KR101465435B1 - 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지 - Google Patents
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Abstract
자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지가 개시된다. 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지는 기판; 기판 상에 위치된 하부 전극; 하부 전극층 상에 위치되고, 전자 수송층, 상기 전자수송층 상에 위치된 광 흡수층; 광흡수층 내부에 포함되어 자기정렬(self-aligned) 되어있는 강유전체; 및 광흡수층 상의 상부 전극을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 유기 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는, 외부에서 들어온 빛에 의해 태양전지의 반도체 내부에서 전자와 정공의 쌍이 생성되고, 이러한 전자와 정공의 쌍에서 PN 접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 N형 반도체로 이동하고 정공은 P형 반도체로 이동함으로써 전력을 생산한다.
종래의 유기 태양전지 및 기타 다양한 태양전지의 경우 내부 자유캐리어들의 재결합 등의 다양한 에너지 손실로 인하여 이론적인 값보다 낮은 효율을 가진다.
이를 해결하기 위한 방안으로 강유전체를 이용하여 재결합을 방지하고 이로 인한 효율 향상에 관한 연구가 진행되고 있으며, 일 예로, 강유전체 물질을 이용한 미국특허 제4365106호가 있다. 여기서는 강유전체 물질의 온도에 따른 분극량의 변화를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾼다. 금속-절연체-반도체(MIS: metal-insulator-semiconductor) 구조에서 절연체로서 강유전체를 사용하는데 외부에서 들어온 빛에 의해서 강유전체의 온도가 바뀔 수 있고 이 경우 강유전체의 표면 분극 전하량이 변하면서 전하가 생성된다. 이렇게 생성된 전하는 강유전체와 반도체 사이에 강한 전기장을 형성하게 되고 반전층(inversion layer)이 형성되어 결국 pn 접합의 역할을 할 수 있게 된다.
그러나, 태양전지 내의 캐리어 손실에 영향이 없도록 강유전체를 도입하기 위해서는 나노 사이즈의 패터닝, 구조 설계 등의 고비용이 지출되는 추가 공정이 필요하다.
또한, 태양전지의 효율을 높이기 위한 다른 방안으로, 계면 상에 두꺼운 박막을 이용하여 강유전체의 강유전성을 크게함으로써, 태양전지의 효율을 높이는 것이 고려될 수 있다. 그러나, 강유전체는 일반적으로 저항이 크고, 강유전체의 강유전성을 크게 하기 위하여 두꺼운 박막을 사용하게 되면, 두꺼운 박막이 자유캐리어의 흐름을 막기 때문에 오히려 태양전지의 효율이 낮아질 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 유기 태양전지의 광 흡수층에 자기정렬 강유전체를 적용함으로써, 유기 태양전지의 내부 전기장을 제어할 수 있고, 유기 태양전지의 효율이 향상될 수 있는 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 위치된 하부 전극; 상기 하부 전극층 상에 위치된 광 흡수층; 상기 광흡수층 내부에 포함되어 자기정렬(self-aligned) 되어있는 강유전체; 및 상기 광흡수층 상의 상부 전극을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지는 상기 광흡수층과 상기 상부 전극 사이에 위치하는 정공 수송층을 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 정공 수송층은, P-형(Type) 불순물이 도핑된, 산화몰리브덴(MoO3), 산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 산화그래핀(graphene oxide) 또는 PEDOT:PSS 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지는 상기 광흡수층과 상기 상부 전극 사이에 위치하는 전자 수송층을 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 전자 수송층은, N-형(Type) 불순물이 도핑된, 산화아연(ZnO), 이산화티타늄(TiO2), 주석산아연(ZnSnO3) 또는 탄산세슘(Cs2CO3) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 상부 전극은, 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(Cu) 또는 그래핀(Graphene) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 하부 전극은, 인듐주석산화물(ITO), 그래핀(graphene) 또는 불소산화주석(FTO) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 광 흡수층은, 상기 강유전체가 내부에 포함되어 있는 억셉터층; 및 상기 억셉터층 상에 위치되고, 상기 강유전체가 내부에 포함되어 있는 도너층;을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 광 흡수층은, F8T2, P3HT, NDI, Poly(3-hexylthiophene), MEH-PPV, PVT, PTAA, MDMO-PPV, ZnPc, Phthalocyanine, Pentacene, F16PcCu, Perylene, PDI, PTCDA, α-sexithiophene, C60, PCBM, PBDTBT, PBDTTPD, PCDTBT, PBDTTT 그룹(group), 2D-PT, P3HDTTT 또는 P3HS 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로, 상기 강유전체는, P(VDF-TrFE), PVDF, P(VDF-TrFE-CFE), Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT), Bi4Ti3O12 또는 BaTiO3(BT) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 강유전체와 광 흡수층의 고유의 특성을 통하여 자기 정렬된 강유전체를 이용함으로써 유기 태양전지의 효율이 향상될 수 있는 최적의 구조를 실현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지는 종래와 다른 새로운 구조를 갖기 때문에, 종래의 유기 태양전지에 비하여 높은 효율을 갖을 수 있다.
또한, 효율이 높은 유기 태양전지를 제공함으로써 친환경 에너지 분야의 경쟁을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 또다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 또다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 또다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 또다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬(self-aligned) 강유전체가 내부에 포함되어 있는 광 흡수층의 상면과 하면의 전계방사형 전자현미경(FE-SEM) 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 단면의 전계방사형 전자현미경(FE-SEM) 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광 흡수층의 EFM amplitude 이미지 및 EFM phase 이미지이다.
도 7a는 종래의 유기 태양전지의 출력전압과 출력전류밀도를 나타낸 그래프와 이를 확대한 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 출력전압과 출력전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 강유전체의 다이폴이 변경되는 경우의 출력전압과 출력전류밀도를 각각 나타낸 그래프이다.
도 9a는 종래의 유기 태양전지의 출력전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 Forward bias poling한 후의 출력전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 Reverse bias poling한 후의 출력전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 또다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 또다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 또다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 또다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬(self-aligned) 강유전체가 내부에 포함되어 있는 광 흡수층의 상면과 하면의 전계방사형 전자현미경(FE-SEM) 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 단면의 전계방사형 전자현미경(FE-SEM) 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광 흡수층의 EFM amplitude 이미지 및 EFM phase 이미지이다.
도 7a는 종래의 유기 태양전지의 출력전압과 출력전류밀도를 나타낸 그래프와 이를 확대한 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 출력전압과 출력전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 강유전체의 다이폴이 변경되는 경우의 출력전압과 출력전류밀도를 각각 나타낸 그래프이다.
도 9a는 종래의 유기 태양전지의 출력전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 Forward bias poling한 후의 출력전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 Reverse bias poling한 후의 출력전압을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 일 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지(100)는 기판(10), 하부 전극(20), 광 흡수층(40) 및 상부 전극(70)을 포함할 수 있다. 또한, 유기 태양전지(100)의 효율을 증가시키기 위하여, 도 1b에 도시된 바와 같이 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지(100)는 전자 수송층(30) 및 정공 수송층(60)을 더 포함할 수 있다.
기판(10)은 태양 광이 투과될 수 있는 투명한 기판이고, 기판(10)을 통하여 본 발명의 실시예에 따른 유기 태양전지(100)로 태양 광이 들어올 수 있다. 일 예로, 기판(10)은 플렉시블(Flexible)한 기판일 수 있고, 유리(glass) 기판 또는 플라스틱 기판이 사용될 수 있다.
유리 기판으로는 박형 유리(Ultra-Thin Glass)가 사용될 수 있고, 플라스틱 기판으로는 PC(Polycarbonate), PET(Polyethylene Teraphthalate), PES(Polyether Sulfone), PI(Polyimide), Polynorbonene, PEN(Polyethylene Naphthalate) 또는 Arylite 가 사용될 수 있다.
하부 전극(20)은 기판(10) 상에 위치될 수 있고, 태양 빛에 의하여 여기된 전자가 흐를 수 있도록하는 양극(cathode) 역할을 수행할 수 있다. 또한, 하부 전극(20)은 투명한 재질로 이루어진 전극일 수 있다. 일 예로, 하부 전극(20)으로, 인듐주석산화물(ITO), 그래핀(graphene) 또는 불소산화주석(FTO) 중 하나 이상이 사용될 수 있다.
전자 수송층(30)은 하부 전극(20) 상에 위치될 수 있고, 광흡수층(40)에서 생성된 전자(electron)를 하부 전극(20)으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 일 예로, 전자 수송층(30)으로 N 형(Type) 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 전자 수송층은 N-형 불순물이 도핑된 산화아연(ZnO), 이산화티타늄(TiO2), 주석산아연(ZnSnO3), 탄산세슘(Cs2CO3) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 전자 수송층(30)은 전자를 받을 수 있는 억셉터(Acceptor) 역할을 수행할 수 있다.
광 흡수층(40)은 전자 수송층(30) 상에 위치될 수 있고, 태양 광을 흡수하여 여기자(exciton)를 생성할 수 있다. 광 흡수층(40)은 태양광을 흡수하는 활성물질과 강유전체(50)를 포함한다. 또한 광 흡수층(40)은 전자를 주는 도너(Donor)의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 광 흡수층(40)은 전자를 서로 주고 받을 수 있는 유기물 및 무기물이 차례로 적층된 이중층 이종접합(bilayer heterojunction) 형태를 포함할 수 있다.
일 예로, 광 흡수층(40)의 활성물질로는 F8T2, P3HT, NDI, Poly(3-hexylthiophene), MEH-PPV, PVT, PTAA, MDMO-PPV, ZnPc, Phthalocyanine, Pentacene, F16PcCu, Perylene, PDI, PTCDA, α-sexithiophene, C60, PCBM, PBDTBT, PBDTTPD, PCDTBT, PBDTTT 그룹(group), 2D-PT, P3HDTTT 또는 P3HS 중 하나 이상이 사용될 수 있다.
강유전체(50)는 광 흡수층(40) 내부에 포함되어 자기정렬(self-aligned) 되어있을 수 있고, 강유전체(50)를 통하여 전자의 흐름을 제어할 수 있다. 전자의 흐름을 제어함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지(100)의 효율을 제어할 수 있다. 강유전체(50)를 통하여 전자의 흐름을 제어하는 것에 대하여는 아래에서 설명하기로 한다.
강유전체(50)로 유기물 또는 무기물이 사용될 수 있다. 일 예로, 유기물은 P(VDF-TrFE), PVDF 또는 P(VDF-TrFE-CFE) 중 하나 이상이 사용될 수 있고, 일 예로, 무기물은 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT), Bi4Ti3O12 또는 BaTiO3(BT) 중 하나 이상이 사용될 수 있다.
정공 수송층(60)은 광 흡수층(40) 상에 위치될 수 있고, 광 흡수층(40)에서 생성된 전자가 상부 전극(70)으로 흐르지 않도록 막하주는 역할을 수행할 수 있다. 정공 수송층(60)은 예를 들면,P-형 불순물이 도핑된 산화몰리브덴(MoO3), 산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 산화그래핀(graphene oxide) 또는 PEDOT:PSS 중 하나 이상이 사용될 수 있다.
상부 전극(70)은 정공 수송층(60) 상에 위치될 수 있고, 음극(anode)의 역할을 수행할 수 있다. 일 예로, 상부 전극(70)으로 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(Cu) 또는 그래핀(Graphene) 중 하나 이상이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)는 자기정렬 강유전체(50)를 포함하고 있기 때문에, 강유전체(50)의 다이폴(dipole) 정렬을 제어할 수 있는 폴링(poling), 예를 들면, 직접적인 외부전기장을 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)에 인가하여 강유전체(50)의 다이폴을 정렬하거나, 코로나 폴링(Corona poling)을 이용하여 강유전체(50)의 다이폴을 정렬하여, 강유전체(50)의 분극화를 제어함으로써, 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)의 효율을 제어할 수 있다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 또다른 실시예를 설명하기 위한 도면이고, 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 또다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1c 및 도 1d를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지(100)는 기판(10), 하부 전극(20), 광 흡수층(40), 상부 전극(70)을 포함할 수 있다. 또한, 유기 태양전지(100)의 효율을 증가시키기 위하여, 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지(100)는 도 1d에 도시된 바와 같이 전자 수송층(30) 및 정공 수송층(60)을 더 포함할 수 있다.
기판(10), 하부 전극(20) 및 상부 전극(70)은 도 1a 및 도 1b에 도시된 기판(10), 하부 전극(20) 및 상부 전극(70)과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
광 흡수층(40)은 하부 전극(20) 상에 위치될 수 있고, 태양 광을 흡수하여 여기자(exciton)를 생성할 수 있다. 광 흡수층은 태양광을 흡수하는 활성물질과 강유전체 물질을 포함한다.
또한, 광 흡수층(40)은 도너층(Donor), 억셉터층(Acceptor) 및 강유전체(50)를 포함하고, 억셉터층 상에 도너층이 위치할 수 있다. 강유전체(50)는 도너층 내부에 포함되어 자기정렬(self-aligned)되어 있을 수 있고, 또한, 강유전체(50)는 억셉터층 내부에 포함되어 자기정렬되어 있을 수 있다.
도너층 및 억셉터층이 모두 유기물로 이루어진 경우, 강유전체(50) 도너층 및 억셉터층 각각에 포함되어 자기정렬될 수 있다. 광 흡수층(40) 내부에 포함되어 자기정렬(self-aligned) 되어있는 강유전체(50)를 통하여 전자의 흐름을 제어할 수 있다.
강유전체(50)로 유기물 또는 무기물이 사용될 수 있다. 일 예로, 유기물은 P(VDF-TrFE), PVDF 또는 P(VDF-TrFE-CFE) 중 하나 이상이 사용될 수 있고, 일 예로, 무기물은 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT), Bi4Ti3O12 또는 BaTiO3(BT) 중 하나 이상이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)는 자기정렬 강유전체(50)를 포함하고 있기 때문에, 강유전체(50)의 다이폴(dipole) 정렬을 제어할 수 있는 폴링(poling), 예를 들면, 직접적인 외부전기장을 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)에 인가하여 강유전체(50)의 다이폴을 정렬하거나, 코로나 폴링(Corona poling)을 이용하여 강유전체(50)의 다이폴을 정렬하여, 강유전체(50)의 분극화를 제어함으로써, 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)의 효율을 제어할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 또다른 실시예를 설명하기 위한 도면이고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 또다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지(100)는 기판(10), 하부 전극(20), 광 흡수층(40), 상부 전극(70)을 포함할 수 있다. 또한, 유기 태양전지(100)의 효율을 증가시키기 위하여, 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지(100)는 하부 전극(20)과 광 흡수층(40) 사이에 위치하는 전자 수송층(30) 및 광 흡수층(40)과 상부전극(70) 사이에 위치하는 정공 수송층(60)을 더 포함할 수 있다.
광 흡수층(40)은 태양 광을 흡수하여 여기자(exciton)를 생성할 수 있고, 광 흡수층은 전자를 서로 주고 받을 수 있는 유기물들 또는 무기물들이 서로 혼합된 이종접합(bulk heterojunction)형태를 가질 수 있다. 일 예로, 플러렌 그룹(fullerene group)이 혼합된 이종접합 형태를 가질 수 있다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 제조하는 방법은 기판(10)을 준비(S1)하고, 기판(10) 상에 하부 전극(20)을 형성(S2)한다. 하부 전극(20)은 인듐주석산화물(ITO) 또는 불소산화주석(FTO)를 증착하거나 그래핀(graphene)을 전사함으로써 형성될 수 있다.
다음으로, 하부 전극(20) 상에 전자 수송층(30)을 형성(S3)한다. 전자 수송층(30)은 N 형(Type) 반도체 물질로 형성될 수 있고, 예를 들면, 화학기상증착법, 졸겔법, 스퍼터링법 또는 용액합성법 등을 통하여 형성될 수 있다.
다음으로, 전자 수송층(30) 상에 자기정렬(self-aligned) 강유전체(50)가 포함되어 있는 광 흡수층(40)을 형성(S4)한다. 예를 들면, 강유전체 물질과 광 흡수 물질을 용매에 용해시킨 후 전자 수송층(30) 상에 도포하고, 용매를 제거한 후 (Solvent evaporation), 열처리(Thermal annealing)를 수행함으로써 자기 정렬된 강유전체를 포함하는 광흡수층(40)을 형성할 수 있다.
다음으로, 광 흡수층(40) 상에 정공 수송층(60)을 형성(S5)한다. 예를 들면, 광 흡수층(40) 상에 P-형 불순물이 도핑된 반도체 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
마지막으로 정공 수송층(60) 상에 상부 전극(70)을 형성(S6)함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지(100)를 제조할 수 있다.
이하 실시예1을 통하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
[실시예 1]
기판(10)을 준비(S1)하고, 기판(10) 상에 인듐주석산화물(ITO)을 스퍼터링법을 이용하여 하부 전극(20)을 형성(S2)한다. 다음으로, 하부 전극(20) 상에 산화아연(ZnO)을 화학기상증착법, 졸겔법, 스퍼터링법 또는 용액합성법 등을 이용하여 전자 수송층(30)을 형성(S3)한다. 다음으로, 전자 수송층(30) 상에 자기정렬(self-aligned) 강유전체(50)가 포함되어 있는 광 흡수층(40)을 형성(S4)한다.
즉, 강유전체인 P(VDF-TrFE) 및 광 흡수층(40)을 이루는 P3HT를 각각 테트라하이드로퓨란(TetraHydroFuran, THF) 용매에 용해시킨 후 전자 수송층(30) 상에 분사한 후 솔벤트를 제거하고(Solvent evaporation), 열처리(Thermal annealing)를 하여 자기 정렬된 강유전체를 포함하는 광흡수층(40)을 형성한다.
다음으로, 광 흡수층(40) 상에 P-형 불순물이 도핑된 산화몰리브덴(MoO3)을 코팅하고, 증발기(evaporaot)를 이용하여 증발시켜 정공 수송층(60)을 형성(S5)한다. 마지막으로 정공 수송층(60) 상에 은(Ag)을 코팅하고 증발기(evaporaot)를 이용하여 증발시켜 상부 전극(70)을 형성(S6)함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지(100)를 제조할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬(self-aligned) 강유전체가 내부에 포함되어 있는 광 흡수층의 상면과 하면의 전계방사형 전자현미경(FE-SEM) 이미지이다.
도 4를 참조하면, (b)는 광 흡수층(40)의 상면의 이미지이고, (c)는 광 흡수층(40)의 하면의 이미지이다. 각 이미지에서 원형 부분은 광 흡수층(40)을 이루는 P3HT이고, 그 이외의 부분은 강유전체(50)인 P(VDF-TrFE)를 나타낸다.
이를 통하여, 강유전체는 강유전물질끼리 서로 결합되어 있고, 광 흡수층을 구성하는 유기물끼리 서로 결합되어 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 강유전체(50)는 광 흡수층(40) 내부에서 자기정렬되는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 단면의 전계방사형 전자현미경(FE-SEM) 이미지이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지(100)는, 유리로 이루어진 기판(10), 인듐주석산화물(ITO)로 이루어진 하부 전극(20), 산화아연(ZnO)으로 이루어진 전자 수송층(30), 강유전체인 P(VDF-TrFE)를 내부에 포함하고, P3HT로 이루어진 광 흡수층(40), 산화몰리브덴(MoO3)으로 이루어진 정공 수송층(60) 및 은(Ag)으로 이루어진 상부 전극(70) 순으로 차례로 적층되어 있는 구조임을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광 흡수층의 EFM amplitude 이미지 및 EFM phase 이미지이다.
본 발명의 실시예에 따른 광 흡수층(40) 내부에 포함된 강유전체(50)의 강유전 특성을 확인하기 위하여, 광 흡수층(40)에 전계를 인가하고, 전계에 의하여 변화되는 부분을 EFM(Electrostatic Force Microscpoe)을 이용하여 촬영하였다.
도 6을 참조하면, (e)는 EFM amplitude 이미지이고, (f)는 EFM phase 이미지이다. EFM amplitude 이미지에서 어두운 부분이 강유전체(50)인 P(VDF-TrFE)이고, EFM phase 이미지에서 밝은 부분이 강유전체(50)인 P(VDF-TrFE)이다. 상기 이미지들을 통하여, 본 발명의 강유전체(50)는 강유전 특성을 가짐을 확인할 수 있다.
도 7a는 종래의 유기 태양전지의 출력전압과 출력전류밀도를 나타낸 그래프와 이를 확대한 그래프이고, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지의 출력전압과 출력전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 7a의 1 sun은 태양 빛을 조사하였을 경우의 종래의 유기 태양전지의 출력전압과 출력전류밀도를 나타낸 그래프이고, Dark는 태양 빛이 조사되지 않을 경우의 종래의 유기 태양전지의 출력전압과 출력전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 7a의 붉은색 그래프 중 꼭지점을 살펴보면, 종래의 유기 태양전지의 출력전압은 약 0.005 V이고, 출력전류밀도는 약 20.16 ㎂/㎠임을 확인할 수 있고, 이론적인 태양전지의 출력전압이 대략 0.2 내지 0.6 V인 것을 고려하면, 종래의 유기 태양전지는 많은 에너지의 손실이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
도 7b의 1 sun은 태양 빛을 조사하였을 경우의 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)의 출력전압과 출력전류밀도를 나타낸 그래프이고, Dark는 태양 빛이 조사되지 않을 경우의 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)의 출력전압과 출력전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 7b의 붉은색 그래프 중 꼭지점을 살펴보면, 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)의 출력전압은 약 0.318 V이고, 출력전류밀도는 약 36.35 ㎂/㎠임을 확인할 수 있다. 이를 도 7a와 비교하여 보면, 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)의 출력전압과 출력전류밀도가 종래의 유기 태양전지의 출력전압과 출력전류밀도보다 각각 향상되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 7a 및 도 7b 각각의 검은색 그래프에서 출력전압이 음의 값을 갖는 경우의 출력전류밀도의 최대치를 서로 비교하면, 종래의 유기 태양전지의 출력전류밀도가 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)의 출력전류밀도보다 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)는 종래의 유기 태양전지보다 누설 전류(Leakage Current)가 작다는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)는 종래의 유기 태양전지보다 광전변환 특성이 개선되는 효과가 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 강유전체의 다이폴이 변경되는 경우의 출력전압과 출력전류밀도를 각각 나타낸 그래프이다.
도 8의 W/O(without) poling은 폴링을 하지 않은 상태를 의미하고, Forward bias poling는 폴링을 통하여 전자 수송층(30)인 ZnO layer와 강유전체(50)인 PVDF를 포함하고, P3HT로 이루어진 광 흡수층(40)간의 계면에 플러스(+) 전하가 위치하도록 한 상태를 위미한다. 또한, Reverse bias poling은 폴링을 통하여 전자 수송층(30)인 ZnO layer와 강유전체(50)인 P3HT를 포함하고, PVDF로 이루어진 광 흡수층(40)간의 계면에 마이너스(-) 전하가 위치하도록 한 상태를 위미한다.
도 8을 참조하면, 각 그래프의 꼭지점을 기준으로 폴링에 따라 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)의 출력전압과 출력전류밀도가 각각 변경되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)는 출력전압과 출력전류밀도의 변경이 각각 가능하므로 사용환경에 따라 광전환 특성을 변경 또는 제어하는 것이 가능한 효과가 있다.
도 9a는 종래의 유기 태양전지의 출력전압을 설명하기 위한 도면이고, 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 Forward bias poling한 후의 출력전압을 설명하기 위한 도면이고, 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지를 Reverse bias poling한 후의 출력전압을 설명하기 위한 도면이다.
각각의 도면에서 Ec는 반도체의 컨덕션밴드(Conduction band)를 나타내고, Ev는 반도체의 밸런스밴드(Valence band)를 나타내고, 도 9b 및 도 9c의 점선으로 표시된 각각의 그래프는 도 9a에서 표시된 각각의 그래프를 나타낸다. 또한, 도 9a의 Voc1는 종래의 유기 태양전지의 이론적인 출력전압을 나타내고, Voc2는 종래의 유기 태양전지의 실제 측정된 출력전압을 나타낸다. 참고로, 이론적인 출력전압(Voc1)은 약 0.8 내지 1V 이다.
도 9a를 참조하면, 이론적인 출력전압(Voc1) 보다 실제 측정된 출력전압(Voc2)이 낮다는 것을 확인할 수 있다. 이는 유기 태양전지 내부의 캐리어들의 재결합 등에 의하여 많은 에너지가 손실되기 때문이다.
도 9b 및 도 9c를 참조하면, Forward bias poling이 이루어진 경우, 출력전압(Voc3)가 이론적인 출력전압(Voc1) 및 실제 측정된 출력전압(Voc2)보다 크다는 것을 확인할 수 있다. 또한, Reverse bias poling이 이루어진 경우, 출력전압(Voc4)가 이론적인 출력전압(Voc1) 및 실제 측정된 출력전압(Voc1)보다 작다는 것을 확인할 수 있고, 이는 페르미 레벨의 상승 또는 하강 때문에 에너지 밴드의 갭이 변경되기 때문이다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자기정렬 강유전체(50)를 포함하는 유기 태양전지(100)는 출력전압의 변경이 가능 효과가 있음을 다시 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지
10: 기판 20: 하부 전극
30: 전자 수송층 40: 광 흡수층
50: 강유전체 60: 정공 수송층
70: 상부 전극
10: 기판 20: 하부 전극
30: 전자 수송층 40: 광 흡수층
50: 강유전체 60: 정공 수송층
70: 상부 전극
Claims (10)
- 기판;
상기 기판 상에 위치된 하부 전극;
상기 하부 전극층 상에 위치된 광 흡수층;
상기 광흡수층 내부에 포함되어 자기정렬(self-aligned) 되어있는 강유전체; 및
상기 광흡수층 상의 상부 전극을 포함하고,
외부 전기장이 인가되는 경우 상기 강유전체의 분극화가 제어될 수 있는, 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 광흡수층과 상기 상부 전극 사이에 위치하는 정공 수송층을 더 포함하는, 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지.
- 제2항에 있어서,
상기 정공 수송층은,
P-형(Type) 불순물이 도핑된, 산화몰리브덴(MoO3), 산화니켈(NiO), 산화구리(CuO), 산화그래핀(graphene oxide) 또는 PEDOT:PSS 중 하나 이상을 포함하는, 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 광흡수층과 상기 상부 전극 사이에 위치하는 전자 수송층을 더 포함하는, 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지.
- 제4항에 있어서,
상기 전자 수송층은,
N-형(Type) 불순물이 도핑된, 산화아연(ZnO), 이산화티타늄(TiO2), 주석산아연(ZnSnO3) 또는 탄산세슘(Cs2CO3) 중 하나 이상을 포함하는, 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 상부 전극은,
은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(Cu) 또는 그래핀(Graphene) 중 하나 이상을 포함하는, 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 하부 전극은,
인듐주석산화물(ITO), 그래핀(graphene) 또는 불소산화주석(FTO) 중 하나 이상을 포함하는, 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 광 흡수층은,
상기 하부 전극 상에 위치한 억셉터층; 및
상기 억셉터층 상에 위치한 도너층;을 포함하고,
상기 강유전체는 상기 억셉터층 및 상기 도너층 중 적어도 하나의 내부에 위치하는, 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 광 흡수층은,
F8T2, P3HT, NDI, Poly(3-hexylthiophene), MEH-PPV, PVT, PTAA, MDMO-PPV, ZnPc, Phthalocyanine, Pentacene, F16PcCu, Perylene, PDI, PTCDA, α-sexithiophene, C60, PCBM, PBDTBT, PBDTTPD, PCDTBT, PBDTTT 그룹(group), 2D-PT, P3HDTTT 및 P3HS으로 이루어진 그룹에선 선택된 하나 이상을 포함하는, 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 강유전체는,
P(VDF-TrFE), PVDF, P(VDF-TrFE-CFE), Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT), Bi4Ti3O12 및 BaTiO3(BT)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020130083881A KR101465435B1 (ko) | 2013-07-17 | 2013-07-17 | 자기정렬 강유전체를 포함하는 유기 태양전지 |
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|---|---|
| KR101465435B1 true KR101465435B1 (ko) | 2014-11-26 |
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ID=52291661
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| KR (1) | KR101465435B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020504455A (ja) * | 2017-10-24 | 2020-02-06 | ▲華▼中科技大学Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ | 強誘電体強化太陽電池及びその製造方法 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20100090318A (ko) * | 2009-02-06 | 2010-08-16 | 단국대학교 산학협력단 | 저전압 고효율 유기 전자 소자 및 그 제조방법 |
| KR20120123826A (ko) * | 2011-05-02 | 2012-11-12 | 서울대학교산학협력단 | 플라즈몬 공명을 이용한 유기박막 태양전지 및 그의 제조방법 |
-
2013
- 2013-07-17 KR KR1020130083881A patent/KR101465435B1/ko active IP Right Grant
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