KR20070067861A - 광전변환 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 버퍼층을 형성하여 효율을 향상시킬 수 있는 광전변환 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광전변환 소자는, 서로 대향 배치되는 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광활성층과, 상기 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 포함하는 광전변환 소자를 제공한다. 여기서, 상기 버퍼층은 방향족 유기 양이온을 함유하는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 상기 버퍼층의 총 중량에 대하여 50중량% 내지 100중량%로 포함된다.
광전변환 소자, 유기, 광활성층
Description
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광전변환 소자를 도시한 부분 단면도이다.
도 2는 실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 유기 태양 전지의 전압-전류 특성 그래프이다.
도 3은 실시예 5, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 유기 태양 전지의 전압-전류 특성 그래프이다.
도 4는 실시예 5 내지 8, 비교예 2에 따라 제조된 유기 태양 전지의 전압-전류 특성 그래프이다.
본 발명은 광전변환 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기 버퍼층을 형성하여 효율을 향상시킬 수 있는 광전변환 소자에 관한 것이다.
광전변환 소자는 빛의 신호를 전기적인 신호로 바꾸는 소자로서, 센서 또는 태양 전지 등의 다양한 분야에 적용이 가능하다. 광전변환 소자는 친환경적이고 에너지원이 무한하며 긴 수명을 가지는 등의 다양한 장점이 있어 활발한 연구가 진행 되고 있으나, 광전변환 효율 향상에 한계가 있어 상용화에 어려움이 있다.
광전변환 효율을 향상시키기 위한 다양한 방법이 제시되었는데, 이러한 방법 중 하나로 광전변환 소자에 무기 화합물 등으로 이루어진 버퍼층을 형성하는 방법이 있다. 그런데, 지금까지 제시된 버퍼층은 광전변환 효율의 향상 정도가 크지 않거나, 광전변환 효율의 향상을 위하여 매우 엄격한 조건으로 버퍼층을 형성하여야 하는 문제가 있다.
예를 들어, 유기 태양 전지에서 무기 화합물인 LiF(불화리튬)으로 이루어지는 버퍼층을 형성하는 방법이 제시되었는데, 이러한 LiF은 전기적으로 부도체이므로 두께가 두꺼우면 오히려 유기 태양 전지의 광전변환 효율이 저하되는 경향을 가진다. 광전변환 효율 향상을 위해서는 버퍼층을 10Å 미만의 두께로 형성하여야 하며, 수 Å라도 이 조건을 벗어나게 되면 유기 태양 전지의 효율이 저하되는 문제가 있다.
즉, 이러한 두께의 버퍼층을 균일하게 형성하는 것은 실질적으로 어려움이 있으며, 이를 위해서는 공정 조건을 매우 엄격하게 제어하여야 한다. 특히 넓은 면적으로 이러한 두께의 버퍼층을 균일하게 형성하는 것은 매우 어려워, 대면적의 유기 태양 전지에 적용될 수 없는 문제가 있다. 또한, 균일한 두께로 버퍼층을 형성하는 것이 실질적으로 어려우므로 버퍼층의 형성으로 광전변환 소자의 효율이 불균일한 문제가 발생될 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명은 광전변환 효 율을 향상시킬 수 있으며 제조가 용이한 버퍼층을 가지는 광전변환 소자를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 서로 대향 배치되는 제1 전극 및 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광활성층과, 상기 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 포함하는 광전변환 소자를 제공한다. 여기서, 상기 버퍼층은 방향족 유기 양이온을 함유하는 화합물을 포함하고, 상기 화합물은 상기 버퍼층의 총 중량에 대하여 50중량% 내지 100중량%로 포함된다.
상기 버퍼층은 유기 반도체 물질을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 유기 반도체 물질은 상기 화합물에 도핑되는 것이 바람직하며, 상기 유기 반도체 물질은 상기 화합물 100중량부에 대하여 20중량부 이하로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 제1 전극은 투명전극으로 이루어지고, 상기 제2 전극은 금속전극으로 이루어질 수 있다.
상기 버퍼층의 두께는 10Å인 것이 바람직하며, 20Å 내지 100Å 의 범위인 것이 더 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광전변환 소자를 도시한 부분 단면도 이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 광전변환 소자는, 유리 또는 플라스틱 등의 투명 기판(10) 위에 제1 전극(12), 유기물을 포함하는 광활성층(14), 제2 버퍼층(16) 및 제2 전극(18)이 순차적으로 형성된다. 이러한 광전변환 소자는 태양광을 흡수하여 전기적 에너지를 사용하는 태양 전지 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
상기 제1 전극(12)은 높은 일함수를 가지는 물질로 이루어지며, 인듐틴산화물(indium tin oxide, ITO), 플루오르틴산화물(fluorine tin oxide, FTO), 인듐아연산화물(indium zinc oxide, IZO) 등의 투명 물질로 이루어져 광이 입사될 수 있다. 그리고, 제2 전극(18)은 낮은 일함수를 가지는 금속으로 이루어질 수 있다. 제2 전극(18)은 Al(알루미늄), Ca(칼슘), Ag(은)으로 이루어진 단일층으로 이루어지거나, 서로 다른 금속으로 이루어진 층들이 다층으로 적층되어 형성될 수 있다.
제1 전극(12) 위에 형성되는 광활성층(14)은 유기물을 포함하는 전자 공여체(electron donor) 물질과 전자 수용체(electron accepter) 물질을 포함하여 이루어진다. 이러한 제1 전극(12)과 광활성층(14) 사이에 별도의 층(도시하지 않음)이 형성될 수도 있는데, 이러한 버퍼층(도시하지 않음)은 일례로 폴리에틸렌디옥시티오펜(polyethylene dioxythiophene, PEDOT)과 폴리(스티렌설포네이트)(poly(styrenesulfonate), PSS)의 혼합물일 수 있다.
이러한 광활성층(14)은 전자 공여체 물질과 전자 수용체 물질이 이종 접합(heterojuction)되어 이루어지거나, 전자 공여체 물질이 이루는 층과 전자 수용체 물질이 이루는 층이 적층되는 다층 구조로 이루어질 수 있다.
여기서, 전자 공여체 물질로는 강한 광흡수도를 가지는 반도체 고분자 또는 유기 단분자 물질이 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 반도체 고분자 물질의 구체적인 예로는 폴리 페닐렌비닐렌(poly phenylene vinlene, PPV), 폴리티오펜(polythiophene, PT), 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene, P3HT), 폴리(2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)(poly(2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctylo xe)-1,4-phenylene vinylene, MOMD-PPV) 등이 있으며, 유기 단분자 물질의 구체적인 예로는 구리프탈로시아닌(copper pthalocyanine, CuPc), 아연프탈로시아닌(zinc pthalocyanine, ZnPc) 등의 프탈로시아닌계 물질이 있다. 그리고, 전자 수용체 물질로는 전자 친화도가 큰 플러렌(C60), 이러한 플러렌의 유도체들, 페릴렌(perylene) 등이 사용될 수 있다. 플러렌은 대체로 반도체 고분자와 복합되어 사용되거나 다층 구조에 적용될 수 있다.
이러한 광활성층(14)은 스핀 캐스팅(spin casting), 잉크젯(ink-jet) 또는 스크린 인쇄(screen printing) 등의 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
그리고, 광활성층(14)과 제2 전극(18) 사이에 버퍼층(16)이 형성된다. 이러한 버퍼층(16)은 방향족 유기 양이온을 함유하는 화합물을 포함한다. 상기 방향족 유기 양이온을 포함하는 화합물로는 벤젠 고리의 유기 양이온을 함유하는 화합물이 바람직하다.
상기 방향족 유기 양이온은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서 X1 및 X2는 NRcRd(여기에서 Rc 및 Rd는 동일하거나 서로 독립적으로 H 또는 알킬기임)이고, Ra는 H, 알킬기 및 치환되거나 치환되지 않은 아릴로 이루어진 군에서 선택되고, Rb는 H 또는 알킬기이다. 상기 아릴은 벤젠기인 것이 바람직하고, 상기 치환기는 에스테르기, 카르복시기, 카르보닐기, 알킬기로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 본 명세서에서 알킬기는 탄소수 1 내지 20의 알킬을 의미하고, 아릴은 탄소수 6 내지 20의 아릴을 의미한다.
상기 방향족 유기 양이온으로 피로닌(prironin) B(상기 화학식 1에서 X1 및 X2는 N(C2H5)2이고, Ra 및 Rb는 H임), 피로닌 Y(상기 화학식 1에서 X1 및 X2는 N(CH3)2이고, Ra 및 Rb는 H임), 로다민(rhodamine) 4G(상기 화학식 1에서 X1은 N(C2H5)2이고, X2는 NHC2H5이며, Ra는 C6H4COOC2H5이고, Rb는 H임), 로다민 6G(상기 화학식 1에서 X1및 X2는 NHC2H5이고, Ra는 C6H4COOC2H5이고, Rb는 H임), 로다민 3GO(상기 화학식 1에서 X1은 N(C2H5)2이고, X2는 NH2이며, Ra는 C6H4COOC2H5이고, Rb는 CH3임), 로다민 B(상기 화학식 1에서 X1 및 X2는 N(C2H5)2이고, Ra는 C6H4COOH이고, Rb는 H임), 에틸 로다민(ethyl rhodamine) B(상기 화학식 1에서 X1 및 X2는 N(C2H5)2이고, Ra는 C6H4COOC2H5이고, Rb는 H임), 부틸 로다민(butyl rhodamine) B(상기 화학식 1에서 X1 및 X2는 N(C2H5)2이고, Ra는 C6H4COOC4H9이고, Rb는 H임)인 것이 더 바람직하다.
그리고, 상기 화합물의 음이온은 Cl- 또는 NO3 -일 수 있다.
본 발명에서는 버퍼층(16)에 사용되는 화합물이 방향족 유기 양이온과 음이온을 구비하므로, 광활성층(14)과 제2 전극(18) 사이에 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 형성함으로써 전하 진입 장벽을 낮추어 쉽게 전하가 이동될 수 있도록 하고, 결과적으로 광전변환 소자의 효율을 향상시킬 수 있다. 효율 향상을 최대화하기 위해 상기 화합물은 버퍼층(16)의 총 중량에 대하여 50중량% 내지 100중량%로 포함될 수 있다.
즉, 버퍼층(16)은 상기 화합물로만 이루어지는 것도 가능하고 별도의 물질이 더 포함되어 이루어질 수 있다. 버퍼층(16)에 포함되는 상기 별도의 물질로 유기 반도체 물질이 바람직하며, 이러한 유기 반도체 물질을 상기 화합물에 도핑되는 형태로 존재할 수 있다. 유기 반도체 물질에 의해 태양광에 의해 형성된 정공과 전자 중 어느 하나의 이동만을 용이하게 이동시킴으로써 광전변환 소자의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 때, 이를 최대화하기 위해 유기 반도체 물질은 상기 화합물 100중량부에 대하여 20중량부 이하로 도핑되는 것이 바람직하다.
상기 유기 반도체 물질은 n형 유기 반도체 물질이며, 이러한 n형 유기 반도체 물질로 플러렌, 및 하기 화학식 2 내지 31으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질이 사용될 수 있다.
[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
[화학식 6]
[화학식 7]
[화학식 8]
[화학식 9]
[화학식 10]
[화학식 11]
[화학식 12]
[화학식 13]
[화학식 14]
[화학식 15]
[화학식 16]
[화학식 17]
[화학식 18]
[화학식 19]
[화학식 20]
[화학식 21]
[화학식 22]
[화학식 23]
[화학식 24]
[화학식 25]
[화학식 26]
[화학식 27]
[화학식 28]
[화학식 29]
[화학식 30]
[화학식 31]
상기 화학식 2 내지 31에서 R1 내지 R4, 그리고 R23 및 R24는 동일하거나 서로 독립적으로 플루오르알킬기이고, R5 내지 R22, 그리고 R25 및 R26 은 동일하거나 서로 독립적으로 알킬기이며, n, m, l, p, q, u, v 및 y는 각각 중합도를 나타내며 1 내지 100의 범위에 있는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 플루오르알킬기는 탄소수 1 내지 20의 플루오르 알킬기를 의미한다. 여기서, R1 내지 R4, R23 및 R24는 C6F13, R5 및 R6는 C4F9, R15 내지 R20은 C4H9인 것이 더 바람직하다.
이러한 버퍼층(16)은 진공 증착, 스핀 코팅, 잉크젯, 스크린 프린팅 등의 방법으로 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
버퍼층(16)의 두께가 10Å 미만인 경우에는 균일한 두께로 제조가 어려운 문제가 있기 때문에, 버퍼층(16)은 10Å 이상의 두께를 가지는 것이 바람직하고, 광전변환 소자의 효율 향상 측면에서 20 내지 100Å 의 두께를 가지는 것이 더 바람직하다.
이와 같이 버퍼층(16)이 종래의 LiF로 이루어진 버퍼층보다 두꺼운 두께로 형성될 때 우수한 광전변환 효율을 가지는 바, 버퍼층(16)의 두께에 의한 제약이 최소화된다. 따라서,엄격하지 않은 공정 조건에서 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 두께로 버퍼층을 형성하는 것이 가능하며, 이에 따라 고효율의 광전변환 소자의 제조를 좀더 용이하게 할 수 있다. 또한, 이러한 두께에서는 균일한 두께로 버퍼층을 형성하는 것이 어렵지 않으므로, 광전변환 소자의 효율을 전체적으로 균일하게 유지할 수 있다.
상기와 같은 광전변환 소자가 유기 태양 전지로 이용된 것을 일례로 하여 광전변환 소자의 작용을 설명한다.
먼저, 태양광 등의 광이 투명 기판(10)과 제1 전극(12)을 통과하여 입사되면 전자 공여체에서 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 생성되고, 생성된 전자가 전자 수용체로 이동함으로써 전자와 정공의 분리가 일어나게 된다. 광여기 전하 이동현상(photo-induced charge transfer, TIPC)라 불리우는 전자 공여체와 전자 수용체 사이의 물질 사이의 매우 빠른 전하 이동 현상에 의해 전자와 정공의 분리가 일 어난다. 이렇게 분리된 전자 및 정공이 각 전극(12, 18)으로 주입되어 전기 에너지를 생성시키게 된다. 이러한 유기 태양 전지는 유기 물질을 사용하여 가격이 저렴하고 제조가 용이하며 플렉서블(flexible)한 박막 필름 형태로 제조가 가능한 장점이 있다.
그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 다른 종류의 태양 전지 및 센서 등에서 전극과 광활성층의 사이에 형성될 수 있다. 이 때, 사이에 형성된다 함은 전극 및 광활성층과 접촉하여 형성되는 경우 뿐만 아니라 다른 층을 사이에 두고 형성되는 경우 또한 포함된다.
이하에서는 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기 실시예에서는 유기 태양 전지를 일례로 이를 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확히 표현하기 위한 목적으로 기재될 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되지 않는다.
(실시예 1)
인듐틴산화물로 이루어진 제1 전극에 폴리에틸렌디옥시티오펜과 폴리(스티렌설포네이트)가 혼합된 층을 형성한 후, 폴리(2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)과 상기 화학식 5로 표시되는 물질로 이루어지는 광활성층을700Å의 두께로 형성하였다. 이 때, 폴리(2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)과 상기 화학식 5로 표시되는 물질의 중량비는 1:2였다.
그리고, 상기 피로닌 B(상기 화학식 1에서 X1 및 X2는 N(CH2CH3)2이고, Ra 및 Rb는 H임)로 이루어지는 버퍼층을 50Å 두께로 형성하고 Al로 이루어지는 제2 전극을 1000Å 두께로 형성하여 유기 태양 전지를 제조하였다. 이러한 유기 태양 전지는 가로 1.4 cm, 세로 1.4 cm 크기를 가진다.
(실시예 2)
피로닌 B와 상기 화학식 11로 표시되는 물질(이하 "NTCDA"라 한다)이 1:1의 중량비로 포함되는 버퍼층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
(실시예 3)
피로닌 B와 NTCDA가 20:1의 중량비로 포함되는 버퍼층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
(실시예 4)
피로닌 B와 NTCDA가 40:1의 중량비로 포함되는 버퍼층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
(비교예 1)
버퍼층을 형성하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
(비교예 2)
LiF로 이루어지는 버퍼층을 5Å 두께로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
(비교예 3)
피로닌 B와 NTCDA가 1:3의 중량비로 포함되는 버퍼층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
(비교예 4)
피로닌 B와 NTCDA가 1:20의 중량비로 포함되는 버퍼층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
(비교예 5)
피로닌 B와 NTCDA가 1:40의 중량비로 포함되는 버퍼층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 유기 태양 전지에 7.42 mW/cm2의 광원을 조사하면서 전압(V)-전류(I) 특성을 측정하여, 이를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 4에 따른 유기 태양 전지는 버퍼층을 형성하지 않은 비교예 1의 유기 태양 전지보다 개방 전압(VOC), 단락 전류 밀도(JSC) 등의 값이 더 우수한 것을 알 수 있다. 그리고, 비교예 1에 따른 유기 태양 전지의 전류-전압 특성 그래프는 직선적으로 형성되는 반면, 실시예 1 내지 4에 따른 유기 태양 전지의 전류-전압 특성 그래프는 비교예 1보다 넓은 내부 면적을 가지도록 형성된 것을 알 수 있다. 즉, 상기 실시예 1 내지 4의 경우에 비교예 1의 경우보다 더 큰 효율(η)을 가짐을 알 수 있다.
실시예 1 내지 4에 따라 제조된 유기 태양 전지를 비교예 2에 따라 제조된 유기 태양 전지와 비교하는 경우에도 실시예 1 내지 4의 효율(η)이 매우 높은 것을 알 수 있다. 여기서, 비교예 2에서는 효율(η)을 최대화하기 위하여 실제로 균일하게 형성하기 어려운 5Å의 두께로 버퍼층을 형성한 것이므로, 이보다 두꺼운 두께에서는 이러한 효과를 나타낼 수 없다. 반면, 실시예 1 내지 4에서는 50Å의 두께로 버퍼층을 형성하였음에도 효율(η)의 향상 효과가 우수한 것이므로, 엄격하지 않은 공정에서 균일하게 형성이 가능한 두께로 형성될 수 있음을 알 수 있다.
실시예 1 내지 4에 따라 제조된 유기 태양 전지를 비교예 3 내지 5에 따라 제조된 유기 태양 전지와 비교하는 경우에도, 실시예 1 내지 4에서의 개방 전압(VOC), 단락 전류(JSC) 및 효율(η) 특성이 훨씬 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1 및 2에 따라 제조된 유기 태양 전지보다 실시예 3 및 4에 따라 제조되어 화합물 100 중량부에 대해 NTCDA가 20 중량부 이하일 때 좀더 높은 효율(η)을 가짐을 알 수 있다.
(실시예 5)
버퍼층을 20Å의 두께로 형성한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조하였다.
상기 실시예 5, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 유기 태양 전지에 112 mW/cm2의 백색광을 조사하여 전압-전류 특성을 측정하고, 이를 도 3에 나타내었다. 도 3에 도시된 전류-전압 특성 그래프에서 개방 전압(VOC), 단락 전류 밀도(JSC), 충밀도 (FF), 백색광에서의 효율(ηW) 및 외부양자효율(IPCE)를 평가하여 표 1에 기재하였다. 그리고, 상기 실시예 5, 비교예 1 및 2의 유기 태양 전지에 480nm 파장을 가지는 광을 조사하여 효율(η480nm)을 측정하고, 이를 표 1에 함께 기재하였다.
[표 1]
| VOC [V] | JSC [mA/cm2] | FF [%] | ηW [%] | η480nm [%] | IPCE [%] | |
| 실시예 5 | 0.847 | 3.03 | 40.5 | 0.930 | 5.05 | 36.16 |
| 비교예 1 | 0.751 | 2.67 | 33.8 | 0.605 | 3.70 | 33.90 |
| 비교예 2 | 0.849 | 2.59 | 42.2 | 0.830 | 5.22 | 37.84 |
도 3 및 표 1을 참조하면, 실시예 5의 경우 비교예 1 경우보다 개방 전압(VOC), 단락 전류 밀도(JSC), 충밀도(fill factor, FF), 백색광에서의 효율(ηW), 480nm 파장을 가지는 광에서의 효율(η480nm) 및 외부양자효율(IPCE)이 모두 우수한 것을 알 수 있다.
그리고, 실시예 5의 경우에는 개방 전압(VOC) 등의 특성이 비교예 2의 경우와 유사한 값을 가지면서, 일반적인 효율로 생각되는 백색광에서의 효율(ηW)이 0.930으로 비교예 2의 경우보다 매우 우수한 것을 알 수 있다. 이 때, 비교예 2의 경우에는 버퍼층이 5Å의 두께로 형성된 것으로 실제로 이러한 두께를 균일하게 형성하는 것이 어려운 점을 고려하면, 이러한 실시예 5에에서의 효율(ηW) 향상 효과는 더욱 큰 의미를 가진다.
(실시예 6)
버퍼층을 30Å의 두께로 형성한 것을 제외하고는 실시예 5과 동일한 방법으 로 제조하였다.
(실시예 7)
버퍼층을 50Å의 두께로 형성한 것을 제외하고는 실시예 5과 동일한 방법으로 제조하였다.
(실시예 8)
버퍼층을 100Å의 두께로 형성한 것을 제외하고는 실시예 5과 동일한 방법으로 제조하였다.
상기 실시예 6 내지 8에 따라 제조된 유기 태양 전지에 112 mW/cm2의 백색광을 조사하여 전압-전류 특성을 측정하고, 이를 도 4에 나타내었다. 비교를 위하여 도 3의 실시예 5 및 비교예 2의 전압-전류 특성 그래프를 도 4에 함께 나타내었다.
도 4에 도시된 전류-전압 특성 그래프에서 개방 전압(VOC), 단락 전류 밀도(JSC), 충밀도(FF), 백색광에서의 효율(ηW) 및 외부양자효율(IPCE)를 평가하여 표 2에 기재하였다. 그리고, 상기 실시예 6 내지 8에 따라 제조된 유기 태양 전지에 480nm 파장을 가지는 광을 조사하여 효율(η480nm)을 측정하여 표 2에 기재하였다. 비교를 위하여 실시예 5 및 비교예 2의 값들도 함께 표 2에 기재하였다.
[표 2]
| VOC [V] | JSC [mA/cm2] | FF [%] | ηW [%] | η480nm [%] | IPCE [%] | |
| 실시예 5 | 0.847 | 3.03 | 40.5 | 0.930 | 5.05 | 36.16 |
| 실시예 6 | 0.846 | 3.17 | 38.5 | 0.920 | 4.85 | 37.32 |
| 실시예 7 | 0.859 | 3.37 | 37.9 | 0.978 | 5.79 | 45.08 |
| 실시예 8 | 0.844 | 3.04 | 39.4 | 0.903 | 5.26 | 38.73 |
| 비교예 2 | 0.849 | 2.59 | 42.2 | 0.830 | 5.22 | 37.84 |
표 2를 참조하면, 실시예 6 내지 실시예 8에 따라 제조된 유기 태양 전지에서는 버퍼층의 두께와 거의 무관하게 개방 전압(VOC), 단락 전류 밀도(JSC), 충밀도(FF), 백색광에서의 효율(ηW) 등의 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 즉, 실시예 6 및 실시예 7과 같이 버퍼층을 두껍게 형성하는 경우에도 효율이 향상됨을 확인할 수 있다. 특히, 실시예 7은 비교예 2보다 훨씬 우수한 특성을 가짐을 알 수 있다.
상기에서는 광전변환 소자의 일례인 유기 태양 전지를 기준으로 설명하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 광전변환 소자에 적용이 가능하다.
이와 같이 본 발명은 상기의 기재에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명에 따른 광전변환 소자는 방향족 유기 양이온과 음이온을 함유하여 쌍극자 모멘트를 형성함으로써 광전변환 소자의 개방 전압, 단락 전류 밀도, 충밀도, 효율, 변환 효율 등의 특성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 버퍼층에 유기 반도체 물질이 도핑됨으로써 정공 및 전자 중 어느 하나의 이동을 쉽게 하여 안정적인 이동을 가능하게 함으로써 광전변환 소자의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 버퍼층은 우수한 전기 전도성을 가지므로 두께가 두꺼운 경우에도 광전변환 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 바, 두께에 의한 광전변환 소자 특성 불균일 을 방지하여 광전변화 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 엄격하지 않은 공정 조건에서 버퍼층을 형성할 수 있으므로 제조의 어려움을 방지할 수 있다. 이러한 효과는 대면적 광전변환 소자에 적용되는 경우에 더 발휘될 수 있다.
Claims (11)
- 서로 대향 배치되는 제1 전극 및 제2 전극;상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광활성층; 및상기 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 버퍼층을 포함하고,상기 버퍼층은 방향족 유기 양이온을 함유하는 화합물을 포함하고,상기 화합물은 상기 버퍼층의 총 중량에 대하여 50중량% 내지 100중량%로 포함되는 광전변환 소자.
- 제1항에 있어서,상기 버퍼층은 유기 반도체 물질을 더 포함하는 광전변환 소자.
- 제2항에 있어서,상기 화합물에 상기 유기 반도체 물질이 도핑되는 광전변환 소자.
- 제2항에 있어서,상기 유기 반도체 물질은 상기 화합물 100중량부에 대하여 20중량부 이하로 포함되는 광전변환 소자.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 방향족 유기 양이온은 하기 화학식 1로 표시되는 광전변환 소자.[화학식 1]
상기 식에서 X1 및 X2는 NRcRd(여기에서 Rc 및 Rd는 동일하거나 서로 독립적으로 H 또는 알킬기임)이고,Ra는 H, 알킬기 및 치환되거나 치환되지 않은 방향족기로 이루어진 군에서 선택되고,Rb는 H 또는 알킬기임. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 화합물의 음이온은 Cl- 또는 NO3 - 인 광전변환 소자.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 유기 반도체 물질이 n형 유기 반도체 물질인 광전변환 소자.
- 제7항에 있어서,상기 유기 반도체 물질이 플러렌(C60), 및 하기 화학식 2 내지 31으로 이루어진 군에서 선택되는 광전변환 소자.[화학식 2]
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
[화학식 6]
[화학식 7]
[화학식 8]
[화학식 9]
[화학식 10]
[화학식 11]
[화학식 12]
[화학식 13]
[화학식 14]
[화학식 15]
[화학식 16]
[화학식 17]
[화학식 18]
[화학식 19]
[화학식 20]
[화학식 21]
[화학식 22]
[화학식 23]
[화학식 24]
[화학식 25]
[화학식 26]
[화학식 27]
[화학식 28]
[화학식 29]
[화학식 30]
[화학식 31]
상기 식 2 내지 31에서 R1 내지 R4, R23 및 R24는 동일하거나 서로 독립적으로 플루오르알킬기이고,R5 내지 R22, R25 및 R26 은 동일하거나 서로 독립적으로 알킬기이며,n, m, l, p, q, u,v 및 y는 각각 중합도를 나타냄. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 버퍼층의 두께가 10Å 이상인 광전변환 소자.
- 제9항에 있어서,상기 버퍼층의 두께가 20Å 내지 100Å의 범위인 광전변환 소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극은 투명전극으로 이루어지고, 상기 제2 전극은 금속전극으로 이루어지는 광전변환 소자.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050129296A KR100786865B1 (ko) | 2005-12-26 | 2005-12-26 | 광전변환 소자 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050129296A KR100786865B1 (ko) | 2005-12-26 | 2005-12-26 | 광전변환 소자 |
Publications (2)
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