을 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩 또는 스퍼터링 등의 방법으로 코팅하거나, 또는 전기영동법으로 형성할 수 있다. 상기 전자전달층(150)의 두께는 바람직하게 5 내지 2000nm일 수 있다.
마지막으로, 상기 음극(160)은 상기 광활성층(140) 또는 상기 전자전달층(150) 위에 상기 음극 형성 물질을 열 기상 증착, 전자 빔 증착, RF 또는 마그네트론 스퍼터링, 화학적 증착 또는 이와 유사한 방법을 통하여 형성할 수 있다(S70).
이하, 상기 유기 태양 전지(100)의 동작에 대하여 간단하게 설명한다.
외부 광원으로부터 빛은 상기 양극(120)으로부터 상기 광활성층(140)에 입사된다. 상기 기판(110), 상기 양극(120) 및 상기 정공전달층(130)은 모두 투명하기 때문에 빛은 이들을 통과하여 상기 광활성층(140)으로 입사될 수 있다.
상기 입사된 빛을 이루는 광자는 상기 광활성층(140)의 전자수용체에 존재하는 가전자대의 전자와 충돌한다. 가전자대의 전자는 충돌한 광자로부터 광자의 파장에 해당하는 에너지를 받아 전도대로 도약하게 된다. 가전자대의 전자가 전도대로 도약함에 따라 가전자대에는 정공이 남게 된다.
상기 전자수용체에 남겨진 정공은 상기 정공전달층(130)을 지나 상기 양극(120)으로 이동하게 되고, 전도대의 전자는 상기 전자전달층(150)을 지나 상기 음극(160)으로 이동하게 된다. 각 전극으로 이동된 전자와 정공에 의해 상기 유기 태양 전지(100)는 기전력을 갖게 되어 전원으로 동작하게 된다.
이때, 상기 발수성 표면처리층(170 및 180)은 양극과 정공전달층 사이의 쇼트키 배리어를 감소시켜 주입 물성을 향상시키고, 증가된 균일성과 평활성 및 배향성을 갖는 광활성층을 형성할 수 있으며, 그 결과 π 스택킹(stacking) 영역의 증가로 유기 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 유기 태양 전지는, 양극과 정공전달층 사이의 쇼트키 배리어가 감소되어 주입 물성이 향상되고, 개선된 균일성과 평활성 및 배향성을 갖는 광활성층의 형성으로 π 스택킹 영역이 증가되어 향상된 전지 효율을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[제조예] 유기 태양 전지의 제조
(실시예 1)
투명 전극이 패턴화된 ITO 기판을 초음파 세척기로 세척하고, 열풍 건조기로 건조하여 양극을 제조하고, 제조된 양극에 대해 250-150W로 10초간 O2 플라즈마 처리하여 표면을 친수화하였다.
한편, 폴리퍼플루오로설포네이트(NAFION™, 듀퐁사제)를 이소프로필알코올에 0.01 중량%의 농도로 용해시켜 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 제조하고, 상기 조성물에 앞서 준비한 친수화된 양극을 10분 동안 침지하였다. 침지된 양극을 꺼내어 에탄올로 세척한 후, 건조하여 발수성 표면처리층을 형성하였다.
PEDOT:PSS[Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate)]를 상기 발수성 표면처리층 위에 4000rpm의 속도로 30초간 스핀 코팅을 하였다. 이 코팅된 소자를 질소 분위기 상태의 120℃ 핫플레이트 위에서 25분 정도 건조하여 정공전달층을 형성하였다.
상기 정공전달층을, 폴리퍼플루오로설포네이트 1중량%를 에탄올에 용해시켜 제조한 발수성 표면처리층 형성용 조성물에 10분 동안 침지한 후 세척 건조하여 발수성 표면처리층을 형성하였다.
상기 발수성 표면처리층이 형성된 기판 위에 P3HT:PCBM 블렌드 용액을 800rpm에서 30초간 스핀 코팅하였다. 이때 상기 P3HT:PCBM 블렌드 용액은 클로로벤젠 용매에 상기 블렌드 용액 전체 중량에 대하여 P3HT와 PCBM을 각각 25g/L 및 20g/L로 녹이고, 교반 자석과 볼텍서를 이용하여 40℃ 이상에서 12시간 이상 혼합하여 제조하였다. 상기 P3HT:PCBM 블렌드 박막을 형성한 후 박막에 남아있는 용매를 제거하고, 활성층 고분자의 결정 구조를 만들기 위해서 상온의 질소 분위기에서 1시간 이상 건조와 15분 정도의 열처리를 진행하여 광활성층을 제조하였다.
상기 열처리가 완료된 이후, 진공 열 증착을 통해 LiF와 Al을 증착하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
(실시예 2)
양극 표면에 대해서만 발수성 표면처리층을 형성하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
(실시예 3)
정공전달층 표면에 대해서만 발수성 표면처리층을 형성하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
(비교예 1)
발수성 표면처리층을 형성하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
[실험예 1]
제조된 유기 태양 전지의 성능 측정
상기 실시예 및 비교예에서 각각 제조된 유기 태양 전지를 태양모사장치(solar simulator, Newport사 66984)를 이용하여 전류-전압 특성을 측정하였다. 상기 태양 모사장치는 300W 제논램프(Newport사 6258)와 AM1.5G 필터(Newport사 81088A)를 사용하였고, 빛의 세기는 100mW/cm2로 설정하였다.
측정결과, 실시예 1 내지 3에서 제조된 유기 태양 전지가 비교예 1에서 제조된 유기 태양 전지에 비해 현저히 높은 에너지 변환 효율, 단락 전류 밀도 및 개방회로전압을 나타내었다. 이는 상기 실시예 1 내지 3에서 제조된 유기 태양 전지는 양극과 정공전달층 사이, 정공전달층과 광활성층 사이 또는 둘 모두의 위치에 발수성 표면처리층을 포함함으로써 양극과 정공전달층 사이의 쇼트키 배리어가 감소되어 주입 물성이 향상되고, 개선된 균일성과 평활성 및 배향성을 갖는 광활성층의 형성으로 π 스택킹 영역이 증가되었기 때문인 것으로 생각된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : 유기 태양 전지
110 : 기판 120 : 양극
130 : 정공전달층 140 : 광활성층
150 : 전자전달층 160 : 음극
170, 180 : 발수성 표면처리층

Claims (8)

  1. 서로 대향 배치되는 음극 및 양극,
    상기 음극과 양극 사이에 위치하고, 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광활성층,
    상기 양극과 상기 광활성층 사이에 위치하고, 정공전달물질을 포함하는 정공전달층, 그리고
    상기 양극과 정공전달층 사이 및 상기 정공전달층과 광활성층 사이 중 적어도 하나의 위치에, 측쇄에 친수성 관능기를 포함하는 불소계 고분자를 상기 양극 또는 정공전달층 표면과 반응시켜 형성되는 발수성 표면처리층을 포함하는 유기 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 관능기는 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기, 히드록시기, 아민기, 니트로기, 티오기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 유기 태양 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측쇄에 친수성 관능기를 갖는 불소계 고분자는 폴리(퍼플루오로설포네이트), 플루오로카본 비닐에테르, 플루오로화 비닐에테르 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 유기 태양 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발수성 표면처리층은 두께가 0.1 내지 100nm인 유기 태양 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발수성 표면처리층은 0.5 내지 60dyne/cm의 표면장력을 갖는 것인 유기 태양 전지.
  6. 서로 대향 배치되는 음극 및 양극을 형성하는 단계,
    상기 음극과 양극 사이에 위치하고, 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광활성층을 형성하는 단계,
    상기 양극과 상기 광활성층 사이에 위치하고, 정공전달물질을 포함하는 정공전달층을 형성하는 단계, 그리고
    상기 양극과 정공전달층 사이 및 상기 정공전달층과 광활성층 사이 중 적어도 하나의 위치에 발수성 표면처리층을 형성하는 단계
    를 포함하며,
    상기 발수성 표면처리층을 형성하는 단계는
    분자의 한쪽 말단에 측쇄에 친수성 관능기를 포함하는 불소계 고분자를 유기 용매에 용해시켜 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 제조하는 단계,
    양극 또는 정공전달층과 상기 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 반응시키는 단계, 및
    상기 양극 또는 정공전달층 상의 상기 발수성 표면처리층 형성용 조성물을 세척 및 건조하는 단계
    를 포함하는 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반응 공정 전, 양극 또는 정공전달층의 표면을 친수화 처리하는 단계를 더 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 친수화 처리가 O2 플라즈마 처리법, UV/오존 세척, 산 또는 알칼리 용액을 이용한 표면 세척, 질소 플라즈마 처리법 및 코로나 방전 세척으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나에 의해 실시되는 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
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