KR101448041B1 - 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지에 관한 것으로서, 상세하게는, 유연 기판; 상기 유연 기판상에 형성된 투명전극층; 상기 투명전극층상에 적층된 배리어층; 상기 배리어층상에 적층된 정공수송층; 상기 정공수송층상에 적층된 유기계 광활성층; 및 상기 유기계 광활성층상에 적층된 금속전극층을 포함하는 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따라 제조되어 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지는 배리어층을 형성함으로써 유연 기판의 문제점인 부족한 산소 및 수분에 대한 저항성을 높여 장기안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 유기 박막 태양전지는 배리어층으로 인해 전력변환효율의 향상을 가져온다.

Description

배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지 및 이의 제조방법{organic thin-film solar cell having an barrier layer and preparing method thereof}
본 발명은 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 일본의 원전사고 발생으로 인하여 원자력 발전에 대한 불안감이 고조되어 있다. 이에 따라 원자력 에너지를 대체할 수 있는 신재생에너지의 개발에 대한 중요성이 대두되고 있다. 신재생에너지 중 태양전지는 다른 발전 방식과는 달리 대기오염, 소음, 발열 등의 공해가 전혀 없고 고갈의 염려가 없는 무한한 에너지원이다. 이에 따라 태양전지에 대한 투자 및 발전이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.
이러한 태양전지는 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 반도체소자이다. 구체적으로, n형 반도체와 p형 반도체의 접합형태를 가지는 PN 다이오드 구조와 동일하다. 외부에서 빛이 태양에너지 밴드갭 에너지 이상의 빛에너지를 가지고 태양전지에 입사되었을 때, 전자들은 상기 빛에너지를 수렴하여 전자들은 가전자대(valence band)로부터 전도대(conduction band)로 여기된다. 상기 전자들의 여기과정에서 가전자대(valence band)에서 정공(hole)이 생성된다. p형 반도체에서 여기된 전자는 n형 반도체 방향으로 이동하고, n형 반도체에서 생성된 정공은 p형 반도체 방향으로 이동함으로써 상기 PN 다이오드 구조 양단에 전압차가 생기고, 이때 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하면 전지로서 동작하게 된다.
한편, 태양전지는 단결정 또는 다결정 실리콘 태양전지가 대부분이었으나, 실리콘 소재의 공급 불안정화가 심화되고, 수급 불균형에 의한 고비용 문제가 발생하고 있어 이를 대체하기 위한 새로운 태양전지를 개발하게 되었다.
그중, 유기 박막 태양전지는 광활성층으로 유기물을 사용하는 박막 태양전지로서, 실리콘 등의 무기물보다 저가의 재료를 사용하고, 태양전지 제작과정이 매우 간소하여 생산 단가를 현저히 낮출 수 있으며, 대량생산이 가능하다는 장점이 있다.
이러한 유기 박막 태양 전지의 기본 구조는 높은 일함수를 가진 전도성 투명전극을 양극으로, 낮은 일함수를 가진 Al 등을 음극 물질로 사용하며, 상기 양극과 음극 사이에 전자 도너 물질 및 전자 억셉터 물질을 포함하는 유기계 광활성층을 포함하며, 버퍼층으로 양극과 유기계 광활성층 사이에 정공수송층을, 음극과 유기계 광활성층 사이에는 전자수송층을 끼워 넣기도 한다.
하지만, 유기 박막 태양전지에 사용되는 기판, 특히 유연 재질 플라스틱 기판을 사용할 경우 수분이나 산소 침투에 대한 저항성이 취약한 것으로 알려져 있어, 유기 박막 태양전지의 장수명화를 위해, 수분이나 산소 침투에 대한 저항성을 높여 줄 필요가 있다.
이를 해결하기 위해 종래 연구에서는 유연 기판, 예를 들어 플라스틱 기판 상부에 SiO2, SiOX 등을 증착하여 수분이나 산소 침투에 대한 저항을 높이는 연구가 수행되고 있다. 하지만 이러한 연구의 경우 장기안정성의 향상은 가져오지만, 전력변환효율의 향상은 기대할 수 없다.
이에, 본 발명자들은 유기 박막 태양전지의 수명의 향상과 동시에 전력변환효율을 향상시키기 위한 방법을 연구하던 중, 투명전극층 상부에 수분 차단 및 전력변환효율을 향상시킬 수 있는 배리어층을 형성시킴으로써 유기 박막 태양전지의 장기안정성 및 전력변환효율을 향상시킬 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
유연 기판;
상기 유연 기판상에 형성된 투명전극층;
상기 투명전극층상에 적층된 배리어층;
상기 배리어층상에 적층된 정공수송층;
상기 정공수송층상에 적층된 유기계 광활성층; 및
상기 유기계 광활성층상에 적층된 금속전극층을 포함하는 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지는 투명전극층 상부에 적층된 배리어층을 통해 유연 기판의 문제점인 부족한 수분 및 산소의 침투에 대한 저항성을 높여주어 장기안정성이 향상될 뿐만 아니라 유기 박막 태양전지의 전력변환효율이 증가하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 모식도이고;
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 유기 박막 태양전지의 전압에 대한 단락회로전류밀도를 시간에 따라 측정한 그래프이고;
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 유기 박막 태양전지의 시간에 따른 전력변환효율의 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명은,
유연 기판;
상기 유연 기판상에 형성된 투명전극층;
상기 투명전극층상에 적층된 배리어층;
상기 배리어층상에 적층된 정공수송층;
상기 정공수송층상에 적층된 유기계 광활성층; 및
상기 유기계 광활성층상에 적층된 금속전극층;을 포함하는 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지를 제공한다.
이하, 본 발명의 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)에 있어서, 유기 박막 태양전지에 사용되는 기판(1), 특히 유연 재질 플라스틱 기판은 수분 및 산소 침투에 대한 저항성이 취약하여 유기 박막 태양전지의 장기안정성의 저하를 가져오는 요인이 된다. 이에, 수분 및 산소 침투에 대한 저항성을 높여 줄 필요가 있다.
이를 해결하기 위하여 종래 연구에서는 유연 기판(1), 예를 들어 플라스틱 기판 상부에 SiO2, SiOX 등을 증착하여 수분이나 산소 침투에 대한 저항을 높이는 연구가 수행되고 있으나, 이러한 연구에서는 장기안정성의 향상은 가져오지만, 전력변환효율의 향상은 기대할 수 없었다.
한편, 본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지의 경우에는, 투명전극층(4) 상부에 수분 차단 및 전력변환효율을 향상시킬 수 있는 배리어층(3)을 형성시킴으로써 유기 박막 태양전지(10)의 장기안정성을 확보함과 동시에 전력변환효율 또한 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)에 있어서, 기판으로는 유연 기판(1)을 사용한다.
상기 유연 기판(1)으로는 PVC(polyvinyl chloride), PET (polyethylene terephthalate), PES(polyester), PEN(polyethylene naphthalate) 등을 사용할 수 있다. 상기 유연 기판(1)은 빛이 일차적으로 입사되는 부분으로서 빛의 투과율이 우수함과 동시에 제조되는 유기 박막 태양전지(10) 내에서의 내부 단락을 방지할 수 있도록 투명하고 절연성을 갖는 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)에 있어서, 상기 투명전극층(2)은 상기 유연 기판(1) 상부에 적층된다. 태양광이 유연 기판(1) 쪽에서 입사되므로 투명전극층(2)은 투명도가 높은 것이 좋다.
상기 투명전극층(2)으로는 예를 들면, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al;), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 및 PEDOT:PSS 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 투명전극층(2)은 외부로부터 입사되는 빛을 광활성층으로 통과시키는 역할을 한다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)에 있어서, 상기 배리어층(3)은 상기 투명전극층(2) 상부에 적층된다.
상기 투명전극층(2) 상부에 배리어층(3)의 형성하여 유연 기판(1)을 사용한 유기 박막 태양전지의 문제점인 부족한 수분 및 산소의 침투에 대한 저항성을 높여줄 수 있으며, 특히 종래의 SiO2, SiOX 등으로 이루어진 배리어층과는 달리, 본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)는 태양전지의 수명과 더불어 전력변환효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 배리어층(3)은 비정질 실리콘층/전자수송층의 순서대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 배리어층(3)의 비정질 실리콘층은 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층 또는 n형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/p형 비정질 실리콘층의 순서로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 n형 비정질 실리콘으로는 5가 원소인 인, 비소, 안티몬과 같은 원소가 도핑된 비정질 실리콘을 사용할 수 있고, i형 비정질 실리콘으로는 어떠한 불순물도 첨가되지 않은 비정질 실리콘을 사용할 수 있고, p형 비정질 실리콘은 3가 원소인 붕소, 칼륨과 같은 원소가 도핑된 비정질 실리콘을 사용할 수 있다.
한편, 상기 배리어층(3)의 전자수송층으로는 산화인듐주석, 알루미늄이 도핑된 산화아연, 산화알루미늄주석, 그래핀, 금속 나노와이어, 탄소나노튜브 등을 사용할 수 있다. 이때, 상기 금속 나노와이어로는 예를 들면 금, 은, 알루미늄 또는 구리 나노와이어를 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전자수송층으로는 일함수가 높은 동시에 빛의 투과율이 우수한 산화인듐주석을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)에 있어서, 상기 정공수송층(4)은 상기 배리어층(3) 상부에 적층된다.
상기 정공수송층(4)으로는 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 아연(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타늄(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브덴(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 주석(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트륨(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 스트론튬-타이타늄(Sr-Ti)산화물, 플루오르화리튬(LiF), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아닐린(polyaniline), 및 폴리피롤(polypyrrole)을등을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 정공수송층(4)으로는 일함수가 높고, 정공전도도가 높으면서 투과율이 우수한 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 하기 실시예에서는 PEDOT:PSS을 사용하였다.
한편, 상기 배리어층(3)의 전자수송층과 배리어층(3) 상부에 적층되는 정공수송층(4)은 중간층(interlayer)으로서, 본 발명의 배리어층(3)을 형성한 유기 박막 태양전지(10)에서 생성된 전자와 정공을 받아 전하가 효과적으로 재결합할 수 있는 공간을 제공해주고, 전하의 수송을 담당하는 역할을 수행한다. 따라서, 본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)는 상기 정공수송층/전자수송층으로 이루어진 중간층을 포함하여 전력변환효율이 향상되는 특징이 있다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)에 있어서, 상기 유기계 광활성층(5)은 상기 정공수송층(4) 상부에 적층된다.
상기 유기계 광활성층(5)으로는 장파장의 빛을 흡수하는 밴드갭이 작은 유기재료를 사용할 수 있으며, PBDTTT-C(poly[4,8-bis-alkyloxybenzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-[alkyl thieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate]-2,6-diyl), 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]]), 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)]), PC61BM [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC71BM 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)에 있어서, 상기 금속전극층(6)은 상기 유기계 광활성층(5) 상부에 적층된다.
상기 금속전극층(6)은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 카드뮴(Cd), 구리(Cu) 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 금속전극층(6)은 전자 또는 정공을 받아들이는 전극의 역할을 한다.
또한, 본 발명은,
유연 기판상에 투명전극층을 코팅하는 단계(단계 1);
상기 투명전극층 상부에 배리어층을 적층하는 단계(단계 2);
상기 배리어층 상부에 정공수송층을 적층하는 단계(단계 3);
상기 정공수송층 상부에 유기계 광활성층을 적층하는 단계(단계 4); 및
상기 유기계 광활성층 상부에 금속전극층을 적층하는 단계(단계 5);를 포함하는 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 유연 기판(1)상에 투명전극층(2)을 적층하는 단계이다.
상기 단계 1의 유연 기판(1)으로는 PVC(polyvinyl chloride), PET (polyethylene terephthalate), PES(polyester), PEN(polyethylene naphthalate) 등을 사용할 수 있다.
상기 단계 1의 유연 기판(1)상에 적층되는 투명전극층(2)으로는 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al;), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 및 PEDOT:PSS 등을 사용할 수 있다.
상기 단계 1의 투명전극층(2)을 적층하는 방법으로는 스퍼터링, 금속유기화학증착(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 투명전극층(2) 상부에 배리어층(3)을 적층하는 단계이다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)에 있어서, 유기 박막 태양전지에 사용되는 기판(1), 특히 유연 재질 플라스틱 기판은 수분 및 산소 침투에 대한 저항성이 취약하여 유기 박막 태양전지의 장기안정성의 저하를 가져오는 요인이 된다. 이에, 수분 및 산소 침투에 대한 저항성을 높여 줄 필요가 있다.
이를 해결하기 위하여 종래 연구에서는 유연 기판(1), 예를 들어 플라스틱 기판 상부에 SiO2, SiOX 등을 증착하여 수분이나 산소 침투에 대한 저항을 높이는 연구가 수행되고 있으나, 이러한 연구에서는 장기안정성의 향상은 가져오지만, 전력변환효율의 향상은 기대할 수 없었다.
한편, 본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지의 경우에는, 투명전극층(4) 상부에 수분 차단 및 전력변환효율을 향상시킬 수 있는 배리어층(3)을 형성시킴으로써 유기 박막 태양전지(10)의 장기안정성을 확보함과 동시에 전력변환효율 또한 향상시킬 수 있다.
상기 단계 2의 배리어층(3)은 비정질 실리콘층/전자수송층의 순서대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 단계 2의 배리어층(3)의 비정질 실리콘층은 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층 또는 n형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/p형 비정질 실리콘층의 순서로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 n형 비정질 실리콘으로는 5가 원소인 인, 비소, 안티몬과 같은 원소가 도핑된 비정질 실리콘을 사용할 수 있고, i형 비정질 실리콘으로는 어떠한 불순물도 첨가되지 않은 비정질 실리콘을 사용할 수 있고, p형 비정질 실리콘은 3가 원소인 붕소, 칼륨과 같은 원소가 도핑된 비정질 실리콘을 사용할 수 있다.
이를 사용하여 상기 비정질 실리콘층을 적층하는 방법으로는 플라즈마화학기상증착법(Plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 등을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 비정질 실리콘층은 투명전극층 상부에 n형 비정질 실리콘층을 플라즈마화학기상증착법을 이용하여 적층시키고, 상기 n형 비정질 실리콘층 상부에 i형 비정질 실리콘층을 플라즈마화학기상증착법을 이용하여 적층시키고, 상기 i형 비정질 실리콘층 상부에 p형 비정질 실리콘층을 플라즈마화학기상증착법을 이용하여 적층시켜 형성할 수 있다.
상기 단계 2의 배리어층(3)의 전자수송층으로는 산화인듐주석, 알루미늄이 도핑된 산화아연, 산화알루미늄주석, 그래핀, 금속 나노와이어, 탄소나노튜브 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 금속 나노와이어로는 예를 들면 금, 은, 알루미늄 또는 구리 나노와이어를 사용할 수 있으나, 일함수가 높고 빛의 투과율이 우수한 산화인듐주석을 사용하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 전자수송층을 적층하는 방법으로는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)과 같은 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)의 제조방법에 있어서, 상기 단계 3은 배리어층(3) 상부에 정공수송층(4)을 적층하는 단계이다.
상기 단계 3의 정공수송층(4)으로는 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 아연(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타늄(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브덴(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 주석(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트륨(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 스트론튬-타이타늄(Sr-Ti)산화물, 플루오르화리튬(LiF), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아닐린(polyaniline), 및 폴리피롤(polypyrrole)을등을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 정공수송층(4)으로는 일함수가 높고, 정공전도도가 높으면서 투과율이 우수한 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 하기 실시예에서는 PEDOT:PSS을 사용하였다.
이때, 상기 정공수송층(4)을 적층하는 방법으로는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 등의 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)의 제조방법에 있어서, 상기 단계 4는 정공수송층(4) 상부에 유기계 광활성층(5)을 적층하는 단계이다.
상기 단계 4의 유기계 광활성층(5)으로는 장파장의 빛을 흡수하는 밴드갭이 작은 유기재료를 사용할 수 있으며, PBDTTT-C(poly[4,8-bis-alkyloxybenzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-[alkyl thieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate]-2,6-diyl), 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]]), 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)]), PC61BM [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC71BM 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
이때, 상기 유기계 광활성층(5)을 적층하는 방법으로는 스핀코팅과 같은 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)의 제조방법에 있어서, 상기 단계 5는 유기계 광활성층(5) 상부에 금속전극층(6)을 적층하는 단계이다.
상기 단계 5의 금속전극층(6)은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 카드뮴(Cd), 구리(Cu) 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
이때, 상기 금속전극층(6)을 적층하는 방법으로는 열증착법, 진공증착법과 같은 방법을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되며, 유연 기판(1)상에 투명전극층(2)/배리어층(3)/정공수송층(4)/유기계 광활성층(5)/금속전극층(6)이 순서대로 적층된 구조를 갖는 배리어층(3)이 형성된 유기 박막 태양전지(10)를 제공한다.
상기 유기 박막 태양전지(10)는 배리어층(3)을 포함하는 유기 박막 태양전지(10)로서, 배리어층(3)으로 인해 유연 기판(1)에 문제점인 수분 및 산소 침투를 극복하여 유기 박막 태양전지(10)의 수명을 향상시킬 수 있으며, 동시에 전력변환효율을 향상시켰다.
이하, 본 발명의 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 유기 박막 태양전지의 제조 1
단계 1: PEN(polyethylene naphthalate) 기판 위에 산화인듐주석(ITO)을 마그네트론 스퍼터링법을 통해 50 nm 두께로 적층하여 투명전극층을 제조하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 투명전극층 상부에 플라즈마화학기상증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVP)을 이용하여 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층을 각각 5 ㎚/70 ㎚/5 ㎚ 두께로 적층하였으며,
상기 n형 비정질 실리콘층 상부에 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 산화인듐주석을 50 ㎚ 두께로 적층하여 배리어층을 제조하였다.
상기 i형 비정질 실리콘층은 실란(SiH4) 및 수소(H2)의 혼합물로부터 얻었고, 상기 i형 비정질 실리콘을 구성하는 혼합물에 수소화붕소(BH4) 및 인화수소(PH3)를 각각 첨가하여 p형 비정질 실리콘 및 n형 비정질 실리콘을 얻었다.
단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 배리어층 상부에 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS)를 70 ㎚로 적층하였다. 상기 단계 완료 후, 150 ℃에서 1 분 동안 건조시켜 정공수송층을 제조하였다.
단계 4: 상기 단계 3에서 제조된 정공수송층 상부에 스핀코팅법을 이용하여 PBDTTT-C:PCBM(중량비, 1:2)과 디클로로벤젠수용액(농도, 2 중량%)과 혼합한 용액을 80 ~ 100 ㎚ 두께로 적층하였다. 상기 단계 완료 후, 상온에서 10 분간 건조시켜 유기계 광활성층을 제조하였다.
단계 5: 상기 단계 4에서 제조된 유기계 광활성층 상부에 열증착법을 이용하여 알루미늄을 100 ㎚ 두께로 적층하여 금속전극층을 제조하여 유기 박막 태양전지를 제조하였다.
<비교예 1> 유기 박막 태양전지의 제조 2
단계 1: PEN(polyethylene naphthalate) 기판 위에 산화인듐주석(ITO)을 마그네트론 스퍼터링법을 통해 50 nm 두께로 적층하여 투명전극층을 제조하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 투명전극층 상부에 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS)를 70 ㎚로 적층하였다. 상기 단계 완료 후, 150 ℃에서 1 분 동안 건조시켜 정공수송층을 제조하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 정공수송층 상부에 스핀코팅법을 이용하여 PBDTTT-C:PCBM(중량비, 1:2)과 디클로로벤젠수용액(농도, 2 중량%)과 혼합한 용액을 80 ~ 100 ㎚ 두께로 적층하였다. 상기 단계 완료 후, 상온에서 10 분간 건조시켜 유기계 광활성층을 제조하였다.
단계 4: 상기 단계 3에서 제조된 유기계 광활성층 상부에 열증착법을 이용하여 알루미늄을 100 ㎚ 두께로 적층하여 금속전극층을 제조하여 유기 박막 태양전지를 제조하였다.
<실험예 1> J-V 그래프 분석
본 발명에 따른 배리어층을 형성한 유기 박막 태양전지에서 전력변환효율에 대한 배리어층의 영향을 알아보기 위하여, 실시예 1 및 비교예 1의 유기 박막 태양전지에 대하여 전압에 대한 단락회로전류밀도를 시간에 따라 측정하고, 그 결과를 도 2 및 표 1에 나타내었다.
하기 표 1에서 단락회로전류밀도(Jsc), 개방회로전압(Voc) 및 곡선인자(Fill Factor, FF)는 태양전지의 전력변환효율을 특징 짓는 변수이다.
상기 단락회로전류밀도는 회로가 단락된 상태로, 외부저항이 없는 상태에서 빛을 받았을 때 나타나는 역방향(음의 값)의 전류밀도이다. 단락회로전류밀도는 입사광의 세기와 파장분포가 결정된 상태에서, 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합(recombination)하여 손실되지 않고 얼마나 효과적으로 전지 내부에서 외부회로 쪽으로 보내어지는가에 의존한다. 상기 광흡수에 의해 여기된 전자와 정공의 재결합에 의한 손실은 재료의 내부 또는 계면에서 일어날 수 있다.
상기 개방회로전압은 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이다.
상기 곡선인자는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압의 곱(Jmp×Vmp)을 단락회로전류밀도와 개방회로전압의 곱(Jsc×Voc)으로 나눈 값이다. 상기 곡선인자는 빛이 조사된 상태에서 J - V 곡선의 모양이 사각형에 얼마나 가까운가를 나타내는 지표이다.
태양전지의 전력변환효율는 태양전지에 의해 생산된 최대 전력과 입사광 에너지 Pin 사이의 비율이다.
단락회로전류밀도
(mA/cm2)		 개방회로전압
(V)		 곡선인자 전력변환효율
(%)
실시예1 5.66 1.40 0.56 4.51
비교예1 11.13 0.73 0.51 4.18
상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1의 유기 박막 태양전지는 비교예 1에 비해 단락회로전류밀도의 감소를 가져왔지만, 곡선인자 및 개방회로전압의 증가를 가져오는 것을 볼 수 있다. 특히, 개방회로전압의 경우에는 0.73 V에서 1.40 V로 매우 높이 증가하였다. 이로 인해, 전력변환효율은 4.18 %에서 4.51 %로 증가하였음을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 장기안정성 분석
본 발명에 따른 배리어층을 형성한 유기 박막 태양전지에서 배리어층으로 인한 안정성 향상을 알아보기 위하여, 실시예 1 및 비교예 1의 유기 박막 태양전지에 대하여 10 시간 동안에 전력변환효율 변화를 관찰하여 그 결과를 도 3에 나타내었다.
상기 도 3을 보면, 본 발명에 따른 실시예 1의 유기 박막 태양전지는 10시간이 지난 후에 전력변환효율이 약 10% 감소함을 나타내어 시간에 따른 전력변환효율의 감소폭이 적다는 것을 알 수 있다.
반면에, 비교예 1의 유기 박막 태양전지는 초기에도 낮은 전력변환효율을 나타내고, 시간에 따른 전력변환효율이 10시간 후에는 50% 이상 감소하는 것을 보아 시간에 따른 전력변환효율의 감소폭이 매우 큰 것을 확인할 수 있다.
이로부터, 본 발명에 따른 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지는 배리어층으로 비정질 실리콘층 및 전자수송층이 구성됨으로써, 높은 전력변환효율을 가지며, 장기안정성 또한 매우 우수한 것을 알 수 있다.
10: 유기 박막 태양전지
1: 유연 기판
2: 투명전극층
3: 배리어층
4: 정공수송층
5: 유기계 광활성층
6: 금속전극층

Claims (10)

  1. PVC(polyvinyl chloride), PET (polyethylene terephthalate), PES(polyester) 및 PEN(polyethylene naphthalate)을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유연 기판;
    상기 유연 기판상에 형성된 투명전극층;
    상기 투명전극층상에 적층된 비정질 실리콘층 및 전자수송층을 포함하는 배리어층;
    상기 배리어층상에 적층된 정공수송층;
    상기 정공수송층상에 적층된 유기계 광활성층; 및
    상기 유기계 광활성층상에 적층된 금속전극층을 포함하는 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 투명전극층은 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al;), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide), 은 나노와이어, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 및 PEDOT:PSS를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘층은 p형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/n형 비정질 실리콘층 및 n형 비정질 실리콘층/i형 비정질 실리콘층/p형 비정질 실리콘층것을 포함하는 것을 특징으로 하는 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전자수송층은 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al;), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide), 금속 나노와이어, 그래핀(graphene) 및 탄소나노튜브를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 정공수송층은 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 아연(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타늄(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브덴(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 주석(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트륨(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 스트론튬-타이타늄(Sr-Ti)산화물, 플루오르화리튬(LiF), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아닐린(polyaniline), 및 폴리피롤(polypyrrole)을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 유기계 광활성층은 PBDTTT-C(poly[4,8-bis-alkyloxybenzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-[alkyl thieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate]-2,6-diyl), 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]]), 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)]), PC61BM [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 PC71BM을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속전극층은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 카드뮴(Cd), 및 구리(Cu)로 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지.
  10. PVC(polyvinyl chloride), PET (polyethylene terephthalate), PES(polyester) 및 PEN(polyethylene naphthalate)을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 유연 기판 상부에 투명전극층을 코팅하는 단계(단계 1);
    상기 투명전극층 상부에 비정질 실리콘층 및 전자수송층을 포함하는 배리어층을 적층하는 단계(단계 2);
    상기 배리어층 상부에 정공수송층을 적층하는 단계(단계 3);
    상기 정공수송층 상부에 유기계 광활성층을 적층하는 단계(단계 4); 및
    상기 유기계 광활성층 상부에 금속전극층을 적층하는 단계(단계 5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 배리어층이 형성된 유기 박막 태양전지의 제조방법.
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