KR20090111733A

KR20090111733A - 탄화수소를 첨가하여 분자정렬을 유도한 유기태양전지의제조방법

Info

Publication number: KR20090111733A
Application number: KR1020080037468A
Authority: KR
Inventors: 이창희; 박정호
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2009-10-27

Abstract

본 발명은 유기태양전지를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정공전도성 고분자와 전자전달물질을 사용하는 벌크 이종접합 구조 제조시, 탄화수소를 첨가제로 사용함으로써 분자정렬을 유도하는 방법으로, 종래의 방법으로 제작된 태양전지에 비해 직렬저항이 낮고 필팩터(Fill Factor)가 높아 효율이 증가되는 것을 특징으로 한다.

탄화수소, 첨가제, 유기태양전지

Description

탄화수소를 첨가하여 분자정렬을 유도한 유기태양전지의 제조방법 {A fabrication method of organic solar cell to align molecular structure by adding hydrocarbon}

본 발명은 유기태양전지를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정공전도성 고분자와 전자전달물질을 사용하는 벌크 이종접합 구조 제조시, 탄화수소를 첨가제로 사용함으로써 분자정렬을 유도하는 방법으로, 종래의 방법으로 제작된 태양전지에 비해 직렬저항이 낮고 필팩터(Fill Factor)가 높아 효율이 우수한 유기 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.

유기 태양전지에 관한 대표적인 종래 기술로는 미국특허 5,331,183호가 있다. 도 1은 종래 유기태양전지의 구조가 도시된 단면도로서, 이에 도시된 바와 같이

종래 유기 태양전지는 기판 및 그 위에 형성된 주석도핑 산화인듐(ITO : tindoped indium oxide) 박막과 같은 투명전극(양극)(1)과 알루미늄 전극(음극)(2)의 사이에 전자수용체(electron acceptor)(3)와 정공수용체(hole acceptor)(4)가 혼재되어 있는 벌크 이종접합 구조를 가지고 있다. 정공수용체로는 피피브이 (PPV:poly-para -phenylene vinylene)와 같은 도전성을갖는 공액 고분자(conjugated polymer)가 사용되고, 전자수용체로는 풀러렌 (fullerene, 60)을 사용한다.

공액고분자와 풀러렌은 두 전극 사이에 혼합되어 있는데, 이 때 빛에 의해 생성된 전자를 풀러렌을 통해 알루미늄 전극으로 손실 없이 수집하기 위해서는 공액고분자 내에 풀러렌이 충분히 혼합되어 있어야 한다. 풀러렌이 공액고분자와 잘 혼합

되도록 하기 위해 피씨비엠(PCBM([6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester)과 같은 풀러렌 유도체를 사용한다. 공액고분자가 빛을 흡수하여 전자-정공쌍 (exciton)이 생성되고 전자와 정공은 각각 풀러렌과 공액고분자를 경유하여 양

극 및 음극에 수집된다.

이와 같은 종래 기술로 제작된 유기태양전지 소자는 직렬저항이 높아 광흡수를 증가시키기 위해 두께를 더 증가시키는 경우 필팩터(Fill Factor)가 낮아져 효율이 낮아지고, 코팅공정으로 제조시 비정형 상태의 고분자 배열을 가지므로 고분자의 재배열을 일으키기 위한 높은 온도의 열처리 공정을 거쳐야 정렬되므로 유리전이온도가 낮은 플렉시블기판에는 사용하기 힘든 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 광전변환층 분자의 정렬도를 높여 전자-정공쌍 (Exciton) 에서 분리된 전자와 정공을 각각의 전극으로 효과적으로 전달하여 벌크 이종접합 구조를 가지는 유기태양전지의 변환효율을 높이는 것이다. 또한 얻어진 높은 정렬도를 이용하여 보다 낮은 온도에서의 열처리로도 높은 변환 효율을 얻고자 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판, 투명산화물 전극층, 정공전달층, 광전변환층 및 전극층이 구성요소로서 적층되어 이루어진 벌크 이종접합 유기태양전지를 제조하는 방법에 있어서, 광전변환층의 코팅액에 탄화수소를 첨가하여 분자의 정렬을 유도하는데 그 특징이 있다.

이렇게 하면 벌크 이종접합 구조의 유기 태양전지에서 빛에 의해 생성 및 분리된 전자와 정공을 효과적으로 각각의 전극으로 수집함으로써 전자와 정공의 수집효율을 높이고, 나아가 광전변환층의 두께를 증가시켜 더욱 많은 빛을 흡수할 수 있게 함으로써 변환효율의 향상을 기대할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 벌크 이종접합 구조의 유기 태양전지에서 첨가된 탄화수소가 분자의 정렬을 유도하여 직렬저항을 감소시킴과 동시에 필팩터(Fill Factor) 를 증가시켜 높은 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한 생성된 전자와 정공이 전극으로 잘 수집될 수 있도록 할 수 있으므로 광전변환층의 두께를 증가시켜 더욱 많은 빛을 흡수할 수 있게 함으로써 변환효율을 더욱 향상시킬 수 있는 여지가 있다.

본 발명에 따른 유기 태양전지는 서로 대향 배치되는 음극 및 양극; 음극 및 양극 사이에 위치하고 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층을 포함하는 구성이다. 이 때 광전변환층의 두께는 100~300 nm 수준이다.

양극은 태양광이 투과할 수 있는 투명전극인 것이 바람직하고, 일 예로는 주석도핑 산화인듐(ITO : tin-doped indium oxide) 또는 불소도핑 산화주석(FTO : fluorine-doped tin oxide)이 있다. 양극은 일함수 증가와 표면 평탄화 등을 위해 그 위에 고분자전도체로 구성된 정공전달층을 가지는 것이 일반적이다. 정공전달층으로는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리( 스티렌설포네이트)[Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene sulfonate), PEDOT:PSS] 가 바람직하다.

정공수용체는 폴리-3-알킬티오펜[Poly-3-alkylthiophene, P3AT], 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] 을 포함하는 전도성 고분자이고, 전자수용체는 풀러렌 유도체, 그 중 피씨비엠(PCBM([6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 이 바람직하다.

상기 정공수용체와 전자수용체는 유기용매와 혼합되어 코팅액을 구성하고 본 발명의 특징인 탄화수소 첨가제는 이 코팅액에 적절한 비율로 혼합되어 양극층을 갖는 기판에 코팅된다.

사용되는 탄화수소는 사용되는 유기용매보다 비점이 높아 코팅시 먼저 휘발되지 않아야 한다. 그 예로 유기용매를 염화벤젠(비점 131 ℃)을 사용하는 경우 도데칸(비점 216 ℃) 을 사용하는 것이 바람직하다.

음극은 낮은 일함수를 갖는 알루미늄 또는 불화리튬/알루미늄, 칼슘/알루미늄 등 이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명의 유기 태양전지를 제조하기 위해서는, 양극 기판위에 정공전달층을 준비하는 단계; 정공전달층 위에 정공수용체, 전자수용체 및 탄화수소 첨가제가 혼합된 코팅액을 도포하여 광전변환층을 형성하는 단계; 광전변환층 상에 음극을 형성하는 단계를 순차 수행한다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 다음 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 탄화수소를 첨가한 광전변환층 코팅액을 사용한 유기태양전지의 제조

탄화수소를 첨가한 광전변환층 코팅액을 사용하여 광전변환층을 형성하고 이를 적용한 유기태양전지의 및 첨가제를 사용하지 않은 일반적인 유기 태양전지와의 성능을 비교하였다.

먼저, 수용성 정공 전달 물질인 PEDOT-PSS를 전도성 기판인 ITO/유리 기판에 스핀 코팅한 후, 용매의 제거를 위해 약 120 ℃ 진공에서 건조하였다. 본 발명에서는 현재 가장 널리 사용되고 있는 정공수용체와 전자수용체를 사용하여 제작하였다. 정공수용체로는 폴리-3-헥실티오펜[Poly-3-hexylthiophene, P3HT]을 전자수용체로는 피씨비엠(PCBM([6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester)을 사용하였다. 코팅 용액은 P3HT 와 PCBM을 클로로벤젠에 각각 중량 4 % 로 녹이고, 이 각각의 용액 을 중량비 1:0.8로 섞어 제조하였다. 탄화수소를 첨가한 코팅액은 앞의 코팅액에 중량비 1 % 의 Dodecane (C₁₂H₂₆) 을 첨가하여 준비하였다. 제조된 코팅액을 1000 RPM 으로 코팅하고 건조한 후, 진공증착의 방법으로 알루미늄 전극을 증착하였다. 전극 증착 후에 110 ℃에서 열처리를 해 주어 분자의 정렬이 완성 되도록 하였다.

상기에서 제조된 태양전지의 성능을 평가하기 위하여 첨가제를 함유한 코팅액으로 제조한 소자와 그렇지 않은 소자를 비교하였다. AM 1.5G 필터를 사용하여 빛의 스펙트럼을 조절하였고, 샘플에 도달하는 광원은 1 SUN 조건, 즉 100 mW/㎠으로 조절하였으며 이러한 표준조건하에 측정된 태양전지의 효율은 도 2의 전류-전압곡선으로부터 계산할 수 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 첨가제를 함유하지 않은 코팅액으로 광전변환층이 제조된 경우, 그 효율은 약 1.6% 이었으며, 본 발명의 내용인 첨가제를 함유한 코팅액으로 광활성층을 제조한 경우 약 2.2%로 그 효율이 향상되었음을 알 수 있다.

도 1은 종래 및 본 발명에서 제작한 유기태양전지의 구조가 도시된 단면도이고,

도 2는 실시예에서 제작한 유기태양전지의 전류-전압 곡선을 도시한 것임

Claims

서로 대향 배치되는 음극 및 양극 사이에 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광전변환층을 포함하는 유기 태양전지를 제조하는 방법에 있어서 광전변환층을 형성하기 위한 코팅액에 탄화수소의 첨가를 통하여 코팅시 분자의 정렬이 유도된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법.
제 1항에 있어서 정공수용체는 알킬기를 가진 전도성고분자를 사용하는 유기태양전지의 제조방법.
제 2항에 있어서 알킬기를 가진 전도성고분자로 폴리(3-알킬티오펜)을 사용하는 유기태양전지의 제조방법
제 1항에 있어서 전자수용체로 풀러렌유도체를 사용하는 유기태양전지의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 광전변환층을 형성하는 단계에서 스핀코팅, 스프레이코팅, 스크린 인쇄, 닥터블레이드법 중의 어느 한 방법을 사용하는 유기태양전지의 제조 방법.