KR101534767B1 - 연결 유닛을 포함하는 적층형 유기태양전지 - Google Patents

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Abstract

기판; 상기 기판 위의 애노드; 상기 애노드 위의 하부 전지; 상기 하부 전지 위에 위치하고 상기 하부 전지의 흡수 파장과 다른 파장의 광을 흡수하는 상부 전지; 상기 하부 전지와 상기 상부 전지 사이에서 상기 하부 전지와 상기 상부 전지를 직렬로 연결하는 연결 유닛; 및 상기 상부 전지 위의 캐소드; 를 포함하는 적층형 유기태양전지를 제공한다. 이때 상기 연결 유닛은 상기 하부 전지와 접촉하고 전자 수송성 물질로 이루어진 전자 수송층, 상기 상부 전지와 접촉하고 p형 도펀트로 도핑된 정공 수송성 물질을 포함하는 정공 수송층, 상기 전자 수송층과 상기 정공 수송층 사이의 금속층을 포함한다.

Description

연결 유닛을 포함하는 적층형 유기태양전지{Organic photovoltaics with an interconnection unit}
본 발명은 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 연결 유닛을 포함하는 적층형 유기태양전지에 관한 것이다.
유기태양전지는 지속 사용가능한 에너지원으로 주목받고 있으나, 광흡수 강도가 약하고 활성층의 광흡수 파장의 범위가 제한되는 문제가 있다. 이를 극복하기 위하여 적층형 태양전지가 제안되었다. 최소한의 흡수파장 오버랩을 갖는 2개의 태양전지의 직렬 연결은 큰 개방전압(Voc)을 생성하고, 넓은 파장 범위에 걸쳐서 빛을 흡수할 수 있도록 한다.
적층형 태양전지에서 2개의 하위(sub) 태양전지의 직렬연결시 연결 유닛(interconnection unit)이 사용된다. 연결 유닛에서 2개의 하위 태양전지의 전하 운반자들이 재결합(recombination) 가능하여야 하고, 광학 손실(optical loss)을 줄이기 위하여 연결 유닛이 투명하여야 한다. 또한, 개방전압의 손실을 막기 위해 하위 태양전지간의 에너지 레벨 (Energy level alignment)를 맞춰주는 역할을 하여야 하고, 하위 전지 중 하나에 전하가 축적되어 효율을 열화시키는 것을 방지하기 위하여 하위 전지 사이의 전류 매칭(current matching)이 이루어져야 한다.
지금까지 제안된 연결 유닛은 크게 p-n 접합 연결 유닛과 금속 박막 연결 유닛으로 나눌 수 있다.
p-n 접합 연결 유닛은 p-도핑층과 n-도핑층으로 이루어져 있으며, 하위 전지들 사이의 에너지 레벨을 정렬하는데(에너지 장벽을 줄이는데) 유리하지만, n-도펀트가 미리 적층된 층으로 확산되어 전류 손실을 발생시키고, 일함수(work function)가 작기 때문에 산소에 대하여 불안정한 문제가 있다. 또한, 억셉터로부터 재결합 콘택으로의 효율적인 전자 수송을 위하여 n-도핑을 위한 호스트로서 억셉터 물질이 사용되므로 연결 유닛에서 흡수 손실이 일어난다.
금속 박막 연결 유닛은 금속 박막이 유기 또는 금속 산화물층과 결합되어 있다. 금속 박막 연결 유닛에서는 매우 얇은 금속 박막의 두께로 인하여 금속층에서의 광흡수가 무시할만 하고, 레늄 산화물 또는 몰리브데늄 산화물과 같은 금속 산화물이 유기태양전지의 활성창에서 투명하므로 흡수 손실이 최소화될 수 있다. 나아가 전하 운반자 재결합이 금속층에서 효율적으로 일어나서 개방 전압(Voc) 손실이 줄어들 수 있다. 그러나 금속 박막 연결 유닛에서는 금속 산화물층의 두께가 증가하면 전기 전도도가 감소하므로 마이크로 공동 구조의 광학적 조절층으로서 적절한 역할을 못하여 필 팩터(fill factor)가 감소할 수 있다.
광학적으로 투명하고, 전압 손실을 적게 하고, 광학적 조절층(optical spacer)으로 작용하는 연결 유닛을 포함하는 적층형 유기태양전지를 제공한다.
일 측면에 따라, 기판; 상기 기판 위의 애노드; 상기 애노드 위의 하부 전지;
상기 하부 전지 위에 위치하고 상기 하부 전지의 흡수 파장과 다른 파장의 광을 흡수하는 상부 전지; 상기 하부 전지와 상기 상부 전지 사이에서 상기 하부 전지와 상기 상부 전지를 직렬로 연결하는 연결 유닛; 및 상기 상부 전지 위의 캐소드; 를 포함하는 적층형 유기태양전지를 제공한다. 이때 상기 연결 유닛은 상기 하부 전지와 접촉하고 전자 수송성 물질로 이루어진 전자 수송층, 상기 상부 전지와 접촉하고 p형 도펀트로 도핑된 정공 수송성 물질을 포함하는 정공 수송층, 상기 전자 수송층과 상기 정공 수송층 사이의 금속층을 포함한다.
상기 적층형 유기태양전지는 마이크로 공동 구조를 갖고, 상기 연결 유닛이 공진 조건을 만족시키는 광학적 조절층의 역할을 할 수 있다.
상기 하부 전지는 제1 도너층과 제1 억셉터층을 포함하는 제1 광활성층을 포함하고, 상기 상부 전지는 제2 도너층과 제2 억셉터층을 포함하는 제2 광활성층을 포함할 수 있다.
직렬로 연결되는 두 유기태양전지 사이에 전자 수송층, 금속층 및 p-도핑된 정공 수송층으로 이루어진 연결 유닛을 사용함으로써 광학적 손실과 전압 손실이 적고 광학적 조절층(optical spacer)을 가지면서 발광 효율이 높은 적층형 유기태양전지를 제공할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 적층형 유기태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 실험예 1 내지 실험예 3의 필름의 광흡수율 및 실험예 4 및 실험예 5의 필름의 광투과도를 측정한 그래프이다.
도 3은 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1의 유기태양전지의 전류 밀도 대 전압의 특성을 측정한 그래프이다.
도 4는 비교예 3, 실시예 1, 실시예 5 및 실시예 6의 유기태양전지의 전류 밀도 대 전압의 특성을 측정한 그래프이다.
도 5는 실시예 1의 유기태양전지에서 정공 수송층의 두께를 변화시키면서 전류 밀도를 시뮬레이션한 값과 비교예 3, 실시예 1 내지 실시예 6의 유기태양전지에서 실험적으로 얻은 전류 밀도 값을 비교한 그래프이다.
도 6은 비교예 3 및 실시예 1 내지 6의 유기태양전지의 정공 수송층의 두께에 따른 개방 전압 및 채움율을 도시한 그래프이다.
이하 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 구현예를 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 적층형 유기태양전지(100)의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
일 구현예에 따른 적층형 유기태양전지(100)는 순차적으로 적층된 기판(101), 애노드(111), 하부 전지(120), 연결 유닛(130), 상부 전지(140), 캐소드(150)를 포함한다. 하부 전지(120)는 애노드(111)에 접한 제1 계면층(121) 및 제1 계면층(121) 위의 제1 광활성층(123)을 포함하고, 상부 전지(140)는 연결 유닛(130)에 접한 제2 계면층(141) 및 제2 계면층(141) 위의 제2 광활성층(143)을 포함한다. 제1 광활성층(123)은 제1 도너층(123a) 및 제1 억셉터층(123b)을 포함하고, 제2 광활성층(143)은 제2 도너층(143a) 및 제2 억셉터층(143b)을 포함한다. 연결 유닛(130)은 전자수송층(131), 금속층(133) 및 정공수송층(135)을 포함한다.
기판(110)은 유기 태양전지를 지지하기 위한 것으로서, 예를 들면, 투명한 유리 기판 또는 PET(Poly Ethylene Terephthlate: 폴리에틸렌 테레프탈레이트), PES(Polyethersulphone: 폴리에테르술폰), PC(Polycarbonate: 폴리카보네이트), PI(Polyimide: 폴리이미드), PEN(Polyethylene Naphthalate: 폴리에틸렌 나프탈레이트) 또는 PAR(Polyarylate: 폴리아릴레이트)과 같은 투명 플라스틱 기판으로 이루어질 수 있다.
애노드(111)는 광여기에 의하여 생성된 엑시톤으로부터 분리된 정공을 수집하는 전극으로서 높은 일함수를 갖는 투명한 전도성 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 애노드(111)는 예를 들면, ITO(Indium Tin Oxide: 인듐 주석 산화물), TO(tin oxide, 주석 산화물), FTO(Flourine-doped Tin Oxide: 불소 도핑된 주석 산화물), IZO(Indium Zinc Oxide: 인듐 아연 산화물), AZO(Al-doped Zinc Oxide: Al 도핑된 아연 산화물), ZO(zinc oxide, 아연 산화물), ZITO(zinc indium tin oxide, 아연 인듐 주석 산화물), GITO(gallium indium tin oxide, 갈륨 인듐 주석 산화물) 등으로 이루어질 수 있다. 애노드(111)는 예를 들어 70-150 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
제1 계면층(interfacial layer)(121)은 정공 수송성의 p형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 그러한 정공 수송성의 p형 반도체 물질은 전이금속 산화물일 수 있다. 제1 계면층(121)에 사용할 수 있는 전이금속 산화물은 예를 들면, 몰리브덴 산화물, 바나듐 산화물, 니켈 산화물, 텅스텐 산화물, 레늄 산화물 또는 은 산화물을 포함할 수 있다. 이들 전이금속 산화물은 큰 밴드갭을 가져서 가시광 및 근적외선 영역에서 광학적으로 투명하고, 그 페르미 레벨과 도너 물질의 HOMO 에너지 레벨과의 차이(전위 장벽)가 적어서 효율적인 정공의 추출 및 전달을 할 수 있다. 나아가 전도대의 가장 낮은 에너지 레벨이 대부분의 도너 물질과 억셉터 물질의 LUMO 에너지 레벨보다 훨씬 높게 위치하여 양호하게 전자를 블로킹할 수 있다. 제1 계면층(121)은 예를 들어 0.1-20 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
제1 도너층(123a)은 광을 흡수하여 엑시톤을 생성하며, 제1 억셉터층(123b)과의 계면에서 엑시톤으로부터 분리된 정공을 애노드(111) 방향으로 수송한다. 제1 도너층(123a)은 엑시톤의 확산 거리를 고려하여 예를 들어 5-40 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
제1 도너층(123a)은 p형 반도체인 도너 물질로 이루어질 수 있다. 도너 물질은 예를 들어 평면형의 π 공역화(π-conjugated) 화합물, 예를 들면, CuPc(Copper Phthalocyanine: 구리 프탈로시아닌), ZnPc(Zinc Phthalocyanine: 아연 프탈로시아닌), PbPc(lead phthalocyanine: 납 프탈로시아닌), ClAlPc(chloroaluminum phthalocyanine: 염화알루미늄 프탈로시아닌), SubPc(boron subphthalocyanine chloride: 염화붕소 서브프탈로시아닌) 또는 TiOPc(Oxytitanium phthalocyanine: 산화티타늄 프탈로시아닌)와 같은 프탈로시아닌계 물질을 포함할 수 있다. 도너 물질은 또한 펜타센(pentacene), DIP(diindenoperylene: 디인데노페릴렌), 루브린(rubrene), DCV3T(α,α'-bis-(2,2-dicyanovinyl)-terthiophene, α,α'-비스-(2,2-디시아노비닐)-터시오펜), DCV5T 또는 DBP(tetraphenyl-dibenzoperiflanthene, 테트라페닐-디벤조페리플란텐)을 포함할 수 있다.
제1 억셉터층(123b)은 제1 도너층(123a)과의 계면에서 엑시톤으로부터 전자를 수용하여 캐소드(151) 방향으로 전자를 수송한다. 제1 억셉터층(123b)은 전자 친화도가 높은 n형 반도체인 억셉터 물질로 이루어질 수 있다. 제1 억셉터층(123b)은 예를 들어 10-50 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
상기 억셉터 물질은 예를 들어 C60 또는 C70와 같은 풀러렌, PC60BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), CP70BM, CP84BM, 인덴 C60, 인덴 C70 또는 엔도히드럴 풀러렌(endohedral fullerene) 등과 같은 풀러렌의 유도체, 페릴렌(perylene), PTCDA(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride, 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭 디안하이드라이드) 또는 PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole, 3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭 비스벤즈이미다졸)과 같은 페릴렌 유도체를 포함할 수 있다.
연결 유닛(130)의 전자수송층(131)은 하부 전지(120)로부터 전자를 수집하여 금속층(133)으로 전달하며, 전자수송성 물질로 이루어질 수 있다. 전자수송층(131)의 전자수송성 물질은 예를 들면 BCP(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린), Bphen(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, 4,7-디페닐-1,10- 페난트롤린), B3PYMPM(bis-4,6-(3,5-di-3-pyridylphenyl)-2-methylpyrimidine, 비스-4,6-(3,5-디-3-피니딜페닐)-2-메틸피리미딘), 3TPYMB(tris-[3-(3-pyridyl)mesityl]borane, 트리스-[3-(3-피리딜)메시틸]보레인), BmPyPb((1,3-bis(3,5-dipyrid-3-yl-phenyl)benzene, 1,3-비스(3,5-디피리드-3-일-페닐)벤젠), TmPyPb(1,3,5-tri(m-pyrid-3-yl-phenyl)benzene, 1,3,5-트리(m-피리드-3-일-페닐)벤젠), OXD7(1,3-bis(5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazol-2-yl)benzene, 1,3-비스(5-(4-터트-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸-2-일)벤젠), OXD8(1,3-bis(N,N-dimethylaminophenyl)-1,3,4-oxidazole, 1,3-비스(N,N-디메틸아미노페닐)-1,3,4-옥사디아졸) 또는 TAZ(3-(biphenyl-4-yl)-4-phenyl-5-(4-tert-butylphenyl)-1,2,4-triazole), 3-(비페닐-4-일)-4-페닐-5-(4-터트-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸))를 사용할 수 있다. 전자수송층(131)은 예를 들어 1-10 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
연결 유닛(130)의 금속층(133)은 하부 전지(120)로부터 수집된 전자와 상부 전지(140)로부터 수집된 정공이 재결합하여 연결 유닛(130) 내에 전하가 축적되지 않도록 한다. 금속층(133)은 예를 들어 은(Ag), 금(Au) 또는 알루미늄(Al)을 사용할 수 있다. 금속층(133)은 예를 들어 0.1-1 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
연결 유닛(130)의 정공수송층(135)는 상부 전지(140)로부터 정공을 수집하여 금속층(133)으로 전달하며, p형 도펀트가 도핑된 정공수송성 물질로 이루어질 수 있다. p형 도펀트는 정공수송층의 전기 전도도를 높여주는 역할을 할 수 있다.
정공수송성 물질은 예를 들어 TAPC(1,1'-bis(di-4-tolylaminophenyl)cyclohexane, 1,1'-비스(디-4-톨일아미노페닐)사이클로헥세인), m-MTDATA(4,4',4''-tris(N-3-methylphenyl-N-phenylamino)triphenylamine, 4,4,4"-트리스(N-3-메틸페닐-N-페닐아미노)트리페닐아민), 1-TNATA(4,4',4"-tris-(N-(naphthylen-1-yl)-N-phenylamine)triphenylamine, 4,4',4"-트리스-(N-(나프틸렌-1-일)-N-페닐아민)트리페닐아민), 2-TNATA(4,4',4"-tris-(N-(naphthylen-2-yl)-N-phenylamine)triphenylamine, 4,4',4"-트리스-(N-(나프틸렌-2-일)-N-페닐아민)트리페닐아민), TCTA(4,4',4"-tris(carbazol-9-yl)triphenylamine, 4,4',4"-트리스(카바졸-9-일)트리페닐아민), NPB(N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N-N'-diphenyl-benzidine, N,N'-디(나프탈렌-1-일)-N-N'-디페닐-벤지딘) 또는 4,4'-비스-(N,N-디페닐아미노)-쿼터페닐(4,4'-bis-(N,N-diphenylamino)-quaterphenyl)을 사용할 수 있다.
p형 도펀트는 레늄 산화물(ReOx, x는 2 내지 3, 또는 Re2O7), 몰리브덴 산화물(MoOx, x는 2 내지 3), 텅스텐 산화물(WO3), F4-TCNQ(tetrafluoro-tetracyano-quinodimethane, 테트라플루오로테트라시아노퀴노디메탄), 바나듐 산화물(V2O5), 염화안티몬(SbCl5), 염화제2철(FeCl3) 또는 요오드화구리(CuI)를 포함할 수 있다.
이와 같은 정공수송층(135)의 전기 전도도가 높아서 두께의 증가에 따른 전압 강하 및 전류 손실이 거의 일어나지 않는다. 따라서 연결 유닛 내의 정공수송층(135)의 두께를 조절함으로써 연결 유닛이 효과적인 광학적 필드의 재분배를 조절하는 광학적 조절층(optical spacer)의 역할을 충분히 수행할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같은 전자수송층(131), 금속층(130) 및 정공수송층(135)으로 이루어진 연결 유닛(130)은 광학적으로 투명하고, 전하의 이동이 용이하도록 인접한 층들과 HOMO, LUMO 에너지 레벨 및 페르미 에너지 레벨이 정렬되어 전위 장벽이 줄어듦으로써 전압 손실을 줄일 수 있고, 광학적 조절층의 역할을 할 수 있다.
제2 계면층(141)은 제2 도너층(143a)의 결정도(crystallinity)를 증가시켜 광흡수를 최대화하는 역할을 할 수 있으며, 예를 들어 요오드화 구리(I)(CuI), 브롬화 구리(I)(CuBr), 염화 구리(I)(CuCl), 황화 구리(II)(CuS), 브롬화 은(I)(AgBr) 또는 요오드화 은(I)(AgI)으로 이루어질 수 있다. 제2 계면층(141)은 예를 들어 0.1-3 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
상부 전지(140)의 제2 도너층(143a)은 제1 도너층(123a)과 마찬가지로 p형 반도체인 도너 물질로 이루어질 수 있다. 제2 도너층(143a)의 도너 물질은 제1 도너층(123a)의 도너 물질과 마찬가지로 예를 들어 CuPc, ZnPc, PbPc, ClAlPc, SubPc, TiOPc, 펜타센, DIP, 루브린, DCV3T, DCV5T 또는 DBP을 포함할 수 있다. 한편, 상부 전지(120)와 하부 전지(140)의 광흡수 파장이 달라야 하므로 제2 도너층(143a)의 도너 물질은 제1 도너층(123a)의 도너 물질과 다른 물질을 사용해야 한다. 제2 도너층(143a)은 예를 들어 5-30 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
상부 전지(140)의 제2 억셉터층(143b)은 제1 억셉터층(123b)과 마찬가지로 전자 친화도가 높은 n형 반도체인 억셉터 물질로 이루어질 수 있다. 제2 억셉터층(143b)의 억셉터 물질은 제1 억셉터층(123b)의 억셉터 물질과 마찬가지로 예를 들어 C60, C70, PC60BM, CP70BM, CP84BM, 인덴 C60, 인덴 C70, 엔도히드럴 풀러렌, 페릴렌, PTCDA 또는 PTCBI를 포함할 수 있다. 제2 억셉터층(143b)의 억셉터 물질은 제1 억셉터층(123b)의 억셉터 물질과 같은 물질 또는 다른 물질을 사용할 수 있다. 제2 도너층(143a)은 예를 들어 10-50 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
제3 계면층(147)은 제2 억셉터층(143b)으로부터 캐소드(151)로 전자를 전달하는 역할을 하며, 연결 유닛(130)의 전자수송층(131)과 마찬가지로 예를 들어 BCP, Bphen, B3PYMPM, 3TPYMB, BmPyPb, TmPyPb, OXD7, OXD8 또는 TAZ를 사용할 수 있다. 제3 계면층(147)은 예를 들어 1-10 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
캐소드(151)는 제3 계면층(147)으로부터 전자를 수집하는 전극으로서 낮은 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 낮은 일함수를 갖는 금속은 예를 들면, Al, Ca, Mg, K, Ti, Li 또는 이들의 합금일 수 있다. 캐소드(151)는 예를 들어 70-100 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
한편, 정공수송층(135)과 제2 계면층(141) 사이에 정공수송층(135)의 정공수송 물질과 동일한 물질로 이루어진 제4 계면층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이 제4 계면층(미도시)은 엑시톤의 소멸(quenching)을 막는 역할을 할 수 있으며, 예를 들어 0.1-20 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
유기태양전지(100)는 연결 유닛(130)이 전압의 손실 없이 광학적 조절층의 역할을 만족시킴으로써 높은 광학적 효율을 얻을 수 있다.
이하에서 비제한적인 실시예를 통하여 일 구현예를 따르는 유기태양전지에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명이 하기의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
광흡수율 및 광투과도의 측정
필름의 UV-VIS 흡수 스펙트럼을 Cary 5000 UV-Vis-NIR 스펙트로미터 (Varian 社)를 사용하여 측정하였다. 전류 밀도-전압(J-V) 특성을 AM 1.5G solar simulator(Newport, 91160A)및 전원 공급장치(Keithley 237)를 사용하여 측정하였다. 빛의 세기는 미국의 신재생에너지연구센터(NREL)의 표준 실리콘 태양 전지를 사용하여 조정하였다.
실험예 1
유리 기판 위에 C60 을 50 nm 두께로 열증착하여 C60 필름을 형성하였다.
실험예 2
유리 기판 위에 SubPc를 50 nm 두께로 열증착하여 SubPc 필름을 형성하였다.
실험예 3
유리 기판 위에 CuI를 0.5 nm 두께로 열증착하고, 그 위에 PbPc를 20 nm 두께로 열증착하여 PbPc 필름을 형성하였다.
실험예 4
유리 기판 위에 TAPC:ReO3 (75:25)(몰비)를 5 nm 두께로 공증착하여 TAPC:ReO3 필름을 형성하였다.
실험예 5
유리 기판 위에 TAPC:ReO3 (75:25)(몰비)를 100 nm 두께로 공증착하여 TAPC:ReO3 필름을 형성하였다.
도 2는 실험예 1 내지 실험예 3의 필름의 광흡수율(absorption coefficient) 및 실험예 4 및 실험예 5의 필름의 광투과도를 측정한 그래프이다. 도 2를 참조하면, SubPc와 PbPc의 광흡수율의 오버랩은 비교적 매우 작다. 이로부터 하부 전지의 광흡수 물질로서 SubPc를 사용하고, 상부 전지의 광흡수 물질로서 PbPc를 사용한 본 발명의 실시예에서 태양광 플럭스(solar photon flux)가 최소한의 에너지 손실을 갖고 상부 전지와 하부 전지에서 독립적으로 흡수될 것임을 알 수 있다. 한편, PbPc 의 흡수율은 알려진 것보다 근적외선 영역으로 확장되고 있는데, 이것은 하부의 CuI층의 존재로부터 야기되는 바람직한 배향을 갖는 PbPc의 결정성의 향상에 기인하는 것으로 여겨진다.
다시 도 2를 참조하면, 실험예 4의 TAPC:ReO3 5nm 필름의 광투과도가 95% 이상인 것으로 나타나며, 이로부터 TAPC:ReO3 를 5nm 두께로 사용하는 경우 연결 유닛의 광투과도 요건을 충족시킴을 알 수 있다. 실험예 5의 TAPC:ReO3 100nm 필름에서는 약 690nm 에서 새로운 흡수 피크가 나타나는데, 이것은 TAPC 분자와 ReO3 분자가 전하 전달 복합체(charge transfer complex)를 형성하기 때문으로 여겨진다. TAPC 분자와 ReO3 분자의 전하 전달 복합체의 형성은 ReO3 도핑에 의하여 정공이 형성되어 전기 전도도를 향상시킬 것임을 나타낸다. 또한, TAPC:ReO3 층이 100nm 의 두께를 가짐에도 활성 파장 범위의 투과율이 85 % 이상인데, 이것은 MoO3 와 ITO 의 투과율보다 높다. 이것은 p 도핑된 정공 수송층이 최소화된 광학 손실을 가지며 광학적 조절층으로 사용될 수 있음을 알려준다.
실시예 1
하기와 같은 층 구조를 갖는 적층형 유기태양전지를 제조하였다:
ITO (150 nm )/ MoO 3 (3 nm )/ SubPc (10 nm )/ C 60 (15 nm )/ BCP (3 nm )/ Ag (0.3 nm )/ TAPC:ReO 3 (75:25) (5 nm )/ TAPC (3 nm )/ CuI (1 nm )/ PbPc (15 nm )/ C 60 (10 nm )/ BCP (8nm)/ Al (100 nm )
상기 층 구조에서 ITO (150nm)는 애노드를 MoO3 (3nm)/ SubPc (10nm)/ C60 (15nm)는 하부 전지를, BCP (3nm)/ Ag (0.3nm)/ TAPC:ReO3 (75:25) (5nm) 는 연결 유닛을 TAPC (3nm)/ CuI (1nm)/ PbPc (15nm)/ C60 (10nm)/ BCP (8nm)/ Al (100nm) 는 상부 전지를, Al (100nm)은 캐소드를 구성한다.
유리 기판에 150nm 두께의 ITO막을 스퍼터 증착시킨 ITO 유리 기판을 아세톤과 이소프로필 알코올로 세정하고, UV-O3으로 처리하여 기판 위의 애노드를 형성하였다. 상기 ITO 유리 기판 위에 애노드 계면층으로서 3 nm 두께의 MoO3, 제1 도너층으로서 10 nm 두께의 SubPc, 제1 억셉터층으로서 15 nm 두께의 C60, 연결 유닛의 전자 수송층으로서 3 nm 두께의 BCP, 연결 유닛의 금속층으로서 0.3 nm 두께의 Ag, 연결 유닛의 p 도핑된 정공 수송층으로서 5 nm 두께의 TAPC: ReO3, 제2 계면층으로서 3 nm 두께의 TAPC, 제3 계면층으로서 1 nm 두께의 CuI, 제2 도너층으로서 15 nm 두께의 PbPc, 제2 억셉터층으로서 10 nm 두께의 C60, 제4 계면층으로서 8 nm 두께의 BCP, 캐소드로서 100 nm 두께의 Al을 순차적으로 형성하였다. ITO 유리 기판 위의 모든 층들은 진공의 단절 없이 < 10-7 Torr의 베이스 압력에서 열증착(thermal evaporation)하였다. 이때 MoO3 층의 증착속도는 0.1 Å/s 이고, ReO3 의 증착속도는 0.125 Å/s 이고, 연결 유닛의 Ag 의 증착속도는 0.2 Å/s 이고, 캐소드의 Al 의 증착속도는 4 Å/s 이었다. 나머지 층들은 0.1 Å/s 의 증착 속도로 증착하였다. 한편, 연결 유닛의 p 도핑된 정공 수송층인 TAPC: ReO3 은 25 몰(mol) %의 ReO3 이 도핑된 TAPC층을 공증착에 의하여 형성하였다.
위와 같은 층 구조의 각각 4 mm2 의 활성 영역을 갖는 4개 이상의 소자들이 동시에 형성되었다. 이후 N2 분위기에서 글래스 캔과 에폭시 레진을 사용하여 소자를 봉지하였다.
비교예 1
하기와 같은 층 구조를 갖는 단일 셀 유기태양전지를 제조하였다.
ITO (150 nm )/ MoO 3 (3 nm )/ SubPc (8 nm )/ C 60 (35 nm )/ BCP (8 nm )/ Al (100 nm )
상기 실시예 1의 층 구조 중에서 애노드, 하부 전지 및 캐소드를 상기 층 구조 및 두께로 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 유기태양전지를 제조하였다.
비교예 2
하기와 같은 층 구조를 갖는 단일 셀 유기태양전지를 제조하였다.
ITO (150 nm )/ CuI (1 nm )/ PbPc (20 nm )/ C 60 (40 nm )/ BCP (8 nm )/ Al (100 nm )
상기 실시예 1의 층 구조 중에서 애노드, 상부 전지 및 캐소드를 상기 층 구조 및 두께로 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 유기태양전지를 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 1에서 TAPC:ReO3 (75:25) 층을 사용하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 유기태양전지를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 TAPC:ReO3 (75:25)를 5nm 대신 10nm 두께로 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 유기태양전지를 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서 TAPC:ReO3 (75:25)를 5nm 대신 20nm 두께로 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 유기태양전지를 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1에서 TAPC:ReO3 (75:25)를 5nm 대신 50nm 두께로 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 유기태양전지를 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 1에서 TAPC:ReO3 (75:25)를 5nm 대신 100nm 두께로 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 유기태양전지를 제조하였다.
실시예 6
상기 실시예 1에서 TAPC:ReO3 (75:25)를 5nm 대신 130nm 두께로 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 유기태양전지를 제조하였다.
전류 밀도 대 전압의 측정
도 3은 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1의 유기태양전지의 전류 밀도 대 전압의 특성을 측정한 그래프이고, 도 4는 비교예 3, 실시예 1, 실시예 5 및 실시예 6의 유기태양전지의 전류 밀도 대 전압의 특성을 측정한 그래프이다. 비교예 1, 비교예 2, 실시예 1, 실시예 5 및 실시예 6의 유기태양전지의 성능을 표 1에 나타내었다.
도 3 및 표 1을 참조하면, 실시예 1의 적층형 유기태양전지의 개방 전압(Voc)은 1.47V로서 비교예 1 및 비교예 2의 단일형 유기태양전지의 개방 전압(Voc)의 합 0.46V+1.06V=1.52V에서 약 3%의 전압 손실을 갖는 것으로 나타난다. 이것은 연결 유닛의 재결합 콘택(금속층)으로 전달되는 정공과 전자에 대한 에너지 장벽이 무시할 만하다는 것을 나타낸다. 또한 실시예 1의 적층형 유기태양전지의 전력 변환 효율(PCE)는 3.19%로서 비교예 1 및 비교예 2의 단일형 유기태양전지의 전력 변환 효율(PCE)인 2.03%와 2.87% 보다 더욱 높게 나타난다.
도 4 및 표 1을 참조하면, 연결 유닛에 정공 수송층을 사용하지 않은 비교예 3의 적층형 유기태양전지는 S 형태의 전류 밀도 대 전압 그래프를 갖는다. 이것은 상부 전지와 연결 유닛 사이에 에너지 장벽이 존재하여, 상부 전지의 도너층으로부터 정공이 연결 유닛의 금속층으로 전달에 저항이 존재하는 것을 나타낸다. 정공 수송층이 도입된 실시예 1의 적층형 유기태양전지는 전류 밀도 대 전압 그래프의 S 형태가 제거되고 채움율(FF) 및 개방 전압(Voc)이 비교예 1의 경우 보다 증가하였다. 또한 도 4의 그래프로부터 정공 수송층의 두께가 변함에 따라서 단락 전류 밀도(Jsc)의 값이 상당히 변하는 것을 알 수 있다.
도 5는 실시예 1과 같은 층 구조의 적층형 유기태양전지에서 TAPC:ReO3 정공 수송층의 두께를 변화시키면서 하부 전지와 상부 전지의 전류 밀도를 시뮬레이션한 값과 비교예 3, 실시예 1 내지 실시예 6의 유기태양전지에서 실험적으로 얻은 전류 밀도 값을 비교한 그래프이다. 전류 밀도의 시뮬레이션을 위하여 K. Vasseur, B. P. Rand, D. Cheyns, L. Froyen, P. Heremans, Chem. Mater., 23,886 (2011) 및 J. Lee, S.-Y. Kim, C. Kim, J.-J. Kim, Appl. Phys.Lett., 97, 083306 (2010)로부터 사용된 물질의 복소 굴절률(complex refractive index) 값을 인용하였다. 전류 밀도의 시뮬레이션을 위하여 사용한 SubPc, PbPc, C60에 대한 엑시톤 확산 길이(LD)는 각각 9.94 nm, 8.8 nm, 14.4 nm 이었고, 이 값들은 H.-S. Shim, H. J. Kim, J. W. Kim, S.-Y. Kim, W.-I. Jeong, T.-M. Kim, J.-J. Kim, J. Mater. Chem., 22, 9077 (2012) 및 상기 Appl. Phys.Lett., 97, 083306 (2010)에서 인용하였다.
도 5를 참조하면, 정공 수송층의 두께에 따라 상부 전지의 전류 밀도의 변화는 작으나, 하부 전지의 전류 밀도는 사인파 패턴으로 상당히 변화하는 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 이는 금속 캐소드로부터의 상부 전지의 광활성층의 위치가 연결 유닛의 p 도핑된 정공 수송층의 두께에 독립적이지만, 하부 전지의 광활성층의 위치는 연결 유닛의 p 도핑된 정공 수송층의 두께에 따라 변하는 것과 관련된다. 도 5의 그래프에서 실험적으로 얻은 적층형 유기태양전지의 전류 밀도가 하부 전지의 전류 밀도와 일치하는데, 이것으로부터 전체 유기태양전지의 전류 밀도가 가장 낮은 전류 밀도를 갖는 하위 전지의 전류 밀도를 따르는 것을 알 수 있다. 또한 이로부터 p 도핑된 정공 수송층이 무시할 만한 광학적 손실과 전류 밀도의 손실을 갖고 광학적 조절층으로서 작용할 수 있으며, 따라서 p 도핑된 정공 수송층의 두께를 조절함으로써 하부 전지와 상부 전지 사이의 전류 매칭을 최적화할 수 있음을 알 수 있다.
도 6은 비교예 3 및 실시예 1 내지 6의 유기태양전지의 TAPC:ReO3 정공 수송층의 두께에 따른 개방 전압(VOC) 및 채움율(FF)을 도시한 그래프이다. 도 6의 그래프는 연결 유닛에 p 도핑된 정공 수송층을 사용한 경우 채움률이 향상되며, p 도핑된 정공 수송층의 두게가 증가하여도 채움률이 나빠지지 않는 것을 보여준다. 이것은 연결 유닛에서 전자와 정공이 재결합층에 도달하는데 전압 강하(potential drop)이 거의 일어나지 않는 것을 나타낸다. 도 6의 그래프는 개방 전압(VOC) 역시 연결 유닛에 p 도핑된 정공 수송층을 도입함에 따라 증가하며, p 도핑된 정공 수송층의 두께의 증가에 따라 약간 감소하는 것을 보여준다.
실시예 1 내지 실시예 6으로부터 p 도핑된 정공 수송층의 두께가 증가함에 따라 채움률의 변화가 거의 없고 개방 전압(VOC)의 손실도 매우 적으며, p 도핑된 정공 수송층의 두께에 따른 단락 전류 밀도(JSC) 및 개방 전압(VOC)의 변화가 전기적인 손실을 고려하지 않은 시뮬레이션과 일치하는 것을 알 수 있다. 이로부터 본 발명의 연결 유닛을 포함하는 적층형 유기태양전지가 마이크로 공동 구조를 사용하여 전기적인 손실 없이 전지의 성능을 최적화할 수 있음을 보여준다.
PCE (%) JSC
(mA/cm2)		 VOC (V) FF n JS 1 1 암(dark) J-V 커브를 Shockley 다이오드 방정식에 피팅하여 얻었다.
(nA/cm2)		 계산된 VOC (V)1 1 Voc=nkT/q·ln(Jsc/Js) 의 식으로부터 얻었다.
비교예3 2.03±0.01 7.25±0.01 0.46±0.01 0.61 1.54 47.3 0.47
실시예1 2.87±0.01 4.11±0.01 1.06±0.01 0.66 2.08 2.91 x 10-3 1.12
실시예2 3.19±0.03 3.62±0.05 1.47±0.01 0.60 3.96 1.14 1.52
실시예3 0.96±0.01 1.16±0.01 1.35±0.01 0.61 4.00 1.82 1.37
실시예4 1.68±0.01 2.03±0.01 1.37±0.02 0.59 4.01 2.08 1.42
100: 적층형 유기태양전지 101: 기판
111: 애노드 120: 하부 전지
121: 제1 계면층 123: 제1 광활성층
123a: 제1 도너층 123b: 제1 억셉터층
130: 연결 유닛 131: 전자수송층
133: 금속층 135: 정공수송층
140: 상부 전지 141: 제2 계면층
143: 제2 광활성층 143a: 제2 도너층
143b: 제2 억셉터층 150: 캐소드

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 위의 애노드;
    상기 애노드 위의 하부 전지;
    상기 하부 전지 위에 위치하고 상기 하부 전지의 흡수 파장과 다른 파장의 광을 흡수하는 상부 전지;
    상기 하부 전지와 상기 상부 전지 사이에서 상기 하부 전지와 상기 상부 전지를 직렬로 연결하는 연결 유닛(interconnection unit); 및
    상기 상부 전지 위의 캐소드; 을 포함하되,
    상기 연결 유닛은 상기 하부 전지와 접촉하고 전자 수송성 물질로 이루어진 전자 수송층, 상기 상부 전지와 접촉하고 p형 도펀트로 도핑된 정공 수송성 물질을 포함하는 정공 수송층, 상기 전자 수송층과 상기 정공 수송층 사이의 금속층을 포함하는 적층형 유기태양전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 적층형 유기태양전지는 상기 연결 유닛이 광학적 조절층(optical spacer)의 역할을 하는 적층형 유기태양전지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 연결 유닛의 전자 수송층의 전자 수송성 물질은 BCP(2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린), Bphen(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, 4,7-디페닐-1,10- 페난트롤린), B3PYMPM(bis-4,6-(3,5-di-3-pyridylphenyl)-2-methylpyrimidine, 비스-4,6-(3,5-디-3-피니딜페닐)-2-메틸피리미딘), 3TPYMB(tris-[3-(3-pyridyl)mesityl]borane, 트리스-[3-(3-피리딜)메시틸]보레인), BmPyPb((1,3-bis(3,5-dipyrid-3-yl-phenyl)benzene, 1,3-비스(3,5-디피리드-3-일-페닐)벤젠), TmPyPb(1,3,5-tri(m-pyrid-3-yl-phenyl)benzene, 1,3,5-트리(m-피리드-3-일-페닐)벤젠), OXD7(1,3-bis(5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazol-2-yl)benzene, 1,3-비스(5-(4-터트-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아졸-2-일)벤젠), OXD8(1,3-bis(N,N-dimethylaminophenyl)-1,3,4-oxidazole, 1,3-비스(N,N-디메틸아미노페닐)-1,3,4-옥사디아졸) 또는 TAZ(3-(biphenyl-4-yl)-4-phenyl-5-(4-tert-butylphenyl)-1,2,4-triazole), 3-(비페닐-4-일)-4-페닐-5-(4-터트-부틸페닐)-1,2,4-트리아졸))을 포함하는 적층형 유기태양전지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 연결 유닛의 정공 수송층의 정공 수송성 물질은 TAPC(1,1'-bis(di-4-tolylaminophenyl)cyclohexane, 1,1'-비스(디-4-톨일아미노페닐)사이클로헥세인), m-MTDATA(4,4',4''-tris(N-3-methylphenyl-N-phenylamino)triphenylamine, 4,4,4"-트리스(N-3-메틸페닐-N-페닐아미노)트리페닐아민), 1-TNATA(4,4',4"-tris-(N-(naphthylen-1-yl)-N-phenylamine)triphenylamine, 4,4',4"-트리스-(N-(나프틸렌-1-일)-N-페닐아민)트리페닐아민), 2-TNATA(4,4',4"-tris-(N-(naphthylen-2-yl)-N-phenylamine)triphenylamine, 4,4',4"-트리스-(N-(나프틸렌-2-일)-N-페닐아민)트리페닐아민), TCTA(4,4',4"-tris(carbazol-9-yl)triphenylamine, 4,4',4"-트리스(카바졸-9-일)트리페닐아민), NPB(N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N-N'-diphenyl-benzidine, N,N'-디(나프탈렌-1-일)-N-N'-디페닐-벤지딘) 또는 4,4'-비스-(N,N-디페닐아미노)-쿼터페닐(4,4'-bis-(N,N-diphenylamino)-quaterphenyl)을 포함하는 적층형 유기태양전지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 p형 도펀트는 레늄 산화물(ReOx, x는 2 내지 3, 또는 Re2O7), 몰리브덴 산화물(MoOx, x는 2 내지 3), 텅스텐 산화물(WO3), F4-TCNQ(tetrafluoro-tetracyano-quinodimethane, 테트라플루오로테트라시아노퀴노디메탄), 바나듐 산화물(V2O5), 염화안티몬(SbCl5), 염화제2철(FeCl3) 또는 요오드화구리(CuI)를 포함하는 적층형 유기태양전지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 금속층은 은(Ag), 금(Au) 또는 알루미늄(Al)을 포함하는 적층형 유기태양전지.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 하부 전지는 제1 도너층과 제1 억셉터층을 포함하는 제1 광활성층을 포함하고, 상기 상부 전지는 제2 도너층과 제2 억셉터층을 포함하는 제2 광활성층을 포함하는 적층형 유기태양전지.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 도너층 및 상기 제2 도너층은 각각 SubPc(boron subphthalocyanine, 보론 서브프탈로시아닌), ZnPc(zinc phthalocyanine, 프탈로시아닌 아연), FePc(iron phthalocyanine, 프탈로시아닌 철), TiPc(titanium phthalocyanine, 프탈로시아닌 티타늄), 루브린(rubrene), 폴리(3-헥시티오펜), DCV3T(α,α'-bis-(2,2-dicyanovinyl)-terthiophene, α,α'-비스-(2,2-디시아노비닐)-터시오펜), DCV5T(α,α'-비스-(2,2-디시아노비닐)-켄크시오펜), DIP(diindenoperylene, 디인데노페릴렌), DBP(tetraphenyl-dibenzoperiflanthene, 테트라페닐-디벤조페리플란텐), 메로시아닌 염료(merocyanine dye), 스쿠아레인 염료(squaraine dye), DTDCTP(2-{[2-(5-N,N-di(p-tolyl)aminothiophen-2-yl)-pyrimidin-5-yl]methylene}-malononitrile) 또는 DTS(PTTh2)2(5,5'-bis{(4-(7-hexylthiophen-2-yl)thiophene-2-yl)-[1,2,5]-thiadiazolo[3,4,-c]pyridine}-3,3 -di-2-ethylhexylsilylene-2,2'-bithiophene)을 포함하며, 상기 제1 도너층과 상기 제2 도너층의 물질은 서로 다른 적층형 유기태양전지.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 억셉터층 및 상기 제2 억셉터층은 각각 C60, C70, PC60BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스터), PC70BM, PC84BM, 인덴 C60, 인덴 C70 또는 엔도히드럴 풀러렌(endohedral fullerene)을 포함하는 적층형 유기태양전지.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 하부 전지는 상기 애노드와 상기 제1 도너층 사이에 제1 계면층을 더 포함하고,
    상기 제1 계면층은 몰리브덴 산화물, 니켈 산화물, 바나듐 산화물, 텅스텐 산화물 또는 은 산화물을 포함하는 적층형 유기태양전지.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 상부 전지는 상기 연결 유닛과 상기 제2 도너층 사이에 제2 계면층을 더 포함하고,
    상기 제2 계면층은 요오드화 구리(CuI), 브롬화 구리(CuBr), 브롬화 은(AgBr) 또는 요오드화 은(AgI)을 포함하는 적층형 유기태양전지.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 상부 전지는 상기 제2 억셉터층과 상기 캐소드 사이에 제3 계면층을 더 포함하고,
    상기 제3 계면층은 BCP, Bphen, B3PYMPM, 3TPYMB, BmPyPb, TmPyPb, OXD7, OXD8 또는 TAZ를 포함하는 포함하는 적층형 유기태양전지.
  13. 제7 항에 있어서,
    상기 상부 전지는 상기 연결 유닛과 상기 제2 도너층 사이에 제4 계면층을 더 포함하고,
    상기 제4 계면층은 상기 정공 수송성의 정공 수송성 물질과 동일한 물질로 이루어진 적층형 유기태양전지.
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KR20120013731A (ko) * 2010-08-06 2012-02-15 한국과학기술연구원 비정질 실리콘 태양전지와 유기 태양전지를 이용한 탠덤형 태양전지

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