KR20090064863A - 스프레이 코팅을 이용한 유기태양전지 제조방법 - Google Patents

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Abstract

스프레이 코팅방법을 이용한 유기태양전지의 광활성층 제조 방법을 개시한다. 본 발명인 스프레이 코팅방법을 이용한 유기태양전지의 광활성층 제조방법은 하나 이상의 물질을 용매에 녹여 용액을 형성하는 단계, 형성된 용액을 묽혀 코팅의 재료를 형성하는 단계, 코팅 재료를 코팅 대상에 분사하여 스프레이 코팅을 수행하는 단계로 구성된다. 스핀코팅과 달리 스프레이 코팅은 별도의 진공척을 필요하지 않아 크기가 큰 기판도 코팅가능하며,롤 투롤 방식에도 적용될 수 있다.
스프레이, 코팅, 유기, 태양전지, 광활성층

Description

스프레이 코팅을 이용한 유기태양전지 제조방법{A spray deposition method for the fabrication of organic solar cells}
본 발명은 스프레이 코팅을 이용한 유기 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스프레이 코팅 방법을 이용하여 태양전지의 광활성층 등을 제조하는 방법에 관한 것이다.
유기 태양전지는 일반적으로 고분자 기판층, 유기 전극층, 전달층, 광활성층 및 금속 전극층으로 구성된다.
고분자 기판층은 유리 또는 가요성 폴리머로 구성되며, 유기 전극층에는 도핑된 주석 산화물 또는 전도성 고분자가 사용된다. 또한, 전달층에는 정공의 전달을 돕는 PEDOT-PSS등의 유기물이 사용되며, 광활성층에는 전자 주게로 사용되는 유기물 반도체와 전자 받게로 사용되는 유기물 반도체가 사용된다. 마지막으로, 금속 전극층은 알루미늄, 은, 마그네슘, 칼슘등의 금속이 사용된다.
이와 같이 다층으로 구성된 유기 태양전지를 제조하기 위하여는 스핀코팅이나 딥코팅법이 사용된다.
그러나, 스핀코팅의 경우에는 기판의 고정을 위해 필수적인 진공척이 사용되 므로 대면적 기판이나 가요성 기판을 이용한 유기 태양전지의 제작에 적용될 수 없다는 문제점을 가지고 있다.
또한, 용액으로부터 기판을 일정속도로 꺼내 올리면서 필름을 형성하는 딥 코팅의 경우, 균일한 필름형성을 위해 용매가 증발 가능한 느린 속도로 기판을 이동시켜야 하므로 제조 시간이 길고, 면적이 큰 기판이나 roll-to-roll 공정에 적용되기에는 어려운 문제점을 가지고 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 스프레이 코팅을 이용한 유기 태양전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하나 이상의 물질을 용매에 녹여 용액을 형성하는 단계와 형성된 용액을 묽혀 코팅의 재료를 형성하는 단계와 코팅 재료를 코팅 대상에 분사하여 스프레이 코팅을 수행하는 단계를 포함하는 분사시간에 따라 흡광도가 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 스프레이 코팅을 이용한 유기 태양전지의 광활성층 제조방법을 제공한다.
여기에서, 하나 이상의 물질은 전자주게 물질 또는 전자 받게 물질일 수 있다.
여기에서, 상기 광활성층은 전자주게 물질의 농도가 전자받게 물질의 농도보다 강한 전자주게층 과 전자받게 물질의 농도가 전자주게 물질의 농도보다 강한 전자받게층의 2 이상의 층으로 구성될 수 있다.
여기에서, 상기 전자주게 물질은 [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester이고, 상기 전자받게 물질은 poly-3-hexylthiophene 일 수 있다.
여기에서, 용매는 클로로포름, 클로로 벤젠, 벤젠 디클로로벤젠일 수 있다.
본 발명의 스프레이 코팅을 이용하면, 별도의 장비 없이 간단한 공정으로 광 활성층을 제조할 수 있다. 또한, 스프레이 코팅을 이용하면 대형기판이나 가요성 기판에도 코팅이 가능하다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그리고, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
실시예 1 스프레이 코팅에 의한 유기 태양전지의 광활성층의 제조
도 1은 일반적인 유기 태양전지의 구조를 나타내는 개략도를 나타낸다.
도 1을 참고하면, 먼저 세척된 유리 기판(110)을 준비한다. 상기의 유리기판(110) 상에는 도핑된 주석 산화물을 사용한 유기 전극층(120)이 형성되어 있다. 상기의 유리기판은 UV 흡광도를 측정하기 위한 것이다.
상기 유기 전극층(120)상에 전달층(130)을 형성 시킨다. 상기의 전달층(130)은 Poly 3,4 - ethylene dioxythiophene (이하 PEDOT) 와 polystyrenesulfonate (이하 PSS)를 혼합물을 이용하여 스핀공정으로 제조한다. 상기의 스핀공정에 있어서 분당 회전수는 5000RPM 이며, 스핀공정을 행한 후 공기중에서 150℃로 5분간 건조시킨다.
도 2는 광활성층(130)의 제조과정을 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 상기의 전달층(130) 상에 광활성(140)을 스프레이 코팅 방법으로 형성시킨다. 상기의 광활성층의 제조과정은 poly-3-hexylthiophene (이하 P3HT) 15mg 과 [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (이하 PCBM) 7.5mg을 혼합하여 상기의 혼합물을 1 mg 클로로 벤젠에 녹여 용액을 만드는 단계, 상기의 용액을 10차례 묽혀서 코팅 재료를 만드는 단계, 상기의 코팅재료를 에어브러쉬(210)에 담고 0.1MPA 압력의 질소를 이용하여 상기의 전달층(130) 상에 도포하여 광활성층을 형성하는 단계로 이루어진다.
상기의 스프레이 공정이 이루어진 후에 110℃에서 7분간 질소로 건조 시킨다. 상기의 광활성층의 면적은 0.164㎠이다.
상기의 광활성층상에 칼슘 30nm와 알루미늄 150nm를 증착하여 금속 전극층(150)을 형성시킨다.
실험예 1 분사시간과 흡광도 간의 상관실험
본 실험에서는 실시예 1의 방법에 의하여 제조된 유기 태양전지를 이용하였다.
상기의 유기태양전지의 광활성층의 스프레이 분사시간을 달리하여 흡광도를 측정하였다.
도 3은 분사시간과 흡광도 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3의 (a)는, AM 1.5G 필터를 사용하여 빛의 파장을 조절하고, 각각의 조절된 파장영역에서의 흡광도를 측정한 그래프이다.
도 3의 (a) 참조하면, 분사시간에 따라 각각의 파장에서 다른 흡광도를 나타냄을 알 수 있다. 이로써, 분사시간을 달리하여 광활성층의 특성을 변화시킬 수 있음을 알 수 있었다. 또한 분사시간을 달리한 각각의 실험예들은 모두 510 nm의 파장에서 최대의 흡광도를 나타내었다.
도 3의 (b)는 510nm의 파장에서 분사시간에 따른 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 3의 (b)를 참조하면, 510nm 파장에서 분사시간과 흡광도사이에 선형의 비례관계가 있음을 알 수 있다. 이로서 분사시간 따라 흡광도를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 2 용매에 따른 효율 실험
본 실시예와 동일한 방법으로 제조한 유기 태양전지를 제조하되, 광활성층 제조시 용매를 클로로포름, 클로로 벤젠, 벤젠 디클로로벤젠을 사용하였다. 다양한 용매를 사용한 광활성층을 포함하는 유기태양전지의 전류와 전압을 측정하였다.
도 4 는 실험예 2의 다양한 용매를 사용한 광활성층을 포함한 유기태양전지의 전류와 전압을 측정한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상기의 최대 전류와 전압을 최대 기울기를 가지는 지점의 전압과 전류를 곱하면 효율이 계산된다. 상기 도 2에서 최대 에너지 효율을 나타내는 것은 클로로벤젠을 용매로 사용한 광활성층을 포함하는 유기태양전지임을 알 수 있다.
실시예 2 다층구조의 광활성층의 제조 (1)
실시예 1과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하되, 실시예 1의 방법으로 제조한 제 1의 광활성층(240nm) 위에 PCBM (100%)의 조성을 갖는 제 2의 광활성층(20nm)을 실시예 1의 방법으로 제조한다.
실험예 3 다층구조의 광활성층을 가지는 유기 태양전지의 특성실험 (1)
실시예 2에 의하여 유기태양전지와 상기 실시예 1에 의하여 제조된 유기태양전지(광활성층의 두께는 260nm)의 효율을 비교한 실험을 하였다.
도 5 는 실시예 2와 실시예 1의 유기태양전지의 전압-전류를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참고하면, 실시예 2에서와 같이 PCBM 광활성층을 더 가지는 유기태양전지의 경우가 에너지 효율이 개선되었음을 알 수 있다.
도 6은 실시예 2와 실시예 1의 유기태양전지의 병렬저항 및 직렬저항 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참고하면, 다층 광활성층 구조를 가지는 실시예 2의 유기태양전지가 단일 광활성층 구조를 가지는 실시예 1의 유기태양전지에 비해 개선된 정류특성을 가지며 증가된 병렬저항 및 감소된 직렬저항 등을 가지는 등 특성이 개선되었음을 알 수 있다.
실시예 3 다층구조의 광활성층의 제조 (2)
실시예 1의 방법으로 유기태양전지를 제조하되, P3HT:PCBM 의 비율을 1:0.5 인 광활성 제1층 40nm를 제조하고 그 위에 P3HT:PCBM 의 비율이 1:2인 광활성 제2층을 80nm로 광활성 제2층을 제조한다.
실험예 4 다층구조의 광활성층을 가지는 유기 태양전지의 특성실험 (1)
실시예 3으로 제조한 유기태양전지와 실시예 1의 방법으로 유기태양전지를 제조하되, 광활성층에서 P3HT:PCBM의 농도를 2:1, 1:1, 1:2로 변화시킨 유기태양전지와의 효율을 비교하는 실험을 하였다.
도 7은 실험예 4의 전류-전압을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참고하면, 조성이 다른 2개의 광활성층을 가지는 실시예 3이 각각P3HT:PCBM의 농도가 2:1, 1:1, 1:2 조성인 단일 광활성층을 가지는 다른 실시예에 비하여 우수한 효율을 가짐을 알 수 있다. P3HT:PCBM의 농도가 2:1, 1:1, 1:2인 경 우에는 각각의 효율이 3.5%, 3.4%, 3.2% 이나 실시예4의 경우에는 4.3%으로 우수한 효율을 나타냈다.
비교예 1 스핀코팅 방법으로 광활성층 제조
실시예 1의 방법으로 유기태양전지를 제조하되, 클로로벤젠에 녹인 P3HT와 PCBM를 스핀공정을 행하여 광활성층을 제조한다.
비교실험 1 스핀코팅 방법으로 제조한 광활성층을 가지는 유기태양전지와의 특성 비교
실시예 1과 비교예 1의 IPCE(The incident photon to current conversion efficiency)스펙트럼을 측정하고, 전압-전류를 측정하였다.
도 8 (a)는 실시예 1과 비교예 1의 IPCE(The incident photon to current conversion efficiency)스펙트럼를 나타탠 그래프이다.
도 8 (a)를 참고하면, IPCE 곡선을 보면 같은 재료를 사용하였음에도 불구하고 스프레이코팅을 사용한 실시예1 이 스핀코팅을 사용한 비교에 1에 비하여 더 넓은 흡수 스펙트럼을 갖는 것을 보여주었는데, 실시예 1이 스프레이 코팅을 사용하여 거친 표면을 가짐에도 불구하고, 전극에서 빛이 반사될 때 난반사를 하게되여 흡광계수가 높지 않은 파장영역에서도 높은 효율로 에너지 전환을 가능하기 때문인 것으로 보인다.
도 8 (b)는 실시예 1과 비교예1의 전류-전압을 나타내는 그래프이다.
도 8 (b)를 참고하면, 이때 효율은 스핀코팅을 사용한 비교예1 과 스프레이 코팅을 사용한 실시예가 각각 약 2.8%, 2.9%를 보였는데, 이로부터 스프레이로 제작한 필름이 기존의 스핀코팅으로 제작한 필름에 비하여 거친 표면을 갖지만 성능에는 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다.
도 1은 일반적인 유기 태양전지의 구조를 나타내는 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 광활성층의 제조과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 분사시간과 흡광도 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 다양한 용매를 사용한 광활성층을 포함한 유기태양전지의 전류와 전압을 측정한 그래프이다.
도 5 는 실시예 2와 실시예 1의 유기태양전지의 전압-전류를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 2와 실시예 1의 유기태양전지의 병렬저항 및 직렬저항 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실험예 4의 전류-전압을 나타내는 그래프이다.
도 8 (a)는 실시예 1과 비교예 1의 IPCE(The incident photon to current conversion efficiency)스펙트럼를 나타탠 그래프이다.
도 8 (b)는 실시예 1과 비교예1의 전류-전압을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
110: 기판층 120: 유기 전극층
130: 절연층 140: 광활성층
150: 전극층

Claims (5)

  1. 하나 이상의 물질을 용매에 녹여 용액을 형성하는 단계;
    상기 형성된 용액을 묽혀 코팅의 재료를 형성하는 단계;및
    상기 코팅 재료를 코팅 대상에 분사하여 스프레이 코팅을 수행하는 단계를 포함하는 분사시간에 따라 흡광도가 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 스프레이 코팅을 이용한 유기 태양전지의 광활성층 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 물질은 전자주게 물질 또는 전자 받게 물질인 것을 특징으로 하는 광활성층 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 광활성층은
    전자주게 물질의 농도가 전자받게 물질의 농도보다 강한 전자주게층;과
    전자받게 물질의 농도가 전자주게 물질의 농도보다 강한 전자받게층의 2 이상의 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광활성층 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자주게 물질은 [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester이고, 상기 전자받게 물질은 poly-3-hexylthiophene 임을 특징으로 하는 광활성층 제조방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    용매는 클로로포름, 클로로 벤젠, 벤젠 디클로로벤젠인 것을 특징으로 하는 광활성층 제조방법
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