KR101416139B1 - 박막 태양전지 - Google Patents

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요시에 이누즈카
나오야 타나카
마사히코 마에카와
타카요시 쿠로다
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도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬
갓코 호진 긴키 다이가쿠
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Abstract

(과제) 저렴한 원료를 사용하면서 변환 효율을 향상시킬 수 있는 박막 태양전지가 소망되고 있었다.
(해결 수단) 본 발명에 의한 박막 태양전지는 1종 또는 2종 이상의 유기 반도체와 배위 고분자를 구비하고, 배위 고분자가 전이금속 원소 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 이온에 금속 이온에 배위 가능한 1종 또는 2종 이상의 황 함유 화합물, 질소 함유 화합물, 산소 함유 화합물, 인 함유 화합물로 이루어진 배위자가 배위한 착체의 반복단위를 함유하는 것을 특징으로 한다.

Description

박막 태양전지{THIN FILM SOLAR CELL}
본 발명은 박막 태양전지에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 배위 고분자를 사용한 박막 태양전지에 관한 것이다.
최근, 그린에너지로서 태양광이 주목받게 되고 있어 태양광을 사용하는 태양전지의 개발이 왕성해지고 있다. 여기에서, 태양전지에는 실리콘 태양전지, 무기 화합물을 사용한 태양전지, 유기 화합물을 사용한 벌크 헤테로접합 등으로 대표되는 박막 태양전지 등이 있다.
이들 각종 태양전지 중에서도 박막 태양전지는 p형과 n형의 유기 반도체를 박막상으로 형성한 태양전지이고, 구조가 간단하기 때문에 제조 비용이 낮고, 또한 유기 EL에 사용되는 밀봉기술도 응용할 수 있기 때문에 새로운 타입의 태양전지로서 실용화로의 기대가 최근 급속히 높아지고 있다.
그리고, 그 중에서도 비특허문헌 1 또는 비특허문헌 2에 나타내는 바와 같은 유기 반도체에 1-(3-메톡시카르보닐)프로필-1-페닐-[6,6]-C61(PCBM)이나 폴리-3-헥실티오펜(P3HT) 등을 사용한 벌크 헤테로접합 박막 태양전지가 널리 알려져 있다.
또한, 최근에 있어서는 변환 효율을 향상시키기 위한 각종 기술개발이 행해지고 있고, 예를 들면 특허문헌 1에는 유기 반도체와 함께 무기 나노입자를 혼합함으로써 변환 효율을 향상시킨 벌크 헤테로접합 박막 태양전지가 개시되어 있다.
일본 특허공개 2009-158730호 공보
S. E. Shaheen, C. J. Brabec, N. S. Sariciftic, F. Padinger, T. Framherz, and J. C. Hummelen, Appl. Phys. Lett., Vol.78, 2001, p.841-843 Y. Kim, S. Cook, S. M. Tuladhar, S. A. Choulis, J. Nelson, J. R. Durrant, D. D. C. Bradley, M. Giles, I. Mcculloch, C. Ha, and M. Ree, Nature Materials, Vol.5, 2006, p.197-203
그러나, 비특허문헌 1 또는 비특허문헌 2에 나타내는 바와 같은 일반적인 박막 태양전지는 변환 효율이 2.5%나 4.4%라고 하는 낮은 것이어서 실용화에는 불충분한 것이라고 하는 결점이 있다.
또한, 특허문헌 1에 기재된 벌크 헤테로접합 박막 태양전지는 무기 나노입자에 의해 셀 내로 도입된 광을 산란시킴으로써 광을 셀 밖으로 방출시키지 않고 셀 내로 도입된 광을 가능한 한 유효하게 사용함으로써 변환 효율을 향상시키는 것이다.
단, 이 경우 무기 나노입자는 광흡수에는 관여하지 않기 때문에 무기 나노입자의 첨가량이 지나치게 많아지면 셀 내부에 있어서의 가시광을 흡수하기 위해서 필요한 유기 반도체의 존재 비율이 작아진다고 하는 결점이 있다. 또한, 광이 셀 내로 도입되기 어려워지거나 또는 생성된 광 캐리어의 전달을 방해해버리는 등 여러가지 요인으로부터 도리어 변환 효율이 저하되기 때문에 변환 효율의 향상에는 한계가 있다고 하는 결점도 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 사용하는 배위 고분자 자신이 광흡수를 행하여 생성된 전자와 정공을 효율적으로 유기 반도체 또는 전극에 공급함으로써 전하 분리 효율을 상승시켜서 변환 효율의 향상을 도모할 수 있는 박막 태양전지의 제공을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 청구항 1에 의한 박막 태양전지는 1종 또는 2종 이상의 유기 반도체와 배위 고분자를 구비하고, 배위 고분자가 전이금속 원소 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 이온에, 금속 이온에 배위 가능한 1종 또는 2종 이상의 황 함유 화합물, 질소 함유 화합물, 산소 함유 화합물, 인 함유 화합물로 이루어진 배위자가 배위한 착체의 반복단위를 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 청구항 2에 의한 박막 태양전지는 전이금속 원소가 Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 원소인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 청구항 3에 의한 박막 태양전지는 배위자가 하기 화 1 또는 화 2로 표시되는 디티오카르밤산 이온의 유도체 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 유도체인 것을 특징으로 한다.
[화 1]
Figure 112013083053018-pct00001
(R1 및 R2는 동일 또는 다른 지방족 탄화수소기, 치환 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 치환 방향족 탄화수소기, 복소환기 및 치환 복소환기를 나타낸다.)
[화 2]
Figure 112013083053018-pct00002
(R3은 적어도 1개의 질소원자를 포함하는 복소환기 또는 치환 복소환기를 나타낸다.)
본 발명의 청구항 4에 의한 박막 태양전지는 배위 고분자가 브롬 이온 또는 요오드 이온을 더 포함함으로써 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 청구항 5에 의한 박막 태양전지는 유기 반도체가 풀러렌, 풀러렌 유도체, 올리고티오펜, 올리고티오펜 유도체, 폴리티오펜, 폴리티오펜 유도체, 프탈로시아닌, 프탈로시아닌 유도체, 금속 프탈로시아닌, 금속 프탈로시아닌 유도체, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌 유도체, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐렌비닐렌 유도체, 폴리비닐카르바졸, 폴리비닐카르바졸 유도체, 폴리실란, 폴리실란 유도체, 폴리플루오렌, 폴리플루오렌 유도체, 펜타센, 펜타센 유도체, 안트라센, 안트라센 유도체, 루브렌, 루브렌 유도체, 페릴렌, 페릴렌 유도체, 테트라시아노퀴노디메탄, 테트라시아노퀴노디메탄 유도체, 테트라티아풀발렌, 테트라티아풀발렌 유도체, 옥사디아졸, 옥사디아졸 유도체에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 물질인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 청구항 6에 의한 박막 태양전지는 유기 반도체가 1-(3-메톡시카르보닐)프로필-1-페닐-[6,6]-C61(PCBM) 및 폴리-3-헥실티오펜(P3HT)이고, 배위 고분자가 전이금속 원소로 구리를 사용하고, 배위자로 피페리딘 디티오카르밤산을 사용하고, 또한 요오드 이온을 사용해서 구성된 것을 특징으로 한다.
우선, 본 발명의 박막 태양전지에 대해서 이하에 설명한다.
본 발명에 의한 박막 태양전지는 유기 반도체와 함께 배위 고분자를 사용하는 것을 특징으로 하고, 또한 배위 고분자로서 전이금속 원소 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 이온에, 금속 이온에 배위 가능한 1종 또는 2종 이상의 황 함유 화합물, 질소 함유 화합물, 산소 함유 화합물, 인 함유 화합물로 이루어진 배위자가 배위한 착체의 반복단위를 함유하는 것을 필수성분으로서 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 본 발명에 있어서의 「배위 고분자」란 금속 이온을 중심으로 그 주위에 유기 화합물의 배위자가 결합하여 있는 금속 착체가 연결되어 있는 구조를 취하고 있는 것을 말한다. 모식적으로는 도 14에 나타내는 1차원 구조를 취하는 것이나, 도 15에 나타내는 2차원 구조를 취하는 것이나, 도 16에 나타내는 3차원 구조를 취하는 것 등을 들 수 있다.
또한, 이러한 배위 고분자는 각 금속 착체의 중심에 위치하는 금속 이온끼리가 배위자에 의해 가교된 반복구조를 취하고 있는 것뿐만 아니라, 필요에 따라서 금속 착체의 각 유닛을 가교하기 위해서 후술하는 바와 같은 브롬 이온이나 요오드 이온 등 배위자와는 다른 가교제 성분을 함유해서 상기 가교제 성분에 의해서도 가교된 반복구조를 취하고 있는 것도 포함된다.
또한, 배위 고분자 골격이 정전하 또는 부전하를 띄고 있을 경우는 그 전하를 상쇄하기 위해서 페로세늄 이온이나 암모늄 이온 등의 양이온이나 음이온이 도 14, 도 15, 도 16으로 대표되는 배위 고분자 골격 사이에 도입되는 경우가 있고, 그와 같은 화합물도 배위 고분자에 포함된다.
그리고, 본 발명의 박막 태양전지에 필요한 배위 고분자의 조건으로서는 가시광 영역에 있어서도 높은 흡수를 나타내는 것, 생성된 전자와 정공 각각을 수송하는 능력을 갖는 것, 배위 고분자의 LUMO(최저 공궤도)의 에너지 레벨이 유기 n형 반도체의 LUMO 또는 부극의 페르미 준위보다 높은 것, 배위 고분자의 HOMO(최고 피점궤도)의 에너지 레벨이 유기 p형 반도체의 HOMO 또는 정극의 페르미 준위보다 낮은 것 등의 조건이 요구된다.
다음에, 배위 고분자를 구성하는 각 성분에 대해서 설명한다.
본 발명에 사용되는 금속 이온은 전이금속 원소 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소의 금속 이온이 사용된다. 그리고, 전이금속 원소 중에서도 Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au이라고 하는 소위 8족 및 1B족의 원소의 금속 이온을 사용하는 것이 바람직하고, 또한 그 중에서도 하기하는 배위자를 배위함으로써 배위 고분자 전체에 전자를 비국재화시킬 수 있고 저렴하다고 하는 점에서 구리 이온을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 이들 금속 이온에 대해서는 1종뿐만 아니라 다른 금속 이온을 병용함으로써 각각의 금속 이온이 갖는 특성을 발현시킬 수 있다. 예를 들면, 구리 이온과 함께 백금 이온이나 이리듐 이온 등의 중원자 효과를 갖는 금속 이온을 사용함으로써 구리 이온이 갖는 전자의 비국재화 효과뿐만 아니라 백금 이온이나 이리듐 이온 등이 갖는 여기수명 연장 효과를 발현시킬 수 있다.
본 발명에 사용되는 배위자는 상기한 금속 이온에 배위가능한 1종 또는 2종 이상의 황 함유 화합물, 질소 함유 화합물, 산소 함유 화합물, 인 함유 화합물이 사용된다. 황 함유 화합물의 예로서는 디티오옥살레이트 치환기, 테트라티오옥살레이트 치환기 또는 디티오카르복실산 치환기를 갖는 배위자 등을 들 수 있고, 질소 함유 화합물의 예로서는 피라진 골격, 비피리딘 골격 또는 이미다졸 골격을 갖는 배위자 등을 들 수 있고, 산소 함유 화합물의 예로서는 옥살레이트, 클로라닐레이트, 2,5-디히드록시-1,4-벤조퀴논, 벤젠디카르복실레이트, 카테콜 등을 들 수 있고, 인 함유 화합물의 예로서는 트리페닐포스핀, 디페닐포스피노에탄, 디페닐포스피노프로판, 1,1'-비스(디페닐포스피노)페로센 등을 들 수 있다.
그리고, 이들 중에서도 하기 화 1 또는 화 2로 표시되는 디티오카르밤산 이온의 유도체를 사용하는 것이 바람직하다.
[화 1]
Figure 112013083053018-pct00003
(R1 및 R2는 동일 또는 다른 지방족 탄화수소기, 치환 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 치환 방향족 탄화수소기, 복소환기 및 치환 복소환기를 나타낸다.)
또한, R1 및 R2에 대해서는 탄소수가 1∼50개인 것이 바람직하고, 더욱이는 1∼30개의 것이 바람직하다.
[화 2]
Figure 112013083053018-pct00004
(R3은 적어도 1개의 질소원자를 포함하는 복소환기 또는 치환 복소환기를 나타낸다.)
또한, R3의 구체예로서는 이하의 화 3으로 표시되는 복소환기 또는 치환 복소환기를 들 수 있다. 또한, R3으로는 화 3으로 표시되는 복소환기 또는 치환 복소환기에 동일 또는 다른 지방족 탄화수소기, 치환 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 치환 방향족 탄화수소기, 복소환기 및 치환 복소환기가 결합하고 있는 것을 더 사용할 수도 있다.
[화 3]
Figure 112013083053018-pct00005
본 발명의 배위 고분자로는 금속 이온과 배위자 이외에 금속 이온끼리를 가교하기 위한 가교제 성분으로서 할로겐 원소를 사용할 수 있다. 또한, 그 중에서도 전자의 비국재화 효과를 향상시킨다고 하는 점으로부터 브롬 이온 또는 요오드 이온을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 가교제 성분을 사용함으로써 각각의 성분의 HOMO(최고 피점궤도) 및 LUMO(최저 공궤도)의 궤도가 각각 에너지 밴드를 형성하여 생성된 전자나 정공의 수송 특성을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 화 4에 나타낸 바와 같이, 금속 이온으로 구리 이온을 사용하고, 배위자로 헥사메틸렌디티오카르밤산을 사용해서 배위한 단핵 착체끼리를 브롬 이온 또는 요오드 이온을 사용해서 가교함으로써 각각의 궤도의 중첩에 의해 에너지 밴드를 형성하여 높은 캐리어 수송 특성을 실현할 수 있다.
[화 4]
Figure 112013083053018-pct00006
(X는 Br 또는 I)
본 발명의 배위 고분자의 분자량이나 반복단위(n) 수로서는 특별히 한정되는 것이 아니고 사용되는 유기 반도체에 따라서 적당히 설정되는 것이지만, 분자량으로서는 1000 이상인 것이 바람직하고, 반복단위 수로서는 100 이상인 것이 바람직하다. 또한, 분자량과 반복단위(n) 수의 상한에 대해서는 사용에 지장이 없는 범위에서 적당히 설정할 수 있다.
본 발명의 배위 고분자의 유기 반도체에 대한 배합율에 대해서도 특별히 한정되는 것이 아니고 사용되는 유기 반도체에 따라서 적당히 설정되는 것이지만, 유기 반도체에 대하여 1중량% 이상인 것이 바람직하다.
배합율이 1중량%보다 적을 경우에는 배위 고분자에 의한 효과가 충분히 발현되지 않는 우려가 있기 때문이다.
또한, 본 발명의 배위 고분자의 제조방법으로서는 원료가 되는 화합물을 유기용매 중에서 혼합하는 등 공지의 방법으로 제조할 수 있다. 또한, 가교제 성분으로서 브롬 이온 또는 요오드 이온을 사용할 경우에는 우선 단핵 착체를 제작한 후, 상기 단핵 착체와 브롬 이온 화합물 또는 요오드 이온 화합물을 혼합함으로써 제조할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들면 구리염과 헥사메틸렌디티오카르밤산을 사용해서 구리 이온에 헥사메틸렌 디티오카르밤산이 배위된 단핵 착체를 제작해 두고, 그 후 제작한 단핵 착체와 브롬화구리를 유기용매 중에서 혼합하는 것 등에 의해 제조한다.
본 발명에 사용되는 유기 반도체로서는 n형 반도체 또는 p형 유기 반도체로서 기능하는 것이고, 종래부터 박막 태양전지에 사용되고 있는 화합물을 사용할 수 있다.
이들 화합물로서는, 예를 들면 풀러렌, 풀러렌 유도체, 올리고티오펜, 올리고티오펜 유도체, 폴리티오펜, 폴리티오펜 유도체, 프탈로시아닌, 프탈로시아닌 유도체, 금속 프탈로시아닌, 금속 프탈로시아닌 유도체, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌 유도체, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐렌비닐렌 유도체, 폴리비닐카르바졸, 폴리비닐 카르바졸 유도체, 폴리실란, 폴리실란 유도체, 폴리플루오렌, 폴리플루오렌 유도체, 펜타센, 펜타센 유도체, 안트라센, 안트라센 유도체, 루브렌, 루브렌 유도체, 페릴렌, 페릴렌 유도체, 테트라시아노퀴노디메탄, 테트라시아노퀴노디메탄 유도체, 테트라티아풀발렌, 테트라티아풀발렌 유도체, 옥사디아졸, 옥사디아졸 유도체 등을 들 수 있다. 그리고, 이들 화합물 중에서도 보다 높은 변환 효율을 발현시킬 수 있는 점에서 1-(3-메톡시카르보닐)프로필-1-페닐-[6,6]-C61(PCBM) 및 폴리-3-헥실티오펜(P3HT)을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서 사용되는 배위 고분자가 n형 반도체 또는 p형 유기 반도체로서 기능할 경우에는 상기 유기 반도체는 1종만을 사용할 수도 있다.
본 발명의 박막 태양전지에 의하면 금속 착체인 배위 고분자를 사용함으로써 변환 효율이 높은 박막 태양전지를 저렴하게 얻을 수 있다.
또한, 배위자 중에서도 디티오카르밤산 이온의 유도체를 사용함으로써 배위 고분자가 증감 색소로서도 작용함으로써 효율적으로 가시광을 흡수하는 배위 고분자를 얻을 수 있다.
이것은 전이금속 원소의 이온화 에너지와 디티오카르밤산 이온의 유도체의 이온화 에너지가 근접하여 있기 때문에 본래는 금제전이인 전이금속 원소의 광여기가 금속 이온과 배위자의 궤도의 혼성에 의해 허용되고, 그 결과 디티오카르밤산 이온의 유도체를 포함하는 배위 고분자 전체로서 가시광을 효율적으로 흡수할 수 있게 되기 때문이다. 동시에 각각의 궤도의 혼성에 의해 에너지 밴드를 형성하기 때문에 캐리어 수송 특성이 증대하여 전기 전도성이 발현되기 때문이기도 하다.
또한, 배위 고분자에 디티오카르밤산의 유도체와 전이금속 원소의 금속 이온과 브롬 이온 또는 요오드 이온에 의해 구성된 배위 고분자를 사용함으로써 보다 변환 효율이 높은 박막 태양전지를 얻을 수 있다.
또한, 피페리딘 디티오카르밤산, 구리 이온, 요오드 이온을 사용한 배위 고분자를 사용하면 후술하는 바와 같이 배위 고분자의 HOMO의 에너지 레벨을 p형 반도체(특히 P3HT)의 HOMO 레벨보다 낮고, 또한 배위 고분자의 LUMO의 에너지 레벨을 n형 반도체(특히 PCBM)의 LUMO 레벨보다 높은 것으로 할 수 있기 때문에, 배위 고분자 상에 있어서의 전하 분리에 의해 발생한 전자와 정공을 효율적으로 유기 반도체에 공급할 수 있고, 또한 변환 효율이 높은 박막 태양전지를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 박막 태양전지의 단면 구조의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 종래의 박막 태양전지의 단면 구조를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 의한 박막 태양전지의 유기층의 레이저 현미경 사진이다.
도 4는 종래의 박막 태양전지의 유기층의 레이저 현미경 사진이다.
도 5는 제조예 8의 배위 고분자의 입체 구조를 나타내는 모식도이다.
도 6은 제조예 16의 배위 고분자의 입체 구조를 나타내는 모식도이다.
도 7은 제조예 17의 배위 고분자의 입체 구조를 나타내는 모식도이다.
도 8은 제조예 18의 배위 고분자의 입체 구조를 나타내는 모식도이다.
도 9는 제조예 19의 배위 고분자의 입체 구조를 나타내는 모식도이다.
도 10은 제조예 20의 배위 고분자의 입체 구조를 나타내는 모식도이다.
도 11은 실시예 1의 박막 태양전지의 전류 밀도-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예 2의 박막 태양전지의 전류 밀도-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시예 3의 박막 태양전지의 전류 밀도-전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 1차원 구조를 취하는 배위 고분자를 나타내는 모식도이다.
도 15는 2차원 구조를 취하는 배위 고분자를 나타내는 모식도이다.
도 16은 3차원 구조를 취하는 배위 고분자를 나타내는 모식도이다.
다음에, 제조예 1∼7에 있어서 본 발명의 박막 태양전지에 사용되는 배위 고분자의 원료가 되는 단핵 착체의 제조예를 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 제조예는 본 발명을 구체화한 일례에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것이 아니다.
(제조예 1: 단핵 착체 Cu(Pip-dtc)2의 제작)
우선, 10mmol의 수산화 나트륨을 용해한 메탄올 용액 100ml에 10mmol의 피페리딘을 첨가하고, 10mmol의 이황화탄소를 더 반응시켰다.
다음에, 이 용액에 5mmol의 염화구리 2수화물을 100ml의 메탄올에 용해한 용액을 첨가하고, 5분간 교반해서 반응시켰다.
얻어진 침전물을 여과해서 수집한 후, 클로로포름 200ml에 용해하고, 그 용해액에 200ml의 메탄올을 첨가하고, 약 100ml로 감압 농축했다. 메탄올 200ml을 더 첨가하고, 약 50ml로 감압 농축한 후 얻어진 미결정을 흡인 여과에 의해 수집하고, 소량의 에테르로 세정해서 건조함으로써 화 5에 나타내는 단핵 착체 Cu(Pip-dtc)2를 얻었다.
[화 5]
Figure 112013083053018-pct00007
(제조예 2: 단핵 착체 Cu(Hm-dtc)2의 제작)
제조예 1에 사용한 피페리딘 대신에 헥사메틸렌이민을 사용한 것 이외에는 제조예 1과 동일하게 해서 화 6에 나타내는 단핵 착체 Cu(Hm-dtc)2를 얻었다.
[화 6]
Figure 112013083053018-pct00008
(제조예 3: 단핵 착체 Cu(Pyr-dtc)2의 제작)
제조예 1에 사용한 피페리딘 대신에 피롤리딘을 사용한 것 이외에는 제조예 1과 동일하게 해서 화 7에 나타내는 단핵 착체 Cu(Pyr-dtc)2를 얻었다.
[화 7]
Figure 112013083053018-pct00009
(제조예 4: 단핵 착체 Cu(Ocm-dtc)2의 제작)
제조예 1에 사용한 피페리딘 대신에 옥타메틸렌이민을 사용한 것 이외에는 제조예 1과 동일하게 해서 화 8에 나타내는 단핵 착체 Cu(Ocm-dtc)2를 얻었다.
[화 8]
Figure 112013083053018-pct00010
(제조예 5: 단핵 착체 Cu(nPr2-dtc)2의 제작)
제조예 1에 사용한 피페리딘 대신에 디프로필아민을 사용한 것 이외에는 제조예 1과 동일하게 해서 화 9에 나타내는 단핵 착체 Cu(nPr2-dtc)2를 얻었다.
[화 9]
Figure 112013083053018-pct00011
(제조예 6: 단핵 착체 Cu(nBu2-dtc)2의 제작)
제조예 1에 사용한 피페리딘 대신에 디부틸아민을 사용한 것 이외에는 제조예 1과 동일하게 해서 화 10에 나타내는 단핵 착체 Cu(nBu2-dtc)2를 얻었다.
[화 10]
Figure 112013083053018-pct00012
(제조예 7: 단핵 착체 Ni(Pip-dtc)2의 제작)
우선, 10mmol의 수산화 나트륨을 용해한 메탄올 용액 100ml에 10mmol의 피페리딘을 첨가하고, 10mmol의 이황화탄소를 더 반응시켰다.
다음에, 이 용액에 5mmol의 염화니켈 6수화물을 100ml의 메탄올에 용해한 용액을 첨가하고, 5분간 교반해서 반응시켰다.
얻어진 침전물을 여과해서 수집한 후, 클로로포름 200ml에 용해하고, 그 용해액에 200ml의 메탄올을 첨가하고, 약 100ml로 감압 농축했다. 메탄올 200ml을 더 첨가하고, 약 50ml로 감압 농축한 후 얻어진 미결정을 흡인 여과에 의해 수집하고, 소량의 에테르로 세정해서 건조함으로써 화 11에 나타내는 단핵 착체 Ni(Pip-dtc)2를 얻었다.
[화 11]
Figure 112013083053018-pct00013
다음에, 제조예 8∼22에 있어서 본 발명의 박막 태양전지 원료가 되는 배위 고분자의 제조예를 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 제조예는 본 발명을 구체화한 일례에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것이 아니다.
(제조예 8: 배위 고분자[Cu5I3(Pip-dtc)4]n의 제작)
제조예 1의 단핵 착체 Cu(Pip-dtc)2 0.1mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, 요오드화구리 0.1mmol을 프로피오니트릴 10ml와 아세톤 10ml의 혼합 용매에 용해한 후, 각각의 용해액을 혼합하고 2일 실온에서 방치함으로써 제조예 8의 배위 고분자 ([Cu5I3(Pip-dtc)4]n(CuIPip1D)의 흑색 단결정)를 제작했다.
여기에서, 도 5에 제조예 8의 배위 고분자의 구조 해석으로부터 얻어진 입체 구조를 나타내지만, 1차원 사다리형 구조를 갖는 요오드화구리(I)의 착체의 양측에 단핵 착체 Cu(Pip-dtc)2가 결합하는 구조로 되어 있다.
또한, 제조예 8의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.09eV이고 LUMO가 -3.92eV이었다. 또한, 전도도 σ300K는 1.1×10-7S/cm(Ea=0.31eV)이었다.
(제조예 9: 배위 고분자([Cu3Br2(Hm-dtc)2(CH3CN)2]n의 제작)
제조예 2의 단핵 착체 Cu(Hm-dtc)2 0.1mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, 브롬화구리 0.2mmol을 아세토니트릴 3ml와 아세톤 17ml의 혼합 용매에 용해한 후, 각각의 용해액을 혼합하고 1일 실온에서 방치함으로써 제조예 9의 배위 고분자 ([Cu3Br2(Hm-dtc)2(CH3CN)2]n(CuBrHm1D)의 흑색 단결정)를 제작했다.
또한, 제조예 9의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.20eV이고 LUMO가 -3.72eV이었다. 또한, 전도도 σ340K은 1.7×10-7S/cm(Ea=0.56eV)이었다.
(제조예 10: 배위 고분자([Cu3I2(Hm-dtc)2(CH3CN)2]n의 제작)
제조예 2의 단핵 착체 Cu(Hm-dtc)2 0.1mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, 요오드화구리 0.2mmol을 아세토니트릴 10ml와 아세톤 10ml의 혼합 용매에 용해한 후, 각각의 용해액을 혼합하고 1일 실온에서 방치함으로써 제조예 10의 배위 고분자 ([Cu3I2(Hm-dtc)2(CH3CN)2]n(CuIHm1D)의 흑색 단결정)를 제작했다.
또한, 제조예 10의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.10eV이고 LUMO가 -3.63eV이었다. 또한, 전도도 σ340K은 2.46×10-7S/cm(Ea=0.48eV)이었다.
(제조예 11: 배위 고분자({[Cu6Br4(Pyr-dtc)4]CHCl3}n의 제작)
제조예 3의 단핵 착체 Cu(Pyr-dtc)2 0.1mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, CuBrS(CH3)2 0.4mmol을 아세토니트릴 10ml에 용해하고 나서 10ml의 아세톤으로 희석한 후 각각의 용해액을 혼합하고 1일 실온에서 방치함으로써 제조예 11의 배위 고분자({[Cu6Br4(Pyr-dtc)4]CHCl3}n(CuBrPyr3D)의 흑색 단결정)를 제작했다.
또한, 제조예 11의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.28eV이고 LUMO가 -4.27eV이었다. 또한, 전도도 σ300K은 5.2×10-7S/cm(Ea=0.29eV)이었다.
(제조예 12: 배위 고분자[Cu3Br2(Ocm-dtc)2]n의 제작)
제조예 4의 단핵 착체 Cu(Ocm-dtc)2 0.1mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, 브롬화구리(I) 디메틸술피드 착체 0.2mmol을 아세토니트릴 4ml와 아세톤 16ml의 혼합 용매에 용해한 후, 각각의 용해액을 혼합하고 3일 실온에서 방치함으로써 화 12에 나타내는 제조예 12의 배위 고분자([Cu3Br2(Ocm-dtc)2]n(CuBrOcm1D)의 흑색 단결정)를 제작했다.
또한, 제조예 12의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.24eV이고 LUMO가 -3.96eV이었다. 또한, 전도도 σ300K은 3.4×10-8S/cm(Ea=0.39eV)이었다.
[화 12]
Figure 112013083053018-pct00014
(제조예 13: 배위 고분자[Cu3I2(Ocm-dtc)2]n의 제작)
제조예 4의 단핵 착체 Cu(Ocm-dtc)2 0.1mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, 요오드화구리(I) 0.2mmol을 아세토니트릴 10ml와 아세톤 10ml의 혼합 용매에 용해한 후, 각각의 용해액을 혼합하고 3일 실온에서 방치함으로써 화 13에 나타내는 제조예 13의 배위 고분자([Cu3I2(Ocm-dtc)2]n(CuIOcm1D)의 흑색 단결정)를 제작했다.
또한, 제조예 13의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.19eV이고 LUMO가 -3.90eV이었다. 또한, 전도도 σ300K은 1.1×10-9S/cm(Ea=0.24eV)이었다.
[화 13]
Figure 112013083053018-pct00015
(제조예 14: 배위 고분자([Cu7Cl7(nPr2-dtc)2]n의 제작)
제조예 5의 단핵 착체 Cu(nPr2-dtc)2 0.1mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, 염화구리 2수화물 0.4mmol을 아세톤 20ml에 용해한 후, 각각의 용해액을 혼합하고 1일 실온에서 방치함으로써 제조예 14의 배위 고분자 ([Cu7Cl7(nPr2-dtc)2]n(CuClnPr2D)의 흑색 단결정)를 제작했다.
또한, 제조예 14의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.28eV이고 LUMO가 -4.76eV이었다. 또한, 전도도 σ300K은 5.7×10-5S/cm(Ea=0.21eV)이었다.
(제조예 15: 배위 고분자([Cu8Br7(nBu2-dtc)2]n의 제작)
제조예 6의 단핵 착체 Cu(nBu2-dtc)2 0.1mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, 브롬화구리 0.2mmol을 몇 방울의 물에 혼합하고 나서 아세톤 20ml에 용해한 후 각각의 용해액을 혼합하고 1일 실온에서 방치함으로써 제조예 15의 배위 고분자 ([Cu8Br7(nBu2-dtc)2]n(CuBrnBu2D)의 흑색 단결정)를 제작했다.
또한, 제조예 15의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.22eV이고 LUMO가 -4.54eV이었다. 또한, 전도도 σ300K은 2.7×10-5S/cm(Ea=0.21eV)이었다.
(제조예 16: 배위 고분자[Cu3Br2(Pip-dtc)2(CH3CN)2]n의 제작)
제조예 1의 단핵 착체 Cu(Pip-dtc)2 0.1mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, 1가의 브롬화구리 0.2mmol을 아세토니트릴 4ml와 아세톤 16ml의 혼합 용매에 용해한 후, 각각의 용해액을 혼합하고 실온에서 1일 정치시킴으로써 제조예 16의 배위 고분자([Cu3Br2(Pip-dtc)2(CH3CN)2]n(α-CuBrPip1D)의 흑색 단결정)를 제작했다. 도 6에 모식도에 의한 입체 구조를 나타낸다.
또한, 제조예 16의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.14eV이고 LUMO가 -3.74eV이었다. 또한, 전도도 σ300K은 3.8×10-10S/cm(Ea=0.66eV)이었다.
(제조예 17: 배위 고분자[Cu3I2(Pip-dtc)2(CH3CN)2]n의 제작)
제조예 1의 단핵 착체 Cu(Pip-dtc)2 0.1mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, 1가의 요오드화구리 0.1mmol을 아세토니트릴 10ml와 아세톤 10ml의 혼합 용매에 용해한 후, 각각의 용해액을 혼합하고 실온에서 1일 정치시킴으로써 제조예 17의 배위 고분자([Cu3I2(Pip-dtc)2(CH3CN)2]n(α-CuIPip1D)의 흑색 단결정)를 제작했다. 도 7에 모식도에 의한 입체 구조를 나타낸다.
또한, 제조예 17의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.20eV이고 LUMO가 -3.90eV이었다. 또한, 전도도 σ300K은 4.1×10-10S/cm(Ea=0.50eV)이었다.
(제조예 18: 배위 고분자[Cu2NiBr2(Pip-dtc)2(CH3CN)2]n의 제작)
제조예 7의 단핵 착체 Ni(Pip-dtc)2 0.1mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, 1가의 브롬화구리 0.2mmol을 아세토니트릴 10ml와 아세톤 10ml의 혼합 용매에 용해한 후, 각각의 용해액을 혼합하고 실온에서 1일 정치시킴으로써 제조예 18의 배위 고분자([Cu2NiBr2(Pip-dtc)2(CH3CN)2]n(NiBrPip1D)의 흑색 단결정)를 제작했다. 도 8에 모식도에 의한 입체 구조를 나타낸다.
또한, 제조예 18의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.28eV이고 LUMO가 -3.90eV이었다. 또한, 제조예 18의 배위 고분자는 절연체이었다.
(제조예 19: 배위 고분자[Cu2NiI2(Pip-dtc)2(CH3CN)2]n의 제작)
제조예 7의 단핵 착체 Ni(Pip-dtc)2 0.1mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, 1가의 요오드화구리 0.1mmol을 아세토니트릴 10ml와 아세톤 10ml의 혼합 용매에 용해한 후, 각각의 용해액을 혼합하고 실온에서 1일 정치시킴으로써 제조예 19의 배위 고분자([Cu2NiI2(Pip-dtc)2(CH3CN)2]n(NiIPip1D)의 흑색 단결정)를 제작했다. 도 9에 모식도에 의한 입체 구조를 나타낸다.
또한, 제조예 19의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.22eV이고 LUMO가 -3.70eV이었다. 또한, 제조예 19의 배위 고분자는 절연체이었다.
(제조예 20: 배위 고분자[Cu2NiBr2(Pip-dtc)2]n의 제작)
제조예 7의 단핵 착체 Ni(Pip-dtc)2 0.3mmol을 클로로포름 20ml에 용해하고, 2가의 브롬화구리 0.2mmol을 몇 방울의 물에 혼합하고 나서 아세톤 20ml의 혼합 용매에 용해한 후, 각각의 용해액을 혼합하고 실온에서 1일 정치시킴으로써 제조예 20의 배위 고분자([Cu2NiBr2(Pip-dtc)2]n(NiBrPip3D)의 흑색 블록상 결정)를 제작했다. 도 10에 모식도에 의한 입체 구조를 나타낸다.
또한, 제조예 20의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.40eV이고 LUMO가 -4.39eV이었다. 또한, 전도도 σ300K은 3.4×10-8S/cm(Ea=0.39eV)이었다.
(제조예 21: 배위 고분자[Cu(dahex-dtc)]n의 제작)
20mmol의 수산화칼륨을 약 500ml의 메탄올 용매에 용해시킨 후, N,N'-디에틸-1,6-디아미노헥산 10mmol, 이황화탄소 20mmol, 염화구리 2수화물 10mmol을 순서대로 첨가하여 갈색 침전을 얻었다. 이 갈색 침전을 흡인 여과한 후 약 500ml의 클로로포름에 용해시켜서 여과를 행했다. 그 후, 에바포레이터를 사용해서 어느 정도의 클로로포름을 증발시키고 나서 대량의 헥산으로 확산함으로써 화 14에 나타내는 제조예 21의 배위 고분자([Cu(dahex-dtc)]n의 갈색 침전)를 제작했다.
또한, 제조예 21의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.05eV이고 LUMO가 -3.85eV이었다. 또한, 전도도 σ300K은 1.2×10-5S/cm(Ea=0.41eV)이었다.
[화 14]
Figure 112013083053018-pct00016
(제조예 22: 배위 고분자[Fe2(dahex-dtc)3]n의 제작)
15mmol 수산화칼륨을 약 500ml의 메탄올 용매에 용해시킨 후, N,N'-디에틸-1,6-디아미노헥산 10mmol, 이황화탄소 15mmol, 염화철 6수화물 10mmol을 순서대로 첨가해서 흑색 침전을 얻었다. 이 흑색 침전을 흡인 여과한 후, 약 500ml의 클로로포름에 용해시켜서 여과를 행했다. 그 후, 에바포레이터를 사용해서 어느 정도 클로로포름을 증발시키고 나서 대량의 헥산으로 확산함으로써 화 15에 나타내는 제조예 22의 배위 고분자([Fe2(dahex-dtc)3]n의 흑색 침전)를 제작했다.
또한, 제조예 22의 배위 고분자의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -4.85eV이고 LUMO가 -3.50eV이었다. 또한, 전도도 σ300K은 2.2×10-11S/cm(Ea=0.67eV)이었다.
[화 15]
Figure 112013083053018-pct00017
다음에, 실시예 및 비교예 및 도면에 근거하여 본 발명의 박막 태양전지를 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시예는 본 발명을 구체화한 일례에 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것이 아니다.
(실시예 1: 박막 태양전지의 제작)
우선, 에칭한 투명전극(5)(ITO)에 폴리스티렌술폰산(PSS)을 첨가한 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)을 스핀코터로 회전수 2000rpm의 조건 하에서 도포하고 160℃에서 10분간 건조하는 작업을 3회 반복함으로써 투명전극(5) 상에 PEDOT-PSS 피막(6)을 형성했다.
다음에, 클로로벤젠 1ml에 P3HT(폴리-3-헥실티오펜): 20mg, PCBM (1-(3-메톡시카르보닐)프로필-1-페닐-[6,6]-C61): 15mg 및 제조예 8의 배위 고분자(CuIPip1D): 0.5mg을 첨가하고, 60℃에서 6시간 교반한 후 상기 혼합 용액을 PEDOT-PSS 피막(6) 상에 스핀코터로 회전수 1000rpm의 조건 하에서 도포하고, 100℃에서 30분간 건조했다.
또한, 그 위에 LiF: 0.7nm와 Al: 70nm를 각각 진공 증착해서 LiF/Al막(7)을 형성함으로써 실시예 1의 박막 태양전지(1)를 얻었다.
또한, 도 1에 실시예 1의 박막 태양전지, 즉 본 발명의 박막 태양전지(1)의 단면 구조의 일례를 나타내지만, 도 2에 나타내는 배위 고분자가 존재하지 않는 종래의 박막 태양전지의 단면 구조와는 달리 배위 고분자(2)가 p형 반도체(3)와 n형 반도체(4)의 계면에 존재하는 구조로 되어 있다고 생각된다.
또한, 도 3에 본 발명에 의한 박막 태양전지의 유기층의 레이저 현미경 사진을 나타내지만, 도 4에 나타내는 종래의 박막 태양전지의 유기층의 레이저 현미경 사진과는 달리 약 1㎛~10㎛에 가까운 배위 고분자의 미립자가 점재하고 있어 박막 중에 배위 고분자(2)가 존재하고 있는 것을 알 수 있다.
(실시예 2: 박막 태양전지의 제작)
우선, 에칭한 투명전극(ITO)에 폴리스티렌술폰산(PSS)을 첨가한 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)을 스핀코터로 회전수 2000rpm의 조건 하에서 도포하고, 160℃에서 10분간 건조하는 작업을 3회 반복함으로써 투명전극 상에 PEDOT-PSS피막을 형성했다.
다음에, 클로로벤젠 1ml에 P3HT(폴리-3-헥실티오펜): 20mg, PCBM(1-(3-메톡시카르보닐)프로필-1-페닐-[6,6]-C61): 15mg 및 제조예 12의 배위 고분자(CuBrOcm1D): 0.5mg을 첨가하고, 60℃에서 6시간 교반한 후 상기 혼합 용액을 PEDOT-PSS 피막 상에 스핀코터로 회전수 1000rpm의 조건 하에서 도포하고, 100℃에서 30분간 건조했다.
또한, 그 위에 LiF: 0.7nm와 Al: 70nm를 각각 진공 증착해서 LiF/Al막을 형성함으로써 실시예 2의 박막 태양전지를 얻었다.
(실시예 3: 박막 태양전지의 제작)
우선, 에칭한 투명전극(ITO)에 폴리스티렌술폰산(PSS)을 첨가한 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)을 스핀코터로 회전수 2000rpm의 조건 하에서 도포하고 160℃에서 10분간 건조하는 작업을 3회 반복함으로써 투명전극 상에 PEDOT-PSS 피막을 형성했다.
다음에, 클로로벤젠 1ml에 P3HT(폴리-3-헥실티오펜): 20mg, PCBM(1-(3-메톡시카르보닐)프로필-1-페닐-[6,6]-C61): 15mg 및 제조예 13의 배위 고분자(CuIOcm1D): 0.5mg을 첨가하고, 60℃에서 6시간 교반한 후 상기 혼합 용액을 PEDOT-PSS 피막 상에 스핀코터로 회전수 1000rpm의 조건 하에서 도포하고 100℃에서 30분간 건조했다.
또한, 그 위에 LiF: 0.7nm와 Al: 70nm를 각각 진공 증착해서 LiF/Al막을 형성함으로써 실시예 3의 박막 태양전지를 얻었다.
비교예
실시예에 사용한 배위 고분자를 사용하지 않고 혼합 용액을 작성한 것 이외에는 실시예와 동일하게 해서 비교예의 박막 태양전지를 얻었다.
다음에, 상기에 의해 얻은 실시예 1∼3 및 비교예의 박막 태양전지에 대해서 전류 밀도-전압 특성의 측정을 행했다.
(전류 밀도-전압 특성의 측정)
전류 밀도-전압 특성은 솔라 시뮬레이터(AM 1.5, 100mW/㎠)를 사용해서 측정했다. 측정 결과를 도 11∼13에 나타낸다.
그리고, 도 11∼13으로부터 얻어지는 전압이 0일 때의 전류 밀도를 단락 전류 밀도(Jsc), 부하 전압을 가해서 전류 밀도가 0이 되었을 때의 전압을 개방 전압(Voc), 전류 밀도-전압 곡선으로부터 얻어지는 최대 출력을 단락 전류 밀도와 개방 전압의 곱으로 나눈 것을 필팩터(FF), 최대 출력을 입사광 강도로 나눈 것을 변환 효율(η)이라고 했다.
그 결과, 실시예 1의 박막 태양전지는 Jsc=5.51mA/㎠, Voc=0.59V, FF=0.32, η=1.05%이었다. 한편, 비교예의 박막 태양전지는 Jsc=3.2mA/㎠, Voc=0.58V, FF=0.39, η=0.71%이었다. 또한, 실시예 2의 박막 태양전지는 Jsc=7.204mA/㎠, Voc=0.529V, FF=0.396, η=1.508%이고, 실시예 3의 박막 태양전지는 Jsc=9.710mA/㎠, Voc=0.629V, FF=0.309, η=1.890%이었다.
이상의 것으로부터, 배위 고분자를 사용함(실시예 1)으로써 배위 고분자를 사용하지 않을 경우(비교예)와 비교해서 단락 전류 밀도(Jsc)가 증대하고, 그 결과 변환 효율(η)도 0.34% 향상(48% UP)되는 것을 알 수 있다.
(배위 고분자의 HOMO와 LUMO의 측정)
또한, 단락 [0050]에서 기재한 바와 같이, 실시예 1에서 사용한 제조예 8의 배위 고분자(CuIPip1D)의 HOMO와 LUMO는 HOMO가 -5.09eV이고 LUMO가 -3.92eV이다. 또한, 실시예 1에서 사용한 p형 반도체(P3HT)의 HOMO는 -5.0eV이고, n형 반도체(PCBM)의 LUMO는 -4.0eV인 것을 알 수 있다.
그리고, 상기 에너지 레벨의 관계로부터 본 발명의 박막 태양전지는 종래의 p형 반도체로부터 n형 반도체로의 전하 이동에 의한 전하 분리에 추가하여, 배위 고분자가 증감 색소로서 작용함으로써 효율의 향상이 일어나고 있다고 생각된다. 다시 말해, 배위 고분자 상에서는 우선 배위 고분자가 광을 흡수해서 전하 분리를 일으킴으로써 전자와 정공을 발생시키고, 그 다음에 배위 고분자(CuIPip1D)보다 HOMO레벨이 높은 p형 반도체의 HOMO으로 상기 정공을 보내고, 또한 배위 고분자보다 LUMO 레벨이 낮은 n형 반도체의 LUMO으로 상기 전자를 보냄으로써 기전력을 발생시키고 있다고 생각된다.
따라서, 이 첨가한 배위 고분자의 증감 효과에 의해 단락 전류 밀도가 상승하여 변환 효율이 향상된다고 생각된다.
또한, 제조예 8, 12, 13 이외의 배위 고분자에 대해서는 이러한 배위 고분자를 사용한 박막 태양전지를 제작하여 있지 않지만, 이러한 배위 고분자에 대해서도 적당한 HOMO를 가지는 p형 반도체와 적당한 LUMO를 가지는 n형 반도체를 사용하면 실시예 1∼3에 기재된 박막 태양전지와 같은 효과를 나타내게 된다.
이상의 것으로부터, 본 발명의 박막 태양전지는 적당한 배위 고분자를 선택함으로써 어떤 유기 반도체를 사용한 박막 태양전지에 있어서도 변환 효율을 향상시킬 수 있는 것이고, 각종 유기 반도체를 사용한 박막 태양전지에 대하여 응용성이 극히 높은 것이라고 말할 수 있다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명은 박막 태양전지에 사용할 수 있다.
1: 박막 태양전지 2: 배위 고분자
3: p형 반도체 4: n형 반도체
5: 투명전극 6: PEDOT-PSS 피막
7: LiF/Al막 8: 금속 이온
9: 배위자

Claims (6)

1종 또는 2종 이상의 유기 반도체와
배위 고분자를 구비하고,
상기 배위 고분자는
전이금속 원소 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 이온과
상기 금속 이온에 배위 가능한 1종 또는 2종 이상의 황 함유 화합물, 질소 함유 화합물, 산소 함유 화합물, 인 함유 화합물로 이루어진 배위자가 배위한 착체의 반복단위를 함유하는 것이고,
또한, 상기 배위 고분자는
상기 유기 반도체 중 적어도 1종류 이상의 유기 반도체와 경계면을 형성하여 접촉하도록 배치되어 있고,
상기 유기 반도체로서 2종 이상의 유기 반도체를 사용하는 경우에 있어서,
상기 2종 이상의 유기 반도체가 벌크 헤테로 구조를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 전이금속 원소는
Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 원소인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 배위자는
하기 화 1 또는 화 2로 표시되는 디티오카르밤산 이온의 유도체 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 유도체인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
[화 1]
Figure 112013083053018-pct00018

[R1 및 R2는 동일 또는 다른 지방족 탄화수소기, 치환 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 치환 방향족 탄화수소기, 복소환기 및 치환 복소환기를 나타낸다]
[화 2]
Figure 112013083053018-pct00019

[R3은 적어도 1개의 질소원자를 포함하는 복소환기 또는 치환 복소환기를 나타낸다]
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 배위 고분자는
브롬 이온 또는 요오드 이온을 더 포함함으로써 구성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유기 반도체는
풀러렌, 풀러렌 유도체, 올리고티오펜, 올리고티오펜 유도체, 폴리티오펜, 폴리티오펜 유도체, 프탈로시아닌, 프탈로시아닌 유도체, 금속 프탈로시아닌, 금속 프탈로시아닌 유도체, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌 유도체, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐렌비닐렌 유도체, 폴리비닐카르바졸, 폴리비닐카르바졸 유도체, 폴리실란, 폴리실란 유도체, 폴리플루오렌, 폴리플루오렌 유도체, 펜타센, 펜타센 유도체, 안트라센, 안트라센 유도체, 루브렌, 루브렌 유도체, 페릴렌, 페릴렌 유도체, 테트라시아노퀴노디메탄, 테트라시아노퀴노디메탄 유도체, 테트라티아풀발렌, 테트라티아풀발렌 유도체, 옥사디아졸, 옥사디아졸 유도체에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유기 반도체는
1-(3-메톡시카르보닐)프로필-1-페닐-[6,6]-C61(PCBM) 및 폴리-3-헥실티오펜(P3HT)이고,
상기 배위 고분자는
전이금속 원소로 구리를 사용하고, 상기 배위자로 피페리딘 디티오카르밤산을 사용하고, 또한 요오드 이온을 사용해서 구성된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
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