KR101705705B1 - 유기 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
유기 태양 전지에 관한 것으로, 서로 대향하는 캐소드와 애노드; 상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하는 광활성층; 상기 광활성층과 상기 캐소드 사이에 존재하는 버퍼층을 포함하고, 상기 캐소드는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 버퍼층은 ZnO를 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 대한 정의는 명세서 내에 존재한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 대한 정의는 명세서 내에 존재한다.
Description
본 기재는 유기 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양 전지와 유기 태양 전지로 나뉠 수 있다. 유기 태양 전지는 다양한 유기 반도체 재료를 소량으로 사용하므로 소재 비용 절감을 가져올 수 있고, 습식 공정으로 박막을 제조할 수 있어 손쉬운 방법으로 소자 제작이 가능하다.
유기 태양 전지는 광활성층의 구조에 따라 p형 반도체 박막과 n형 반도체 박막의 두 개 층으로 이루어진 광활성층을 포함하는 바이레이어(bi-layer) p-n 접합형 유기 태양 전지와 n형 반도체와 p형 반도체가 블렌드된 광활성층을 포함하는 BHJ(bulk heterojunction) 접합형 유기 태양 전지가 있다.
바이레이어 p-n 접합형 유기 태양 전지는 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면 유기 태양 전지(100)는 기판(101), ITO 애노드(103), 광활성층(111) 및 캐소드(105)를 포함하고, 상기 광활성층(111)은 p형 반도체 박막(107)과 n형 반도체 박막(109)을 포함한다. 광 여기에 의하여 p형 반도체가 전자(113)와 정공(115)이 쌍을 이룬 엑시톤(exciton, 117)을 형성하고, 상기 엑시톤이 p-n 접합부에서 전자(113)와 정공(115)으로 분리된다. 분리된 전자(113)와 정공(115)은 n형 반도체 박막(109) 및 p형 반도체 박막(107)으로 각각 이동하고 이들이 각각 캐소드(105)와 애노드(103)에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
한편, 태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양 전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 엑시톤을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다.
전하가 손실되는 원인 중의 하나가 생성된 전자 및 정공이 재결합(recombination)에 의해 소멸하는 것이다. 생성된 전자나 정공이 손실되지 않고 전극에 전달하기 위한 방법으로 다양한 방법이 제시되고 있으나, 대부분 추가 공정이 요구되고 이에 따라 제조 비용이 상승할 수 있다.
광활성층과 캐소드의 계면 저항이 크게 감소되어 안정성이 향상된 유기 태양 전지를 제공하기 위한 것이다. 특히, 저비용의 캐소드 재료를 사용하여 전체 제조 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에서는, 서로 대향하는 캐소드와 애노드; 상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하는 광활성층; 상기 광활성층과 상기 캐소드 사이에 존재하는 버퍼층을 포함하고, 상기 캐소드는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 버퍼층은 ZnO를 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공한다.
[화학식 1]
(상기 화학식 1에서, M은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf) 또는 이들의 조합에서 선택되고, W는 플루오르(F), 브롬(Br) 또는 이들의 조합에서 선택되고, 0≤x≤0.1이고, 0≤y≤0.1이고, 단 x 및 y가 동시에 0은 아니다.)
상기 유기 태양 전지는, 상기 캐소드; 상기 캐소드 상에 형성된 상기 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성된 상기 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 형성된 상기 애노드를 포함하는 역 적층 구조인 것일 수 있다.
상기 버퍼층과 접하고 있는 면을 상기 캐소드의 상단면으로 하며, 상기 캐소드의 상단면에 대향하고 있는 면을 상기 캐소드의 하단면으로 하며, 상기 캐소드의 상단면으로부터 상기 캐소드의 하단면까지의 거리를 상기 캐소드 두께라고 할 때, 상기 캐소드의 상단면으로부터 형성된, 상기 캐소드 두께의 1/10 내지 1/2 두께인, 상기 M 또는 W의 농도구배를 갖는 농도구배층을 가지는 것일 수 있다.
상기 농도구배층은 상기 버퍼층에 근접할수록 상기 화학식 1 내의 M 또는 W의 함량이 감소하고 상기 버퍼층과 멀어질수록 상기 화학식 1 내의 M 또는 W의 함량이 증가하는 것일 수 있다.
상기 농도구배층은 하기 수학식 1의 관계를 따르는 것일 수 있다.
[수학식 1]
(상기 수학식 1에서, y는 상기 농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, d는 상기 농도구배층의 총 두께이고, c는 상기 캐소드 중 상기 농도구배층을 제외한 비농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, x는 상기 캐소드의 상단면로부터의 수직거리이다.)
상기 농도구배층은 하기 수학식 2의 관계를 따르는 것일 수 있다.
[수학식 2]
(상기 수학식 2에서, y는 상기 농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, d는 상기 농도구배층의 총 두께이고, c는 상기 캐소드 중 상기 농도구배층을 제외한 비농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, x는 상기 캐소드의 상단면로부터의 수직거리이다.)
상기 농도구배층은 하기 수학식 3의 관계를 따르는 것일 수 있다.
[수학식 3]
(상기 수학식 3에서, y는 상기 농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, d는 상기 농도구배층의 총 두께이고, c는 상기 캐소드 중 상기 농도구배층을 제외한 비농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, x는 상기 캐소드의 상단면로부터의 수직거리이다.)
상기 농도구배층은 상기 캐소드의 상단면으로부터 1 내지 50nm 두께인 복수의 층으로 나누어지며, 이웃한 각 층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율은 0.02 내지 5몰% 차이가 있는 것일 수 있다.
상기 x는 0≤x≤0.05이고, 상기 y는 0≤y≤0.05이고, 단 x 및 y가 동시에 0은 아닌 것일 수 있다.
상기 캐소드의 두께는 100 내지 1000nm 인 것일 수 있다.
상기 농도구배층의 두께는 10 내지 500nm 인 것일 수 있다.
상기 버퍼층은 비정질(amorphous) ZnO를 포함하는 것 일 수 있다.
상기 버퍼층은 비정질 ZnO 및 결정질 ZnO를 포함하는 것 일 수 있다.
상기 버퍼층은 정공차단특성을 가지는 것일 수 있다.
상기 캐소드 하에 형성된 투명기판을 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 투명기판은 유리, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드, 폴리에테르술폰(PES) 또는 이들의 조합에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 애노드는 금속, 금속 합금, 반금속(semi-metal), 광 투과성 투명 산화물 또는 이들의 조합에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 광활성층은 전자 공여체와 전자 수용체가 혼재되어 있는 것일 수 있다.
광활성층과 캐소드의 계면 저항이 크게 감소되어 안정성이 향상된 유기 태양 전지를 제공할 수 있다. 특히, 저비용의 캐소드 재료를 사용하여 전체 제조 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
도 1은 바이레이어 p-n 접합형 유기 태양 전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 역 적층 구조의 유기 태양 전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 캐소드 확대 도면이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 일 구현예에 따른 캐소드 내 농도구배층의 도핑 비율의 변화를 표현한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 실험 데이터이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 역 적층 구조의 유기 태양 전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 캐소드 확대 도면이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 일 구현예에 따른 캐소드 내 농도구배층의 도핑 비율의 변화를 표현한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 실험 데이터이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여한다.
층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
본 발명의 일 구현예에서는 서로 대향하는 캐소드와 애노드; 상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하는 광활성층; 상기 광활성층과 상기 캐소드 사이에 존재하는 버퍼층을 포함하고, 상기 캐소드는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 버퍼층은 ZnO를 포함하는 것인 유기 태양 전지를 제공할 수 있다.
[화학식 1]
(상기 화학식 1에서, M은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf) 또는 이들의 조합에서 선택되고, W는 플루오르(F), 브롬(Br) 또는 이들의 조합에서 선택되고, 0≤x≤0.1이고, 0≤y≤0.1이고, 단 x 및 y가 동시에 0은 아니다.)
다만, 상기 구조는 일반적인 유기 태양 전지의 구조(normal cell) 또는 역 적층 구조(inverted cell)일 수 있다.
이하, 도 2를 참고하여 본 발명의 일 구현예에 따른 역 적층 구조의 유기 태양 전지에 대해 설명하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 역 적층 구조의 유기 태양 전지를 도시한 단면도이다. 본 발명의 일 구현예에 따른 역 적층 구조의 유기 태양 전지는 상기 캐소드(202), 상기 캐소드(202) 상에 형성된 상기 버퍼층(203), 상기 버퍼층 상에 형성된 상기 광활성층(204) 및 상기 광활성층(204) 상에 형성된 상기 애노드(205)를 포함할 수 있다.
상기 유기 태양 전지는 캐소드(202) 하에 투명기판(201)을 더 포함할 수 있다. 상기 투명기판(201)의 구체적인 예로는 유리, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트 (PEN), 폴리이미드, 폴리에테르술폰 (PES), 이들의 조합 등이 있으며, 유기 태양 전지에 이용될 수 있는 투명기판이라면 상기 기재에 제한되지는 않는다.
역 적층 구조의 유기 태양 전지란, 빛을 받아들이는 투명기판 쪽에 애노드를 위치시키는 일반적인 유기 태양 전지와는 달리, 투명기판 쪽에 캐소드를 위치시키고 상기 캐소드보다 일함수가 큰 재료를 애노드로 사용하는 전지를 말한다.
상기 캐소드(202)는 전술한 바와 같이 화학식 1로 표시되는 화합물로 이루어질 수 있다. 구체적인 예를 들어, 상기 화학식 1에서 M이 갈륨(Ga)인 경우는 GZO(gallium doped ZnO)가 될 수 있으며, M이 알루미늄(Al)인 경우는 AZO(aluminum doped ZnO)가 될 수 있고, M이 인듐(In)인 경우는 IZO(Indium doped ZnO)가 될 수 있다.
상기 도핑 원소 및 도핑 비율을 조절하여 캐소드(202)의 전기 전도도를 조절할 수 있다. 상기 도핑 비율이란, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물에서 x 및 y의 값에 의해 결정되는 상기 화합물 내 M 및 W의 함량을 의미한다. 구체적인 예를 들면, 상기 x 및 y가 0인 경우 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 ZnO가 되며, 상기 x가 0.1이고 y가 0인 경우 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 Zn0 .9M0 .1O가 된다. 이 때, 상기 후자의 화합물은 전자의 화합물 내 Zn의 총량을 1로 볼 때, 0.1만큼 M이 도핑된 것으로 볼 수 있다. 즉, M이 10몰% 도핑된 것이다. 따라서, 상기 구체적인 예의 화합물의 도핑 비율은 10몰%가 된다.
상기 캐소드(202) 상에는 버퍼층(203)이 형성될 수 있다. 버퍼층(203)의 역할은 광활성층(204)에서 발생한 정공 및 전자에 대해 정공을 차단하고 전자를 캐소드(202)로 수송하는 것이다. 버퍼층(203)은 ZnO를 포함할 수 있다. 상기 버퍼층(203)과 캐소드(202)를 구성하는 화합물의 주요 원소가 매우 유사하기 때문에 계면 저항이 크게 감소될 수 있으며, 이를 이용한 유기 태양 전지의 안정성이 향상될 수 있다.
상기 버퍼층(203)은 비정질(amorphous) ZnO을 포함할 수 있으며, 비정질 ZnO 및 결정질 ZnO를 포함할 수도 있다. 상기 결정성의 조절로 인해 정공 차단 특성 및 전자 수송 특성을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 버퍼층(203) 및 캐소드(202)의 조합을 이용하게 되면 기존의 ITO의 사용으로 인한 문제점을 해결할 수 있다. 기존의 ITO를 전극으로 사용한 유기 태양 전지는 In의 유해성으로 인한 환경문제 및 In의 비용문제를 해결할 수 없었다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 버퍼층(203) 및 캐소드(202)의 조합은 특히, 플렉서블 유기 태양 전지의 모듈에 이용될 수 있다.
도 3은 상기 캐소드(202)의 일부를 확대한 도면이다.
도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 구현예에 따른 캐소드(202)는 농도구배층(301)을 더 포함할 수 있다. 상기 캐소드(202) 내 농도구배층(301)을 제외한 나머지 부분은 비농도구배층(302)라 칭한다.
상기 농도구배층(301)은 상기 버퍼층(203)과 접하고 있는 면을 상기 캐소드(202)의 상단면으로 하며, 상기 캐소드(202)의 상단면에 대향하고 있는 면을 상기 캐소드(202)의 하단면으로 하며, 상기 캐소드(202)의 상단면으로부터 상기 캐소드(202)의 하단면까지의 거리를 상기 캐소드(202) 두께라고 할 때, 상기 캐소드(202)의 상단면으로부터 형성된, 상기 캐소드(202) 두께의 1/10 내지 1/2 두께인, 상기 M 또는 W의 농도구배를 갖는 농도구배층(301)일 수 있다.
상기 농도구배층(301)의 두께가 상기 범위를 만족하여야 상기 버퍼층(203)과의 계면저항을 효과적으로 줄일 수 있다.
상기 농도구배층(301)은 상기 버퍼층(203)에 근접할수록 상기 화학식 1 내의 M 또는 W의 함량이 감소하고 상기 버퍼층(203)과 멀어질수록 상기 화학식 1 내의 M 또는 W의 함량이 증가하는 것일 수 있다.
즉, 버퍼층(203)과 캐소드(202) 사이의 계면 저항을 고려하여 상기 화학식 1의 M 또는 W의 도핑 비율을 점진적으로 변화시킬 수 있다.
상기 농도구배층(301)은 하기 수학식 1의 관계를 따를 수 있다.
[수학식 1]
(상기 수학식 1에서, y는 상기 농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, d는 상기 농도구배층의 총 두께이고, c는 상기 캐소드 중 상기 농도구배층을 제외한 비농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, x는 상기 캐소드의 상단면로부터의 수직거리이다.)
상기 수학식 1의 관계를 따르는 도핑 비율은 도 4a에 보다 상세히 표현되어 있다. 도 4에서 알 수 있듯이, 상기 농도구배층(301)은 버퍼층(203)으로부터 비농도구배층(302)까지 선형으로 도핑 비율이 변할 수 있다.
상기 농도구배층(301)은 하기 수학식 2 또는 수학식 3의 관계를 가질 수 있다.
[수학식 2] [수학식 3]
(상기 수학식 2 및 3에서, y는 상기 농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, d는 상기 농도구배층의 총 두께이고, c는 상기 캐소드 중 상기 농도구배층을 제외한 비농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, x는 상기 캐소드의 상단면로부터의 수직거리이다.)
상기 수학식 2 또는 3의 관계를 따르는 도핑 비율은 도 4b 및 4c에 보다 상세히 표현되어 있다. 도 4b 및 4c에서 알 수 있듯이, 상기 농도구배층(301)은 버퍼층(203)으로부터 비농도구배층(302)까지 포물선형으로 도핑 비율이 변할 수 있다.
또한, 상기 농도구배층(301)은 상기 캐소드(202)의 상단면으로부터 1 내지 50nm 두께인 복수의 층으로 나누어지며, 이웃한 각 층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율은 0.02 내지 5몰% 차이가 있는 것일 수 있다. 즉, 상기 도핑 비율이 계단 형태로 변할 수 있다. 이는 도 4d에 나타나 있다.
상기와 같이 농도구배층(301)을 형성하는 방법 중 구체적인 예인 화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 방법을 사용하여 농도구배층을 형성하는 과정을 설명한다.
상기 캐소드(202)의 상단면에 도펀트 가스를 공급하여 농도구배층(301)을 형성할 때, 상단면으로부터 도펀트의 가스량을 점차적으로 감소시키면서 종국에는 도펀트의 가스 공급을 중단하는 방법을 이용할 수 있다. 이때 도펀트 가스량을 선형적으로 감소시키면 도펀트 가스량과 도핑농도의 상관관계에 따라 다양한 도핑비율 변화가 가능하다.
또한, 상기 방법과 유사하게 분자선증착법(Molecular Beam Epitaxy, MBE)의 경우는 도펀트를 가열하는 온도를 낮추어가는 방법으로 기화되는 도펀트의 양을 점진적으로 낮추어 가며 도핑비율을 변화할 수 있다.
전술한 농도구배층(301)의 도핑 비율의 변화 형태는 상기 화학식 1의 도핑 비율에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
구체적으로 상기 화학식 1에서, 상기 x는 0≤x≤0.05이고, 상기 y는 0≤y≤0.05이고, 단 x 및 y가 동시에 0은 아닌 범위로 도핑 비율이 결정될 수 있다.
보다 구체적인 화학식 1의 도핑 비율은 다음과 같다.
예를 들어, M이 Ga인 GZO의 경우, x가 약 0.005 내지 약 0.1이며 y는 0일 수 있다. 또한 x가 약 0.03 내지 약 0.05이며 y는 0일 수 있다.
또 다른 구체적인 예로 M이 Al인 AZO의 경우, x가 약 0.005 내지 약 0.1이며 y는 0일 수 있다. 또한 x가 약 0.02 내지 약 0.04이며 y는 0일 수 있다.
또 다른 구체적인 예로 M이 In인 IZO의 경우, x가 약 0.01 내지 약 0.1이며 y는 0일 수 있다. 또한 x가 약 0.05 내지 약 0.03이며 y는 0일 수 있다.
상기 캐소드(202)의 두께는 약 100nm 내지 약 1000nm일 수 있다. 상기 두께 범위를 만족하여야 빛에 대한 투과성 및 전기 전도도를 고려하였을 때 효과적인 유기 태양 전지를 제조할 수 있다.
상기 캐소드(202)의 두께에 대해 농도구배층(301)의 두께는 약 10nm 내지 약 500nm일 수 있다. 상기 범위는 전술한 바와 같이 버퍼층(203)과 캐소드(202)의 계면 저항을 최소화 할 수 있는 정도의 두께 범위이다.
상기 애노드(205)는 금속, 금속 합금, 반금속(semi-metal), 광 투과성 투명 산화물 또는 이들의 조합에서 선택될 수 있다. 전술한 바와 같이 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 태양 전지는 역 적층 구조일 수 있으며, 이 경우 애노드의 일함수가 캐소드의 일함수보다 크게 된다.
상기 금속의 예로는 Li, Na 등의 알칼리 금속; Be, Mg 등의 알칼리 토금속; Al; Ag, Au, Co, Ir, Ni, Os, Pd, Pt 등의 전이금속; 희토류 원소; Se 등의 반금속 등을 들 수 있다. 상기 금속 합금의 예로는 Na-K 합금, Mg-In 합금, Al-Li 합금 등을 들 수 있다. 또한 상기 금속 또는 금속 합금으로 이루어진 제1층/상기 금속의 산화물 또는 할로겐화물로 이루어진 제2층의 적층체를 애노드(205)로 사용할 수도 있다. 예를 들어 MoO3/Ag, Al2O3/Al 등의 전극도 사용가능하다. 상기 광투과성 투명 산화물로는 상기 애노드(205) 물질로 언급된 ITO, SnO2, IZO, AZO, GZO 등이 사용가능하며, 상기 애노드(205)보다 일함수가 큰 광투과성 산화물이 사용 가능하다.
도면에는 미도시 되어 있으나, 상기 애노드(205)와 광활성층(204) 사이에 전자 차단 특성 및 정공 수송 특성을 가지는 층을 더 포함할 수 있다. 상기 전자 차단 특성 및 정공 수송 특성을 가지는 층은 전이 금속 산화물로 이루어질 수 있으며, 그 구체적인 예로 MoO3, V2O5, Wo3 등이 있다. 또 다른 구체적인 예로는 PEDOT:PSS, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 폴리(3-알킬티오펜), 폴리티오펜 등의 전도성 폴리머; 펜타센; CuPc; 또는 트리페닐디아민 유도체(TPD) 등의 저분자 유기물 등이 있다.
선택되는 전극 및 계면층은 유기 태양 전지의 극성을 결정할 수 있으며, 또한 전자-정공 두 전하에 대한 비대칭적 전도도를 제승하기 위해서 각 물질의 일함수, 밴드구조를 비교하여 결정될 수 있다.
상기 광활성층(204)은 전자 공여체와 전자 수용체가 혼재되어 있다.
상기 전자 공여체는 p형 반도체로서, 전도성 고분자, 저분자 반도체 등이 사용될 수 있다. 이들의 구체적인 예로는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 일 예로, 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT) 등이 있다.
상기 전자 수용체로는 전자 친화도가 큰 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM 등과 같은 플러렌 유도체들; 페릴렌(perylene); CdS, CdTe, CdSe, ZnO 등과 같은 무기 반도체; 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 전자 공여체와 전자 수용체는 1:9 내지 9:1의 중량비로 사용될 수 있다. 상기 전자 공여체와 전자 수용체가 상기 범위로 사용될 경우 광전류 효율을 개선시키기 위한 광활성층(204)을 용이하게 제작할 수 있다.
광 여기에 의하여 전자 공여체에서 전자와 정공의 쌍인 엑시톤이 형성되고 이 엑시톤은 전자 공여체와 전자 수용체의 계면에서 두 물질의 전자 친화도의 차이에 의하여 전자와 정공으로 분리된다. 분리된 전자는 내부 전계(built-in electric field)에 의하여 전자 수용체를 통하여 캐소드로 이동하고 정공은 전자 공여체를 통하여 애노드로 이동한다.
또한, 상기 광활성층(204)은 전자를 수용할 수 있는 나노 구조체(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 나노 구조체는 캐소드(202)와 전기적으로 연결되어 있으며, 전자의 수송을 도와줄 수 있다. 상기 나노 구조체의 구체적인 예로는 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 탄소 물질, 정공차단성 물질로 표면처리된 금속성 탄소 물질(metallic carbon material), 정공차단성 물질로 표면처리된 금속 등이 있다.
상기 나노구조체는 1차원 선형 구조, 2차원 평면 구조 또는 3차원 입체 구조로 형성될 수 있다. 상기 1차원 선형구조란 그 길이에 비해서 두께가 무시할 정도로 가는 경우를 의미한다. 상기 2차원 평면 구조란 그 면적에 비해서 두께가 무시할 정도로 얇은 경우를 의미한다. 이러한 나노구조체는 나노튜브, 나노로드, 나노와이어, 나노트리, 나노테트라포드, 나노디스크, 나노플레이트, 나노리본 등의 다양한 형태를 가질 수 있으며, 서로 다른 형태를 가지는 나노구조체가 혼합되어 사용될 수 있음은 물론이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
실시예
실시예
1: 유기 태양 전지의 제조
애노드로 100nm Au를 사용하였고, 전자 차단층으로 3nm MoO3를 사용하였고, 광활성층으로 200nm 폴리-3(헥실티오펜)(poly-3(hexylthiophene, P3HT):[6,6]-페닐-C61-부티릭산메틸에스터([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM)=1:1을 사용하였고, 버퍼층으로 50nm ZnO를 사용하였으며, 캐소드로 512nm G0 .03Z0 .97O를 사용한 BHJ(bulk heterojunction) 접합형 유기 태양 전지를 제조하였다.
비교예
1: 유기 태양 전지의 제조
상기 실시예 1에서 버퍼층을 사용하지 않은 점 및 캐소드로 ITO를 이용한 점을 제외하고 나머지는 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
비교예
2: 유기 태양 전지의 제조
상기 실시예 1에서 캐소드로 ITO를 사용한 점을 제외하고 나머지는 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
비교예
3: 유기 태양 전지의 제조
상기 실시예 1에서 버퍼층을 사용하지 않은 점을 제외하고 나머지는 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
실험예
실험 방법
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 유기 태양 전지에 대하여 광전류 전압을 측정하고, 측정된 광전류 곡선으로부터 단락 회로 전류(Jsc), 개방 회로 전압(Voc), 충진 계수(fill factor: FF) 및 효율을 계산하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
이때, 광원으로는 제논 램프(xenon lamp, Oriel, 01193)을 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5)은 표준 태양 전지(calibrated by National Renewable Energy Laboratory, Trace No. FEQ061214-151341, Type of material: Mono-Si + KG-5 필터)를 사용하여 보정하였다.
상기 충진 계수는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Jmp) 을 Voc와 Jsc의 곱으로 나눈 값이며, 유기 태양 전지의 광전 변환 효율(η)은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율로서 하기 수학식 4에서와 같이 단위 면적당 입사된 에너지(Pinc)에 대하여 전지에 의해 발생된 전기 에너지(전류×전압×충진 계수)의 비로 계산하였다.
[수학식 4]
상기 Pinc는 100mW/cm2(1sun)을 나타낸다.
실험 결과
상기 실험 결과는 하기 표 1 및 도 5와 같다.
[표 1]
상기 표 1에서 알 수 있듯이, ZnO 버퍼층 및 GZO 캐소드를 이용한 실시예 1의 유기 태양 전지의 효율이 버퍼층이 존재하지 않는 비교예 1 및 3보다 현저히 우수함을 알 수 있었다.
또한, 기존 고가의 ITO를 이용한 비교예 2와도 동등한 효과를 내는 것으로 밝혀져, 추후 유기 태양 전지에 고비용의 ITO를 대체할 수 있는 캐소드를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
상기 Rsh는 소자의 션트저항(shunt resistance)이고, 일반적으로 이것이 클수록 역방향 누설전류가 작아 좋은 소자특성을 기대할 수 있다. Rs는 소자의 직렬저항(series resistance)으고, 일반적으로 이것이 작을수록 순방향 다이오드 전류가 커서 좋은 소자특성을 기대할 수 있다. 따라서, 소자 구조인 유기 태양 전지의 경우 역시 Rsh가 크고, Rs가 작을수록 충진계수(fill factor)가 향상되고 결과적으로 높은 효율을 기대할 수 있게 된다.
상기 실시예 1의 경우 Rsh가 다른 비교예에 비해 가장 크며, Rs 값은 가장 작은 것을 알 수 있다.
특히, 실시예 1의 Rs 값은 매우 작은데 이는 물질의 유사성으로 인해 GZO/ZnO 계면저항이 매우 작기 때문인 것으로 해석할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 유기 태양 전지
101: 기판 103: 애노드 105: 캐소드
107: p형 반도체 박막 109: n형 반도체 박막
111: 광활성층 113: 전자 115: 정공
117: 엑시톤
201: 투명기판 202: 캐소드 203: 버퍼층
204: 광활성층 205: 애노드
301: 농도구배층 302: 비농도구배층
101: 기판 103: 애노드 105: 캐소드
107: p형 반도체 박막 109: n형 반도체 박막
111: 광활성층 113: 전자 115: 정공
117: 엑시톤
201: 투명기판 202: 캐소드 203: 버퍼층
204: 광활성층 205: 애노드
301: 농도구배층 302: 비농도구배층
Claims (18)
- 서로 대향하는 캐소드와 애노드;
상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하는 광활성층;
상기 광활성층과 상기 캐소드 사이에 존재하는 버퍼층을 포함하고,
상기 캐소드는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고,
상기 버퍼층은 ZnO를 포함하고,
상기 버퍼층와 접하고 있는 면을 상기 캐소드의 상단면으로 하며, 상기 캐소드의 상단면에 대향하고 있는 면을 상기 캐소드의 하단면으로 하며, 상기 캐소드의 상단면으로부터 상기 캐소드의 하단면까지의 거리를 상기 캐소드 두께라고 할 때,
상기 캐소드의 상단면으로부터 형성된, 상기 캐소드 두께의 1/10 내지 1/2 두께인, 농도구배층을 가지고,
상기 농도구배층은 상기 버퍼층에 근접할수록 하기 화학식 1 내의 M 또는 W의 함량이 감소하고 상기 버퍼층과 멀어질수록 하기 화학식 1 내의 M 또는 W의 함량이 증가하는 것인
유기 태양 전지.
[화학식 1]
(상기 화학식 1에서, M은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf) 또는 이들의 조합에서 선택되고, W는 플루오르(F), 브롬(Br) 또는 이들의 조합에서 선택되고, 0≤x≤0.1이고, 0≤y≤0.1이고, 단 x 및 y가 동시에 0은 아니다.)
- 제 1 항에 있어서,
상기 유기 태양 전지는,
상기 캐소드; 상기 캐소드 상에 형성된 상기 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성된 상기 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 형성된 상기 애노드를 포함하는 역 적층 구조인 것인 유기 태양 전지.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 농도구배층은 하기 수학식 1의 관계를 따르는 것인 유기 태양 전지.
[수학식 1]
(상기 수학식 1에서, y는 상기 농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, d는 상기 농도구배층의 총 두께이고, c는 상기 캐소드 중 상기 농도구배층을 제외한 비농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, x는 상기 캐소드의 상단면로부터의 수직거리이다.)
- 제 1 항에 있어서,
상기 농도구배층은 하기 수학식 2의 관계를 따르는 것인 유기 태양 전지.
[수학식 2]
(상기 수학식 2에서, y는 상기 농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, d는 상기 농도구배층의 총 두께이고, c는 상기 캐소드 중 상기 농도구배층을 제외한 비농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, x는 상기 캐소드의 상단면로부터의 수직거리이다.)
- 제 1 항에 있어서,
상기 농도구배층은 하기 수학식 3의 관계를 따르는 것인 유기 태양 전지.
[수학식 3]
(상기 수학식 3에서, y는 상기 농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, d는 상기 농도구배층의 총 두께이고, c는 상기 캐소드 중 상기 농도구배층을 제외한 비농도구배층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율이고, x는 상기 캐소드의 상단면로부터의 수직거리이다.)
- 제1 항에 있어서,
상기 농도구배층은 상기 캐소드의 상단면으로부터 1 내지 50nm 두께인 복수의 층으로 나누어지며, 이웃한 각 층 내 화합물의 M 또는 W의 도핑비율은 0.02 내지 5몰% 차이가 있는 것인 유기 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 x는 0≤x≤0.05이고, 상기 y는 0≤y≤0.05이고, 단 x 및 y가 동시에 0은 아닌 것인 유기 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 캐소드의 두께는 100 내지 1000nm 인 것인 유기 태양 전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 농도구배층의 두께는 10 내지 500nm 인 것인 유기 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 버퍼층은 비정질(amorphous) ZnO를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 버퍼층은 비정질 ZnO 및 결정질 ZnO를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 버퍼층은 정공차단특성을 가지는 것인 유기 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 캐소드 하에 형성된 투명기판을 더 포함하는 것인 유기 태양 전지.
- 제 15 항에 있어서,
상기 투명기판은 유리, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에테르술폰으로 또는 이들의 조합에서 선택되는 것인 유기 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 애노드는 금속, 금속 합금, 반금속(semi-metal), 광 투과성 투명 산화물 또는 이들의 조합에서 선택되는 것인 유기 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광활성층은 전자 공여체와 전자 수용체가 혼재되어 있는 것인 유기 태양 전지.
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