KR20100003407A - 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지 - Google Patents

다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지 Download PDF

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KR20100003407A
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Abstract

본 발명은 초박막형 구조를 이용하여 태양광 영역의 다중파장을 흡수하는 유기태양전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광학·전기적으로 반응성을 가진 유기분자를 제막방법에 의해 초박막형 구조로 제작, 다중파장흡수 광에너지를 전기에너지로 변환하는데 우수한 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지에 관한 것으로, 여러 종류의 유기분자를 이용하여 초박막을 제작하여 다른 유기색소 유도체의 여러 종을 이용하여 태양광의 다중파장흡수 능력을 최대화하여 전기에너지 발생 능력을 향상시키고, 기존의 각종 유기태양전지보다 광학·전기적으로 불안정한 문제, 광조사에 의한 유기분자의 파괴, 온도영향에 의한 변형 등의 결점을 해결하였고, 그리고 본 발명은 유기분자를 기판 위에 초박막으로 제막시켜 다중파장의 흡수를 통한 에너지변환이 가능하도록 하여 태양광의 세기에 따라 유기분자를 이용한 초박막의 두께, 폭, 구조를 변환시키는 것이 가능하여, 태양광 에너지 변환효율을 최대한 증대시킬 수 있고, 또한 태양광의 파장, 편광, 진폭, 위상 등과 같은 특성에 적절한 대응이 가능한 구조로 제작함으로써, 실리콘 태양전지가 대응하기 어려운 분야에도 적용이 가능하여 응용의 폭을 넓혀 다양한 산업분야에 파급효과가 있고, 초박막형, 고효율, 장수명의 유기태양전지의 응용으로 새로운 첨단 산업이 창출할 수 있을 것으로 기대된다.
유기분자, 유기태양전지, 초박막, 다중파장흡수구조

Description

다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지{Organic solar cell absobs multi-wavelength using ultra thin film type structure}
본 발명은 초박막형 구조를 이용하여 태양광 영역의 다중파장을 흡수하는 유기태양전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광학·전기적으로 반응성을 가진 유기분자를 제막방법에 의해 초박막형 구조로 제작, 다중파장흡수 광에너지를 전기에너지로 변환하는데 우수한 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지에 관한 것이다.
현재 널리 알려진 태양전지는 실리콘(Silicon) 반도체를 이용한 태양전지로서, 우수한 변환 효율과 신뢰성 등의 특성을 갖는 실리콘 반도체는 단결정, 다결정 등의 형태로 많이 이용되고 있다. 다가오는 미래는 친환경 전기에너지의 확보와 신재생 에너지의 이용이 날로 중요하게 대두하고 있고, 각종 태양전지도 친환경 전기에너지 발생장치로의 발전과 그리고 고효율 및 장수명을 갖는 태양전지가 기대되고 있으며, 이에 부응하여 지속적인 연구개발을 통하여 급속한 발전을 가져오고 있다.
한편, 최근 몇 년 사이에 그 기술적 가능성이 급격히 향상된 새로운 형태의 태양전지로써 유기분자를 이용한 태양전지가 여러 형태로 개발되고 있다. 현재까지 개발된 기존의 유기태양전지는 아직까지는 에너지변환 효율 및 수명 등 그 수준이 초보적인 단계로서, 유기분자가 가지는 광학·전기적인 안정성이 부족하여 이들의 성능을 개선하기 위해 현재에도 널리 연구 중에 있는 태양전지 개발분야의 하나이다.
현재가지 개발된 기존의 유기태양전지는 온도, 태양광, 고파장계 등에 매우 약하며, 태양전지가 가지는 에너지 변환효율에 많은 문제점이 있어 유기분자를 이용한 태양전지의 발전에 장해 요인이 되고 있으며, 특히, 유기분자를 이용한 에너지 변환효율은 기존의 실리콘 태양전지 등의 에너지 변환효율에 비하여 그 수준이 낮으며, 이용에도 많은 한계를 가지고 있어 이들의 이용분야 확대는 어려웠다.
그러나 최근에는 대한민국 등록특허 제10-606642호의 유기태양전지용 투명 도전성 박막이나, 또는 대한민국 공개특허 제2008-44295호의 저저항 박막 유기태양전지 전극이 제안된 바와 같이 저저항 특성을 갖는 초박막 제작을 위한 제막방법의 발전과 새로운 광학전기적인 신재료 물질의 합성을 통하여 응용성이 확대되고 있으며, 유기분자 초박막이 가지고 있던 문제점과 한계를 극복하는 데 필요한 기술력이 축적되고 있다. 특히, 유기태양전지가 가지는 낮은 효율성을 회복하고 초박막이 가 지는 안정성이 향상된다면 고효율, 장수명 등 에너지변환장치로서 제공이 가능할 것으로 생각된다.
따라서 본 발명은 유기분자를 이용하여 광반응에 의해 다중파장을 흡수하는 병렬형 구조 또는/및 적층형 형태의 초박막형 구조를 이용한 유기태양전지를 개발하여 유연 구조의 제작으로 다중파장흡수 능력의 향상이 가능하여 기존의 실리콘 태양전지가 대응하기 어려운 분야에도 적용될 수 있도록 응용성을 높였고, 또한 현재의 유기태양전지의 구조 및 집적화 기술을 한 차원(1 order) 이상 향상시킴으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 태양광이 가지는 다중파장에 주목하였으며, 다중파장흡수가 가능하도록 광학·전기적 반응 특성을 가진 유기분자를 이용하여 초박막형 구조를 갖는 유기태양전지를 제작함으로써, 다중파장흡수에 의한 새로운 광 흡수의 반응을 이용하여 에너지 효율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지를 제공함에 그 목적이 있다.
그리고 본 발명은 태양광 고유의 각각 파장 영역에 대하여 흡수 및 광전 특성을 갖는 여러 종류의 유기분자를 이용하여 초박막을 제작하여, 이를 병렬형 또는/및 적층형과 같이 다양한 형태의 구조로 배열하여 태양전지를 제작함으로써, 태양광 영역의 다중파장흡수 능력을 최대한 확대하고, 태양전지의 에너지변환 특성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지를 제공함에 다른 목적이 있다.
본 발명에서 유기태양전지에 사용되는 각각의 유기분자는 고유의 광학적인 흡수 및 광전반응을 가지고 있어 이들의 광학적반응(흡수), 전기적반응(전압-전류)을 이용하면 다중파장의 에너지를 전기에너지로의 변환이 용이한 특징이 있다.
또한 본 발명은 태양광과 같은 다중파장에 각각 선택적으로 흡수감도가 있는 유기분자를 기판 위에 초박막으로 제막시켜 흡수를 통한 에너지변환이 가능하도록 하여 태양광의 세기에 따라 유기분자를 이용한 초박막의 두께, 폭, 구조를 변환시키는 것이 가능하여, 태양광 에너지 변환효율을 증대시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
즉, 본 발명은 현행 실리콘 태양전지의 태양광의 이용은 광범위한 파장영역을 태양광의 세기에 관계없이 흡수하는 성질을 이용하지만, 본 발명에 따른 유기태양전지는 태양광의 파장, 편광, 진폭, 위상 등과 같은 특성에 적절한 대응이 가능한 구조로 제작된 것으로, 태양전지의 장수명을 유지하고, 실리콘 태양전지가 대응하기 어려운 분야에도 적용이 가능하여 응용성의 폭을 넓힌 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명은 초박막형 유기태양전지(1)에 있어서,
기판(2)과,
상기 기판(2)의 상부 표면에 태양광 영역의 다중파장흡수 능력이 우수한 유기분자를 이용하여 제막시킨 초박막(3)으로 구성되고,
상기 초박막(3)에 광학에너지를 조사하여 전기에너지로 변환시키는 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지를 과제 해결 수단으로 한다.
단, 상기 기판(2)은 수정, 유리, 또는 합성수지 필름 중에서 1종을 선택하여 사용하는 것이 바람직하며, 상기 초박막(3)은 태양광 영역에서 파장이 서로 다른 가시광선 대의 다중 파장인 380~750nm 범위의 파장대 영역의 광선에서 각 파장대 영역별로 광선 흡수능력이 뛰어난 유기분자를 각각 선택하여 기판(2)의 상부 표면에 제막하여 초박막(3)을 제막시킨 것이 특징이다.
또한 상기 초박막은 상기 각 파장대별로 흡수능력이 우수한 초박막을 기판(1)을 바닥기준으로 한 병렬형 막 또는 적층형 막의 형태로 나란히 누적시키거나 또는 병렬형 막 및 적층형 막을 병행한 형태로 배열한 구조인 것을 특징으로 한다.
따라서 상기의 과제 해결 수단에 따른 본 발명은 여러 종류의 유기분자를 이용하여 초박막을 제작하여 다른 유기색소 유도체의 여러 종을 이용하여 태양광의 다중파장흡수 능력을 최대화하여 전기에너지 발생 능력을 향상시키고, 기존의 각종 유기태양전지보다 광학·전기적으로 불안정한 문제, 광조사에 의한 유기분자의 파괴, 온도영향에 의한 변형 등의 결점을 해결하였고, 그리고 본 발명은 유기분자를 기판 위에 초박막으로 제막시켜 다중파장의 흡수를 통한 에너지변환이 가능하도록 하여 태양광의 세기에 따라 유기분자를 이용한 초박막의 두께, 폭, 구조를 변환시키는 것이 가능하여, 태양광 에너지 변환효율을 최대한 증대시킬 수 있고, 또한 태양광의 파장, 편광, 진폭, 위상 등과 같은 특성에 적절한 대응이 가능한 구조로 제작함으로써, 실리콘 태양전지가 대응하기 어려운 분야에도 적용이 가능하여 응용의 폭을 넓혀 다양한 산업분야에 파급효과가 있고, 초박막형, 고효율, 장수명의 유기태양전지의 응용으로 새로운 첨단 산업이 창출할 수 있을 것으로 기대된다.
상기의 효과를 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중파장을 흡수하는 초박막형 구조의 유기태양전지(이하, '초박막형 유기태양전지'라 한다)는 초박막을 유기분자를 Langmuir-Blodgett(LB)법, 스핀코팅(Spin coating)법과 열증착법(thermal Evaporator Deposition)를 이용하여 초박막 적층형의 형태로 제작한 것이며, 유기분자가 태양광 영역에서의 흡수반응에 의해 일어나는 광학·전기에너지 변화를 이용 누적 또는 제막시 흡수영역에 적합한 유기분자를 이용하여 태양광 흡수에너지에 의해 전자주게 물질(electorn donor)와 전자받게 물질(electron acceptor)사이의 매우 빠른 전하 이동 현상인 '광여기 전하 이동현상'이 일어나 전기에너지 출력반응으로 검출할 수 있도록 한 것이 특징이다.
이하, 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지의 구성을 첨부된 도면을 중심 으로 상세히 설명하면 아래의 내용과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지의 일 실시예를 도시한 사시도에 관한 것이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지다른 실시예를 도시한 사시도에 관한 것이며, 도 5는 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지 광흡수반응 전기에너지 변환도에 관한 것이며, 이하 본 발명의 구성을 상세히 설명키로 한다.
본 발명은 초박막형 유기태양전지(1)에 있어서,
기판(2)과,
상기 기판(2)의 상부 표면에 태양광 영역의 다중파장흡수 능력이 우수한 유기분자를 이용하여 제막시킨 초박막(3)으로 구성되고,
상기 초박막(3)에 광학에너지를 조사하여 전기에너지로 변환시키는 것을 특징으로 하는 초박막형 유기태양전지에 관한 것이다.
본 발명에서 기판(2)은 초박막형 유기태양전지(1)의 하부에 위치하며, 기판의 소재는 통상적으로 유기태양전지에 사용되는 소재로서 수정, 유리, 또는 합성수지 필름 중에서 1종을 선택하여 사용하는 바람직하며, 합성수지의 재질에는 특별한 제한을 두지는 않는다. 그리고 기판의 소재는 상기에서 열거한 기판의 종류에만 반드시 한정되는 것이 아니고 상기의 종류와 동등 이상의 물성을 갖는 소재일 경우에 는 모두 적용되어 질 수 있다.
본 발명에서 초박막(3)은 기판(2)의 상부 표면에 유기분자를 패턴화된 마스크를 이용 스핀코팅법, 열증착법으로 특정부분에 적층막 형태로 나란히 증착 또는 코팅하거나, LB법을 이용하여 유기물질을 수면 위에 전개한 후 기판을 상하로 이동 특정방향 또는 양방향으로 누적하는 방법을 이용하여 서로 다른 태양광 영역의 파장을 흡수할 수 있도록 제막시킨 박막으로, 흡수한 광학에너지를 전기에너지로 변환시키는 수단이다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 초박막이 가시광선을 흡수하는 원리는 다음과 같다.
본 발명에 따른 초박막은 색상이 서로 다른 각각의 유기분자를 제막하여 형성시켰으며, 상기 각 색상의 유기분자는 가시광선을 선택적으로 흡수하고 다른 부분을 반사하거나 투과시키는 성질을 갖는다. 이때 유기분자가 도포된 초박막에 흡수되는 파장의 색을 스펙트럼색(spectrum colour)이라 부르고, 반사되어 우리 눈에 감지되는 색을 보색(complementary colour)이라 한다.
본 발명은 눈에 느끼는 빛인 가시광선의 380~750nm 파장범위에서, 특정 색상을 갖는 유기분자가 특정 파장대의 빛을 흡수하는 원리를 이용한 것으로서, 가시광 선의 파장과 스펙트럼색 및 보색과의 관계는 아래 [표 1]의 내용과 같다.
파장(nm) 스펙트럼색 보색
380~435 violet yellowish green
435~480 blue yellow
480~490 greenish blue orange
490~500 bluish green red
500~560 green purple
560~580 yellowish green violet
580~595 yellow blue
595~605 orange greenish blue
605~750 red bluish green
본 발명에서 초박막(3)은 상기에서 설명한 바와 같은 원리를 이용한 것으로서, 태양광 영역에서 파장이 서로 다른 가시광선 대의 다중 파장인 300~700nm 범위의 파장대 영역의 광선에서 각 파장대 영역별로 광선 흡수능력이 뛰어난 각각의 유기분자를 다수 개 선택하여 기판(2)의 상부 표면에 제막하여 초박막(3)을 제막시킨다.
상기 가시광선 대의 다중 파장은 상기 [표 1]에 제시된 바와 같이 스펙트럼색의 구분에 의해 9개의 파장대별로 구분되지만 본 발명에서는 설명의 편의상 각 파장영역대를 100nm 단위별로 구분하여 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 초박막(3)은 편의상 각 파장대 별로 300nm대 파장영역흡수 초박막(A 유기분자에 흡수되는 파장영역), 400nm대 파장영역흡수 초박막(B 유기분자에 흡수되는 파장영역), 500nm대 파장영역흡수 초박막(C 유기분자에 흡수되는 파장영역), 600nm대 파장영역흡수 초박막(D 유기분자에 흡수되는 파장영역) 및 700nm대 파장영역흡수 초박막(E 유기분자에 흡수되는 파장영역)으로 각각 구분하여 설명하지만 본 발명을 실제 적용시에는 상기 [표 1]의 내용에 따라 구분되어 적용되어 질 수 있다.
본 발명에서는 편의상 300nm대 파장영역이라 함은 380~435nm 사이의 파장영역, 400nm대 파장영역이라 함은 400~499nm 사이의 파장영역, 500nm대 파장영역이라 함은 500~595nm 사이의 파장영역, 600nm대 파장영역이라 함은 595~605nm 사이의 파장영역, 700nm대 파장영역이라 함은 605~750nm 사이의 파장영역으로 가정하고 본 발명을 설명하고자 한다.
그리고 상기 초박막(3)은 상기 각 파장대별로 흡수능력이 우수한 초박막을 기판(1)을 바닥기준으로 한 병렬형 막(도 1) 또는 적층형 막(도 3)의 형태로 나란히 누적시키거나 또는 병렬형 막 및 적층형 막을 병행한 형태(도 2)로 배열한 구조이다.
이때 병렬형 또는 적층형으로 제막되는 초박막(3)의 두께는 단분자가 가지는 크기인 나노메터(nanometer, ~10-9meter) 수준으로 한다.
그리고 본 발명에서 사용하는 각 파장대별로 흡수능력이 우수한 유기분자의 예를 들면, 아래의 내용과 같다.
300nm대 파장흡수 영역대의 경우 노란 그린색(yellowish green) 염료가 사용되고, 400nm대 파장흡수 영역대의 경우 노란색 염료, 오렌지색 염료, 적색 염료 등이 사용되며, 500nm대 파장흡수 영역대의 경우 자주색 염료, 부루 염료가 사용되며, 600nm대 파장흡수 영역대의 경우 그린 부루색 염료가 사용되며, 그리고 700nm대 파장흡수 영역대의 경우 경우 부루그린색 염료가 사용된다.
상기에서 사용되는 염료의 예를 구체적으로 들면 400nm대 파장흡수 영역대의 경우 일본 하야시바라사의 염료를 예로 들면, 2-시아노-5-(4-디메틸아미노-페닐)-펜타-2, 4-디엔산, 2-시아노-5, 5-비스-(4-디메틸아미노-페닐)-펜타-2, 4-디엔산 있으며, 500nm대 파장흡수 영역대의 경우 일본 하야시바라사의 염료를 예로 들면, 2-시아노-3-[5-(1, 1, 6, 6-테트라메틸-10-옥소-2, 3, 5, 6-테트라히드로-11-옥사-3a-아자-벤조[디]안트라센-9-일-티오펜-2-일]아크릴산, 2-시아노-3-[5'-(1, 1, 6, 6-테트라메틸-10-옥소-2, 3, 5, 6-테트라히드로-1H, 4H, 10H-11--옥사-3a-아자-벤조[디]안트라센-9-일)-[2, 2']비티오페닐-5-일]-아크릴산, 3-(카르복실메틸)-2-[2-2-[4-(디메틸아미노)페닐]에테닐]-나프소[2, 1-d]티아졸륨 브로마이드, 3-카르복시메틸-5-[2-(3-옥타데실-2(3H)-벤조티아졸리덴)에틸리디엔-2-티오옥소-4-타아졸리디논 등이 있다. 그리고 본 발명에서 사용하는 염료의 예로서 특정 회사 제품의 염료를 예로 들어 설명하였지만 본 발명에서 사용하는 염료는 통상적인 염료로서, 상기에서 열거한 종류의 염료의 유기분자에만 반드시 한정되지 아니하고, 특정 가시광선 파장 영역대에서 흡수능이 우수한 특성을 갖는 염료일 경우에는 모두 사용되어 질 수 있다.
도 1의 경우에는 기판(1)을 바닥기준으로하여 A 내지 E 유기분자를 각각 이용하여 제막된 초박막(3)을 병렬되게 배열한 구조의 유기태양전지로서, A 내지 E 유기분자에 의해 제막된 초박막(3)에 각각 흡수된 가시광선 대의 태양광 흡수에너지가 광여기 전하 이동현상에 의해 전기에너지로 변환된다.
그리고, 도 2의 경우에는 기판(1)을 바닥기준으로하여 A 내지 E 유기분자를 각각 이용하여 제막한 초박막(3)을 병렬되게 배열하고, 그 상부 표면에 다시 광선의 파장 영역대가 단계별로 높아지는 파장 영역대에 비례하여 해당 파장영역의 흡수능력이 좋은 유기분자를 각각 이용하여 제막시킨 초박막(3)을 비례하여 적층되게 배열한 구조의 유기태양전지로서, 초박막을 적층 배열함에 따라 특정파장이 아니라도 흡수할 수 있으며, 다중파장이 있더라도 일정한 파장만 흡수하는 유기분자의 특징을 이용하여 에너지 변환효율을 높이는 것이 가능하다. 병렬되게 배열하는 경우와 적층하여 배열하는 경우 모두 태양광의 특징인 빛의 직선성을 고려하여 태양이 낮시간 이동함으로 발생하는 빛의 다양한 각도에서도 흡수가 일어나도록 하기위한 것이다.
또한 도 3의 경우에는 기판(1)을 바닥기준으로하여 A 내지 E 유기분자를 각각 이용하여 제막한 초박막(3)을 적층되게 배열한 구조의 유기태양전지로서, 초박막을 적층 배열함에 따라 흡수할 수 있는 파장의 영역이 넓어지므로 태양광에서 발생하는 광역의 파장을 모두 흡수에너지로 전환하는 데 매우 유리하기 때문이다.
본 발명에 첨부된 도면인 도 1 내지 도 5에서는 각각 5개의 광선 파장 영역대별로 구분하여 초박막(3)을 배열한 구조의 유기태양전지를 도시하였지만, 소비자의 요구나, 또는 제조자의 필요에 따라 흡수파장 영역대가 다른 초박막의 개수는 조정되어 질 수 있다.
본 발명은 상기에서 상술한 바와 같이, 파장이 서로 다른 광선의 흡수능이 우수한 각각의 유기분자를 이용하여 제막시킨 초박막(3)이 가지는 태양광 영역의 흡수반응을 이용하여 특정 파장에 반응하는 물질을 패턴화된 부분에 제막하여 태양광 조사에 의해 흡수파장이 제막된 유기분자에 의해 서로 다르게 전기에너지로 검출될 수 있도록 하였으며, 태양광을 조사하는 위치와 면적에 따라 흡수되는 파장의 반응이 다른 것을 이용, 초박막(3)에 흡수파장의 반응을 전기에너지로 변환할 수 있다.
본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지(1)는 도 4에 도시된 바와 같이, 초박막(3)의 상부에 금속전극(5)을 진공 증착하여 광학·전기적 에너지의 변환을 발생할 수 있도록 하고, 초박막(3)의 하부에 투명전극(4)을 부착하여 초박막(3)에서 광학에너지의 전기에너지로의 변환을 검출할 수 있는 전극단자로 사용토록 한다. 즉 초박막형 유기태양전지(1)는 초박막(3)이 병렬형 또는 적층형 형태로 제막될 때 초박막(3)의 상부에 금속전극(5)을 진공 코팅하여 외부에서 전기 및 가시광 에너지를 인가하여 소자가 가지는 흡수반응을 흡광도 파장으로 검출할 수 있도록 하고, 초박막(3)의 하부에 산화질화물, Indium Tin Oxide 소재를 이용한 투명전극(4)을 부착하여 초박막(3)의 전기에너지 반응을 검출할 수 있도록 전기적으로 연결한다.
그리고 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지(1)는 태양광 영역의 반응물질이 제막된 유기태양전지의 다중파장흡수 에너지는 현미경분광법에 의해 태양광 영역의 흡광도 변화를 측정하여 그래프로 측정함으로써 각각의 초박막(3)이 가지는 고유 흡수파장을 검출하며, 유기분자는 열 또는 광조사에 쉽게 파괴 또는 분해되는 특징이 있으므로, 기판(2)과 초박막(3)을 포함하는 유기태양전지를 진공커버(6)의보호막에 넣어 사용하고, 상기 진공커버(6)는 고진공(10-8Torr)에서 진공시켜 밀폐하고, 초박막(3)이 태양광 영역에서 안정적으로 다중파장흡수작용을 할 수 있도록 한 것이 특징이다.
상기 진공커버(6)는 유기분자가 태양광 또는 열에 약하다는 약점을 보완하기 위하고 태양광 영역의 흡수반응을 장기간 검출하기 위하여, 수정, 유리 또는 필름으로 제작된 유기태양전지를 보호할 수 있을 정도의 크기로 제작하여 그 안에 유기태양전지를 넣고 외부와 검출단자를 연결하고, 고진공(10-8Torr) 상태에서 밀폐시켜 외부영향을 최소화하기 위한 보호막의 역할을 하도록 한 것으로, 초박막(3)을 태양광 영역의 광학적 반응 중에서 흡수 반응을 안정적으로 이용할 수 있도록 한다.
상기 초박막형 유기태양전지(1)는 에너지를 인가하는 방법에 따라 초박막(3)을 이용한 광흡수 반응과 광전류반응을 가진 서로 다른 형태의 초박막형 유기태양전지(1)를 제작할 수 있다.
즉, 초박막형 유기태양전지(1)는 광학적인 방법에 의해 전기에너지가 발생할 수 있고, 단일파장 및 다중파장의 광흡수 반응이 가능하다. 즉, 단일파장 광조사와 함께 태양광과 같은 다중파장 광조사에 의해 광학적 반응을 전기적 반응으로 전기에너지 변환이 가능한 복합적인 전기에너지(전압-전류) 형태로 검출하며 이들의 반응을 전기에너지의 변환하여 얻는 것이 가능하여 전기에너지 생성이 가능하다.
이상과 같이 구성될 수 있는 본 발명은 초박막형 유기태양전지(1)에 다수의 유기분자(3)를 균일한 두께로 적층 제막하여 이들의 광학적·전기적 특성을 전기에너지로 이용할 수 있도록 한 것이 특징이다.
즉, 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지는 초박막(3)이 병렬막 또는/및 적층막으로 제막된 형태로서 폭이 좁은 흡수대 특성을 나타내는 다중파장흡수구조를 얻을 수 있으며, 기판(2) 상부에 병렬막 또는 적층막으로 제막된 각각의 초박막(3)들은 광학적으로 고유의 파장흡수를 가지게 되므로 태양광과 같은 다중파장흡수가 가능하여 초박막형 유기태양전지의 제작이 가능하게 되는 것이다.
그리고, 본 발명에 의해 제작되는 유기태양전지의 특징은 초박막형이면서, 각각의 유기분자에 의해 초박막(3)은 고유의 파장흡수를 가지고 있기 때문에 태양광의 전기에너지 변환의 제어가 가능하며 유기분자의 종류를 바꾸어 가면서 초박막(3)을 적층 제막할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지(1)의 다중파장흡수원리 및 전기에너지 발생원리를 설명하면 아래의 내용과 같다.
1. 다중파장흡수원리
서로 다른 폭이 좁은 흡수대를 가진 유기분자 즉 색소 유도체의 회합체를 조합하면 각각의 폭이 좁은 흡수대 파장으로 선택적인 착색·소색하는 것이 가능하다. 전기에너지 발생은 선택적인 파장흡수가 가진 에너지변환의 효율에 의존한다(광에너지⇔전기에너지). 흡수대의 반치폭이 좁은 재료에 대해서 재료고유의 최대흡수파장(λ1, λ2, ..)으로 발진하는 태양광을 선택적으로 조사한다.
전기에너지 발생, 즉 광에너지 변환은 최대파장흡수에서 전체구간의 스펙트라를 포함하는 태양광을 유기태양전지에 조사(照射)해서 재료 고유 흡수대의 최대파장흡수로 전기에너지를 검출하는 것으로 되어 있다.
본 발명의 초박막형 유기태양전지(1)의 최대파장흡수는 다른 색소 유도체의 여러 종을 이용, LB법에 의해 분자배열제어로부터 회합체를 형성하고 폭인 좁은 흡수대 특성을 나타내는 유기태양전지를 얻는 것이 용이하다.
열증착법 또는 스핀코팅법으로 제막할 경우는 색소유도체가 가지는 파장흡수대 특성 중에서 유기분자가 가지는 고유의 파장흡수 특성과 광학적 반응이 높은 유기분자를 사용하므로 광학적·전기적으로 응용성이 높은 유기태양전지를 얻는 것이 가능하다.
2. 초박막에 의한 다중파장흡수구조
유기분자의 하나인 색소의 착색체에서 제작한 초박막의 흡수스펙트럼은 단분자막의 피크가 파장흡수가 장파장측으로 이동하고, 반치폭이 약 수 나노미터(nm) 이하의 폭이 좁은 파장흡수 특성을 나타낸다.
한편, 유기분자의 하나인 색소의 소색체로 제작한 초박막은 누적 또는 증착직후는 무색이지만, 자외광의 조사에 의해 착색하고, 단량체와 같은 폭 넓은 파장흡수스펙트럼 특성을 나타낸다. 이것에 태양광을 조사하면 열적변형이 생겨, 파장흡수대가 좁은 흡수강도가 감소하여 회합체가 형성된다. 색소 초박막은 제작조건에 의해 단량체(500nm)에서 피크흡수파장이 장파장측으로 이동한 회합체(600nm)의 막이 얻어진다.
얻어진 기록매체의 흡수 스펙트럼의 반치폭은 약 30nm로, 파장흡수가 다른 회합체를 50nm사이에 한 개를 배치하면, 태양광영역 100~2,000nm에서는 수십개의 다중파장흡수가 가능하게 된다.
또한, 같은 파장흡수라 할지라도 병렬막 또는 적층막으로 제작할 경우 유기분자 누적 또는 증착 층 수에 따라 폭이 좁은 흡수대의 파장흡수 강도가 증가하는 파장흡수 최대피크가 형성될 수 있다. 따라서 이것을 응용하면 전기에너지의 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 이와 같은 방법에 의해 초소형에서 대면적의 고효율 유기태양전지까지 다양한 크기대응이 가능한 유기태양전지의 제작하는 것이 가능하다.
예를 들면 도 1과 같이 5가지의 유기분자를 다종병렬형 또는 적층형 소자로 제작할 경우, A 유기분자는 300nm대의 파장흡수를, B 유기분자는 00nm대의 파장흡수를, C 유기분자는 500nm대의 파장흡수와 같이 다양한 파장흡수를 가지는 유기태양전지의 제작 가능한 것이다.
그리고, 단일 유기분자를 이용할 경우는 유기분자가 가지는 고유 파장흡수는 일정하지만 누적 또는 증착하는 층수와 적층하는 형태에 따라 다양한 파장흡수강도의 변화가 있으므로 이를 이용하여 병렬막 또는 적층막 유기태양전지로 제작할 경우 유리한 점이 있다.
따라서 위와 같이 제막된 병렬형 또는 적층형 초박막형 유기태양전지는 유기분자 즉 색소가 형성하는 회합체(파장흡수영역 : 300~800nm)특성을 이용하기 위해 5종류의 누적막 또는 증착막을 전기에너지 변환매체로 이용할 수 있고 같은 파장흡수를 가지더라도 적층하는 층수를 증가시켜 파장흡수강도의 변화를 이용할 수 있다. 전기에너지 변환매체는 색소의 경우 회합체 1층의 두께가 약 3.2 nm이며 이것을 각각 10층씩 누적 또는 적층한 것으로(막두께 약 32.0 nm), 흡광도는 0.2~0.8 (arb. units) 이다.
기존의 색소 유도체를 사용하여, 2개 이상의 파장흡수가 가능한 다중파장흡수(파장흡수: 300~800nm)를 가진 전기에너지 변환매체를 제작하고, 다중파장흡수 특성을 평가하면 배치된 색소의 종류에 따라 도 3과 같이 고유의 파장흡수가 가능한 형태로 구조 형성되는 것을 알 수 있다. 또한, 이들 고유 파장흡수로 전기에너지 변환 효율특성의 평가가 가능하다.
3. 태양광에 의한 전기에너지 변환
(1) 광학에너지의 전기에너지로의 변환
광학에너지의 전기에너지 변환특성의 평가에 사용하는 태양광은 수십 나노미터에서 수천나노미터까지 사용한다. 에너지변환은 태양광을 이용하여 시간대별로 조사되는 일조량을 측정하고 측정된 일조량을 전기에너지로의 변환효율을 측정한다. 전기에너지 변환효율은 유기태양전지의 크기 기준에 의해 단위면적당 효율로 나타낸다. 이러한 조사량에 의한 변환효율을 특성이 유기태양전지의 효율이 된다. 이 유기태양전지는 유기분자가 회합체인 경유 파장흡수에 대응한 전기에너지의 발생을 가진 효율 측정이 가능하도록 각각의 파장에 선택적으로 전기에너지 발생 특성을 조사시간, 강도, 면적 등에 의해 평가한다.
유기분자가 소색체 단분자막인 경우는 도 4에 도시된 바와 같이 각각의 회합체를 이용하여 제작한 유기태양전지에 특정파장흡수가 가능하도록 제막하여 유기태양전지의 제작도 가능하다.
따라서 각 유기분자는 고유의 파장흡수가 발생하므로 전기에너지 변환되어 출력되는 에너지의 제어가 가능한 것이다. 고유 흡수파장이 형성되어 있으므로 유기분자 자체의 변형이 없는 한 안정한 전기에너지 출력이 가능한 것이 특징이다.
초박막형 유기태양전지에서 병렬막 또는 적층막은 각각 고유의 유기분자가 서로 다른 위치에서 제막되어 있기 때문에 파장흡수 에너지의 측정이 용이하며, 태양광의 시간대별 조사량의 변화에 가장 최적의 조건으로 제작이 가능한 장점이 있다
.
(2) 전기에너지 발생
이때 본 발명은 초박막(nanometer, ~10-9m)형으로 소형화와 다중파장에 대한 흡수가 가능하기 때문에 단순히 유기분자를 이용한 종전의 기술력에 비해 태양광 파장흡수 영역이 확대되고, 전기에너지 발생효율을 한 단계 높였으며, 유기분자를 이용한 분자수준의 광학에너지의 전기에너지로의 변환이 가능하다.
그리고 본 발명은 위에서 설명한 전기에너지 발생방법에서 유기분자를 사용하는 단점을 보완하기 위하여 제작된 초박막형 유기태양전지를 진공커버 안에 넣어서 안정성을 향상시키고 작용 시 외부조건 변화에 의한 내구성을 향상시켜 광학·전기적 변환에 의한 안정성 변형을 최소화하였다.(도 4)
참고로, 도 5는 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지 광흡수반응 전기에너지 변환도를 나타낸 것으로, 태양광 영역에서 파장이 서로 다른 가시광선 대의 다중 파장인 300~700nm 범위의 파장대 영역의 가시광선이 각 파장대의 흡수능이 우수한 초박막에서 흡수된 다음 광학에너지가 전기에너지로 변환되어 전기가 발생하는 과정을 나타낸 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 초박막형 유기태양전지(1)의 다중파장흡수원리 및 전기에너지 발생원리에 대한 상세한 설명을 하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지의 일 실시예를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지의 다른 실시예를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지의 또 다른 실시예를 도시한 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지의 또 다른 실시예를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 초박막형 유기태양전지 광흡수반응 전기에너지 변환도에 관한 것이다.
☞ 도면의 주요부분에 사용된 부호에 대한 설명 ☜
1 : 초박막 유기태양전지 2 : 기판
3 : 초박막 4 : 투명전극
5 : 금속전극 6 : 진공커버

Claims (6)

  1. 초박막형 유기태양전지(1)에 있어서,
    기판(2)과,
    상기 기판(2)의 상부 표면에 태양광 영역의 다중파장흡수 능력이 우수한 유기분자를 이용하여 제막시킨 초박막(3)으로 구성되고,
    상기 초박막(3)에 광학에너지를 조사하여 전기에너지로 변환시키는 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판(2)은 수정, 유리, 또는 합성수지 필름 중에서 1종을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 초박막(3)은 태양광 영역에서 파장이 서로 다른 가시광선 대의 다중 파장인 300~700nm 범위의 파장대 영역의 광선에서 각 파장대 영역별로 광선 흡수능력이 뛰어난 각각의 유기분자를 다수 개 선택하여 기판(2)의 상부 표면에 제막하여 초박막(3)을 제막시킨 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양 전지.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초박막은 상기 각 파장대별로 흡수능력이 우수한 초박막을 기판(1)을 바닥기준으로 한 병렬형 막 또는 적층형 막의 형태로 나란히 누적시키거나 또는 병렬형 막 및 적층형 막을 병행한 형태로 배열한 구조인 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 초박막형 유기태양전지는 초박막(3)의 상부에 금속전극(5)을 진공 증착하여 광학·전기적 에너지의 변환을 발생할 수 있도록 하고, 초박막(3)의 하부에 투명전극(4)을 부착하여 초박막(3)에서 광학에너지의 전기에너지로의 변환을 검출할 수 있는 전극단자로 사용토록 한 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    기판(2)과 초박막(3)을 포함하는 유기태양전지는 진공커버(6)의 보호막에 넣 어 사용하고, 상기 진공커버(6)는 고진공(10-8Torr)에서 진공시켜 밀폐한 것을 특징으로 하는 다중파장을 흡수하는 초박막형 유기태양전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101116256B1 (ko) * 2010-06-07 2012-06-12 박병주 편광 태양전지

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