KR102146605B1 - 3성분계 기반 광활성층을 포함하는 유기태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3성분계 기반 광활성층을 포함하는 유기태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 도너 성분과 억셉터 성분의 상호보완적 광흡수가 가능하고, 광활성층의 결정성 조절 및 분자 배열(molecular ordering)에 의해 전하 생성 및 추출 효율이 향상된 유기태양전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 유기태양전지에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 도너 성분과 억셉터 성분의 상호보완적 광흡수가 가능하고, 광활성층의 결정성 조절 및 분자 배열(molecular ordering)에 의해 전하 생성 및 추출 효율이 향상된 3성분계 기반 광활성층을 포함하는 유기태양전지 및 이의 제조 방법 에 관한 것이다.
최근 산업화에 따른 전 세계적 에너지 소비의 증가 및 자동차 등의 교통수단의 급격한 증가에 의하여 석유, 석탄 등과 같은 화석 에너지 자원의 고갈이 심화되고 있으며, 화석 에너지 사용으로 인한 온실 가스 등의 환경 오염 문제가 대두되고 있다. 이에 따라, 기존의 화석 에너지원을 대체할 수 있는 청정 에너지 개발에 대한 관심이 증가하고 있으며, 더 나아가 저렴한 비용으로 청정 에너지를 생산할 수 있는 기술에 대한 연구가 증가하고있다. 현재, 전 세계적 전기 소비량은 약 13 Terawatt (TW)로서 2050년까지는 30 TW 이상까지 증가할 것으로 예상되고 있다.
이러한 대체 에너지의 대표적인 예로서 태양 전지(Solar Cell)가 각광받고 있는 바, 태양 전지는 태양 광 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 디바이스의 일종이다. 전 세계 태양전지 시장은 연평균 약 35 내지 40%의 가파른 상승세를 보이고 있는 바, 현재 태양전지 시장의 주종은 결정질 실리콘 기판을 이용한 태양전지이다. 이의 작동원리를 간단히 설명하면, 외부로부터 광이 태양 전지에 입사됨에 따라 p-형 반도체의 가전자대(Valence Band) 전자가 입사된 광 에너지에 의하여 전도대(Conduction Band)로 여기되는데, 이와 같이 여기된 전자는 p-형 반도체 내부에 한 쌍(pair)의 전자-정공을 생성하게 된다.
이러한 전자-정공 쌍 중 전자는 p-n 접합 사이에 존재하는 전기장에 의하여 n-형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다. 이때, p-형 반도체 및 n-형 반도체를 서로 결합시켜 접합을 만들면 n-형 반도체에 존재하는 과잉의 전자는 p-형 반도체로 확산하는 한편, p-형 반도체에 존재하는 과잉의 정공은 n-형 반도체로 확산하게 되며, 확산된 전자-정공의 빈자리는 양이온 및 음이온을 각각 띄게 된다. 이때, 접합 부근에서 배터리와 유사하게 양이온에서 음이온으로 전압이 발생하게 된다. 그러나, 상술한 결정질 실리콘계 태양전지의 경우, 기판 소재 비용이 전체 가격 대비 차지하는 비중이 높고 잉곳-웨이퍼-전지-모듈 등의 단속적이고 복잡한 공정을 거쳐야 하기 때문에 경제성 확보에 있어서 한계가 있다.
이에 대한 대안 중 하나로서 유기태양전지에 대한 연구 역시 활발히 진행 중에 있다. 유기태양전지는 유기물이면서도 전기를 잘 통하는 전도성 고분자 또는 반도체 소자를 구현할 수 있는 유기 반도체 재료들을 사용하기 때문에 건물의 창이나 벽, 발코니 등에 설치하여 수려한 외관을 창출하며 동시에 전기를 생산해내는 소위 BIPV 용도에서도 사용 가능할 것으로 예상된다. 특히, 유기 태양전지는 수백 ㎚ 이내의 두께의 박막으로 만들 수 있으며 유연한 구조로의 적용이 가능하다는 장점이 있어 미래 이동식 정보시스템의 에너지원으로서의 가능성을 제시하는 등 다양한 용도로의 응용이 기대된다.
유기 태양 전지의 활성층으로 사용되는 유기 반도체로서 유기 단분자 및 고분자를 들 수 있는 바, 유기 단분자의 경우에는 진공에서 가열하여 도너 층 및 억셉터 층을 연속으로 형성시키는 방법을 사용하고, 유기 고분자의 경우는 도너 및 억셉터 물질이 함께 용해되어 있는 용액을 스핀 코팅, 잉크 젯, 또는 스크린 프린팅 등의 방식을 이용하여 박막을 형성시키고 있다.
유기 태양전지에 광을 조사하면 도너 물질에서 빛을 흡수하여 여기 상태의 에너지 덩어리인 전자-정공 쌍(엑시톤)을 형성하는데, 이러한 엑시톤은 임의의 방향으로 확산하다가 억셉터 물질과의 계면에서 전자 및 정공으로 분리된다. 즉, 전자 친화도가 큰 어셉터 성분은 전자를 급속히 잡아당겨 전하 분리를 유도하며, 도너 성분 층에 남아 있는 정공은 양쪽 전극의 일 함수 차이에 의하여 형성된 내부 전기장과 축적된 전하의 농도 차에 의하여 애노드(anode)로 이동하는 한편, 전자는 어셉터 층의 내부를 따라 캐소드(cathode)로 이동하여 수집된다. 이와 같이 수집된 전하는 최종적으로 외부 회로를 통하여 전류의 형태로 흐르게 된다.
이때, 활성층은 도너 성분 및 어셉터 성분의 2층 구조 또는 복합 블렌드 구조를 갖게 되며, 선택적으로 버퍼 층으로서 양극과 활성층 사이에 정공수송층, 그리고 음극과 활성층 사이에 전자수송 층을 개재하기도 한다. 특히, 블렌드 구조는 벌크-헤테로접합(bulkheterojunction;BHJ) 구조로 일컬어지는데, 도너 물질과 어셉터 물질의 영역 크기를 약 10 nm 이내 수준에서 혼합함으로서 2층(bi-layer) 구조에 비하여 도너와 어셉터 간 계면의 면적이 수백 배 이상 증가하는 효과를 제공할 수 있고, 따라서 전하 분리의 가능성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 미세 광 산란에 의한 광흡수 효율을 증가시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
이와 관련하여, 활성층을 구성하는 도너 물질로서 반도체 고분자의 경우에는 폴리(p-페닐렌 비닐렌)(PPV) 계열의 성분, 폴리티오펜(PT)의 유도체가 연구된 바 있으며, 플리플루오렌(PF)계 성분 및 이들의 공중합체들도 저밴드 갭 도너 성분으로 사용되고 있다. 이러한 도너 성분들은 1차적으로 광흡수 파장 범위가 태양광 스펙트럼에 부합되고 높은 광 흡수도를 나타내야 하며, 그리고 전하의 이동도 등 전기적 물성이 우수하여야 한다.
한편, 어셉터 물질로서 플러렌 또는 이의 유도체(PCBM) 등이 사용되고 있다. 특히, 플러렌 유도체들은 반도체 고분자와 조합하여 BHJ 구조재로 널리 사용되고 있다. 이러한 BHJ 구조를 이용한 유기 태양전지의 효율을 증가시키기 위한 방법 중 하나로서, 종래에 2 층 이상의 활성 층을 적층하는 형태의 탠덤 구조가 개발되었다. 이러한 탠덤 구조의 활성층은 흡수 영역이 서로 달라 상호 보완적인 태양광 흡수가 가능하여 에너지 변환 효율을 개선할 수 있는 것으로 보고되고 있다. 그러나, 탠덤 구조를 제작하기 위하여 2 이상의 활성층을 연속으로 적층할 경우에는 하부의 활성층을 손상시킬 위험성이 있을 뿐만 아니라, 이를 완화하기 위한 제작 공정 역시 복잡할 수밖에 없기 때문에 상용화하기에는 여전히 문제점을 갖고 있다.
전술한 탠덤 방식과 달리, 최근 연구에서는 도너 성분 및 억셉터 성분으로 이루어지는 기본 2성분계 혼합물에 추가적으로 도너 성분 또는 억셉터 성분을 혼입하여 제조한 3성분계 혼합물을 광활성층으로 사용함으로써 태양 전지의 성능을 개선하고자 하였으나, 도너 및/또는 억셉터 성분이 서로 응집되어 도너-억셉터 간 계면의 면적을 감소시켜 태양전지의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 도너 성분과 억셉터 성분의 상호보완적 광흡수가 가능하고, 광활성층의 결정성 조절 및 분자 배열(molecular ordering)에 의해 전하 생성 및 추출 효율이 향상된 3성분계 기반 광활성층을 포함하는 유기태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 결정성의 제1억셉터 성분, 상기 제1억셉터 성분과 혼합 시 비정질의 2성분계 혼합물을 형성시키는 비결정성의 도너 성분 및 상기 비정질의 2성분계 혼합물과 혼합 시 상기 제1억셉터 성분보다 낮은 결정성을 갖는 3성분계 혼합물을 형성시키는 비결정성의 제2억셉터 성분을 포함하는 광활성층을 포함하는 유기 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 도너 성분은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
<화학식 1>
상기 화학식 1에서 R1은 
, 
및 
중에서 선택된 어느 하나, R2는 
이고, R1`은 탄소수 4~20의 직쇄 또는 측쇄 알킬기, R2`은 탄소수 4~20의 직쇄 또는 측쇄 알킬기, R2``은 탄소수 4~20의 직쇄 또는 측쇄 알킬기이다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 화학식 1에서 R1은 
이고, R2는 
일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1억셉터 성분은
및 
중에서 선택된 적어도 어느 하나고, R3은 탄소수 4~8의 측쇄 또는 직쇄 알킬기일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제2억셉터 성분은 탄소수 60~90의 풀러렌 유도체일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분 중량의 합은 상기 도너 성분 100 중량부에 대하여 100 ~ 300 중량부로 포함될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분은 1:0.1 ~ 1:10의 중량비율로 포함될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, X-선 파장을 이용한 스침각 입사 광각 X-선 산란(GIWAXS; Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering) 스펙트럼에 있어서 상기 3성분계 혼합물은 하기 조건식 1을 만족할 수 있다.
<조건식 1>
상기 조건식1에서 IA1은 제1억셉터 성분의 피크 중 상대적으로 가장 높은 피크 강도이고, I3은 상기 IA1 피크가 위치하는 산란 벡터 성분(qz)에서의 3성분계 혼합물의 피크 강도이다.
또한 본 발명은 결정성의 제1억셉터 성분, 비결정성의 도너 성분 및 비결정성의 제2억셉터 성분을 용매와 혼합하여 상기 제1억셉터 성분보다 낮은 결정성을 갖는 3성분계 혼합물을 형성하는 단계 및 상기 3성분계 용액을 처리하여 광활성층을 형성하는 단계를 포함하는 유기태양전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용매는 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 자일렌, 톨루엔, 다이클로로메탄 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유기 태양전지는 도너 성분과 억셉터 성분의 상호보완적 광흡수가 가능하고, 광활성층의 결정성 조절 및 분자 배열(molecular ordering)에 의해 전하 생성 및 추출 효율이 향상될 수 있고, 이를 통해 광전변환효율이 우수한 유기태양전지를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 단면 모식도이다.
도 2a는 PBDTTPD-HT, ITIC, PC60BM 및 PC70BM의 UV-vis 분광광도계를 이용한 광흡수 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 2b는 PBDTTPD-HT, IDIC 및 PC70BM의 UV-vis 분광광도계를 이용한 광흡수 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 3a는 UV-vis 분광광도계를 통해 측정된 비교예1, 비교예2 및 실시예1 내지 실시예4에서 제조된 광활성층의 광흡수 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 3b는 비교예1, 비교예2 및 실시예1 내지 실시예4에서 제조된 광활성층의 외부양자효율 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 3c는 비교예2, 비교예3 및 실시예5 내지 실시예7에서 제조된 광활성층의 외부양자효율 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 4a는 비교예1, 비교예2 및 실시예1 내지 실시예4에서 제조된 광활성층의 광루미네센스 발광 스펙트럼 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 4b는 ITIC 및 PC70BM의 중량비율에 따른 광루미네센스 발광 스펙트럼 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 5a는 비교예1에서 제조된 광활성층 표면에 대한 AFM 이미지이다.
도 5b는 실시예1에서 제조된 광활성층 표면에 대한 AFM 이미지이다.
도 5c는 실시예2에서 제조된 광활성층 표면에 대한 AFM 이미지이다.
도 5d는 비교예2에서 제조된 광활성층 표면에 대한 AFM 이미지이다.
도 5e는 비교예1에서 제조된 광활성층 표면에 대한 TEM 이미지이다.
도 5f는 실시예1에서 제조된 광활성층 표면에 대한 TEM 이미지이다.
도 5g는 실시예2에서 제조된 광활성층 표면에 대한 TEM 이미지이다.
도 5h는 비교예2에서 제조된 광활성층 표면에 대한 TEM 이미지이다.
도 6a는 PBDTTPD-HT의 스침각 입사 광각 X-선 산란 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6b는 ITIC의 스침각 입사 광각 X-선 산란 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6c는 비교예1에서 제조된 광활성층의 스침각 입사 광각 X-선 산란 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6d는 실시예2에서 제조된 광활성층의 스침각 입사 광각 X-선 산란 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6e는 비교예2에서 제조된 광활성층의 스침각 입사 광각 X-선 산란 패턴을 도시한 이미지이다.
도 7은 PBDTTPD-HT, ITIC, 비교예1, 비교예2 및, 실시예2에서 제조된 광활성층의 스침각 입사 광각 X-선 산란 스펙트럼을 도시한 이미지이다.
도 8은 비교예1, 비교예2 및 실시예1~4에 따른 태양전지의 J-V 특성을 도시한 그래프이다.
도 2a는 PBDTTPD-HT, ITIC, PC60BM 및 PC70BM의 UV-vis 분광광도계를 이용한 광흡수 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 2b는 PBDTTPD-HT, IDIC 및 PC70BM의 UV-vis 분광광도계를 이용한 광흡수 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 3a는 UV-vis 분광광도계를 통해 측정된 비교예1, 비교예2 및 실시예1 내지 실시예4에서 제조된 광활성층의 광흡수 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 3b는 비교예1, 비교예2 및 실시예1 내지 실시예4에서 제조된 광활성층의 외부양자효율 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 3c는 비교예2, 비교예3 및 실시예5 내지 실시예7에서 제조된 광활성층의 외부양자효율 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 4a는 비교예1, 비교예2 및 실시예1 내지 실시예4에서 제조된 광활성층의 광루미네센스 발광 스펙트럼 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 4b는 ITIC 및 PC70BM의 중량비율에 따른 광루미네센스 발광 스펙트럼 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 5a는 비교예1에서 제조된 광활성층 표면에 대한 AFM 이미지이다.
도 5b는 실시예1에서 제조된 광활성층 표면에 대한 AFM 이미지이다.
도 5c는 실시예2에서 제조된 광활성층 표면에 대한 AFM 이미지이다.
도 5d는 비교예2에서 제조된 광활성층 표면에 대한 AFM 이미지이다.
도 5e는 비교예1에서 제조된 광활성층 표면에 대한 TEM 이미지이다.
도 5f는 실시예1에서 제조된 광활성층 표면에 대한 TEM 이미지이다.
도 5g는 실시예2에서 제조된 광활성층 표면에 대한 TEM 이미지이다.
도 5h는 비교예2에서 제조된 광활성층 표면에 대한 TEM 이미지이다.
도 6a는 PBDTTPD-HT의 스침각 입사 광각 X-선 산란 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6b는 ITIC의 스침각 입사 광각 X-선 산란 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6c는 비교예1에서 제조된 광활성층의 스침각 입사 광각 X-선 산란 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6d는 실시예2에서 제조된 광활성층의 스침각 입사 광각 X-선 산란 패턴을 도시한 이미지이다.
도 6e는 비교예2에서 제조된 광활성층의 스침각 입사 광각 X-선 산란 패턴을 도시한 이미지이다.
도 7은 PBDTTPD-HT, ITIC, 비교예1, 비교예2 및, 실시예2에서 제조된 광활성층의 스침각 입사 광각 X-선 산란 스펙트럼을 도시한 이미지이다.
도 8은 비교예1, 비교예2 및 실시예1~4에 따른 태양전지의 J-V 특성을 도시한 그래프이다.
종래 유기 태양전지의 광활성층에 포함되는 억셉터 성분으로 플러렌 유도체를 사용하였으나, 광흡수 영역대가 좁아 광전변환 효율이 낮은 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 억셉터 성분과 도너 성분의 광흡수 영역대를 상호 보완하여 광흡수 영역대를 넓히는 방법을 사용하였으나, 광활성층 구조가 복잡한 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 두 개의 도너 성분 및 하나의 억셉터 성분 또는 하나의 도너 성분 및 두 개의 억셉터 성분으로 이루어진 3성분계 기반 광활성층이 연구되었으나, 종래 3성분계 기반 광활성층에 포함되는 억셉터 성분은 결정성이 높고 서로 응집되는 문제가 발생하여 광활성층의 나노모폴로지에 악영향을 미치거나 전하 재결합 센터(charge recombination center)로 작용하여 전하 수송이 저하되는 문제점을 야기하였다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해, 광활성층의 결정성 제어 및 분자 배열(molecular ordering)하여 억셉터 성분이 서로 응집되는 문제를 방지 또는 최소화하고 나노모폴로지를 최적화하여 광활성층의 전하 생성 및 추출 효율이 향상된 유기태양전지를 제공하고자 한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 유기태양전지는 결정성의 제1억셉터 성분, 상기 제1억셉터 성분과 혼합 시 비정질의 2성분계 혼합물을 형성시키는 비결정성의 도너 성분 및 상기 비정질의 2성분계 혼합물과 혼합 시 상기 제1억셉터 성분보다 낮은 결정성을 갖는 3성분계 혼합물을 형성시키는 제2억셉터 성분을 포함하는 광활성층을 포함하며, 투명전극, 전자수송층 및 상대전극을 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 단면 모식도이며, 이를 참조하면 본 발며의 일 실시예에 따른 유기태양전지(10)는 투명전극(11), 상기 투명전극(11) 상에 구비된 전자수송층(12), 상기 전자수송층(12) 상에 구비된 광활성층(13) 및 상기 광활성층 상에 구비된 상대 전극(14)을 포함할 수 있다.
상기 투명전극(11)은 ITO(indium-tin oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), AZO(aluminium doped zinc oxide), IGZO(Indium gallium zinc oxide), 유리, PET(Polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), 및 폴리이미드(polyimide) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 ITO일 수 있다.
상기 투명전극(11)의 두께는 100~300nm일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
다음으로, 상기 투명전극(11) 상에 전자수송층(12)을 구비할 수 있다.
상기 전자 수송층(12)은 ZnO, TiO2, SnO2 및 ITO 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는 ZnO를 포함할 수 있다. 상기 전자 수송층(12)은 당업계에서 통상적으로 사용되는 공지된 방법을 이용하여 상기 투명전극 상에 형성될 수 있으며, 일예로, 졸겔법일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 전자 수송층(12)의 두께는 20~100 nm일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
다음으로, 상기 전자수송층(12) 상에 광활성층(13)을 구비한다.
상기 광활성층(13)은 결정성의 제1억셉터 성분, 상기 제1억셉터 성분과 혼합 시 비정질의 2성분계 혼합물을 형성시키는 비결정성의 도너 성분 및 상기 비정질의 2성분계 혼합물과 혼합 시 상기 제1억셉터 성분보다 낮은 결정성을 갖는 3성분계 혼합물을 형성시키는 비결정성의 제2억셉터 성분을 포함한다.
도 6c를 참조하면, 비결정성의 도너 성분과 결정성의 제1억셉터 성분 혼합 시 제1억셉터 성분에 존재하였던 라멜라 형태의 분자 배열이 사라지는 것을 확인할 수 있고, 도 6d를 참조하면, 상기 도너 성분 및 제1억셉터 성분이 혼합된 2성분계 혼합물에 제2억셉터 성분을 첨가한 3성분계 혼합물의 경우 제1억셉터 성분에 의한 라멜라 형태의 분자 배열이 다시 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 상기 3성분계 혼합물의 결정성이 제1억셉터 성분의 결정성보다 낮은 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 태양전지에 포함되는 광활성층의 결정성 제어 및 분자 배열(molecular ordering)을 통해 억셉터 성분이 서로 응집되는 문제를 방지 또는 최소화하고 광활성층의 나노모폴로지를 최적화하여 광활성층의 전하 생성 및 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 상기 도너 성분, 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분은 상호보완적 광흡수가 가능하여 광활성층의 광흡수 특성이 우수할 수 있다. 도 2a를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 광활성층에 포함되는 도너 성분, 제1억셉터성분 및 제2억셉터성분은 각각 흡수파장대가 상이하여 상호보완적 광흡수가 가능한 것을 확인할 수 있다.
상기 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분 중량의 합은 상기 도너 성분 100 중량부에 대하여 100 ~ 300중량부, 더욱 바람직하게는 100 ~ 200중량부로 포함될 수 있다.
만일 상기 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분 중량의 합이 상기 도너 성분 100 중량부에 대하여 100중량부 미만이거나 300중량부를 초과할 경우, 소자의 단략전류 및 필펙터가 크게 감소하여 태양전지의 광전변환효율이 감소할 수 있다.
또한 상기 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분 중량의 합이 상기 도너 성분 100 중량부에 대하여 100 ~ 200 중량부로 포함될 경우, 태양전지의 광전변환효율이 더욱 우수할 수 있다.
또한, 상기 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분은 1:0.1 ~ 1:10의 중량비율로 광활성층에 포함될 수 있다.
만일 상기 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분의 중량비율이 1:0.1 미만일 경우, 2성분계 혼합물과 제2억셉터 성분 혼합 시 제2억셉터 성분에 의한 3성분계 혼합물의 결정성 증가 효과가 목적하는 수준으로 발현되지 않아 태양전지의 광전변환효율이 감소할 수 있고, 1:10을 초과할 경우, 제1억셉터 성분이 갖는 결정성이 현저히 낮아져 3성분계 혼합물이 무정형의 분자배열을 갖게 될 수 있고, 이에 따라 태양전지의 광전변환효율이 감소할 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분은 1:0.2 ~ 1:3, 가장 바람직하게는 1:0.5 ~ 1:2의 중량비율로 광활성층에 포함될 수 있으며, 상기 중량비율 범위를 만족할 경우 3성분계 혼합물의 결정성이 제1억셉터 성분보다 낮으면서, 광활성층의 결정성 조절 및 분자 배열(molecular ordering)에 의한 전하 생성 및 추출 효율 향상 효과가 더욱 우수하여 태양전지의 광전변환효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 3a를 참조하면 제2억셉터 성분의 중량비율이 증가함에 따라 650~800nm 파장대의 광흡수 특성이 저하되는 반면, 도 3b에 도시된 바와 같이 제2억셉터 성분의 중량비율이 증가함에 따라 외부양자효율이 증가하는 것을 확인할 수 있고, 상기 제2억셉터 성분의 중량비율이 일정 수준을 초과할 경우, 외부양자효율이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
한편 본 발명에 따른 태양전지의 광활성층에 포함되는 도너 성분은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
<화학식 1>
상기 화학식 1에서 R1은 
, 
및 
중에서 선택된 어느 하나, R2는 
이고, R1`은 탄소수 4~20의 직쇄 또는 측쇄 알킬기, R2`은 탄소수 4~20의 직쇄 또는 측쇄 알킬기, R2``은 탄소수 4~20의 직쇄 또는 측쇄 알킬기일 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 화학식 1에서 R1은 
이고, R2는 
일 수 있으며, 이 경우 광활성층의 결정성 조절 및 분자 배열(molecular ordering)에 의한 전하 생성 및 추출 효율 향상 효과가 더욱 우수하여 태양전지의 광전변환효율을 더욱 향상될 수 있다.
또한 상기 제1억셉터 성분은 
및 
중에서 선택된 적어도 어느 하나고, R3은 탄소수 4~8의 측쇄 또는 직쇄 알킬기일 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 제1억셉터 성분은 
또는 
, 가장 바람직하게는 
일 수 있으며, 이 경우 광활성층의 결정성 조절 및 분자 배열(molecular ordering)에 의한 전하 생성 및 추출 효율 향상 효과가 더욱 우수하여 태양전지의 광전변환효율을 더욱 향상될 수 있다.
또한 상기 제2억셉터 성분은 탄소수 60~90의 풀러렌 유도체일 수 있으며, 일예로 PC60BM 또는 PC70BM일 수 있다.
상기 광활성층은 도너 성분, 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분을 용매와 혼합한 후 상기 전자수송층 상에 처리하여 형성될 수 있으며, 상기 광활성층의 처리 방법은 당업계에서 공지된 용액 공정을 사용하여 형성될 수 있으며, 일예로 스핀 코팅법을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 용매는 상기 도너, 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분을 용해시킬 수 있는 용매라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 자일렌, 톨루엔 및 다이클로로메탄 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
광활성층의 두께는 60~300 nm일 수 있으며, 상기 광활성층 두께가 60nm 미만이거나 300nm를 초과할 경우, 태양전지의 광전변환효율이 저하될 우려가 있다.
다음으로 상기 광활성층(13) 상에 상대전극(14)을 구비한다. 상기 상대 전극(15)은 은, 금, 알루미늄, 산화몰리브덴, 구리, ITO(indium-tin oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), AZO(aluminum doped zinc oxide), 및 IGZO(Indium gallium zinc oxide) 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는 산화몰리브덴 상에 적층된 은일 수 있다.
상기 상대전극(14)의 형성 방법은 당업계에서 전극 형성에 통상적으로 사용되는 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 일예로 열증착법일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 상대전극(14)의 두께는 55~170nm, 바람직하게는 상기 상대전극이 산화몰리브덴 상에 적층된 은일 경우 상기 산화몰리브덴의 두께는 5~20nm, 상기 은의 두께는 50~150nm일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 유기태양전지에 있어서, X-선 파장을 이용한 스침각 입사 광각 X-선 산란(GIWAXS; Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering) 스펙트럼에 있어서 상기 3성분계 혼합물은 하기 조건식 1을 만족할 수 있으며, 이에 따라 광활성층의 결정성 제어 및 분자 배열(molecular ordering)을 통해 억셉터 성분이 서로 응집되는 문제를 방지 또는 최소화하고 광활성층의 나노모폴로지를 최적화하여 광활성층의 전하 생성 및 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
<조건식 1>
상기 조건식 1에서 IA1은 제1억셉터 성분의 피크 중 상대적으로 가장 높은 피크 강도, 즉 상기 IA1은 제1억셉터 성분으로 이루어진 시료를 대상으로 분석된 X-선 파장을 이용한 스침각 입사 광각 X-선 산란 스펙트럼에 나타난 피크 중 상대적으로 가장 높은 피크 강도이고, I3은 상기 IA1 피크가 위치하는 산란 벡터 성분(qz)에서의 3성분계 화합물의 피크 강도이다.
상기 X-선 파장을 이용한 스침각 입사 광각 X-선 산란 스펙트럼은 5~20keV의 빔에너지, 0.1~0.5°의 입사각, 및 시료와 탐지기 간 거리(sample-to-detector distance)가 100~500mm 조건하에서 측정될 수 있다.
상기 조건식 1에 있어서, I3/IA1이 0.2 미만일 경우, 광활성층이 무정형의 분자배열을 가질 수 있고, 이에 따라 수직방향의 정공 및 전자 이동 특성이 저하되어 태양전지의 광전변환 효율이 저하될 수 있고, 0.8을 초과할 경우, 도너 성분과 억셉터 성분 간의 상분리가 발달하여 광활성층의 전하 생성 및 추출 효율이 저하될 수 있고 이에 따라 태양전지의 광전변환효율이 저하될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 유기태양전지의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조 방법은 결정성의 제1억셉터 성분과 비결정성의 도너 성분을 혼합하여 비결정성의 2성분계 혼합물을 포함하는 2성분계 용액을 제조하는 단계, 상기 2성분계 용액에 제2억셉터 성분을 첨가하여 상기 제1억셉터 성분보다 낮은 결정성을 갖는 3성분계 혼합물을 포함하는 3성분계 용액을 제조하는 단계 및 상기 3성분계 용액을 처리하여 광활성층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 도너 성분, 제1억셉터 성분, 제2억셉터 성분, 상기 2성분계 용액에 포함되는 용매, 상기 3성분계 용액의 처리방법, 및 태양전지에 포함되는 광활성층 이외의 투명 전극, 전자수송층 및 상대전극의 구성은 앞서 본 발명에 따른 유기태양전지에서 상술한 내용과 동일하기 때문에 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
(준비예1) PBDTTPD-HT 준비
공지된 논문(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9 (38), pp 32939-32945)을 참고하여 
(PBDTTPD-HT)를 합성하였다.
(준비예2) ITIC 준비
공지된 논문(Adv. Mater. 2018, 27, 1170) 를 참고하여 
(ITIC)를 합성하였다.
(준비예3) IDIC 준비
공지된 논문(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2973-2976)를 참고하여 
(IDIC)를 합성하였다.
(준비예4) PC
70
BM 준비
상용 제품인 PC70BM(EM Index)을 준비하였다.
(실시예1)
ITO(Indium Tin Oxide)가 코팅된 유리 기판을 아세톤 및 이소프로필 알코올로 20분간 초음파 처리한 후 120℃의 진공 오븐에서 건조시켰다. 건조된 기판 상에 ZnO 졸겔 전구체를 4000rpm에서 15초 동안 스핀코팅한 후 200℃에서 10분 동안 열처리를 수행하여 ZnO 전자수송층(두께: 20nm)을 형성하였다.
다음으로 질소 분위기에서 상기 ZnO 전자수송층 상에 광활성층을 형성하였다.
상기 광활성층에 포함되는 도너 성분은 PBDTTPD-HT, 제1억셉터 성분은 ITIC, 제2억셉터 성분은 PC70BM을 사용하였으며, 이들을 7.5 mg/ml 농도로 클로로폼에 용해시킨 후 첨가제로 디요오드옥탄을 0.8부피%로 첨가하여 3성분계 용액을 제조하였다. 상기 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분 중량의 합은 상기 도너 성분의 중량을 기준으로 150중량부로 포함되었으며, 상기 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분은 1:0.25의 중량비율로 포함되었다.
상기 전자수송층 상에 제조된 3성분계 용액을 스핀코팅하여 3성분계 기반 광활성층을 형성하였다.
다음으로, 감압(<10-6 Torr) 조건하에서 열증착방법을 이용하여 상기 광활성층 상에 MoOx(8nm) 및 Ag(150nm)가 적층된 상대 전극을 형성하여 태양전지를 제작하였다.
(실시예2~4)
실시예1과 동일하게 실시하되, 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분의 중량비율을 하기 표 1에 기재된 수치로 포함하는 광활성층을 구비하는 태양전지를 제작하였다.
(실시예5)
실시예1과 동일하게 실시하되, 제1억셉터 성분으로 ITIC 대신 IDIC를 사용하여 태양전지를 제작하였다.
(실시예6)
실시예5와 동일하게 실시하되, 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분이 1:0.67의 중량비율로 포함되는 광활성층을 구비하는 태양전지를 제작하였다.
(실시예7)
실시예5와 동일하게 실시하되, 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분이 1:0.43의 중량비율로 포함되는 광활성층을 구비하는 태양전지를 제작하였다.
(실시예8)
실시예5와 동일하게 실시하되, 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분이 1:1.5의 중량비율로 포함되는 광활성층을 구비하는 태양전지를 제작하였다.
(비교예1)
실시예1과 동일하게 실시하되, 제2억셉터 성분을 포함하지 않는 광활성층을 구비하는 태양전지를 제작하였다.
(비교예2)
실시예1과 동일하게 실시하되, 제1억셉터 성분을 포함하지 않는 광활성층을 구비하는 태양전지를 제작하였다.
(비교예3)
실시예5와 동일하게 실시하되, 제2억셉터 성분을 포함하지 않는 광활성층을 구비하는 태양전지를 제작하였다.
(실험예1)
UV-vis 분광광도계를 이용하여 PBDTTPD-HT, ITIC, PC60BM, PC70BM 의 광흡수 특성을 평가하였고, 각각의 성분들은 필름(in flim) 및 클로로폼에 용해시킨 용액(in soulution) 상으로 측정되었으며, 그 결과를 도 2a 및 도 2b에 도시하였다.
도 2a를 참조하면, PBDTTPD-HT, ITIC 및 PC70BM은 각각 흡수파장대가 상이하여 상호보완적 광흡수가 가능한 것을 확인할 수 있다.
또한 도 2b를 참조하면, PBDTTPD-HT, IDIC 및 PC70BM은 각각 흡수파장대가 상이하여 상호보완적 광흡수가 가능한 것을 확인할 수 있다
또한 광활성층에 포함되는 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분의 중량 비율에 따른 광흡수 특성 및 외부양자효율을 측정하였으며, 그 결과를 도 3a 내지 도 3c에 도시하였다.
도 3a를 참조하면 제2억셉터 성분(PC70BM)의 중량비율이 증가함에 따라 650~800nm 파장대의 광흡수 특성이 저하되는 반면, 도 3b에 도시된 바와 같이 제2억셉터 성분(PC70BM)의 중량비율이 증가함에 따라 외부양자효율이 증가하는 것을 확인할 수 있고, 상기 제2억셉터 성분(PC70BM)의 중량비율이 일정 수준을 초과할 경우, 외부양자효율이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 제1억셉터 성분(ITIC) 및 제2억셉터 성분(PC70BM)의 중량비율이 1:0.67일 경우(실시예2) 가장 높은 외부양자효율을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 제1억셉터 성분(ITIC) 및 제2억셉터 성분(PC70BM)의 중량비율에 따라 외부양자효율이 현저한 차이를 나타낼 수 있음을 알 수 있다.
도 3c를 참조하면, 도너 성분(PBDTTPD-HT), 제1억셉터 성분(IDIC) 및 제2억셉터 성분(PC70BM)을 모두 포함하는 광활성층은 제1억셉터 성분(IDIC) 또는 제2억셉터 성분(PC70BM)을 포함하지 않는 광활성층보다 외부양자효율이 현저히 우수한 것을 확인할 수 있다.
(실험예2)
실시예 및 비교예에서 제조된 광활성층의 전하 생성 효율을 평가하기 위하여 각각의 광활성층에 대하여 여기파장 560nm 조건에서 광루미네센스 발광 스펙트럼(photoluminescence emission spectra)을 분석하였으며, 그 결과를 도 4a에 도시하였다.
도 4a를 참조하면, 도너 성분만을 포함하는 광활성층(PBDTTPD-HT)은, 670nm에서 발광하는 반면 3성분계 기반 광활성층(실시예1~4)은 670nm에서의 발광 피크가 존재하지 않았으며, 이는 여기된 전자들은 3성분계 기반 광활성층 내에서 해리된 것으로 판단된다.
또한, 제1억셉터 성분만을 포함하는 광활성층(ITIC)는 760nm에서 발광 피크를 가지는 반면 3성분계 기반 광활성층(실시예1~4)은 760nm에서의 발광 피크가 현저히 감소하였으며, 이는 여기된 전자들은 3성분계 기반 광활성층 내에서 해리된 것으로 판단된다.
또한, 도 4b는 제1억셉터 성분(ITIC)과 제2억셉터 성분(PC70BM)의 중량비율에 따른 광루미네센스 발광 스펙트럼(photoluminescence emission spectra) 분석 결과를 도시한 그래프이다. 도 4b를 참조하면, 제2억셉터 성분(PC70BM)의 중량비율이 증가함에 따라 760nm 파장 에서의 발광 피크가 거의 선형적으로 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 제1억셉터 성분(ITIC)과 제2억셉터 성분(PC70BM)은 서로 독립적으로 광여기되는 것을 알 수 있다.
(실험예3)
나노스코프 장비(Nanoscope instrument, Bruker)로부터 실시예 및 비교예에서 제조된 광활성층의 표면에 대한 AFM 이미지(2㎛×2㎛)를 스캔하였으며, 그 결과를 도 5a ~ 도 5d에 도시하였다.
도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d는 각각 비교예1, 실시예1, 실시예2 및 비교예2에서 제조된 광활성층 표면에 대한 AFM 이미지이다. 도 5a ~ 도 5d를 참조하면, 비교예1, 실시예1, 실시예2 및 비교예2에서 제조된 광활성층 표면은 각각 0.171, 0.980, 1.30, 1.75 nm의 표면 조도 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
또한, 투과전자현미경(JEM-2100F, JEOL LTD)을 이용하여 실시예 및 비교예 에서 제조된 광활성층의 표면에 대하여 분석하였으며, 이의 TEM 이미지를 도 5e ~ 도 5h에 도시하였다.
도 5e, 도 5f, 도 5g 및 도 5h는 각각 비교예1, 실시예1, 실시예2 및 비교예2에서 제조된 광활성층 표면에 대한 TEM 이미지이다.
(실험예4)
실시예 및 비교예에서 제조된 광활성층의 스침각 입사 광각 X-선 산란(GIWAXS; Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering) 스펙트럼을 11.055 keV의 빔에너지, 0.12°의 입사각, 및 시료와 탐지기 간 거리(sample-to-detector distance)가 221mm 조건하에서 X-선 파장을 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 6a ~ 도 6e에 도시하였다.
도 6a, 도 6b, 도 6c, 도 6d 및 도 6e는 각각 PBDTTPD-HT(D), ITIC(NFA), 비교예1의 광활성층(D:NFA:F70A(1:1.5:0)), 실시예2의 광활성층(D:NFA:F70A(1:0.9:0.6)), 비교예2의 광활성층(D:NFA:F70A(1:0:1.5))에 대한 스침각 입사 광각 X-선 산란 분석 결과를 도시한 이미지이다.
도 6a를 참조하면, 도너 성분(D)은 π-π스태킹(stacking)이 1.622Å에서 Qz 축을 따라 페이스온 모드(face-on mode)로 배향된 것을 나타내는 면외(out-of-plane) (010) 회절을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 제1억셉터 성분(NFA)의 강한 대칭형 라멜라 형태의 분자 배열을 확인할 수 있다.
도 6c를 참조하면, 도너 성분과 제1억셉터 성분 혼합 시 라멜라 형태의 분자 배열이 사라지는 것을 확인할 수 있으며, 이는 도너 성분과 제1억셉터 성분의 혼화성이 우수하기 때문이라고 판단된다.
도 6e를 참조하면, 도너 성분(D)과 제2억셉터 성분(F70A) 혼합 시 제2억셉터 성분의 응집으로 인한 방위각적 등방성 고리 패턴(azimuthally isotropic ring pattern)이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 6d를 참조하면, 도너 성분, 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분을 모두 포함할 경우 제1억셉터 성분(NFA)에 의한 라멜라 형태의 분자 배열이 다시 나타나는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 7은 PBDTTPD-HT, ITIC, 비교예1의 광활성층(PBDTTPD-HT+ITIC), 실시예2의 광활성층(PBDTTPD-HT+ITIC+PC70BM), 비교예2의 광활성층(PBDTTPD-HT+PC70BM)에 대한 2D-GIWAXS 패턴에서 면외 방향을 따라 얻은 라인-컷 강도(line-cut intensity)를 도시한 그래프다. 이를 참조하면, 도너 성분(PBDTTPD-HT) 단독에서는 피크가 발견되지 않았으며, 제1억셉터 성분(ITIC)은 라멜라(Lamellae) 형태의 분자 배열에 해당하는 피크가 존재하였다. 도너 성분(PBDTTPD-HT)과 제1억셉터 성분(ITIC)을 혼합할 경우, 제1억셉터 성분에서 존재했었던 피크들이 모두 사라진 것을 확인할 수 있으며, 도너 성분(PBDTTPD-HT), 제1억셉터 성분(ITIC) 및 제2억셉터 성분(PC70BM)을 모두 포함할 경우 제1억셉터 성분(ITIC)에 의한 라멜라 형태의 분자 배열에 해당하는 피크가 다시 나타나는 것을 확인할 수 있다.
또한, 제1억셉터 성분(ITIC)의 피크 중 상대적으로 가장 높은 피크 강도(IA1)와 이에 대응하는 산란 벡터 성분(qz)에서의 3성분계 혼합물(PBDTTPD-HT+ITIC+PC70BM)의 피크 강도(I3)를 조건식 1에 대입하였을 때 I3/IA1은 0.44이었다.
(실험예5)
실시예 및 비교예에서 제조된 유기 태양전지의 J-V 곡선으로부터 개방전압, 단락전류밀도 및 필팩터를 측정한 후, 광전변환효율(PCE)을 계산하여 하기 표 1에 도시하였다.
구체적으로, 개방전압, 단락전류밀도 및 필팩터 값은 광 강도 AM 1.5 G(100 mW/cm2) 조명(Newport) 하에서 Keithley 2401 소스 장치를 사용하여 J-V특성을 측정하였으며, 이 결과를 도 8에 도시하였다. 또한 측정된 J-V특성을 통해 광전변환효율을 계산하였다.
| 구분 | 광활성층 | 유기태양전지 | |||||
| 도너 성분 |
억셉터 성분 | PCE(%) | |||||
| 물질 | 중량부 | 제1억셉터 성분 |
제2억셉터 성분 |
A1:A2 | 중량부 | ||
| 물질 | 물질 | ||||||
| 비교예1 | PBDTTPD-HT | 100 | ITIC | - | 1:0 | 150 | 9.95 |
| 실시예1 | PBDTTPD-HT | 100 | ITIC | PC70BM | 1:0.25 | 150 | 11.89 |
| 실시예2 | PBDTTPD-HT | 100 | ITIC | PC70BM | 1:0.67 | 150 | 12.09 |
| 실시예3 | PBDTTPD-HT | 100 | ITIC | PC70BM | 1:1.5 | 150 | 11.79 |
| 실시예4 | PBDTTPD-HT | 100 | ITIC | PC70BM | 1:4 | 150 | 10.07 |
| 비교예2 | PBDTTPD-HT | 100 | - | PC70BM | 0:1 | 150 | 7.78 |
| 비교예3 | PBDTTPD-HT | 100 | IDIC | - | 1:0 | 150 | 10.46 |
| 실시예5 | PBDTTPD-HT | 100 | IDIC | PC70BM | 1:0.25 | 150 | 11.02 |
| 실시예6 | PBDTTPD-HT | 100 | IDIC | PC70BM | 1:0.67 | 150 | 11.29 |
| *A1:A2= 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분의 중량 비율 | |||||||
상기 표 1을 참조하면, 도너 성분, 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분을 모두 포함하는 광활성층을 구비하는 태양전지가 제1억셉터 성분 또는 제2억셉터 성분을 포함하지 않는 광활성층을 구비하는 태양전지보다 광전변환효율(PCE)이 현저히 우수한 것을 확인할 수 있다. 특히, 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분이 1:0.67의 중량비율로 포함되는 광활성층을 구비하는 태양전지의 광전변환효율이 가장 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분의 중량 비율이 동일할 경우, 제1억셉터 성분으로 ITIC를 사용한 태양전지가 IDIC를 사용한 태양전지보다 광전변환효율이 더욱 우수한 것을 확인할 수 있다.
(실험예6)
비교예2, 비교예3, 실시예5, 실시예6 및 실시예8에서 제조된 유기 태양전지의 정공이동도 및 전자 이동도를 측정하여 하기 표 2에 그 결과를 나타내었다.
| 태양전지 | 이동도(10-3 cm-2V-1S-1) | μh/μe | |
| 정공 이동도(μh) | 전자 이동도(μe) | ||
| 비교예3 | 1.71 | 1.12 | 1.53 |
| 실시예5 | 2.34 | 1.62 | 1.44 |
| 실시예6 | 2.61 | 2.08 | 1.25 |
| 실시예8 | 2.1 | 1.02 | 2.06 |
| 비교예2 | 1.99 | 1.15 | 1.73 |
상기 표 2를 참조하면, 제1억셉터 성분(IDIC) 및 제2억셉터 성분(PC70BM)이 1:0.67의 중량비율로 포함되는 광활성층을 구비하는 태양전지가 제1억셉터 성분 또는 제2억셉터 성분을 포함하지 않는 광활성층을 구비하는 태양전지보다 정공 이동도 및 전자 이동도가 현저히 우수한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10: 유기태양전지
11: 투명 기판
12: 전자수송층
13: 광활성층
14: 상대전극
11: 투명 기판
12: 전자수송층
13: 광활성층
14: 상대전극
Claims (10)
- 라멜라(lamellae) 형태의 분자 배열을 갖는 결정성의 제1억셉터 성분;
하기 화학식 1로 표시되고, 상기 제1억셉터 성분과 혼합 시 비정질의 2성분계 혼합물을 형성하는 비결정성의 고분자 도너 성분; 및
상기 비정질의 2성분계 혼합물과 혼합 시, 라멜라 형태의 분자 배열 및 결정성을 갖되 상기 제1억셉터 성분보다 낮은 결정성을 갖는 3성분계 혼합물을 형성시키는 제2억셉터 성분;
을 포함하는 광활성층을 포함하는 유기 태양전지:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서 R1은이고, R2는
이며, n은 반복단위의 반복수이다.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1억셉터 성분은및
중에서 선택된 적어도 어느 하나고, R3은 탄소수 4~8의 측쇄 또는 직쇄 알킬기인 유기태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 제2억셉터 성분은 탄소수 60~90의 풀러렌 유도체인 유기태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분 중량의 합은 상기 도너 성분 100 중량부에 대하여 100 ~ 300 중량부로 포함되는 유기 태양전지.
- 제6항에 있어서,
상기 제1억셉터 성분 및 제2억셉터 성분은 1:0.1 ~ 1:10의 중량비율로 포함되는 유기태양전지.
- 제1항에 있어서,
X-선 파장을 이용한 스침각 입사 광각 X-선 산란(GIWAXS; Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering) 스펙트럼에 있어서 상기 3성분계 혼합물은 하기 조건식 1을 만족하는 유기 태양전지.
<조건식 1>
상기 조건식1에서 IA1은 제1억셉터 성분의 피크 중 상대적으로 가장 높은 피크 강도이고, I3은 상기 IA1 피크가 위치하는 산란 벡터 성분(qz)에서의 3성분계 혼합물의 피크 강도이다.
- 라멜라(lamellae) 형태의 분자 배열을 갖는 결정성의 제1억셉터 성분, 하기 화학식 1로 표시되는 비결정성의 고분자 도너 성분 및 비결정성의 제2억셉터 성분을 클로로포름, 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 자일렌, 톨루엔 및 다이클로로메탄 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 용매와 혼합하여 라멜라 형태의 분자 배열 및 결정성 구조를 갖되 상기 제1억셉터 성분보다 낮은 결정성을 갖는 3성분계 혼합물을 포함하는 3성분계 용액을 형성하는 단계; 및
상기 3성분계 용액을 처리하여 광활성층을 형성하는 단계;
를 포함하는 유기태양전지의 제조 방법:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서 R1은,
및
중에서 선택된 어느 하나, R2는
이고,
R1'은 탄소수 4~20의 직쇄 또는 측쇄 알킬기, R2'은 탄소수 4~20의 직쇄 또는 측쇄 알킬기, R2”은 탄소수 4~20의 직쇄 또는 측쇄 알킬기이며, n은 반복단위의 반복수이다. - 삭제
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| KR1020180074812A KR102146605B1 (ko) | 2018-06-28 | 2018-06-28 | 3성분계 기반 광활성층을 포함하는 유기태양전지 및 이의 제조 방법 |
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|---|---|---|---|
| KR1020180074812A KR102146605B1 (ko) | 2018-06-28 | 2018-06-28 | 3성분계 기반 광활성층을 포함하는 유기태양전지 및 이의 제조 방법 |
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|---|---|---|---|---|
| WO2018068722A1 (en) * | 2016-10-11 | 2018-04-19 | The Hong Kong University Of Science And Technology | Ternary blend organic solar cells based on one donor polymer and two acceptors |
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|---|---|---|---|---|
| JP4925569B2 (ja) | 2004-07-08 | 2012-04-25 | ローム株式会社 | 有機エレクトロルミネッセント素子 |
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2018
- 2018-06-28 KR KR1020180074812A patent/KR102146605B1/ko active IP Right Grant
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|---|---|---|---|---|
| WO2018068722A1 (en) * | 2016-10-11 | 2018-04-19 | The Hong Kong University Of Science And Technology | Ternary blend organic solar cells based on one donor polymer and two acceptors |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |