KR102113536B1 - Semitransparent organic photovoltaics module - Google Patents
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Abstract
본 발명은 종래 광투과도의 저하를 야기하던 상부 전극, 즉 금속 전극을 배제하더라도 유기 태양전지의 성능을 가지며, 높은 광투과도를 갖는 반투명 유기 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a semi-transparent organic solar cell having the performance of an organic solar cell and having a high light transmittance even if the upper electrode, that is, a metal electrode, which caused a decrease in the conventional light transmittance, is excluded.
Description
본 발명은 반투명 유기 태양전지 모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a translucent organic solar cell module.
일반적으로 태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로, 태양으로부터 생성된 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 반도체 소자를 의미한다. 이러한 태양전지는 공해가 적고 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다. In general, a solar cell is a photovoltaic cell manufactured for the purpose of converting solar energy into electrical energy, and means a semiconductor device that converts light energy generated from the sun into electrical energy. Such solar cells are expected to be an energy source that can solve future energy problems due to low pollution, infinite resources, and semi-permanent life.
최근에 태양전지에 관한 기술은 발전 단가를 낮추는 저가형 태양전지에 대한 연구와 변환 효율을 높이는 고효율 태양전지에 대한 연구가 동시에 진행되고 있다.In recent years, research on low-cost solar cells that lowers the cost of power generation and research on high-efficiency solar cells that increase conversion efficiency are being conducted simultaneously.
태양전지는 내부 구성 물질 중 광활성층을 구성하는 물질에 따라 무기 태양전지와 유기 태양전지로 나뉠 수 있다. The solar cell may be divided into an inorganic solar cell and an organic solar cell according to the material constituting the photoactive layer among the internal constituent materials.
무기 태양전지는 무기물, 주로 단결정 실리콘이 사용되는데, 이러한 단결정 실리콘계 태양전지는 효율 및 안정성 면에서 우수하고 현재 양산이 이루어지고 있는 태양전지의 대부분을 차지하고 있지만 현재 원자재 확보, 경량화, 유연화, 고효율화 및 저가격화 기술의 개발에 한계를 나타내고 있다.Inorganic solar cells use inorganic materials, mainly monocrystalline silicon. These monocrystalline silicon-based solar cells are excellent in terms of efficiency and stability, and occupy most of the solar cells currently being mass-produced, but currently secure raw materials, light weight, flexible, high efficiency and low price. It is limiting the development of Japanese technology.
한편, 유기 태양전지는 저분자(small molecule; 단분자로도 표현)나 고분자(polymer)의 유기 반도체 재료와 같은 유기물을 이용하기 때문에 무기 태양전지에 사용된 무기물에 비해 가격이 월등히 저렴하고 다양한 합성과 가공이 가능하여 생산성 향상이 용이하다. 또한, 여타 반도체 기술에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 용액 기반의 공정으로 진행되기 때문에 제조과정의 단순화, 고속화 및 대면적화가 가능하다. 특히, 고온처리시 문제가 될 수 있는 저가형 유리 또는 플라스틱 등 다양한 기판에 적용될 수 있는 이점을 가져 유기 태양전지에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다.On the other hand, organic solar cells use organic materials such as small molecule (also expressed as single molecule) or polymer organic semiconductor materials, so they are significantly cheaper than inorganic materials used in inorganic solar cells and have various synthetic and It is possible to process and improve productivity. In addition, since it proceeds to a solution-based process at a relatively low temperature compared to other semiconductor technologies, it is possible to simplify, speed up and enlarge the manufacturing process. In particular, research has been actively conducted on organic solar cells having advantages that can be applied to various substrates such as low-cost glass or plastic, which may be a problem during high-temperature treatment.
도 1은 종래 유기 태양전지의 단위 셀 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a unit cell structure of a conventional organic solar cell.
기존 유기 태양전지(50)는 기판(10)상에, 하부 전극(11,21), 전자 수송층(12,22), 광활성층(13,23), 정공 수송층(14,24) 및 상부 전극(15,25)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 일반적으로, 상기 하부 전극(11,21)은 음극이고, 상부 전극(15,25)은 양극이다.Existing organic
각각의 단위 셀은 전기적으로 연결되되, 셀 1의 상부 전극(15)이 셀 2의 하부 전극(21)과 통전되는 구조를 갖는다. Each unit cell is electrically connected, but has a structure in which the
도 1과 같은 구조의 유기 태양전지(50)의 상부 전극(15,25)은 금속 전극을 사용한다. 즉, 은(Ag) 페이스트를 이용하여 도포 후 건조하는 방식으로 제조한다. 상기 은과 같은 금속 재질을 상부 전극(15,25)으로 이용할 경우 광투과도가 통상 0%로서 불투명한 유기 태양전지(50)가 제작된다. The
최근 건물 일체형 태양광 발전(Building integrated photovoltaic; BIPV) 시스템에 대한 관심이 높아지면서, 건물의 외벽뿐 아니라 창문을 유기 태양전지로 이용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 유기 태양전지를 건물의 외관 또는 창문으로 이용하기 위해서는 빛을 일부 투과시켜야 하기 때문에 일정 수준 이상의 광투과도를 갖는 반투명 유기 태양전지가 사용되고 있다.Recently, as interest in a building integrated photovoltaic (BIPV) system has increased, research is being conducted to use windows as well as exterior walls of buildings as organic solar cells. In order to use an organic solar cell as an exterior or window of a building, a portion of light must be transmitted, so a semi-transparent organic solar cell having a light transmittance of a certain level or higher is used.
그러나 상기 금속 재질을 상부 전극(15,25)으로 이용할 경우 광투과도를 전혀 확보할 수 없다. However, when the metal material is used as the
이에 유기 태양전지의 투명성을 개선하기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있다.Accordingly, various methods for improving transparency of organic solar cells have been studied.
일례로, 대한민국 공개특허 제2009-0111725호는 하부 전극, 전자 수송층, 광활성층 및 상부 전극을 포함하는 유기 박막 태양전지에 있어서, 전극의 두께에 따라 광투과도를 조절 가능한 투명 유기 박막 태양전지를 개시하고 있다.As an example, Korean Patent Publication No. 2009-0111725 discloses a transparent organic thin film solar cell capable of controlling light transmittance according to the thickness of an electrode in an organic thin film solar cell including a lower electrode, an electron transport layer, a photoactive layer, and an upper electrode. Doing.
또한, 대한민국 공개특허 제2015-0036342호는 상부 전극이 다중층(multi-layer) 구조로 이루어지며 각각의 층의 조성과 두께를 특정하고 증착 방법을 달리함으로써 유기 태양전지의 투과성을 향상시키는 방법을 개시하고 있다.In addition, Korean Patent Publication No. 2015-0036342 discloses a method of improving the permeability of an organic solar cell by specifying a composition and thickness of each layer and different deposition methods in which the upper electrode is made of a multi-layer structure. It is disclosed.
이들 특허들은 유기 태양전지의 투명성을 어느 정도 개선하였으나 그 효과가 충분치 않고 공정의 변경 또는 추가로 인해 많은 시간과 비용이 요구된다. These patents have improved the transparency of the organic solar cell to some extent, but the effect is not sufficient and a lot of time and cost are required due to process changes or additions.
따라서, 간단한 공정을 통해 우수한 성능을 가지는 반투명 유기 태양전지의 개발이 더욱 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to further develop a translucent organic solar cell having excellent performance through a simple process.
이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과, 광활성층 상에 고전도성의 정공 수송층을 형성하여 종래 Ag와 같은 상부 전극을 설치하지 않고도 전지 구동을 가능케 함과 동시에 전지의 광투과도를 확보하고, 종래 상부 전극으로 이루어진 단위 셀 간의 전기적 연결을 보조 전극으로 대체하여 저항의 상승 없이도 전지의 효율을 높일 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.As a result, the present inventors conducted various studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, formed a highly conductive hole transport layer on the photoactive layer to enable driving of the battery without installing a top electrode such as conventional Ag, and at the same time, the light of the battery. The present invention was completed by confirming that it is possible to increase the efficiency of the battery without increasing the resistance by securing the transmittance and replacing the electrical connection between the unit cells formed of the upper electrode with the auxiliary electrode.
이에 본 발명의 목적은 일정 수준 이상의 광투과도를 갖는 반투명 유기 태양전지를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a translucent organic solar cell having a light transmittance of a certain level or more.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판; 및 상기 기판 상에 형성된 복수 개의 단위 셀을 구비한 유기 태양전지 모듈에 있어서, In order to achieve the above object, the present invention is a substrate; And In the organic solar cell module having a plurality of unit cells formed on the substrate,
상기 단위 셀은 하부 전극, 전자 수송층, 광활성층 및 정공 수송 물질과 전도성 나노와이어를 포함하는 정공 수송층을 포함하고, The unit cell includes a lower electrode, an electron transport layer, a photoactive layer, and a hole transport layer including a hole transport material and a conductive nanowire,
상기 단위 셀 간 전기적 연결을 위해 단위 셀 사이 영역에 보조 전극을 구비한 반투명 유기 태양전지 모듈을 제공한다.A semi-transparent organic solar cell module having an auxiliary electrode in an area between unit cells is provided for electrical connection between the unit cells.
이때 상기 보조 전극은 ITO, SnO2, In2O3, ZnO 및 MgZnO를 포함하는 전기 전도성 산화물; TiN, CrN, InGaN, GaN, InN, AlGaN 및 AlInGaN를 포함하는 전기 전도성 질화물; Au, Ag, Pt, Cu, Ni, Fe, Pd, Rh, Ir, Co, Sn, Zn 및 Mo를 포함하는 금속을 1종 이상 포함한다.At this time, the auxiliary electrode includes an electrically conductive oxide including ITO, SnO 2 , In 2 O 3 , ZnO, and MgZnO; Electrically conductive nitrides including TiN, CrN, InGaN, GaN, InN, AlGaN and AlInGaN; Contains one or more metals including Au, Ag, Pt, Cu, Ni, Fe, Pd, Rh, Ir, Co, Sn, Zn and Mo.
또한, 상기 정공 수송층은 정공 수송 물질을 포함하는 매트릭스 내에 전도성 나노와이어가 3차원 네트워크 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the hole transport layer is characterized in that the conductive nanowires form a three-dimensional network structure in the matrix containing the hole transport material.
본 발명에 따른 반투명 유기 태양전지는 상부 전극을 배제하고도 전지 구동이 가능하고, 단위 셀 간 저항을 개선하여 유기 태양전지의 성능과 수명을 향상시킨다. The semi-transparent organic solar cell according to the present invention is capable of driving a cell even when the upper electrode is excluded, and improves resistance between unit cells, thereby improving the performance and life of the organic solar cell.
또한, 상기 유기 태양전지는 롤투롤 공정으로의 적용이 용이하며 이는 소형의 유기 태양전지뿐만 아니라 대면적의 유기 태양전지의 생산을 가능케 한다. In addition, the organic solar cell is easy to apply to the roll-to-roll process, which enables the production of large-sized organic solar cells as well as small-sized organic solar cells.
도 1은 종래 반투명 유기 태양전지의 단위 셀 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 반투명 유기 태양전지의 단위 셀 구조를 나타낸 단면도이다.
1 is a cross-sectional view showing a unit cell structure of a conventional translucent organic solar cell.
2 is a cross-sectional view showing a unit cell structure of a translucent organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다. 또한, 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains may easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, the same reference numbers in the drawings refer to the same components, and the size or thickness of each component may be exaggerated for convenience of description.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.When a member is referred to as being “on” another member in the present specification, this includes not only the case where one member is in contact with the other member but also another member between the two members.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기판이 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.When a part is referred to as “comprising” a certain component in the present specification, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless there is a specifically opposed substrate.
종래 유기 태양전지는 상부 전극으로 금속 페이스트을 이용하여 형성하고 있으며, 상기 금속 페이스트로 제조된 금속 전극으로 인해 유기 태양전지의 광투과도(즉, 광투과도 또는 가시광선 투과율)를 저하시킨다. 이에 상부의 금속 전극을 제외한 구성이 제안되었다. 그러나 통상 상부 전극이 단위 셀 간 전기적 연결 기능을 동시에 수행하고 있어, 상기 상부 전극의 배제로 인해 전기적 연결의 구현이 불가능하였다. 이에 유기 태양전지의 최상층의 구성인 정공 수송층을 이용하여 단위 셀 간 전기적 연결을 시도하였으나, 단위 셀 간 직렬 저항(series resistance)이 크게 걸려 유기 태양전지의 전류 손실이 발생하였다.A conventional organic solar cell is formed using a metal paste as an upper electrode, and the light transmittance (ie, light transmittance or visible light transmittance) of the organic solar cell is reduced due to the metal electrode made of the metal paste. Accordingly, a configuration excluding the upper metal electrode has been proposed. However, since the upper electrode performs the electrical connection function between unit cells at the same time, it is impossible to implement the electrical connection due to the exclusion of the upper electrode. Accordingly, an electrical connection between unit cells was attempted by using a hole transport layer, which is a configuration of the top layer of the organic solar cell, but series resistance between unit cells was significantly increased, resulting in current loss of the organic solar cell.
구체적으로 설명하면, 슬롯 다이 공정을 이용하여 유기 태양전지를 제작할 경우 각 단위 셀은 일정 거리의 간격으로 배치되어 분리가 이루어진다. 이때 단위 셀은 약 0.8V의 전압 특성을 가지며, 상기 단위 셀끼리 전기적으로 연결하여 이들의 개수 및 배치를 조절하여 최종 얻어지는 유기 태양전지의 출력 전압을 조절한다.Specifically, in the case of manufacturing an organic solar cell using a slot die process, each unit cell is disposed at intervals of a predetermined distance to separate. At this time, the unit cell has a voltage characteristic of about 0.8V, and the unit cells are electrically connected to control the number and arrangement of them to control the output voltage of the finally obtained organic solar cell.
단위 셀의 전기적 연결은 도 1에 나타낸 바와 같이 통상 상부 전극의 연장을 통해 이루어진다. 이때 상기 상부 전극을 제외한 구조인 경우 다른 층(예, 정공 수송층)이 그 역할을 수행하여야 하는데, 기존 정공 수송층의 경우 전기적 연결을 위해 충분한 수준의 전기 전도도를 갖지 못한다. 이로 인해 단위 셀 간 직렬 저항이 크게 증가하고, 결과적으로 유기 태양전지의 전류 손실이 발생하게 된다. 따라서, 상부 전극이 필수적인 구성으로 이루어져야 하는데, 상기 상부 전극의 사용에 따른 광투과도 저하로 인해 반투명 유기 태양전지의 구현이 용이하지 않다. The electrical connection of the unit cells is usually made through the extension of the upper electrode as shown in FIG. 1. At this time, in the case of a structure other than the upper electrode, another layer (eg, a hole transport layer) should perform its role, but the existing hole transport layer does not have a sufficient level of electrical conductivity for electrical connection. Due to this, the series resistance between unit cells is greatly increased, and as a result, current loss of the organic solar cell occurs. Therefore, the upper electrode must be made of an essential configuration, but it is not easy to implement a semi-transparent organic solar cell due to a decrease in light transmittance due to use of the upper electrode.
이에 본 발명에서는 일정 수준 이상의 광투과도(또는 투명도, 투명성)를 확보하여 반투명 유기 태양전지를 구현하되, 상기 광투과도 확보를 위해 상부 전극을 제외하더라도 단위 셀 간 직렬 저항을 낮출 수 있는 새로운 구조의 반투명 유기 태양전지를 제시한다. Accordingly, in the present invention, a semi-transparent organic solar cell is realized by securing a light transmittance (or transparency, transparency) of a certain level or more, but a semi-transparent structure having a new structure capable of lowering the series resistance between unit cells even if the upper electrode is excluded to secure the light transmittance Present an organic solar cell.
구체적으로, 본 발명에 따른 반투명 유기 태양전지는 광투과도를 저하시키는 금속 재질의 상부 전극을 사용하지 않도록 정공 수송층의 조성을 변화시키고, 단위 셀 간 전기적 연결로 인한 직렬 저항을 낮추기 위한 보조 전극을 도입한 구조를 갖는다. Specifically, the translucent organic solar cell according to the present invention changes the composition of the hole transport layer so as not to use the upper electrode made of a metal material that lowers the light transmittance, and introduces an auxiliary electrode for lowering the series resistance due to electrical connection between unit cells. It has a structure.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 반투명 유기 태양전지의 단위 셀 구조를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a unit cell structure of a translucent organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 반투명 유기 태양전지의 단위 셀은 기판(100) 상에 하부 전극(101,201)이 위치하고, 그 상부로 전자 수송층(102,202), 광활성층(103,203) 및 정공 수송층(104,204)이 순차적으로 적층되며, 상부 전극을 배제한 구조를 갖는다.Referring to FIG. 2, in a unit cell of a semi-transparent organic solar cell,
각각의 단위 셀(Cell 1, Cell 2)은 소정 거리 이격하여 형성되고, 이때 상기 단위 셀은 보조 전극(301,302)을 통해 전기적 연결이 이루어진다. 구체적으로, 하나의 단위셀(Cell 1)의 정공 수송층(104)과 인접하는 다른 단위셀(Cell 2)의 하부 전극(201)이 보조 전극(301)을 통해 전기적으로 연결된다.Each of the unit cells (
보조 전극(301,302)은 전기 전도성이 높은 재질이면 그 어떤 재질이라도 가능하다.The
일례로, ITO, SnO2, In2O3, ZnO, 또는 MgZnO 등과 같은 전기 전도성 산화물; TiN, CrN, InGaN, GaN, InN, AlGaN, 또는 AlInGaN 등과 같은 전기 전도성 질화물; Au, Ag, Pt, Cu, Ni, Fe, Pd, Rh, Ir, Co, Sn, Zn 및 Mo등과 같은 금속이 사용될 수 있다. 상기 전기 전도성 산화물 및 전기 전도성 질화물은 높은 광투과도를 갖는다는 이점이 있으며, 금속은 전기 전도도가 우수하다는 이점이 있어, 이들 각각을 사용하거나 조합하여 사용이 가능하다.For example, electrically conductive oxides such as ITO, SnO 2 , In 2 O 3 , ZnO, or MgZnO; Electrically conductive nitrides such as TiN, CrN, InGaN, GaN, InN, AlGaN, or AlInGaN; Metals such as Au, Ag, Pt, Cu, Ni, Fe, Pd, Rh, Ir, Co, Sn, Zn and Mo can be used. The electrically conductive oxide and the electrically conductive nitride have an advantage of having high light transmittance, and the metal has an advantage of excellent electrical conductivity, and each of them can be used or used in combination.
바람직하기로, 전기전도도가 낮을 경우 단위 셀 간 저항이 증가하여 반투명 유기 태양전지 모듈의 효율이 낮아질 수 있으므로 전기 전도도가 높아 단위 셀 간 직렬 저항을 낮출 수 있도록 금속 재질을 사용하고, 가장 바람직하기로는 은을 사용한다. Preferably, when the electrical conductivity is low, since the resistance between the unit cells is increased, the efficiency of the translucent organic solar cell module may be lowered, so a metal material is used to reduce the series resistance between the unit cells due to the high electrical conductivity, and most preferably Use silver.
이러한 보조 전극(301,302)은 단위 셀(Cell 1)의 일측 측면부를 포함하되, 이와 이웃한 단위 셀(Cell 2)의 하부 전극(201)의 일부를 포함하도록 형성한다. The
필요한 경우 보조 전극(301,302)은 2층 이상의 다층 구조를 가질 수 있으며, 2종 이상을 혼합하는 합금 또는 혼합물 형태로도 사용이 가능하다. If necessary, the
더불어, 본 발명은 상부 전극을 배제한 구조를 확보하기 위해, 상부 전극과 정공 수송층의 역할을 동시에 할 수 있도록 고전도성을 갖는 정공 수송층(104,204)을 형성하는 것이 바람직하다.In addition, the present invention, in order to ensure a structure excluding the upper electrode, it is preferable to form a hole transport layer (104,204) having a high conductivity so that it can simultaneously serve as the upper electrode and the hole transport layer.
구체적으로, 본 발명에 따른 정공 수송층(104,204)은 정공 수송 물질과 전도성 나노와이어를 포함한다. Specifically, the
기존의 양극 형성을 위한 금속 페이스트 대신 전도성 나노와이어를 사용하기 때문에 페이스트가 함유하는 용매 및 불순물로 인한 문제가 발생하지 않아 유기 태양전지의 수명을 늘릴 수 있다. 또한, 전도성 나노와이어와 정공 수송 물질이 용액 상에 분산되어 있기 때문에 코팅법을 이용할 수 있을 뿐 아니라 롤투롤 공정에 적용이 가능하다. Since conductive nanowires are used instead of the metal paste for forming the existing anode, the problem due to the solvent and impurities contained in the paste does not occur, so that the life of the organic solar cell can be increased. In addition, since the conductive nanowires and the hole transport material are dispersed in the solution phase, the coating method can be used as well as the roll-to-roll process.
본 발명의 정공 수송층(104,204)은 단일층으로 기존의 정공 수송층과 양극의 역할을 동시에 수행하기 때문에 반투명 유기 태양전지의 박막화가 가능하며 공정 측면에서도 적층 횟수를 줄일 수 있다는 이점을 가진다. The
이에 더해서, 상기 정공 수송층(104,204)은 정공 수송 물질을 포함하는 매트릭스 내에 전도성 나노와이어가 3차원 네트워크 구조를 형성하여 서로가 연결되기 때문에 정공의 이동이 보다 원활해짐에 따라 반투명 유기 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, the
상기 정공 수송 물질은 정공의 생성 및 전달을 위해 사용되며, 고분자; 유기 화합물; 무기물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 가능하다.The hole transport material is used for the generation and delivery of holes, a polymer; Organic compounds; One or more selected from the group consisting of minerals is possible.
구체적으로, 정공 수송을 위한 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(PSS), 폴리아닐린, 프탈로시아닌, 펜타센, 폴리디페닐 아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, 구리 프탈로시아닌(Cu-PC) 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(T-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴) 디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 정공전달물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 상기 PEDOT와 PSS의 혼합물을 포함할 수 있다.Specifically, polymers for hole transport include poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), poly (styrenesulfonate) (PSS), polyaniline, phthalocyanine, pentacene, polydiphenyl acetylene, and poly (t- Butyl) diphenylacetylene, poly (trifluoromethyl) diphenylacetylene, copper phthalocyanine (Cu-PC) poly (bistrifluoromethyl) acetylene, polybis (T-butyldiphenyl) acetylene, poly (trimethylsilyl) Diphenylacetylene, poly (carbazole) diphenylacetylene, polydiacetylene, polyphenylacetylene, polypyridineacetylene, polymethoxyphenylacetylene, polymethylphenylacetylene, poly (t-butyl) phenylacetylene, polynitrophenylacetylene, poly (Trifluoromethyl) phenylacetylene, poly (trimethylsilyl) phenylacetylene, derivatives thereof, and combinations thereof, and may include any one of the hole transport materials selected from the group, preferably of the PEDOT and PSS Mixtures.
또한, 정공 수송을 위한 유기 화합물은 NPB(4,4'-bis(N-phenyl-1-naphthylamino)biphenyl, 4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐); TPD(N,N'-Bis(3-methylphenyl)-N,N'-diphenylbenzidine, N,N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-디페닐벤지딘), MTDATA(4,4',4"-Tris[phenyl(m-tolyl)amino]triphenylamine, 4,4',4"-트리스[(3-메틸페닐)페닐아미노]트라이페닐아민), TAPC(4,4'-Cyclohexylidenebis[N,N-bis(4-methylphenyl)benzenamine], 4,4'-사이클로헥실리덴 비스[N,N-비스(4-메틸페닐)벤젠아밀]), TCTA(Tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine, 트리스(4-카바조일-9-일페닐)아민), CBP(4,4'-Bis(N-carbazolyl)-1,1'-biphenyl, 4,4'-비스(N-카바졸릴)-1,1'-바이페닐), Alq3, mCP(9,9'-(1,3-Phenylene)bis-9H-carbazol, 9,9'-(1,3-페닐렌)비스-9H-카바졸) 및 2-TNATA(4,4',4"-Tris[2-naphthyl(phenyl)amino]triphenylamine, 4,4',4"-트리스(N-(2-나프틸)-N-페닐아미노)트리페닐아민) 중 적어도 1종을 사용할 수 있다.In addition, the organic compound for hole transport is NPB (4,4'-bis (N-phenyl-1-naphthylamino) biphenyl, 4,4'-bis [N- (1-naphthyl) -N-phenylamino] bi Phenyl); TPD (N, N'-Bis (3-methylphenyl) -N, N'-diphenylbenzidine, N, N'-bis (3-methylphenyl) -N, N'-diphenylbenzidine), MTDATA (4,4 ', 4 "-Tris [phenyl (m-tolyl) amino] triphenylamine, 4,4 ', 4" -tris [(3-methylphenyl) phenylamino] triphenylamine), TAPC (4,4'-Cyclohexylidenebis [N, N -bis (4-methylphenyl) benzenamine], 4,4'-cyclohexylidene bis [N, N-bis (4-methylphenyl) benzeneamyl]), TCTA (Tris (4-carbazoyl-9-ylphenyl) amine, Tris (4-carbazoyl-9-ylphenyl) amine), CBP (4,4'-Bis (N-carbazolyl) -1,1'-biphenyl, 4,4'-bis (N-carbazolyl) -1 , 1'-biphenyl), Alq3, mCP (9,9 '-(1,3-Phenylene) bis-9H-carbazol, 9,9'-(1,3-phenylene) bis-9H-carbazole) And 2-TNATA (4,4 ', 4 "-Tris [2-naphthyl (phenyl) amino] triphenylamine, 4,4', 4" -tris (N- (2-naphthyl) -N-phenylamino) tri Phenylamine).
또한, 정공 수송을 위한 무기물은 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN(Hexaazatriphenylenehexacarbonitrile, 헥사아자트리페닐렌 헥사카르보니트릴) 및 F4-TCNQ(7,7,8,8-Tetracyano-2,3,5,6-tetrafluoroquinodimethane, 7,7,8,8-테트라시아노-2,3,5,6-테트라플루오로퀴노디메탄)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 가능하고, 바람직하기로 MoO3를 사용한다.In addition, inorganic materials for hole transport include MoO 3 , MoO 2 , WO 3 , V 2 O 5 , ReO 3 , NiO, Mo (tfd) 3 , HAT-CN (Hexaazatriphenylenehexacarbonitrile, hexaazatriphenylene hexacarbonitrile) and F4 -TCNQ (7,7,8,8-Tetracyano-2,3,5,6-tetrafluoroquinodimethane, 7,7,8,8-tetracyano-2,3,5,6-tetrafluoroquinodimethane) One or more selected from the group consisting of is possible, and preferably uses MoO 3 .
상기 전도성 나노와이어는 유기 태양전지의 양극 역할을 하며 금속계 나노와이어 및 탄소계 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The conductive nanowire serves as an anode of the organic solar cell and may include one or more selected from the group consisting of metal-based nanowires and carbon-based nanowires.
본 발명에 사용될 수 있는 금속계 나노와이어로는, 통상의 금속계 나노와이어를 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 일례로 상기 금속계 나노와이어는 Au, Ag, Pt, Cu, Ni, Fe, Pd, Rh, Ir, Co, Sn, Zn 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 은(Ag)으로 이루어질 수 있다. As the metal-based nanowires that can be used in the present invention, conventional metal-based nanowires can be used without particular limitation. For example, the metal-based nanowire may be made of at least one metal element selected from the group consisting of Au, Ag, Pt, Cu, Ni, Fe, Pd, Rh, Ir, Co, Sn, Zn and Mo, preferably May be made of silver (Ag).
본 발명에 사용될 수 있는 탄소계 나노와이어로는 탄소나노튜브, 탄소 나노섬유 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며 바람직하게는 탄소나노튜브일 수 있다. Carbon-based nanowires that can be used in the present invention may include one or more selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanofibers, and graphene, and preferably carbon nanotubes.
전도성 나노와이어의 형상으로는, 특별히 제한은 없고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 예를 들어, 원주 형상, 직육면체 형상, 단면이 다각형인 기둥 형상 등의 임의의 형상을 가질 수 있다. The shape of the conductive nanowire is not particularly limited, and may be appropriately selected according to the purpose, and may have any shape such as a columnar shape, a cuboid shape, or a pillar shape having a polygonal cross section.
또한, 전도성 나노와이어의 장축 평균 길이는, 1 ㎛ 이상, 바람직하게는 5 ㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 이상, 예를 들면, 1 내지 1000 ㎛, 구체적으로는 5 내지 100 ㎛이다. 상기 전도성 나노와이어의 길이가, 1 ㎛ 미만이면, 나노와이어 사이에 접합점이 감소되어 저항이 증가할 우려가 있다. 또한, 상기 전도성 나노와이어의 단축 평균 길이(직경)은 1 내지 200 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 50 nm이다. 상기 나노와이어의 직경이 너무 작으면, 나노와이어의 내열성이 저하될 우려가 있다. 이와 반대로, 상기 직경이 너무 크면 산란에 의한 헤이즈가 증가되어, 전도성 나노와이어를 함유하는 정공 수송층(104,204)의 광선 투과성 및 시인성이 저하될 우려가 있다.In addition, the average length of the long axis of the conductive nanowires is 1 µm or more, preferably 5 µm or more, more preferably 10 µm or more, for example, 1 to 1000 µm, and specifically 5 to 100 µm. When the length of the conductive nanowire is less than 1 μm, there is a fear that a junction point decreases between the nanowires, thereby increasing resistance. Further, the shortened average length (diameter) of the conductive nanowire is 1 to 200 nm, preferably 5 to 100 nm, more preferably 10 to 50 nm. If the diameter of the nanowire is too small, there is a fear that the heat resistance of the nanowire is lowered. On the contrary, if the diameter is too large, haze due to scattering increases, and there is a fear that light transmittance and visibility of the
상기 정공 수송층(104,204) 내 전도성 나노와이어의 함량은 특별히 한정하지는 않으나 분산성 및 광투과도을 위해 너무 높은 함량으로 포함되는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 상기 전도성 나노와이어의 함량은 0.1 내지 10 중량%, 바람직하게는 1 내지 10 중량%일 수 있다. 만약, 전도성 나노와이어의 함량이 상기 범위 미만이면 전극으로서의 기능을 수행할 수 없고, 상기 범위를 초과하면 분산성과 광투과도이 크게 저하될 뿐만아니라 상대적으로 정공 수송 물질(예, PEDOT:PSS)의 함량이 줄어들어 이 또한 광전변환효율이 감소하는 문제가 발생하므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.The content of the conductive nanowires in the
상기 정공 수송층(104,204)의 두께는 0.1 내지 5 ㎛일 수 있다. 종래 유기 태양전지의 경우 정공 수송층은 0.1 내지 10 ㎛, 양극을 5 내지 20 ㎛의 두께로 형성한다. 이와 비교하여 본 발명의 정공 수송층(104,204)의 두께는 0.1 내지 5 ㎛, 바람직하게는 0.1 내지 2 ㎛이기 때문에 최종 반투명 유기 태양전지의 두께를 현저히 감소시킬 수 있다. The
한편, 도 2에서 제시하는 본 발명의 유기 태양전지의 모듈의 다른 구성은 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바를 따른다. On the other hand, the other configuration of the module of the organic solar cell of the present invention presented in Figure 2 is not particularly limited, and follows the known.
기판(100)은 투명성을 갖는 것이라면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있다. The
일례로 상기 기판(100)은 석영 또는 유리와 같은 투명 무기 기판이거나, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에테르이미드(PEI)로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 이중에서 유연하면서도 높은 화학적 안정성, 기계적 강도 및 광투과도를 가지는 필름 형태의 투명 플라스틱 기판을 사용하는 것이 바람직하다.For example, the
또한, 상기 기판(100)은 약 400 내지 750 ㎚의 가시광 파장에서 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 광투과도를 갖는 것이 좋다. Further, it is preferable that the
상기 기판(100)의 두께는 특별히 한정되지 않으며 사용 용도에 따라 적절히 결정될 수 있는데 일례로 1 내지 500 ㎛일 수 있다.The thickness of the
하부 전극(101,201)은 음극으로, 전술한 기판(100) 상에 형성된다. The
상기 하부 전극(101,201)은 기판(100)을 통과한 빛이 광활성층(103,203)에 도달할 수 있도록 하는 경로가 되므로 높은 광투과도를 가지고 약 4.5 eV 이상의 높은 일함수와 낮은 저항을 갖는 전도성 물질을 사용하는 것이 바람직하다. The
일례로, 상기 하부 전극(101,201)으로는 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide; ITO), 인듐 아연 산화물(Indium zinc oxide; IZO), 불소도핑 산화주석(fluorine-doped tin oxide; FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속산화물 투명 전극; 전도성 고분자, 그래핀 박막, 그래핀 산화물 박막, 탄소나노튜브 박막과 같은 유기 투명전극; 또는 금속이 결합된 탄소나노튜브 박막과 같은 유-무기 결합 투명전극 등을 사용할 수 있다.For example, the
상기 하부 전극(101,201)의 두께는 10 내지 3000 ㎚일 수 있다. The thickness of the
전자 수송층(102,202)은 전술한 하부 전극(101,201) 상에 위치하며, 전자의 수송 능력을 높여 반투명 유기 태양전지(500)의 효율을 높이는 역할을 한다. 또한, 외부로부터 유입된 산소와 수분을 차단하여 광활성층(104,204)에 영향을 주는 것을 방지할 수 있다.The
전자 수송층(102,202)은 금속산화물과 유기물로 형성될 수 있으며, 상기 금속산화물은 티타늄(Ti), 아연(Zn), 규소(Si), 망간(Mn), 스트론튬(Sr), 인듐(In), 바륨(Ba), 칼륨(K), 니오븀(Nb), 철(Fe), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 비스무트(Bi), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 세륨(Ce), 백금(Pt), 은(Ag) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속산화물 박막층은 밴드갭이 넓고 반도체적 성질을 가지고 있는 산화아연(ZnO)으로 이루어질 수 있으며, 유기물은 PEI(polyethyleneimine), PEIE(ethoxylatedpolyethylenimine)등일 수 있다.The
또한, 전자 수송층(102,202)에 포함되는 금속산화물은 평균 입경이 10 nm 이하이고, 구체적으로 1 내지 8 nm이고, 더욱 구체적으로 3 내지 7 nm일 수 있다.In addition, the metal oxide contained in the
전자 수송층(102,202)은 코팅을 통해 형성될 수 있으며, 코팅 과정은 슬롯다이 코팅, 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 닥터블레이드 코팅법, 그라비아 프린팅법 등을 사용할 수 있으나, 금속 산화물을 코팅할 수 있는 방법이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다. 특히, 전자 수송층(102,202)은 슬롯다이 코팅을 이용하는 것이 유리할 수 있다.The
전자 수송층(102,202)의 두께는 1 내지 100 nm일 수 있으며, 이와 같이 규정된 두께 범위를 벗어날 경우 전자의 수송 능력이 저하될 수 있다.The thickness of the
광활성층(103,203)은 전술한 전자 수송층(102,202) 상에 위치하며, 정공수용체와 전자수용체가 혼합된 벌크 이종접합 구조를 가진다.The
상기 정공수용체는 전기 전도성 고분자 또는 유기 저분자 반도체 물질 등과 같은 유기 반도체를 포함한다. 상기 전기 전도성 고분자는 폴리티오펜(polythiphene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리플루오렌(polyfulorene), 폴리피롤(polypyrrole) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 유기 저분자 반도체 물질은 펜타센(pentacene), 안트라센(anthracene), 테트라센(tetracene), 퍼릴렌(perylene), 올리고티오펜(oligothiphene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The hole acceptor includes an organic semiconductor such as an electrically conductive polymer or an organic low molecular semiconductor material. The electrically conductive polymer may be at least one selected from the group consisting of polythiphene, polyphenylenevinylene, polyfulorene, polypyrrole, and copolymers thereof. The organic low molecular semiconductor material includes at least one selected from the group consisting of pentacene, anthracene, tetracene, perylene, oligothiphene, and derivatives thereof. can do.
구체적으로 상기 정공수용체는 폴리-3-헥실티오펜(poly-3-hexylthiophene; P3HT), 폴리-3-옥틸티오펜(poly-3-octylthiophene; P3OT), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-p-phenylenevinylene; PPV), 폴리(9,9′- 디옥틸플루오렌)(poly(9,9′-dioctylfluorene)), 폴리(2-메톡시-5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)(poly(2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene; MEH-PPV) 및 폴리(2-메틸-5-(3′, 7′-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌비닐렌(poly(2-methyl-5-(3′, 7′-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene; MDMOPPV)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.Specifically, the hole acceptor is poly-3-hexylthiophene (P3HT), poly-3-octylthiophene (P3OT), polyparaphenylenevinylene (poly-p -phenylenevinylene; PPV), poly (9,9'-dioctylfluorene) (poly (9,9'-dioctylfluorene)), poly (2-methoxy-5- (2-ethyl-hexyloxy) -1 , 4-phenylenevinylene) (poly (2-methoxy-5- (2-ethyl-hexyloxy) -1,4-phenylenevinylene; MEH-PPV) and poly (2-methyl-5- (3 ', 7' -Dimethyloctyloxy))-1,4-phenylenevinylene (poly (2-methyl-5- (3 ', 7'-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene; MDMOPPV) It may contain one or more.
상기 전자수용체는 풀러렌(fullerene, C60), C70, C76, C78, C80, C82, C84등의 풀러렌 유도체, CdS, CdSe, CdTe 및 ZnSe으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The electron acceptor may include one or more selected from the group consisting of fullerene derivatives such as fullerene (C60), C70, C76, C78, C80, C82, and C84, CdS, CdSe, CdTe, and ZnSe.
구체적으로 상기 전자수용체는 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르((6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM), (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르((6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester; C70-PCBM), (6,6)-티에닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르((6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM) 및 탄소나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.Specifically, the electron acceptor is (6,6) -phenyl-C61-butyric acid methyl ester ((6,6) -phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM), (6,6) -phenyl-C71- Butyric acid methyl ester ((6,6) -phenyl-C71-butyric acid methyl ester; C70-PCBM), (6,6) -thienyl-C61-butyric acid methyl ester ((6,6) -thienyl -C61-butyric acid methyl ester; ThCBM) and may include one or more selected from the group consisting of carbon nanotubes.
이때 광활성층(103,203)은 정공수용체로서 P3HT와 전자수용체로서 PCBM의 혼합물을 포함하는 것이 더욱 바람직하고, 이때 상기 P3HT와 PCBM의 혼합 중량 비율은 1:0.1 내지 1:2일 수 있다.In this case, the
광활성층(103,203)의 두께는 10 내지 1000 ㎚, 구체적으로는 100 내지 500 ㎚일 수 있다. 상기 광활성층(103,203)의 두께가 상기 범위 미만인 경우 태양빛을 충분히 흡수할 수가 없어, 광전류가 낮아져 효율 저하가 예상되며, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 여기된 전자와 정공이 전극으로 이동할 수 없어 효율 저하 문제가 발생할 수 있다.The thickness of the
추가로, 본 발명의 반투명 유기 태양전지(500)는 하부 전극(101,201)과 상기 광활성층(103,203) 사이(전자 수송층을 제외할 경우), 하부 전극(101,201)과 전자 수송층(102,202) 사이, 또는 전자 수송층(102,202)과 광활성층(103,203) 사이에 금속산화물 박막층(미도시)을 포함한다. 상기 금속산화물 박막층은 부 전극으로서 전자의 이동 속도를 증가시켜 유기 태양전지(500)의 작동을 가능하게 하고, 외부로부터 침투하는 산소와 수분을 차단하여 상기 광활성층(103,203)에 포함된 고분자가 산소와 수분에 의하여 열화되는 것을 방지하여 유기 태양전지(500)의 수명을 향상시킬 수 있다.In addition, the semi-transparent organic
상기 금속산화물 박막층은 두께가 10 내지 500nm, 바람직하게 20 내지 300nm, 더욱 바람직하게 20 내지 200nm일 수 있다. 상기 금속산화물 박막층의 두께가 상기 범위 내인 경우 전자의 이동 속도를 향상시키면서도 외부로부터 산소와 수분이 침투하여 광활성층(40) 및 정공 수송층(50)에 영향을 주는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.The metal oxide thin film layer may have a thickness of 10 to 500 nm, preferably 20 to 300 nm, and more preferably 20 to 200 nm. When the thickness of the metal oxide thin film layer is within the above range, it is possible to effectively prevent oxygen and moisture from penetrating from the outside and affecting the photoactive layer 40 and the
또한, 상기 금속산화물 박막층에 포함되는 금속산화물은 평균 입경이 10nm 이하이고, 바람직하게 1 내지 8nm이고, 더욱 바람직하게 3 내지 7nm일 수 있다.In addition, the metal oxide contained in the metal oxide thin film layer may have an average particle diameter of 10 nm or less, preferably 1 to 8 nm, and more preferably 3 to 7 nm.
상기 금속산화물은 Ti, Zn, Si, Mn, Sr, In, Ba, K, Nb, Fe, Ta, W, Sa, Bi, Ni, Cu, Mo, Ce, Pt, Ag, Rh 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속의 산화물일 수 있으며, 바람직하게 ZnO일 수 있다. 상기 ZnO는 밴드갭이 넓고 반도체적 성질을 가지고 있어, 상기 하부 전극(101,201)과 함께 사용하는 경우 전자의 이동을 더욱 향상시킬 수 있다.The metal oxide is Ti, Zn, Si, Mn, Sr, In, Ba, K, Nb, Fe, Ta, W, Sa, Bi, Ni, Cu, Mo, Ce, Pt, Ag, Rh and combinations thereof It may be an oxide of any one metal selected from the group consisting of, it may be preferably ZnO. Since the ZnO has a wide band gap and has semiconductor properties, when used with the
전술한 바의 본 발명에 따른 반투명 유기 태양전지(500)는 공지된 바의 방법에 따라 제조가 가능하다.The translucent organic
본 발명의 반투명 유기 태양전지(500)의 제조 방법은 기판(100)을 롤투롤 방식으로 이송시키면서 코팅 용액으로 코팅하여 박막층을 형성하는 단계를 포함한다. 이때 상기 박막층은 전자 수송층(102,202), 광활성층(103,203) 및 정공 수송층(104,204)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있으며, 상기 코팅 용액은 상기한 박막층 형성용 조성물 및 용매를 포함한다. 이하 본 설명에서는 하부 전극(101,201)은 음극이다.The method of manufacturing the semi-transparent organic
우선, 기판(100)을 준비하고 상기 기판(100) 상에 하부 전극(101,201)으로 음극을 형성한다. First, a
준비된 기판(100) 상에 음극은 통상의 방법에 따라 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 음극은 기판(100)의 일면에 음극 형성용 조성물을 열 기상 증착, 전자 빔 증착, RF 또는 마그네트론 스퍼터링, 화학적 증착 또는 이와 유사한 방법을 통해 형성할 수 있다.The cathode may be formed on the
이때 상기 음극의 형성에 앞서 선택적으로 기재에 대하여 O2 플라즈마 처리법, UV/오존 세척, 산 또는 알칼리 용액을 이용한 표면 세척, 질소 플라즈마 처리법 및 코로나 방전 세척으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 상기 기재의 표면을 전처리할 수도 있다.At this time, prior to the formation of the cathode, at least one method selected from the group consisting of O 2 plasma treatment, UV / ozone washing, surface washing using an acid or alkali solution, nitrogen plasma treatment, and corona discharge washing is selectively performed on the substrate. It can also be used to pre-treat the surface of the substrate.
이어서 상기 하부 전극(101,201)이 형성된 기재를 롤투롤 방식으로 이송시키면서 코팅 용액을 코팅하여 박막층을 형성하는 단계를 포함한다. 이때 상기 박막층은 전자 수송층(102,202), 광활성층(103,203) 및 정공 수송층(104,204)이다.Subsequently, the step of forming a thin film layer by coating the coating solution while transferring the substrate on which the
상기 코팅 용액은 각 박막층에 포함되는 물질 및 용매를 포함한다.The coating solution includes a material and a solvent included in each thin film layer.
구체적으로 상기 코팅 용액은 전자 수송층(102,202) 형성용 조성물, 광활성층(103,203) 형성용 조성물 및 정공 수송층(104,204) 형성용 조성물일 수 있다.Specifically, the coating solution may be a composition for forming
다음으로, 하부 전극(101,201) 상에 전자 수송층(102,202) 형성용 조성물을 이용하여 전자 수송층(102,202)을 형성할 수 있다.Next, the
상기 전자 수송층(102,202) 형성용 조성물은 전술한 금속산화물을 용매에 용해시켜 제조하며 이를 도포하여 도막을 형성한다.The composition for forming the
상기 용매는 금속산화물을 용해시키거나 분산시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있으며, 예를 들어, 물, 2-에틸헥산올, 2-부톡시헥산올, n-프로필알코올, 이소프로필알코올, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 디프로필렌글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.The solvent may be used without particular limitation as long as it can dissolve or disperse the metal oxide. For example, water, 2-ethylhexanol, 2-butoxyhexanol, n-propyl alcohol, isopropyl alcohol, One or more selected from the group consisting of ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, propylene glycol and dipropylene glycol may be used.
상기 용매는 상기 전자 수송층(102,202) 형성용 조성물 중 잔부의 양으로 포함될 수 있으며, 구체적으로는 상기 전자 수송층(102,202) 형성용 조성물 총 중량에 대하여 1 내지 95 중량%로 포함될 수 있다. 용매의 함량이 95 중량%를 초과할 경우 원하는 코팅층의 기능을 얻기 어렵고, 용매의 함량이 1 중량% 미만일 경우 균일한 두께의 박막 형성이 어렵다.The solvent may be included in the amount of the remainder of the composition for forming the electron transport layer (102,202), specifically, may be included in 1 to 95% by weight relative to the total weight of the composition for forming the electron transport layer (102,202). When the content of the solvent exceeds 95% by weight, it is difficult to obtain the function of the desired coating layer, and when the content of the solvent is less than 1% by weight, it is difficult to form a thin film of uniform thickness.
상기 도포는 슬롯다이 코팅, 스핀 코팅, 그라비어 코팅, 바(bar) 코팅, 메이어 바(Meyer bar) 코팅, 스프레잉, 딥 코팅, 콤마 코팅, 커튼 코팅, 닥터 블레이딩 등의 통상의 코팅 방법에 의해 실시될 수 있으며, 구체적으로는 슬롯다이 코팅 또는 스핀 코팅이 수행될 수 있다.The coating may be performed by conventional coating methods such as slot die coating, spin coating, gravure coating, bar coating, Mayer bar coating, spraying, dip coating, comma coating, curtain coating, and doctor blading. It may be implemented, specifically, slot die coating or spin coating may be performed.
상기 전자 수송층(102,202) 형성용 조성물로 도막을 형성한 이후, 코팅된 기판(10)에 대해 건조 또는 열처리하는 후처리 공정이 선택적으로 실시될 수 있다. 상기 건조는 50 내지 400℃, 구체적으로는 70 내지 200℃에서 1 내지 30분 동안 열풍건조, NIR 건조, 또는 UV 건조를 통하여 실시될 수 있다.After forming the coating film with the composition for forming the
다음으로, 전자 수송층(102,202) 상에 광활성층(103,203) 형성용 조성물을 이용하여 광활성층(103,203)을 형성할 수 있다.Next, the
상기 광활성층(103,203) 형성용 조성물은 전술한 정공수용체와 전자수용체를 용매에 용해시켜 제조하며 이를 도포하여 도막을 형성한다.The composition for forming the
상기 용매는 전자수용체와 정공수용체를 용해시키거나 분산시킬 수 있는 것이 라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 일례로, 상기 용매는 물; 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로필알코올, 부탄올 등의 알코올; 또는 아세톤, 펜탄, 톨루엔, 벤젠, 디에틸에테르, 메틸부틸에테르, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 사이클로헥산, 사이클로펜타논, 사이클로헥사논, 디옥산, 터피네올, 메틸에텔케톤 등의 유기 용매, 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 상기 전자 수송층(102,202) 형성용 조성물 제조시 대상 물질의 종류에 따라 상기한 용매 중에서 적절히 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.The solvent can be used without particular limitation as long as it can dissolve or disperse the electron acceptor and hole acceptor. In one example, the solvent is water; Alcohols such as ethanol, methanol, propanol, isopropyl alcohol, and butanol; Or acetone, pentane, toluene, benzene, diethyl ether, methyl butyl ether, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, carbon tetrachloride, dichloromethane, dichloroethane, Organic solvents such as trichloroethylene, chloroform, chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, cyclohexane, cyclopentanone, cyclohexanone, dioxane, terpineol, methyl ether ketone, or a mixture thereof. When preparing the composition for forming the
상기 도포는 슬롯다이 코팅, 스핀 코팅, 그라비어 코팅, 바(bar) 코팅, 메이어 바(Meyer bar) 코팅, 스프레잉, 딥 코팅, 콤마 코팅, 커튼 코팅, 닥터 블레이딩 등의 통상의 코팅 방법에 의해 실시될 수 있으며, 구체적으로는 슬롯다이 코팅 또는 스핀 코팅이 수행될 수 있다.The coating may be performed by conventional coating methods such as slot die coating, spin coating, gravure coating, bar coating, Mayer bar coating, spraying, dip coating, comma coating, curtain coating, and doctor blading. It may be implemented, specifically, slot die coating or spin coating may be performed.
상기 광활성층(103,203) 형성용 조성물로 도막을 형성한 이후, 코팅된 기판(100)에 대해 건조 또는 열처리하는 후처리 공정이 선택적으로 실시될 수 있다. 상기 건조는 50 내지 400℃, 구체적으로는 70 내지 200℃에서 1 내지 30분 동안 열풍건조, NIR 건조, 또는 UV 건조를 통하여 실시될 수 있다.After forming the coating film with the composition for forming the
일례로, 광활성층(103,203)의 경우 코팅 공정 후 25 내지 150℃에서 5 내지 145분 동안 건조 및 열처리하는 후처리 공정을 실시할 수 있다. 상기 건조 공정과 열처리 공정의 적절한 조절에 의하여 상기 전자수용체와 상기 정공수용체 사이에 적절한 상분리를 유도할 수 있고, 상기 전자수용체의 배향을 유도할 수 있다. For example, in the case of the
상기 열처리 공정의 경우, 온도가 25℃ 미만인 경우 상기 전자수용체 및 상기 정공수용체의 이동도가 낮아서 열처리 효과가 미미할 수 있고, 상기 열처리 온도가 150℃를 초과하는 경우 상기 전자수용체의 열화로 인하여 성능이 저하될 수 있다. 또한, 상기 열처리 시간이 5분 미만인 경우 상기 전자수용체 및 상기 정공수용체의 이동도가 낮아서 열처리 효과가 미미할 수 있고, 상기 열처리 시간이 145분을 초과하는 경우 상기 전자수용체의 열화로 인하여 성능이 저하될 수 있다.In the case of the heat treatment process, when the temperature is less than 25 ° C., the mobility of the electron acceptor and the hole receptor is low, so the heat treatment effect may be insignificant, and when the heat treatment temperature exceeds 150 ° C., performance is deteriorated due to deterioration of the electron acceptor. It may degrade. In addition, when the heat treatment time is less than 5 minutes, the mobility of the electron acceptor and the hole receptor is low, so the heat treatment effect may be insignificant, and when the heat treatment time exceeds 145 minutes, performance may be deteriorated due to deterioration of the electron acceptor. Can be.
다음으로, 상기 광활성층(103,203) 상에 정공 수송층(104,204) 형성용 조성물을 이용하여 정공 수송층(104,204)을 형성한다.Next, a hole transport layer 104,204 is formed on the photoactive layer 103,203 using a composition for forming a hole transport layer 104,204.
상기 정공 수송층(104,204) 형성용 조성물은 전술한 정공 수송 물질 및 용매를 포함하는 페이스트이며, 이를 인쇄 방법을 이용하여 기판(100) 상에 패턴화시킨다. The composition for forming the
상기 정공 수송층(104,204) 형성용 조성물에 포함되는 용매는 정공 수송 물질을 균일하게 혼합하고 점도를 조절하기 위해 사용되며 해당 기술분야에서 페이스트 형성시 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있다.The solvent contained in the composition for forming the hole transport layer 104,204 is used to uniformly mix the hole transport material and to adjust the viscosity, and may be used without particular limitation as long as it is commonly used in forming a paste in the related art.
바람직하기로, 상기 용매로는 물; 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 이소부탄올 등의 알코올 용매; 디에틸에테르, 디프로필에테르, 디부틸에테르, 부틸에틸에테르, 테트라하이드로퓨란 등의 에테르 용매; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르 등의 알콜 에테르 용매; 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤 용매; N-메틸-2-피릴리디논, 2-피릴리디논, N-메틸포름아미드, N,N-디메틸포름아미드 등의 아미드 용매; 디메틸술폭사이드, 디에틸술폭사이드등의 술폭사이드 용매; 디에틸술폰, 테트라메틸렌 술폰등의 술폰 용매; 아세토니트릴, 벤조니트릴등의 니트릴 용매; 알킬아민, 사이클릭아민, 아로마틱아민 등의 아민 용매; 메틸부티레이트, 에틸부티레이트, 프로필프로피오네이트 등의 에스테르 용매; 에틸 아세테이트, 부틸아세테이트 등의 카르복실산 에스테르 용매; 벤젠, 에틸벤젠, 클로로벤젠, 톨루엔, 자일렌 등의 방향족 탄화수소 용매; 헥산, 헵탄, 시클로헥산 등의 지방족 탄화수소 용매; 클로로포름, 테트라클로로에틸렌, 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄과 같은 할로겐화된 탄화수소 용매; 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸카보네이트, 디부틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 디부틸카보네이트, 니트로메탄, 니트로벤젠 등의 유기 용매;로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 그 이상의 혼합 용매가 사용될 수 있다. Preferably, the solvent includes water; Alcohol solvents such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, and isobutanol; Ether solvents such as diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, butyl ethyl ether and tetrahydrofuran; Alcohol ether solvents such as ethylene glycol, propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, and ethylene glycol monobutyl ether; Ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and cyclohexanone; Amide solvents such as N-methyl-2-pyrrolidinone, 2-pyrrolidinone, N-methylformamide, and N, N-dimethylformamide; Sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide; Sulfone solvents such as diethyl sulfone and tetramethylene sulfone; Nitrile solvents such as acetonitrile and benzonitrile; Amine solvents such as alkylamines, cyclicamines, and aromaticamines; Ester solvents such as methyl butyrate, ethyl butyrate, and propyl propionate; Carboxylic acid ester solvents such as ethyl acetate and butyl acetate; Aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, ethylbenzene, chlorobenzene, toluene and xylene; Aliphatic hydrocarbon solvents such as hexane, heptane and cyclohexane; Halogenated hydrocarbon solvents such as chloroform, tetrachloroethylene, carbon tetrachloride, dichloromethane and dichloroethane; Organic solvents such as propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, dibutyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dibutyl carbonate, nitromethane, and nitrobenzene; one or more mixed solvents selected from the group consisting of may be used.
상기 정공 수송층(104,204) 형성용 조성물은 인쇄 공정에 적합하도록 최적화되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 정공 수송층(104,204) 형성용 조성물은 점도가 300 내지 10,000 cps 범위일 수 있다. 상기 정공 수송층(104,204) 형성용 조성물의 점도가 상기 범위 미만인 경우 패턴의 퍼짐 현상이 야기될 수 있으며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 정공 수송 물질의 균일한 분산이 어렵고 인쇄성이 저하될 우려가 있다.It is preferable that the composition for forming the
본 발명에서 인쇄 방법은 통상적으로 사용되는 다양한 인쇄 공정이 적용될 수 있다. 예를 들어 상기 인쇄는 잉크젯 인쇄, 에어로졸젯 인쇄, EHD젯 인쇄, 그라비아 인쇄, 그라비아옵셋 인쇄, 임프린팅, 플렉소 인쇄 또는 스크린 인쇄 중 어느 하나의 방법이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 스크린 인쇄이다. The printing method in the present invention can be applied to various printing processes that are commonly used. For example, the printing may be any one of inkjet printing, aerosol jet printing, EHD jet printing, gravure printing, gravure offset printing, imprinting, flexo printing, or screen printing, preferably screen printing.
상기 인쇄 공정을 수행한 후, 당분야에서 통상적으로 사용되는 건조 및 소성 방법에 따라 소성될 수 있으며, 바람직하게는 질소, 산소 또는 아르곤 열풍 단독, MIR(Middle Infra Red) 램프, 또는 열풍과 MIR 램프를 동시에 사용하여 건조 및 소성될 수 있다.After performing the printing process, it may be fired according to the drying and firing methods commonly used in the art, preferably nitrogen, oxygen or argon hot air alone, MIR (Middle Infra Red) lamp, or hot air and MIR lamp Can be dried and fired simultaneously.
다음으로, 상기 정공 수송층(104,204) 상에 전술한 바의 표면 처리제를 이용한 표면 처리를 수행한다. 본 표면 처리는 반드시 필요한 공정은 아니며, 선택적으로 수행이 가능하다.Next, surface treatment using the surface treatment agent as described above is performed on the
표면 처리는 정공 수송층(104,204) 전면에 걸쳐 처리하며, 표면 처리제의 도포 이후 상기 제시한 건조 방법을 통해 건조를 수행한다.The surface treatment is performed over the entire
다음으로, 상기 정공 수송층(104)의 상부 일측과 함께 박막층들의 일측을 포함하고, 이웃한 단위 셀의 하부 전극의 일부를 포함하도록 보조 전극(301,302)을 형성한다. Next,
상기 보조 전극(301,302)은 도포가 아닌 스크린 프린팅, 그라비어 프린팅, 그라비어 오프셋(Gravure-offset) 프린팅, 열 기상 증착, 전자 빔 증착, RF 또는 마그네트론 스퍼터링, 화학적 증착 등의 방법을 통하여 형성될 수 있다.The
상기한 단계를 거쳐 본 발명에 따른 반투명 유기 태양전지(500)를 제작한다. The semi-transparent organic
이때 기판(100) 상에 각층의 적층은 롤투롤 방식으로 진행될 수 있다.At this time, the lamination of each layer on the
구체적으로, 기판(100)을 롤투롤 방식으로 이송시키는 속도는 0.01 m/min 내지 20 m/min일 수 있고, 바람직하게 0.1 m/min 내지 5 m/min 일 수 있다. 상기 이송 속도는 롤투롤 장비를 이용한 개별층의 코팅 및 건조 속도에 따라 최적화하여 사용할 수 있다.Specifically, the speed of transferring the
이러한 롤투롤 장비를 이용한 공정은 반투명 유기 태양전지의 대량 생산이 용이하고, 연속 공정이 가능하다는 이점과 함께 대면적의 기판에도 용이하게 적용이 가능함께 따라 그 크기에 상관없이 소형에서부터 대형의 반투명 유기 태양전지를 제작할 수 있다.The process using the roll-to-roll equipment facilitates mass production of semi-transparent organic solar cells, and it can be easily applied to large-area substrates with the advantage of being capable of continuous processing. Solar cells can be produced.
또한, 상기 단계를 거쳐 제조된 반투명 유기태양전지는 상부 전극을 배제함에 따라 광투과도가 증가하여 전체적으로 40% 이상의 광투과도를 가져 반투명 상태의 유기 태양전지를 구현할 수 있다.In addition, the semi-transparent organic solar cell manufactured through the above steps can increase the light transmittance by excluding the upper electrode to have a light transmittance of 40% or more as a whole, thereby realizing an organic solar cell in a semi-transparent state.
더불어, 기존의 반투명 유기 태양전지와 동등한 수준의 효율을 가지고 전체적인 전지 두께의 감소, 즉 박막화를 달성할 수 있다.In addition, it is possible to achieve a reduction in overall cell thickness, that is, thinning, with an efficiency equivalent to that of a conventional translucent organic solar cell.
이러한 반투명 유기 태양전지는 건물 외장재, 예를 들어 외벽, 지붕, 창문뿐만 아니라 의류, 포장지, 벽지, 자동차 유리 등 다양한 분야에 적용 가능하다.Such a translucent organic solar cell can be applied to various fields such as building exterior materials, such as exterior walls, roofs, and windows, as well as clothing, wrapping paper, wallpaper, automobile glass, and the like.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
실시예Example 및 And 비교예Comparative example : 유기 태양전지의 제조: Manufacturing of organic solar cells
[실시예 1][Example 1]
ITO층이 형성된 기판 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서 상기 ITO층 위에 ZnO 함유 코팅액(Zn(OAC)22H2O 247mg, KOH 126mg 및 1-부탄올(1-Butanol) 1ml를 혼합하여 제조함)을 스트라이프 형태로 슬롯다이 코팅한 후 120℃에서 건조하여 ZnO의 금속산화물 박막층을 형성하였다. 상기 슬롯다이 코팅시 라인 속도(line speed)는 12mm/sec, 슬롯다이 높이는 1300㎛, 코팅액 유량(flow rate)은 0.4ml/min으로 하였다. While transferring the substrate film on which the ITO layer was formed in a roll-to-roll manner, a coating solution containing ZnO (prepared by mixing 1 ml of Zn (OAC) 2 2H 2 O 247 mg, KOH 126 mg and 1-butanol) on the ITO layer) After slot die coating in stripe form, it was dried at 120 ° C to form a thin layer of ZnO metal oxide. When the slot die was coated, the line speed was 12 mm / sec, the slot die height was 1300 μm, and the coating liquid flow rate was set to 0.4 ml / min.
이어서 상기 ZnO 금속산화물 박막층 위에 광활성층 형성용 코팅용액(lisicon® SP001(머크사제) 15mg, lisicon® A-600(머크사제) 12mg 및 1,2-디클로로벤젠(Dichlorobenzene) 1ml를 혼합하여 제조함)을 슬롯 다이 코팅하고 120℃에서 건조하여 광활성층을 제조하였다. 상기 슬롯 다이 코팅시 라인 속도는 12mm/sec, 슬롯다이 높이는 1500㎛, 코팅액 유량은 1.2ml/min로 하였다.Subsequently, a coating solution for forming a photoactive layer on the ZnO metal oxide thin film layer (prepared by mixing 15 mg of lisicon ® SP001 (manufactured by Merck), 12 mg of lisicon ® A-600 (manufactured by Merck) and 1 ml of 1,2-dichlorobenzene) The slot die coating and drying at 120 ℃ to prepare a photoactive layer. When the slot die was coated, the line speed was 12 mm / sec, the slot die height was 1500 µm, and the coating liquid flow rate was 1.2 ml / min.
상기 광활성층 위에 PEDOT:PSS(Orgacon® EL-P 5010, agfa사제)와 직경이 약 30 ㎚이고 종횡비가 1000:1인 은 나노와이어를 9:1의 중량비로 포함하는 정공 수송층 형성용 조성물을 슬롯 다이 코팅시 라인 속도는 5mm/sec, 슬롯다이 높이는 800㎛, 코팅액 유량은 3.0ml/min으로 슬롯 다이 코팅하고, 120℃에서 건조하였다(두께 700 nm).The optically active layer on a PEDOT: PSS (Orgacon ® EL- P 5010, agfa , Inc.) and about 30 ㎚ diameter and an aspect ratio of 1000: 1 is a nanowire 9: For the hole transport layer-forming composition containing a weight ratio of 1 slot When die coating, the line speed was 5 mm / sec, the slot die height was 800 µm, and the coating liquid flow rate was 3.0 ml / min, slot die coated, and dried at 120 ° C. (thickness 700 nm).
이어서, 각 단위 셀 사이의 영역에 Ag 보조 전극을 증착하여 반투명 유기 태양전지를 제조하였다.Subsequently, a semi-transparent organic solar cell was manufactured by depositing an Ag auxiliary electrode in a region between each unit cell.
[실시예 2][Example 2]
보조 전극으로 ITO층을 형성한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 반투명 유기 태양전지를 제조하였다.A semi-transparent organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that an ITO layer was formed as an auxiliary electrode.
[비교예 1][Comparative Example 1]
ITO층이 형성된 기판 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서 상기 ITO층 위에 ZnO 함유 코팅액(Zn(OAC)22H2O 247mg, KOH 126mg 및 1-부탄올(1-Butanol) 1ml를 혼합하여 제조함)을 스트라이프 형태로 슬롯다이 코팅한 후 120℃에서 건조하여 ZnO의 금속산화물 박막층을 형성하였다. 상기 슬롯다이 코팅시 라인 속도(line speed)는 12mm/sec, 슬롯다이 높이는 1300㎛, 코팅액 유량(flow rate)은 0.4ml/min으로 하였다. While transferring the substrate film on which the ITO layer was formed in a roll-to-roll manner, a coating solution containing ZnO (prepared by mixing 1 ml of Zn (OAC) 2 2H 2 O 247 mg, KOH 126 mg and 1-butanol) on the ITO layer) After slot die coating in stripe form, it was dried at 120 ° C to form a thin layer of ZnO metal oxide. When the slot die was coated, the line speed was 12 mm / sec, the slot die height was 1300 μm, and the coating liquid flow rate was set to 0.4 ml / min.
이어서 상기 ZnO 금속산화물 박막층 위에 광활성층 형성용 코팅용액(lisicon® SP001(머크사제) 15mg, lisicon® A-600(머크사제) 12mg 및 1,2-디클로로벤젠(Dichlorobenzene) 1ml를 혼합하여 제조함)을 슬롯 다이 코팅하고 120℃에서 건조하여 광활성층을 제조하였다. 상기 슬롯 다이 코팅시 라인 속도는 12mm/sec, 슬롯다이 높이는 1500㎛, 코팅액 유량은 1.2ml/min로 하였다. Subsequently, a coating solution for forming a photoactive layer on the ZnO metal oxide thin film layer (prepared by mixing 15 mg of lisicon ® SP001 (manufactured by Merck), 12 mg of lisicon ® A-600 (manufactured by Merck) and 1 ml of 1,2-dichlorobenzene) The slot die coating and drying at 120 ℃ to prepare a photoactive layer. When the slot die was coated, the line speed was 12 mm / sec, the slot die height was 1500 µm, and the coating liquid flow rate was 1.2 ml / min.
상기 광활성층 위에 PEDOT:PSS(Orgacon® EL-P 5010, agfa사제)를 포함하는 정공 수송층 형성용 조성물을 슬롯 다이 코팅하고, 120℃에서 건조하여 정공 수송층(두께 700 nm)을 형성하였다. 상기 슬롯 다이 코팅시 라인 속도는 5mm/sec, 슬롯다이 높이는 800㎛, 코팅액 유량은 3.0ml/min로 하였다.The optically active layer on a PEDOT: the PSS (Orgacon ® EL P-5010, agfa, Inc.) for the hole transport layer-forming composition and slot-die coating, and dried at 120 ℃ hole transport layer (thickness: 700 nm) containing the form. When the slot die was coated, the line speed was 5 mm / sec, the slot die height was 800 μm, and the coating liquid flow rate was 3.0 ml / min.
이후, 스크린 프린터를 이용하여 상기 정공 수송층 위에 Ag 전극(두께 10 μm)을 프린팅하여 유기 태양전지를 제작하였다.Subsequently, an organic solar cell was manufactured by printing an Ag electrode (thickness of 10 μm) on the hole transport layer using a screen printer.
실험예Experimental Example 1: 유기 태양전지의 성능 평가 1: Performance evaluation of organic solar cells
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 유기 태양전지의 전류-전압 특성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The current-voltage characteristics of the organic solar cell manufactured in the above Examples and Comparative Examples were measured, and the results are shown in Table 1 below.
유기 태양 전지를 태양모사장치(solar simulator, Newport사 66984) 를 이용하여 전류-전압 특성을 측정하였다. 상기 태양 모사장치는 300W 제논램프(Newport사 6258)와 AM1.5G 필터(Newport사 81088A)를 사용하였고, 빛의 세기는 100mW/cm2 로 설정하였다. The current-voltage characteristics of the organic solar cell were measured using a solar simulator (66984, Newport). The solar imitation device used a 300W xenon lamp (Newport 6258) and an AM1.5G filter (Newport 81088A), and the light intensity was set to 100 mW / cm 2 .
또한, 직렬저항은 2-탐침(2-probe) 측정 방법을 이용하여 측정하였고, 광투과도는 일본 공업 규격(JIS R 3106)에 따라 380 내지 780nm 파장의 가시광 투과율을 구하였다.In addition, the series resistance was measured using a two-probe measurement method, and the optical transmittance was obtained for visible light transmittance at a wavelength of 380 to 780 nm according to Japanese Industrial Standard (JIS R 3106).
2) Isc: short-circuit current, 단락전류
3) FF: fill factor, 필팩터
4) Eff: power conversion efficiency y, 광전환효율
5) SR: series reisistance, 직렬저항
6) AT: Anode Transmittance, 광투과도1) Voc: open-circuit voltage, open voltage
2) Isc: short-circuit current, short-circuit current
3) FF: fill factor, fill factor
4) Eff: power conversion efficiency y, light conversion efficiency
5) SR: series reisistance, series resistance
6) AT: Anode Transmittance, Light Transmittance
상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 보조 전극이 사용된 실시예 1 및 2의 유기 태양전지의 경우 광투과도가 100%로서 비교예 1 대비 반투명 유기 태양전지로서 사용 가능함을 알 수 있다. Referring to Table 1, it can be seen that in the case of the organic solar cells of Examples 1 and 2 in which the auxiliary electrode was used according to the present invention, the light transmittance was 100%, and thus it could be used as a semi-transparent organic solar cell compared to Comparative Example 1.
또한, 전압, 전류 특성에 있어서도, 실시예 1 및 2의 유기 태양전지는 상부 전극을 사용하지 않고도 비교예 1의 전지 대비 동등 이상의 결과를 보였다. In addition, in terms of voltage and current characteristics, the organic solar cells of Examples 1 and 2 showed results equal to or higher than those of Comparative Example 1 without using an upper electrode.
또한, 실시예 1 및 2의 유기 태양전지를 비교하여 보면, 상부 전극의 배제로 인해 높은 광투과도를 갖더라도 보조 전극으로 금속 재질인 Ag를 사용할 경우(실시예 1) ITO를 사용한 경우 보다(실시예 2) 직렬저항(SR) 면에서 유리하고, 이는 곧 필팩터 및 광전환 효율 면에서 좀더 유리함을 확인하였다.In addition, when comparing the organic solar cells of Examples 1 and 2, when using a metal material Ag as an auxiliary electrode even though it has a high light transmittance due to the exclusion of the upper electrode (Example 1) than when using ITO (implementation) Example 2) It was confirmed that it is advantageous in terms of series resistance (SR), which is more advantageous in terms of fill factor and light conversion efficiency.
본 발명에 따른 반투명 유기 태양전지는 우수한 광투과도, 수명 및 성능을 나타내며 제조 공정을 단순화하여 반투명 유기 태양전지의 대량 생산이 가능하며 건물 외장재, 예를 들어 외벽, 지붕, 창문 뿐만 아니라 패션 아웃도어 용품, 포장지, 벽지, 자동차 유리 등 다양한 분야에 적용 가능하다.The translucent organic solar cell according to the present invention exhibits excellent light transmittance, life and performance, and simplifies the manufacturing process to enable mass production of a translucent organic solar cell and is a building exterior material, such as exterior walls, roofs, windows, as well as fashion outdoor products. , It can be applied to various fields such as wrapping paper, wallpaper, automobile glass, etc.
10,100: 기판
11,21,101,201: 하부 전극
12,22,102,202: 전자 수송층
13,23,103,203: 광활성층
14,24,104,204: 정공 수송층
15,25: 상부 전극
301,302: 보조 전극
50,500: 반투명 유기 태양전지10,100: substrate
11,21,101,201: lower electrode
12,22,102,202: electron transport layer
13,23,103,203: photoactive layer
14,24,104,204: hole transport layer
15,25: upper electrode
301,302: auxiliary electrode
50,500: Translucent organic solar cell
Claims (8)
상기 단위 셀은 하부 전극, 전자 수송층, 광활성층, 및 상부 전극과 정공 수송층의 역할을 동시에 할 수 있도록 정공 수송 물질과 전도성 나노와이어를 포함하는 정공 수송층이 순차적으로 적층되며, 상부 전극을 배제한 구조를 가지고,
상기 단위 셀 간 전기적 연결을 위해 단위 셀 사이 영역에 전기 전도성 산화물, 전기 전도성 질화물 또는 금속으로 형성된 독립적인 별도의 보조 전극을 구비하며,
상기 보조 전극은 인접하는 정공 수송층과 인접하는 하부 전극을 전기적으로 연결시키는 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지 모듈. Board; And in the translucent organic solar cell module having a plurality of unit cells formed on the substrate,
In the unit cell, a hole transport layer including a hole transport material and a conductive nanowire is sequentially stacked so that the lower electrode, the electron transport layer, the photoactive layer, and the upper electrode and the hole transport layer simultaneously function, and the structure excluding the upper electrode is formed. have,
For the electrical connection between the unit cells, an independent auxiliary electrode formed of an electrically conductive oxide, an electrically conductive nitride, or a metal is provided in a region between the unit cells,
The auxiliary electrode is a semi-transparent organic solar cell module, characterized in that electrically connecting the adjacent hole transport layer and the adjacent lower electrode.
상기 정공 수송층은 정공 수송 물질을 포함하는 매트릭스 내에 전도성 나노와이어가 3차원 네트워크 구조를 형성한 반투명 유기 태양전지 모듈. According to claim 1,
The hole transport layer is a translucent organic solar cell module in which a conductive nanowire forms a three-dimensional network structure in a matrix containing a hole transport material.
상기 정공 수송 물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(PSS), 폴리아닐린, 프탈로시아닌, 펜타센, 폴리디페닐 아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, 구리 프탈로시아닌(Cu-PC) 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(T-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴) 디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌, 및 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌를 포함하는 고분자; NPB(4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐); TPD(N,N′-비스(3-메틸페닐)-N,N′-디페닐벤지딘), MTDATA(4,4',4"-트리스[(3-메틸페닐)페닐아미노]트라이페닐아민), TAPC(4,4′-사이클로헥실리덴 비스[N,N-비스(4-메틸페닐)벤젠아밀]), TCTA(트리스(4-카바조일-9-일페닐)아민), CBP(4,4′-비스(N-카바졸릴)-1,1′-바이페닐), Alq3, mCP(9,9'-(1,3-페닐렌)비스-9H-카바졸) 및 2-TNATA(4,4',4"-트리스(N-(2-나프틸)-N-페닐아미노)트리페닐아민)을 포함하는 유기 화합물; MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN(헥사아자트리페닐렌 헥사카르보니트릴) 및 F4-TCNQ(7,7,8,8-테트라시아노-2,3,5,6-테트라플루오로퀴노디메탄)를 포함하는 무기물;로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 반투명 유기 태양전지 모듈.According to claim 1,
The hole transport material is poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), poly (styrenesulfonate) (PSS), polyaniline, phthalocyanine, pentacene, polydiphenyl acetylene, poly (t-butyl) diphenyl Acetylene, poly (trifluoromethyl) diphenylacetylene, copper phthalocyanine (Cu-PC) poly (bistrifluoromethyl) acetylene, polybis (T-butyldiphenyl) acetylene, poly (trimethylsilyl) diphenylacetylene, Poly (carbazole) diphenylacetylene, polydiacetylene, polyphenylacetylene, polypyridineacetylene, polymethoxyphenylacetylene, polymethylphenylacetylene, poly (t-butyl) phenylacetylene, polynitrophenylacetylene, poly (trifluoro Polymers comprising methyl) phenylacetylene and poly (trimethylsilyl) phenylacetylene; NPB (4,4'-bis [N- (1-naphthyl) -N-phenylamino] biphenyl); TPD (N, N'-bis (3-methylphenyl) -N, N'-diphenylbenzidine), MTDATA (4,4 ', 4 "-tris [(3-methylphenyl) phenylamino] triphenylamine), TAPC (4,4′-cyclohexylidene bis [N, N-bis (4-methylphenyl) benzeneamyl]), TCTA (tris (4-carbazoyl-9-ylphenyl) amine), CBP (4,4 ′ -Bis (N-carbazolyl) -1,1'-biphenyl), Alq3, mCP (9,9 '-(1,3-phenylene) bis-9H-carbazole) and 2-TNATA (4,4 An organic compound comprising ', 4 "-tris (N- (2-naphthyl) -N-phenylamino) triphenylamine); MoO 3 , MoO 2 , WO 3 , V 2 O 5 , ReO 3 , NiO, Mo (tfd) 3 , HAT-CN (hexaazatriphenylene hexacarbonitrile) and F4-TCNQ (7,7,8,8 -Tetracyano-2,3,5,6-tetrafluoroquinodimethane); a translucent organic solar cell module comprising at least one member selected from the group consisting of;
상기 전도성 나노와이어는 금속계 나노와이어 및 탄소계 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 반투명 유기 태양전지 모듈.According to claim 1,
The conductive nanowire is a translucent organic solar cell module comprising at least one member selected from the group consisting of metal-based nanowires and carbon-based nanowires.
상기 금속계 나노와이어는 Au, Ag, Pt, Cu, Ni, Fe, Pd, Rh, Ir, Co, Sn, Zn 및 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 반투명 유기 태양전지 모듈.The method of claim 5,
The metal nanowire is a semi-transparent organic solar cell module comprising at least one selected from the group consisting of Au, Ag, Pt, Cu, Ni, Fe, Pd, Rh, Ir, Co, Sn, Zn and Mo.
상기 탄소계 나노와이어는 탄소나노튜브, 탄소 나노섬유 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 반투명 유기 태양전지 모듈.The method of claim 5,
The carbon-based nanowire is a translucent organic solar cell module comprising at least one member selected from the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanofibers, and graphene.
상기 반투명 유기 태양전지 모듈은 광투과도가 40% 이상인 반투명 유기 태양전지 모듈. According to claim 1,
The translucent organic solar cell module is a translucent organic solar cell module having a light transmittance of 40% or more.
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Free format text: TRIAL NUMBER: 2019101000869; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20190314 Effective date: 20200416 |
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GRNO | Decision to grant (after opposition) |