KR101704109B1 - 유기 태양 전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

유기 태양 전지 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101704109B1
KR101704109B1 KR1020130160224A KR20130160224A KR101704109B1 KR 101704109 B1 KR101704109 B1 KR 101704109B1 KR 1020130160224 A KR1020130160224 A KR 1020130160224A KR 20130160224 A KR20130160224 A KR 20130160224A KR 101704109 B1 KR101704109 B1 KR 101704109B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electron
electron donor
electrode
organic
electron acceptor
Prior art date
Application number
KR1020130160224A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150072731A (ko
Inventor
김혜미
이상욱
최영철
조혜성
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020130160224A priority Critical patent/KR101704109B1/ko
Publication of KR20150072731A publication Critical patent/KR20150072731A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101704109B1 publication Critical patent/KR101704109B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

본 출원은 유기 태양 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 출원에 따른 유기 태양 전지는 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 1층 이상의 유기물층을 포함하는 유기 태양 전지로서, 상기 유기물층은 광활성층을 포함하고, 상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하며, 상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 0.29 내지 0.64 kcal/mol인 것을 특징으로 한다.

Description

유기 태양 전지 및 이의 제조방법{ORGANIC SOLAR CELL AND METHOD FOR PREPARING THEREOF}
본 출원은 유기 태양 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
유기 전자 소자란 정공 및/또는 전자를 이용한 전극과 유기물 사이에서의 전하 교류를 필요로 하는 소자를 의미한다. 유기 전자 소자는 동작 원리에 따라 하기와 같이 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째는 외부의 광원으로부터 소자로 유입된 광자에 의하여 유기물층에서 엑시톤(exiton)이 형성되고 이 엑시톤이 전자와 정공으로 분리되고, 이 전자와 정공이 각각 다른 전극으로 전달되어 전류원(전압원)으로 사용되는 형태의 전기 소자이다. 둘째는 2개 이상의 전극에 전압 또는 전류를 가하여 전극과 계면을 이루는 유기물 반도체에 정공 및/또는 전자를 주입하고, 주입된 전자와 정공에 의하여 동작하는 형태의 전자 소자이다.
유기 전자 소자의 예로는 유기 발광 소자, 유기 태양 전지, 유기 트랜지스터 등이 있으며, 이들은 모두 소자의 구동을 위하여 정공의 주입 또는 수송 물질, 전자의 주입 또는 수송 물질, 또는 발광 물질을 필요로 한다. 이하에서는 주로 유기 태양 전지에 대하여 구체적으로 설명하지만, 상기 유기 전자 소자들에서는 정공의 주입 또는 수송 물질, 전자의 주입 또는 수송 물질, 또는 발광 물질이 유사한 원리로 작용한다.
유기 태양 전지의 가능성이 처음 제시되었던 것은 1970년대이지만 효율이 너무 낮아 실용성이 없었다.
그러나, 1986년 이스트만 코닥(Eastman Kodak)의 탕(C.W.Tang)이 프탈로시아닌 구리(copper phthalocyanine, CuPc)와 페릴렌 테트라카르복실산(perylene tetracarboxylic acid) 유도체를 이용한 이중층 구조로 다양한 태양 전지로서의 실용화 가능성을 보이자, 유기 태양 전지에 대한 관심과 관심과 연구가 급속도로 증가하며 많은 발전을 가져왔다.
이후 1995년에는 유(Yu) 등에 의해 벌크헤테로정션(BHJ) 개념이 도입되었고, PCBM과 같이 용해도가 향상된 플러렌(fullerene) 유도체가 n형 반도체 물질로 개발되면서 유기 태양 전지의 효율 면에서 획기적인 발전이 있었다.
그러나, 출발 물질인 플러렌이 비싸며 합성이 어렵고 용해도가 좋지 않다는 등의 문제점이 여전히 전자 받개 물질 개발에 큰 걸림돌이 되고 있다.
기존의 물질을 대체하기 위해 낮은 밴드갭(bandgap)을 갖는 전자 주개(e-donor) 물질과 전하 이동도가 좋은 새로운 전자 받개(e-acceptor) 물질들의 개발이 지속적으로 연구되고 있다.
대한민국 특허공개공보 제10-2010-0011186호
당 기술분야에서는 전력 변환 효율이 우수한 유기 태양 전지에 대한 연구가 필요하다.
이에 본 출원은,
제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 1층 이상의 유기물층을 포함하는 유기 태양 전지로서,
상기 유기물층은 광활성층을 포함하고,
상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하며,
상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지(solvent mixing energy)와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 0.29 내지 0.64 kcal/mol인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지를 제공한다.
또한, 본 출원은,
기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 및
상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지(solvent mixing energy)와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 0.29 내지 0.64 kcal/mol인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 따르면, 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지(solvent mixing energy)와 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이를 조절함으로써, 광활성층의 모폴로지를 조절할 수 있고, 이에 따라 유기 태양 전지의 전력 변환 효율을 높일 수 있는 특징이 있다.
도 1은 본 출원의 일구체예로서, 실시예 1의 광활성층의 모폴로지(morphology)를 나타낸 도이다.
도 2는 본 출원의 일구체예로서, 실시예 2의 광활성층의 모폴로지(morphology)를 나타낸 도이다.
도 3은 본 출원의 일구체예로서, 실시예 3의 광활성층의 모폴로지(morphology)를 나타낸 도이다.
도 4는 본 출원의 일구체예로서, 실시예 1 ~ 3의 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이에 대한 유기 태양 전지의 전력 변환 효율을 도시한 도이다.
도 5는 본 출원의 일구체예로서, 실시예 1 ~ 3의 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이에 대한 유기 태양 전지의 전력 변환 효율을 도시한 도이다.
이하 본 출원에 대해서 자세히 설명한다.
유기 태양 전지를 이루는 가장 소단위 구성요소인 광활성층은 이웃하는 탄소 간에 이중 결합과 단일 결합이 번갈아 존재하는 특징을 띠는 공액 유기 화합물(conjugated organic compound)을 포함한다. 상기 공액 유기 화합물 내에 존재하는 파이(π) 전자는 한 원자에 편재되어 있지 않아 전기적 프로세스에 기여할 가능성이 크다. 특히, 공액화의 정도가 높아짐에 따라 이산된 에너지 준위에서 준연속 에너지 준위로 진화하여 마치 무기 반도체의 에너지 밴드와 유사한 구조를 띠게 되어 반도체 특성을 띨 수 있게 된다. 분자 내의 파이 전자들은 낮은 에너지 준위부터 채우게 되는데, 파이 전자로 채워진 가장 높은 준위를 HOMO(highest occupied molecular orbital) 준위라 하고 그 다음 높은 에너지 준위는 채워지지 않은 준위 중 가장 낮은 준위이므로 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 준위라 한다. HOMO 준위와 LUMO 준위 간의 에너지 차이는 통상의 무기 반도체에서의 에너지 갭과 같은 역할을 하며, 발광 파장이나 흡광의 문턱(threshold) 특성을 결정하는 중요한 요인이 된다. 많은 공액 유기 화합물은 1 ~ 3eV의 HOMO-LUMO간 에너지 차이를 보여 가시광대역에서 흡광 문턱 특성을 나타내게 된다.
이러한 유기 반도체는 어느 한 종류가 단독적으로 쓰이기 보다는, 마치 실리콘의 경우 p형과 n형이 이루는 pn 접합과 같이, 전자 주개형 유기 반도체와 전자 받개형 유기 반도체가 이루는 이종접합(donor-acceptor heterojunction)을 통해서 태양 전지로의 활용이 가능하게 된다. 상기 전자 주개-전자 받개 이종접합 구조는 서로 무작위로 섞여 존재하는 이른바 "벌크이종접합(bulk heterojunction)" 형태일 수 있다. 상기 전자 주개-전자 받개 이종접합 구조는 유기 태양 전지의 광전류 및 광전압 발생의 중요한 요소가 된다. 또한, 분자로 이루어진 고체는 약한 반데르발스(Van der Waals) 결합으로 이루어져, 심지어 결정성이 있는 경우라도, 개개 분자의 특성이 많이 남아 있어 흡광 대역폭이 제한적인 경우가 종종 있게 된다. 상기 전자 주개-전자 받개 이종접합은 이러한 유기 반도체의 좁은 흡광 대역폭으로 인한 문제를 해결하는 데도 효과적이다.
광흡수로 생성된 엑시톤의 원활한 분리와 분리된 전하의 효과적인 수송을 위해서는 전자 주개와 전자 받개 사이의 계면을 최대한으로 늘리되 적당한 상분리를 통해 전자 주개와 전자 받개의 연속적 통로를 확보하는 것이 형성에 필수적이다. 실제로, 고효율을 보이는 유기 태양 전지는 대부분 전자 주개와 전자 받개가 조밀하게 10nm 이내로 섞여 있으면서도 연속적인 통로를 지니는 이상적 벌크 이종접합 모폴로지(morphology)를 가진다. 그러나, 일반적으로 전자 주개와 전자 받개는 평형상태로는 서로 잘 섞이지 않기 때문에, 뜨거운 태양열을 받는 특성상 광활성층의 모폴로지가 시간에 따라 변화하게 되어 필요 이상의 상분리가 일어나고 광전환 효율이 떨어지는 결과를 초래하게 된다.
따라서, 광활성층의 모폴로지 및 계면을 제어하는 것은 유기 태양 전지의 초기 효율뿐 아니라, 유기 태양 전지의 열적 안정성을 향상시켜 광전환 효율을 유지하는 것에 매우 중요한 영향을 미친다.
이에, 본 발명자들은 전자 주개 물질과 전자 받개 물질이 용매에 녹는 정도의 차이가 최종적인 벌크 이종접합 모폴로지를 결정함을 밝혀내었다. 따라서, 상기 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지 차이를 비교하여, 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 연속적 통로를 잘 형성할 수 있는 영역을 설정하였고, 상기 용매 혼합 에너지 차이와 전력 변환 효율의 상관관계를 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
보다 구체적으로, 상기 전자 주개 물질과 상기 전자 받개 물질이 각각 적절한 도메인 크기를 가진 채 섞여있는 모폴로지의 광활성층이 형성되어야 전력 변환 효율이 최대화 될 수 있다. 상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 작을수록, 상기 전자 주개 물질과 상기 전자 받개 물질이 각각 더 작은 도메인 크기를 가진 채 섞여있는 모폴로지의 광활성층이 형성되기 때문에, 상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이를 통해 광활성층의 모폴로지를 조절할 수 있음을 본 발명자들이 밝혀내었다. 특히, 본 발명자들은 상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 0.29 내지 0.64 kcal/mol인 경우 상기 전자 주개 물질과 상기 전자 받개 물질이 적절한 도메인 크기를 가진 채 섞인 모폴로지의 광활성층이 형성됨을 알아내었다.
본 출원의 일구체예에 따른 유기 태양 전지는, 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 1층 이상의 유기물층을 포함하는 유기 태양 전지로서, 상기 유기물층은 광활성층을 포함하고, 상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하며, 상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 0.29 내지 0.64 kcal/mol인 것을 특징으로 한다.
본 출원의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이를 조절함으로써 광활성층의 모폴로지를 조절할 수 있다. 특히, 상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 0.29 내지 0.64 kcal/mol인 것을 특징으로 한다.
상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 작을수록 상기 전자 주개 물질과 상기 전자 받개 물질이 각각 더 작은 도메인 크기를 가진 채 섞여있는 모폴로지의 광활성층이 형성된다. 상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 너무 작으면 상기 전자 주개 물질과 상기 전자 받개 물질이 매우 작은 도메인 크기를 가진 채 섞여있는 모폴로지를 형성하여 전기적으로 연속적인 통로를 형성하지 못하기 때문에 상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이는 0.29 kcal/mol 이상이어야 한다. 상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 너무 크면 상기 전자 주개 물질과 상기 전자 받개 물질이 매우 큰 도메인 크기를 가진 채 섞여있는 모폴로지를 형성하여 상기 전자 주개 물질과 상기 전자 받개 물질의 계면이 작아지기 때문에 상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이는 0.64 kcal/mol 이하여야 한다.
본 출원에 있어서, 상기 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지는 클로로포름, ODCB(o-dichlorobenzene), 톨루엔 및 클로로벤젠으로 이루어진 군으로부터 선택되는 용매에 대한 용매 혼합 에너지일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 받개 물질에 포함되는 유기 화합물은 플러렌(fullerene), 플러렌 유도체(PCBM((6,6)-phenyl-C61-butyric acidmethylester) 또는 PCBCR((6,6)-phenyl-C61-butyric acid-cholesteryl ester), 페릴렌(perylene) PBI(polybenzimidazole), 및 PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bis-benzimidazole)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 화합물이다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 받개 물질은 필요에 따라 열경화 또는 UV 경화 처리가 적용될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 물질은 광흡수 파장 범위나 태양광 스펙트럼과 잘 맞으며, 강한 광흡수도를 가지고, 전하의 이동도 등의 전기적 물성이 뛰어난 것이 바람직하다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자 주개 물질은 유기 화합물을 포함하고, 상기 유기 화합물은 용액 공정이 가능한 유기 화합물이다. 상기 유기 화합물은 고분자 또는 단분자를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 전자 주개 물질은 PPV(poly (phenylene vinylene))계 고분자 또는 P3HT(poly(3-hexylthiophene))계 고분자를 이용할 수 있고, 하기 구조식의 화합물을 이용할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
Figure 112013117020661-pat00001
Figure 112013117020661-pat00002
Figure 112013117020661-pat00003
Figure 112013117020661-pat00004
상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질이 BHJ(Bulk Heterojunction)을 형성할 수 있다. 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질은 1 : 100 내지 100 : 1의 비율(w/w)로 혼합될 수 있고, 혼합된 후에 특성을 최대화시키기 위하여 30 내지 300℃에서 1초 내지 24시간 동안 어닐링할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층의 두께는 10nm 내지 10,000nm일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 출원의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지의 제조방법은, 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지(solvent mixing energy)와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 0.29 내지 0.64 kcal/mol인 것을 특징으로 한다.
상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유기 태양 전지에 통상적으로 사용되는 기판이면 제한되지 않는다. 구체적으로 유리 또는 PET(polyethylene terphthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polypropylene), PI(polyimide), TAC(triacetyl cellulose) 등이 있으나. 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전극은 애노드 또는 캐소드가 될 수 있고, 상기 제2 전극은 애노드 또는 캐소드가 될 수 있다.
상기 애노드는 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 타이타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 백금, 금, 텅스텐, 탄탈륨, 구리, 은, 주석 및 납 중에서 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있다.
또한, 애노드는 투명 전도성 산화물로 형성될 수도 있다. 여기서, 상기 투명 전도성 산화물은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 및 란탄(La) 중에서 선택된 적어도 하나의 산화물일 수 있다.
상기 애노드는 스퍼터링(Sputtering)법, 전자-빔 증착법(E-beam evaporation), 열 증착법(Thermal evaporation), 레이저 분자 빔 증착법(Laser Molecular Beam Epitaxy, L-MBE), 및 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD) 중에서 선택된 어느 하나의 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD); 열 화학 기상 증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), 광 화학 기상 증착법(Light Chemical Vapor Deposition), 레이저 화학 기상 증착법(Laser Chemical Vapor Deposition), 금속-유기 화학 기상 증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 및 수소화물 기상 증착법(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE) 중에서 선택된 어느 하나의 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition); 또는 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)을 이용하여 형성할 수 있다
상기 캐소드는 통상 유기물층으로 전자 주입이 용이하도록 일함수가 작은 물질인 것이 바람직하다. 캐소드 물질의 구체적인 예로는 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금; Al/Li, Al/BaF2, Al/BaF2/Ba, LiF/Al 또는 LiO2/Al과 같은 다층 구조 물질 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 유기물층의 구체적인 물질, 형성방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 당 기술분야에 널리 알려진 물질 및 형성방법을 이용할 수 있다.
상기 유기물층은 다양한 고분자 소재를 사용하여 증착법이 아닌 용매 공정(solvent process), 예컨대 스핀 코팅, 딥 코팅, 닥터 블레이딩, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 열 전사법 등의 방법에 의하여 더 적은 수의 층으로 제조할 수 있다.
상기 유기물층은 광활성층을 포함하고, 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 수송층 및 전자 주입층 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 적층 구조일 수 있다.
상기 정공 주입층을 형성할 수 있는 물질로는 통상 유기물층으로 정공 주입이 원활할 수 있도록 일함수가 큰 물질이 바람직하다. 상기 정공 주입 물질의 구체적인 예로는 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO)과 같은 금속 산화물; ZnO : Al 또는 SnO2 : Sb와 같은 금속과 산화물의 조합; 폴리(3-메틸티오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)티오펜](PEDT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 주입층을 형성할 수 있는 물질로는 통상 유기물층으로 전자 주입이 용이하도록 일함수가 작은 물질인 것이 바람직하다. 상기 전자 주입 물질의 구체적인 예로는 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금; LiF/Al 또는 LiO2/Al과 같은 다층 구조 물질 등이 있고, 정공 주입 전극 물질과 동일한 물질을 사용할 수도 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 수송층을 형성할 수 있는 물질로는 전자 주입층으로부터 전자를 잘 주입 받아 발광층으로 옮겨줄 수 있는 물질로서, 전자에 대한 이동성이 큰 물질이 적합하다. 구체적인 예로는 8-히드록시퀴놀린의 Al 착물; Alq3를 포함한 착물; 유기 라디칼 화합물; 히드록시플라본-금속 착물 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 유기 태양 전지는 애노드, 정공 수송층, 광활성층, 전자 수송층 및 캐소드 순으로 배열될 수도 있고, 캐소드, 전자 수송층, 광활성층, 정공 수송층 및 애노드 순으로 배열될 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다
본 출원의 일 실시상태에 따르면, 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지(solvent mixing energy)와 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이를 조절함으로써, 광활성층의 모폴로지를 조절할 수 있고, 이에 따라 유기 태양 전지의 전력 변환 효율을 높일 수 있는 특징이 있다.
이하 실시예를 통하여 본 출원을 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 출원을 예시하기 위한 것이며, 본 출원의 범위가 이에 의하여 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 >
< 실시예 1>
Figure 112013117020661-pat00005
상기 구조식의 TQ1(poly[2,3-bis-(3-octyloxyphenyl)quinoxaline-5,8-diyl-alt-thiophene-2,5-diyl])과 [60]PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)을 1 : 3의 비율로 클로로포름에 복합 용액(composite solution)을 제조하였다. 이 때, 농도는 1.0 ~ 2.0 wt%로 조절하였으며, 유기 태양 전지의 구조는 ITO/PEDOT:PSS/광활성층/LiF/Al의 구조로 하였다. ITO가 코팅된 유리 기판을 증류수, 아세톤, 2-프로판올을 이용하여 초음파 세척하고, ITO 표면을 10분 동안 오존처리한 후 PEDOT:PSS(baytrom P)를 스핀코팅하여 120℃에서 10분 동안 열처리하였다. 광활성층의 코팅을 위해서는 고분자-PCBM 복합용액을 0.45μm PP 주사기 필터(syringe filter)로 여과한 다음 스핀코팅하여 120℃에서 5분간 열처리하고, 3 × 10-8 torr 진공 하에서 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 LiF를 7Å 증착한 후 200nm 두께로 Al을 증착하였다.
< 실시예 2>
상기 실시예 1에서 클로로포름 대신에 ODCB(o-dichlorobenzene)을 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 3>
상기 실시예 1에서 클로로포름 대신에 ODCB(o-dichlorobenzene)을 이용하고, [60]PCBM 대신에 [70]PCBM을 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
< 실시예 4 ~ 20>
하기 표 1에 기재된 전자 받개 물질, 전자 주개 물질 및 용매를 이용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
[표 1]
Figure 112013117020661-pat00006
Figure 112013117020661-pat00007
< 실험예 >
상기 실시예 1 ~ 6의 유기 태양 전지의 용매 혼합 에너지 차이와 전력 변환 효율을 계산하여 하기 표 3에 나타내었다.
상기 용매 혼합 에너지의 측정방법은 아래와 같다.
DFT(Density functional theory) 계산을 통해 전자 받개 물질(acceptor), 전자 주개 물질(donor), 용매(solvent)의 구조를 최적화하였다. DFT 계산에 사용된 함수(functional)는 BPW91로 Becke의 교환 함수(exchange functional)와 Perdew, Wang의 상호관계 함수(correlation functional)로 구성되어 있다. 구조 최적화에는 BPW91방법과 함께 더블-제타 편광(double-zeta polarization) 수준의 기저함수를 사용하였다. 표면 전하(Surface charge) 계산을 위해서 용해 효과를 고려하여 DFT 계산을 했다.
벌크 특성(Bulk property)인 용해도(solubility)는 DFT 계산 결과 최적화된 초기 구조에 COSMO-RS(conductor-like screening model in real solvent) 방법을 이용하면, 양자 화학과 통계열역학의 장점을 융합하여 빠르고 정확한 계산을 할 수 있다. Gaussian 03으로 COSMO 계산을 하여 필요한 파라미터(parameter)를 추출하였다.
Accelrys社 제품인 DMol3 프로그램으로 구조 최적화 계산을 수행하였고, 용매효과 계산은 Gaussian社가 개발한 Gaussian03 프로그램으로 수행하였다. COSMO Solutions社 제품인 COSMOtherm을 이용하여 용해도(solubility) 계산을 수행했다.
용매의 기본 물성은 하기 표 2의 값을 참고하였다
[표 2]
Figure 112013117020661-pat00008
[표 3]
Figure 112013117020661-pat00009
또한, 상기 실시예 7 ~ 20의 용매 혼합 에너지 차이를 계산하여 하기 표 4에 나타내었다.
[표 4]
Figure 112013117020661-pat00010
상기 결과와 같이, 본 발명에 따르면, 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지(solvent mixing energy)와 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이를 조절함으로써, 광활성층의 모폴로지를 조절할 수 있고, 이에 따라 유기 태양 전지의 전력 변환 효율을 높일 수 있는 특징이 있다.

Claims (11)

  1. 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 1층 이상의 유기물층을 포함하는 유기 태양 전지로서,
    상기 유기물층은 광활성층을 포함하고,
    상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하며,
    상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 0.29 내지 0.64 kcal/mol이고,
    상기 전자 주개 물질은 하기 구조식의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지.
    Figure 112016084490859-pat00025

    Figure 112016084490859-pat00026

    Figure 112016084490859-pat00027
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지는 클로로포름, ODCB(o-dichlorobenzene), 톨루엔 및 클로로벤젠으로 이루어진 군으로부터 선택되는 용매에 대한 용매 혼합 에너지인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 전자 받개 물질은 플러렌(fullerene), 플러렌 유도체(PCBM((6,6)-phenyl-C61-butyric acidmethylester) 또는 PCBCR((6,6)-phenyl-C61-butyric acid-cholesteryl ester), 페릴렌(perylene) PBI(polybenzimidazole), 및 PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bis-benzimidazole)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질이 벌크헤테로정션(BHJ, Bulk Heterojunction)을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 유기물층은 광활성층을 포함하고, 정공 주입층, 정공 수송층, 전자 수송층 및 전자 주입층 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 적층 구조인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지.
  7. 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 전자 주개 물질의 용매 혼합 에너지(solvent mixing energy)와 상기 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지의 차이가 0.29 내지 0.64 kcal/mol이며,
    상기 전자 주개 물질은 하기 구조식의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
    Figure 112016084490859-pat00029

    Figure 112016084490859-pat00030

    Figure 112016084490859-pat00031
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질의 용매 혼합 에너지는 클로로포름, ODCB(o-dichlorobenzene), 톨루엔 및 클로로벤젠으로 이루어진 군으로부터 선택되는 용매에 대한 용매 혼합 에너지인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 전자 받개 물질은 플러렌(fullerene), 플러렌 유도체(PCBM((6,6)-phenyl-C61-butyric acidmethylester) 또는 PCBCR((6,6)-phenyl-C61-butyric acid-cholesteryl ester), 페릴렌(perylene) PBI(polybenzimidazole), 및 PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bis-benzimidazole)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질이 벌크헤테로정션(BHJ, Bulk Heterojunction)을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
KR1020130160224A 2013-12-20 2013-12-20 유기 태양 전지 및 이의 제조방법 KR101704109B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130160224A KR101704109B1 (ko) 2013-12-20 2013-12-20 유기 태양 전지 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130160224A KR101704109B1 (ko) 2013-12-20 2013-12-20 유기 태양 전지 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150072731A KR20150072731A (ko) 2015-06-30
KR101704109B1 true KR101704109B1 (ko) 2017-02-07

Family

ID=53518617

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130160224A KR101704109B1 (ko) 2013-12-20 2013-12-20 유기 태양 전지 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101704109B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101867018B1 (ko) 2016-10-06 2018-06-12 경희대학교 산학협력단 장기간에 걸쳐 높은 효율을 나타내는 활성층용 조성물 및 이를 포함하는 유기태양전지
KR102235223B1 (ko) 2017-11-28 2021-04-02 주식회사 엘지화학 광활성층 및 이를 포함하는 유기태양전지
KR102546870B1 (ko) * 2018-10-31 2023-06-22 주식회사 엘지화학 유기태양전지의 효율 예측 방법 및 유기태양전지의 제조방법
CN110183625B (zh) * 2019-06-14 2021-08-17 湘潭大学 一种侧链型卟啉三元共聚物的合成及其太阳能电池大面积制备

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100999377B1 (ko) * 2008-06-18 2010-12-09 한국과학기술원 유기기반 태양전지 및 그의 제조방법
KR100972291B1 (ko) 2008-07-24 2010-07-23 경북대학교 산학협력단 유기태양전지 및 그 제조방법
KR101033304B1 (ko) * 2009-02-09 2011-05-09 광주과학기술원 발광특성을 가지는 유기 태양전지 및 그 제조방법
KR101091179B1 (ko) * 2009-07-06 2011-12-09 광주과학기술원 모폴로지 컨트롤러를 이용한 유기 태양전지 및 그 제조방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
iho Kim 외 3명, "High-efficiency polymer solar cells with a cost-effective quinoxaline polymer through nanoscale morphology control induced by practical processing additives", Energy Environ.Sci., 2013,

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150072731A (ko) 2015-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3235847B1 (en) Polymer and organic solar cell comprising same
KR101573611B1 (ko) 플러렌 유도체, 이를 이용한 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법
WO2013118793A1 (ja) 有機薄膜太陽電池
WO2014042091A1 (ja) 共役系重合体、これを用いた電子供与性有機材料、光起電力素子用材料および光起電力素子
JP5862189B2 (ja) 有機光電変換素子およびこれを用いた太陽電池
KR20200031365A (ko) 중합체 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
KR101704109B1 (ko) 유기 태양 전지 및 이의 제조방법
KR102389997B1 (ko) 헤테로환 화합물 및 이를 포함하는 유기 태양 전지
KR20150120330A (ko) 스쿠아레인 도너 첨가제를 사용하는 유기 광기전력 장치
EP3620458B1 (en) Heterocyclic compound and organic electronic device comprising same
KR102106669B1 (ko) 유기 태양 전지
JP2009267196A (ja) タンデム型光起電力素子
JP2019532146A (ja) 重合体およびこれを含む有機太陽電池
KR102042301B1 (ko) 유기 태양전지 및 이의 제조방법
KR102614576B1 (ko) 유기 태양 전지의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 유기 태양 전지
TWI597275B (zh) 富勒烯衍生物，使用彼之有機太陽能電池及其製造方法
KR102491797B1 (ko) 중합체 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
JP6966036B2 (ja) 有機太陽電池の製造方法
KR102471839B1 (ko) 헤테로환 화합물, 이를 포함하는 유기 전자 소자 및 이를 이용한 유기 전자 소자의 제조 방법
JP6642893B2 (ja) 共重合体およびこれを含む有機太陽電池
KR102644523B1 (ko) 유기 태양 전지의 유기물층용 조성물 및 이를 이용한 유기 태양 전지의 제조방법
KR102552045B1 (ko) 헤테로환 화합물, 이를 포함하는 유기 전자 소자 및 이를 이용한 유기 전자 소자의 제조 방법
KR102633324B1 (ko) 중합체 및 이를 포함하는 유기 전자 소자
KR102584574B1 (ko) 헤테로환 화합물, 이를 포함하는 유기 전자 소자 및 이를 이용한 유기 전자 소자의 제조 방법
JP2009267092A (ja) 光起電力素子用材料および光起電力素子

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200116

Year of fee payment: 4