KR20080091311A - Organic photovoltaic cell using the transparent conducting electrode of zno oxide thin film - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 산화인듐이 도핑된 산화아연의 증착용 타겟을 제조하기 위한 공정 흐름도,1 is a process flowchart for manufacturing a target for depositing indium oxide doped zinc oxide according to the present invention,
도 2는 본 발명의 수소 비율에 따른 투명 전도막의 XRD 그래프,2 is an XRD graph of a transparent conductive film according to the hydrogen ratio of the present invention;
도 3은 본 발명의 열처리 온도에 따른 투명 전도막의 XRD 그래프,3 is an XRD graph of a transparent conductive film according to the heat treatment temperature of the present invention;
도 4(a) 내지 도 4(f)는 본 발명에 따른 투명 전도막의 SEM 이미지,4 (a) to 4 (f) are SEM images of the transparent conductive film according to the present invention,
도 5는 본 발명에 따른 투명 전도막의 평탄도의 RMS(Root Mean Square) 데이터,5 is root mean square (RMS) data of flatness of the transparent conductive film according to the present invention,
도 6은 본 발명에 따른 투명 전도막의 전기적 특성 그래프,6 is a graph of electrical characteristics of the transparent conductive film according to the present invention;
도 7은 본 발명에 따른 투명 전도막의 투과율 그래프,7 is a graph of transmittance of the transparent conductive film according to the present invention;
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 유기 태양전지의 전압 대 전류밀도 그래프,8 and 9 are graphs of voltage vs. current density of an organic solar cell according to the present invention;
본 발명은 유기 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인듐이 도핑된 산화아연을 양극으로 사용하고, 반도체 특성을 갖는 유기물로 이루어진 유기 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to an organic solar cell, and more particularly, to an organic solar cell using an indium-doped zinc oxide as an anode, and made of an organic material having semiconductor characteristics.
투명도전막(Transparent Conducting Films)은, 가시광(파장 380 ~ 780 nm)에 투명하고, 또한 고도전성(체적비 저항 1 ×10-3Ωcm 이하)을 아울러 가지는 박막으로, 그 대표적인 ITO(Indium Tin Oxide, In2O3:Sn)박막은, 액정 디스플레이(LCD), 태양전지, 터치패널 등의 주요 전자재료로서, 또 냉장고, 자동차 및 항공기의 창유리 김서림 방지에 활용되고 있다. 또한 ITO 박막의 적외선 차폐효과를 이용한 건축 창유리(low-E window)나 선택광 투과막에의 응용 및 고도전성을 이용한 면발열, 대전방지, 정전 및 전자차폐 등에 대한 응용이 진행되고 있다.Transparent Conducting Films are thin films that are transparent to visible light (wavelengths of 380 to 780 nm) and have high conductivity (volume resistivity of 1 × 10 -3 Ωcm or less), and are representative ITO (Indium Tin Oxide, In). 2 O 3 : Sn) thin films are used as main electronic materials such as liquid crystal displays (LCDs), solar cells, and touch panels, and are also used for preventing window glare from refrigerators, automobiles, and aircraft. In addition, applications to low-E windows or selective light transmitting membranes using infrared shielding effects of ITO thin films, and applications to surface heat generation, antistatic, electrostatic and electronic shielding using high conductivity are being progressed.
이러한 투명도전막을 이용한 응용분야로는 유기 태양전지가 있다. An application field using such a transparent conductive film is an organic solar cell.
태양전지는 석유 자원의 고갈이나 지구 온난화에 따른 에너지 문제 및 환경 문제의 해결책 중 하나이다. 그렇지만, 현재 사용되고 있는 실리콘계 태양전지는 제조 비용(cost)이 높고, 또 제조시에 소비되는 전력이 크기 때문에 아직까지는 에너지 문제 및 환경 문제를 해결할 수 있는 주요 대체수단은 아니다.Solar cells are one of the solutions to energy and environmental problems caused by exhaustion of oil resources or global warming. However, silicon-based solar cells that are currently used have a high manufacturing cost and a large amount of power consumed at the time of manufacture, and thus are not the main alternatives to solve energy and environmental problems.
최근, 실리콘(silicon) 대신에 저비용으로 제조할 수 있는 가능성이 있는 유기 화합물을 이용하는 기술이 제안되고 많은 연구 개발이 행해지고 있다.In recent years, a technique using organic compounds having the possibility of being manufactured at low cost instead of silicon has been proposed and a lot of research and development have been carried out.
그러나, 이러한 유기 태양전지에서 광전변환층으로 사용되는 유기물의 경우 전하의 이동도가 낮아 조사된 빛에 의하여 형성된 엑시톤이 각각 음극과 양극으로 이동하기 전, 재결합할 확률이 높아, 에너지 변환효율을 저하하는 요인으로 작용하는 단점이 있다. 또한 ITO의 높은 가격은 제품의 단가를 높이는 단점이 있다.However, the organic material used as the photoelectric conversion layer in such an organic solar cell has a low charge mobility, and thus the excitons formed by the irradiated light have a high probability of recombination before moving to the cathode and the anode, respectively, thereby degrading energy conversion efficiency. There is a disadvantage that acts as a factor. In addition, the high price of ITO has the disadvantage of increasing the unit price of the product.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 고비용의 ITO 양극재료를 대체하기 위하여 산화아연에 인듐을 도핑하여 형성한 저비용의 IZO(Indium Zinc Oxide)박막을 양극으로 사용하면서도 광전변환 효율이 우수한 유기 태양 전지를 제공하는데 목적이 있다. In order to solve the above problems, the present invention uses an inexpensive IZO (Indium Zinc Oxide) thin film formed by doping zinc oxide as an anode in order to replace the expensive ITO anode material, while having excellent photoelectric conversion efficiency. An object is to provide a battery.
본 발명의 유기 태양전지는 입사된 빛에 의하여 엑시톤 형성을 위한 유기물의 광전변환층; 상기 엑시톤 중 전자를 받기 위한 음극; 및 상기 엑시톤 중 정공을 받기 위하여 기판상에 형성된 인듐이 도핑된 산화아연 양극을 포함한다.The organic solar cell of the present invention comprises: a photoelectric conversion layer of an organic material for forming excitons by incident light; A cathode for receiving electrons in the exciton; And an zinc oxide anode doped with indium formed on a substrate to receive holes in the exciton.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 1은 본 발명에 따른 인듐이 도핑된 산화아연 전도성 타겟을 제조하기 위한 공정 흐름도이다.1 is a process flow diagram for producing an indium doped zinc oxide conductive target according to the present invention.
유기 태양전지의 양극으로 사용할 투명 전도성 박막은 스퍼터링을 이용하여 기판상에 증착된다. 이때, 사용되는 타겟의 성분으로는 90~99.99%의 순수 산화아연 분말(ZnO) 98~99.5 mol%에 90~99.99% 이상의 순수 인듐산화분말(In2O3)을 Zn함량 대비 In의 함유량이 각각 1at% 내지 4at% 범위(0.5 ~ 2 mol%)로 혼합한 후 고체상반응법을 이용하여 IZO 타겟으로 형성한다. IZO 타겟이 완성되면, 타겟에 전압을 인가하기 위한 마그네트론 건(gun)과 결합하고 스퍼터링 챔버에 장착하여 유기 태양전지를 제조하기 위한 공정을 준비한다.A transparent conductive thin film to be used as an anode of an organic solar cell is deposited on a substrate using sputtering. At this time, the target component used is 90 to 99.99% pure zinc oxide powder (ZnO) 98 to 99.5 mol% of indium oxide powder (In 2 O 3 ) or more than 90 to 99.99% pure content of In compared to Zn content. Each is mixed in the range of 1at% to 4at% (0.5 to 2 mol%) and then formed into an IZO target by using a solid phase reaction method. When the IZO target is completed, it is combined with a magnetron gun for applying a voltage to the target and mounted in a sputtering chamber to prepare a process for manufacturing an organic solar cell.
유기 태양전지의 형성은 양극으로 사용되는 기판상에 IZO 투명 전도성 박막을 증착하는 것으로 시작한다. The formation of an organic solar cell begins by depositing an IZO transparent conductive thin film on a substrate used as an anode.
먼저, 유기 태양전지의 양극은 앞서 제작한 IZO 타겟이 장착된 스퍼터링 챔버를 이용하여 투명 기판에 IZO 박막을 증착한다. First, an anode of an organic solar cell deposits an IZO thin film on a transparent substrate using a sputtering chamber equipped with a previously prepared IZO target.
본 발명에 따른 투명 기판으로는 PET을 포함하는 유기물 소재로 이루어진 휘어짐이 가능한 플라스틱 기판을 사용하거나 유리 기판을 사용할 수 있다.As the transparent substrate according to the present invention, a flexible plastic substrate made of an organic material including PET or a glass substrate may be used.
본 발명에 따른 유리 기판은 코닝사의 비알카리성 Corning 7059 및 관련 제 품을 사용하고, 증착 전, IPA(이소프로필알콜), 아세톤 및 탈이온수를 이용하여 세척을 한다. 세척이 완료되면 건조 후 스퍼터링 챔버내 재치대 상에 로딩한다. 유리 기판이 챔버내에 로딩되면, 유리 기판 상부에 위치한 셔터를 이용하여 기판의 표면을 가리는 것이 바람직하다.The glass substrate according to the present invention uses Corning's non-alkaline Corning 7059 and related products, and is cleaned using IPA (isopropyl alcohol), acetone and deionized water before deposition. When the washing is complete, it is loaded on a mounting table in the sputtering chamber after drying. Once the glass substrate is loaded into the chamber, it is desirable to cover the surface of the substrate using a shutter located above the glass substrate.
다음으로 터보와 로터리 펌프를 작동시켜 챔버내의 베이스 압력을 10-7 내지 10-9 torr를 유지한다. 챔버내의 압력이 일정 시간동안 유지되면, 스퍼터링을 위한 가스를 매스 플로우 컨트롤러(MFC;Mass Flow Controller)를 이용하여 서서히 챔버내로 주입한다.Next, the turbo and the rotary pump are operated to maintain the base pressure in the chamber from 10 −7 to 10 −9 torr. When the pressure in the chamber is maintained for a certain time, the gas for sputtering is gradually injected into the chamber using a mass flow controller (MFC).
본 발명에 따르면, 스퍼터링을 위한 가스로는 99.999% 순도의 아르곤을 포함한 불활성 가스와 고순도 수소 가스를 사용할 수 있으며, 불활성 가스와 수소가스를 혼합한 가스를 사용할 수 있다.According to the present invention, as a gas for sputtering, an inert gas including high argon of 99.999% purity and a high purity hydrogen gas may be used, and a gas mixed with an inert gas and hydrogen gas may be used.
본 발명의 실시예에 따른 혼합가스의 비율은 불활성 가스의 양은 고정하고 수소 가스의 양을 변화시킬 수 있다. 즉, H2/(H2+Ar)의 값을 0에서 0.32의 범위로 변화시킨다. The ratio of the mixed gas according to the embodiment of the present invention can fix the amount of inert gas and change the amount of hydrogen gas. That is, the value of H 2 / (H 2 + Ar) is changed in the range of 0 to 0.32.
가스 주입 후, 챔버내의 압력이 소정의 시간 동안 10-2 내지 10- ttorr로 유지되면, 타겟이 부착된 마그네트론 건에 100W 내지 200W의 DC 전압을 인가한다. 그리고 20분 동안 예비 스퍼터링(pre-sputtering)을 한 후, 기판을 가리고 있는 셔터를 제거하고 소정의 시간동안 스퍼터링하여 기판에 IZO막을 형성한다.After the gas injection, the pressure is 10 -2 to 10 for a predetermined time in the chamber, when held at t torr, and applies a DC voltage of 100W to 200W to the target magnetron gun is attached. After pre-sputtering for 20 minutes, the shutter covering the substrate is removed and sputtered for a predetermined time to form an IZO film on the substrate.
도 2는 본 발명에 따른 투명 전도막의 XRD(X-ray Diffraction) 그래프이다.2 is an X-ray diffraction (XRD) graph of the transparent conductive film according to the present invention.
IZO 증착하는 과정에서 기판의 온도는 100℃로 유지하였다. 기판 상부에 형성된 인듐이 도핑된 산화 아연 박막(IZO)은 우르짜이트(Wurite)의 구조로 형성되고 c 축으로 잘 성장된 산화아연의 강한 (0002) 피크를 보이고 있다. 그리고 산화아연을 제외한 산화인듐 상(phase)은 관찰되지 않는데, 이는 인듐이 아연 자리에 잘 치환되었으며, 결정립계(grain boundary) 부근에서 인 클러스터(In cluster) 등이 존재하지 않기 때문이다. During the IZO deposition process, the temperature of the substrate was maintained at 100 ° C. The indium-doped zinc oxide thin film (IZO) formed on the substrate has a strong peak of zinc oxide formed in a structure of urite and well grown in the c-axis. In addition, indium oxide phase except zinc oxide is not observed because indium is well substituted in place of zinc and there is no in cluster in the vicinity of grain boundary.
도시된 그래프에서 R은 H2/(H2+Ar)로서 아르곤 가스내 수소 가스의 함량비를 의미하며, 측정된 (0002) 회절 피크의 크기는 R 값이 0.16까지 증가함에 따라 감소하고 R 이 0.16 이상에서는 회절 피크의 각도인 2θ 값이 고각으로 이동한다. 이는 수소가 격자 안에서 라디칼 형태로 존재하거나 이온화되어 다른 이온의 자리에 치환 혹은 격자안에 침입형으로 존재하다가 과량으로 도핑됨에 따라 아연 혹은 산소가 있던 빈 공간에 삽입됨으로 인한 현상이다.In the graph shown, R is H 2 / (H 2 + Ar), which means the content ratio of hydrogen gas in argon gas, and the magnitude of the measured (0002) diffraction peak decreases as R value increases to 0.16 and R is At 0.16 or more, the 2θ value, which is the angle of the diffraction peaks, moves at a high angle. This is due to hydrogen being present in the form of radicals in the lattice or ionized and replaced by other ions, or invaded in the lattice, and then inserted into the empty space where zinc or oxygen was present.
반면, R 값이 0.16까지 증가한 박막의 반치폭(FWHM)은 R = 0.00에 비해 감소하는 경향을 보이고, 그 이상에서는 증가한다. Sherrer's Formula를 사용하여 (0002) 피크의 반치폭으로부터 결정의 크기를 측정하면, R = 0.00, 0.04, 0.08, 0.16, 0.24 및 0.32에 대하여 각각 25nm, 31nm, 30nm, 28nm, 7.4nm 및 4nm 로서 R 값이 0.16을 전후로 결정의 크기가 급격하게 변화한다.On the other hand, the full width at half maximum (FWHM) of the thin film having an R value increased to 0.16 tends to decrease compared to R = 0.00, and increases thereafter. Using the Sherrer's Formula to measure the size of the crystals from the half-width of the (0002) peak, the R value as 25 nm, 31 nm, 30 nm, 28 nm, 28 nm, 7.4 nm and 4 nm for R = 0.00, 0.04, 0.08, 0.16, 0.24 and 0.32 respectively. Around 0.16, the size of the crystal changes drastically.
본 발명의 실시예에 따르면, 재치대에 구비된 히터를 이용하여 IZO 증착 후, 기판을 불활성 가스 분위기에서 열처리를 할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, after the IZO deposition using a heater provided in the mounting table, the substrate may be heat treated in an inert gas atmosphere.
본 발명에 따른 IZO 박막의 열처리는 급속 열처리를 시행할 수 있으며, 이때 챔버내의 압력은 아르곤 가스 주입하여 ~10-3torr 이하이다. 이때, 급속 열처리의 온도는 각각 400℃ 및 650℃이다. Heat treatment of the IZO thin film according to the present invention can be carried out rapid heat treatment, the pressure in the chamber is less than ~ 10 -3 torr by argon gas injection. At this time, the temperature of rapid heat treatment is 400 degreeC and 650 degreeC, respectively.
도 3은 본 발명에 따른 급속 열처리한 IZO의 XRD 그래프이다.3 is an XRD graph of the rapid heat-treated IZO according to the present invention.
A는 열처리 하지 않은 IZO, B는 400℃에서 급속 열처리한 IZO 그리고 C는 650℃에서 급속 열처리한 IZO이다. A is IZO without heat treatment, B is IZO which is rapidly heat treated at 400 ° C, and C is IZO which is rapidly heat treated at 650 ° C.
도시된 바와 같이 상온에서 증착된 IZO 박막보다 높은 온도에서 급속 열처리된 IZO 박막이 기판에 대해 수직으로 결정 성장이 우수하게 형성되었으며, 이는 반치폭의 감소로부터 알 수 있다.As shown, the IZO thin film rapidly heat-treated at a higher temperature than the IZO thin film deposited at room temperature was formed with excellent crystal growth perpendicular to the substrate, which can be seen from the decrease in half width.
도 4(a) 내지 도 4(f)는 본 발명에 따른 투명 전도막의 SEM(Scanning Electron microscope) 이미지이다.4 (a) to 4 (f) are scanning electron microscope (SEM) images of the transparent conductive film according to the present invention.
R 값이 증가함에 따라 표면의 평탄도에 변화가 있다. R = 0.02부터 R = 0.16은 R = 0.00보다 평탄도가 우수하나, R = 0.32에서는 평탄도가 열악함을 알 수 있다.As the R value increases, the flatness of the surface changes. From R = 0.02 to R = 0.16, the flatness is better than R = 0.00, it can be seen that the flatness is poor at R = 0.32.
도 5는 본 발명에 따른 투명 전도막의 평탄도를 RMS(Root Mean Square)값으로 나타낸 것이다.5 illustrates the flatness of the transparent conductive film according to the present invention as a root mean square (RMS) value.
점선은 통상적으로 시판되어 사용되고 있는 ITO의 평탄도를 나타낸 것으로 R = 0.00, 0.04, 0.08, 0.16, 0.24 및 0.32에 대하여 투명 전도막의 평탄도는 각각 3.6, 1.7, 2.1, 2.0, 2.1 그리고 6.2nm 으로서 R = 0.32를 제외한 모든 박막은 수소가 도핑된 양이 증가함에 따라 향상됨을 볼 수 있다.The dotted line shows the flatness of ITO, which is commercially available, and the flatness of the transparent conductive film is 3.6, 1.7, 2.1, 2.0, 2.1 and 6.2 nm for R = 0.00, 0.04, 0.08, 0.16, 0.24 and 0.32, respectively. All thin films except R = 0.32 can be seen to improve as the amount of hydrogen doped increases.
도 6은 본 발명에 따른 투명 전도막의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the electrical properties of the transparent conductive film according to the present invention.
홀(hall) 측정 결과, 투명 전도막의 전기적 특성 중 전하 농도는 R 값이 0.16 까지 증가함에 따라 0.42×1020cm- 3 에서 5.41×1020cm- 3증가하여 전기 전도도가 우수한 박막으로 형성되며, 홀 이동도는 0.78 cm2/vs 에서 17.87 cm2/vs로 23배로 증가한 후 점자 감소한다. 저항은 1.9×10-1Ωcm 에서 9.9×10-4Ωcm로 급격히 감소함을 알 수 있다. 따라서, IZO 박막은 수소의 도핑양이 증가할수록 전기 전도도가 우수한 박막으로 형성된다.As a result of hall measurement, the electric charge concentration among the electrical properties of the transparent conductive film was increased from 0.42 × 10 20 cm - 3 to 5.41 × 10 20 cm - 3 as the R value increased to 0.16 to form a thin film having excellent electrical conductivity. Hole mobility increased by 23 times from 0.78 cm 2 / vs to 17.87 cm 2 / vs and then decreased in Braille. It can be seen that the resistance rapidly decreases from 1.9 × 10 −1 Ωcm to 9.9 × 10 −4 Ωcm. Therefore, the IZO thin film is formed into a thin film having excellent electrical conductivity as the doping amount of hydrogen increases.
상온에서 증착한 IZO의 전하 농도와 이동도는 3.485×1020cm-3, 6.87 cm2/vs이었으며, 급속 열처리를 한 후, 이동도는 10배 정도 증가하였으나, 전하 농도는 큰 변화가 없었다.The charge concentration and mobility of IZO deposited at room temperature were 3.485 × 10 20 cm -3 , 6.87 cm 2 / vs. After rapid heat treatment, the mobility increased by about 10 times, but the charge concentration did not change significantly.
도 7은 본 발명에 따른 IZO의 투과율을 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the transmittance of IZO according to the present invention.
상온에서 200nm 내지 800nm 파장 영역에서의 투과율을 측정한 결과, 약 350nm에서 흡수 스펙트럼이 관찰되며, 가시광선 영역에서는 80% 내지 90%의 투과율을 보인다. 이 결과로 증착 과정에서 수소 가스의 양을 변화시켜 주입하더라도 IZO 박막의 가시광 영역에서의 투과율에는 아무런 영향을 미치지 못함을 알 수 있다.As a result of measuring the transmittance in the wavelength range of 200 nm to 800 nm at room temperature, an absorption spectrum is observed at about 350 nm, and the transmittance of 80% to 90% is shown in the visible region. As a result, even if the amount of hydrogen gas is injected in the deposition process, it can be seen that it does not affect the transmittance in the visible light region of the IZO thin film.
IZO 박막의 광 밴드갭은 도면에서 도시된 UV-vis 스펙트럼으로부터 흡수계 수(absorption coefficient, α)를 계산한 후 α2 vs hυ의 관계를 도 5와 함께 나타내었다. α2 vs hυ 그래프에서 곡선의 변곡점에서 직선을 그어 에너지 축의 교점까지 외삽하여 광 밴드갭을 나타낼 수 있다. R = 0.00, R = 0.04, 0.08 및 R = 0.16에 대하여 광 밴드갭은 각각 3.25 eV, 3.40 eV, 3.48 eV 및 3.55 eV로 수소가 도핑되지 않은 박막과 비교하여 볼 때 R 값이 증가할수록 광 밴드갭의 크기가 증가함을 알 수 있다. 이는 수소가 얕은 주게의 역할을 하여 뾰족한 전도대를 쉽게 채워가는 번스타인 - 모스 효과(Burstein-Moss effect)이다.The optical bandgap of the IZO thin film shows the relationship between α 2 vs hυ after calculating an absorption coefficient (α) from the UV-vis spectrum shown in the drawing. In the α 2 vs hυ graph, the optical bandgap can be expressed by drawing a straight line at the inflection point of the curve and extrapolating to the intersection of the energy axis. For R = 0.00, R = 0.04, 0.08 and R = 0.16, the optical bandgap is 3.25 eV, 3.40 eV, 3.48 eV and 3.55 eV, respectively, as the R band increases as the R value increases. It can be seen that the size of the gap increases. This is the Burstein-Moss effect, in which hydrogen acts as a shallow donor, easily filling a sharp conduction band.
본 발명에 따른 유기 태양전지는 양극으로 R을 변화하여 형성한 IZO, 정공 추출층으로 PEDOT, 광전변환층으로는 MEH-PPV+PCBM, 전자 추출층으로는 LiF 그리고 음극으로는 Al을 사용한다.The organic solar cell according to the present invention uses IZO formed by changing R as an anode, PEDOT as a hole extraction layer, MEH-PPV + PCBM as a photoelectric conversion layer, LiF as an electron extraction layer, and Al as a cathode.
유기 태양전지를 형성하기 위하여 기판에 IZO 박막이 증착되면, 유기물층은 sol-gel 또는 스핀코팅을 이용하여 형성하고, 음극인 Al는 진공 증기 증착을 이용하여 형성한다. When the IZO thin film is deposited on the substrate to form an organic solar cell, the organic material layer is formed by using sol-gel or spin coating, and the Al, which is a cathode, is formed by vacuum vapor deposition.
본 발명에 따르면, IZO 기판을 챔버에 로딩 전, IPA, 아세톤 및 탈 이온수를 이용하여 세척할 수 있다. 그리고 상압 플라즈마에서 IZO 기판을 처리하거나, RIE(Reactive Ion Etching)를 이용하여 표면을 처리할 수 있다.According to the present invention, the IZO substrate may be cleaned using IPA, acetone and deionized water prior to loading into the chamber. The IZO substrate may be treated in an atmospheric pressure plasma, or the surface may be treated by using reactive ion etching (RIE).
본 발명에 따른 유기 태양전지는 양극, 유기 광전변환층 및 일함수가 낮은 음극을 기본 구조로 할 수 있다.The organic solar cell according to the present invention may have a basic structure of an anode, an organic photoelectric conversion layer, and a cathode having a low work function.
본 발명의 일실시예에 따른 유기 태양전지는 양극으로 사용기 위한 IZO와 음 극 사이에 저분자 유기물로 이루어진 정공 추출층, 광전변환층, 전자 추출층을 형성할 수 있다.The organic solar cell according to the exemplary embodiment of the present invention may form a hole extraction layer, a photoelectric conversion layer, and an electron extraction layer made of a low molecular organic material between IZO and a cathode for use as an anode.
본 발명의 다른 실시예에 따른 유기 태양전지는 양극으로 사용기 위한 IZO와 음극 사이에 고분자 유기물로 이루어진 정공 수송층, 정공 추출층, 광전변환층, 전자 추출층, 전자 수송층을 형성할 수 있다.The organic solar cell according to another embodiment of the present invention may form a hole transport layer, a hole extraction layer, a photoelectric conversion layer, an electron extraction layer, an electron transport layer made of a polymer organic material between the IZO and the cathode for use as an anode.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유기 태양전지는 양극으로 사용기 위한 IZO와 음극 사이에 형성되는 정공 수송층, 정공 추출층, 광전변환층, 전자 추출층, 전자 수송층의 소재로서 고분자와 저분자를 사용할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, an organic solar cell may use a polymer and a low molecule as a material of a hole transport layer, a hole extraction layer, a photoelectric conversion layer, an electron extraction layer, and an electron transport layer formed between IZO and a cathode for use as an anode. have.
도 8은 본 발명에 따른 유기 태양전지의 전압 대 전류 특성을 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the voltage versus current characteristics of the organic solar cell according to the present invention.
태양 전지의 특성은 에너지 변환 효율(η)과 FF(Fill Factor)를 가 있다. The solar cell has energy conversion efficiency η and fill factor (FF).
[식 1][Equation 1]
(Im : 최대 전류, Vm : 최대 전압, Pinc : 빛의 파워)(I m : Maximum current, V m : Maximum voltage, P inc Power of light)
[식 2][Equation 2]
(Im : 최대전류, Vm : 최대전압, Isc : V=0일때의 전류, Voc : I=0일때의 전압)(I m : Maximum current, V m : Maximum voltage, I sc : Current when V = 0, V oc : Voltage when I = 0)
도시된 바와 같이 ITO를 양극으로 사용한 유기 태양전지의 에너지 변환효율은 0.48%(Isc = 2.28 mA/cm2, Voc = 0.7V, FF = 0.3)인 반면, R = 0.04(Isc = 1.6 mA/cm2, Voc = 0.78V, FF = 0.35)에서 증착한 IZO를 양극으로 사용한 유기 태양전지의 에너지 변환효율은 0.44%, R = 0.08(Isc = 1.68 mA/cm2, Voc = 0.8V, FF = 0.39)일 경우는 0.53% 그리고 R = 0.16(Isc = 1.45 mA/cm2, Voc = 0.8V, FF = 0.35)일 경우는 0.41%의 에너지 변환효율을 나타낸다. 유기 태양전지의 에너지 변환효율은 R에 의존하지 않으며, 적정량의 수소 도핑량에 의존함을 알 수 있다.As shown, the energy conversion efficiency of an organic solar cell using ITO as an anode is 0.48% (I sc = 2.28 mA / cm 2 , V oc = 0.7 V, FF = 0.3), while R = 0.04 (I sc = 1.6). The energy conversion efficiency of organic solar cell using IZO deposited at mA / cm 2 , V oc = 0.78V, FF = 0.35) was 0.44%, R = 0.08 (I sc = 1.68 mA / cm 2 , V oc = The energy conversion efficiency is 0.53% for 0.8V, FF = 0.39 and 0.41% for R = 0.16 (I sc = 1.45 mA / cm 2 , V oc = 0.8V, FF = 0.35). It can be seen that the energy conversion efficiency of the organic solar cell does not depend on R, but depends on an appropriate amount of hydrogen doping.
도 9는 본 발명에 따른 급속 열처리를 한 유기 태양전지의 전류-전압 특성 그래프이다.9 is a graph illustrating current-voltage characteristics of an organic solar cell subjected to rapid heat treatment according to the present invention.
상온에서 수소를 주입하지 않고 증착한 IZO를 양극으로 사용한 유기 태양전지의 에너지 변환효율은 ITO를 양극으로 사용한 유기 태양전지의 에너지 변환효율의 0.04%(Isc = 0.24 mA/cm2, Voc = 0.71V, FF = 0.23)로서 태양전지로서의 작동을 하지 못한다. 반면, 400℃에서 급속 열처리한 IZO를 양극으로 사용한 유기 태양전지의 에너지 변환효율은 0.48%(Isc = 1.68 mA/cm2, Voc = 0.75V, FF = 0.38)로서 ITO를 사용한 유기 태양전지와 동일한 에너지 변환효율을 나타낸다. 그리고 650℃에서 급속 열처리한 IZO를 사용한 유기 태양전지의 경우, 에너지 변환효율이 0.52%(Isc = 1.66 mA/cm2, Voc = 0.76V, FF = 0.41)로서 ITO를 사용한 유지 태양전지의 에너지 변환효율을 능가하므로, IZO가 고가의 ITO를 대체할 수 있는 소재라는 것을 알 수 있다. The energy conversion efficiency of an organic solar cell using IZO deposited as an anode at room temperature without hydrogen injection is 0.04% of the energy conversion efficiency of an organic solar cell using ITO as an anode (I sc = 0.24 mA / cm 2 , V oc = 0.71V, FF = 0.23), which does not work as a solar cell. On the other hand, the energy conversion efficiency of the organic solar cell using IZO which was rapidly heat treated at 400 ° C. as the anode was 0.48% (I sc = 1.68 mA / cm 2 , V oc = 0.75V, FF = 0.38). The same energy conversion efficiency as In the case of the organic solar cell using IZO heat-treated at 650 ° C., the energy conversion efficiency was 0.52% (I sc = 1.66 mA / cm 2 , V oc = 0.76 V, FF = 0.41). Since it surpasses the energy conversion efficiency, it can be seen that IZO is a substitute material for expensive ITO.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.
본 발명의 유기 발광소자는 산화아연에 인듐을 도핑하여 형성한 저비용의 IZO를 양극으로 사용함으로써, 현재 사용되고 있는 고비용의 ITO 양극재료를 대체하면서, 에너지 변환효율이 향상된 유기 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.The organic light emitting device of the present invention can provide an organic solar cell having improved energy conversion efficiency while replacing expensive ITO anode materials currently used by using a low-cost IZO formed by doping zinc oxide with indium. It works.
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|---|---|---|---|---|
| KR101103746B1 (en) * | 2010-02-19 | 2012-01-06 | 삼성코닝정밀소재 주식회사 | Substrate of photovoltaic cell and photovoltaic cell containing the same |
| KR101127491B1 (en) * | 2009-07-29 | 2012-03-23 | 삼성코닝정밀소재 주식회사 | Method for manufacturing substrate of photovoltaic cell |
| US9246115B2 (en) | 2010-10-11 | 2016-01-26 | Postech Academy-Industry Foundation | Organic solar cell and method of manufacturing the same |
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2007
- 2007-04-07 KR KR1020070034464A patent/KR20080091311A/en not_active Application Discontinuation
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