KR20090108476A - 유기 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

유기 태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20090108476A
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김동유
나석인
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광주과학기술원
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Abstract

유기 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다. 상기 유기 태양전지는 제1 전극 및 제2 전극을 구비한다. 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 유기 활성층이 개재된다. 상기 유기 활성층은 상기 제2 전극에 인접한 면 내에 요철구조를 구비한다. 상기 요철구조는 엘라스토머 스탬프를 상기 유기 활성층의 상부면 상에 접촉시켜 형성할 수 있다. 상기 엘라스토머 스탬프는 표면 부조 격자(surface relief grating; SRG)를 갖는 주형을 사용하여 몰딩하여 형성할 수 있다. 상기 주형은 광이성질체화 고분자층(photoisomerization polymer layer)을 구비하고, 광이성질체화 고분자층 상에 간섭광을 조사하여 상기 표면 부조 격자를 형성할 수 있다. 상기 표면 부조 격자는 경사면 회절 격자일 수 있다.
태양전지, 요철구조, 스탬프, 표면 부조 격자

Description

유기 태양전지 및 이의 제조방법 {Organic solar cell and method for fabricating the same}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 유기 태양전지에 관한 것이다.
현재 우리가 주로 에너지원으로 사용하고 있는 화석연료는 점차로 그 생산량이 감소하는 추세에 있다. 또한, 화석연료를 태울 때 발생되는 이산화탄소는 지구 온난화 문제를 유발시키고 있다. 이 때문에 화석연료를 대체할 친환경적인 에너지 변환 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 친환경적인 에너지로는 수력, 풍력, 태양광 등이 있다.
태양전지는 태양광을 전기에너지로 전환시키는 장치로서, 현재 상용화되어 있는 대부분의 태양전지는 실리콘을 사용하여 제작한다. 그러나, 실리콘 태양전지는 광흡수 능력이 작아 두꺼운 두께로 제작되며, 그 크기가 다소 커서 주로 건물 밖에 설치하는 용도로 사용되고 있다.
이러한 실리콘 태양전지의 한계를 극복하기 위해, 공액 고분자(conjugated polymer)를 사용한 고분자 태양전지가 연구되고 있다. 이러한 고분자 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해서 광흡수 능력이 향상되기는 하였지만 아직 만족할만한 수준에 이르지 못하고 있다. 고분자 태양전지의 광흡수 능력을 향상시키기 위해 고분자 활성층의 두께를 향상시킬 수 있으나, 이 경우 직렬저항(series resistance)이 높아지는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 활성층의 두께를 증가시키지 않으면서도 광흡수 능력을 현저하게 향상시킨 유기 태양전지 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 유기 태양전지를 제공한다. 상기 유기 태양전지는 제1 전극 및 제2 전극을 구비한다. 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 유기 활성층이 개재된다. 상기 유기 활성층은 상기 제2 전극에 인접한 면 내에 요철구조를 구비한다.
상기 제1 전극은 광투과전극이고, 상기 제2 전극은 광반사전극일 수 있다. 상기 요철은 회절격자, 구체적으로는 경사면 회절 격자(blazed diffraction grating)일 수 있다. 상기 유기 활성층은 고분자 활성층, 구체적으로는 벌크 헤테 로정션 활성층(bulk heterojunction active layer)일 수 있다. 상기 유기 활성층과 상기 광투과 전극 사이에 버퍼층이 개재될 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 일 측면은 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다. 먼저, 전지기판 상에 제1 전극을 형성한다. 상기 제1 전극 상에 유기 활성층을 형성한다. 상기 유기 활성층의 상부면 내에 요철구조를 형성한다. 상기 요철구조를 갖는 유기 활성층 상에 제2 전극을 형성한다.
상기 요철구조는 엘라스토머 스탬프를 상기 유기 활성층의 상부면 상에 접촉시켜 형성할 수 있다. 상기 엘라스토머 스탬프는 표면 부조 격자(surface relief grating; SRG)를 갖는 주형을 사용하여 몰딩하여 형성할 수 있다. 상기 주형은 광이성질체화 고분자층(photoisomerization polymer layer)을 구비하고, 광이성질체화 고분자층 상에 간섭광을 조사하여 상기 표면 부조 격자를 형성할 수 있다. 상기 표면 부조 격자는 경사면 회절 격자일 수 있다.
본 발명에 따르면, 유기 활성층의 일측면에 유기 요철구조를 형성함으로써, 상기 유기 활성층을 통과하는 광경로를 증가시켜, 유기 활성층의 두께를 증가시키지 않으면서도 광흡수 능력을 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 유기 요철구조를 경사형 회절격자로 형성함으로써, 상기 유기 활성층을 통과하는 광경로를 더욱 증가시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도이다.
도 1a을 참조하면, 전지기판(10)의 상부면 상에 제1 전극(12)을 형성한다. 상기 전지기판(10)은 광투과 기판일 수 있다. 상기 광투과 기판은 플라스틱 기판, 유리 기판, 또는 석영 기판일 수 있다. 상기 플라스틱 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르술폰(PES) 또는 폴리이미드(PI) 기판일 수 있다.
상기 제1 전극(12)은 광투과 전극일 수 있다. 상기 광투과 전극은 ITO(Indium Tin Oxide), IO(Indium Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), 또는 ZO(Zinc Oxide)막일 수 있다. 상기 제1 전극(12)은 진공증착법, 졸-겔 증착법(Sol-Gel deposition), 또는 금속유기증착법을 사용하여 형성할 수 있다. 일 예로서, 상기 제1 전극(12)은 RF 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 제1 전극(12)을 형성하기 전에 상기 전지기판(10)의 하부면 상에 반사방지막(11)을 형성할 수 있다.
상기 제1 전극(12) 상에 유기 활성층(16)을 형성할 수 있다. 상기 유기 활성층(16)을 형성하기 전에, 상기 제1 전극(12) 상에 버퍼층(14)을 형성할 수 있다. 상기 버퍼층(14)은 상기 제1 전극(12)과 상기 유기 활성층(16) 사이의 접착력을 향상시키며, 전하수송층으로서의 역할을 할 수 있다. 상기 버퍼층(14)은 PEDOT[(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]:PSS[poly(styrene sulfonate)]층일 수 있다.
상기 유기 활성층(16)은 유기물을 함유하는 광전변환층으로서, 광을 흡수하여 여기자(exiton)를 생성한다. 상기 유기 활성층(16)은 도너층과 억셉터층이 분리된 도너/억셉터 이중층이거나, 도너와 억셉터가 섞여 있는 벌크-헤테로정션(bulk heterojunction; BHJ)층일 수 있다. 상기 도너/억셉터 이중층 구조의 경우, 상기 도너층과 상기 억셉터층 사이의 계면과 전극 사이의 거리가 멀어, 상기 계면에서 발생된 여기자가 전극으로 이동하는 동한 재결합(recombination)될 수 있으므로 광전변환효율이 낮을 수 있다. 그러나, 벌크-헤테로정션층의 경우, 유기 활성층(16) 내에 도너와 억셉터가 섞여있으므로 도너와 억셉터 사이의 정션 계면과 전극 사이의 거리가 비교적 짧아 여기자가 재결합되는 확율을 낮출 수 있다. 따라서, 상기 유기 활성층(16)이 벌크-헤테로정션층의 경우, 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
상기 도너는 유기 단분자인 프탈로시아닌(phthalocyanine), 프탈로시아닌 유도체, 메로시아닌(merocyanine), 메로시아닌 유도체일 수 있고, 고분자인 폴리페닐렌비닐렌(poly(phenylenevinylene); PPV), 폴리페닐렌비닐렌 유도체, 폴리티오펜(polythiopene), 폴리티오펜 유도체일 수 있다. 상기 폴리페닐렌비닐렌 유도체 는 MEH-PPV(poly(2-methoxy-5-(2-ethyhexoxy)-1,4-phenylenvinylene)) 또는 MDMO-PPV[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene]일 수 있으며, 상기 폴리티오펜 유도체는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), 또는 P3OT(Poly(3-octylthiophene))일 수 있다. 상기 억셉터는 플러렌(fullerenes), 플러렌 유도체, 페릴렌(perylene) 또는 페릴렌 유도체일 수 있다. 상기 플러렌 유도체는 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester)일 수 있다.
상기 벌크-헤테로정션층의 일 예들은 MEH-PPV:PCBM, MDMO-PPV:PCBM, P3HT:PCBM, 또는 P3OT:PCBM일 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 유기 활성층(16)에 인접하는 면 상에 스탬프 요철구조(22a)를 갖는 엘라스토머 스탬프(22)를 상기 유기 활성층(16)에 접촉시킨다. 상기 엘라스토머 스탬프(22)는 스탬프 지지체(20)에 의해 지지될 수 있다. 상기 엘라스토머 스탬프(22)는 실리콘 고무 스탬프일 수 있다. 상기 실리콘 고무는 폴리알킬실록산 구체적으로, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리디에틸실록산(polydiethylsiloxane)일 수 있다.
상기 스탬프 요철구조(22a)는 직선 형태의 일차원 또는 섬 형태의 이차원 회절격자 일 수 있으며, 바람직하게는 경사면 회절격자 구조(blazed diffraction grating structure)일 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 엘라스토머 스탬프(22)가 접촉된 유기 활성층(16)을 어닐링(annealing)한다. 그 결과, 상기 유기 활성층(16)의 상부면 내에 상기 스탬프 요철구조(22a)에 대응하는 유기 요철구조(16a)가 생성된다. 이 후, 상기 엘라 스토머 스탬프(22)를 상기 유기 활성층(16)으로부터 분리시킨다. 이와 같이, 엘라스토머 스탬프(20)를 사용하여 상기 유기 요철구조(16a)를 형성하는 경우, 습식공정을 사용하지 않고 또한 부드러운 스탬프를 사용하므로 상기 유기 활성층(16)의 손상을 줄일 수 있다.
상기 유기 요철구조(16a)는 상기 스탬프 요철구조(20a)의 형태에 대응하여, 직선 형태의 일차원 또는 섬 형태의 이차원 회절격자 일 수 있으며, 바람직하게는 경사면 회절격자 구조일 수 있다.
도 1d를 참조하면, 상기 유기 요철구조(16a)가 형성된 유기 활성층(16) 상에 제2 전극(18)을 형성한다. 상기 제2 전극(18)은 광반사 전극일 수 있다. 상기 광반사 전극은 일함수가 낮은 금속인 칼슘막과 전도도가 우수한 금속인 알루미늄막의 이중층일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지를 나타낸 단면도로서, 도 1d의 절단선 I-I을 따라 취해진다. 다만, 도 1d의 반사 방지막은 생략되었다.
도 2를 참조하면, 전지기판(10)의 하부면으로 태양광(Li)이 입사한다. 상기 입사한 태양광(Li)은 상기 유기 요철구조(16a)와 제2 전극(18) 사이의 계면에서 반사되어 반사광(Ld)으로 출사된다. 상기 유기 요철구조(16a)는 상기 반사광(Ld)을 산란시킨다. 따라서, 상기 반사광(Ld)이 유기 활성막(16)을 통과하는 광경로가 증가되어 상기 유기 활성막(16)의 광흡수율을 증대시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 유기 요철구조(16a)는 주기성을 갖는 요철구조인 회절격자일 수 있다. 이러한 회 절격자는 단순 요철구조에 비해 재현성 있게 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 유기 요철구조(16a)는 직선 형태의 일차원 또는 섬 형태의 이차원 회절격자 일 수 있으며, 바람직하게는 0차광이 거의 발생되지 않고 1차 이상의 회절광을 주로 발생시키는 경사면 회절격자 구조일 수 있다. 1차 이상의 회절광은 입사광에 비해 긴 광경로를 가질 수 있어, 유기 활성층(16)의 광흡수율을 증대시킬 수 있다.
상기 유기 요철구조(16a)가 회절격자인 경우에, 상기 반사광(Ld)에 대한 회절 방정식은 하기 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112008026130981-PAT00001
상기 수학식 1에서, m은 회절차수이고, λ는 입사광의 파장이고, nactive는 유기 활성층의 굴절율이고, P는 유기 요철구조의 주기이고, θi는 입사각이고, θd는 회절각이다.
또한, 상기 유기 요철구조(16a)와 제2 전극(18) 사이의 계면에서 반사된 광(Ld)이 공기 중으로 출사되지 않고, 전지기판(10)과 외부공기 사이의 계면에서 전반사되기 위한 조건은 하기 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112008026130981-PAT00002
상기 수학식 2에서, θc는 유기 요철구조와 제2 전극 사이의 계면에서 반사된 광이 전지기판과 공기 사이의 계면에 입사될 때의 입사각, nactive는 유기 활성층의 굴절율이고, nair는 공기의 굴절율이다.
태양전지에 입사되는 광(Li)이 수직으로 입사될 때, sinθi는 0일 수 있고, θc는 θd와 같을 수 있다. 이 경우에, 하기 수학식 3의 조건에서는 유기 요철구조(16a)와 제2 전극(18) 사이의 계면에서 반사된 광(Ld)이 전지기판(10)과 공기 사이의 계면에서 전반사되어 다시 유기 활성층(16) 내로 들어갈 수 있다. 따라서, 상기 유기 활성층(16)을 통과하는 광의 경로가 증대되어, 광흡수율이 더 향상될 수 있다.
Figure 112008026130981-PAT00003
상기 수학식 3에서, m은 회절차수이고, λ는 입사광의 파장이고, P는 유기 요철구조의 주기이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘라스토머 스탬프를 몰딩하는 방법을 나타낸 사시도들이다.
도 3a를 참조하면, 주형 기판(30) 상에 광이성질체화 고분자 층(photoisomerization polymer layer; 32)을 형성한다. 상기 광이성질체화 고분자층(32)은 아조기(azo group)를 갖는 고분자층일 수 있다. 상기 아조기는 아조벤젠기일 수 있고, 상기 아조벤젠기를 갖는 고분자는 PDO3(poly(disperse orange 3))일 수 있다.
도 3b를 참조하면, 상기 광이성질체화 고분자층(32)의 상부면에 표면 부조 격자(surface relief grating, 32a)를 형성한다.
상기 표면 부조 격자를 형성하는 방법을 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4를 참조하면, 표면 부조 격자를 형성하는 광학장치는 레이저 광원(41), 광반사 거울들(42, 43), 편광판(polarizer, 44), 파장판(waveplate, 45), 공간필터(spatial filter, 46), 평행화 렌즈(collimating lens, 47), 시료 지지체(48) 및 거울 지지체(49)를 포함할 수 있다. 상기 편광판(44)과 상기 파장판(45) 중 하나는 생략될 수 있다. 상기 시료 지지체(48) 상에 상기 광이성질체화 고분자층(도 3a의 32)이 형성된 주형 기판(30)을 배치시킨다. 상기 거울 지지체(49) 상에 간섭상을 발생시키기 위한 거울(49a)을 배치시킨다. 상기 시료 지지체(48)과 상기 거울 지지체(49) 사이의 각은 약 90도 일 수 있다.
상기 레이저 광원(41)은 약 400 ~ 500㎚의 파장을 발생시키는 레이저 광원일 수 있고, 일 예로서 아르곤 레이저 광원일 수 있다. 상기 레이저 광원(41)에서 방출된 광은 광반사 거울들(42, 43)에서 반사되어 상기 편광판(44) 또는 상기 파장판(45)에 입사된다. 상기 편광판(44) 또는 상기 파장판(45)은 광을 편광시킨다. 그 후, 편광된 광은 상기 공간필터(46) 및 상기 평행화 렌즈(47)을 통과하면서 평 행광으로 변화된다. 이 후, 상기 평행광이면서 편광된 광 중 일부는 상기 광이성질체화 고분자층(도 3a의 32)에 직접적으로 입사되고, 다른 일부는 상기 거울(49a)에서 반사된 후 상기 광이성질체화 고분자층(도 3a의 32)에 입사된다. 따라서, 상기 상기 광이성질체화 고분자층(도 3a의 32) 상에서 간섭광이 발생되고, 상기 간섭광에 의해 표면 부조 격자(도 3b의 32a)가 형성된다. 이 때, 상기 광이성질체화 고분자층(도 3a의 32)의 광이성질체화 고분자는 광을 흡수하여 시스-트랜스 이성질체화될 수 있다. 이러한 이성질체화는 간섭광에 의한 물질이동을 일으켜 표면 부조 격자(도 3b의 32a)를 형성할 수 있다.
상기 표면 부조 격자(도 3b의 32a)의 주기는 하기 식을 만족할 수 있다.
Figure 112008026130981-PAT00004
상기 수학식 4에서, n은 정수이고, λ는 레이저 광원의 파장이며, d는 표면 부조 격자의 주기이고, θ는 광이성질체화 고분자층에 입사하는 광의 입사각이다.
상기 표면 부조 격자(도 3b의 32a)를 형성하는 상기 방법은 단일 공정(one-step process)이면서, 습식 공정이 필요하지 않으며, 열 또는 광학적으로 패턴 제거가 가능하여 패턴 형성이 가역적이고, 격자 주기를 유연하게 제어할 수 있으며, 여러 미세 패턴의 중첩 형성이 가능한 장점이 있다.
다시 도 3b를 참조하면, 상기 표면 부조 격자(32a)는 직선 형태의 일차원(도 5a, 도 5b) 회절 격자 또는 섬 형태의 이차원 회절 격자(도 5c) 일 수 있으며, 바 람직하게는 직선 형태의 일차원 회절격자 구조 중 경사면 회절격자 구조(도 5b)일 수 있다.
도 3c를 참조하면, 상기 표면 부조 격자(32a)가 형성된 주형 기판(30)을 사용하여 엘라스토머를 몰딩하여 엘라스토머 스탬프(22)를 형성한다. 상기 엘라스토머 스탬프(22)는 스탬프 지지체(20)에 의해 지지될 수 있다. 상기 엘라스토머 스탬프(22)에는 상기 표면 부조 격자(32a)에 대응하는 스탬프 요철구조(22a)가 생성될 수 있다.
도 3d를 참조하면, 상기 엘라스토머 스탬프(22)를 상기 주형 기판(30)으로부터 분리시킨다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예들(examples)을 제시한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실험예들; examples>
<제조예 1: 엘라스토머 스탬프 제조>
100㎽/㎠, 488㎚의 아르곤 레이저를 사용하여 광이성질체화 고분자층인 PDO3층에 표면 부조 격자를 형성하였다. 상기 표면 부조 격자가 형성된 PDO3층을 주형으로 사용하여 엘라스토머 스탬프를 형성하였다. 구체적으로, PDMS와 경화제(Sylgard 184, Dow Corning사)를 10:1(wt/wt)로 혼합한 폴리실록산 프리폴리머(prepolymer)를 상기 표면 부조 격자가 형성된 PDO3층 상에 붓고, 60℃에서 경화 한 후 분리하여, 상기 엘라스토머 스탬프를 형성하였다.
<제조예 2: 유기 태양전지 제조>
10Ω/sq 이하의 면저항(sheet resistance)을 갖는 광투과 전극인 ITO가 코팅된 유리 기판(삼성 코닝)을 세정하고, 상기 ITO 상에 PEDOT:PSS(Baytron P VPAI 4083, H.C. Starck사)를 20㎚의 두께로 스핀 코팅하였다. 상기 PEDOT:PSS층 상에 2㎖의 클로로벤젠에 30㎎의 P3HT(Rieke Metals)와 24㎎의 PCBM(Nano-C)을 녹인 용액을 스핀코팅하여 80㎚의 유기 활성층을 형성하였다. 상기 유기 활성층 상에 상기 제조예 1에서 제조된 엘라스토머 스탬프를 콘포말하게 접촉시키고, 110℃의 질소분위기에서 20분간 어닐링하여 유기 요철구조를 형성하였다. 이 후, 상기 엘라스토머 스탬프를 분리시키고, 10-6 torr의 진공분위기에서 20㎚의 칼슘층과 100㎚의 알루미늄층을 차례로 열증착시켜 광반사 전극을 형성하였다.
<비교제조예 1: 유기 태양전지 제조>
유기 활성층 상에 엘라스토머 스탬프를 접촉시키지 않은 것을 제외하고는 유기 태양전지 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 유기 태양전지를 제조하였다.
<비교제조예 2: 유기 태양전지 제조>
유기 활성층 상에 스탬프 요철구조를 갖지 않는 엘라스토머 스탬프를 접촉시킨 것을 제외하고는 유기 태양전지 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 유기 태양전지를 제조하였다.
도 6a 내지 도 6c는 제조예 1에 따른 엘라스토머 스탬프의 스탬프 요철구조, 제조예 2에 따른 유기 태양전지의 유기 요철구조 및 광반사 전극의 표면을 각각 나타낸 AFM 사진들이다.
도 6a를 참조하면, 스탬프 요철구조는 500㎚의 주기와 20㎚의 높이를 가진 것을 알 수 있다.
도 6b를 참조하면, 유기 요철구조 또한 상기 스탬프 요철구조와 거의 유사하게 500㎚의 주기와 20㎚의 높이를 가진 것을 알 수 있다.
도 6c를 참조하면, 유기 요철구조를 따라 형성된 광반사 전극 또한 상기 유기 요철구조와 거의 유사한 요철구조를 갖는 것을 알 수 있다.
도 7은 제조예 2 및 비교예 1에 따른 유기 태양전지의 유기 활성층과 광반사 전극 사이의 계면에 325nm의 광을 입사시켰을 때의 회절차수에 따른 회절 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 유기 요철구조가 형성된 제조예 2에 따른 유기 태양전지의 경우 유기 요철구조가 형성되지 않은 비교예 1에 따른 유기 태양전지에 비해 회절차수가 ㅁ1일 때의 회절 효율이 증가되었다. 이는 제조예 2에 따른 유기 태양전지의 경우, 유기 요철구조를 갖는 유기 활성층과 광반사 전극 사이의 계면에서 반사되는 회절광이 상기 유기 활성층을 비스듬하게 관통할 수 있는 비율이 증가된 것을 의미한다. 따라서, 유기 활성층 내의 광 경로가 증가될 수 있어, 광흡수 효율이 향상될 수 있다.
도 8은 제조예 2, 비교예들 1 및 2에 따른 유기 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 8에서 개방전압(open circuit voltage; Voc), 단락전류밀도(Short Circuit Current density; Jsc), 및 채움상수(fill factor; FF)를 추출하고, 전력변환효율을 계산하여 하기 표 1에 나타내었다. 참고로, Voc은 도 8에서 전류밀도가 0일 때의 전압값이고, Jsc는 전압이 0일 때의 전류밀도값이며, 채움상수는 Voc와 Jsc의 곱에 대한 최대발생전력밀도의 비를 나타낸다.
[표 1]
Voc (V) Jsc(㎃/㎠) FF(%) η(%) (@ 입력전력밀도= 100㎽/㎠)
제조예 2 0.62 10.5 63 4.11
비교예 1 0.61 9.45 62 3.56
비교예 2 0.61 9.57 61 3.58
도 8 및 표 1을 참조하면, 유기 활성층에 유기 요철구조를 형성한 제조예 2에 따른 태양전지의 경우, 유기 활성층에 유기 요철구조를 형성하지 않은 비교예들 1 및 2에 따른 태양전지에 비해 개방전압, 단락전류밀도, 채움상수 및 전력변환효율이 모두 우수함을 알 수 있다. 이는 제조예 2에 따른 유기 태양전지의 유기 활성층의 광흡수율이 비교예들 1 및 2에 따른 유기 태양전지의 유기 활성층에 비해 증가된 것을 나타낸다.
도 9는 제조예 2, 비교예들 1 및 2에 따른 유기 태양전지의 입사광의 파장에 따른 IPCE(Incident photon to current conversion efficiency)를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 유기 활성층에 유기 요철구조를 형성한 제조예 2에 따른 태양전지의 경우, 유기 활성층에 유기 요철구조를 형성하지 않은 비교예들 1 및 2에 따른 태양전지에 비해 약 300㎚ 내지 약 700㎚의 넓은 파장영역에서 IPCE값이 높은 것을 알 수 있다. 이 또한, 제조예 2에 따른 유기 태양전지의 유기 활성층의 광흡수율이 비교예들 1 및 2에 따른 유기 태양전지의 유기 활성층에 비해 증가된 것을 나타낸다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1d의 절단선 I-I을 따라 취해진 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 엘라스토머 스탬프를 몰딩하는 방법을 나타낸 사시도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 부조 격자를 형성하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 부조 격자의 여러가지 종류를 나타낸 사시도들이다.
도 6a 내지 도 6c는 제조예 1에 따른 엘라스토머 스탬프의 스탬프 요철구조, 제조예 2에 따른 유기 태양전지의 유기 요철구조 및 광반사 전극의 표면을 각각 나타낸 AFM 사진들이다.
도 7은 제조예 2 및 비교예 1에 따른 유기 태양전지의 유기 활성층과 광반사 전극 사이의 계면에 325nm의 광을 입사시켰을 때의 회절차수에 따른 회절 효율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 제조예 2, 비교예들 1 및 2에 따른 유기 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 제조예 2, 비교예들 1 및 2에 따른 유기 태양전지의 입사광의 파장에 따른 IPCE(Incident photon to current conversion efficiency)를 나타낸 그래프이다.

Claims (12)

  1. 제1 전극;
    제2 전극; 및
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재되고, 상기 제2 전극에 인접한 면 내에 요철구조가 형성된 유기 활성층을 구비하는 유기 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 광투과전극이고, 상기 제2 전극은 광반사전극인 유기 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 요철은 회절격자인 유기 태양전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 요철은 경사면 회절 격자(blazed diffraction grating)인 유기 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유기 활성층은 고분자 활성층인 유기 태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고분자 활성층은 벌크 헤테로정션 활성층(bulk heterojunction active layer)인 유기 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유기 활성층과 상기 광투과 전극 사이에 개재된 버퍼층을 더 포함하는 유기 태양전지.
  8. 전지기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 유기 활성층을 형성하는 단계;
    상기 유기 활성층의 상부면 내에 요철구조를 형성하는 단계; 및
    상기 요철구조를 갖는 유기 활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기 태양전지 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 요철구조는 엘라스토머 스탬프를 상기 유기 활성층의 상부면 상에 접촉시켜 형성하는 유기 태양전지 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 엘라스토머 스탬프는 표면 부조 격자(surface relief grating; SRG)를갖는 주형을 사용하여 몰딩하여 형성하는 유기 태양전지 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 주형은 광이성질체화 고분자층(photoisomerization polymer layer)을 구비하고, 광이성질체화 고분자층 상에 간섭광을 조사하여 상기 표면 부조 격자를 형성하는 유기 태양전지 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 표면 부조 격자는 경사면 회절 격자인 유기 태양전지 제조방법.
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