KR20100043952A - Method for manufacturing organic photovoltaic device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광기전력장치 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광활성층과 전자 수용층으로 이루어진 광전변환층의 광활성층과 전자 수용층의 패턴 붕괴를 방지할 수 있는 유기 광기전력장치 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a photovoltaic device, and more particularly, to an organic photovoltaic device manufacturing method capable of preventing the pattern collapse of the photoactive layer and the electron receiving layer of the photoelectric conversion layer consisting of the photoactive layer and the electron receiving layer.
광기전력 장치(photovoltaic device)란, 빛이 조사되었을 때 전자와 정공을 발생시키는 광-흡수 물질을 사용하여 직접적으로 전기를 생산하는 소자를 의미한다. A photovoltaic device refers to a device that directly generates electricity using a light-absorbing material that generates electrons and holes when light is irradiated.
종래의 광기전력 장치는 주로 무기물을 이용한 것으로, 단결정, 다결정 혹은 비정질 실리콘 반도체를 이용하거나, 갈륨 아세나이드(gallium arsenide), 카드늄텔루라이드와 같은 화합물 반도체를 이용한다. 특히 결정 실리콘 계열은 에너지 전환 효율이 비정질 실리콘 계열에 비하여 우수하지만 결정을 성장시키기 위하여 요구되는 시간과 에너지로 인하여 생산성이 떨어진다. Conventional photovoltaic devices mainly use inorganic materials, single crystal, polycrystalline or amorphous silicon semiconductors, or compound semiconductors such as gallium arsenide and cadmium telluride. In particular, the crystalline silicon series has better energy conversion efficiency than the amorphous silicon series, but the productivity is decreased due to the time and energy required to grow the crystal.
한편, 비정질 실리콘 계열의 경우 결정 실리콘과 비교하여 광흡수성이 좋고 대면적화가 용이하고 생산성이 좋지만 진공 프로세서가 요구되는 등 설비 면에서 비효율적이다. On the other hand, in the case of amorphous silicon series, compared with crystalline silicon, light absorption is good, large area is easy and productivity is good, but it is inefficient in terms of equipment such as requiring a vacuum processor.
특히, 무기계 태양 전지 소자의 경우, 제작비용이 높고 소자가 진공 상태에서 제작되기 때문에 가공 및 성형이 어려운문제점이 있다.In particular, in the case of the inorganic solar cell device, the manufacturing cost is high and the manufacturing process is difficult because the device is manufactured in a vacuum state.
이와 같은 문제점으로 실리콘을 대신하여 유기물질의 광기전 현상을 이용한 유기 광기전력장치에 대한 연구가 시도된 바 있다. 유기물 광기전 현상이란 유기물질에 빛을 조사하면 광자(photon)를 흡수하여 전자(electron)-정공(hole) 쌍이 생성되어 이를 분리하여 각각 음극 및 양극으로 전달하고 이와 같은 전하의 흐름에 의하여 전류를 발생시키는 현상이다. As a result of this problem, there have been attempts to research organic photovoltaic devices using photovoltaic phenomena of organic materials instead of silicon. In organic photovoltaic phenomenon, when light is irradiated to an organic material, photons are absorbed to generate electron-hole pairs, which are separated and transferred to the cathode and the anode, respectively. It is a phenomenon that occurs.
통상적으로 유기 광기전력장치에 있어서는 전자공여체(electron donor)와 전자수용체(electron acceptor) 물질의 접합구조로 이루어진 유기물질에 빛을 조사하였을 때 electron donor에서 전자-정공쌍이 형성되고 electron acceptor로 전자가 이동함으로써 전자-정공의 분리가 이루어진다. 이와 같은 과정을 통상 "빛에 의한 전하 캐리어(charge carrier)의 여기"또는"광여기 전하 이동현상(photoinduced chargetransfer, PICT)"라고 하는데, 빛에 의하여 생성된 캐리어들은 전자-정공으로 분리되고 외부 회로를 통하여 전력을 생산하게 된다.In general, in an organic photovoltaic device, when light is irradiated to an organic material composed of a junction structure of an electron donor and an electron acceptor material, electron-hole pairs are formed in the electron donor and electrons move to the electron acceptor. As a result, electron-hole separation is achieved. This process is commonly referred to as "excitation of charge carriers by light" or "photoinduced charge transfer (PICT)", in which carriers produced by light are separated into electron-holes and external circuitry. To produce power.
이와 같이 상대적으로 저렴한 유기물질을 이용한 광기전력 장치 중에서 최근에는 벌크 이종접합 유기 광기전력장치는 얇고 가벼우며 구부릴 수 있다는 장점 때문에 많은 관심의 대상이 되고 있다. Among the photovoltaic devices using relatively inexpensive organic materials, bulk heterojunction organic photovoltaic devices have recently been attracting much attention because of their thin, light, and bendable advantages.
예를 들어, 미국특허공개 제2006-0011233호에서는 전자공여체로서 폴리-3-헥시티오펜(P3HT)과, 전자수용체로서[6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르(PCMB)를 사 용하여 스핀코팅의 방법으로 형성한 광전변환층이 도입된 유기 광기전력장치를 개시하고 있다.For example, US Patent Publication No. 2006-0011233 uses poly-3-hexythiophene (P3HT) as an electron donor and [6,6] -phenyl-C61-butyl acid methyl ester (PCMB) as an electron acceptor. An organic photovoltaic device in which a photoelectric conversion layer formed by spin coating is introduced.
또한, 이러한 P3HT 및 PCMB을 이용한 광기전력 장치가 국내등록특허 제10-0785954호에 "에너지 변환 효율이 개선된 유기 광기전력장치 및 이의 제조방법"이라는 제목으로 개시된 바 있다. In addition, such a photovoltaic device using P3HT and PCMB has been disclosed in the Korean Patent No. 10-0785954 entitled "Organic photovoltaic device with improved energy conversion efficiency and its manufacturing method".
도 1을 참조하면, 종래의 고분자 태양전지는, 기판(110), 제 1 전극(120), 버퍼층(130), 광전변환층(140), 제 2 전극(150)이 적층된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 1, a conventional polymer solar cell has a structure in which a
여기서, 제 1 전극(120)은 애노드 역할을 하고, 제 2 전극(150)은 캐소드 역할을 한다. Here, the
광전변환층(140)은 전도성 고분자로서의 폴리티오펜 유도체인 P3HT와 전자수용체인 PCBM이 배합된 것이다. The
그런데, 종래의 기술은 전도성 고분자로서의 폴리티오펜 유도체인 P3HT와 전자수용체인 PCBM을 한꺼번에 혼합해서 코팅하는 방법이 이용되는데 이는 균일한 혼합이 어려운 단점이 있다. However, the conventional technique is a method of coating a mixture of polythiophene derivative P3HT as a conductive polymer and PCBM as an electron acceptor at the same time, which is difficult to uniformly mix.
즉, 전자공여체인 P3HT에서 생성된 전자는 일정거리 이상 이동하게 되면 소멸되는 특성이 있는데 그 거리를 Exciton diffusion length라 한다. That is, electrons generated from the electron donor P3HT are extinguished when moved over a certain distance. The distance is called Exciton diffusion length.
보통 전자는 이동 거리가 20nm 이상에서 소멸이 잘되기 때문에 상분리시 그레인 사이즈를 작게 할수록 전자가 소멸되지 않고 모두 전자수용체에 전달시킬 수 있다.Normally, electrons are easily dissipated at a travel distance of 20 nm or more, so that the smaller the grain size during phase separation, the more electrons do not disappear and can be transferred to the electron acceptor.
따라서, 그레인 사이즈를 작게 하는 것이 효율을 높이는데 유리한 관건이 된 다. Therefore, decreasing the grain size is an advantageous key to increasing the efficiency.
P3HT와 PCBM은 서로 다른 화학적 성질로 인하여 상분리 되는데 상분리 특성이 무질서하기 때문에 상분리시 그레인(grain) 사이즈가 나노미터 스케일에서 마이크로 스케일까지 다양하게 나타난다. P3HT and PCBM are separated from each other due to different chemical properties. Because of their disordered phase separation, grain size varies from nanometer scale to microscale.
그런데 혼합방식에는(bulk heterojunction 방식)에서는 그 상분리시의 그레인 사이즈가 커서 일부 전자가 이동하면서 소멸되고 일부만 전달되어 효율이 낮다는 문제점이 있다.However, in the bulk heterojunction method, the grain size at the time of phase separation is large, so that some electrons are dissipated and only part of the electrons are transferred and the efficiency is low.
이러한 문제점을 해결하고자 P3HT와 PCBM 물질을 혼합하는 방식을 대신하여 전자공여체(P3HT)와 전자수용체(PCBM)의 둘 중에 하나를 먼저 작은 영역으로 패터닝하고 그 다음에 다른 물질을 그 위에 코팅하는 방법을 이용하고 있다.To solve this problem, instead of mixing P3HT and PCBM materials, one method of patterning one of the electron donor (P3HT) and the electron acceptor (PCBM) into small areas first and then coating another material thereon I use it.
이 방법에 따르면, 두 물질이 교대로 배열되는 크기를 조절할 수 있으며, 또한 나노미터 크기로 조절이 가능하여 효율이 높은 고효율 태양전지 제작에 유리한 장점이 있다. According to this method, it is possible to control the size of the two materials are arranged alternately, and also can be adjusted to the size of nanometers, there is an advantage in the production of high efficiency solar cells with high efficiency.
그런데 이 방식을 이용하려면 패터닝된 첫 번째 층이 두 번째 층을 코팅할 때 손상되지 않아야 되는데, 현재 많이 사용되는 P3HT와 PCBM 조합은 이에 적합하지 않다는 문제점이 있다. However, in order to use this method, the patterned first layer should not be damaged when coating the second layer. However, P3HT and PCBM combinations, which are widely used, are not suitable for this.
즉, P3HT와 PCBM은 클로로벤젠류(CLOROBENZENE) 용매에서 동일하게 서로 잘 녹이는 성질이 있는데, 첫 번째 패터닝된 P3HT의 손상이 불가피하여 패턴이 붕괴되면서 결국 광전변환 효율이 떨어지는 단점이 있다. In other words, P3HT and PCBM have the same property of dissolving well in chlorobenzenes (CLOROBENZENE) solvent, the damage of the first patterned P3HT is inevitable, the pattern is collapsed and eventually the photoelectric conversion efficiency is lowered.
이러한 단점을 해결하기 위하여 기존에는 P3HT 대신 TPDTD와 같은 다른 폴리 머를 이용함으로써 P3TH를 사용하는 공정의 근본적인 문제는 해결하지 못하였다.In order to solve this drawback, the conventional problem of using P3TH is not solved by using another polymer such as TPDTD instead of P3HT.
상기 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 광활성층과 전자 수용층을 패터닝하지 않고 순차로 코팅한 후에 동시에 광활성층과 전자 수용층을 가압 공정을 통해 동시 패터닝함으로써, 전자 수용층 패터닝 시의 패턴 붕괴 없이 P3HT 패턴 상에 안정적으로 PCBM 패턴을 형성할 수 있도록 하는 유기 광기전력장치 제조 방법을 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the problems of the background art is to coat the photoactive layer and the electron accepting layer sequentially without patterning, and then simultaneously pattern the photoactive layer and the electron accepting layer through a pressing process, thereby patterning the electron accepting layer. An organic photovoltaic device manufacturing method for stably forming a PCBM pattern on a P3HT pattern without collapse.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 유기 광기전력장치 제조 방법은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 광전변환층이 형성된 유기 광기전력장치의 제조 방법에 있어서, 기판 상에 제 1 전극 물질을 코팅하는 단계와, 상기 제 1 전극 물질 상에 광활성층을 코팅하는 단계와, 상기 광활성층 상에 전자 수용층을 코팅하는 단계와, 상기 기판과 상기 전자 수용층 상하부를 몰드를 이용하여 가압하는 단계와, 상기 전자 수용층 상에 제 2 전극 물질을 코팅하는 단계를 포함한다.The organic photovoltaic device manufacturing method of the present invention for solving the above problems is a method of manufacturing an organic photovoltaic device having a photoelectric conversion layer formed between the first electrode and the second electrode, the coating of the first electrode material on the substrate Coating a photoactive layer on the first electrode material, coating an electron receiving layer on the photoactive layer, pressing the substrate and the upper and lower portions of the electron receiving layer using a mold, and Coating a second electrode material on the receiving layer.
상기 광활성층은 P3HT로 형성하고, 상기 전자 수용층은 PCBM으로 형성한다. The photoactive layer is formed of P3HT, and the electron receiving layer is formed of PCBM.
상기 제 1 전극 물질과 상기 광활성층 사이에 정공 전달층을 더 형성할 수 있으며, 상기 전자 수용층과 상기 제 2 전극 물질 사이에 수분 및 산소에 대한 보호막을 더 형성할 수 있다. A hole transport layer may be further formed between the first electrode material and the photoactive layer, and a protective film against moisture and oxygen may be further formed between the electron receiving layer and the second electrode material.
상기 기판과 상기 제 1 전극 물질은 유연성 재질을 이용함이 바람직하다.Preferably, the substrate and the first electrode material are made of a flexible material.
본 발명은 별도의 유기 용매를 적용하거나 광활성층 상에 별도의 보호층을 형성하지 않고도 P3HT로 이루어지는 광활성층과 PCBM으로 이루어진 전자 수용층을 순차로 코팅한 후 가압 공정을 통해 동시에 패터닝함으로써, P3HT 패턴 상에 안정적으로 PCBM 패턴을 형성하여 패턴 붕괴를 방지함으로써 소자의 신뢰성을 높일 수 있는 이점이 있다.The present invention is applied to the P3HT pattern phase by sequentially coating the photoactive layer made of P3HT and the electron receiving layer made of PCBM and then patterning simultaneously without applying a separate organic solvent or forming a separate protective layer on the photoactive layer. By forming a PCBM pattern in a stable manner to prevent the pattern collapse has the advantage of increasing the reliability of the device.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 유기 광기전력장치 제조 방법을 순차 도시한 공정 단면도로서, 본 발명은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 광전변환층이 형성된 유기 광기전력장치의 제조 방법에 관한 것이다. 2A to 2F are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing an organic photovoltaic device according to the present invention. The present invention relates to a method of manufacturing an organic photovoltaic device in which a photoelectric conversion layer is formed between a first electrode and a second electrode. will be.
도 2a를 참조하면, 기판(10) 상에 제 1 전극 물질(20)을 코팅한다.Referring to FIG. 2A, the
이때, 기판(10)은 PET, PC, PES 등의 투명 폴리머로 이루어지는 유연성(Flexible) 재질로 이루어짐이 바람직하다.At this time, the
또한, 제 1 전극 물질(20)은 투명성 및 도전성 특성을 갖는 애노드 전극으로 이용되는 것으로서, ITO 계통이 이용될 수 있으나 CNT 매트릭스 전극 또는 금속 나노 와이어와 같은 유연성 재질을 이용함이 바람직하다. In addition, the
도 2b를 참조하면, 제 1 전극 물질(20) 상에 스핀 코팅 방식을 이용하여 정공 수송층(30)을 코팅하고 그 상부에 광활성층(40)을 코팅한다. Referring to FIG. 2B, the
이때, 정공 수송층(30)은 정공이동도를 향상시킬 수 있도록 하는 것으로서, 폴리(스틸렌 설포네이트) (poly(styrene sulfonate))로 도핑된 폴리(3,4- ethylenedioxythiophene) [PEDOT:PSS] 또는 글리세롤이 포함된 G-PEDOT를 이용할 수 있다. At this time, the
그리고, 광활성층(40)은 폴리-3-헥시티오펜(P3HT), PTAA(poly-triarylamine), MEH-PPV{poly[2-methoxy, 5-(2′-ethyl-hexyloxy)-p-phenylenevinylene)]}, PDDTT{ poly[5,7-bis(4-decanyl-2-thienyl)thieno[3,4-b]diathiazole-thiophene-2,5)]},PDOCPDT{2,5-(7,7-dioctyl)-cyclopentadithiophene]}, PDPDTBT{poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethyhexyl)-4H-cyclopenta [2,1-b;3,4-b′]-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]}, PTV{poly(thienylene vinylene)}, PBTTT{poly[2,5-bis(3-alkylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene)]}, PCPDTBT{poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b'] dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]} 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 폴리-3-헥시티오펜(P3HT)이 이용된다.The
여기서, 본 발명의 실시예에서는 정공 수송층(30)을 형성하였으나 다른 변형된 실시예에서는 정공 수송층(30) 코팅 공정을 생략할 수 있다. Here, although the
도 2c를 참조하면, 광활성층(40) 상에 전자 수용층(50)을 코팅한다. Referring to FIG. 2C, the
이때, 전자 수용층(50)은 상대적으로 전자 포집능력이 좋은 특성을 가지는 물질로 이루어짐이 바람직하며, [6,6]-phenyl-C71 butyric acid methyl ester (PC70BM) 또는 C60, CNT, TiO2, ZnO 등 같은 무기물로 이루어질 수 으나, 바람직하게는 PCBM([6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester)으로 이루어진다.At this time, the
도 2d를 참조하면, 전자 수용층(50)의 상부에 몰드(60)를 위치시킨 후에 가압함으로써 광활성층(40)과 전자 수용층(50)에 요철 구조를 갖는 나노 패턴을 형성한다. Referring to FIG. 2D, a nano pattern having an uneven structure is formed on the
이때, 본 발명의 실시예에서는 전자 수용층(50)의 상부에만 몰드를 위치시켰으나, 몰드를 기판(10)의 하부에 위치시켜 가압할 수 있으며, 이때 기판(10)이 유연성 재질로 이루어지는 경우 기판의 하부에도 요철 구조의 나노 패턴이 형성된다. At this time, in the embodiment of the present invention, the mold is placed only on the upper portion of the
도 2e를 참조하면, 전자 수용층(50) 상에 수분 및 산소 침투를 방지하여 소자의 안정성을 향상시키기 위한 보호층(70)을 형성한다.Referring to FIG. 2E, a
즉, 소자 내부로 수분이나 산소가 침투할 경우 소자가 손상되며 광전 효율이 저하될 수 있으므로 이를 방지하기 위한 보호층(70)을 형성하는 것이 바람직하나 보호층 형성 공정은 생략할 수 있다. That is, when moisture or oxygen penetrates into the device, the device may be damaged and the photoelectric efficiency may be deteriorated. Therefore, the
이때, 보호층(70)은 TiO2와 같은 TiOx 계열의 물질이 이용될 수 있다.In this case, the
도 2f를 참조하면, 보호층(70) 상에 캐소드 역할을 하도록 Al과 같은 제 2 전극 물질(80)을 진공 스퍼터링 방식 등을 이용하여 코팅한다. Referring to FIG. 2F, a
즉, 종래에는 P3HT로 이루어지는 광활성층에 미세 패턴을 형성한 후 그 상부에 전자 수용층인 PCBM 패턴을 형성함으로써, P3HT와 PCBM이 클로로벤젠류(CLOROBENZENE) 용매에서 동일하게 서로 잘 녹이는 성질이 있어, 첫 번째 패터닝된 P3HT의 손상이 불가피하여 패턴이 붕괴되었으나, 본 발명은 P3HT와 PCBM을 순차로 코팅한 후 가압 공정을 통해 동시에 패터닝 함으로써 P3HT 손상에 의한 패턴 불량을 방지할 수 있다.That is, conventionally, by forming a fine pattern on the photoactive layer made of P3HT and then forming a PCBM pattern, which is an electron accepting layer thereon, P3HT and PCBM have the property of dissolving the same well in chlorobenzenes (CLOROBENZENE) solvent. The pattern is collapsed because the damage of the patterned P3HT is inevitable, but the present invention can prevent the pattern defect due to the P3HT damage by simultaneously coating the P3HT and the PCBM and then patterning the same through a pressing process.
결과적으로 본 발명은 광활성층인 P3HT 패턴의 손상이 발생하지 않도록 함으로써, 소자의 신뢰성 및 광전 변환 효율 저하를 방지할 수 있다.As a result, the present invention can prevent the damage of the P3HT pattern, which is the photoactive layer, to prevent deterioration of the reliability and photoelectric conversion efficiency of the device.
도 1은 종래 기술에 따른 유기 광기전력장치 단면도.1 is a cross-sectional view of an organic photovoltaic device according to the prior art.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명에 따른 유기 광기전력장치 제조 방법을 나타낸 순차적인 공정도.2A to 2F are sequential process diagrams illustrating a method of manufacturing an organic photovoltaic device according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 기판10: substrate
20 : 제 1 전극 물질20: first electrode material
30 : 정공 수송층30: hole transport layer
40 : 광활성층40: photoactive layer
50 : 전자 수용층50: electron receiving layer
60 : 몰드60: Mold
70 : 보호층70: protective layer
80 : 제 2 전극 물질80: second electrode material
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