KR20100107624A - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광흡수율을 증가시켜서 광전변환 효율을 향상시킨 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 태양 전지는,
기판 및 상기 기판 위에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 위에 형성되는 광활성층; 상기 광활성층 위에 형성되는 제2 전극을 포함하며, 상기 광활성층에는 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체가 함유된다.
태양 전지, 유기 소자, 광흡수율
Description
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광흡수율을 증가시켜서 광전변환 효율을 향상시킨 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환 소자인 태양 전지는 다른 에너지원과는 달리 무한하고 환경친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 더해가고 있다.
종래에는 단결정 또는 다결정의 실리콘 태양 전지가 많이 사용되어 왔으나, 실리콘 태양 전지는 제조 비용이 높고 플렉서블 기판에는 적용할 수 없는 등의 문제점이 있어, 최근 이러한 단점을 해결하는 대안으로 유기물 태양 전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
즉, 유기물 태양 전지는 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 롤 코팅 또는 닥터 블레 이드 방법 등으로 제조할 수 있어서 제조 공정이 간단하여 제조 비용이 낮으며, 넓은 면적을 코팅할 수 있고, 낮은 온도에서도 박막을 형성할 수 있으며, 유리 기판을 비롯하여 플라스틱 기판 등 거의 모든 종류의 기판을 사용할 수 있다.
뿐만 아니라, 기판 형태의 제한 없이 곡면, 구면 등 플라스틱 성형품과 같은 다양한 형태의 태양 전지를 제작할 수 있고 구부리거나 접을 수도 있어서 휴대하기 편리하다. 이와 같은 장점을 활용하면 사람의 옷, 가방 등에 부착하거나 휴대용 전기, 전자 제품에 부착하여 사용하기 편리하다. 또한, 고분자 블렌드 박막은 빛에 대한 투명도가 높아서 건물의 유리창 또는 자동차의 유리창 등에 부착하여 밖을 볼 수 있게 하면서도 전력을 생산할 수 있어 불투명한 실리콘 태양 전지보다 응용 범위가 훨씬 높을 수 있다.
그러나 이와 같은 장점에도 불구하고 유기물 태양 전지는 전력변환 효율과 수명이 낮아서 실용적 응용에는 적합하지 않았다. 즉, 태양 전지의 전력변환 효율은 1990년대 말까지 약 1% 수준에 머물러 있었으나, 2000년대에 들어오면서 고분자 블렌드 구조의 모폴로지(morphology) 향상 등으로 성능이 크게 향상되기 시작했다.
한편, 탠덤(tandem) 구조의 태양 전지는 단층 구조의 개방전압을 0.4V 정도에서 두 배 가까이 증가시키는 특징이 있는데. 2004년 발표된 J. Xue 등의 연구에서는, 샌드위치형의 탠덤 구조로 두 개의 전지를 ITO/CuPC/CuPC:C60/C60/ PTCBI/Ag/m-MTDATA/CuPC/CuPC:C60/C60/BCP/Ag와 같이 연결하여 개방전압 1.03V, 단락전류 9.7mA/cm2, 변환효율 5.7%(AM 1.5 조건)을 얻었다.(Appl. Phys. Lett.85, 5757 (2004))
그러나, 상기 탠덤 구조의 태양 전지는 셀(cell)을 적층하는 형태이므로 그 제조 공정이 복잡하다는 문제점이 있으며, 또한 적층형으로 소자를 제조하기 때문에 상부에 위치한 셀에 들어오는 빛의 양이 적어져서 광손실이 발생하고 광흡수율이 떨어진다는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 그 제조 공정이 간단하면서도 광흡수율을 증가시켜서 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양 전지는,
기판 및 상기 기판 위에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 위에 형성되는 광활성층; 상기 광활성층 위에 형성되는 제2 전극을 포함하며, 상기 광활성층은 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체를 포함한다.
상기 2개 이상의 전자 공여체는 각각 하나 이상의 피크 파장을 갖는 광 흡수 스펙트럼을 가지며, 적어도 하나의 피크 파장은 다른 전자 공여체의 피크 파장과 서로 다른 것이 바람직하다. 이때, 상기 2개 이상의 전자 공여체 중 하나의 전자 공여체는 단파장 영역에서 피크 파장을 가지며, 다른 하나의 전자 공여체는 장파장 영역에서 피크 파장을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 2개 이상의 전자 공여체는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 것이 더욱 바람직하다.
상기 광활성층은 상기 2개 이상의 전자 공여체가 함유된 도우너층과 상기 전자 수용체가 함유된 억셉터층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 도우너층과 상기 억셉터층 사이에 형성되며, 상기 전자 공여체와 전자 수용체가 블랜딩(blending)되어 형성되는 계면층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 광활성층은 상기 전자 공여체와 전자 수용체가 블랜딩되어 형성될 수 있다.
상기 광활성층과 제2 전극 사이에 위치하는 블로킹층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극과 광활성층 사이에 위치하는 정공 이동층 또는 상기 광활성층과 제2 전극 사이에 위치하는 전자 주입층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 투명 도전 산화막을 포함하며, 상기 제2 전극을 금속을 포함한다. 이때, 상기 투명 도전 산화막은 ITO(indium-tin oxide), FTO(Fluorine doped tin oxide), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), SnO2-Sb2O3 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하며, 상기 금속은 금, 알루미늄, 구리, 은, 니켈 또는 그들의 합금, 칼슘/알루미늄 합금, 마그네슘/은 합금, 알루미늄/리튬 합금 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 전자 공여체는 프탈로시아닌(phthalo- cyanine), 플래 티늄-옥타릴포르핀린(Pt-octaethylporphyrin(PtOEP)), P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 그리고 이들의 유도체 중에서 선택된 적어도 어느 1개 이상인 것이 바람직하다.
상기 전자 수용체는 플러렌 또는 플러렌 유도체인 것이 바람직하다.
상기 전자 공여체는 폴리티오펜 유도체와 프탈로시아닌(phthalo- cyanine) 계열의 물질이고, 상기 전자 수용체는 플러렌 유도체인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법은, 제1 전극과 제2 전극 사이에 광활성층이 형성된 태양 전지 제조 방법으로서, (a) 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; (b) 상기 제1 전극 상에 2개 이상의 전자 공여체 및 전자 수용체를 이용하여 광활성층을 형성하는 단계; (c) 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 (b) 단계는, 유기 용매에 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체를 블랜딩(blending)하여 광활성층 재료를 제조하는 단계와, 상기 블랜딩된 광활성층 재료를 사용하여 상기 제1 전극 위에 상기 광활성층 재료를 스핀 코팅하는 단계를 포함한다.
상기 (b) 단계는 상기 2개 이상의 전자 공여체를 사용하여 도우너층을 형성하는 단계 및 상기 도우너층 상에 상기 전자 수용체를 사용하여 억셉터층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 2개 이상의 전자 공여체는 각각 하나 이상의 피크 파장을 갖는 광 흡수 스펙트럼을 가지며, 적어도 하나의 피크 파장은 다른 전자 공여체의 피크 파장과 서로 다른 것이 바람직하다.
상기 2개 이상의 전자 공여체는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 전자 수용체와, 서로 다른 피크 파장의 광 흡수 스펙트럼을 가지는 2개 이상의 전자 공여체를 블랜딩하여 광활성층을 형성하여 광흡수율을 증가시킬 수 있고, 그 결과 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 적층형 구조가 아닌 단층 구조로도 광손실을 최소화할 수 있으므로 그 제조 공정을 간소화시킬 수 있으며, 생산 비용을 절감시킬 수 있다. 따라서, 태양 전지 제조 생산성을 향상시키고 단가를 저감시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다. 또한, 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 “상부에” 또는 “상에” 있다고 표현되는 경우는 각 부분이 다른 부분의 “바로 상부” 또는 “바로 위에” 있는 경우뿐만 아니라 각 부분과 다른 부분의 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 여러 실시예에 따른 태양 전지를 모식적으로 도 시한 단면도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양 전지를 도시한 도, 도 6은 P3HT와 CuPc 각각의 광흡수 파장 영역을 도시한 그래프, 도 7은 P3HT와 CuPc, PCBM의 밴드갭 에너지를 도시한 도, 도 8은 P3HT와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역과 P3HT, CuPc, PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역을 비교하여 도시한 그래프, 도 9는 P3HT와 CuPc, PtOEP 각각의 광흡수 파장 영역을 도시한 그래프, 도 10은 P3HT와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역과, P3HT, CuPc, PtOEP 중 적어도 어느 두 물질과 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역을 비교하여 도시한 그래프, 도 11은 도 5에 도시된 태양 전지의 소자 특성을 도시한 그래프, 도 12는 도 5에 도시된 태양 전지의 소자 특성을 도시한 그래프로써, CuPc의 중량비 변화에 따른 Jsc와 전력변환 효율의 변화를 도시한 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는, 기판(10), 제1 전극(20), 광활성층(30), 제2 전극(40)을 포함하며, 상기 광활성층(30)에는 전자 수용체와, 전자 공여체가 함유되어 있다. 여기서, 상기 전자 공여체는 서로 다른 피크 파장의 광 흡수 스펙트럼을 가지는 2가지 이상의 물질로 이루어 지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 2가지 이상의 물질로 된 전자 공여체 중 하나는 단파장 영역에서 피크 파장을 가지며, 다른 하나의 전자 공여체는 장파장 영역에서 피크 파장을 가지는 것이 더욱 바람직하다.
상기 기판(10)은 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되지 않으며 석영 및 유리와 같은 투명 무기 기판이거나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), AS수지, ABS수지로 구성되는 군에서 선택되는 투명 플라스틱 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(10)은 가시광선 파장대에서 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 투과율을 갖는것이 좋다.
상기 제1 전극(20)은 기판(10)을 통과한 빛이 광활성층(30)에 도달하는 경로가 되므로 높은 투명도를 갖는 물질이 바람직하다. 상기 제1 전극(20)은 투명 도전 산화막인 것이 바람직하며, 상기 제1전극(20)을 형성하는 전도성 물질의 구체적인 예로는, 인듐틴 옥사이드(ITO), 금, 은, 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등을 들 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 전극(20)의 상부에는 광활성층(30)이 위치한다. 상기 광활성층(30)은 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체를 포함한다. 여기서, 상기 2개 이상의 전자 공여체의 밴드갭 에너지는 서로 다를 수 있다. 따라서, 상기 2개 이상의 전자 공여체는 각각 광 흡수 스펙트럼을 가지며, 하나 이상의 피크 파장을 갖는다. 그리고, 적어도 하나의 피크 파장은 다른 전자 공여체의 피크 파장과 서로 다를 수 있다. 예를 들면, 하나의 전자 공여체가 자외선 내지 청색 영역인 단파장 영역(300 ~ 460nm)에서 피크 파장을 가진다면, 다른 하나의 전자 공여체는 460nm 이상이 장파장 영역, 예를 들면 녹색 영역(460~550nm) 또는 적색 영역(600~750nm)에서 피크 파장을 가질 수 있다.
보다 상세하게는 상기 전자 공여체는, 예를 들면, 서로 다른 피크 파장의 광 흡수 스펙트럼을 가지는 2개 이상의 전도성 고분자 물질들, 또는 적어도 하나 이상의 전도성 고분자 물질과 전도성 저분자 물질이 블랜딩된 물질인 것이 바람직하다. 여기서, 고분자 물질이란 분자량이 10000 이상인 물질을 뜻하고, 저분자 물질은 분자량이 10000 미만인 물질을 뜻한다.
상기 전도성 고분자 물질로서는, P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 그리고 이들의 유도체 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. 상기 전도성 저분자 물질로서는, 프탈로시아닌 계열의 물질, 예를 들면, 구리 프탈로시아닌(copper pthalocyanine(CuPc)), 또는 플래티늄-옥타릴포르핀린(Pt-octaethylporphyrin(PtOEP)) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전자 수용체로서는 플러렌 또는 플러렌 유도체인 것이 바람직하다.
이때, 블랜딩되는 2개 이상의 전자 공여체는 서로 혼합이 잘되되, 서로 반응하지 않는 물질이어야 한다. 서로 반응하여 새로운 화합물을 생성하면, 광활성층의 역할을 수행하지 못하거나, 효율이 현저하게 저하된다.
상기 제2 전극(40)은 상기 제1 전극을 통해 입사되었으나, 광활성층에서 흡수되지 못한 광을 재흡수하기 위해 주로 반사도가 높고 저항이 적은 물질을 사용하여 형성된다. 상기 제2전극(40) 물질로는 금속을 포함하는 것이 바람직하며, 구체 적으로는 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속, 또는 이들의 합금을 사용하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 광활성층(30)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 전자 공여체를 블랜딩하여 형성된 도우너층(31)과 전자 수용체를 함유하는 억셉터층(32)을 포함할 수 있다. 이는 저분자 태양 전지를 도시한 것으로, 상기 도우너층(31)은 광을 흡수하여 엑시톤(exciton)을 형성한다. 상기 도우너층(31)에 함유되는 전자 공여체는 서로 다른 피크 파장의 광 흡수 스펙트럼을 가지는 2가지 이상의 전도성 저분자 물질인 것이 바람직하다. 상기 전도성 저분자 물질로서는, 프탈로시아닌 계열의 물질, 예를 들면, 구리 프탈로시아닌(copper pthalocyanine(CuPc)), 또는 플래티늄-옥타릴포르핀린(Pt-octaethylporphyrin(PtOEP)) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 억셉터층(32)은 상기 엑시톤에서 분리된 전자를 수용하여 이동시키기 위한 것으로 전자 친화도가 높으며, 전자 이동도가 빠른 물질을 사용한다. 상기 전자 수용체로서는 C60 ~ C70 의 플러렌 유도체를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, C60을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지는, 전술한 태양 전지의 구조에서 제1 전극(20)과 광활성층(30) 사이에 형성된 정공 이동층(50)과, 광활성층(30)과 제2 전극(40) 사이에 형성된 블로킹층(60)과 전자 주입층(70)을 각각 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(20)과 제2 전극(40) 사이에는, 정공 이동층(50)/광활성층(30), 광활성층(30)/전자 주입층(70), 정공 이동층(50)/광활성층(30)/전자 주입층(70), 또는 정공 이동층(50)/광활성층(30)/블로킹층(60)/전자 주입층(70) 등 다양한 형태의 적층 구조가 형성될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 광활성층(30)은 전술한 바와 같은 도우너층(31)과 억셉터층(32)을 포함할 수 있으며, 또한 상기 도우너층(31)과 억셉터층(32) 사이에 형성되는 계면층(33)을 더 포함할 수 있다. 상기 계면층(33)은 도우너층(31)과 억셉터층(32)의 경계면에 형성되어 도우너층(31)에서 광흡수에 의해 생긴 엑시톤이 정공과 전자로 분리되는 비율을 증가시키는 역할을 한다. 상기 계면층(33)은 전자 공여체와 전자 수용체가 블랜딩되어 형성될 수 있다.
상기 광활성층(30)에서 분리된 정공은 상기 정공 이동층(50)을 통하여 제1 전극(20)에 도달한다. 따라서, 상기 정공 이동층(50)은 정공의 이동을 원활히 할 수 있는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 정공 이동층(50)을 형성하는 전도성 고분자로는 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), PSS(폴리(스티렌설포네이트), 폴리아닐린, 프탈로시아닌, 펜타센, 폴리디페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, Cu-PC(커퍼 프탈로시아닌) 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(T-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴) 디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌, 및 이들의 유도체와 같은 전도성 고분자 등이 하나 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 PEDOT-PSS 혼합물을 사용하는 것이 좋다.
상기 블로킹층(60)은 상기 광활성층(30)에서 분리된 정공과 분리되지 않은 엑시톤들이 제2 전극(40)으로 이동하여 다시 재결합하는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 따라서, 상기 블로킹층(60)은 예를 들면 BCP(bathocuproine)와 같이 HOMO(highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 전자 주입층(70)은 엑시톤에서 분리된 전자들이 제2 전극(40)으로 잘 주입하게 하며, 또한 광활성층 또는 블로킹층과 제2 전극과의 계면 특성을 향상시키는 역할을 수행한다. 주로 LiF, Liq 등을 사용한다.
여기서, 기판(10), 제1 전극(20), 광활성층(30), 제2 전극(40), 도우너층(31), 억셉터층(32)에 대한 설명은 전술한 바와 같으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 광활성층에 전자 수용체와, 서로 다른 피크 파장의 광 흡수 스펙트럼을 가지는 2개 이상의 전자 공여체가 함유되어 종래의 태양 전지, 특히 탠덤 구조의 태양 전지보다도 간단한 구조를 가지면서도 광흡수율을 효과적으로 향상시켰으며 그 결과 광전변환 효율을 높일 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법은, (a) 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계, (b) 상기 제1 전극 상에 2개 이상의 전자 공여체 및 전자 수용체를 이용하여 광활성층을 형성하는 단계, (c) 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 (b) 단계는, 유기 용매에 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체를 블랜딩(blending)하여 광활성층 재료를 제조하는 단계와, 상기 블랜딩된 광활성층 재료를 사용하여 상기 제1 전극 위에 상기 광활성층 재료를 스핀 코팅하는 단계를 포함한다. 상기 2개 이상의 전자 공여체는 각각 하나 이상의 피크 파장을 갖는 광 흡수 스펙트럼을 가지며, 적어도 하나의 피크 파장은 다른 전자 공여체의 피크 파장과 서로 다르다. 또한, 상기 2개 이상의 전자 공여체는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는다.
광활성층 재료를 제조하기 위해, 전자 공여체로서 사용될 수 있는 2가지 이상의 광흡수 영역이 다른 이종 물질과 전자 수용체로 사용될 수 있는 물질을 유기 용매에 블랜딩한다. 상기 유기 용매는, 예를 들면, 클로로벤젠, 벤젠, 클로로포름 또는 THF(Tetrahydrofuran) 등과 같은 유기 용매를 사용할 수 있다. 이때, 블랜딩시 광흡수 영역 등을 고려하여 각각의 물질의 비율을 조절한다. 상기 전자 공여체/전자 수용체로 사용될 수 있는 물질은 전술한 바와 같으므로 이에 대한 설명은 생략한다. 예를 들면, 상기 전자 공여체로서 프탈로시아닌(phthalo- cyanine) 계열의 물질인 구리 프탈로시아닌(CuPc) 또는 아연 프탈로시아닌(ZnPc)과, 전도성 고분자 물질인 폴리티오펜 유도체 중 어느 2개 이상의 물질과 전자 수용체로서 플러렌 유 도체를 소정의 비율로 일정한 시간 동안 블랜딩한다.
그 다음, 기판 위에 제1 전극을 형성한 후, 상기 제1 전극 위에 상기 광활성층 재료를 스핀 코팅하고, 질소 분위기에서 어닐링하여 광활성층을 형성한다. 상기 광활성층 위에 제2 전극을 형성하여 태양 전지를 제조할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는 상기 전자 공여체를 사용하여 도우너층을 형성하는 단계 및 상기 도우너층 상에 상기 전자 수용체를 사용하여 억셉터층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극과 광활성층을 형성하는 단계 사이에 정공 이동층을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있고, 상기 광활성층과 제2 전극을 형성하는 단계 사이에 블로킹층과 전자 주입층을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있다. 이는 본 발명에서 특별히 한정되는 것은 아니며, 종래 기술에 알려져 있는 어느 방법이나 제한없이 사용할 수 있다. 또한, 각층을 형성함에 있어서 스핀 코팅의 방법을 주로 하였으나, 이에 한정되지 않고 다양한 박막 형성 방법을 이용할 수 있다.
이하에서는 실시예를 들어 본 발명의 태양 전지 및 그 제조 방법에 관하여 더욱 상세하게 설명할 것이나 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실험예
측정용 전지 제조
P3HT, CuPc, PCBM을 각각 2 : 1 : 1의 중량비로 클로로벤젠 10ml에 최소 72시간 동안 블랜딩하여 광활성층 재료를 준비한다. 경우에 따라서, 블랜딩한 후 불필요한 거대 입자를 제거하기 위해 필터링하는 단계를 더 수행할 수 있다. 그 다음, 정공 이동층의 재료 물질인 PEDOT-PSS와 이소프로필 알콜(Isopropyl Alcohol; IPA)을 1 : 2의 중량비로 최소 24시간 동안 블랜딩한다.
그 다음, 기판 위에 제1 전극으로 ITO 등을 형성하고, 아세톤 등을 사용하여 세정한 후, 정공 이동층의 재료 물질을 60초간 2000rpm으로 스핀 코팅하고 140℃의 질소 분위기에서 약 10분 동안 어닐링한다. 그 다음, 정공 이동층 위에 상기와 같이 준비된 광활성층 재료를 60초간 1000rpm으로 스핀 코팅한 후, 125℃의 질소 분위기에서 약 10분 동안 어닐링한다. 그 다음, 스핀 코팅된 광활성층 위에 증착기를 사용하여 BCP(bathocuproine)를 12 nm 정도의 두께로 증착하여 블로킹층을 형성하고, 상기 블로킹층 위에 플루오르화 리튬(LiF)을 0.5 nm 정도의 두께로 증착한 후, 알루미늄(Al)을 80 nm 정도의 두께로 증착하여 제2 전극을 형성하여 도 5에 도시된 바와 같은 태양 전지를 제조한다.
광흡수율 변화 측정
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, P3HT는 주로 350 내지 650 nm 파장 영역에서 빛을 흡수하며, 밴드갭 에너지는 3.0 내지 5.2 eV이다. 이에 비해 CuPc는 300 내지 400 nm, 550 내지 800 nm 파장 영역에서 주로 빛을 흡수하며, 밴드갭 에너지는 3.5 내지 5.2 eV이다. 이 두 물질과 PCBM(PCBM의 밴드갭 에너지는 3.7 내지 5.9 eV)을, 'P3HT : PCBM : CuPc = 2 : 1 : 1'로 블랜딩한 후, 광흡수율을 측정한 결과, 도 8에 도시된 바와 같이 300 내지 500 nm 파장 영역과 550 내지 800 nm 파장 영역에서 광흡수율이 증가하였음을 알 수 있다. 따라서, 광흡수율이 증가하여 Jsc가 증가하고, 그에 따라 광전변환 효율(power conversion efficiency)이 증가할 것으로 예측된다.
도 9 및 도 10은 다른 실험예로써 도 9는 P3HT와 CuPc, 그리고 PtOEP 각각의 광흡수 파장 영역을 도시한 그래프이고, 도 10은 P3HT와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역과, P3HT, CuPc, PtOEP 중 적어도 어느 두 물질과 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역을 비교하여 도시한 그래프이다. 도 10에 도시된 각각의 그래프는 P3HT의 중량비를 2로 하고, 다른 물질들의 중량비는 모두 1로 하여 블랜딩한 것이다. 즉, 예를 들면, 'CuPc : PtOEP : P3HT : PCBM = 1 : 1 : 1 : 2'의 중량비로 블랜딩한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 전자 공여체와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역이 P3HT와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역보다 광흡수율이 증가함을 알 수 있다. 따라서, 광전변환 효율이 증가할 것으로 예측된다.
광전변환 효율 측정
태양 전지의 특성은 개방 회로 전압(open circuit voltage; Voc), 단락 회로 전류(short circuit current; Jsc), 충실도(fill factor; FF) 및 효율을 이용하여 평가하게 된다. 개방 회로 전압(Voc)는 외부의 전기적 부하 없이 빛이 조사되었을 때 생성되는 전압, 즉 전류가 0일 때의 전압이고, 단락 회로 전류(Jsc)는 단락된 전기 접촉으로 빛이 조사되었을 때 생성되는 전류, 즉 전압이 인가되지 않을 경우 빛에 의한 전류로 정의된다. 또한, 충실도(FF)는 전류 및 전압이 인가되고 그에 따라 변화되는 전류 및 전압의 곱을 개방 회로 전압(Voc)과 단락 회로 전류(Jsc)의 곱으로 나눈 값으로 정의된다. 이러한 충실도(FF)는 개방 회로 전압(Voc)과 단락 회로 전류(Jsc)가 절대로 동시에 얻어지지 않기 때문에 항상 1 이하이다. 그렇지만 충실도(FF)가 1에 근접할수록 태양 전지의 효율이 보다 높아지고, 충실도(FF)가 낮아질수록 저항이 증가하는 것으로 평가된다. 한편, 광전변환 효율는 개방 회로 전압(Voc), 단락 회로 전류(Jsc) 및 충실도(FF)의 곱을 조사되는 빛의 세기로 나눈 값으로 아래의 [수학식 1]로 정의된다.
[수학식 1]
η = FF*(Jsc*Voc/(조사되는 빛의 세기))
측정용 전지의 광전변환 효율을 산출하기 위해 그 특성을 측정하였다. 그리고, 이를 종래의 태양 전지와 비교하였다. 상기 측정용 전지의 특성을 측정한 결과는 도 8 및 [표 1]과 같다. 여기서, CuPc ratio가 0 wt%인 경우는 종래의 태양 전지이며, 1 wt%인 경우는 본 발명의 실험예에 따른 태양 전지이다.
[표 1]
| CuPc ratio | Voc | Jsc | Pmax | FF | Efficiency |
| 0 wt% | 0.655 | 15.36 | 0.150 | 0.661 | 6.648% |
| 1 wt% | 0.655 | 17.90 | 0.168 | 0.639 | 7.469% |
도 11 및 [표 1]을 참조하면, CuPc ratio가 0 wt%인 경우, 즉 P3HT와 PCBM만을 블랜딩하였을 때 보다는 P3HT, CuPc, 그리고 PCBM 3가지 물질을 블랜딩하였을 때, Voc는 변함이 없으나, Jsc가 15.36 mA/cm2에서 17.90mA/cm2로 증가하였고, Pmax는 0.150에서 0.168로 변화하였으며, FF는 0.661에서 0.639로 변화하였음을 알 수 있다. 상기 값들을 [수학식 1]에 대입하여 계산할 결과, 광전변환 효율이 6.648%에서 7.469%로 증가하였음을 알 수 있다.
한편, CuPc의 중량비 변화에 따른 Jsc와 광전변환 효율(Power conversion efficiency; PCE)의 변화를 알아보기 위해, CuPc의 중량비를 0 wt%, 0.5 wt%, 1.0 wt%, 2.0 wt%로 변화시켜서 각각의 특성을 측정하고, 그에 따른 광전변환 효율을 산출하였다. CuPc의 중량비 변화에 따른 Jsc와 광전변환 효율의 변화는 도 12 및 [표 2]와 같다.
[표 2]
| CuPc ratio | Voc | Jsc | Pmax | FF | Efficiency |
| 0 wt% | 0.655 | 15.36 | 0.150 | 0.661 | 6.648 % |
| 0.5 wt% | 0.635 | 16.25 | 0.156 | 0.673 | 6.946 % |
| 1.0 wt% | 0.655 | 17.90 | 0.168 | 0.639 | 7.469 % |
| 2.0 wt% | 0.655 | 15.17 | 0.141 | 0.631 | 6.266 % |
[표 2]을 참조하면, CuPc의 중량비가 0.5 와 1.0 wt%일 때, 한가지의 전자 공여체와 전자 수용체를 함유하는 종래의 태양 전지(CuPc 중량비가 0 wt%인 경우) 보다 향상된 결과를 얻었으며, 최적의 CuPc 중량비는 1.0 wt%임을 알 수 있다. 또 한, 이를 도식화한 그래프 도 12를 참조하면, CuPc의 중량비가 0 wt%를 초과하고 약 1.5 wt% 이하인 경우, 종래 태양 전지의 효율값인 6.648% 보다 높은 전력변환 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 광활성층에 전자 수용체와, 서로 다른 파장대의 광흡수 영역을 갖는 2개 이상의 전자 공여체가 함유됨으로써 광흡수율을 향상시킬 수 있고, 그 결과 Jsc를 증가시킴에 따라 최종적으로 광전변환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 여러 실시예에 따른 태양 전지를 모식적으로 도시한 단면도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양 전지를 도시한 도,
도 6은 P3HT와 CuPc 각각의 광흡수 파장 영역을 도시한 그래프,
도 7은 P3HT와 CuPc, PCBM의 밴드갭 에너지를 도시한 도,
도 8은 P3HT와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역과 P3HT, CuPc, PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역을 비교하여 도시한 그래프,
도 9는 P3HT와 CuPc, PtOEP 각각의 광흡수 파장 영역을 도시한 그래프,
도 10은 P3HT와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역과, P3HT, CuPc, PtOEP 중 적어도 어느 두 물질과 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역을 비교하여 도시한 그래프,
도 11은 도 5에 도시된 태양 전지의 소자 특성을 도시한 그래프,
도 12는 도 5에 도시된 태양 전지의 소자 특성을 도시한 그래프로써, CuPc의 중량비 변화에 따른 Jsc와 전력변환 효율의 변화를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판 20 : 제1 전극
30 : 광활성층 40 : 제2 전극
50 : 정공 이동층 60 : 블로킹층
70 : 전자 주입층
Claims (19)
- 기판 및 상기 기판 위에 형성되는 제1 전극;상기 제1 전극 위에 형성되는 광활성층;상기 광활성층 위에 형성되는 제2 전극을 포함하며,상기 광활성층은 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체를 포함하는 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 2개 이상의 전자 공여체는 각각 하나 이상의 피크 파장을 갖는 광 흡수 스펙트럼을 가지며, 적어도 하나의 피크 파장은 다른 전자 공여체의 피크 파장과 서로 다른 태양 전지.
- 청구항 2에 있어서,상기 2개 이상의 전자 공여체 중 하나의 전자 공여체는 단파장 영역에서 피크 파장을 가지며, 다른 하나의 전자 공여체는 장파장 영역에서 피크 파장을 갖는 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 2개 이상의 전자 공여체는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 광활성층은 상기 2개 이상의 전자 공여체가 함유된 도우너층과 상기 전자 수용체가 함유된 억셉터층을 포함하는 태양 전지.
- 청구항 5에 있어서,상기 도우너층과 상기 억셉터층 사이에 형성되며, 상기 전자 공여체와 전자 수용체가 블랜딩(blending)되어 형성되는 계면층을 더 포함하는 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 광활성층은 상기 전자 공여체와 전자 수용체가 블랜딩되어 형성되는 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 광활성층과 제2 전극 사이에 위치하는 블로킹층을 더 포함하는 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 제1 전극과 광활성층 사이에 위치하는 정공 이동층 또는 상기 광활성층과 제2 전극 사이에 위치하는 전자 주입층을 더 포함하는 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 제1 전극은 투명 도전 산화막을 포함하며, 상기 제2 전극을 금속을 포함하는 태양 전지.
- 청구항 10에 있어서,상기 투명 도전 산화막은 ITO(indium-tin oxide), FTO(Fluorine doped tin oxide), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), SnO2-Sb2O3 중에서 선택된 어느 하나 이상이며, 상기 금속은 금, 알루미늄, 구리, 은, 니켈 또는 그들의 합금, 칼슘/알루미늄 합금, 마그네슘/은 합금, 알루미늄/리튬 합금 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이 루어지는 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 전자 공여체는 프탈로시아닌(phthalo- cyanine), 플래 티늄-옥타릴포르핀린(Pt-octaethylporphyrin(PtOEP)), P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 그리고 이들의 유도체 중에서 선택된 적어도 어느 1개 이상인 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 전자 수용체는 플러렌 또는 플러렌 유도체인 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 전자 공여체는 폴리티오펜 유도체와 프탈로시아닌(phthalo- cyanine) 계열의 물질이고, 상기 전자 수용체는 플러렌 유도체인 태양 전지.
- 제1 전극과 제2 전극 사이에 광활성층이 형성된 태양 전지 제조 방법으로서,(a) 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;(b) 상기 제1 전극 상에 2개 이상의 전자 공여체 및 전자 수용체를 이용하여 광활성층을 형성하는 단계;(c) 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 청구항 15에 있어서,상기 (b) 단계는,유기 용매에 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체를 블랜딩(blending)하여 광활성층 재료를 제조하는 단계와,상기 블랜딩된 광활성층 재료를 사용하여 상기 제1 전극 위에 상기 광활성층 재료를 스핀 코팅하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 청구항 15에 있어서,상기 (b) 단계는 상기 2개 이상의 전자 공여체를 사용하여 도우너층을 형성하는 단계 및 상기 도우너층 상에 상기 전자 수용체를 사용하여 억셉터층을 형성하 는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 청구항 15에 있어서,상기 2개 이상의 전자 공여체는 각각 하나 이상의 피크 파장을 갖는 광 흡수 스펙트럼을 가지며, 적어도 하나의 피크 파장은 다른 전자 공여체의 피크 파장과 서로 다른 태양 전지의 제조방법.
- 청구항 15에 있어서,상기 2개 이상의 전자 공여체는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 태양전지의 제조방법.
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