KR101937537B1 - 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 및 그 제조 방법이 제시된다. 일 실시예에 따른 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법은, 광활성층 상에 정공 수송층용 용액을 이용하여 박막 형태의 정공 수송층을 형성하는 단계; 형성된 상기 정공 수송층 상에 나노 임프린팅 공정을 통해 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성하는 단계; 및 형성된 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 상기 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시키는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 및 그 제조 방법{Organic Solar Cells with Low-Temperature Processed Nanostructured Hole-Transfer Layer on Active Layer and Method for Fabricating the same}
아래의 실시예들은 역구조의 유기 태양 전지에서 광활성층 위 홀 수송층에 나노 임프린팅 및 저온 공정을 통해 나노 구조체가 형성된 유기 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 지구상의 연간 에너지 소비량이 약 13테라와트 정도로, 그 양은 2050년에는 약 30테라와트로 증가할 것으로 예상되고 있다. 그러나 현재 주에너지원인 화석연료의 생산량의 감소 및 이들 연료의 연소에 의한 이산화탄소 배출량의 증가에 기인하는 지구 온난화와 같은 환경 문제가 대두되면서, 전 세계적으로 화석연료를 대체할 에너지 변환 기술에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 더불어 현재 이슈가 되고 있는 지구환경문제를 해결하기 위하여 수력, 풍력, 바이오매스 및 태양광 등의 에너지원을 전기에너지로 변환하는 친환경적인 에너지 변환기술에 대한 연구가 집중되고 있다.
그 중에서도 연간 지구에 도달하는 태양광의 에너지양은 약 12만 테라와트로 무한한 태양광을 안전하고 친환경적으로 이용할 수 있는 태양 전지가 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다. 현재 실용화되어 있는 태양에너지의 대부분은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 및 무정형 실리콘을 이용한 무기 태양 전지다.
그러나 이들 무기 실리콘계 태양 전지는, 그 제조에 있어서 프로세스가 복잡하고 비용이 높다는 단점을 가지고 있기 때문에 일반적인 가정용 에너지원으로 보급되기에는 어려운 점이 있다.
이와 같은 문제를 보완하기 위해서 유기 태양 전지가 실리콘 태양 전지의 대안으로 각광받고 있다. 유기 태양 전지는 제조 공정이 간단하여 제조 비용이 낮으며 넓은 면적을 코팅할 수 있고, 낮은 온도에서도 박막을 형성할 수 있으며 유리 기판을 비롯하여 플라스틱 기판 등 거의 모든 종류의 기판을 사용할 수 있다. 뿐만 아니라, 기판 형태에 제한 없이 곡면, 구면 등 다양한 형태로 구부리거나 접을 수 있어 휴대가 용이하다. 따라서 유기 태양 전지는 사람의 옷뿐만 아니라 옷, 가방 등에 부착하거나 휴대용 전지전자 제품에 부착하여 사용할 수 있으며, 고분자 블렌드 박막은 빛에 대한 투명도가 높아서 건물의 유리 창 또는 자동차의 유리창 등에 부착하여 건물 내외관 디자인용으로도 동시에 활용할 수 있어 응용 범위가 매우 넓을 것으로 예상되고 있다.
하지만 유기 태양 전지의 광활성층으로 사용되는 유기 물질들의 빛에 의해 형성된 엑시톤의 확산 거리가 수 나노미터로 매우 짧아 엑시톤이 생성 후, 확산되는 과정에서 대부분 소멸되어 전기적 특성의 저하뿐만 아니라, 광활성층의 낮은 흡광 계수로 인해 기존 무기 태양 전지들에 비해 효율이 낮은 문제점을 가지고 있다. 따라서 유기 태양 전지의 상용화를 위해서는 고효율화가 반드시 이루어져야 한다.
한국공개특허 10-2012-0057174호는 이러한 1차원 나노 구조를 갖는 전하 수송층을 구비하는 유기 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 전하전달능력이 향상된 전하 전달층을 구비하는 유기 태양 전지 및 그 제조 방법을 기재하고 있다.
실시예들은 역구조의 유기 태양 전지에서 광활성층 위 홀 수송층에 간단한 나노 임프린팅 및 저온 공정을 통해 나노 구조체를 형성시키는 방법에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 유기 태양 전지의 광학적 특성 및 전기적 특성이 효과적으로 제어된 고효율의 유기 태양 전지를 구현하는 기술을 제공한다.
실시예들은 역구조의 유기 태양 전지에서 광활성층 상에 형성된 홀 수송층에 나노 임프린팅 및 저온 탈수화(dehydration) 공정을 통해 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 도입함으로써, 하층의 유기 광활성층의 물질의 종류에 상관없이 후면 전극에 의한 반사 및 플라즈모닉 공명 현상에 의한 광학적 특성 및 홀 수송층과 후면 전극의 접촉 면적 증가에 의한 전기적 특성을 효과적으로 제어하여 고효율의 유기 태양 전지를 용이하게 제조하는 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법은, 광활성층 상에 정공 수송층용 용액을 이용하여 박막 형태의 정공 수송층을 형성하는 단계; 형성된 상기 정공 수송층 상에 나노 임프린팅 공정을 통해 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성하는 단계; 및 형성된 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 상기 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시키는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기에서, 상기 광활성층 상에 정공 수송층용 용액을 이용하여 박막 형태의 정공 수송층을 형성하는 단계는, 제1 전극이 형성된 기판 상에 전자 수송층을 형성하는 단계; 및 상기 전자 수송층 상에 유기 광활성층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광활성층은 정공 수용체 물질과 전자 수용체 물질의 혼합 박막층의 단층구조 또는 상기 정공 수용체 물질과 상기 전자 수용체 물질이 각각 적층된 다층구조로 이루어질 수 있다.
상기 광활성층 상에 정공 수송층용 용액을 이용하여 박막 형태의 정공 수송층을 형성하는 단계는, 상기 광활성층 상에 1종 이상의 물질을 용매에 용해하거나 서스펜션 상태로 제조하여 스핀코팅(spin coating)에 의해 상기 정공 수송층을 형성할 수 있다.
상기 정공 수송층은 PEDOT:PSS [poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate)], G-PEDOT [poly (3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate) : polyglycol (glycerol)], PANI:PSS [polyaniline:poly(4-styrene sulfonate)], PANI:CSA (polyaniline: camphor sulfonic acid), PDBT [poly(4,4'-dimethoxy bithophene)], 아릴아민기(aryl amine group)를 가지는 저분자와 고분자, 방향족아민기(aromatic amine group)를 가지는 저분자와 고분자, MoOx (Molybdenum Oxide) 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 된 물질로 이루어질 수 있다.
상기 정공 수송층 상에 나노 임프린팅 공정을 통해 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성하는 단계는, 상기 정공 수송층의 표면에 일정한 주기를 가지는 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 배치하고 압력을 가함에 따라, 모세관 현상에 의해 용액의 일부가 상기 나노 주형 사이로 스며들어 상기 나노 주형의 형태로 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 상기 정공 수송층 상에 패터닝될 수 있다.
상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 상기 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시키는 단계는, 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 정공 수송층을 80 내지 100
Figure 112016119668901-pat00001
의 저온 진공 챔버에서 열처리하여 탈수화시키며, 고온의 열처리 과정을 수행하지 않아 고온에 취약한 유연 기판에도 적용이 가능하다.
상기 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시킨 후, 상기 나노 임프린팅 공정을 위해 사용된 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 제거하는 단계; 및 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 포함된 상기 정공 수송층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지는, 전기 전도성을 가지며 투명 재질의 기판에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되는 전자 수송층; 상기 전자 수송층 상에 형성되는 광활성층; 상기 광활성층 상에 정공 수송층용 용액을 이용하여 형성된 박막 형태의 정공 수송층; 및 상기 정공 수송층 상에 형성되는 제2 전극을 포함할 수 있다. 여기에서 상기 정공 수송층은 나노 임프린팅 공정을 통해 상부에 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 형성될 수 있다.
상기 광활성층은 정공 수용체 물질과 전자 수용체 물질의 혼합 박막층의 단층구조 또는 상기 정공 수용체 물질과 상기 전자 수용체 물질이 각각 적층된 다층구조로 이루어질 수 있다.
상기 정공 수송층은 상기 광활성층 상에 1종 이상의 물질을 용매에 용해하거나 서스펜션 상태로 제조하여 스핀코팅(spin coating)에 의해 형성될 수 있다.
상기 정공 수송층은 PEDOT:PSS [poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate)], G-PEDOT [poly (3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate) : polyglycol (glycerol)], PANI:PSS [polyaniline:poly(4-styrene sulfonate)], PANI:CSA (polyaniline: camphor sulfonic acid), PDBT [poly(4,4'-dimethoxy bithophene)], 아릴아민기(aryl amine group)를 가지는 저분자와 고분자, 방향족아민기(aromatic amine group)를 가지는 저분자와 고분자, MoOx (Molybdenum Oxide) 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 된 물질로 이루어질 수 있다.
상기 정공 수송층은 표면에 일정한 주기를 가지는 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 배치하고 압력을 가함에 따라, 모세관 현상에 의해 용액의 일부가 상기 나노 주형 사이로 스며들어 상기 나노 주형의 형태로 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 상기 정공 수송층 상에 패터닝될 수 있다.
상기 정공 수송층은 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 상기 정공 수송층을 80 내지 100
Figure 112016119668901-pat00002
의 저온 진공 챔버에서 열처리하여 탈수화시켜 형성될 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시킨 후, 상기 나노 임프린팅 공정을 위해 사용된 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 제거하고, 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 포함된 정공 수송층 상에 형성될 수 있다.
실시예들에 따르면 역구조의 유기 태양 전지에서 광활성층 상에 형성된 홀 수송층에 나노 임프린팅 및 저온 탈수화(dehydration) 공정을 통해 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 도입함으로써, 하층의 유기 광활성층의 물질의 종류에 상관없이 후면 전극에 의한 반사 및 플라즈모닉 공명 현상에 의한 광학적 특성 및 홀 수송층과 후면 전극의 접촉 면적 증가에 의한 전기적 특성을 효과적으로 제어하여 고효율의 유기 태양 전지를 용이하게 제조하는 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 저온 진공 챔버에서 열처리하여 탈수화 공정을 수행함으로써, 고온의 열처리 과정을 거치지 않아 고온에 취약한 유연 기판에도 적용이 가능한 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 일정한 나노 구조체가 형성된 PEDOT:PSS 정공 수송층 표면의 FE-SEM를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 실시예 1과 비교예 1을 통해 제작된 유기 태양 전지의 전압-전류 곡선을 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 실시예 2와 비교예 2를 통해 제작된 유기 태양 전지의 전압-전류 곡선을 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 실시예 3과 비교예 3을 통해 제작된 유기 태양 전지의 전압-전류 곡선을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
아래의 실시예들은 역구조 유기 태양 전지 구조에서 정공 수송층에 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성시킴으로써, 종래 플라즈모닉 유기 태양 전지에서의 광학적 효과와 더불어 금속 전극에 의한 플라즈모닉 공명 효과를 유도하여 흡광도를 증가시킬 수 있다.
또한, 실시예들은 열처리 과정이 요구되지 않아 고온에 취약한 유기 광활성층 및 유연기판에도 적용이 가능하여 고효율의 유기 태양 전지 소자를 구현하는 제조 방안을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따른 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법은 광활성층 상에 정공 수송층용 용액을 이용하여 박막 형태의 정공 수송층을 형성하는 단계, 형성된 정공 수송층 상에 나노 임프린팅 공정을 통해 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성하는 단계, 및 형성된 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시키는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법은 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시킨 후, 나노 임프린팅 공정을 위해 사용된 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 제거하는 단계, 및 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 포함된 정공 수송층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법을 더 구체적으로 설명할 수 있다.
먼저, 투명 전극을 포함하는 기판 상에 전자 수송층을 형성한 후, 전자 수송층 상에 유기 광활성층을 형성할 수 있다.
다시 말하면, 광활성층 상에 정공 수송층용 용액을 이용하여 박막 형태의 정공 수송층을 형성할 수 있다. 더 구체적으로, 광활성층 상에 정공 수송층용 용액을 이용하여 박막 형태의 정공 수송층을 형성하는 단계는 제1 전극이 형성된 기판 상에 전자 수송층을 형성하는 단계와, 상기 전자 수송층 상에 유기 광활성층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
기판은 태양 전지의 광입사면 측에 설치되는 경우 광투과성을 갖는 것으로 형성되며, 무색 투명한 것 이외에 다소 착색되어 있는 것이 사용되는 것도 무방하다. 예를 들어 기판은 소다라임 유리, 무알칼리 유리 등의 투명 유리 기판, 또는 폴리에스테르, 폴리아미드, 에폭시 수지 등으로부터 임의로 제작된 플라스틱 필름 등을 이용할 수 있다.
기판 상에 형성된 제1 전극, 투명 전극은 전기 전도성을 가지면서 투명한 물질이면 모두 가능하다. 예를 들어, 투명 전극은 In2O3, ITO(indium-tin oxide), IGZO(indium-gallium-zinc oxide), Ga2O3-In2O3, ZnO, ZnO-In2O3, AZO(Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al), Zn2In2O5-In4Sn3O12, SnO2, FTO(Fluorine-doped tin oxide; SnO2:F), ATO(Aluminium-tin oxide; SnO2:Al) 등과 같이 인듐(In), 틴(Sn), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 알루미늄(Al)과 같은 금속의 단독 혹은 복합 산화물일 수 있다.
투명 전극을 포함하는 기판 상에 전자 수송층을 형성할 수 있다. 이 때, 전자 수송층은 ZnO계 나노 입자, Doped-ZnO(ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga, ZnO:N 등)계 나노 입자, SnO2 나노 입자, ITO 나노 입자, TiO2 나노 입자, TiOx(1＜x＜2) 졸, Cs2CO3 용액, titanium(diisoproxide)bis(2,4-pentadionate) 용액의 계로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것으로 이루어질 수 있다.
전자 수송층 상에 형성되는 광활성층은 다양한 형태로 구현이 가능하며, (1) 정공 수용체(D) 물질과 전자 수용체(A) 물질의 혼합박막[(D+A) blend]층의 단층구조를 취할 수도 있으며, (2) 정공 수용체(D) 물질과 전자 수용체(A) 물질이 각각 적층된 형태(D/A)의 다층구조를 취할 수도 있다.
정공 수용체(D)는 폴리 벤조티오펜 유도체, 폴리티오펜 유도체, 폴리(파라-페닐렌) 유도체, 폴리 플로렌 유도체, 폴리아세틸렌 유도체, 폴리피롤 유도체, 폴리비닐카바졸 유도체, 폴리아닐린 유도체 및 폴리페닐렌비닐렌 유도체와 같은 공액계 고분자 내지 공액계 저분자 등을 포함하는 전도성 고분자 및 저분자를 이용할 수 있다.
전자 수용체(A)는 풀러렌(fullerene; C60), [6,6]-페닐-C61-부티릭 액시드 메틸 에테르([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ether; PCBM), [6,6]-페닐-C71-부티릭 액시드 메틸 에테르([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ether; PC70BM)와 같은 풀러렌 유도체, 페릴렌(perylene)과 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실릭비스벤즈이미다졸(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole; PTCBI)와 같은 페릴렌 저분자 고분자 화합물 유도체를 이용할 수 있다.
광활성층은 스핀코팅, 딥코팅, 화학적 기상 증착, 스프레이 코팅 등을 통해 정공 수송층을 형성할 수 있다.
예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 광활성층 상에 형성되는 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 정공 수송층은 스핀코팅에 의해 형성할 수 있다.
정공 수송층 물질은 PEDOT:PSS [poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate)], G-PEDOT [poly (3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate) : polyglycol (glycerol)], PANI:PSS [polyaniline:poly(4-styrene sulfonate)], PANI:CSA (polyaniline: camphor sulfonic acid), PDBT [poly(4,4'-dimethoxy bithophene)], 아릴아민기(aryl amine group)를 가지는 저분자와 고분자, 방향족아민기(aromatic amine group)를 가지는 저분자와 고분자, MoOx (Molybdenum Oxide) 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
스핀코팅 방법을 통하여 광활성층 상에 정공 수송층을 형성하기 위해서 상기 물질들 중 1종 이상의 물질을 용매에 용해하거나 서스펜션 상태로 제조하여 사용할 수 있다.
다음으로, 도 1b에 도시된 바와 같이, 형성된 정공 수송층 상에 나노 임프린팅 공정을 통해 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성할 수 있다.
스핀코팅된 정공 수송층 상에 나노 주형을 놓고 압력을 가하는 경우 모세관 현상에 의해 용액의 일부가 주형 사이로 스며들면, 나노 주형의 형태로 정공 수송층 상에 음각이 형성되게 된다. 더 구체적으로, 정공 수송층의 표면에 일정한 주기를 가지는 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 배치하고 압력을 가함에 따라, 모세관 현상에 의해 용액의 일부가 상기 나노 주형 사이로 스며들어 상기 나노 주형의 형태로 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 상기 정공 수송층 상에 패터닝될 수 있다.
이후, 도 1c에 도시된 바와 같이, 형성된 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시킬 수 있다.
즉, 나노 구조체가 형성된 정공 수송층은 80 내지 100
Figure 112016119668901-pat00003
의 저온에서 열처리하여 탈수화 공정을 통해 광학적 특성 및 전기적 특성이 향상된 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 가지는 정공 수송층을 형성할 수 있다. 이와 같이 고온의 열처리 과정을 수행하지 않고 저온 진공 챔버에서 열처리하여 탈수화시킴으로써 고온에 취약한 유연 기판에도 적용할 수 있다.
그리고 정공 수송층을 유기 태양 전지에 적용하였을 경우, 일정한 주기를 가지는 금속 나노 구조체의 형성이 가능해지므로 금속 전극에 의한 플라즈모닉 공명 효과를 유도함으로써 흡광도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 나노 구조체 도입으로 인하여 접촉 면적의 증가 및 재결합 방지 등의 전기적 특성 향상에 의해 효율이 향상된 유기 태양 전지를 제공할 수 있다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시킨 후, 나노 임프린팅 공정을 위해 사용된 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 제거할 수 있다.
그리고, 도 1e에 도시된 바와 같이, 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 포함된 정공 수송층 상에 제2 전극을 형성할 수 있다.
제2 전극은 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 도입된 정공 수송층 상에 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 및 금(Au)과 같은 금속 전극을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 은 전극을 사용할 수 있다.
이와 같이, 일 실시예에 따르면 PEDOT:PSS 박막 형성 후, 나노 임프린팅 공정을 통해 열처리 없이 간단히 후면 전극에 나노 구조를 형성시킴으로써 광학적인 효과를 기대할 수 있다.
또한, 광활성층 상 홀 수송층에 일정한 주기의 나노 구조체를 직접 형성시킴으로써, 전면 전극 상에 홀 수송층을 형성하여 나노 구조체를 형성 후 입사광을 굴절시킴으로써 상층 유기박막을 통과하는 빛의 경로를 늘려 상층 유기 박막층의 광흡수율을 향상시키는 효과뿐 아니라, 금속인 후면 전극에 의한 플라즈모닉 공명 효과를 유도함으로써 실질적인 흡광도를 증가시킬 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 광활성층 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지(200)는 제1 전극(210), 전자 수송층(220), 광활성층(230), 정공 수송층(240), 및 제2 전극(250)을 포함하여 이루어질 수 있다. 여기에서 일 실시예에 따른 광활성층(230) 상에 저온 공정을 통한 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지(200)는 역구조의 유기 태양 전지를 형성할 수 있다.
제1 전극(210)은 전기 전도성을 가지며 투명 재질의 기판에 형성될 수 있다.
여기에서, 기판은 태양 전지의 광입사면 측에 설치되는 경우 광투과성을 갖는 것으로 형성되며, 무색 투명한 것 이외에 다소 착색되어 있는 것이 사용되는 것도 무방하다. 예를 들어 기판은 소다라임 유리, 무알칼리 유리 등의 투명 유리 기판, 또는 폴리에스테르, 폴리아미드, 에폭시 수지 등으로부터 임의로 제작된 플라스틱 필름 등을 이용할 수 있다.
기판 상에 형성된 제1 전극(210)을 투명 전극이라 할 수 있으며, 투명 전극은 전기 전도성을 가지면서 투명한 물질이면 모두 가능하다. 예를 들어, 투명 전극은 In2O3, ITO(indium-tin oxide), IGZO(indium-gallium-zinc oxide), Ga2O3-In2O3, ZnO, ZnO-In2O3, AZO(Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al), Zn2In2O5-In4Sn3O12, SnO2, FTO(Fluorine-doped tin oxide; SnO2:F), ATO(Aluminium-tin oxide; SnO2:Al) 등과 같이 인듐(In), 틴(Sn), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 알루미늄(Al)과 같은 금속의 단독 혹은 복합 산화물일 수 있다.
전자 수송층(220)은 제1 전극(210) 상에 형성될 수 있다. 이 때, 전자 수송층은 ZnO계 나노 입자, Doped-ZnO(ZnO:Al, ZnO:B, ZnO:Ga, ZnO:N 등)계 나노 입자, SnO2 나노 입자, ITO 나노 입자, TiO2 나노 입자, TiOx(1＜x＜2) 졸, Cs2CO3 용액, titanium(diisoproxide)bis(2,4-pentadionate) 용액의 계로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 것으로 이루어질 수 있다.
광활성층(230)은 전자 수송층(220) 상에 형성될 수 있다. 이러한 전자 수송층 상에 형성되는 광활성층(230)은 다양한 형태로 구현이 가능하며, 광활성층(230)은 정공 수용체 물질과 전자 수용체 물질의 혼합 박막층의 단층구조 또는 정공 수용체 물질과 전자 수용체 물질이 각각 적층된 다층구조로 이루어질 수 있다.
더 구체적으로, 전자 수송층 상에 형성되는 광활성층(230)은 (1) 정공 수용체(D) 물질과 전자 수용체(A) 물질의 혼합 박막[(D+A) blend]층의 단층구조를 취할 수도 있으며, (2) 정공 수용체(D) 물질과 전자 수용체(A) 물질이 각각 적층된 형태(D/A)의 다층구조를 취할 수도 있다.
정공 수용체(D)는 폴리 벤조티오펜 유도체, 폴리티오펜 유도체, 폴리(파라-페닐렌) 유도체, 폴리 플로렌 유도체, 폴리아세틸렌 유도체, 폴리피롤 유도체, 폴리비닐카바졸 유도체, 폴리아닐린 유도체 및 폴리페닐렌비닐렌 유도체와 같은 공액계 고분자 내지 공액계 저분자 등을 포함하는 전도성 고분자 및 저분자를 이용할 수 있다.
전자 수용체(A)는 풀러렌(fullerene; C60), [6,6]-페닐-C61-부티릭 액시드 메틸 에테르([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ether; PCBM), [6,6]-페닐-C71-부티릭 액시드 메틸 에테르([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ether; PC70BM)와 같은 풀러렌 유도체, 페릴렌(perylene)과 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실릭비스벤즈이미다졸(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole; PTCBI)와 같은 페릴렌 저분자 고분자 화합물 유도체를 이용할 수 있다. 광활성층(230)은 스핀코팅, 딥코팅, 화학적 기상 증착, 스프레이 코팅 등을 통해 형성할 수 있다.
정공 수송층(240)은 광활성층(230) 상에 정공 수송층(240)용 용액을 이용하여 형성된 박막 형태로 이루어질 수 있다. 여기에서 정공 수송층(240)은 나노 임프린팅 공정을 통해 상부에 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 형성될 수 있다.
정공 수송층(240)은 광활성층(230) 상에 1종 이상의 물질을 용매에 용해하거나 서스펜션 상태로 제조하여 스핀코팅(spin coating)에 의해 형성될 수 있다.
예를 들어, 정공 수송층(240)은 PEDOT:PSS [poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate)], G-PEDOT [poly (3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate) : polyglycol (glycerol)], PANI:PSS [polyaniline:poly(4-styrene sulfonate)], PANI:CSA (polyaniline: camphor sulfonic acid), PDBT [poly(4,4'-dimethoxy bithophene)], 아릴아민기(aryl amine group)를 가지는 저분자와 고분자, 방향족아민기(aromatic amine group)를 가지는 저분자와 고분자, MoOx (Molybdenum Oxide) 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 된 물질로 이루어질 수 있다.
나노 구조체가 형성된 정공 수송층(240)은 80 내지 100
Figure 112016119668901-pat00004
의 저온 진공 챔버에서 열처리하여 탈수화 공정을 통해 광학적 특성 및 전기적 특성이 향상된 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 가지는 정공 수송층(240)을 형성할 수 있다.
정공 수송층(240)은 표면에 일정한 주기를 가지는 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 배치하고 압력을 가함에 따라, 모세관 현상에 의해 용액의 일부가 나노 주형 사이로 스며들어 나노 주형의 형태로 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 정공 수송층(240) 상에 패터닝될 수 있다.
제2 전극(250)은 정공 수송층(240) 상에 형성될 수 있다. 예컨대, 제2 전극(250)은 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 및 금(Au)과 같은 금속 전극을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 은 전극을 사용할 수 있다.
제2 전극(250)은 정공 수송층(240)을 열처리하여 탈수화시킨 후, 나노 임프린팅 공정을 위해 사용된 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 제거하고, 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 포함된 정공 수송층(240) 상에 형성될 수 있다.
이와 같이, 일 실시예에 따르면 역구조의 유기 태양 전지의 광활성층(230) 상부에 나노 임프린팅 공정과 저온 탈수화 공정을 통해 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 정공 수송층(240)을 형성시킴으로써, 광학적 특성 및 전기적 특성이 향상된 고효율의 유기 태양 전지를 구현하게 한다.
일 실시예에 따르면 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 도입함으로써 하층의 유기 광활성층(230)의 물질의 종류에 상관없이 후면 전극에 의한 반사 및 플라즈모닉 공명 현상에 의한 광학적 특성 및 홀 수송층과 후면 전극의 접촉 면적 증가에 의한 전기적 특성을 효과적으로 제어하여 고효율의 유기 태양 전지를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면 고온의 열처리 과정이 없으므로 고온에 취약한 유연 기판에도 적용이 가능하여 고효율의 유연 유기 태양 전지의 제작을 구현할 수 있으며, 이는 나아가 유기 태양 전지의 상용화를 앞당길 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실험예 및 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 하기의 실험예 및 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
도 1에 도시된 바와 같이, 일정한 주기의 나노 격자가 형성된 나노 주형을 사용하여 모세관 압을 이용한 나노 임프린팅 공정을 통한 정공 수송층으로 사용된 PEDOT:PSS 표면에 일정한 나노 격자를 형성할 수 있다.
혼합물인 PEDOT:PSS는 두 가지 종류의 고분자 물질, 즉 PEDOT과 PSS로 구성될 수 있다. PEDOT:PSS 수용액을 유리 기판 위에 3000 rpm으로 30 초간 스핀코팅(spin coating)하여 약 40 nm의 두께의 PEDOT:PSS 박막을 제작한 직후, 그 위에 일정한 주기의 나노 격자가 형성된 나노 주형을 박막 위에 올려 놓고 80 내지 100
Figure 112016119668901-pat00005
의 저온에서 열처리하여 탈수화 공정을 통해 용매를 제거한 후, 나노 주형을 분리할 수 있다.
이러한 과정 동안 모세관 현상에 의해 PEDOT:PSS 용액이 주형의 나노 구조물 사이로 들어가게 되어 PEDOT:PSS 표면상에 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성하게 된다.
도 3은 일 실시예에 따른 일정한 나노 구조체가 형성된 PEDOT:PSS 정공 수송층 표면의 FE-SEM를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 전술한 모세관 압을 이용한 나노 임프린팅 공정에 의해 만들어진 PEDOT:PSS 박막 표면의 FE-SEM 이미지를 나타내는 것으로, 더 구체적으로 PDMS 주형을 이용하여 모세관 압을 이용한 나노 임프리팅 공정에 의해 일정한 나노 구조체가 형성된 PEDOT:PSS 정공 수송층 표면의 FE-SEM 이미지를 나타낸다.
일정한 나노 구조체가 형성된 PEDOT:PSS 정공 수송층 표면의 FE-SEM 이미지에서 확인할 수 있듯이, PEDOT:PSS 표면에 일정한 주기를 가지는 나노 격자가 성공적으로 형성됨을 확인할 수 있다.
실시예 2
일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 정공 수송층을 유기 태양 전지의 광활성층 상에 도입하기 위하여, 15
Figure 112016119668901-pat00006
의 시트 저항을 가지는 ~1,500
Figure 112016119668901-pat00007
두께의 투명 ITO를 기판으로 사용할 수 있다.
제1 전극인 ITO가 형성된 유리 기판을 아세톤과 이소프로필 알코올으로 각 15 분간 초음파 세정을 행한 후, 건조시킬 수 있다. 다음으로, 대기압 플라즈마 표면처리 장치에서 10 분간, 상기 ITO 기판의 표면처리를 수행할 수 있다. ITO 기판 위에 ZnO 졸-겔 용액을 6000 rpm으로 30 초간 스핀코팅한 후, 200
Figure 112016119668901-pat00008
에서 1 시간 건조시킬 수 있다.
다음으로, PTB7와 PC70BM을 1 : 1.5의 중량비로 혼합하여 Dichlorobenzene와 1,8-diiodooctane의 혼합 용매(0.97 ml : 0.03 ml 부피비)에 용해시킨 광활성층용 용액을 질소 분위기 하에서 상기 ZnO 상에 2500 rpm으로 30 초간 스핀코팅하여 광활성층 박막을 형성시킨 후, 70
Figure 112016119668901-pat00009
에서 20 분 건조시킬 수 있다.
광활성층 상에 PEDOT:PSS 수용액을 유리 기판 위에 3000 rpm으로 30 초간 스핀코팅하여 약 40 nm의 두께의 PEDOT:PSS 박막을 제작한 직후, 그 위에 일정한 주기의 나노 격자가 형성된 나노 주형을 박막 위에 올려 놓고 80 내지 100
Figure 112016119668901-pat00010
의 저온에서 열처리하여 탈수화 공정을 통해 용매를 제거 후, 나노 주형을 분리시킬 수 있다.
이러한 과정 동안 모세관 현상에 의해 PEDOT:PSS 용액이 주형의 나노 구조물 사이로 들어가게 되어 PEDOT:PSS 표면상에 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성할 수 있다.
이후, 정공 수송층 상에 1 x 10- 7 의 진공 챔버에서 100 nm의 막 두께의 Ag 박막을, 진공 증착법을 이용해서 제2 전극을 형성하는 것에 의해 유기 태양 전지를 획득할 수 있다.
이하, 이를 통해 본 발명의 실시예 및 비교예를 비교 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 실시예 1과 비교예 1을 통해 제작된 유기 태양 전지의 전압-전류 곡선을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 4를 참조하여 비교예를 설명한다.
비교예 1
일정한 나노 구조체가 도입되지 않은 정공 수송층을 포함하는 유기 태양 전지의 제작할 수 있다.
제1 전극은 15
Figure 112016119668901-pat00011
의 시트 저항을 가지는 ~1,500
Figure 112016119668901-pat00012
두께의 투명 ITO를 유리 기판 상에 제조할 수 있다. 양극 층인 ITO가 형성된 유리 기판을 아세톤과 이소프로필 알코올으로 각 15 분간 초음파 세정을 행한 후, 건조시킬 수 있다. 그리고 대기압 플라즈마 표면처리 장치에서 10 분간, 상기 ITO 기판의 표면처리를 수행할 수 있다.
다음으로, ITO 기판 위에 ZnO 졸-겔 용액을 6000 rpm으로 30 초간 스핀코팅한 후, 200
Figure 112016119668901-pat00013
에서 1 시간 건조시킬 수 있다.
이후, 산소 1 ppm 이하의 드라이 질소 분위기의 글러브 박스로 이송하고, PCDTBT와 PC70BM을 4 mg : 16 mg의 중량비로 혼합하여 Dichlorobenzene 용매(1 ml) 용해시킨 광활성층용 용액을 질소 분위기 하에서 상기 ZnO 상에 1100 rpm으로 60 초간 스핀코팅하여 광활성층 박막을 형성시킨 후, 80
Figure 112016119668901-pat00014
에서 15 분 건조시킬 수 있다.
광활성층 상에 PEDOT:PSS 수용액을 유리 기판 위에 3000 rpm으로 30 초간 스핀코팅하여 약 40 nm의 두께의 PEDOT:PSS 박막을 제작한 직후, 상기 기판을 80
Figure 112016119668901-pat00015
에서 1 시간 건조시킬 수 있다.
이후, 정공 수송층 상에 1 x 10- 7 의 진공 챔버에서 100 nm의 막 두께의 Ag 박막을, 진공 증착법을 이용해서 제2 전극을 형성하는 것에 의해 유기 태양 전지를 획득할 수 있다.
도 4를 참조하면, 비교예 1에서 제작된 일정한 나노 구조체가 도입되지 않은 정공 수송층을 포함하는 유기 태양 전지소자의 전압-전류 밀도의 측정 결과를 확인할 수 있다.
제작된 유기 태양 전지의 Voc 값은 0.86, Jsc 값은 9.97, FF는 58 %로 측정되며, 광전변환율은 4.95 %이다.
이하, 다시 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
실시예 1
일정한 나노 구조체가 도입된 정공 수송층을 포함하는 유기 태양 전지의 제작할 수 있다.
본 실시예는 전술한 비교예 1에서 제시한 태양 전지 제조 과정 중에서 광활성층 상에 PEDOT:PSS 수용액을 유리 기판 위에 3000 rpm으로 30 초간 스핀코팅하여 약 40 nm의 두께의 PEDOT:PSS 박막을 제작한 직후, 그 위에 일정한 주기의 나노 격자가 형성된 나노 주형을 박막 위에 올려 놓고 80 내지 100
Figure 112016119668901-pat00016
의 저온에서 열처리하여 탈수화 공정을 통해 용매를 제거한 후, 나노 주형을 분리시킬 수 있다.
이러한 과정 동안 모세관 현상에 의해 PEDOT:PSS 용액이 주형의 나노 구조물 사이로 들어가게 되어 PEDOT:PSS 표면상에 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조할 수 있다.
제작된 유기 태양 전지의 Voc 값은 0.87, Jsc 값은 11.24, FF는 59 %로 측정되며, 광전변환율은 5.75 %이다. 도 4를 참조하면 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과를 확인할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 실시예 2와 비교예 2를 통해 제작된 유기 태양 전지의 전압-전류 곡선을 나타내는 도면이다.
비교예 2
일정한 나노 구조체가 도입되지 않은 정공 수송층을 포함하는 유기 태양 전지의 제작할 수 있다.
제1 전극은 15
Figure 112016119668901-pat00017
의 시트 저항을 가지는 ~1,500
Figure 112016119668901-pat00018
두께의 투명 ITO를 유리 기판 상에 제조할 수 있다. 양극 층인 ITO가 형성된 유리 기판을 아세톤과 이소프로필 알코올으로 각 15 분간 초음파 세정을 행한 후, 건조시킬 수 있다. 그리고 대기압 플라즈마 표면처리 장치에서 10 분간, 상기 ITO 기판의 표면처리를 수행할 수 있다.
다음으로, ITO 기판 위에 ZnO 졸-겔 용액을 6000 rpm 으로 30 초간 스핀코팅한 후, 200
Figure 112016119668901-pat00019
에서 1 시간 건조시킬 수 있다.
이후, 산소 1 ppm 이하의 드라이 질소 분위기의 글러브 박스로 이송하고, PTB7-Th와 PC70BM을 1 : 1.5의 중량비로 혼합하여 Dichlorobenzene와 1,8-diiodooctane의 혼합 용매(0.97 ml : 0.03 ml 부피비)에 용해시킨 광활성층용 용액을 질소 분위기 하에서 ZnO 상에 2500 rpm으로 30 초간 스핀코팅하여 광활성층 박막을 형성시킨 후, 70
Figure 112016119668901-pat00020
에서 20 분 건조시킬 수 있다.
광활성층 상에 PEDOT:PSS 수용액을 유리 기판 위에 3000 rpm으로 30 초간 스핀코팅하여 약 40 nm의 두께의 PEDOT:PSS 박막을 제작한 직후, 상기 기판을 80
Figure 112016119668901-pat00021
에서 1 시간 건조시킬 수 있다.
이후, 정공 수송층 상에 1 x 10- 7 의 진공 챔버에서 100 nm의 막 두께의 Ag 박막을, 진공 증착법을 이용해서 제2 전극을 형성하는 것에 의해 유기 태양 전지를 획득할 수 있다.
도 5를 참조하면, 비교예 1에서 제작된 일정한 나노 구조체가 도입되지 않은 정공 수송층을 포함하는 유기 태양 전지소자의 전압-전류 밀도의 측정 결과를 확인할 수 있다.
제작된 유기 태양 전지의 Voc 값은 0.78, Jsc 값은 15.70, FF는 65 %로 측정되며, 광전변환율은 7.94 %이다.
이하, 다시 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
실시예 2
일정한 나노 구조체가 도입된 정공 수송층을 포함하는 유기 태양 전지의 제작할 수 있다.
본 실시예는 전술한 비교예 2에서 제시한 태양 전지 제조 과정 중에서 광활성층 상에 PEDOT:PSS 수용액을 유리 기판 위에 3000 rpm으로 30 초간 스핀코팅하여 약 40 nm의 두께의 PEDOT:PSS 박막을 제작한 직후, 그 위에 일정한 주기의 나노 격자가 형성된 나노 주형을 박막 위에 올려 놓고 80 내지 100
Figure 112016119668901-pat00022
의 저온에서 열처리하여 탈수화 공정을 통해 용매를 제거한 후, 나노 주형을 분리시킬 수 있다.
이러한 과정 동안 모세관 현상에 의해 PEDOT:PSS 용액이 주형의 나노 구조물 사이로 들어가게 되어 PEDOT:PSS 표면상에 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성하한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조할 수 있다.
제작된 유기 태양 전지의 Voc 값은 0.78, Jsc 값은 15.83, FF는 69 %로 측정되며, 광전변환율은 8.48 %이다. 도 5를 참조하면 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과를 확인할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 실시예 3과 비교예 3을 통해 제작된 유기 태양 전지의 전압-전류 곡선을 나타내는 도면이다.
비교예 3
일정한 나노 구조체가 도입되지 않은 정공 수송층을 포함하는 유기 태양 전지의 제작할 수 있다.
비교예 2에서 제시한 태양 전지 제조 과정 중에서 광활성층 상에 PEDOT:PSS 수용액 대신 MoO3 수용액을 유리 기판 위에 1000 rpm으로 30 초간 스핀코팅하여 MoO3 박막을 형성한 후, 100
Figure 112016119668901-pat00023
의 저온에서 건조하여 약 20 nm의 두께의 MoO3 박막을 형성한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조할 수 있다.
제작된 유기 태양 전지의 Voc 값은 0.79, Jsc 값은 15.04, FF는 68 %로 측정되며, 광전변환율은 8.13 %이다. 도 6을 참조하면 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과를 확인할 수 있다.
실시예 3
일정한 나노 구조체가 도입된 정공 수송층을 포함하는 유기 태양 전지의 제작할 수 있다.
실시예 2에서 제시한 태양 전지 제조 과정 중에서 광활성층 상에 PEDOT:PSS 수용액 대신 MoO3 수용액을 유리 기판 위에 1000 rpm으로 30 초간 스핀코팅하여 MoO3 박막을 제작한 직후, 그 위에 일정한 주기의 나노 격자가 형성된 나노 주형을 박막 위에 올려 놓고 100
Figure 112016119668901-pat00024
의 저온에서 열처리하여 탈수화 공정을 통해 용매를 제거한 후, MoO3 표면상에 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성한 것을 제외하고는 모두 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조할 수 있다.
제조된 유기 태양 전지의 Voc 값은 0.80, Jsc 값은 15.97, FF는 70 %로 측정되며, 광전변환율은 8.99 %이다. 도 6을 참조하면 소자의 전압-전류 밀도 측정 결과를 확인할 수 있다.
이와 같이, 실시예들은 역구조의 유기 태양 전지에서 광활성층 상 정공 수송층에 나노 임프린팅 공정 및 저온 탈수화(dehydration) 공정을 통해 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성시키는 방법에 대한 것으로, 광학적 특성 및 전기적 특성이 효과적으로 제어된 고효율의 유기 태양 전지를 구현할 수 있다.
종래에 유기 태양 전지에서 플라즈모닉 공명 현상을 유도하기 위한 일정한 주기를 가지는 나노 구조체 도입에 관한 연구가 대부분 유기 광활성층 표면에 직접적으로 나노 구조체를 도입하여 형성된 나노 구조체를 따라 금속 전극이 형성되는 것이 일반적이었다. 그러나 poly[N-9''-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7',-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)] (PCDTBT)와 같은 높은 유리 전이온도를 가지는 무정형 고분자 및 단분자 물질로 이루어진 유기 광활성층의 경우 나노 임프린팅 공정을 통해 나노 구조체를 형성시키기 어려울 뿐만 아니라 동반되는 고온의 건조 공정은 광활성층의 손상을 유도하므로, 이들 물질을 이용한 플라즈모닉 유기 태양 전지를 제작하는 것은 나노 입자를 합성하여 도입하는 것으로 제한되어 있다.
실시예들에 따르면 역구조의 유기 태양 전지에서 광활성층 상에 형성된 홀 수송층에 나노 임프린팅 및 저온 탈수화(dehydration) 공정을 통해 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 도입함으로써, 하층의 유기 광활성층의 물질의 종류에 상관없이 후면 전극에 의한 반사 및 플라즈모닉 공명 현상에 의한 광학적 특성 및 홀 수송층과 후면 전극의 접촉 면적 증가에 의한 전기적 특성을 효과적으로 제어하여 고효율의 유기 태양 전지를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 고온의 열처리 과정이 없으므로 고온에 취약한 유연 기판에도 적용이 가능하다.
한편, 유기 태양 전지는 저렴한 가격과 가벼운 무게 때문에 휴대용 핸드폰 충전기나 군용 장비 등, 일상에서 에너지의 수확이 필요한 대부분의 분야에 응용이 가능하다. 또한 색상이 다양하고 외관이 아름다워 건물 외벽이나 자동차 천장 등에 설치하기에도 적합하다. 차세대 에너지원으로 크게 각광받고 있는 유기 태양 전지는 큰 상품성과 수많은 응용 가능성에도 불구하고 무기물 태양 전지에 비해 낮은 광전변환 효율 때문에 상용화가 실현되지 못하고 있다. 실시예들에 따르면 광학적 특성 및 전기적 특성이 효과적으로 제어된 고효율의 유기 태양 전지를 제작할 수 있으며, 이에 유기 태양 전지의 상용화를 앞당길 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 광활성층 상에 정공 수송층용 용액을 이용하여 박막 형태의 정공 수송층을 형성하는 단계;
    형성된 상기 정공 수송층 상에 나노 임프린팅 공정을 통해 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성하는 단계; 및
    형성된 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 상기 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 정공 수송층 상에 나노 임프린팅 공정을 통해 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 형성하는 단계는,
    상기 정공 수송층의 표면에 일정한 주기를 가지는 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 배치하고 압력을 가함에 따라, 모세관 현상에 의해 용액의 일부가 상기 나노 주형 사이로 스며들어 상기 나노 주형의 형태로 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 상기 정공 수송층 상에 패터닝되며,
    상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 상기 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시키는 단계는,
    상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 정공 수송층을 80 내지 100
    Figure 112019500957965-pat00033
    의 저온 진공 챔버에서 열처리하여 탈수화시키며, 고온의 열처리 과정을 수행하지 않아 고온에 취약한 유연 기판에도 적용이 가능하고,
    상기 광활성층 상에 규칙적인 나노 구조체가 형성된 상기 정공 수송층을 형성하여 하층의 유기 광활성층의 물질의 종류에 상관없이 제2 전극에 의한 반사 및 플라즈모닉 공명 현상에 의한 흡광도를 증가시키고 상기 정공 수송층과 상기 제2 전극의 접촉 면적이 증가하는 것
    을 특징으로 하는 광활성층 상에 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광활성층 상에 정공 수송층용 용액을 이용하여 박막 형태의 정공 수송층을 형성하는 단계는,
    제1 전극이 형성된 기판 상에 전자 수송층을 형성하는 단계; 및
    상기 전자 수송층 상에 유기 광활성층을 형성하는 단계
    를 포함하는 광활성층 상에 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광활성층은,
    정공 수용체 물질과 전자 수용체 물질의 혼합 박막층의 단층구조 또는 상기 정공 수용체 물질과 상기 전자 수용체 물질이 각각 적층된 다층구조로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 광활성층 상에 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광활성층 상에 정공 수송층용 용액을 이용하여 박막 형태의 정공 수송층을 형성하는 단계는,
    상기 광활성층 상에 1종 이상의 물질을 용매에 용해하거나 서스펜션 상태로 제조하여 스핀코팅(spin coating)에 의해 상기 정공 수송층을 형성하는 것
    을 특징으로 하는 광활성층 상에 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정공 수송층은,
    PEDOT:PSS [poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate)], G-PEDOT [poly (3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate) : polyglycol (glycerol)], PANI:PSS [polyaniline:poly(4-styrene sulfonate)], PANI:CSA (polyaniline: camphor sulfonic acid), PDBT [poly(4,4'-dimethoxy bithophene)], 아릴아민기(aryl amine group)를 가지는 저분자와 고분자, 방향족아민기(aromatic amine group)를 가지는 저분자와 고분자, MoOx (Molybdenum Oxide) 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 된 물질로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 광활성층 상에 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시킨 후, 상기 나노 임프린팅 공정을 위해 사용된 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 제거하는 단계; 및
    상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 포함된 상기 정공 수송층 상에 제2 전극을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 광활성층 상에 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지 제조 방법.
  9. 전기 전도성을 가지며 투명 재질의 기판에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되는 전자 수송층;
    상기 전자 수송층 상에 형성되는 광활성층;
    상기 광활성층 상에 정공 수송층용 용액을 이용하여 형성된 박막 형태의 정공 수송층; 및
    상기 정공 수송층 상에 형성되는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 정공 수송층은, 나노 임프린팅 공정을 통해 상부에 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 형성되며, 상기 정공 수송층의 표면에 일정한 주기를 가지는 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 배치하고 압력을 가함에 따라, 모세관 현상에 의해 용액의 일부가 상기 나노 주형 사이로 스며들어 상기 나노 주형의 형태로 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 상기 정공 수송층 상에 패터닝되며, 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체를 포함하는 정공 수송층을 80 내지 100
    Figure 112018055748215-pat00034
    의 저온 진공 챔버에서 열처리하여 탈수화시키며, 고온의 열처리 과정을 수행하지 않아 고온에 취약한 유연 기판에도 적용이 가능하고, 상기 광활성층 상에 규칙적인 나노 구조체가 형성된 상기 정공 수송층을 형성하여 하층의 유기 광활성층의 물질의 종류에 상관없이 상기 제2 전극에 의한 반사 및 플라즈모닉 공명 현상에 의한 흡광도를 증가시키고 상기 정공 수송층과 상기 제2 전극의 접촉 면적이 증가하는 것
    을 특징으로 하는 광활성층 상에 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광활성층은,
    정공 수용체 물질과 전자 수용체 물질의 혼합 박막층의 단층구조 또는 상기 정공 수용체 물질과 상기 전자 수용체 물질이 각각 적층된 다층구조로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 광활성층 상에 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 정공 수송층은,
    상기 광활성층 상에 1종 이상의 물질을 용매에 용해하거나 서스펜션 상태로 제조하여 스핀코팅(spin coating)에 의해 형성되는 것
    을 특징으로 하는 광활성층 상에 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 정공 수송층은,
    PEDOT:PSS [poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate)], G-PEDOT [poly (3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate) : polyglycol (glycerol)], PANI:PSS [polyaniline:poly(4-styrene sulfonate)], PANI:CSA (polyaniline: camphor sulfonic acid), PDBT [poly(4,4'-dimethoxy bithophene)], 아릴아민기(aryl amine group)를 가지는 저분자와 고분자, 방향족아민기(aromatic amine group)를 가지는 저분자와 고분자, MoOx (Molybdenum Oxide) 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 된 물질로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 광활성층 상에 규칙적인 나노 구조를 가지는 홀 전도층이 도입된 유기 태양 전지.
  13. 삭제
  14. 삭제
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    상기 제2 전극은,
    상기 정공 수송층을 열처리하여 탈수화시킨 후, 상기 나노 임프린팅 공정을 위해 사용된 나노 격자가 패터닝된 나노 주형을 제거하고, 상기 일정한 주기를 가지는 나노 구조체가 포함된 정공 수송층 상에 형성되는 것
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