KR101575976B1 - 유기태양전지 및 유기태양전지의 제조 방법 - Google Patents

유기태양전지 및 유기태양전지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

유기태양전지 및 유기태양전지의 제조 방법에서, 유기태양전지는 베이스 기판 상에 공극을 가지도록 배치된 나노와이어들 및 공극의 적어도 일부를 메우는 티타늄 산화물을 포함하는 제1 전극층, 제1 전극층 상에 형성된 제1 전하수송층, 제1 전하수송층 상에 형성된 활성층, 활성층 상에 형성된 제2 전하수송층 및 제2 전하수송층 상에 형성된 제2 전극층을 포함한다.

Description

유기태양전지 및 유기태양전지의 제조 방법{ORGANIC SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING AN ORGANIC SOLAR CELL}
본 발명은 유기태양전지 및 유기태양전지의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기물을 포함하는 유기태양전지 및 유기태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.
광에너지를 전기에너지로 변환하는 광전 소자(photoelectric device)는 필수적으로 투명 도전성 전극(transparent conducting electrode, TCE)를 포함한다. TCE로서 주로 금속 산화물이 이용되고 있고, 특히 투과도가 높은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)이 널리 이용되고 있다. 그러나 ITO는 비싸고 플렉서블 기판에 형성하기 쉽지 않으며 휨에 의해 크랙이 발생하기 쉽다는 단점들을 가지고 있어 이를 대체하는 다양한 재료들이 TCE로서 제안되고 있다.
차세대 TCE로서는 탄소나노튜브, 그래핀, 전도성 고분자, 나노와이어 등이 있고, 이중에서, 은(Ag)으로 형성된 나노와이어는 유연성이 좋고, ITO와 유사한 수준의 투과도 및 면저항을 가지며, 유기태양전지의 전극으로 이용되는 경우 유기태양전지의 전력변환효율도 높일 수 있다는 장점이 있어 주목받고 있다. 또한, 나노와이어를 포함하는 TCE는, 플라스틱과 같은 화합물의 손상 없이 용액 공정을 통해서 제조할 수 있어 산업적으로 유용하게 이용된다.
그러나 나노와이어를 용액 공정을 통해서 유리 기판과 같은 베이스 기판 상에 코팅하여 전극을 형성하는 경우, 나노와이어의 불규칙적인 배열과 그 크기에 의해서 상기 전극의 표면 거칠기가 매우 높다. 높은 표면 거칠기를 갖는 전극 상에 계속하여 다른 층들을 적층시키면 적층 공정이 쉽지 않을 뿐만 아니라, 상기 전극과 다른 층들 사이에 쇼트(단락)가 발생할 가능성이 매우 크므로 광전 소자의 안정성을 저하시키는 문제가 있다.
본 발명의 일 목적은 나노와이어를 포함하는 투명 전극의 표면을 물리적 및 전기적으로 안정화시킨 구조를 갖는 유기태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 용액 공정을 이용한 유기태양전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지는 베이스 기판 상에 공극을 가지도록 배치된 나노와이어들 및 상기 공극의 적어도 일부를 메우는 티타늄 산화물을 포함하는 제1 전극층, 상기 제1 전극층 상에 형성된 제1 전하수송층, 상기 제1 전하수송층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 제2 전하수송층 및 상기 제2 전하수송층 상에 형성된 제2 전극층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 티타늄 산화물은 상기 제1 전극층의 내부와 표면에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전하수송층은 아연 산화물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유기태양전지는 상기 제2 전하수송층과 상기 제2 전극층 사이에 배치된 계면 개질층을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 계면 개질층은 산화 그래핀을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 전하수송층은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):Polystyrene sulfonate)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 전극층은 은(evaporation-Ag) 또는 PEDOT:PSS를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조 방법에서, 베이스 기판 상에 제1 용액을 이용하여 공극을 가지도록 배치된 나노와이어들을 형성하고, 상기 나노와이어들이 형성된 베이스 기판 상에 제1 전구체 용액을 이용하여 상기 공극의 적어도 일부를 메우는 표면 안정화 물질을 형성한다. 상기 나노와이어들 및 상기 표면 안정화 물질을 포함하는 제1 전극층 상에, 제2 전구체 용액을 이용하여 제1 전하수송층을 형성한 후, 상기 제1 전하수송층 상에, 제2 용액을 이용하여 활성층을 형성하고, 상기 활성층 상에, 제3 용액을 이용하여 제2 전하수송층을 형성하며, 상기 제2 전하수송층 상에, 제2 전극층을 형성한다.
일 실시예에서, 상기 제1 전구체 용액은 티타늄 전구체를 포함하고, 상기 표면 안정화 물질은 티타늄 산화물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 전구체 용액은 아연 전구체를 포함하고, 상기 제1 전하수송층은 아연 산화물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제조 방법에서, 상기 제2 전극층을 형성하는 단계 전에, 상기 제2 전하수송층 상에 제4 용액을 이용하여 계면 개질층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제4 용액 및 상기 계면 개질층은 산화 그래핀을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 전극층을 형성하는 단계는 금속을 증착하거나, 제5 용액을 이용하여 코팅하여 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노와이어, 상기 표면 안정화 물질, 상기 제1 전하수송층, 상기 활성층, 상기 제2 전하수송층 및 상기 제2 전극층을 형성하는 단계들 각각은, 200 ℃ 이하에서 열처리하여 형성할 수 있다.
본 발명의 유기태양전지 및 유기태양전지의 제조 방법에 따르면, 나노와이어들이 형성하는 공극의 적어도 일부를 메울 수 있는 표면 안정화 물질을 상기 나노와이어들과 함께 이용하여 투명 전극인 제1 전극층을 구성함으로써 제1 전극층의 표면을 물리적 및 전기적으로 안정화시킬 수 있다. 이에 따라, 유기태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 나노와이어들 및 상기 표면 안정화 물질 각각은 약 200 ℃ 이하의 온도와 대기조건 하에서의 열처리 단계를 포함하는 용액 공정으로 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 그 위에 제1 전하수송층, 활성층 및 제2 전하수송층 각각도 용액 공정으로 용이하게 형성할 수 있다. 이에 따라, 200 ℃ 이하의 저온에서 유기태양전지를 제조할 수 있어 플라스틱 기판과 같은 저온 처리가 필요한 제품들에 용이하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1의 제1 전극층과 종래의 나노와이어층의 표면 상태를 비교 설명하기 위한 AFM(atomic force microscopy) 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들에 대해서만 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소 등이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지를 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 유기태양전지(OSC)는 베이스 기판(100) 상에 형성된 제1 전극층(200), 제1 전하수송층(300), 활성층(400), 제2 전하수송층(500), 계면 개질층(600) 및 제2 전극층(700)을 포함한다.
제1 전극층(200)은 베이스 기판(100) 상에 형성된다. 제1 전극층(200)의 가시광선 영역의 광투과도는 적어도 80% 이상일 수 있다. 또한, 제1 전극층(200)의 면저항은 10 Ω/□(ohm/square) 이하일 수 있다. 제1 전극층(200)은 나노와이어들(210) 및 티타늄 산화물(220)을 포함한다.
나노와이어들(210)은 베이스 기판(100)의 표면에 배치된다.
나노와이어들(210)은 은(Ag)으로 형성될 수 있다. 나노와이어들(210) 자체는 규칙성이 없이 랜덤한 네트워크 모폴리지를 갖고 각각의 직경이 수십 나노미터를 갖는다. 이와 같은 이유로, 나노와이어들(210)로만 이루어진 층(이하, 나노와이어층)의 표면 거칠기가 매우 높고, 면저항도 15 Ω/□ 이상일 수 있다. 나노와이어들(210)은 유기태양전지(OSC)로 입사되는 입사광을 부분적으로 전방 산란시켜 헤이즈를 유발할 수 있으나, 오히려 상기 헤이즈는 활성층(400)에서의 경로를 연장시키고 광자의 포획 효율을 향상시킬 수 있다.
티타늄 산화물(220)은 나노와이어들(210)이 이루는 네트워크 내, 즉 제1 전극층(200)의 내부에 배치되는 동시에 제1 전극층(200)의 표면에 배치될 수 있다. 나노와이어들(210)은 길이를 갖는 와이어 형태이고, 제1 전극층(200)의 적정 수준의 투과도를 확보하기 위해서 나노와이어들(210)이 형성하는 네트워크는 공극을 갖는다. 티타늄 산화물(220)이 이러한 상기 공극의 적어도 일부 또는 전체를 메우는 역할을 함으로서 제1 전극층(200)의 표면을 안정화시킬 수 있다. 티타늄 산화물(220)의 일부는 나노와이어들(210)의 네트워크 내로 침투하여 베이스 기판(100)의 표면과 직접적으로 접촉할 수도 있다.
이와 같이 제1 전극층(200)의 표면 안정화 물질로서 티타늄 산화물(220)이 제1 전극층(200)의 내부 및/또는 표면에 배치됨으로써 제1 전극층(200)의 표면 거칠기를 낮춰줄 수 있다. 상기 나노와이어층의 표면 거칠기나 피크-밸리 높이와 비교할 때, 티타늄 산화물(220)이 제1 전극층(200)의 표면 거칠기와 피크-밸리 높이를 현저하게 낮출 수 있고, 이에 따라 제1 전극층(200) 상에 제1 전하수송층(300), 활성층(400) 등을 순차적으로 안정적인 구조로 형성할 수 있다.
동시에, 티타늄 산화물(220)은 베이스 기판(100)에 대한 나노와이어들(210)의 접착력도 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 제1 전극층(200) 상에 제1 전하수송층(300), 활성층(400) 등을 형성하는 공정에서, 제1 전극층(200)이 손상되는 것을 최소화시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 티타늄 산화물(220)은 제1 전극층(200)에 젖음(wetting) 특성을 향상시킬 수 있다. 통상, 금속의 표면은 소수성을 갖기 때문에 베이스 기판(100)에 나노와이어들(210)이 코팅된 상태에서 그 위에 바로 전체적으로 균일하고 평탄화된 막을 형성하기 어려운 문제가 있다. 특히, 나노와이어들(210)이 형성된 베이스 기판(100) 상에 용액 공정을 이용하여 막을 형성하는 경우, 더더욱 성막이 어렵고, 이후에 형성되는 막들의 제조 신뢰성도 저하시키며, 유기태양전지(OSC)의 성능을 저하시킬 수 있다. 그러나 본 발명에서와 같이, 제1 전극층(200)이 티타늄 산화물(220)을 포함함으로써, 제1 전극층(200)의 젖음 특성이 향상되어 제1 전극층(200) 상에 제1 전하 수송층(300)을 안정적으로 형성할 수 있고 그 위에 활성층(400), 제2 전하 수송층(500), 계면 개질층(600) 및 제2 전극층(700) 또한 순차적으로 안정적으로 형성할 수 있다.
도 3은 도 1의 제1 전극층과 종래의 나노와이어층의 표면 상태를 비교 설명하기 위한 AFM(atomic force microscopy) 사진이다. 도 3에서 (a)가 종래의 나노와이어층의 표면 상태를 나타내고, (b)가 본 발명과 같이 나노와이어들(210) 및 티타늄 산화물(220)을 포함하는 제1 전극층의 표면 상태를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 실제로 나노와이어들(210)만을 포함하는 나노와이어층을 형성한 경우, (a)에 도시된 나노와이어층의 15×15 ㎛2의 스캔 이미지로부터 측정된 RMS(root mean square) 거칠기는 약 18 nm이고 피크-밸리 높이는 약 125 nm이었다. 나노와이어층의 단면의 높이 그래프를 보면, 높이가 0 nm인 공극에서부터 대략 100 nm 정도까지 불규칙한 값으로 편차가 매우 큰 것을 알 수 있다. 반면, (b)에 도시된 제1 전극층의 RMS 거칠기는 약 10 nm 수준까지 감소하고, 피크-밸리 높이 또한 약 75 nm로 현저하게 감소되는 것을 알 수 있다. 특히, 제1 전극층의 단면의 높이 그래프를 보면, 높이가 0 nm인 공극에서부터 약 50 nm 정도까지 형성되어 있는 것을 알 수 있고 티타늄 산화물(220)이 표면 안정화 물질로서 높이 편차를 현저하게 감소시킴을 알 수 있다.
제1 전극층(200)은 베이스 기판(100) 상에 형성되고 그 위에 다수의 층들(300~700)이 연속적으로 적층되므로, 제1 전극층(200)이 대기 중의 산소에 의해서 직접적으로 산화되는 것을 최소화할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 전하수송층(300)은 제1 전극층(200) 상에 형성되고, 금속 산화물로 형성될 수 있다. 여기서 제1 전하수송층(300)은 전자 수송층으로서, 높은 전자 이동도를 갖는 전자 수송 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 제1 전하수송층(300)은 전자 이동도 및 투과도가 높고 안정성이 좋은 아연 산화물로 형성될 수 있다. 제1 전하수송층(300)은 표면 안정화 물질(200)에 의해서 낮은 거칠기를 갖는 제1 전극층(200) 상에 안정적으로 형성될 수 있다. 제1 전하수송층(300)은 티타늄 산화물(220)과 함께 나노와이어들(210)이 형성하는 네트워크의 공극들을 메울 수도 있다.
활성층(400)은 제1 전하수송층(300) 상에 형성된다. 활성층(400)은 P3HT(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl):PCBM([6,6]-phenyl-C61-bytyric acid methyl ester)로 형성될 수 있다.
제2 전하수송층(500)은 활성층(400) 상에 형성된다. 제2 전하수송층(500)은 정공 수송층일 수 있다. 제2 전하수송층(500)은 정공수송 물질로서 PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):Polystyrene sulfonate)을 포함할 수 있다.
계면 개질층(600)은 제2 전하수송층(500) 상에 형성된다. 계면 개질층(600)은 제2 전하수송층(500) 표면의 구조적 결함을 보완하여 제2 전극층(700)이 제2 전하수송층(500) 상에 안정적으로 형성되도록 한다. 계면 개질층(600)은 산화 그래핀을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 전극층(700)은 도전성 고분자로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극층(700)은 도전성 고분자로서 PEDOT:PSS를 포함할 수 있다. 이때, 제2 전극층(700)을 구성하는 도전성 고분자인 PEDOT:PSS의 전도도는, 제2 전하수송층(500)을 구성하는 도전성 고분자의 전도도보다 높을 수 있다.
제2 전극층(700)이 도전성 고분자로 형성되는 경우, 도전성 고분자는 대기 중의 산소에 의한 산화 문제에 안정적이므로 유기태양전지(OSC)의 최상부층으로 노출되더라도 손상의 위험이 낮다. 특히, 제2 전극층(700)이 도전성 고분자로 형성되는 경우, 친수성을 갖는 계면 개질층(600)에 의해서 제2 전하수송층(500)을 형성하는 친수성 재료가 계면 개질층(600)에 균일하게 코팅될 수 있도록 한다. 즉, 친수성의 계면 개질층(600)이 상기 친수성 재료의 젖음성을 유도하고, 제2 전극층(700)을 형성하는 공정에서 그 하부에 형성된 층들(200~600)이 강한 모세관 힘에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이와 달리, 제2 전극층(700)은 금속 증착층일 수 있다. 예를 들어, 제2 전극층(700)은 증착된 은(Ag)을 포함할 수 있다. 특히, 제2 전극층(700)이 금속 증착층인 경우, 계면 개질층(600)이 제2 전하수송층(500) 상에 형성됨에 따라서 제2 전하수송층(500)의 핀홀을 커버하여 제2 전하수송층(500)의 표면 거칠기를 낮출 수 있다. 이에 따라, 계면 개질층(600)이 제2 전하수송층(500) 표면을 화학적, 전기적으로 안정적으로 만들어 제2 전극층(700)이 제2 전하수송층(500) 상에 안정적으로 위치할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 도 1 및 도 2와 함께 참조하면, 먼저 베이스 기판(100) 상에 나노와이어(210)를 형성한다(단계 S810).
나노와이어(210)는 제1 용액을 이용하여 형성하고, 복수의 나노와이어(210)는 공극을 가지도록 베이스 기판(100) 상에 배치된다. 상기 제1 용액은 나노와이어(210)가 분산된 분산 용액일 수 있다. 상기 제1 용액을 베이스 기판(110) 상에 스핀 코팅하고 150 ℃ 이하의 온도에서 열처리하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1 용액의 코팅 및 열처리 공정은 대기 조건 하에서 수행될 수 있다.
이어서, 나노와이어(210)가 형성된 베이스 기판(100) 상에 제1 전구체 용액을 이용하여 표면 안정화 물질을 형성한다(단계 S820).
상기 표면 안정화 물질은 티타늄 산화물(220)일 수 있고, 상기 표면 안정화 물질이 티타늄 산화물(220)인 경우 상기 제1 전구체 용액은 티타늄 전구체를 포함한다. 상기 제1 전구체 용액을 나노와이어(210)가 형성된 베이스 기판(110) 상에 스핀 코팅하고 열처리함으로써 티타늄 산화물(220)을 형성할 수 있다. 이때, 코팅된 제1 전구체 용액의 열처리 온도는 150 ℃이하일 수 있다.
상기 제1 전구체 용액을 나노와이어(210)가 형성된 베이스 기판(100) 상에 스핀 코팅하면, 상기 제1 전구체 용액이 나노와이어(210)가 형성하는 공극 사이에 침투하고 나노와이어(210)가 형성하는 네트워크의 표면에 코팅되어 상기 공극의 적어도 일부를 메우면서 미세한 두께의 표면층을 이룰 수 있다. 이 상태에서, 열처리 공정을 통해서 티타늄 전구체가 반응하여 티타늄 산화물(220)로 변환되어 상기 공극에 배치된 상태로 유지되고, 나노와이어(210)가 형성하는 네트워크의 표면에 배치된 상태로 유지되어 도 1 및 도 2에서 설명한 제1 전극층(200)을 형성할 수 있다. 표면 안정화 물질로서 티타늄 산화물(220)이 나노와이어(210)와 함께 제1 전극층(200)을 구성함으로써 제1 전극층(200)의 표면 거칠기를 낮추고 물리적, 전기적으로 안정한 구조를 만들 수 있다.
제1 전극층(200)을 형성한 후, 제1 전극층(200) 상에 제2 전구체 용액을 이용하여 제1 전하수송층(300)을 형성한다(단계 S830).
상기 제2 전구체 용액은 아연 전구체를 포함할 수 있고, 상기 제2 전구체 용액을 제1 전극층(200)에 스핀 코팅하고 이를 열처리하여 제1 전하수송층(300)을 형성할 수 있다. 이때, 열처리 온도는 약 200 ℃ 이하일 수 있다. 상기 제2 전구체 용액을 제1 전극층(200) 상에 스핀 코팅하더라도, 제1 전극층(200)의 표면이 이미 물리적으로 안정된 구조를 가지고 있으므로 상기 제2 전구체 용액 또한 그 위에 안정적으로 코팅될 수 있고, 이에 의해서 제1 전하수송층(300)도 안정적으로 형성될 수 있다.
제1 전하수송층(300)이 형성된 베이스 기판(100) 상에 제2 용액을 이용하여 활성층(400)을 형성한다(단계 S840).
상기 제2 용액은 P3HT(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)와 PCBM([6,6]-phenyl-C61-bytyric acid methyl ester)을 포함할 수 있다. 상기 제2 용액을 제1 전하수송층(300) 상에 스핀 코팅하고, 이를 열처리하여 활성층(400)을 형성할 수 있다. 이때, 열처리 온도는 약 150 ℃ 이하일 수 있다.
활성층(400)을 형성한 후, 활성층(400) 상에 제3 용액을 이용하여 제2 전하수송층(500)을 형성한다(단계 S850). 상기 제3 용액은 PEDOT:PSS를 포함할 수 있다. 상기 제3 용액을 활성층(400) 상에 스핀 코팅한 후, 이를 열처리하여 제2 전하수송층(500)을 형성할 수 있다.
제2 전하수송층(500)이 형성된 베이스 기판(100) 상에 제4 용액을 이용하여 계면 개질층(600)을 형성할 수 있다(단계 S860).
계면 개질층(600)을 형성하는 상기 제4 용액은 그래핀 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제4 용액은 계면 활성제를 더 포함할 수 있다. 상기 제4 용액을 제2 전하수송층(500) 상에 스핀 코팅하고 이를 열처리하여 계면 개질층(600)을 형성할 수 있다.
계면 개질층(600) 상에 제2 전극층(700)을 형성한다(단계 S870).
제2 전극층(700)은 제5 용액을 스핀 코팅하고 이를 열처리하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 제5 용액은 PEDOT:PSS를 포함할 수 있고, 디메틸술폭사이드(DMSO), 조닐 FS-300 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 제5 용액을 1차적으로 스핀 코팅하고 열처리하는 공정을 거친 후, 다시 상기 제5 용액을 2차적으로 스핀 코팅하고 열처리함으로써 제2 전극층(700)을 형성할 수 있다.
이와 달리, 제2 전극층(700)은 금속을 증착하여 형성한 증착-은(evaporation Ag, E-Ag)일 수 있다. 즉, 계면 개질층(600)이 형성된 베이스 기판(100) 상에 은(Ag)을 스퍼터링하거나 화학기상증착법 등을 이용하여 제조할 수 있다.
제2 전극층(700)은 계면 개질층(600) 상에 형성함으로써 제2 전하수송층(500)과 안정적으로 물리적, 전기적으로 연결될 수 있다.
상기에서 설명한 바에 따르면, 나노와이어들(210)이 형성하는 공극의 적어도 일부를 메울 수 있는 표면 안정화 물질, 예를 들어 티타늄 산화물(220)을 나노와이어들(210)과 함께 이용하여 투명 전극인 제1 전극층(200)을 구성함으로써, 제1 전극층(200)의 표면을 물리적 및 전기적으로 안정화시킬 수 있다. 따라서, 이를 포함하는 유기태양전지(OSC)의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 나노와이어들(210) 및 티타늄 산화물(220) 각각은 약 200 ℃ 이하의 열처리 단계를 포함하는 용액 공정으로 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 그 위에 제1 전하수송층(300), 활성층(400) 및 제2 전하수송층(500) 각각도 용액 공정으로 용이하게 형성할 수 있다. 이에 따라, 200 ℃ 이하의 저온에서 유기태양전지(OSC)를 제조할 수 있어 플라스틱 기판과 같은 저온 처리가 필요한 제품들에 용이하게 적용될 수 있다.
이하에서는, 도 1 및 도 2에서 설명한 유기태양전지(OSC)를 직접 제조하고 이의 특성 평가 결과를 설명한다. 하기의 실시예는 일례일 뿐이고 이에 제한되지 않는다.
유기태양전지 1의 제조
유리 기판 상에, 은 나노와이어가 분산된 분산액을 스핀 코팅하고, 60 ℃에서 1분 동안 1차 건조시키고 140 ℃에서 30분 동안 건조시킨 후 코팅층을 패터닝하여 면저항이 13 내지 18 Ω/□인 나노와이어층을 형성하였다. 이어서, 0.1 중량%의 타이졸(tyzor, 상품명, Dupont사, 미국)이 에탄올에 용해된 티타늄 전구체 용액을 상기 나노와이어층이 형성된 유리 기판 상에 코팅하였고, 그 후 120 ℃에서 30분 동안 어닐링하여 나노와이어와 산화티타늄을 포함하는 제1 전극층을 형성하였다.
상기 제1 전극층을 형성한 후, Sun et al.(Inverted Polymer Solar Cells Integrated with a Low-Temperature-Annealed Sol-Gel-Derived ZnO Film as an Electron Transport Layer. Adv. Mater. 2011, 23, 1679??1683.)에서 제시한 아연 전구체를 포함하는 전구체 용액을 상기 제1 전극층 상에 스핀 코팅하였고, 200 ℃에서 1시간 동안 열처리하여 산화아연을 포함하는 제1 전하수송층을 형성하였다. 상기 제1 전하수송층의 두께는 약 40 nm이었다.
상기 제1 전하수송층 상에, P3HT(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)와 PCBM([6,6]-phenyl-C61-bytyric acid methyl ester)가 1:1 중량비로 혼합된 40 mg/mL가 함유된 디클로로벤젠 용액을 스핀 코팅하고 140 ℃에서 10 분동안 열처리하여 활성층을 형성하였다.
상기 활성층 상에 AI 4083-PEDOT:PSS (상품명, Heraeus사, 독일)을 코팅하여 제2 전하수송층을 형성하였고, 상기 제2 전하수송층 상에 그래핀 산화물 수용액(0.5 mg/mL)이 계면활성제로서 0.5 중량%의 조닐 계면활성제(Zonyl surfactant, 상품명, 듀폰사, 미국)과 혼합된 용액을 1분 동안 스핀 코팅한 후 110 ℃에서 10분 동안 열처리하여 계면 개질층을 형성하였다.
상기 접착력 형성층 상에, 약 5 중량%의 디메틸술폭사이드(DMSO)와 0.5 중량% 조닐 FS-300 (Zonyl FS-300, 상품명, 듀폰사, 미국)과 혼합된 PH1000-PEDOT:PSS (상품명, Heraeus사, 독일)를 1000 rpm에서 90초 동안 2번 스핀 코팅하고, 120 ℃에서 5분 동안 베이킹하여 제2 전극층을 형성하였다. 이때, 약 250 nm 두께의 제2 전극층이 형성되었고, 면저항은 55 Ω/□이었다. 이에 따라, 픽셀 크기가 0.24 ㎠인 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 1을 준비하였다.
유기태양전지 2의 제조
제2 전극층을 은(Ag)을 증착하여 준비한 것을 제외하고는 유기태양전지 1을 제조하는 공정과 실질적으로 동일한 공정을 통해서 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 2를 준비하였다.
유기태양전지 3의 제조
계면 개질층을 미형성한 것을 제외하고는 유기태양전지 2와 실질적으로 동일한 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 3을 준비하였다.
유기태양전지의 특성 평가
유기태양전지 1 내지 3에 대해서, AM 1.5G 조사 하에 단락전류, 개방전압, 충진률 및 전력변환효율을 각각 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
표 1에서, 실시예 1-1은 유기태양전지 1에 대해서 제1 전극층에서 광을 입사시킨 경우이고 실시예 1-2는 유기태양전지 1에 대해서 제2 전극층에서 광을 입사시킨 경우에 측정한 데이터이다. 또한, 실시예 2는 유기태양전지 2에 대해서, 실시예 3은 유기태양전지 3에 대해서 각각 제1 전극층에서 광을 입사시킨 경우에 측정한 데이터이다.
유기태양전지 광의 입사
방향		 단락전류 Jsc
(단위: mA/cm2)		 개방전압 Voc
(단위: V)		 충진률
(단위: %)		 전력변환효율
(단위: %)
실시예 1-1 제1 전극층 8.2 0.58 49 2.3
실시예 1-2 제2 전극층 7.1 0.58 49 2.0
실시예 2 제1 전극층 9.7 0.59 51 2.9
실시예 3 제1 전극층 8.2 0.52 49 2.1
유기태양전지의 J-V 곡선을 기생저항을 가지고 다이오드 방정식에 피팅함으로써 얻은 등가 회로 파라미터에서, 실시예 1-1의 경우, 유기태양전지 1의 이상계수(identity factor)는 4.3이었고, 시리즈 저항(Rs)은 7.9 Ω㎠이었으며, 션트 저항(RsH)은 351 Ω㎠이었다. 실시예 1-2의 경우, 유기태양전지 1의 이상계수(identity factor)는 3.1이었고, 시리즈 저항(Rs)은 12.6 Ω㎠이었으며, 션트 저항(RsH)은 707 Ω㎠이었다. 상기 특성들과 표 1의 데이터를 참조할 때, 유기태양전지 1은 제1 전극층 및 제2 전극층 각각으로 모두 광이 입사될 수 있는 반투명 유기태양전지로서 안정적인 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.
실시예 2의 데이터를 참조하면, 유기태양전지 2의 이상계수는 3.8, 시리즈 저항(Rs)은 6.7 Ω㎠이었으며, 션트 저항(RsH)은 478 Ω㎠이었다. 또한, 실시예 3의 데이터를 참조하면, 유기태양전지 3의 이상계수는 3.7이었고, 시리즈 저항(Rs)은 7.0 Ω㎠이었으며, 션트 저항(RsH)은 302 Ω㎠ 이었다.
표 1을 참조하면, 종래에 ITO를 포함하는 반투명 유기태양전지의 전력변환효율이 약 1.9 내지 2.5 %인 것으로 알려져 있는 것에 기초할 때, 유기태양전지 1이 용액 공정만으로 제조되었음에도 불구하고 전력변환효율이 종래에 ITO를 포함하는 반투명 유기태양전지의 전력변환효율과 거의 유사한 수준임을 알 수 있다.
일 비교예로서, 티타늄 산화물을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1에 따른 유기태양전지와 실질적으로 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조한 경우, 즉 나노와이어들을 코팅한 후 바로 제1 전하수송층을 형성함으로써 제조된 비교예에 따른 유기태양전지는 전기적으로 단락된 불량품 발생률이 매우 높고, 실질적으로는 나노와이어들 상에 바로 제1 전하수송층을 코팅하는 것 자체가 어렵다. 반면, 티타늄 산화물이 형성된 제1 전극층을 포함하는 실시예 1에 따른 유기태양전지는 양호한 전기적 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
다른 비교예로서, 그래핀 산화물로 형성된 계면 개질층을 포함하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1에 따른 유기태양전지와 실질적으로 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조한 경우, 즉, 제2 전하수송층을 코팅한 후 그 위에 바로 용액 공정으로 전도성 고분자로 제2 전극층을 형성함으로써 제조된 비교예에 따른 유기태양전지 또한 전기적으로 단락된 불량품 발생률이 매우 높다. 이때, 유기태양전지의 제조 신뢰성(정상 제품 제조 수율)은 50% 이하의 수준에 불과하다. 반면, 그래핀 산화물로 형성된 계면 개질층을 포함하는 실시예 1에 따른 유기태양전지의 제조 신뢰성은 80% 이상으로 향상된다.
한편, 유기태양전지 2는, 유기태양전지 3에 비해서 시리즈 저항(Rs)이 낮고 션트 저항(RsH)이 증가한 것을 알 수 있다. 이는, 제2 전극층으로 증착 금속층인 은(Ag)을 이용하는 경우, 계면 개질층인 산화 그래핀에 의해서 접촉 선택성이 향상되어 재결합 전류가 감소되어 전자의 역방향 흐름을 효과적으로 억제할 수 있음을 의미한다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
OSC: 유기태양전지 100: 베이스 기판
200: 제1 전극층 300: 제1 전하수송층
400: 활성층 500: 제2 전하수송층
600: 계면 개질층 700: 제2 전극층

Claims (14)

  1. 베이스 기판 상에 공극을 가지도록 배치된 나노와이어들 및 상기 공극의 적어도 일부를 메우는 티타늄 산화물을 포함하는 음극층;
    상기 음극층 상에 형성된 전자수송층;
    상기 전자수송층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 정공수송층;
    상기 정공수송층 상에 형성되고, 산화 그래핀으로 형성된 계면 개질층; 및
    상기 계면 개질층 상에 형성된 양극층을 포함하는, 유기태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 산화물은
    상기 음극층의 내부와 표면에 배치된 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자수송층은 아연 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정공수송층은
    AI 4083-PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):Polystyrene sulfonate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 양극층은
    은(evaporation-Ag) 또는 PH1000-PEDOT:PSS를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  8. 베이스 기판 상에 제1 용액을 이용하여 공극을 가지도록 배치된 나노와이어들을 형성하는 단계;
    상기 나노와이어들이 형성된 베이스 기판 상에 제1 전구체 용액을 이용하여 상기 공극의 적어도 일부를 메우는 표면 안정화 물질을 형성하는 단계;
    상기 나노와이어들 및 상기 표면 안정화 물질을 포함하는 음극층 상에, 제2 전구체 용액을 이용하여 전자수송층을 형성하는 단계;
    상기 전자수송층 상에, 제2 용액을 이용하여 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 상에, 제3 용액을 이용하여 정공수송층을 형성하는 단계;
    상기 정공수송층 상에, 산화 그래핀을 포함하는 제4 용액을 이용하여 산화 그래핀을 포함하는 계면 개질층을 형성하는 단계; 및
    상기 계면 개질층 상에, 양극층을 형성하는 단계를 포함하는 유기태양전지의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 전구체 용액은 티타늄 전구체를 포함하고,
    상기 표면 안정화 물질은 티타늄 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 전구체 용액은 아연 전구체를 포함하고,
    상기 전자수송층은 아연 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 양극층을 형성하는 단계는
    금속을 증착하거나, 제5 용액을 이용하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 나노와이어, 상기 표면 안정화 물질, 상기 전자수송층, 상기 활성층, 정공수송층 및 상기 양극층을 형성하는 단계들 각각은, 200 ℃ 이하에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조 방법.
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