KR20080021413A - 브러쉬를 이용하여 분자배열을 유도한 유기 기반태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 브러쉬를 적용하여 유기 기반 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판에, 전극층, 정공전달층, 광활성층 및 전극층이 적층되어 이루어진 유기 기반 태양전지의 제조 시, 브러쉬를 이용한 칠하는 공정으로 분자배열을 유도하는 방법으로, 종래의 딥 및 스핀 등의 코팅에 의해 제작된 태양전지에 비해 장치 및 공정이 간단하고, 효율이 우수하며, 대면적이나 굽힘 가능한 소자에도 적용이 용이하여 상용화 시스템인 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정에 적용이 용이한 유기 기반 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
유기 기반 태양전지, 브러쉬, 분자배열, 용액공정, 롤-투-롤
Description
도 1은 종래 일반적인 유기 기반 태양전지의 구조를 나타낸 것이다.
[도 1의 주요부분에 대한 부호의 설명]
1 : 유리 기판 또는 고분자 기판 2 : 투명산화물 전극 또는 유기물 전극
3 : 정공 전달층 4 : 광활성 층 5 : 금속 전극 또는 유기물 전극
도 2는 종래 일반적인 스핀 코터의 구조 및 스핀 코팅의 과정에 과한 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 종래 일반적인 롤-투-롤(roll-to-roll) 기반의 유기 소자 제작에 관한 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따라 붓을 이용한 유기물 층 형성의 과정에 관한 모식도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따라 붓을 이용한 새로운 용액 공정이 적용된 롤-투-롤(roll-to-roll) 기반의 유기 소자 제작에 관한 모식도를 나타낸 것이다.
도 6은 종래 일반적인 스핀 코팅에 의해 적층된 유기물 반도체층과, 본 발명 에 따라 붓을 이용한 유기물 반도체층으로 구성된 태양전지의 각각의 전류-전압 곡선을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따라 붓을 이용하여 정공전달 물질과 유기물 반도체 모두를 적층한 태양전지의 전류-전압 곡선을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따라 붓을 이용하여 적층된 유기물 반도체층을 포함하는 굽힘 가능한 태양전지의 전류-전압 곡선을 나타낸 것이다.
본 발명은 브러쉬를 적용하여 유기 기반 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판에, 전극층, 정공전달층, 광활성층 및 전극층이 적층되어 이루어진 유기 기반 태양전지의 제조 시, 브러쉬를 이용한 칠하는 공정으로 분자배열을 유도하는 방법으로, 종래의 딥 및 스핀 등의 코팅에 의해 제작된 태양전지에 비해 장치 및 공정이 간단하고, 효율이 우수하며, 대면적이나 굽힘 가능한 소자에도 적용이 용이하여 상용화 시스템인 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정에 적용이 용이한 유기 기반 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 특히, 광활성층의 형성과정에 브러쉬를 이용할 경우, 분자들의 배열을 유도할 수 있으므로 기존의 용액공정에 비하여 높은 효율을 갖는 유기 태양전지의 제작을 가능하게 한다.
고가이며 매장량에 제한이 있는 실리콘 기반의 태양전지에 비해, 유기 기반 태양전지는 저렴한 비용과 특별한 진공 설비가 필요하지 않는 제조공정 상의 용이성 및 저온 공정으로 인한 굽힘 가능한 소자의 제작 가능성 등의 장점을 바탕으로 최근 관심이 집중되고 있다. 특히, 진공 증착을 필요로 하지 않고 스핀코팅이나 딥 코팅(dip-coating), 닥터 블레이딩(doctor blading) 등과 같은 용액공정으로 제작 가능한 고분자 유기물 반도체 기반의 태양전지의 경우, 제작비용이나 공정의 용이성 면에서 큰 장점을 가지고 있다.
최근 이러한 유기 기반 태양전지의 실용화를 목적으로 롤-투-롤(roll-to-roll)과 같은 공정이 소개되어지고 있으나, 실제 대량생산형 태양전지의 제작을 위해서는 기존의 공정에 관한 많은 변화가 요구되어지고 있다.
일반적으로, 가장 높은 효율을 보고하고 있는 태양전지의 제작 방법으로는 스핀코팅을 이용한 광활성 층의 형성이 꼽히고 있으나, 이러한 방법의 경우 기판의 고정을 위해 필수적인 진공척이 사용되므로 대면적이나 굽힘 가능한 기판을 이용한 소자의 제작에 적용될 수 없다는 한계성을 가지고 있다.
또한, 용액으로부터 기판을 일정속도로 꺼내 올리면서 필름을 형성하는 딥 코팅의 경우, 용매의 증발을 통한 균일한 필름형성을 위해 느린 속도로 기판을 이동시켜야 하므로 활성층의 제작에 장시간이 소요되며 대면적이나, 롤-투-롤(roll-to-roll)에 적용되기에는 적절하지 못하다.
이에 본 발명자들은 층 형성을 위한 특별한 장치 요구, 공정상의 경제성 저 하 및 종래 일반적인 태양전지 제조공정의 적용 등의 한계성 등을 개선하고자 연구 노력하였다. 그 결과, 기판 상에 구성요소 중 하나이상의 층을 형성하는 과정에서 브러쉬를 사용하므로서, 종래의 용액공정에 비해 진공척 등이 불필요하며 필름의 형성이 수초에 가능하여 공정이 간단하면서 대면적이나 굽힘 가능한 소자에도 적용이 용이할 뿐 아니라, 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정에 아주 적합하다는 것을 알게 되었다. 또한 광활성층의 형성과정 시, 브러쉬를 이용하게 되면 분자배열이 유도되어 광활성층의 결정성 향상 및 이에 따른 성능의 향상도 확인되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명은 구성요소 중 하나 이상의 층을 제작하는 과정에서 브러쉬를 이용하는 유기 기반 태양전지 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 기판(1), 투명산화물 전극층 또는 유기 전극층(2), 정공전달층(3), 광활성층(4) 및 전극층(5)이 구성요소로서 적층되어 이루어진 유기 기반 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,
상기 구성요소 모두가 또는 일부가 브러쉬를 이용한 칠공정을 통하여 분자배열이 유도된 브러쉬를 이용한 유기 기반 태양전지의 제조방법에 그 특징이 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 기판상에, 투명산화물 전극층 또는 유기 전극층, 정공전달층, 광활성층 및 전극층의 구성요소로서 적층된 유기 기반 태양전지의 제조 시에, 상기 구성 요소 중 하나 이상을 적층하는 과정에서, 최적화된 조건 구체적으로 용액의 농도 및 기판의 온도에서 용액을 적실 수 있는 브러쉬를 이용하여 칠하는 방법으로 상기 각각의 구성요소 모두가 또는 일부의 층을 형성시키는 방법에 관한 것이다.
상기 방법은 기존의 스핀 코팅이나 딥 코팅 등에서 반드시 요구되는 진공척이나 모터 등을 필요로 하지 않으면서 대면적에 균일한 막을 형성할 수 있으며, 특히, 굽힘 가능한 고분자 기판에도 균일한 막의 형성이 가능하여 롤-투-롤 등의 유기 기반 전자 산업에 적용되어 대량 생산형 유기 기반 소자의 상용화가 유리하다. 또한, 상기 브러쉬를 이용한 칠하는 과정에서 물리적인 힘에 의한 분자의 배열이 유도되어 결정성이 좋은 고분자 막이 형성될 수 있으므로 고효율의 태양전지 제작이 가능하가. 통상적으로 칠하는 방법은 도료 등을 도포할 때 적용되는 방법이기는 하나, 이를 유기 기반 태양전지를 비롯한 다양한 유기 기반의 광전소자에 적용된 선례는 전혀 없으며, 본 발명은 브러쉬를 이용한 칠하는 개념을 유기 기반 태양전지를 제작하는 과정에 도입하여 종래 딥 및 스핀 코팅의 단점을 보완할 뿐만 아니라, 브러쉬를 이용하여 칠하는 과정상에 분자배열을 유도되어 고효율의 유기 태양전지를 얻을 수 있다.
이는 종래의 유기 기반 태양전지의 제작에 사용된 기판의 고정을 위해 진공 척 등이 반드시 요구되는 스핀 코팅 공정이나, 필름의 코팅에 장시간이 소요되는 딥 코팅과는 달리, 칠하는 공정으로 각 층 형성 시에 온도, 건조, 농도 등을 최적화하여 적용한 것이다.
이와 같은 본 발명은 그 공정이 간단하고, 별도의 설비 구축을 위한 비용이 필요 없으며, 특히 유기 기반 태양전지의 큰 장점인 대면적이나 굽힘 가능한 소자 제작에 쉽게 적용될 수 있어 유기 기반 소자의 상용화 시스템으로 각광받고 있는 롤-투-롤(roll-to-roll) 시스템에 적용될 수 있는 아주 적합하여 유기 기반의 태양전지의 빠른 실용화 뿐 아니라, 기타 유기 기반 광전 또는 전자 소자의 실용화에 크게 기여할 것으로 예상된다.
본 발명에 따라 유기 기반 태양전지를 제조하는 방법을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
다음 도 1은 일반적인 유기 기반 태양전지의 구조를 나타낸 것으로, 구체적으로 유리 기판 또는 굽힘 가능한 고분자 기판(1), 투명 산화물 전극 또는 전도성 고분자로 구성된 유기전극층(2), 정공전달층(3), 광활성층(4) 및 낮은 일함수를 갖는 금속 전극 또는 전도성 고분자가 적용된 유기전극층 (6)으로 구성된다.
본 발명은 브러쉬를 이용하여 칠하는 공정으로 각 층을 형성하는 바, 각 층은 유기물을 칠하는 방법으로 수행된다. 이때, 유기물은 당 분야에서 각각의 층을 형성하는 통상적인 것으로 특별히 한정하지는 않는다.
상기 기판은 당 분야에서 통상적으로 사용되는 것으로, 유리기판이나 굽힘 가능한 고분자 기판이 사용할 수 있는 바, 특히 종래의 스핀 코팅을 적용한 굽힘 가능한 태양전지 제작의 경우, 진공에 의한 기판고정 시 발생되는 기판의 변형으로 균일한 두께의 막 형성이 어려워 고효율을 얻을 수 없었으나, 본 발명에 따라 브러쉬를 적용하는 경우, 기판의 형태에 구애받지 않고 사용할 수 있다. 상기 굽힘 가능한 고분자 기판은 높은 화학적 안정성과 기계적 강도 및 투명도를 가지는 것을 특징으로 하며 구체적으로 폴리(에틸렌-테레프탈레이트)(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(Kapton), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에테르이미드(PEI) 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.
상기 유기전극층(2)은 인듐이 도핑된 주석 산화물(Indium-doped tin oxide, ITO)등의 투명 산화물 전극 또는 전도성 고분자 층으로 구성된다. 상기 정공 전달 층은 정공의 전달을 돕는 유기물 층이고, 광활성 층은 전자 주게로 사용되는 유기물 반도체와 전자 받게로 사용되는 유기물 반도체로 구성되며, 금속 전극은 낮은 일함수를 갖는 알루미늄(Al), 칼슘(Ca)등 이나 전도성 고분자로 구성된 유기물 전극 으로 구성된다. 특히, 본 발명의 광활성 층은 전자주게와 전자받게의 유기물 반도체 혼합용액을 거대이형접합(bulkheterojunction)형태 또는 전자주게와 전자받게 각각의 유기물 반도체의 이중층(bilayer) 형태로 제작될 수 있다. 이외에 상기에서 언급된 것은 당 분야에서 일반적으로 상용화되고 있는 것으로 이에 국한되지는 않는다.
상기 정공 전달 층을 형성하는 통상적인 정공 전달 물질은 구체적으로 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리(스틸렌 설폰네이트)[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(stylene sulfonate, PEDOT-PSS]이 사용될 수 있다. 상기 광활성 층을 형성하는 통상적인 전자 받게는 구체적으로 (6,6)-페닐-C61-부티릭 에시드 메틸 에스테르[(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM)이 사용될 수 있는 바, 이는 용액 공정이 가능하도록 변형된 C60의 유도체로서 가장 성능 이 좋은 전자 받게 물질로 알려져 있다. 또한 전자 주게는 구체적으로 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT], 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌 비닐렌[poly(2-methyl,5-(3',7'-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene, MDMO-PPV], 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)[poly(2-methoxy,5-(2 -ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, MEH-PPV]이 사용될 수 있으며, 상기 전자 받게와 빛의 흡수 및 여기자(exciton) 형성과정을 겪는 전자 주게와 함께 블렌딩이 되어 광활성층을 구성한다.
일반적으로 다양한 고분자 블렌딩으로 구성된 유기 기반 태양전지 중, PCBM과 P3HT로 구성된 시스템이 현재 가장 높은 효율을 보고하고 있으며 주로 이러한 광활성층은 블렌딩 용액의 스핀코팅에 의해 제작이 되고 있다. 그러나, 다음 도 2에서 나타낸 바와 같이, 기판의 회전에 의해 필름을 형성하는 스핀 코팅은 기판이 진공에 의해 고정되어야 하므로 진공척을 비롯한 특별한 장치들이 필수적이며 기판의 면적이 넓은 경우, 장치는 더욱더 복잡해지므로 이러한 스핀 코팅 공정은 대면적의 대량생산형 유기 기반 태양전지의 제작에는 적합하지 않다. 또한, 유기 기반 소자의 큰 장점의 하나인 굽힘 가능한 태양전지의 제작 가능여부에서도 이러한 스핀 코팅 법의 경우, 진공에 의해 기판이 고정될 때, 기판의 변형에 따른 광활성층의 불균일성에 의한 성능의 저하도 예상되어 적합하지 않다.
이외에도 다음 도 3의 롤-투-롤(roll-to-roll)방법에 따른 유기 기반 태양전지의 실용화의 경우, 굽힘 가능한 기판이 이동을 하면서 단시간에 정공전달 층이나 광활성 층은 유기물이 적층이 되어져야 하는데, 이러한 실용화 시스템에도 스핀 코 팅은 적절하지 못하다.
이에 본 발명은 특별한 장치를 필요로 하지 않으며 신속하고 용이하게 유기물 층을 적층할 수 있는 새로운 용액 공정으로 다음 도 4와 같이 칠하는 방법을 이용한 코팅방법을 소자 제작에 적용하는 것에 기술구성상의 특징이 있다. 이러한 칠하는 방법으로 이용한 각각의 유기물 층을 형성과정은 용매의 제거를 위해 기판을 일정한 온도의 열판 위에 두고 블렌딩 용액을 묻힌 붓으로 유기물 층을 코팅하는 방법으로, 적층이 아주 단시간에 이루어지며 별다른 시스템을 요구하지 않는 간단한 공정이며 또한 칠을 하는 과정에서 물리적으로 분자들을 잘 배열시켜 결정성을 높여줄 수 있어 전하의 이동도 향상과 이에 따른 효율 향상을 기대할 수 있겠다.
또한, 칠하는 방법의 새로운 용액 공정이 다음 도 5과 같이 롤-투-롤(roll-to-roll)에 적용될 경우, 대량생산형 유기 기반 태양전지의 제작에 아주 적합할 것으로 예상되어 지며 그 설비 또한 간단하게 설계되어질 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
상기 유기 전극층(2), 정공전달층(3) 및 광활성층(4) 모두, 또는 일부의 형성과정에 칠하는 공정을 적용 시 각각 특정의 공정 조건이 요구된다.
상기 유기 전극층(2)은 1cm × 1cm 면적의 기판을 기준으로, 50 ∼ 120 ℃ 온도범위, 0.5 ∼ 3초 시간동안, 용액에 대하여 1 ∼ 20 중량% 농도범위에서 수행된다. 상기 온도가 50 ℃ 미만이면 두께의 조절이나 얇은 막의 형성이 어렵고 120 ℃를 초과하면 빠른 용매 휘발로 균일한 표면을 가지는 막의 형성에 어려움이 있으며, 농도가 1 중량% 이거나 20 중량%를 초과하는 경우에는 적절한 전극의 두께인 100 ∼ 500 나노 미터의 전극층 형성에 문제가 발생한다.
상기 정공전달층(3)은 1cm × 1cm 면적의 기판을 기준으로, 50 ∼ 120 ℃ 온도범위, 0.5 ∼ 3초 시간동안, 용액에 대하여 0.5 ∼ 10 중량% 농도범위에서 수행된다. 상기 온도가 50 ℃ 미만이거나 120 ℃를 초과하는 경우, 균일도가 좋은 필름의 형성이 어려우므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 또한 농도가 0.5 중량% 미만이면 막의 두께가 너무 얇아 태양전지의 제작 시, 소자가 쇼트 되는 문제가 발생될 수 있으며 10 중량% 초과하는 경우에는 막의 두께가 두꺼워 정공의 원활한 전달이 이루어 질 수 없다는 문제점을 가진다.
상기 광활성층(4)은 사용하는 용매에 따라 최적화된 조건은 달라지나, 1cm × 1cm 면적의 기판을 기준으로, 상온 ∼ 유기용매 비점의 70 ∼ 80% 온도범위, 0.5 ∼ 10초 시간동안, 용액에 대하여 0.5 ∼ 30 중량% 농도범위에서 수행된다. 상기 상온 ∼ 유기용매 비점의 70 ∼ 80% 온도범위를 벗어나는 경우에는 균일도가 좋은 필름의 형성이 어렵고, 전자 주게와 받게 고분자가 나노 스케일로 균일하게 존재하지 못하는 문제가 있다. 또한 농도가 0.5 중량% 미만이면 얇은 광활성층의 형성으로 인해 태양빛을 흡수하는 정도가 낮아 높은 광전류를 얻을 수가 없으며, 30 중량% 초과하는 경우에는 높은 점성으로 인한 균일한 막 형성에 문제점을 가진다.
상기 온도가 유기용매의 비점에 가깝거나 초과하는 경우는, 막의 균일도가 떨어지며 빠른 용매의 제거로 인한 결정성 결여로 바람직하지 않다. 또한 농도 가 0.5 중량% 미만이면 막의 두께가 너무 얇아 균일한 막의 형성이나 원활한 빛의 흡수와 전자 정공의 형성이 어려우며 30 중량%를 초과하는 경우에는 높은 농도로 인한 균일한 막의 형성에 문제가 발생한다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 다음 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 붓을 이용한 광활성층의 형성과 이를 적용한 유기 기반 태양전지의 제조
다음 도 4의 개략도와 같은 방법으로 광활성층을 형성하고 이를 적용한 유기 기반 태양전지의 제작 및 기존의 일반적인 스핀 코팅 공정이 적용된 유기 기반 태양전지와의 성능 비교를 실시하였다.
먼저, 수용성 정공 전달 물질인 PEDOT-PSS를 전도성 기판인 ITO가 코팅된 유리 기판에 스핀 코팅으로 도포를 한 후, 용매의 제거를 위해 약 120 ℃에서 열처리하였다. 이렇게 정공 전달물질이 도포된 기판을 질소분위기의 글로브 박스에 넣은 후, 광활성층을 제조하는 바, 본 발명에서는 PCBM과 P3HT를 각각 전자 받게와 주게로 사용하였고, 블렌딩 용액은 클로로벤젠이라는 유기용매에 각각을 녹이고, 이 각각의 용액을 섞어 제조하였다.
상기에서 제조된 용액을 이용하여 광활성층을 도포하는데, 도 4에서와 같이 기판을 적절한 온도로 유지시켜 주어 붓을 이용하여 칠을 하는 과정에서 용매를 적절한 속도로 제거하도록 한다. 이때, 온도는 80 ℃로 유지하며, 블렌딩 용액에 붓을 담궜다가 2 ∼ 3초의 시간으로 붓칠하여 광활성층을 적층하여 유기 기반 태양전지를 제조하였다.
상기에서 제조된 유기 기반 태양전지의 성능을 평가하기 위하여 기존의 일반적인 방법인 스핀 코팅을 이용하여 활성층을 형성하여 함께 비교하였다. 여기서, 전극의 증착 전에 분자들의 배열을 도와 전하의 이동도를 증진시키기 위하여 110 ℃에서 열처리를 해주었으며 금속 전극으로는 Ca/Al을 사용하였다. 또한, AM 1.5G 필터를 사용하여 빛의 스펙트럼을 조절하였고, 샘플에 도달하는 광원은 1 SUN 조건, 즉 100 mW/㎠으로 조절하였으며 이러한 표준조건하에 측정된 태양전지의 효율은 다음 도 6의 전류-전압곡선으로부터 계산할 수 있다.
다음 도 6에 나타낸 바와 같이, 종래의 전형적인 제작방법인 스핀코팅에 의해 제조된 경우, 그 효율은 약 4.5%로 환산되었으며, 본 발명에서의 새로운 용액 공정인 붓을 이용한 경우 약 5.2%로 그 효율이 향상되었음을 알 수 있다. 이러한 값들은 최근 보고되고 있는 유기 기반 태양전지의 최고 효율값과 유사한 값이며 이러한 최적화된 방법을 이용할 경우, 유기 기반 태양전지의 실용화가 가속될 것을 예상할 수 있다.
실시예 2 : 붓을 이용한 유기물 층(정공전달 층)과 광활성 층의 형성과 이를 적용한 유기 기반 태양전지의 제조
상기 실시예 1에서는 정공 전달 물질인 PEDOT-PSS를 기존의 방법으로 도포하여 소자를 제작하였으나, 실제로 실용화 될 경우 이러한 정공 전달 물질의 코팅 공 정도 변화가 되어야 하며 또한, 현재 금속 전극을 사용하는 방법도 전도성이 좋은 고분자 물질로 대체되어 용액 공정으로 이루어지는 것이 바람직하다고 하겠다.
이에 본 실시예에서는 전극을 제외한 유기물 층들을 모두 새로운 용액 공정으로 제작하여 그 가능성을 평가하고자 하였다.
먼저, 정공 전달 물질인 PEDOT-PSS를 붓을 이용하여 코팅하였는데, 이러한 코팅과정에서도 용매인 물을 제거하기 위하여 ITO가 코팅된 기판을 80 ℃로 유기시킨 상태에서 수행하였다. 이후에, 열처리 과정으로 120 ℃에서 추가 열처리를 수행하였다. 상기에서 제조된 유기물 층(정공전달 층)을 질소분위기로 이동시켜 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 광활성 층을 형성하여, 그 성능을 평가하여 결과를 도 7에 나타내었다.
다음 도 7은 전류-전압 곡선으로, 광원의 세기를 고려하여 변환효율을 계산한 결과 그 값이 3.1%로 일반적으로 보고되고 있는 유기 기반 태양전지와 아주 유사하게 얻어졌으며, 이는 종래의 코팅공정과는 달리 본 발명의 새로운 용액 공정은 대면적이나 롤-투-롤(roll-to-roll)공정에 아주 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 3 : 붓을 이용한 광활성 층의 형성과 이를 적용한 굽힘 가능한 유기 기반 태양전지의 제조
본 실시예에서는 새롭게 개발된 붓을 이용한 유기 태양전지의 제작 방법을 실제 굽힘 가능한 기판에 적용하여 굽힘 가능한 유기 기반 태양전지를 제작하고자 하였다.
기존의 스핀 코팅을 이용한 방법은 기판을 고정시켜줄 진공척에 굽힘 가능한 기판이 고정되었을 때, 기판의 변형으로 인한 불균일한 막의 표면으로 인하여 유리 기판에 제작된 태양전지에 비하여 그 성능이 낮은 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 붓을 이용한 공정이 굽힘 가능한 유기 기반 태양전지의 제작에 아주 적합할 것이라 예상하여 실제 가능성을 평가해 보고자 하였다.
먼저, 정공 전달 물질을 기존의 스핀 코팅 공정으로 적층하여 약 80 ℃로 열처리하여 남은 용매를 제거하였으며, 다음으로 기판을 70 ℃ 기판을 유지한 상태에서 실시예 1에서와 같은 방법으로 광활성 층을 도포하였다. 여기서, 분자들의 배열을 돕기 위해 약 80 ℃로 후처리 해 주었으며, 이는 유리 기판을 사용한 경우인 110 ℃에 비하여 상당히 낮은 온도이므로 분자들의 배열이 충분하지 않을 것을 예상할 수 있다.
상기에서 제조된 소자의 전류-전압 곡선은 다음 도 8에 나타내었으며, 그 효율은 계산한 결과 약 2 %를 유지하였다. 이는 종래에 보고되고 있는 굽힘 가능한 태양전지의 결과와 유사하였다.
또한, 상기 실시예 2에서와 동일하게 모든 구성 요소를 붓을 이용하여 적층한다면 보다 빠른 공정과 높은 효율을 예상할 수가 있겠다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 브러쉬를 적용하여 유기 기반 태양전지를 제조하는 방법은, 분자배열의 유도에 따른 효율의 향상이 가능하며 기존의 스핀 코팅에 비해 간단하고, 샘플을 지지하기 위해 필요한 진공척 등이 필요하지 않아 생산단가의 저하나 대면적 소자 및 굽힘 가능한 소자의 제작에 손쉽게 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 롤-투-롤(roll-to-roll) 시스템에 아주 적합한 용액 공정으로서, 유기 기반 태양전지의 고 효율화 및 실용화를 위한 획기적인 기술로 기대된다.
Claims (9)
- 기판(1), 투명산화물 전극층 또는 유기 전극층(2), 정공전달층(3), 광활성층(4) 및 전극층(5)이 구성요소로서 적층되어 이루어진 유기 기반 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,상기 구성요소 모두가 또는 일부가 브러쉬를 이용한 칠공정을 통하여 분자배열이 유도된 것을 특징으로 하는 브러쉬를 이용한 유기 기반 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 브러쉬는 헝겊, 극세사, 탄소나노튜브, 나노와이어 및 고분자 소재 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 유기 기반 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유기 전극층(2)은 1cm × 1cm 면적의 기판을 기준으로, 50 ∼ 120 ℃ 온도범위, 0.5 ∼ 3초 시간동안, 용액에 대하여 1 ∼ 20 중량% 농도범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유기 기반 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 정공전달층(3)은 1cm × 1cm 면적의 기판을 기준으 로, 50 ∼ 120 ℃ 온도범위, 0.5 ∼ 3초 시간동안, 용액에 대하여 0.5 ∼ 10 중량% 농도범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유기 기반 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광활성층(4)은 1cm × 1cm 면적의 기판을 기준으로, 상온 ∼ 유기용매 비점의 70 ∼ 80% 온도범위, 0.5 ∼ 10초 시간동안, 용액에 대하여 0.5 ∼ 30 중량% 농도범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유기 기반 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광활성층(4)은 전자주게와 전자받게의 유기물 반도체 혼합용액을 제조, 코팅하여 제작되는 거대이형접합(bulkheterojunction)형태,또는 전자주게와 전자받게 각각의 유기물 반도체의 용액을 제조, 단계적으로 두 개의 층을 코팅하여 제작되는 이중층(bilayer)형태를 갖는 것을 특징으로 하는 유기 기반 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 유리 기판 또는 굽힘 가능한 고분자 기판인 것을 특징으로 하는 유기 기반 태양전지의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 굽힘 가능한 고분자는 폴리(에틸렌-테레프탈레이트)(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(Kapton), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에테르이미드(PEI) 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 유기 기반 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 칠하는 공정은 롤-투-롤(roll-to-roll) 시스템이 추가로 적용된 것을 특징으로 하는 유기 기반 태양전지의 제조방법.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR101146832B1 (ko) * | 2010-07-29 | 2012-05-21 | 연세대학교 산학협력단 | 액상 표면 처리를 이용한 고전도성 유기 박막 및 이를 이용한 유기 태양 전지의 제조 방법 |
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