KR101434090B1 - 세슘카보네이트가 블랜딩된 산화아연 전자수송층이 구비된 유기 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

세슘카보네이트가 블랜딩된 산화아연 전자수송층이 구비된 유기 태양전지 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 세슘카보네이트가 블랜딩된 산화아연 전자수송층이 구비함으로써, 전압 장벽을 줄임과 동시에 높은 전계효과 이동도를 나타내는 고성능의 인버티드 유기 태양전지에 관한 것이다.

Description

세슘카보네이트가 블랜딩된 산화아연 전자수송층이 구비된 유기 태양전지 및 그의 제조방법{ORGANIC PHOTOVOLTAICS HAVING ZINC OXIDE ELECTRON-TRANSFER-LAYER BLENDED WITH CESIUM CARBONATE}
본 발명은, 세슘카보네이트가 블랜딩된 산화아연 전자수송층을 구비함으로써, 전압 장벽을 줄임과 동시에 높은 전계효과 이동도를 나타내는 고성능의 유기 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 주는 소자로서, 상용화 초기에는 높은 변환효율을 갖는 결정질 실리콘 태양전지에 대한 연구가 활발하였으나, 높은 생산 단가, 무게 및 유연성에 한계가 있어, 최근 유기태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
유기태양전지는 값싼 유기물을 사용함과 동시에 용액공정을 통한 대면적화가 가능하여 높은 생산성을 기대할 수 있을 뿐 아니라, 전체 소자의 두께가 수백 ㎚에 불과하여 플렉시블(flexible)하게도 제작할 수 있기 때문에, 초소형 또는 이동통신용 기기 등의 새로운 용도의 전원으로 응용 가능성 높은 바, 최근 무기태양전지가 사용될 수 없는 시장을 중심으로 유기태양전지의 수요의 폭발적인 수요가 예상되고 있다.
유기태양전지는 금속-유기 반도체(광활성층)-금속 구조로 간단히 나타낼 수 있는데, 주로 높은 일함수를 갖는 투명전극인 ITO(Indium tin oxide)를 양극으로 하고, 낮은 일함수를 갖는 Al이나 Ca 등을 음극 물질로 사용한다. 광활성층은 100㎚ 정도의 두께를 가진 전자공여체(Electron donor)와 전자수용체(Electron acceptor)의 2층 구조(D/A bilayer structure) 또는 벌크-헤테로정션(bulk-heterojunction((D+A) blend)) 구조를 이용하는데, 경우에 따라서는 전자의 공여-수용(donor-acceptor) 층 사이에 후자의 벌크-헤테로정션(bulk-heterojunction) 구조가 끼어있는 혼합구조(D/(D+A)/A)를 이용하기도 한다.
그런데, 유기박막 태양전지의 광전류 및 효율을 제한하는 큰 문제 중의 하나는, 벌크 상태에서 유기물의 낮은 전하 이동도이다. 유기물 반도체는 분자구조상으로나 결정학적으로 결함이 많아, 전하 이동도가 무기물의 그것에 비해 매우 낮다. 예를 들어, 반도체 고분자/C60의 경우, 매우 높은 전자-정공 분리효율에도 불구하고 광전류가 낮은 이유가 이러한 전하의 낮은 이동도 때문이라고 여겨지고 있다. 특히, 유기 반도체에서는 전자의 이동도가 정공의 이동도보다 일반적으로 낮은데, 이러한 낮은 전하 이동도는 유기 발광소자와 같은 유기 반도체 소자에서도 항상 문제시되어왔다(비특허문헌 1 참조; 이로써 비특허문헌 1의 내용은 종래의 기술로서, 본 명세서의 내용으로 전부 인용된다).
이에, 전하의 이동도를 향상시키려는 노력들이 경주되고 있는데, 유기박막 태양전지 소자 제작시 표면형상을 잘 제어하여 전하의 이동도를 향상시키거나, 각 전극에서 전하의 원활한 주입을 위해 전극과 유기박막 사이에 버퍼층을 첨가하여 전극과 유기물 계면 사이의 에너지 장벽을 낮춰주는 방법 등이 시도되고 있다.
나아가, 유기박막 사이에 버퍼층을 첨가하여, 전하 이동도를 향상시킴과 동시에, 전하의 이동 방향을 바꾸기도 하는데, 이를 인버티드 유기 태양전지라 한다.
인버티드 유기 태양전지에 대한 종래의 기술은, 하기 특허문헌 1을 참조하여 이해할 수 있다. 이로써 특허문헌 1의 내용은 종래의 기술로서, 본 명세서의 내용으로 전부 인용된다.
특허문헌 1은, 본 출원인 출원하여 등록된 특허로서, Cs2CO3층과 MoO3층이 양 전극과 활성층 사이에 삽입되어 전극의 극성이 바뀜으로써 태양전지의 수명과 안정성을 보다 증가시킬 수 있는 인버티드 유기 태양전지에 대한 것이다.
KR 10-1110810 B1 (2012.01.20.)
문상진, "유기박막 태양전지 기술", 「물리학과 첨단기술」, July/August(2008), pp. 30~36.
일반적으로, 에너지 장벽을 감소시키는 버퍼층을 삽입시키기 위해서, 2종의 물질을 레이어-바이-레이어(layer-by-layer)로 형성시키는 기술을 많이 사용하고, 특히, 세슘카보네이트를 산화아연층 상에, 레이버-바이-레이어로 형성시켜 산화아연과 광활성층 사이의 에너지 장벽을 감소시켜 전자 수송에 적합하도록 재배열시키기 위해서는, 추가적인 공정 및 시간이 요구된다(예를들어, 용액공정에 의해 레이버-바이-레이어로 형성하는 경우, 어닐링(annealing)을 하는 시간이 필요하므로, 실제로, 프린팅, 예열, 어닐링, 및 식히는 공정 등의 약 1 시간 이상의 시간이 더 소요되게 된다). 따라서 세슘 카보네이트의 특성을 확보할 수 있으면서, 공정 시간을 단축시킬 수 있는 유기 태양전지의 제조방법이 절실히 요구된다 하겠다.
이에 본 발명에서는, 종래기술 문제점에 대한 해결책으로서, 산화아연과 세슘카보네이트를 블랜딩(blending)한 것을 전자수송층로서 사용한 인버티드 유기 태양전지를 제공한다. 본 발명의 인버티드 유기 태양전지는, 산화아연과 세슘카보네이트를 블랜딩한 용액을 사용하여, 한번에 프린팅하는 간단한 방법으로 제작될 수 있으므로, 매우 경제적인 장점이 있다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
양극, 전공수송층, 광활성층, 전자수송층, 및 음극을 포함하는 유기 태양전지에 있어서, 상기 전자수송층은, 산화아연에 세슘카보네이트가 블랜딩된 것임을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 블랜딩된 세슘카보네이트 함량은 0.5~50몰% 범위 이내인 것임을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 산화아연은, 알루미늄, 리튬, 및 마그네슘에서 선택되어지는 1종 이상의 금속이 도핑된 것임을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 도핑된 금속의 함량은 0.5~50몰% 범위 이내인 것임을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 광활성층은, 벌크-헤테로정션 구조인 것임을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 정공수송층은, PEDOT:PSS에 PTE가 0~10몰% 포함된 것임을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공한다.
또한, 기판 상에 음극을, 진공증착공정에 의해, 형성하는 단계;
음극 상에 전자수송층을, 용액공정에 의해, 형성하는 단계;
상기 전자수송층 상에 광활성층을, 용액공정에 의해, 형성하는 단계;
상기 광활성층 상에 정공수송층을, 진공증착공정 또는 용액공정에 의해, 형성하는 단계; 및
상기 정공수송층 상에 전극을, 진공증착공정에 의해, 형성하는 단계를 순차적으로 포함하되,
상기 전자수송층은, 산화아연 및 세슘카보네이트를 혼합한 용액이, 상기 광활성층과 접촉되어 형성되어지는 것임을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 유기 태양전지는, 전자의 원활한 이동이 가능하여, 전압 장벽을 줄임과 동시에 높은 전계효과 이동도를 나타낸다.
도 1은, 본 발명에 따른 유기 태양전지를 나타낸 단면 구조도이다.
도 2는, 본 발명 실시예 1 전자수송층의 AFM 이미지 및 표면거칠기를 나타낸 사진이다.
도 3는, 본 발명 실시예 2 전자수송층의 AFM 이미지 및 표면거칠기를 나타낸 사진이다.
도 4는, 본 발명 실시예 3 전자수송층의 AFM 이미지 및 표면거칠기를 나타낸 사진이다.
도 5는, 본 발명 실시예 4 전자수송층의 AFM 이미지 및 표면거칠기를 나타낸 사진이다.
도 6는, 본 발명 실시예 5 전자수송층의 AFM 이미지 및 표면거칠기를 나타낸 사진이다.
도 7는, 본 발명 비교예 1 전자수송층의 AFM 이미지 및 표면거칠기를 나타낸 사진이다.
도 8은, 본 발명 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 전자수송층의 AFM 이미지 및 표면거칠기를 비교하여 나타낸 사진이다.
도 9는, 본 발명 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 전류밀도-전압 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 10은, 본 발명 실시예 6과 비교예 2의 전류밀도-전압 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 11은, 본 발명 실시예 7과 비교예 3의 전류밀도-전압 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
우선, 본 발명 명세서 상의 용어에 대해 정의한다.
용액 공정(solution process)은, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 잉크 젯 인쇄, 롤투롤 인쇄, 스크린 인쇄 등의 액상 용매를 사용하여 성막하는 기존의 모든 공정을 포함한다.
진공증착공정은, 음압이 걸리 상태에서 증착이 이루어지는 공정을 말하는 것으로서, CVD(Chemical Vapor Deposition)법을 비록한, PVD(Physical Vapor Deposition)법의 일종인 스퍼터링(sputtering) 등의 기존의 모든 공정을 포함한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 다만, 도면의 내용은 본 발명을 보다 쉽게 설명하기 위하여 도시된 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 도면의 범위로 한정되는 것은 아님을 분명히 밝혀둔다.
도 1은, 본 발명에 따른 유기 태양전지를 나타낸 단면 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 태양전지는, 양극(1), 음극(2), 전자수송층(3), 광활성층(4), 및 정공수송층(5)을 포함하여 구성된다.
특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유기 태양전지는, 기판(미도시) 상에 형성되는 음극(2), 상기 음극 상에 형성되는 전자수송층(3), 상기 전자수송층 상에 형성되는 광활성층(4), 상기 광활성층 상에 형성되는 정공수송층(5), 및 상기 정공수송층 상에 형성되는 양극(1)의 순서로 적층되어 있는 인버티드(inverted) 구조이다. 인버티드 구조의 유기 태양전지에 대하여는, 본 명세서상의 배경기술로서 언급·인용되어진 특허문헌 1 등을 참조하여 이해할 수 있다.
양극(1), 또는 음극(2)은, 종래에 잘 알려진 진공증착공정(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 이용하거나, 메탈 플레이크(flake) 내지 파티클(particle)이 바인더(binder) 등과 혼합되어 있는 페이스트 메탈 잉크를 프린팅하는 방식을 사용할 수 있고, 상기 양극 또는 음극의 형성 방법은 특별히 제한되지 아니한다.
기판은, 유리(glass) 기판, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylenenaphthelate), PP(polypropylene), PI(polyamide), TAC(tri acetyl cellulose), PES(polyethersulfone) 등을 포함하는 플라스틱중 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판, 알루미늄 포일(aluminum foil), 스테인리스 스틸 포일(stainlesssteel foil) 중 어느 하나를 포함하는 플렉서블(flexible) 기판 등이 이용될 수 있다.
상기 기판 상에 형성되는 음극(cathode)은, 소자에 전자를 제공하는 전극으로서, 이온화된 금속 물질, 소정의 액체 속에서 콜로이드(colloid) 상태인 금속 잉크 물질, 투명 금속 산화물 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 음극(2)은, 진공증착공정에 의하여 고진공 상태에서 증착되하거나, 종래의 음극으로 형성에 사용되는 금속물질을 용액 또는 페이스트 공정으로 음극을 형성할 수도 있다. 음극 형성 물질은, 특별히 제한되지 않고, 종래의 음극 형성물질을 비제한적으로 사용할 수 있고, 종래의 음극 형성물질의 예시로, 산화가 잘되는 금속물질인, 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 리튬(Li), 세슘(Cs) 등을 들 수 있다.
또한 본 발명의 음극을 형성할 수 있는 투명 금속 산화물의 비제한적 예시로, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide) 등을 들 수 있다. 여기서, ITO는 일반적으로는 양극을 형성하는 물질로 사용되지만, 본 발명과 같은 따른 인버티드 유기 태양전지 구조에서는 ITO를 음극(2) 형성의 재료로 사용하여, 투명한 음극을 형성할 수도 있다. 또한, 투명 금속산화물 전극의 경우 졸 겔(sol-gel), 분무열분해(spray pyrolysis), 스퍼터링(sputtering), ALD(Atomic Layer Deposition), 전자 빔 증착(e-beam evaporation) 등의 공정을 적용하여 형성할 수 있다.
본 발명에 있어서, 전자수송층(3)은, 광활성층(4)에서 발생된 전자를 음극(2)으로 이동시켜 소자의 높은 효율을 위해 추가되는 층으로서, 음극(2)과 광활성층(4) 사이에 형성된다.
특히, 본 발명에 있어서, 상기 전자수송층(3)은, 산화아연에 세슘카보네이트가 블랜딩(blending)된 것임을 특징으로 한다. 여기서 「블랜딩된 것」이라는 의미는, 두 가지 이상의 물질이, 용매에 의하거나 용융되어져서, 비가역적으로 혼합된 상태인 것이라 의미로서, 당해 기술분야에서 널리 사용되는 자명한 용어이다.
상기 블랜딩된 세슘카보네이트 함량은 0.5~50몰% 범위 이내인 것이 바람직하고, 50몰%인 것이 더 바람직하지만, 50몰%를 초과하는 것은 바람직하지 않다. 세슘카보네이트가 산화아연에 블랜딩되면, 없을 때에 비해 효율이 증가하지만, 산화아연의 함량보다 세슘카보네이트의 함량이 더 많아지면, 오히려 효율은 감소하는 특성을 나타내기 때문이다. 이에 대한 보다 상세한 설명은, 후술할 실시예를 참조하여 이해할 수 있을 것이다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 산화아연은, 산화아연 99.5atomic% 초과한 함량의 고순도 산화아연을 사용할 수도 있지만, 알루미늄, 리튬, 및 마그네슘에서 선택되어지는 1종 이상의 금속이 도핑된 것을 사용할 수도 있다. 여기서, 상기 도핑된 금속의 함량은 0.5~50atomic% 범위 이내인 것이 바람직하다.
상기 전자수송층(3)은, 나노 산화아연(ZnO) 및 세슘카보네이트(Cs2CO3)를, 에탄올 등의 용매에 넣고 혼합한 용액을 사용하여 형성할 수 있다. 이렇게 하면, 산화아연층에 세슘카보네이트를 레이어-바이-레이어(layer-by-layer)로 형성하는 경우에 비해, 추가적인 공정 및 시간소요가 없으므로, 비용측면에서 매우 경제적이다.
광활성층(4)은, 유기물질을 포함하고, 그 유기물질의 광기전 현상(phtovoltaic)에 의하여 전기를 발생시킨다.
본 발명의 광활성층(4)에 사용할 수 있는 유기물질은, 전자공여체 물질인 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), PCDTBT(Poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PSBTBT(Poly[2,6-(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)]), PTB7(Poly{4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophene-4,6-diyl}), 전자 수용체물질로는 PCBM-C60(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester), ICBA(Indene-C60 bis-adduct 등과 같은, 종래에 광활성층에 사용하는 유기 고분자 물질과 그 유도체를 비제한적으로 사용할 수 있다.
특히, P3HT를 전자공여체로 하고, PCBM-C60을 전자수용체로 하며, 그 비율은 1 : 0.5 ~ 1 : 4의 중량비로 배합하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 광활성층(4)은, 분리된 전자-정공 쌍(exiciton)의 수집 효율을 높이기 위해, 벌크-헤테로정션 구조인 것이 바람직하지만, 반드시 이에 제한되지는 않는다.
정공수송층(5)은 광활성층(4)에서 발생된 정공을 양극(1)으로 이동시키는 것을 도와주는 레이어로서, 광활성층(4)과 양극(1) 사이에 형성된다. 정공수송층(5)은, PEODT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrene sulfonate)), GO(graphene oxide), WOx(tungsten oxide), MoOx(molybdate oxide) 중 어느 하나 이상을 선택하여, 용액공정으로 제조할 수 있다. 상기 정공수송층은, PEDOT:PSS에 PTE(poly(oxyethylene tridecyl ether))가 0~10몰% 포함된 것이 바람직하다.
이때, 친수성 용액을 광활성층(4) 상에 성막할 때, 친수성·소수성 반발에 의한 코팅불량문제는, 기판을 열이 가해지는 핫플레이트(hot plate)위에 올려놓고, 200 ℃이하로 가열하여 스프레이 함으로써, 친수성 용매가 쉽게 증발하도록 하여 효과적으로 성막할 수 있다. 정공수송층에 사용하는 고분자의 웨팅(wetting)특성을 개선하기 위한 방법으로는, PEDOT:PSS 용액에 이소프로필알코올(IPA), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 에톡시 에탄올(ethoxy ethanol), 메톡시 에탄올(methoxy ethanol) 등의 용매로 PEDOT:PSS를 희석하거나, 웨팅 에이전트(wetting agent) 또는 계면활성제(surfactant), 접착촉진제(adhesion promotor)를 이용하여 웨팅(wetting)특성을 바꿔주는 방법을 사용할 수 있다.
양극(1)은, 소자에 전공을 제공하는 전극으로서, 금속 페이스트, 또는 소정의 액체 속에서 콜로이드 상태인 금속 잉크 물질을 스크린 인쇄 등의 용액공정을 통하여 형성될 수 있다. 여기서 금속페이스트는, 은 페이스트(Ag paste), 알루미늄 페이스트(Al paste), 금 페이스트(Au paste), 구리 페이스트(Cu paste) 등의 물질 중 어느 하나이거나 합금된 형태일 수 있다. 또한, 금속 잉크물질은, 은(Ag) 잉크, 알루미늄(Al) 잉크, 금(Au) 잉크, 칼슘(Ca) 잉크, 마그네슘(Mg) 잉크, 리튬(Li) 잉크, 세슘(Cs) 잉크 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 금속 잉크 물질에 포함된 금속 물질은 용액 내부에서 이온화된 상태이다.
본 발명의 유기 태양전지의 제조방법은,
기판 상에 음극을, 진공증착공정에 의해, 형성하는 단계;
음극 상에 전자수송층을, 용액공정에 의해, 형성하는 단계;
상기 전자수송층 상에 광활성층을, 용액공정에 의해, 형성하는 단계;
상기 광활성층 상에 정공수송층을, 진공증착공정 또는 용액공정에 의해, 형성하는 단계; 및
상기 정공수송층 상에 전극을, 진공증착공정에 의해, 형성하는 단계를 순차적으로 포함하되,
상기 전자수송층은, 산화아연 및 세슘카보네이트를 혼합한 용액이, 상기 광활성층과 접촉되어 형성되어지는 것임을 특징으로 한다.
전자수송층 형성을 위해, 산화아연 및 세슘카보네이트를 혼합한 용액으로 성막함으로써, 저렴한 비용으로 대면적 제조가 가능하다.
이하, 본 발명에 대해 실시예를 들어 더욱 상세히 설명한다. 이하의 실시예는, 발명의 상세한 설명을 위한 것으로서, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것일 뿐인 바, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 의도가 아님을 분명히 해 둔다.
실시예
실시예 1
아래와 같이, 음극, 전자수송층, 광활성층, 전공수송층, 및 양극을 적층하여 인버티드 유기태양전지를 제조하였다.
음극: 유리기판 위에 투명 전극으로 ITO층(비저항: 8×10-4)을 증착하였다. 이후, 3개의 비이커에 각각 아세톤, 메탄올, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)을 넣어 초음파 세척기로 각각 15분 동안 초음파 세척을 실시한 후, 오존처리기에서 자외선 오존램프로 15분 동안 세정 및 표면처리하였다.
전자수송층: 30몰% 산화아연 용액(용매: 에탄올)과 10㎎/㎖의 세슘카보네이트 용액(용매: 에탄올)를, 산화아연 용액 : 세슘카보네이트 용액 = 1 : 1의 부피비로 혼합하여 혼합용액을 제조하였다.
상기 혼합용액을, 대기 환경 하에서, 상기 음극 상에 1000rpm으로 스핀코팅한 후, 225℃, 10분간 열처리하여, 상기 음극 상에 전자수송층을 형성하였다.
광활성층: 상기 전자수송층 상에, P3HT:PCBM를 1:1 비율로 각각 1.5wt% 농도로 디클로로벤젠 용액에 넣고, 25초 동안 700rpm으로 스핀코팅한 후, 핫 플레이트에서 130℃로 30분 동안 어닐링(annealing)하여 약 70~80㎚ 두께의 광활성층을 형성하였다.
전공수송층: 상기 광활성층 상에, PEDOT:PSS와 0.3%PTE를 스핀 코팅(4000rpm/25s)하고, 소성(약 120℃, 20min)하여, 40㎚ 전공수송층을 형성하였다.
양극: 상기 전자수송층 상에 약 150㎚ 두께의 알루미늄을 증착시켜 상부 전극을 형성하였다.
실시예 2
산화아연 용액 : 세슘카보네이트 용액 = 2 : 1의 부피비로 하여 제조한 혼합용액으로 전자수송층을 형성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 3
산화아연 용액 : 세슘카보네이트 용액 = 3 : 1의 부피비로 하여 제조한 혼합용액으로 전자수송층을 형성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 4
산화아연 용액 : 세슘카보네이트 용액 = 1 : 2의 부피비로 하여 제조한 혼합용액으로 전자수송층을 형성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 5
산화아연 용액 : 세슘카보네이트 용액 = 1 : 3의 부피비로 하여 제조한 혼합용액으로 전자수송층을 형성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 6
P3HT:ICBA를 1:1 비율로 각각 1.25w% 농도로 디클로로벤젠 용액에 넣고, 25초 동안 700rpm으로 스핀코팅한 후, 핫 플레이트에서 150℃로 10분 동안 어닐링(annealing)하여 약 70~80㎚ 두께의 광활성층을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
실시예 7
아래와 같이, 음극, 전자수송층, 광활성층, 전공수송층, 및 양극을 적층하여 인버티드 유기태양전지를 제조하였다.
음극: 유리기판 위에 투명 전극으로 ITO층(비저항: 8×10-4)을 증착하였다. 이후, 3개의 비이커에 각각 아세톤, 메탄올, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)을 넣어 초음파 세척기로 각각 15분 동안 초음파 세척을 실시한 후, 오존처리기에서 자외선 오존램프로 15분 동안 세정 및 표면처리하였다.
전자수송층: 30몰% 산화아연 용액(용매: 에탄올)과 10㎎/㎖의 세슘카보네이트 용액(용매: 에탄올)를, 산화아연 용액 : 세슘카보네이트 용액 = 1 : 1의 부피비로 혼합하여 혼합용액을 제조하였다.
상기 혼합용액을, 대기 환경 하에서, 상기 음극 상에 1000rpm으로 스핀코팅한 후, 225℃, 10분간 열처리하여, 상기 음극 상에 전자수송층을 형성하였다.
광활성층: 상기 전자수송층 상에, P3HT:PCBM를 1:1 비율로 각각 1.5wt% 농도로 디클로로벤젠 용액에 넣고, 25초 동안 600rpm으로 스핀코팅한 후, 핫 플레이트에서 130℃로 30분 동안 어닐링(annealing)하여 약 70~80㎚ 두께의 광활성층을 형성하였다.
전공수송층: 상기 광활성층 상에, PEDOT:PSS와 0.3%PTE를 스핀 코팅(4000rpm/25s)하고, 소성(약 120℃, 20min)하여, 40㎚ 전공수송층을 형성하였다.
양극: 상기 전자수송층 상에 약 150㎚ 두께의 알루미늄을 증착시켜 상부 전극을 형성하였다.
비교예 1
세슘카보네이트 용액없이 산화아연 용액만으로 전자수송층을 형성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
비교예 2
세슘카보네이트 용액없이 산화아연 용액만으로 전자수송층을 형성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 6과 동일하게 제조하였다.
비교예 3
전자수송층을 형성 시에, 30몰% 산화아연 용액으로 음극 상에 1000rpm으로 스핀코팅하고 일반 대기 상태에서 225℃로 약 10분간 열처리한 후, 그 위에 10㎎/㎖의 세슘카보네이트 용액을 1000rpm 스핀코팅하고, 질소 분위기에서 225℃ 약 10분간 열처리하여, 각층을 레이어-바이-레이어로 형성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 7과 동일하게 제조하였다.
전자수송층의 표면거칠기 측정
상기 제작된 실시예 1 내지 6, 및 비교예 1에 대해서, 전자수송층의 표면거칠기를 AFM(Atomic Force Microscopy)를 이용하여 확인·측정하였고, 결과를 도 2 내지 도 8에 나타내었다.
도 2는 실시예 1, 도 3은 실시예 2, 도 4는 실시예 3, 도 5는 실시예 4, 도 6은 실시예 5, 도 7은 비교예 1의 전자수송층 AFM 이미지 사진이고, 도 8은 도 2 내지 도 7의 결과를 비교 도시한 사진이다.
도 2 내지 도 8에서 확인할 수 있듯이, 세슘카보네이트의 양이 증가함에 따라, 박막 표면이 거칠어지고, 세슘카보네이트끼리 뭉치는 특성을 나타내었다. 즉, 세슘카보네이트의 양에 비례하여 표면 거칠기(Rq)도 함께 증가하였다.
특히, 도 5 및 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 세슘카보네이트의 너무 많아지면, 정확한 표면 거칠기를 측정할 수 없을 정도에 이르렀다.
따라서, 박막의 표면특성 측면을 고려할 때, 전자수송층에서의 세슘카보네이트의 양은 최대 50몰%를 넘지 않는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
전류밀도-전압 특성(J-V Characteristic ) 측정
상기 제작된 실시예 1 내지 6, 및 비교예 1 내지 3에 대해서, 전류밀도-전압 특성을 측정하였고, 결과를 하기 표 1 및 도 9 내지 12에 나타내었다. 도 9는 본 발명 실시예 1 내지 5 및 비교예 1, 도 10은 본 발명 실시예 6과 비교예 2, 도 11는 본 발명 실시예 7과 비교예 3의 전류밀도-전압 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
Jsc(㎃/㎠) Voc(V) FF(%) PCE(%)
비교예 1 7.25 0.558 57.7 2.33
실시예 1 7.96 0.609 58.3 2.83
실시예 4 7.32 0.570 46.4 1.94
실시예 5 7.38 0.585 43.9 1.89
실시예 2 8.05 0.580 57.2 2.67
실시예 3 7.82 0.553 57.5 2.49
Jsc는 광단락전류밀도(Jsc), Voc는 광개방전압, FF는 Fill Factor, PCE는 에너지변환효율로서, Fill Factor(FF)는 최대 전력점에서 전압값(Vmax)× 전류밀도(Jmax)/(Voc× Jsc), 에너지변환효율은 FF×(Jsc×Voc)/Pin, Pin=100[㎽/㎠]으로 계산하였다.
실시예 1과 비교예 1을 비교하여 확인할 수 있듯이, 세슘카보네이트가 없을 때보다 있는 경우에, 태양전지의 효율이 더 증가된 것을 알 수 있으며, 실시예 1 내지 3을 비교하여 확인할 수 있듯이, 세슘카보네이트의 함량이 늘어남에 따라, 태양전지의 효율 역시 함께 증가됨을 확인할 수 있었다.
다만, 실시예 4 및 5의 경우에는 태양전지의 효율이, 세슘카보네이트의 함량에 반비례하여 오히려 감소하였는데, 이는 세슘카보네이트의 양이 산화아연보다 많아지게 되면 발생하는 현상인 것으로 보인다.
따라서, 태양전지의 효율 측면을 고려할 때, 산화아연에 블랜딩되는 세슘카보네이트의 함량은 최대 50몰%를 초과하지 않은 것이 바람직한 것으로 사료된다.
또한, 도 11에서 나타나 있듯이, 산화아연에 세슘카보네이트를 레이어-바이-레이어로 적층한 비교예 3 보다 산화아연과 세슘카보네이트를 블랜딩한 실시예 7의 전류밀도-전압 특성이 더 우수함을 확인하였다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 양극 2: 음극
3: 전자수송층 4: 광활성층
5: 정공수송층

Claims (7)

  1. 양극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층, 및 음극을 포함하는 유기 태양전지에 있어서,
    상기 전자수송층은, 산화아연에 세슘카보네이트가 블랜딩되며,
    상기 블랜딩된 세슘카보네이트 함량은 0.5~50 몰% 범위 이내이고,
    상기 산화아연은, 알루미늄, 리튬, 및 마그네슘에서 선택되어지는 1종 이상의 금속이 도핑된 것임을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 도핑된 금속의 함량은 0.5~50몰% 범위 이내인 것임을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 광활성층은, 벌크-헤테로정션 구조인 것임을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 정공수송층은, PEDOT:PSS에 PTE가 0~10몰% 포함된 것임을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  7. 기판 상에 음극을, 진공증착공정에 의해, 형성하는 단계;
    음극 상에 전자수송층을, 용액공정에 의해, 형성하는 단계;
    상기 전자수송층 상에 광활성층을, 용액공정에 의해, 형성하는 단계;
    상기 광활성층 상에 정공수송층을, 진공증착공정 또는 용액공정에 의해, 형성하는 단계; 및
    상기 정공수송층 상에 전극을, 진공증착공정에 의해, 형성하는 단계를 순차적으로 포함하되,
    상기 전자수송층은, 산화아연 및 세슘카보네이트를 혼합한 용액이, 상기 광활성층과 접촉되어 형성되며,
    세슘카보네이트 함량은 0.5~50 몰% 범위 이내이고,
    상기 산화아연은, 알루미늄, 리튬, 및 마그네슘에서 선택되어지는 1종 이상의 금속이 도핑된 것임을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법.
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