KR101608504B1 - Organic solar cell and the manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유기 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 제4 암모늄 화합물을 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 전자수송층을 포함하는 유기 태양전지에 관한 것이다.
The present invention relates to an organic solar cell and a method of manufacturing the same, and more particularly to an organic solar cell including an electron transport layer made of a single molecule or a polymer containing a quaternary ammonium compound.
최근 국제유가 급등에 의한 에너지 수급 문제와 화석연료의 사용으로 배출된 이산화탄소로 인한 온실효과로 지구온난화 등의 다양한 환경문제에 대처하기 위해 친환경적인 신재생에너지 개발의 필요성이 대두되고 있다. 급증하는 에너지 소비를 충당하기 위한 방안으로, 매장량의 한계를 드러내기 시작한 화석연료를 대체할 수력, 풍력, 연료전지, 태양전지 등과 같은 신재생에너지 중에서 태양광발전은 친환경적이고 안전할 뿐만 아니라 무한한 에너지원으로 여겨지면서 각광받고 있다.
Recently, the need to develop environmentally friendly new and renewable energy is emerging in order to cope with various environmental problems such as global warming due to the energy supply and demand due to the surge in oil prices and the greenhouse effect caused by carbon dioxide emitted from the use of fossil fuels. Among the renewable energy sources such as hydroelectric power, wind power, fuel cell, and solar cell, which are replacing fossil fuels that are beginning to reveal the limit of reserves, the solar power generation is not only environmentally friendly and safe, but also infinite energy It is widely regarded as a circle.
실리콘 태양전지는 높은 에너지변환효율을 구현하여 현재 상용화 되어 실생활에서 쉽게 찾아볼 수 있으나 반도체 산업 등에서 지속적으로 실리콘에 대한 수요가 증가하여 원재료의 가격이 상승하고 있고, 실리콘은 흡광계수가 낮아 활성층에서 빛의 흡수를 증가시키기 위해서는 두껍게 제조되어야 하기 때문에 제조 비용이 높다. 원료 수급에 대한 경제적 어려움과 더불어 고가의 제조공정, 전지의 용량뿐 아니라 크기 면에서도 한계를 가진다. 이러한 무기물 태양전지의 한계를 극복하기 위한 한가지 대안으로 고분자 물질을 사용하는 나노 박막형 유기 태양전지가 활발히 연구되고 있다.
Silicon solar cells are currently commercialized because they realize high energy conversion efficiency, but they are easily found in real life. However, the demand for silicon is continuously increasing in the semiconductor industry and the price of raw materials is rising. Silicon has a low light absorption coefficient, The manufacturing cost is high because it must be made thick. In addition to the economic difficulties in raw material supply and demand, it has limitations in terms of not only high-priced manufacturing process, capacity of batteries but also size. As an alternative to overcome the limitations of such inorganic solar cells, nano thin film type organic solar cells using polymeric materials have been actively studied.
유기 태양전지는 값싼 고분자를 사용함과 동시에 스핀코팅, 롤-투-롤(roll-to-roll), 잉크젯 방법과 같은 용액기반 인쇄공정을 통한 대면적화가 가능하여 높은 생산성을 기대할 수 있다. 유기 태양전지를 구성하는 핵심 물질인 공액 고분자(Conjugated polymer)는 흡광계수가 높아 얇은 두께로도 태양빛을 충분히 흡수할 수 있어 전체 소자의 두께가 수백 nm인 얇은 소자의 제작이 가능하며, 유연하게 제작할 수 있는 등 무게나 두께, 형태에 제약이 적어 다양한 분야에 적용할 수 있다.
Organic solar cells can be expected to have high productivity because they can be made into a large area through solution-based printing processes such as spin coating, roll-to-roll, and ink-jet printing while using cheap polymers. Conjugated polymer, which is the core material of organic solar cell, has a high extinction coefficient and can sufficiently absorb solar light even at a thin thickness, making it possible to fabricate a thin device with a thickness of several hundreds of the entire device, It can be applied to various fields because it is limited in weight, thickness, and shape.
일반적으로 유기 태양전지의 기본 구조는 금속/광활성층/금속(Metal/Insulator/Metal) 구조로 되어있다. 광활성층은 일반적으로 공액 고분자를 정공수용체(hole acceptor)로 이용하고, 전자수용체(electron acceptor)로는 공액 고분자에 비하여 전자친화도가 큰 고분자나 풀러렌(fullerene) 유도체 혹은 무기물 나노입자 등을 사용하고 있다. 양극으로는 높은 일함수를 가지는 전도성 투명 전극(예를 들어, ITO, PEDOT:PSS 등)을 사용하며, 음극으로는 낮은 일함수를 가지는 금속 전극(예를 들어, Al, Ca 등)을 사용하는데 이를 컨벤셔널(Conventional) 구조라 한다. 하지만 컨벤셔널 구조에서 주로 사용되는 알루미늄(Al), 칼슘(Ca)과 같은 금속 전극은 공기 중에서 쉽게 산화되므로 소자 수명 문제를 근본적으로 해결하기 어려운 문제가 있다.
In general, the basic structure of an organic solar cell is a metal / photoactive layer / metal (metal / insulator / metal) structure. The photoactive layer generally uses a conjugated polymer as a hole acceptor, and as an electron acceptor, a polymer having a higher electron affinity than a conjugated polymer, a fullerene derivative, or an inorganic nano-particle is used . (For example, ITO, PEDOT: PSS or the like) having a high work function is used as the anode and a metal electrode (for example, Al, Ca or the like) having a low work function is used for the cathode This is called a conventional structure. However, metal electrodes such as aluminum (Al) and calcium (Ca), which are mainly used in conventional structures, are easily oxidized in the air, so that there is a problem that it is difficult to fundamentally solve the problem of lifetime of the device.
이에, 컨벤셔널 구조와 반대로 투명 전극을 음극으로, 금(Au)과 같은 높은 일함수를 갖는 금속을 양극으로 사용하는 인버트(Inverted) 구조가 도입되었다. 인버트 구조의 유기 태양전지에서는 전자수송층으로 TiO2, ZnO, NiO 및 MoO3 등과 같은 다양한 금속 산화물에 대한 연구가 활발히 행해지고 있는데, 이는 금속 산화물이 공기 중에서 매우 안정적이고 기계적, 전기적 특성이 뛰어나며, 가격이 저렴하고 가시광 영역에서 투명하다는 장점을 가지고 있기 때문이다.
Accordingly, an inverted structure using a transparent electrode as a cathode and a metal having a high work function such as gold (Au) as an anode has been introduced as opposed to a conventional structure. In the organic solar cell of the invert structure, various metal oxides such as TiO 2 , ZnO, NiO and MoO 3 are actively studied as the electron transport layer because the metal oxide is very stable in air and excellent in mechanical and electrical properties, Because it has a merit of being inexpensive and transparent in the visible light region.
기존의 인버트 구조의 유기 태양전지는 음극으로 사용하는 ITO 등의 투명 전극과 광활성층의 전자수용체로 사용되는 물질인 풀러렌 유도체와의 에너지 밴드갭의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다. 유기 태양전지에서는 버퍼층으로 TiO2, ZnO 등과 같은 다양한 금속 산화물을 전자수송층으로 사용하고 있으나, 유기물인 광활성층과 무기물인 금속 산화물 사이의 원천적인 비호환성 문제 때문에 높은 계면저항을 나타내어 낮은 충진인자를 가지므로 금속 산화물만으로는 한계를 가지는 문제가 있다. 또한, 금속 산화물은 일반적으로 200 ℃ 이상의 고온의 열처리를 통해 형성된다.
In the conventional invert organic solar cell, since a difference in energy band gap is large between a transparent electrode such as ITO used as a cathode and a fullerene derivative used as an electron acceptor of a photoactive layer, a band gap is required to form a good junction A buffer layer is needed between the two materials. In the organic solar cell, various metal oxides such as TiO 2 and ZnO are used as the buffer layer as the electron transport layer. However, due to the inherent incompatibility between the organic photoactive layer and the inorganic metal oxide, high interface resistance is exhibited, Therefore, there is a problem that the metal oxide alone has a limitation. Further, the metal oxide is generally formed through heat treatment at a high temperature of 200 ° C or higher.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 종래 기술을 살펴보면, 대한민국 등록특허 제10-1130516호에서는 고효율 유기태양전지 소자 및 이의 제조 방법이 개시된 바 있다. 상세하게는, 인버트 유기 태양전지의 광활성층 및 n-type의 금속 산화물층 사이에 실란계 물질을 포함하는 자기조립층이 형성되어 구조적 안정성 및 전하의 수송효율이 향상된 유기 태양전지에 관한 것이다.
In order to solve the above problems, Korean Patent No. 10-1130516 discloses a high efficiency organic solar cell device and a manufacturing method thereof. More particularly, the present invention relates to an organic solar cell in which a self-assembled layer containing a silane-based material is formed between a photoactive layer of an invert organic solar cell and an n-type metal oxide layer to improve structural stability and charge transport efficiency.
이에, 본 발명자들은 유기 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 연구하던 중, 일반적으로 전자수송층으로 사용되던 금속 산화물을 대신하여 음극 표면과 화학적 결합을 할 수 있는 기능기를 갖는 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자를 도입하여 음극의 일함수(work function) 제어를 통해 전자전달 능력을 향상시켰으며 결과적으로 성능이 향상된 유기 태양전지를 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
In order to improve the efficiency of an organic solar cell, the present inventors have found that when a quaternary ammonium compound having a functional group capable of chemical bonding with a surface of a negative electrode is contained in a molecule instead of a metal oxide generally used as an electron transporting layer The present inventors have developed an organic solar cell having improved performance by improving the electron transporting ability by controlling a work function of a cathode by introducing a single molecule or a polymer.
본 발명의 목적은 성능이 향상된 유기 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide an organic solar cell with improved performance and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,
기판;Board;
상기 기판 상부에 적층되는 음극;A cathode stacked on the substrate;
상기 음극 상부에 적층되는 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 전자수송층;An electron transport layer composed of a single molecule or a polymer containing in the molecule a quaternary ammonium compound stacked on the cathode;
상기 전자수송층 상부에 적층되는 광활성층;A photoactive layer stacked on the electron transport layer;
상기 광활성층 상부에 적층되는 정공수송층; 및A hole transport layer deposited on the photoactive layer; And
상기 정공수송층 상부에 적층되는 양극;을 포함하는 유기 태양전지를 제공한다.
And a cathode stacked on the hole transport layer.
또한, 본 발명은In addition,
기판 상부에 음극을 형성하는 단계(단계 1);Forming a cathode on the substrate (step 1);
상기 단계 1에서 형성된 음극 상부에 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 전자수송층을 형성하는 단계(단계 2);A step (step 2) of forming an electron transport layer made of a single molecule or a polymer containing a quaternary ammonium compound in the molecule on the anode formed in the step 1;
상기 단계 2에서 형성된 전자수송층 상부에 광활성층을 형성하는 단계(단계 3);Forming a photoactive layer on the electron transporting layer formed in step 2 (step 3);
상기 단계 3에서 형성된 광활성층 상부에 정공수송층을 형성하는 단계(단계 4); 및Forming a hole transport layer on the photoactive layer formed in Step 3 (Step 4); And
상기 단계 4에서 형성된 정공수송층 상부에 양극을 형성하는 단계(단계 5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
And forming an anode on the hole transporting layer formed in step 4 (step 5).
본 발명에 따른 유기 태양전지는 종래에 전자수송층으로 사용되던 금속 산화물을 대신하여 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자가 전자수송층으로 도입된 태양전지로써, 상기 유기 태양전지는 음극의 일함수 제어를 통해 전자전달 능력이 향상되는 효과가 있다. 이에 따라, 유기 태양전지의 광전변환효율이 향상되는 효과가 있다. 또한, 상기 유기 태양전지는 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자를 전자수송층으로 사용함으로써, 저온 공정이 가능하여 경제적이다.
The organic solar cell according to the present invention is a solar cell in which a single molecule or a polymer containing a quaternary ammonium compound in its molecule is introduced into an electron transport layer instead of a metal oxide conventionally used as an electron transport layer, There is an effect that the electron transfer ability is improved through work function control. Thereby, the photoelectric conversion efficiency of the organic solar battery is improved. In addition, the organic solar cell is economical because a low-temperature process can be performed by using a single molecule or a polymer containing a quaternary ammonium compound in the molecule as an electron transport layer.
도 1은 본 발명에 따른 유기 태양전지의 구조를 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 전자수송층의 형상을 원자 힘 현미경(AFM)으로 관찰한 사진이고;
도 3은 본 발명에 따른 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 전자수송층의 영향을 UPS 스펙트럼으로 분석한 그래프이고;
도 4 내지 7은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 유기 태양전지의 표준조건 상태에서 광전력변환효율을 나타낸 그래프이다.1 is a schematic view showing the structure of an organic solar cell according to the present invention;
2 is a photograph of the shape of an electron transport layer made of a single molecule or a polymer containing a quaternary ammonium compound according to the present invention in a molecule by an atomic force microscope (AFM);
FIG. 3 is a graph showing the effect of an electron transport layer made of a single molecule or a polymer containing a quaternary ammonium compound according to the present invention in a molecule by UPS spectrum;
4 to 7 are graphs showing optical power conversion efficiencies of the organic solar cells manufactured in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 according to the present invention under standard conditions.
본 발명은The present invention
기판;Board;
상기 기판 상부에 적층되는 음극;A cathode stacked on the substrate;
상기 음극 상부에 적층되는 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 전자수송층;An electron transport layer composed of a single molecule or a polymer containing in the molecule a quaternary ammonium compound stacked on the cathode;
상기 전자수송층 상부에 적층되는 광활성층;A photoactive layer stacked on the electron transport layer;
상기 광활성층 상부에 적층되는 정공수송층; 및A hole transport layer deposited on the photoactive layer; And
상기 정공수송층 상부에 적층되는 양극;을 포함하는 유기 태양전지를 제공한다.
And a cathode stacked on the hole transport layer.
이때, 본 발명에 따른 유기 태양전지의 일례로서 도 1에 유기 태양전지의 구조를 모식도로 나타내었으며,Here, as an example of the organic solar cell according to the present invention, Fig. 1 shows the structure of the organic solar cell in a schematic view,
이하, 본 발명에 따른 유기 태양전지에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the organic solar cell according to the present invention will be described in detail.
기존의 인버트 구조의 유기 태양전지(10)는 금속 산화물 등의 무기물인 전자수송층(102)과 유기물인 광활성층(103) 사이의 원천적인 비호환성 문제 때문에 높은 계면저항을 나타내어 낮은 전자전달 속도를 가지므로 금속 산화물만으로는 한계를 가지는 문제가 있다. The conventional invert organic
상기와 같은 문제를 해결하기 위해 종래에 일반적으로 전자수송층으로 사용되던 금속 산화물 등의 무기물을 대신하여 음극 표면과 화학적 결합을 할 수 있는 기능기를 가지는 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자를 전자수송층으로 사용한다. 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자를 전자수송층으로 사용함으로써, 음극의 일함수가 조절되어 전자전달 능력이 향상되는 효과가 있다.
In order to solve the above-mentioned problems, it has been proposed to use a single molecule or a polymer containing a quaternary ammonium compound having a functional group capable of chemical bonding with the surface of a negative electrode instead of an inorganic substance such as a metal oxide conventionally used as an electron transport layer Is used as an electron transporting layer. By using a monomolecular or polymer containing a quaternary ammonium compound in the molecule as an electron transporting layer, the work function of the cathode is controlled and the electron transporting ability is improved.
본 발명에 따른 유기 태양전지(10)는 기판(100), 음극(101), 전자수송층(102), 광활성층(103), 정공수송층(104) 및 양극(105)을 포함하며, 상기 전자수송층(102)은 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 것을 특징으로 한다.
An organic
본 발명에 따른 유기 태양전지(10)에 있어서, 상기 기판(100)은 유기 태양전지를 지탱하고, 태양광 등과 같은 외부로부터 입사되는 빛을 입사시킬 수 있는 투명 재질이라면 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 바람직하게는 유리 기판 또는 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyethyleneTerephthlate), 폴리에틸렌나프탈레이트(PolyethyleneNaphthalate), 폴리이미드(Polyimide), 폴리프로필렌(Polypropylene) 및 폴리아크릴레이트(Polyacrylate) 등의 고분자 재질의 기판을 사용할 수 있다.
In the organic
본 발명에 따른 유기 태양전지(10)에 있어서, 상기 음극(101)은 상기 기판(100) 상부에 적층된다.
In the organic
상기 음극(101)은 전기 전도성을 가지며, 투명한 물질이면 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 바람직하게는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 안티몬 틴 옥사이드(ATO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(AZO), 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(GZO), 은 나노 입자, 은 나노 와이어 및 탄소 나노 튜브(CNT) 등을 사용할 수 있다.The
이때, 상기 음극(101)은 DC 스퍼터링 방식, 화학적 증착법(CVD), 원자층 증착(ALD) 및 졸겔 코팅(Sol-gel coating) 등에 의한 방법을 통해 적층될 수 있으며, 은 나노 입자, 은 나노 와이어 및 탄소 나노 튜브(CNT) 등을 코팅하여 사용할 수도 있다. The
또한, 상기 음극(101)의 두께는 100 nm 내지 1,000 nm인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
The thickness of the
본 발명에 따른 유기 태양전지(10)에 있어서, 상기 전자수송층(102)은 상기 음극(101) 상부에 적층된다.
In the organic
상기 전자수송층(102)은 투명 전극 등의 음극(101) 표면에 존재하는 수산기(-OH)와 상호작용을 할 수 있는 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The
기존의 인버트 구조의 유기 태양전지(10)는 금속 산화물 등의 무기물인 전자수송층(102)과 유기물인 광활성층(103) 사이의 원천적인 비호환성 문제 때문에 높은 계면저항을 나타내어 낮은 전자전달 속도를 가지므로 금속 산화물만으로는 한계를 가지는 문제가 있다. The conventional invert organic
상기와 같은 문제를 해결하기 위해 종래에 일반적으로 전자수송층으로 사용되던 금속 산화물 등의 무기물을 대신하여 음극 표면과 화학적 결합을 할 수 있는 기능기를 가지는 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자를 전자수송층으로 사용한다. 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자를 전자수송층으로 사용함으로써, 음극의 일함수가 조절되어 전자전달 능력이 향상되는 효과가 있다.
In order to solve the above-mentioned problems, it has been proposed to use a single molecule or a polymer containing a quaternary ammonium compound having a functional group capable of chemical bonding with the surface of a negative electrode instead of an inorganic substance such as a metal oxide conventionally used as an electron transport layer Is used as an electron transporting layer. By using a monomolecular or polymer containing a quaternary ammonium compound in the molecule as an electron transporting layer, the work function of the cathode is controlled and the electron transporting ability is improved.
이때, 상기 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자는 화학식 1로 표현되는 화합물일 수 있다.
At this time, the monomers containing the quaternary ammonium compound in the molecule may be a compound represented by the general formula (1).
<화학식 1>≪ Formula 1 >
(상기 화학식 1에 있어서,(In the formula 1,
R1 내지 R4는 각각 독립적으로 C1 ~20의 직쇄 알킬, C4 -20의 분지쇄 알킬, C1 ~20의 직쇄 알케닐, C5 ~20의 분지쇄 알케닐, C5 -12의 아릴, C5 -12의 아릴 C1 -6의 직쇄 알킬 또는 C5 -12의 아릴 C4 -6의 분지쇄 알킬이고,R 1 to R 4 are each independently a C 1 ~ 20 linear alkyl, C 4 -20 branched-chain alkyl, C 1 ~ 20 linear alkenyl, C 5 ~ 20 branched chain alkenyl, C 5 -12 of the aryl, a branched chain alkyl of C 5 -12 aryl C 1 -6 straight-chain alkyl or C 5 -12 aryl C 4 -6 for the,
X-는 할로겐 이온 또는 수산화 이온(OH-)이다).
X - is a halogen ion or a hydroxide ion (OH - ).
구체적인 일례로써, 상기 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자는 테트라메틸암모늄 클로라이드(tetramethylammonium chloride), 테트라메틸암모늄 브로마이드(tetramethylammonium bromide), 테트라메틸암모늄 아이오다이드(tetramethylammonium iodide), 테트라에틸암모늄 아이오다이드(tetraethylammonium iodide), 테트라프로필암모늄 아이오다이드(tetrapropylammonium iodide), 테트라헥실암모늄 아이오다이드(tetrahexylammonium iodide), 디알릴디메틸암모늄 클로라이드(diallyldimethylammonium chloride), 트리메틸-페닐-암모늄 아이오다이드(trimethyl-phenyl-ammonium iodide), 트리메틸-(1-페닐-에틸)-암모늄 브로마이드(trimethyl-(1-phenyl-ethyl)-ammonium bromide), 트리메틸-(1-페닐-에틸-암모늄 아이오다이드(trimethyl-(1-phenyl-ethyl)-ammonium iodide), 알릴-벤질-디에틸-암모늄 브로마이드(allyl-benzyl-diethyl-ammonium bromide) 및 벤질트리메틸암모늄 하이드록사이드(benzyltrimethylammonium hydroxide) 등일 수 있다.
As a specific example, the monomers containing the quaternary ammonium compound in the molecule may be selected from the group consisting of tetramethylammonium chloride, tetramethylammonium bromide, tetramethylammonium iodide, tetraethylammonium iodide, But are not limited to, tetraethylammonium iodide, tetrapropylammonium iodide, tetrahexylammonium iodide, diallyldimethylammonium chloride, trimethyl-phenyl-ammonium iodide, phenyl-ammonium iodide, trimethyl- (1-phenyl-ethyl) -ammonium bromide, trimethyl- (1-phenyl- ethyl-ammonium iodide) 1-phenyl-ethyl) -ammonium iodide, allyl-benzyl-diethyl-ammonium bromide and Benzyltrimethylammonium hydroxide, and the like.
또한, 상기 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 고분자는 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(poly(diallyldimethylammonium chloride)), 폴리(아크릴아미드-co-디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(Poly(acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride)) 및 폴리[비스(2-클로로에틸) 이서-alt-1,3-비스[3-(디메틸아미노)프로필]우레아] 쿼터나이즈드(Poly[bis(2-chloroethyl) ether-alt-1,3-bis[3-(dimethylamino)propyl]urea] quaternized) 등일 수 있다.
Also, the polymer containing the quaternary ammonium compound in the molecule may be poly (diallyldimethylammonium chloride), poly (acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride) (poly (acrylamide-co- bis (2-chloroethyl) ether-alt-1,3-bis [3- (dimethylamino) propyl] urea] quaternarnide (diallyldimethylammonium chloride) and poly [bis 1,3-bis [3- (dimethylamino) propyl] urea] quaternized) and the like.
나아가, 상기 제4 암모늄 화합물을 분자내에 포함하는 단분자 혹은 고분자로 이루어진 전자수송층의 두께는 0.1 nm 내지 100 nm일 수 있으며, 0.5 nm 내지 10 nm인 것이 바람직하다. 만약, 상기 제4 암모늄 화합물을 분자내에 포함하는 단분자 혹은 고분자로 이루어진 전자수송층의 두께가 0.1 nm 미만일 경우에는 광활성층(103)과 음극(101)이 접촉하여 단락이 되는 문제가 있으며, 100 nm를 초과하는 경우에는 전자전달 속도가 오히려 느려져 태양전지의 광전변환효율이 감소하는 문제가 있다.
Furthermore, the thickness of the electron transporting layer made of a single molecule or a polymer containing the quaternary ammonium compound in the molecule may be 0.1 nm to 100 nm, preferably 0.5 nm to 10 nm. If the thickness of the electron transporting layer made of a single molecule or a polymer containing the quaternary ammonium compound in the molecule is less than 0.1 nm, there is a problem that the
이때, 상기 전자수송층(102)은 코팅을 통해 적층될 수 있으며, 코팅 과정은 스핀 코팅법, 딥 코팅법, 스프레이 코팅법, 잉크젯 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 드롭 캐스팅, 도장법, 닥터블레이드 코팅법, 그라비아 프린팅법 등을 사용할 수 있으나, 유기물을 코팅할 수 있는 방법이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.The
또한, 상기 코팅은 전체 수용액에 대하여 0.05 중량% 내지 5 중량%의 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자를 포함하는 수용액을 사용하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In addition, the coating may be performed using an aqueous solution containing a monomolecular or polymer containing 0.05 wt% to 5 wt% of a quaternary ammonium compound in the molecule with respect to the entire aqueous solution, but is not limited thereto.
나아가, 상기 수용액은 필요에 따라서 산성 물질 또는 염기성 물질을 첨가하여 상호작용을 촉진시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
Furthermore, the aqueous solution may be added with an acidic or basic substance, if necessary, to promote the interaction, but the present invention is not limited thereto.
본 발명에 따른 유기 태양전지(10)에 있어서, 상기 광활성층(103)은 상기 전자수송층(102) 상부에 적층된다.
In the organic
상기 광활성층(103)은 빛을 받아 전자와 정공을 분리시켜 전류를 생성하는 부분으로, 상기 광활성층(103)은 전자수용체(Electron acceptor)와 정공수용체(Hole acceptor)가 혼재되어 있는 이종 접합 또는 벌크 이종 접합 구조일 수 있다.The
상기 정공수용체는 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT) 등과 같은 티오펜계 고분자 유도체, 폴리실록산카르바졸, PCDTBT(poly[[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl]-2,5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]) 등과 같은 카바졸계 고분자 유도체, PCPDTBT(poly[2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl]]), poly[4,8-bis-alkyloxybenzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene-2,6-diyl -alt-(alkylthieno(3,4-b)thiophene-2-carboxylate)-2,6-diyl](PBDTTT), 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]]) 등과 같은 싸이클로펜타다이티오펜계 고분자 유도체, PFDTBT(poly[2,7-(9,9'-hexylfluorene)-alt-2,3-dimethyl-5,7-dithien-2-yl-2,1,3-benzothiadiazole]) 등과 같은 플루오렌계 고분자 유도체, 폴리아닐린, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레1)-2,5-페닐렌-비닐렌, 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘 및 이들의 유도체 등을 사용할 수 있으며,The hole acceptor may be a thiophene polymer derivative such as poly (3-hexylthiophene) (P3HT), polysiloxane carbazole, poly [[9- (1-octylnonyl) -9H-carbazole-2,7-diyl] -2,5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]) and the like, PCPDTBT (poly [2,1,3-benzothiadiazole-4,7 di [4,4-bis (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2,1-b: 3,4-b '] dithiophene-2,6-diyl] alkyloxybenzo (1,2-b: 4,5-b) dithiophene-2,6-diyl-lower- (alkylthieno (3,4-b) thiophene-2-carboxylate) -2,6-diyl] (PBDTTT) , PTB7 (poly [[4,8-bis [(2-ethylhexyl) oxy] benzo [1,2- b: 4,5- b '] dithiophene-2,6- (9,9'-hexylfluorene) -alt-2 (2-ethylhexyl) carbonyl] thieno [3,4-b] thiophenediyl]]) and the like, PFDTBT (3-dimethyl-5,7-dithien-2-yl-2,1,3-benzothiadiazole)), polyaniline, polyethylene oxide, poly Perth 1) -2,5-phenylene-vinylene, polyindole, polycarbazole, polypyridazine, polyisothianaphthalene, polyphenylene sulfide, polyvinylpyridine, polythiophene, polyfluorene, Derivatives thereof, etc. may be used,
상기 전자수용체는 풀러렌 (Fullerene), PCBM([6,6]Phenyl-C61-butyricacidmethylester), PC70BM([6,6]-phenyl-C71- butyric acid methyl ether) 등과 같은 플러렌 유도체, PBI(Polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), 및 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The electron acceptor may be a fullerene derivative such as fullerene, PCBM ([6,6] Phenyl-C61-butyric acid methyl ether), PC 70 BM ([6,6] -phenyl-C71-butyric acid methyl ether), polybenzimidazole ), PTCBI (3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), and the like, but are not limited thereto.
이때, 상기 광활성층(103)은 상기 물질들을 용해 또는 분산시킨 용액을 사용하여 적층할 수 있으며, 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법, 그라비아 프린팅법 등의 방법을 통하여 적층할 수 있으나, 금속 산화물을 코팅할 수 있는 방법이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.At this time, the
또한, 상기 광활성층(103)의 두께는 50 nm 내지 300 nm인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
The thickness of the
본 발명에 따른 유기 태양전지(10)에 있어서, 상기 정공수송층(104)은 상기 광활성층(103) 상부에 적층된다.
In the organic
상기 정공수송층(104)은 정공을 수송하는 능력을 가지며 전자를 차단하는 특성 뿐만 아니라, 박막 형성 능력이 우수한 화합물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 일례로서 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate)) 또는 텅스텐옥사이드(WO3), 니켈옥사이드(NiO), 몰리브데늄옥사이드(MoO2, MoO3) 및 세륨 도핑된 텅스텐옥사이드(CeWO3) 등과 같은 금속 산화물을 사용할 수 있다.The
이때, 상기 정공수송층(104)은 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법 등에 의해 적층될 수 있으며, 진공 하에서 열증착이나 스퍼터링 방식에 의해 적층될 수도 있다. The
또한, 상기 정공수송층(104)의 두께는 1 nm 내지 100 nm인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
The thickness of the
본 발명에 따른 유기 태양전지(10)에 있어서, 상기 양극(105)은 상기 정공수송층(104) 상부에 적층된다.
In the organic
상기 양극(105)은 일함수가 큰 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 및 이들의 혼합물 등의 전극 재료일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 금(Au), 니켈(Ni) 및 팔라듐(Pd) 등의 금속을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The
이때, 상기 양극(105)의 두께는 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
At this time, the thickness of the
본 발명은The present invention
기판 상부에 음극을 형성하는 단계(단계 1);Forming a cathode on the substrate (step 1);
상기 단계 1에서 형성된 음극 상부에 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 전자수송층을 형성하는 단계(단계 2);A step (step 2) of forming an electron transport layer made of a single molecule or a polymer containing a quaternary ammonium compound in the molecule on the anode formed in the step 1;
상기 단계 2에서 형성된 전자수송층 상부에 광활성층을 형성하는 단계(단계 3);Forming a photoactive layer on the electron transporting layer formed in step 2 (step 3);
상기 단계 3에서 형성된 광활성층 상부에 정공수송층을 형성하는 단계(단계 4); 및Forming a hole transport layer on the photoactive layer formed in Step 3 (Step 4); And
상기 단계 4에서 형성된 정공수송층 상부에 양극을 형성하는 단계(단계 5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
And forming an anode on the hole transporting layer formed in step 4 (step 5).
이하, 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing an organic solar cell according to the present invention will be described in detail for each step.
본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 1은 기판 상부에 음극을 형성하는 단계이다.
In the method of manufacturing an organic solar cell according to the present invention, step 1 is a step of forming a cathode on a substrate.
이때, 상기 단계 1의 기판은 유기 태양전지를 지탱하고, 태양광 등과 같은 외부로부터 입사되는 빛을 입사시킬 수 있는 투명 재질이라면 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 바람직하게는 유리 기판 또는 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyethyleneTerephthlate), 폴리에틸렌나프탈레이트(PolyethyleneNaphthalate), 폴리이미드(Polyimide), 폴리프로필렌(Polypropylene) 및 폴리아크릴레이트(Polyacrylate) 등의 고분자 재질의 기판을 사용할 수 있다.
At this time, the substrate of step 1 can be used without limitation as long as it is a transparent material that supports the organic solar cell and allows light incident from the outside such as sunlight to enter. Preferably, the substrate is a glass substrate or polycarbonate, A substrate made of a polymer material such as polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyimide, polypropylene, and polyacrylate can be used.
또한, 상기 단계 1의 음극은 전기 전도성을 가지며, 투명한 물질이면 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 바람직하게는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 안티몬 틴 옥사이드(ATO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(AZO), 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(GZO), 은 나노 입자, 은 나노 와이어 및 탄소 나노 튜브(CNT) 등을 사용할 수 있다.The negative electrode of step 1 has electrical conductivity and may be any of a transparent material and may be used without limitation. Preferably, indium tin oxide (ITO), antimony tin oxide (ATO), fluorine tin oxide (FTO) (AZO), gallium-doped zinc oxide (GZO), silver nanoparticles, silver nanowires, and carbon nanotubes (CNTs).
이때, 상기 단계 1의 음극(101)은 DC 스퍼터링 방식, 화학적 증착법(CVD), 원자층 증착(ALD) 및 졸겔 코팅(Sol-gel coating) 등에 의한 방법을 통해 적층될 수 있으며, 은 나노 입자, 은 나노 와이어 및 탄소 나노 튜브(CNT) 등을 코팅하여 사용할 수도 있다. The
또한, 상기 단계 1에서 형성된 음극의 두께는 100 내지 1,000 nm인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.The thickness of the negative electrode formed in step 1 is preferably 100 to 1,000 nm, but is not limited thereto.
나아가, 상기 단계 1에서 형성된 음극을 아세톤, 알콜, 물 또는 이들의 혼합용액에 침지시킨 후 초음파 세정을 수행하고 건조시켜 다음 단계를 진행하는 것이 바람직하다.
Furthermore, it is preferable that the negative electrode formed in the step 1 is immersed in acetone, alcohol, water or a mixed solution thereof, followed by ultrasonic cleaning and drying to proceed to the next step.
다음으로, 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 형성된 음극 상부에 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 전자수송층을 형성하는 단계이다.
Next, in the method for manufacturing an organic solar cell according to the present invention,
기존의 인버트 구조의 유기 태양전지는 금속 산화물 등의 무기물인 전자수송층과 유기물인 광활성층 사이의 원천적인 비호환성 문제 때문에 높은 계면저항을 나타내어 낮은 전자전달 속도를 가지므로 금속 산화물만으로는 한계를 가지는 문제가 있다. The conventional invert organic solar cell has a problem of limitation due to metal oxide because it has a low electron transfer rate due to a high interfacial resistance due to a source incompatibility problem between an electron transport layer which is an inorganic material such as a metal oxide and a photoactive layer which is an organic material have.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 상기 단계 2에서는 종래에 일반적으로 전자수송층으로 사용되던 금속 산화물 등의 무기물을 대신하여 음극 표면과 화학적 결합을 할 수 있는 기능기를 가지는 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자를 사용하여 전자수송층을 형성한다. 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자를 전자수송층으로 사용함으로써, 음극의 일함수가 조절되어 전자전달 능력이 향상되는 효과가 있다.In order to solve the above problems, in
또한, 상기 단계 2에서 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자를 전자수송층으로 사용함으로써, 저온 공정이 가능하여 경제적이다.
Further, by using a monomolecular or polymer containing a quaternary ammonium compound in the molecule as the electron transporting layer in the
구체적으로, 상기 단계 2에서 전자수송층은 투명 전극 등의 음극 표면에 존재하는 수산기(-OH)와 상호작용을 할 수 있는 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자를 사용하여 형성할 수 있다.Specifically, in the
이때, 상기 단계 2의 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자는 화학식 1로 표현되는 화합물일 수 있다.
At this time, the monomolecular molecule containing the quaternary ammonium compound of the
<화학식 1>≪ Formula 1 >
(상기 화학식 1에 있어서,(In the formula 1,
R1 내지 R4는 각각 독립적으로 C1 ~20의 직쇄 알킬, C4 -20의 분지쇄 알킬, C1 ~20의 직쇄 알케닐, C5 ~20의 분지쇄 알케닐, C5 -12의 아릴, C5 -12의 아릴 C1 -6의 직쇄 알킬 또는 C5 -12의 아릴 C4 -6의 분지쇄 알킬이고,R 1 to R 4 are each independently a C 1 ~ 20 linear alkyl, C 4 -20 branched-chain alkyl, C 1 ~ 20 linear alkenyl, C 5 ~ 20 branched chain alkenyl, C 5 -12 of the aryl, a branched chain alkyl of C 5 -12 aryl C 1 -6 straight-chain alkyl or C 5 -12 aryl C 4 -6 for the,
X-는 할로겐 이온 또는 수산화 이온(OH-)이다).
X - is a halogen ion or a hydroxide ion (OH - ).
구체적인 일례로써, 상기 단계 2의 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자는 테트라메틸암모늄 클로라이드(tetramethylammonium chloride), 테트라메틸암모늄 브로마이드(tetramethylammonium bromide), 테트라메틸암모늄 아이오다이드(tetramethylammonium iodide), 테트라에틸암모늄 아이오다이드(tetraethylammonium iodide), 테트라프로필암모늄 아이오다이드(tetrapropylammonium iodide), 테트라헥실암모늄 아이오다이드(tetrahexylammonium iodide), 디알릴디메틸암모늄 클로라이드(diallyldimethylammonium chloride), 트리메틸-페닐-암모늄 아이오다이드(trimethyl-phenyl-ammonium iodide), 트리메틸-(1-페닐-에틸)-암모늄 브로마이드(trimethyl-(1-phenyl-ethyl)-ammonium bromide), 트리메틸-(1-페닐-에틸-암모늄 아이오다이드(trimethyl-(1-phenyl-ethyl)-ammonium iodide), 알릴-벤질-디에틸-암모늄 브로마이드(allyl-benzyl-diethyl-ammonium bromide) 및 벤질트리메틸암모늄 하이드록사이드(benzyltrimethylammonium hydroxide) 등일 수 있다.
As a specific example, the monomers containing the quaternary ammonium compound of the
또한, 상기 단계 2의 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 고분자는 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(poly(diallyldimethylammonium chloride)), 폴리(아크릴아미드-co-디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(Poly(acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride)) 및 폴리[비스(2-클로로에틸) 이서-alt-1,3-비스[3-(디메틸아미노)프로필]우레아] 쿼터나이즈드(Poly[bis(2-chloroethyl) ether-alt-1,3-bis[3-(dimethylamino)propyl]urea] quaternized) 등일 수 있다.
The polymer containing the quaternary ammonium compound in
나아가, 상기 단계 2에서 형성된 전자수송층의 두께는 0.1 nm 내지 100 nm일 수 있으며, 0.5 nm 내지 10 nm인 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계2에서 형성된 전자수송층의 두께가 0.1 nm 미만일 경우에는 광활성층과 음극이 접촉하여 단락이 되는 문제가 있으며, 100 nm를 초과하는 경우에는 전자전달 속도가 오히려 느려져 태양전지의 광전변환효율이 감소하는 문제가 있다.
Further, the thickness of the electron transporting layer formed in the
이때, 상기 단계 2의 전체 수용액에 대하여 0.05 중량% 내지 5 중량%의 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자를 포함하는 수용액을 코팅하는 방법으로 형성할 수 있다. 또한, 상기 코팅 방법은 스핀 코팅법, 딥 코팅법, 스프레이 코팅법, 잉크젯 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 드롭 캐스팅, 도장법, 닥터블레이드 코팅법, 그라비아 프린팅법 등을 사용할 수 있으나, 유기물을 코팅할 수 있는 방법이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.At this time, it may be formed by coating an aqueous solution containing a monomer or a polymer containing 0.05 wt% to 5 wt% of the quaternary ammonium compound in the molecule with respect to the entire aqueous solution of the
나아가, 상기 수용액은 필요에 따라서 산성 물질 또는 염기성 물질을 첨가하여 상호작용을 촉진시킬 수 있다.
Furthermore, the aqueous solution may be supplemented with an acidic or basic substance, if necessary, to promote the interaction.
다음으로, 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 형성된 전자수송층층 상부에 광활성층을 형성하는 단계이다.
Next, in the method of manufacturing an organic solar cell according to the present invention, Step 3 is a step of forming a photoactive layer on the electron transport layer formed in
이때, 상기 단계 3의 광활성층은 빛을 받아 전자와 정공을 분리시켜 전류를 생성하는 부분으로, 상기 광활성층은 전자수용체(Electron acceptor)와 정공수용체(Hole acceptor)가 혼재되어 있는 이종 접합 또는 벌크 이종 접합 구조로 형성될 수 있다.At this time, the photoactive layer of step 3 is a part that receives light and generates electrons and holes to generate a current, and the photoactive layer is a heterogeneous junction in which an electron acceptor and a hole acceptor are mixed, And may be formed with a heterojunction structure.
상기 정공수용체는 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT) 등과 같은 티오펜계 고분자 유도체, 폴리실록산카르바졸, PCDTBT(poly[[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl]-2,5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]) 등과 같은 카바졸계 고분자 유도체, PCPDTBT(poly[2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl]]), poly[4,8-bis-alkyloxybenzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene-2,6-diyl -alt-(alkylthieno(3,4-b)thiophene-2-carboxylate)-2,6-diyl](PBDTTT), 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]]) 등과 같은 싸이클로펜타다이티오펜계 고분자 유도체, PFDTBT(poly[2,7-(9,9'-hexylfluorene)-alt-2,3-dimethyl-5,7-dithien-2-yl-2,1,3-benzothiadiazole]) 등과 같은 플루오렌계 고분자 유도체, 폴리아닐린, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레1)-2,5-페닐렌-비닐렌, 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘 및 이들의 유도체 등을 사용할 수 있으며,The hole acceptor may be a thiophene polymer derivative such as poly (3-hexylthiophene) (P3HT), polysiloxane carbazole, poly [[9- (1-octylnonyl) -9H-carbazole-2,7-diyl] -2,5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]) and the like, PCPDTBT (poly [2,1,3-benzothiadiazole-4,7 di [4,4-bis (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2,1-b: 3,4-b '] dithiophene-2,6-diyl] alkyloxybenzo (1,2-b: 4,5-b) dithiophene-2,6-diyl-lower- (alkylthieno (3,4-b) thiophene-2-carboxylate) -2,6-diyl] (PBDTTT) , PTB7 (poly [[4,8-bis [(2-ethylhexyl) oxy] benzo [1,2- b: 4,5- b '] dithiophene-2,6- (9,9'-hexylfluorene) -alt-2 (2-ethylhexyl) carbonyl] thieno [3,4-b] thiophenediyl]]) and the like, PFDTBT (3-dimethyl-5,7-dithien-2-yl-2,1,3-benzothiadiazole)), polyaniline, polyethylene oxide, poly Perth 1) -2,5-phenylene-vinylene, polyindole, polycarbazole, polypyridazine, polyisothianaphthalene, polyphenylene sulfide, polyvinylpyridine, polythiophene, polyfluorene, Derivatives thereof, etc. may be used,
상기 전자수용체는 풀러렌 (Fullerene), PCBM([6,6]Phenyl-C61-butyricacidmethylester), PC70BM([6,6]-phenyl-C71- butyric acid methyl ether) 등과 같은 플러렌 유도체, PBI(Polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), 및 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
The electron acceptor may be a fullerene derivative such as fullerene, PCBM ([6,6] Phenyl-C61-butyric acid methyl ether), PC70BM ([6,6] -phenyl- PTCBI (3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), and the like, but are not limited thereto.
또한, 상기 단계 3의 광활성층은 상기 물질들을 용해 또는 분산시킨 용액을 사용하여 적층할 수 있으며, 이때 사용되는 용매로는 클로로포름, 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 1,2,4-트리클로로벤젠 및 톨루엔 등의 극성 용매를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The photoactive layer of step 3 may be laminated using a solution in which the above materials are dissolved or dispersed. As the solvent used in this step, chloroform, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 1,2,4-trichloro But are not limited to, polar solvents such as toluene, toluene, and toluene.
나아가, 상기 물질들이 분산된 용액을 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법, 그라비아 프린팅법 등의 방법을 통하여 적층할 수 있으나, 금속 산화물을 코팅할 수 있는 방법이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.Further, the solution in which the above materials are dispersed may be laminated by a method such as spin coating, spray coating, screen printing, bar coating, doctor blade coating, gravure printing, etc. However, But the present invention is not limited thereto.
또한, 상기 단계 3에서 형성된 광활성층의 두께는 50 nm 내지 300 nm인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
The thickness of the photoactive layer formed in step 3 is preferably 50 nm to 300 nm, but is not limited thereto.
다음으로, 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 형성된 광활성층 상부에 정공수송층을 형성하는 단계이다.
Next, in the method of manufacturing an organic solar cell according to the present invention,
이때, 상기 단계 4의 정공수송층은 정공을 수송하는 능력을 가지며 전자를 차단하는 특성 뿐만 아니라, 박막 형성 능력이 우수한 화합물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 일례로서 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate)) 또는 텅스텐옥사이드(WO3), 니켈옥사이드(NiO), 몰리브데늄옥사이드(MoO2, MoO3) 및 세륨 도핑된 텅스텐옥사이드(CeWO3) 등과 같은 금속 산화물을 사용할 수 있다.At this time, the hole transport layer in the
또한, 상기 단계 4의 정공수송층은 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법 등에 의해 적층될 수 있으며, 진공 하에서 열증착이나 스퍼터링 방식에 의해 적층될 수도 있다. The hole transport layer in
나아가, 상기 단계 4에서 형성된 정공수송층의 두께는 1 nm 내지 100 nm인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
Furthermore, the thickness of the hole transporting layer formed in
다음으로, 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 5는 상기 단계 4에서 형성된 정공수송층 상부에 양극을 형성하는 단계이다.
Next, in the method of manufacturing an organic solar cell according to the present invention, Step 5 is a step of forming an anode on the hole transporting layer formed in
이때, 상기 단계 5의 양극은 일함수가 큰 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 및 이들의 혼합물 등의 전극 재료일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 금(Au), 니켈(Ni) 및 팔라듐(Pd) 등의 금속을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. At this time, the anode of step 5 may be an electrode material such as a metal, an alloy, an electrically conductive compound, or a mixture thereof having a large work function, but is not limited thereto. For example, metals such as silver (Ag), platinum (Pt), tungsten (W), copper (Cu), molybdenum (Mo), gold (Au), nickel (Ni) and palladium But they are not limited thereto.
또한, 상기 단계 5에서 형성된 양극의 두께는 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
The thickness of the positive electrode formed in step 5 is preferably 0.1 to 5 占 퐉, but is not limited thereto.
이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following Examples and Experimental Examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
However, the following examples and experimental examples are intended to illustrate the contents of the present invention, but the scope of the invention is not limited by the examples and the experimental examples.
<실시예 1> 유기 태양전지의 제조 1≪ Example 1 > Preparation of organic solar cell 1
단계 1: 유리 기판 상부에 음극으로써, ITO(15 Ω/sq의 시트 저항, 두께 1,500 Å) 투명 전극이 형성된 기판을 아세톤, 증류수, 이소프로필 알코올에 담근 후 각 15 분간 초음파세정을 수행한 후, 건조시켰다. 그 후, UV-ozone 장치에서 15 분 동안 기판의 표면처리를 수행하였다.
Step 1: A substrate on which a transparent electrode made of ITO (sheet resistance of 15 Ω / sq, thickness: 1,500 Å) was formed as a negative electrode on a glass substrate was immersed in acetone, distilled water and isopropyl alcohol, Lt; / RTI > Thereafter, the surface treatment of the substrate was performed in a UV-ozone apparatus for 15 minutes.
단계 2: 상기 단계 1에서 형성된 음극 상부에 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(poly(diallyldimethylammonium chloride), PDDAC)를 증류수에 0.8 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅하고 150 ℃로 맞춰진 핫 플레이트 위에서 10 분 동안 건조하여 전자수송층을 형성하였다.
Step 2: A solution prepared by dissolving poly (diallyldimethylammonium chloride) (poly (diallyldimethylammonium chloride)) (PDDAC) in an amount of 0.8 wt% in distilled water was spin-coated on the negative electrode formed in step 1 above, Lt; / RTI > to form an electron transporting layer.
단계 3: 상기 단계 2에서 전자수송층이 형성된 기판을 산소 1 ppm이하의 드라이 질소 분위기의 글러브 박스로 이송하고, 전자수용체 재료로서, P3HT(Poly(3-hexylthiophene))(Rieke metal제) 12.5 mg 및 정공수용체 재료로서, 풀러렌 유도체인 PC70BM([6,6]-Phenyl-C71- butyric acid methyl ether)(Nano-C제) 12.5 mg를 1 mL의 클로로벤젠에 용해하여 광활성층 용액을 제조한다.Step 3: In
그 후, 상기 광활성층 용액을 스핀 코팅하여 자기조립층이 형성된 전자수송층 위에 도포하고 상온에서 20 분 건조하였다. 그 후, 160 ℃로 맞추어진 핫 플레이트 위에서 10 분간 열처리하여 80 nm의 두께를 가지는 광활성층을 형성하였다.
Thereafter, the photoactive layer solution was coated on the electron transport layer having the self-assembled layer formed by spin coating and dried at room temperature for 20 minutes. Thereafter, the resultant was heat-treated for 10 minutes on a hot plate adjusted to 160 DEG C to form a photoactive layer having a thickness of 80 nm.
단계 4: 상기 단계 3에서 광활성층이 형성된 기판을 진공증착장치에 세팅하고, 고진공(10-6 torr) 하에서 광활성층 상부에 MoO3를 10 nm의 두께를 가지는 정공수송층을 형성하였다.
Step 4: To form a hole transport layer having a thickness of a substrate having a photoactive layer in the step 3, the
단계 5: 상기 단계 4에서 형성된 정공수송층 상부에 100 nm의 두께를 가지는 은(Ag) 박막을 진공증착법으로 형성시켰다.
Step 5: A silver (Ag) thin film having a thickness of 100 nm was formed on the hole transporting layer formed in the
이후, 실링 공정을 거쳐 유리기판/ITO/PDDAC/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
Then, the organic solar cell having the structure of glass substrate / ITO / PDDAC / P3HT: PC 70 BM / MoO 3 / silver was manufactured through a sealing process.
<실시예 2> 유기 태양전지의 제조 2≪ Example 2 > Preparation of organic
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 폴리(아크릴아미드-co-디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(Poly(acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride), P(AAm-co-DADMAC))를 증류수에 0.5 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/P(AAm-co-DADMAC/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
(Acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride) (P (AAm-co-DADMAC)) was added to distilled water in an amount of 0.5% by weight in the
<실시예 3> 유기 태양전지의 제조 3≪ Example 3 > Preparation of organic solar cell 3
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 테트라헥실암모늄 아이오다이드(tetrahexylammonium iodide, THAI)를 증류수에 1.0 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/THAI/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that a solution prepared by dissolving 1.0 wt% of tetrahexylammonium iodide (THAI) in distilled water over the negative electrode was spin-coated in
<실시예 4> 유기 태양전지의 제조 4Example 4 Production of
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 벤질트리메틸암모늄 하이드록사이드(benzyltrimethylammonium hydroxide, BTMAH)를 증류수에 0.7 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/BTMAH/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that 0.7 wt% of benzyltrimethylammonium hydroxide (BTMAH) in distilled water was spin-coated on the cathode in
<실시예 5> 유기 태양전지의 제조 5≪ Example 5 > Preparation of organic solar cell 5
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 테트라메틸암모늄 클로라이드(tetramethylammonium chloride, TMAC)를 증류수에 1.0 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/TMAC/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated, except that 1.0 wt% of tetramethylammonium chloride (TMAC) was dissolved in distilled water over the cathode in
<실시예 6> 유기 태양전지의 제조 6≪ Example 6 > Preparation of organic
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 테트라메틸암모늄 브로마이드(tetramethylammonium bromide, TMAB)를 증류수에 1.0 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/TMAB/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated, except that 1.0 wt% of tetramethylammonium bromide (TMAB) was dissolved in distilled water over the cathode in
<실시예 7> 유기 태양전지의 제조 7Example 7 Production of Organic Solar Cell 7
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 테트라메틸암모늄 아이오다이드(tetramethylammonium iodide, TMAI)를 증류수에 1.0 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/TMAI/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that 1.0 wt% of tetramethylammonium iodide (TMAI) dissolved in distilled water was spin-coated on the cathode in
<실시예 8> 유기 태양전지의 제조 8≪ Example 8 > Preparation of organic
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 테트라에틸암모늄 아이오다이드(tetraethylammonium iodide, TEAI)를 증류수에 0.7 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/TEAI/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that 0.7 wt% of tetraethylammonium iodide (TEAI) dissolved in distilled water was spin-coated on the cathode in
<실시예 9> 유기 태양전지의 제조 9Example 9 Production of Organic Solar Cell 9
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 테트라프로필암모늄 아이오다이드(tetrapropylammonium iodide, TPAI)를 증류수에 0.7 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/TPAI/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that the solution of tetrapropylammonium iodide (TPAI) dissolved in distilled water at a concentration of 0.7 wt% on the anode was spin-coated in
<실시예 10> 유기 태양전지의 제조 10Example 10 Production of
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 디알릴디메틸암모늄 클로라이드(diallyldimethylammonium chloride, DADMAC)를 증류수에 0.7 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/DADMAC/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that a solution prepared by dissolving 0.7 wt% of diallyldimethylammonium chloride (DADMAC) in distilled water was applied on the anode in
<실시예 11> 유기 태양전지의 제조 11Example 11 Preparation of Organic Solar Cell 11
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 트리메틸-페닐-암모늄 아이오다이드(trimethyl-phenyl-ammonium iodide, TMPAI)를 증류수에 0.7 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/TMPAI/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
Except that 0.7 wt% of trimethyl-phenyl-ammonium iodide (TMPAI) dissolved in distilled water was spin-coated on the cathode in
<실시예 12> 유기 태양전지의 제조 12Example 12: Production of organic
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 트리메틸-(1-페닐-에틸)-암모늄 브로마이드(trimethyl-(1-phenyl-ethyl)-ammonium bromide, TMPEAB)를 증류수에 0.7 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/TMPEAB/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
In
<실시예 13> 유기 태양전지의 제조 13Example 13 Production of Organic Solar Cell 13
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 트리메틸-(1-페닐-에틸-암모늄 아이오다이드(trimethyl-(1-phenyl-ethyl)-ammonium iodide, TMPEAI)를 증류수에 0.7 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/TMPEAI/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
In
<실시예 14> 유기 태양전지의 제조 14Example 14 Production of Organic Solar Cell 14
상기 실시예 1의 단계 2에서 음극 상부에 폴리[비스(2-클로로에틸) 이서-alt-1,3-비스[3-(디메틸아미노)프로필]우레아] 쿼터나이즈드(poly[bis(2-chloroethyl) ether-alt-1,3-bis[3-(dimethylamino)propyl]urea] quaternized, Polyquaternium-2)를 증류수에 0.5 중량% 용해시킨 용액을 스핀 코팅한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유리기판/ITO/Polyquaternium-2/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
Bis [3- (dimethylamino) propyl] urea] quaternized (poly [bis (2-chloroethyl) The same procedure as in Example 1 was conducted except that 0.5% by weight of a solution obtained by dissolving 0.5% by weight of chloroethyl ether-alt-1,3-bis [3- (dimethylamino) propyl] urea] quaternized, Polyquaternium-2 in distilled water To prepare an organic solar cell having a glass substrate / ITO / Polyquaternium-2 / P3HT: PC 70 BM / MoO 3 / silver structure.
<비교예 1>≪ Comparative Example 1 &
단계 1: 유리 기판 상부에 음극으로써, ITO(15 Ω/sq의 시트 저항, 두께 1,500Å) 투명 전극이 형성된 기판을 아세톤, 증류수, 이소프로필 알코올에 담근 후 각 15 분간 초음파세정을 수행한 후, 건조시켰다. 그 후, UV-ozone 장치에서 15 분 동안 기판의 표면처리를 수행하였다.
Step 1: A substrate on which ITO (sheet resistance of 15 Ω / sq, sheet resistance: 1,500 Å) transparent electrode was formed as a cathode on top of a glass substrate was immersed in acetone, distilled water and isopropyl alcohol, followed by ultrasonic cleaning for 15 minutes, Lt; / RTI > Thereafter, the surface treatment of the substrate was performed in a UV-ozone apparatus for 15 minutes.
단계 2: 상기 단계 1에서 형성된 음극 상부에, 전자수송층으로써, Zinc acetate dihydrate, ethanolamine, 2-methoxy ethanol로 구성된 ZnO precursor 용액을 0.20 ㎛의 필터를 사용하여 필터한 후, 상기 음극 표면에 스핀 코팅하고 200℃로 맞춰진 핫 플레이트 위에서 1 시간 열처리하여 30 nm의 두께를 가지는 전자수송층을 형성하였다.
Step 2: A ZnO precursor solution composed of Zinc acetate dihydrate, ethanolamine, and 2-methoxy ethanol was filtered using a 0.20 占 퐉 filter as an electron transport layer on the anode formed in the step 1, and then the anode surface was spin-coated Treated for 1 hour on a hot plate adjusted to 200 DEG C to form an electron transporting layer having a thickness of 30 nm.
단계 3: 상기 단계 2에서 전자수송층이 형성된 기판을 산소 1 ppm이하의 드라이 질소 분위기의 글러브 박스로 이송하고, 전자수용체 재료로서, P3HT(Poly(3-hexylthiophene))(Rieke metal제) 12.5 mg 및 정공수용체 재료로서, 풀러렌 유도체인 PC70BM([6,6]-Phenyl-C71- butyric acid methyl ether)(Nano-C제) 12.5 mg를 1 mL의 클로로벤젠에 용해하여 광활성층 용액을 제조한다.Step 3: In
그 후, 상기 광활성층 용액을 스핀 코팅하여 자기조립층이 형성된 전자수송층 위에 도포하고 상온에서 20 분 건조하였다. 그 후, 160 ℃로 맞추어진 핫 플레이트 위에서 10 분간 열처리하여 80 nm의 두께를 가지는 광활성층을 형성하였다.
Thereafter, the photoactive layer solution was coated on the electron transport layer having the self-assembled layer formed by spin coating and dried at room temperature for 20 minutes. Thereafter, the resultant was heat-treated for 10 minutes on a hot plate adjusted to 160 DEG C to form a photoactive layer having a thickness of 80 nm.
단계 4: 상기 단계 3에서 광활성층이 형성된 기판을 진공증착장치에 세팅하고, 고진공(10-6 torr) 하에서 광활성층 상부에 MoO3를 10 nm의 두께를 가지는 정공수송층을 형성하였다.
Step 4: To form a hole transport layer having a thickness of a substrate having a photoactive layer in the step 3, the
단계 5: 상기 단계 4에서 형성된 정공수송층 상부에 100 nm의 두께를 가지는 은(Ag) 박막을 진공증착법으로 형성시켰다.
Step 5: A silver (Ag) thin film having a thickness of 100 nm was formed on the hole transporting layer formed in the
이후, 실링 공정을 거쳐 유리기판/ITO/ZnO/P3HT:PC70BM/MoO3/은의 구조를 가지는 유기 태양전지를 제조하였다.
Then, the organic solar cell having the structure of glass substrate / ITO / ZnO / P3HT: PC 70 BM / MoO 3 / silver was manufactured through a sealing process.
<실험예 1> 원자 힘 현미경(AFM) 분석Experimental Example 1 Atomic Force Microscopy (AFM) Analysis
본 발명에 따른 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 전자수송층의 표면 형상을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1의 단계 1까지 수행된 ITO 및 상기 실시예 1의 단계 2까지 수행하여 제조된 전자수송층의 표면을 원자 힘 현미경(AFM)으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
In order to confirm the surface shape of the electron transport layer made of a single molecule or a polymer containing the quaternary ammonium compound according to the present invention in the molecule, the ITO performed up to Step 1 of Example 1 and the
도 2에 나타낸 바와 같이, ITO 표면에 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 고분자인 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(poly(diallyldimethylammonium chloride), PDDAC) 박막이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
As shown in FIG. 2, it was confirmed that a thin film of poly (diallyldimethylammonium chloride) (PDDAC), which is a polymer containing a quaternary ammonium compound in the molecule, was formed on the ITO surface.
<실험예 2> UPS 스펙트럼 분석<Experimental Example 2> UPS spectrum analysis
본 발명에 따른 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 전자수송층을 도입한 영향을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1의 단계 1까지 수행된 ITO 및 상기 실시예 1의 단계 2까지 수행하여 제조된 전자수송층을 UPS 스펙트럼으로 분석하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
In order to confirm the effect of introduction of an electron transport layer made of a single molecule or a polymer containing a quaternary ammonium compound according to the present invention in the molecule, the ITO performed up to step 1 of the above-described example 1 and the
도 3에 나타낸 바와 같이, 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 전자수송층의 도입으로, 음극인 ITO의 일함수가 0.6 eV만큼 감소된 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, ITO의 일함수가 광활성층인 PC70BM의 루모(LUMO) 에너지 준위(4.2 eV)와 큰 차이가 없게되어 빛에 의해 분리된 전자가 광활성층에서 음극으로 원활히 전달될 수 있는 것을 확인할 수 있다.
As shown in Fig. 3, it was confirmed that the work function of ITO as the negative electrode was reduced by 0.6 eV by introducing an electron transport layer made of a single molecule or a polymer containing a quaternary ammonium compound in the molecule. Accordingly, the work function of ITO is not greatly different from the LUMO energy level (4.2 eV) of the PC 70 BM, which is a photoactive layer, and it is confirmed that electrons separated by light can be smoothly transferred from the photoactive layer to the cathode .
<실험예 3> 유기 태양전지의 광전변환효율 분석<Experimental Example 3> Analysis of photoelectric conversion efficiency of organic solar cell
본 발명에 따른 유기 태양전지의 성능을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 유기 태양전지를 솔라 시뮬레이터(Solar simulator, Spectra phsics Co.)로 측정하였으며, 측정 조건은 AM 1.5(1sun, 100 mW/cm2, 25℃)이다. 이에 따른, 태양전지의 단락전류 밀도(JSC), 개방 전압(VOC), 채움인자(F.F.), 광전변환효율(η) 값을 측정하여 그 결과를 도 4 내지 7 및 표 1에 나타내었다.
In order to confirm the performance of the organic solar cell according to the present invention, the organic solar cell prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 was measured with a solar simulator (Spectra phsics Co.) 1.5 (1 min, 100 mW / cm 2 , 25 캜). The short circuit current density (J SC ), open circuit voltage (V OC ), fill factor (FF) and photoelectric conversion efficiency (η) of the solar cell were measured and the results are shown in FIGS. 4 to 7 and Table 1 .
도 4 내지 7 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 전자수송층으로 종래의 금속 산화물을 사용한 유기 태양전지인 비교예 1의 경우에는 약 2.90 %의 광전변환효율을 나타내었다. As shown in Figs. 4 to 7 and Table 1, in the case of Comparative Example 1, which is an organic solar cell using a conventional metal oxide as the electron transporting layer, the photoelectric conversion efficiency was about 2.90%.
반면, 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자로 이루어진 전자수송층이 형성된 유기 태양전지인 실시예 1 내지 4의 경우에는 광전변환효율이 3.09 % 내지 3.33 %로 비교예 1의 경우보다 적어도 약 120 % 이상 향상된 것을 확인할 수 있었다. 특히, 단락전류밀도를 살펴보면, 비교예 1의 경우에는 8.377 mA/cm2이며, 실시예 1 내지 4의 경우에는 9.175 mA/cm2 내지 9.485 mA/cm2로 우수한 것을 확인할 수 있다.
On the other hand, in Examples 1 to 4, in which an electron transport layer made of a single molecule or a polymer containing a quaternary ammonium compound in a molecule was formed, the photoelectric conversion efficiency was 3.09% to 3.33% And it was confirmed that it improved about 120% or more. In particular, referring to the short-circuit current density of Comparative Example 1 is the case of a 8.377 mA / cm 2, embodiments can be confirmed that Examples 1 to 4 cases superior to 9.175 mA / cm 2 to about 9.485 mA / cm 2.
이와 같이, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 종래에 전자수송층으로 사용되던 금속 산화물을 대신하여 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 단분자 또는 고분자가 전자수송층으로 도입된 태양전지로써, 상기 유기 태양전지는 음극의 일함수 제어를 통해 전자전달 능력이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 유기 태양전지의 광전변환효율이 향상된다.
As described above, the organic solar cell according to the present invention is a solar cell in which a single molecule or polymer containing a quaternary ammonium compound is introduced into an electron transport layer instead of the metal oxide conventionally used as an electron transport layer, It was confirmed that the electron transfer ability was improved by controlling the work function of the cathode. This improves the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell.
10 : 유기 태양전지
100 : 기판
101 : 음극
102 : 전자수송층
103 : 광활성층
104 : 정공수송층
105 : 양극10: Organic solar cell
100: substrate
101: cathode
102: electron transport layer
103: photoactive layer
104: hole transport layer
105: anode
Claims (14)
상기 기판 상부에 적층되는 음극;
상기 음극 상부에 적층되는 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(poly(diallyldimethylammonium chloride)), 폴리(아크릴아미드-co-디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(Poly(acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride)) 및 폴리[비스(2-클로로에틸) 이서-alt-1,3-비스[3-(디메틸아미노)프로필]우레아] 쿼터나이즈드(Poly[bis(2-chloroethyl) ether-alt-1,3-bis[3-(dimethylamino)propyl]urea] quaternized)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 고분자로 이루어진 전자수송층;
상기 전자수송층 상부에 적층되는 광활성층;
상기 광활성층 상부에 적층되는 정공수송층; 및
상기 정공수송층 상부에 적층되는 양극;을 포함하는 유기 태양전지.
Board;
A cathode stacked on the substrate;
Poly (diallyldimethylammonium chloride) (poly (diallyldimethylammonium chloride)), poly (acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride) (poly (acrylamide-co (dimethylamino) propyl] urea] quaternized (poly [bis (2-chloroethyl) ether-alt-ldimethylammonium chloride) and poly [bis -1,3-bis [3- (dimethylamino) propyl] urea] quaternized);
A photoactive layer stacked on the electron transport layer;
A hole transport layer deposited on the photoactive layer; And
And a cathode stacked on the hole transport layer.
상기 전자수송층의 두께는 0.1 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the electron transporting layer is 0.1 nm to 100 nm.
상기 음극은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 안티몬 틴 옥사이드(ATO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(AZO), 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(GZO), 은 나노 입자, 은 나노 와이어 및 탄소 나노 튜브(CNT)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 전도성 물질인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
The cathode may be formed of at least one of indium tin oxide (ITO), antimony tin oxide (ATO), fluorine tin oxide (FTO), aluminum doped zinc oxide (AZO), gallium doped zinc oxide (GZO) And carbon nanotubes (CNTs). The organic solar cell according to claim 1, wherein the conductive material is at least one selected from the group consisting of carbon nanotubes (CNTs).
상기 광활성층은 전자수용체(Electron acceptor)와 정공수용체(Hole acceptor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the photoactive layer comprises an electron acceptor and a hole acceptor.
상기 전자수용체는 풀러렌(fullerene), 플러렌 유도체, PBI(polybenzimidazole) 및 PTCBI(3,4,9,10perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
8. The method of claim 7,
Wherein the electron acceptor is at least one selected from the group consisting of fullerene, fullerene derivatives, polybenzimidazole (PBI), and PTCBI (3,4,9,10 perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole).
상기 정공수용체는 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT), 폴리실록산카르바졸, PCDTBT, PCPDTBT, PBDTTT, PTB7, PFDTBT, 폴리아닐린, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레1)-2,5-페닐렌-비닐렌, 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘 및 이들의 유도체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
8. The method of claim 7,
Wherein the hole acceptor is selected from the group consisting of poly (3-hexylthiophene) (P3HT), polysiloxane carbazole, PCDTBT, PCPDTBT, PBDTTT, PTB7, PFDTBT, polyaniline, polyethylene oxide, poly (1-methoxy- 1) -2,5-phenylene-vinylene, polyindole, polycarbazole, polypyridazine, polyisothianaphthalene, polyphenylene sulfide, polyvinylpyridine, polythiophene, polyfluorene, And derivatives thereof. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 정공수송층은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate)) 또는 텅스텐옥사이드(WO3), 니켈옥사이드(NiO), 몰리브데늄옥사이드(MoO2, MoO3) 및 세륨 도핑된 텅스텐옥사이드(CeWO3)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
The hole transport layer may be formed of at least one selected from the group consisting of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT: PSS), tungsten oxide (WO 3 ), nickel oxide (NiO), molybdenum oxide (MoO 2 , MoO 3 ) And cerium-doped tungsten oxide (CeWO 3 ).
상기 양극은 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 금(Au), 니켈(Ni) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the anode is selected from the group consisting of Ag, Pt, W, Cu, Mo, Au, Ni and Pd Wherein the organic compound is at least one metal.
상기 단계 1에서 형성된 음극 상부에 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(poly(diallyldimethylammonium chloride)), 폴리(아크릴아미드-co-디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(Poly(acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride)) 및 폴리[비스(2-클로로에틸) 이서-alt-1,3-비스[3-(디메틸아미노)프로필]우레아] 쿼터나이즈드(Poly[bis(2-chloroethyl) ether-alt-1,3-bis[3-(dimethylamino)propyl]urea] quaternized)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 고분자로 이루어진 전자수송층을 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 전자수송층 상부에 광활성층을 형성하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 형성된 광활성층 상부에 정공수송층을 형성하는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4에서 형성된 정공수송층 상부에 양극을 형성하는 단계(단계 5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법.
Forming a cathode on the substrate (step 1);
(Diallyldimethylammonium chloride), poly (acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride) (poly (acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride)) containing a quaternary ammonium compound in the molecule on the negative electrode formed in Step 1, bis (2-chloroethyl) ether] -co-diallyldimethylammonium chloride) and poly [bis (2-chloroethyl) ether-alt-1,3-bis [3- (dimethylamino) propyl] urea] quaternary -tallow-1,3-bis [3- (dimethylamino) propyl] urea] quaternized) (step 2);
Forming a photoactive layer on the electron transporting layer formed in step 2 (step 3);
Forming a hole transport layer on the photoactive layer formed in Step 3 (Step 4); And
And forming an anode on the hole transporting layer formed in step 4 (step 5).
상기 단계 2의 전자수송층은 전체 수용액에 대하여 0.05 중량% 내지 5 중량%의 제4 암모늄 화합물을 분자 내에 포함하는 폴리(디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(poly(diallyldimethylammonium chloride)), 폴리(아크릴아미드-co-디알릴디메틸암모늄 클로라이드)(Poly(acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride)) 및 폴리[비스(2-클로로에틸) 이서-alt-1,3-비스[3-(디메틸아미노)프로필]우레아] 쿼터나이즈드(Poly[bis(2-chloroethyl) ether-alt-1,3-bis[3-(dimethylamino)propyl]urea] quaternized)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 고분자를 포함하는 수용액을 코팅하는 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법.
13. The method of claim 12,
The electron transport layer in the step 2 may be a poly (diallyldimethylammonium chloride) (poly (diallyldimethylammonium chloride)) containing 0.05 wt% to 5 wt% of a quaternary ammonium compound in the molecule relative to the entire aqueous solution, 1,3-bis [3- (dimethylamino) propyl] urea] quaternized (poly (acrylamide-co-diallyldimethylammonium chloride)) and poly [bis A method of coating an aqueous solution containing at least one polymer selected from the group consisting of poly [bis (2-chloroethyl) ether-alt-1,3-bis [3- (dimethylamino) propyl] urea] quaternized Wherein the organic solar cell is formed on the substrate.
상기 코팅하는 방법은 스핀 코팅, 딥코팅, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 드롭 캐스팅, 도장법 및 닥터 블레이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 방법인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법.14. The method of claim 13,
Wherein the coating method is at least one method selected from the group consisting of spin coating, dip coating, inkjet printing, spray coating, screen printing, drop casting, painting, and doctor blade.
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KR102238865B1 (en) * | 2019-10-31 | 2021-04-12 | 울산대학교 산학협력단 | Bulk heterojunction polymer solar cell capable of low temperature solution process, and preparation method thereof |
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