KR20100130514A - 유기 태양 전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
서로 대향하는 캐소드와 애노드, 그리고 상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하는 광활성층을 포함하고, 상기 광활성층은 전자 공여체, 전자 수용체 및 나노구조체를 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다. 상기 나노구조체는 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 탄소 물질, 정공차단성 물질로 표면처리된 금속성 탄소 물질(metallic carbon material), 정공차단성 물질로 표면처리된 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전자 전도성 물질을 포함한다.
반도체, 광활성층, 유기태양전지, 광전효율
Description
본 기재는 유기 태양 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양 전지와 유기 태양 전지로 나뉠 수 있다. 유기 태양 전지는 다양한 유기 반도체 재료를 소량으로 사용하므로 소재 비용 절감을 가져올 수 있고, 습식 공정으로 박막을 제조할 수 있어 손쉬운 방법으로 소자 제작이 가능하다.
유기 태양 전지는 광활성층의 구조에 따라 p형 반도체 박막과 n형 반도체 박막의 두 개 층으로 이루어진 광활성층을 포함하는 바이레이어(bi-layer) p-n 접합형 유기 태양 전지와 n형 반도체와 p형 반도체가 블렌드된 광활성층을 포함하는 BHJ(bulk heterojunction) 접합형 유기 태양 전지가 있다.
바이레이어 p-n 접합형 유기 태양 전지는 도 6에 도시되어 있다. 도 6을 참조하면 유기 태양 전지(100)는 기판(101), ITO 애노드(103), 광활성층(111) 및 캐 소드(105)를 포함하고, 상기 광활성층(111)은 p형 반도체 박막(107)과 n형 반도체 박막(109)을 포함한다. 광 여기에 의하여 p형 반도체가 전자(113)와 정공(115)이 쌍을 이룬 엑시톤(exciton, 117)을 형성하고, 상기 엑시톤이 p-n 접합부에서 전자(113)와 정공(115)으로 분리된다. 분리된 전자(113)와 정공(115)은 n형 반도체 박막(109) 및 p형 반도체 박막(107)으로 각각 이동하고 이들이 각각 캐소드(105)와 애노드(103)에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
한편, 태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양 전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 엑시톤을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다.
전하가 손실되는 원인 중의 하나가 생성된 전자 및 정공이 재결합(recombination)에 의해 소멸하는 것이다. 생성된 전자나 정공이 손실되지 않고 전극에 전달하기 위한 방법으로 다양한 방법이 제시되고 있으나, 대부분 추가 공정이 요구되고 이에 따라 제조 비용이 상승할 수 있다.
본 발명의 일 측면은 광활성층에서 전자의 이동 경로를 개선함으로써 광전류량을 증가시키고 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 유기 태양 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 간단하고 저렴한 비용으로 고효율의 유기 태양 전지 를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면 서로 대향하는 캐소드와 애노드, 그리고 상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하는 광활성층을 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다. 상기 광활성층은 전자 공여체, 전자 수용체 및 나노구조체를 포함하고, 상기 나노구조체는 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 탄소 물질, 정공차단성 물질로 표면처리된 금속성 탄소 물질(metallic carbon material), 정공차단성 물질로 표면처리된 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전자 전도성 물질을 포함한다.
상기 나노구조체는 캐소드와 물리적 또는 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
상기 반도체성 원소, 반도체성 화합물 또는 반도체성 탄소 물질은 하기 수학식 1 및 2를 만족하는 것이면 좋다.
[수학식 1]
│LUMOA│≤ │CBEN│
[수학식 2]
│HOMOD│<│VBEN│
상기 수학식 1에서 LUMOA는 전자 수용체의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 레벨이고 CBEN은 나노구조체의 CBE(Conduction Band Edge)이고, 상기 수학식 2에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 레벨이고 VBEN은 나노구조체의 VBE(Valance Band Edge)이다.
상기 나노구조체는 정공차단성 물질로 표면처리될 수 있으며, 이러한정공차단성 물질은 하기 수학식 3 및 4를 만족하는 것이 좋다.
[수학식 3]
│LUMOA│≤ (│CBEHBL│ 또는 │LUMOHBL│)
[수학식 4]
│HOMOD│< (│VBEHBL│ 또는 │HOMOHBL│)
상기 수학식 3에서 LUMOA는 전자 수용체의 LUMO 레벨이고 CBEHBL은 정공차단성 물질의 CBE(Conduction Band Edge)이고 LUMOHBL 은 정공차단성 물질의 LUMO 레벨이고, 상기 수학식 4에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO 레벨이고 VBEN은 정공차단성 물질의 VBE(Valance Band Edge)이고 HOMOHBL 은 정공차단성 물질의 HOMO 레벨이다.
상기 반도체성 원소는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 및 이들의 조합이 있다. 상기 반도체성 화합물로는 II-VI족 화합물; III-V족 화합물; IV-VI족 화합물; IV족 화합물; 반도체성 금속 산화물 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
또한 상기 반도체성 탄소 물질 및 정공차단성 물질로 표면처리된 금속성 탄소 물질은 탄소 나노 튜브, 그라펜(graphene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 금속은 은, 금, 인듐, 니켈, 구리, 알루미늄, 티타늄, 백금, 텅스텐, 철 등의 금속, 이들의 혼합물 및 이들의 합금(alloy)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 정공차단성 물질은 플러렌, 플러렌 유도체, 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP), 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 나노구조체는 1차원 선형 구조, 2차원 평면 구조 또는 3차원 입체 구조로 형성될 수 있다. 상기 나노구조체는 나노튜브, 나노로드, 나노와이어, 나노트리, 나노테트라포드, 나노디스크, 나노플레이트, 나노리본 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 나노구조체는 표면에 형성된 정공차단성 물질의 자가조립막(SAM, self assembled monolayer)을 포함하거나, 표면조도를 가지거나 친수성 처리될 수 있다.
상기 나노구조체는 광활성층 총량에 대하여 0.1 내지 50 체적%로 존재할 수 있다.
상기 애노드와 광활성층 사이에 전자차단층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 기판에 캐소드를 형성하고, 전자 공여체, 전자 수용체 및 상기 나노구조체를 용매에 분산시킨 혼합액을 도포하여 광활성층을 형성하고, 애노드를 형성하는 공정을 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 기판에 캐소드를 형성하고, 상기 캐소 드에 상기 나노구조체를 접촉하여 수직 배열되도록 형성한 다음 전자 공여체와 전자 수용체의 혼합액을 도포하여 광활성층을 형성하고, 상기 광활성층에 애노드를 형성하는 공정을 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
상기 나노구조체에 대하여 정공차단성 물질의 정공차단성 물질의 자가조립막(SAM, self assembled monolayer)을 형성하는 공정, 선택적 에칭에 의하여 표면조도를 형성하는 공정 및 친수성 처리하는 공정으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 전처리 공정을 더 실시할 수 있다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
광활성층에서 전자의 이동 경로를 개선함으로써 광전류량을 증가시키고 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 유기 태양 전지를 제공한다. 상기 유기 태양 전지는 간단한 공정으로 제작할 수 있어 소자 제작비용을 절감할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여 한다.
층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하 도 1을 참고하여 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 태양 전지에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 태양 전지(10)를 도시한 단면도이다. 유기 태양 전지(10)는 기판(1)에 형성된 캐소드(3)와 애노드(5) 사이에 위치하는 광활성층(11)을 포함한다. 도 1에 도시된 유기 태양 전지(10)은 기판(1)에 캐소드(3)가 접하는 구조를 도시하였으나 기판(1)에 애노드(5)가 접하여 위치할 수도 있다.
상기 기판(1)은 유리, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에테르술폰(PES) 등의 투명 재질이면 제한없이 사용될 수 있다.
상기 캐소드(3)는 광 투과성 투명 전극으로 ITO(indium tin oxide), SnO2, IZO(In2O3-ZnO), AZO(aluminum doped ZnO), GZO(gallium doped ZnO) 등이 사용될 수 있다.
상기 애노드(5)는 캐소드(3)의 일함수보다 크면 제한없이 사용될 수있으며, 금 속, 금속 합금, 반금속(semi-metal) 또는 광 투과성 투명 산화물로 이루어질 수 있다. 상기 금속의 예로는 리튬(Li), 나트륨(Na) 등의 알칼리 금속; 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg) 등의 알칼리 토금속; 알루미늄(Al); 은(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 이리듐(Ir), 니켈(Ni), 오스뮴(Os), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 등의 전이금속; 희토류 원소; 셀렌(Se) 등의 반금속 등을 들 수 있다. 상기 금속 합금의 예로는 나트륨-칼륨 합금, 마그네슘-인듐 합금, 알루미늄-리튬 합금 등을 들 수 있다. 또한 상기 금속 또는 금속 합금으로 이루어진 제1층/상기 금속의 산화물 또는 할로겐화물로 이루어진 제2층의 적층체를 애노드(5)로 사용할 수도 있다. 예를 들어 MoO3/Ag, Al2O3/Al 등의 전극도 사용가능하다. 상기 광투과성 투명 산화물로는 상기 애노드(5) 물질로 언급된 ITO, SnO2, IZO, AZO, GZO 등이 사용가능하며, 상기 애노드(5)보다 일함수가 큰 광투과성 산화물이 사용가능하다.
상기 광활성층(11)은 전자 공여체(7)와 전자 수용체(9)가 혼재되어 있고 전자 수송체로서 나노구조체(19)를 포함한다.
상기 전자 공여체(7)는 p형 반도체로서, 전도성 고분자, 저분자 반도체 등이 사용될 수 있다. 이들의 구체적인 예로는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 펜타센, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜), 일례로, 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT) 등이 있다.
상기 전자 수용체(9)로는 전자 친화도가 큰 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM 등과 같은 플러렌 유도체들; 페릴렌(perylene); CdS, CdTe, CdSe, ZnO 등과 같은 무기 반도체; 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 전자 공여체(7)와 전자 수용체(9)는 1:9 내지 9:1의 중량비로 사용될 수 있다. 상기 전자 공여체(7)와 전자 수용체(9)가 상기 범위로 사용될 경우 광전류 효율을 개선시키기 위한 광활성층을 용이하게 제작할 수 있다.
광 여기에 의하여 전자 공여체(7)에서 전자(13)와 정공(15)의 쌍인 엑시톤(17)이 형성되고 이 엑시톤(17)은 전자 공여체(7)와 전자 수용체(9)의 계면에서 두 물질의 전자 친화도의 차이에 의하여 전자(13)와 정공(15)으로 분리된다. 분리된 전자(13)는 내부 전계(built-in electric field)에 의하여 전자 수용체(9)를 통하여 캐소드(3)로 이동하고 정공(15)은 전자 공여체(7)를 통하여 애노드(5)로 이동한다. 상기 전자(13)는 전자 수용체(9)들을 호핑(hopping)하여 이동하는데 이 경우 전자의 이동 속도가 낮아 광전류량이 제한을 받게 된다.
따라서 본 발명의 일 구현예에서는 전자 수송체로서 나노구조체(19)를 광활성층(11)에 도입하여 전자(13)가 나노구조체(19)를 따라 이동하게 함으로써 엑시톤(17)에서 분리된 전자(13)가 캐소드(3)에 도달하는 시간을 단축시키고, 분리된 전자(13)가 정공과 재결합(recombination)될 확률을 낮춤으로써 광전류량을 증가시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 나노구조체(19)에 의해 빛이 산란됨 으로써 광활성층(11) 내에서의 빛의 경로가 증가하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수도 있다.
상기 나노구조체(19)는 캐소드(3)와 물리적 및/또는 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 이 경우 전자 수집 면적을 증가시켜 전자 수집 효율을 향상시킬 수 있으며 광전 변환 효율 증가에 기여할 수 있다.
상기 나노구조체(19)는 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 탄소 물질, 정공차단성 물질로 표면처리된 금속성 탄소 물질(metallic carbon material), 정공차단성 물질로 표면처리된 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 반도체성 탄소 물질이 하기 수학식 1 및 2를 만족하는 경우 그 자체의 정공차단성이 우수하여 별도의 표면처리를 하지 않아도 좋다.
[수학식 1]
│LUMOA│≤ │CBEN│
[수학식 2]
│HOMOD│<│VBEN│
상기 수학식 1에서 LUMOA 는 전자 수용체의 LUMO 레벨이고 CBEN은 나노구조체의 CBE(Conduction Band Edge)이고, 상기 수학식 2에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO 레벨이고 VBEN은 나노구조체의 VBE(Valance Band Edge)이다.
상기 반도체성 원소는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 및 이들의 조합에서 선택될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 반도체성 화합물로는 II-VI족 화합물; III-V족 화합물; IV-VI족 화합물; IV족 화합물; 반도체성 금속 산화물 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 II-VI족 화합물은 CdSe, CdS, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe 등의 이원소 화합물, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe 등의 삼원소 화합물, HgZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe 등의 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있고; 상기 III-V족 화합물은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb 등의 이원소 화합물, AlGaAs, AlGaP, AlGaN, InGaAs, InGaP, InGaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, AlNP, AlNAs, AlNSb, AlPAs, AlPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP 등의 삼원소 화합물, InAlGaAs, InAlGaP, InAlGaN, GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 등의 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있고; 상기 IV-VI족 화합물은 SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe 등의 이원소 화합물 또는 SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe 등의 삼원소 화합물 또는 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 등의 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있고; 상기 IV족 화합물은 SiC, SiGe 등의 이원소 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있고; 상기 반도체성 금속 산화물은 산화인듐(In2O3), 산화아연(ZnO), 산화티타늄, 산화주석(SnO2) 등의 화합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 반도체성 탄소 물질로는 탄소 나노 튜브, 그라펜 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 반도체성 원소, 반도체성 화합물 또는 반도체성 탄소 물질이 상기 수학식 1과 2를 충족시키지 않는 경우 하기 수학식 3과 4를 만족시키는 정공차단성 물질로 표면처리하는 것이 좋다.
[수학식 3]
│LUMOA│≤ (│CBEHBL│ 또는 │LUMOHBL│)
[수학식 4]
│HOMOD│< (│VBEHBL│ 또는 │HOMOHBL│)
상기 수학식 3에서 LUMOA는 전자 수용체의 LUMO 레벨이고 CBEHBL은 정공차단성 물질의 CBE(Conduction Band Edge)이고 LUMOHBL 은 정공차단성 물질의 LUMO 레벨이고, 상기 수학식 4에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO 레벨이고 VBEN은 정공차단성 물질의 VBE(Valance Band Edge)이고 HOMOHBL 은 정공차단성 물질의 HOMO 레벨이다.
이러한 정공차단성 물질로는 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61, PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM 등과 같은 플러렌 유도체들; 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP); 반도체성 원소; 및 반도체성 화합물에서 선택될 수 있다.
상기 반도체성 원소 및 반도체성 화합물의 구체적인 예로는 상기 나노구조체에서 설명된 반도체성 원소와 반도체성 화합물과 동일하다.
상기 정공차단성 물질은 나노구조체(19)의 표면에 화학기상증착(CVD)과 같은 건식 공정 또는 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 또는 침지(dipping) 코팅과 같은 습식 공정에 의하여 코팅될 수 있으며 정공차단성 물질에 따라 적절한 코팅 방법을 선택하여 실시할 수 있다. 또한 정공차단성 물질은 자가조립막(SAM, self assembled monolayer)으로 나노구조체(19)에 표면처리될 수 있다.
상기 탄소 물질은 제조과정에 따라 반도체성을 가질 수도 있고, 금속성을 가질 수도 있다. 상기 나노구조체(19)가 금속성 탄소 물질로 이루어지는 경우에는 표면을 정공차단성 물질로 처리하여 나노구조체(19)가 전자만을 선택적으로 받아들이도록 한다.
상기 금속성 탄소 물질로는 탄소 나노 튜브, 그라펜(graphene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 금속으로는 전도성 금속이면 제한없이 사용가능하며, 구체적인 예로는 은, 금, 인듐, 니켈, 구리, 알루미늄, 티타늄, 백금, 텅스텐, 철 등의 금속, 이들의 혼합물 및 이들의 합금(alloy)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 나노구조체(19)가 상기 금속성 탄소 물질이나 금속으로 이루어지는 경우에는 표면을 정공차단성 물질로 처리하여 나노구조체(19)가 전자만을 선택적으로 받아들이도록 한다.
상기 금속 또는 금속성 탄소 물질을 표면처리하는 정공차단성 물질은 상기 수학식 3과 4를 만족시키는 물질이 사용될 수 있으며, 상기 정공차단성 물질의 구체적인 종류 및 표면처리 방법은 상기 설명된 바와 같다.
상기 나노구조체는 1차원 선형 구조, 2차원 평면 구조 또는 3차원 입체 구조로 형성될 수 있다. 상기 1차원 선형구조란 그 길이에 비해서 두께가 무시할 정도로 가는 경우를 의미한다. 상기 2차원 평면 구조란 그 면적에 비해서 두께가 무시할 정도로 얇은 경우를 의미한다. 이러한 나노구조체(19)는 나노튜브, 나노로드, 나노와이어, 나노트리, 나노테트라포드, 나노디스크, 나노플레이트, 나노리본 등의 다양한 형태를 가질 수 있으며, 서로 다른 형태를 가지는 나노구조체(19)가 혼합되어 사용될 수 있음은 물론이다.
도 2에 도시된 바와 같이 유기 태양 전지(20)의 광활성층(11')에 포함되는 나노구조체(19')는 캐소드(3)에 대하여 수직방향으로 배열될 수 있다. 여기에서 수직방향이란 캐소드(3)에 대하여 실질적으로 90도에 가깝게 배열되는 것을 의미한다. 이와 같이 나노구조체(19')를 정렬하면 전자의 이동 경로를 최소화하여 전류량을 증가시킬 수 있다. 또한 나노구조체(19')의 한쪽 말단이 캐소드(3)와 물리적/전기적으로 연결되어 전자 수집 면적을 증가시켜 전자 수집 효율을 향상시킬 수 있으며 광전 변환 효율 증가에 기여할 수 있다.
도 2에서 나노구조체(19')와 접촉하지 않는 캐소드(3)와 광활성층(11')의 접촉면은 전자 수용체(9)의 자가조립막(SAM)을 형성할 수 있다. 또한 캐소드(3)와 광활성층(11') 사이에 정공차단층을 삽입하여 전자 수집 효율을 향상시키고 전자 공여체와 캐소드의 접합면에서 전자와 정공의 재결합을 방지할 수 있다.
도 3에 도시된 유기 태양 전지(30)는 애노드(5)와 광활성층(11) 사이에 전자차단층(31)을 더 포함한다. 전자차단층(31)은 광활성층(11)에 존재하는 전자 전도성 나노구조체(19)가 애노드(5)와 직접 접촉할 경우 발생할 수 있는 단락을 방지할 수 있다. 이러한 전자차단층(31)은 MoO3, V2O5, WO3 등의 전이금속 산화물; PEDOT:PSS, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리(p-페닐렌비닐렌), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene), MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene), 폴리(3-알킬티오펜), 폴리티오펜 등의 전도성 폴리머; 펜타센; CuPc; 또는 트리페닐디아민 유도체(TPD) 등의 저분자 유기물을 포함할 수 있다.
상기 나노구조체(19, 19')는 두께가 약 0.8 nm 내지 약 200 nm의 범위에 있고 길이가 약 100 nm 내지 약 10 μm 의 범위에 있을 수 있다. 또한 약 2 내지 약 2000 의 종횡비(aspect ratio)를 가지는 것이 좋다. 상기 종횡비는 나노구조체가 1차원 선형 구조 또는 2차원 평면 구조로 형성되는 경우 길이/두께의 비를 의미하며, 나노구조체가 3차원 입체 구조로 형성되는 경우 3차원 입체 구조를 구성하는 1차원 선형 구조 또는 2차원 평면 구조의 길이/두께의 비를 의미한다. 상기 나노구 조체(19, 19')가 상기 범위의 두께, 길이 및 종횡비를 가지는 경우 전자 수송 및 수집에 유리한 구조로 제조될 수 있어 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 상기 나노구조체(19, 19')의 표면을 선택적 에칭(selective etching)하여 표면조도를 형성하여 표면적을 증가시킴으로써 전자수용체(9)와의 접촉면적을 넓힐 수 있다. 또한 UV 처리 또는 플라즈마 처리하여 나노구조체(19, 19')의 표면이 친수성을 가지도록 할 수도 있다. 이러한 표면처리는 상기 설명된 정공차단성 물질의 표면처리와 조합하여 실시할 수 있다.
상기 나노구조체(19, 19')는 광활성층(11, 11') 총량에 대하여 0.1 내지 50 체적%로 함유될 수 있다. 상기 범위로 존재하는 경우 생성된 전자의 이동도를 향상시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
광활성층(11, 11')는 100 내지 500 nm로 형성되는 것이 광전 변환 효율면에서 좋다.
이하에서는 도 4를 참조하여 상기 구조의 유기 태양 전지(10, 30)의 제조공정에 대하여 설명한다.
먼저 기판(1)에 캐소드(3)를 형성하고(S11) 여기에 전자 공여체(7), 전자 수용체(9) 및 나노구조체(19)를 용매에 분산시킨 혼합액을 도포한다(S12). 또한 캐소드(3)에 전자차단층(31)을 더 형성하여 전기적 단락을 방지할 수 있다.
상기 전자 공여체(7), 전자 수용체(9) 및 나노구조체(19)를 용매에 분산시킨 혼합액의 도포공정은 혼합액의 점성에 따라 스프레이 코팅법, 침지법, 리버스롤법, 다이렉트롤법, 스크린 프린팅법, 스핀 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그 라비어 코팅법, 페인팅법, 슬롯 다이 코팅법 등으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
나노구조체(19)는 전자 공여체(7) 및 전자 수용체(9)와 함께 혼합하여 도포하면 되므로 별도의 공정을 실시할 필요가 없으므로 저비용으로 간단히 고효율의 유기 태양 전지(10)를 제작할 수 있다.
상기 나노구조체(19)는 정공차단물질로 표면처리하거나, 선택적 에칭 또는 친수성 표면처리를 미리 실시하여 혼합액 제조에 사용될 수 있다.
도포공정 후 용매를 제거하여 광활성층(11)을 형성한다(S13). 상기 광활성층(11) 위에 애노드(3)를 위치시켜 유기 태양 전지(10)를 제작한다(S14). 광활성층(11) 위에 애노드(5)를 형성하기 전에 전자차단층(31)을 더 형성하여 전기적 단락을 방지할 수 있다.
도 2에 도시된 유기 태양 전지(20)의 제조공정을 도 5를 참조하여 설명한다. 먼저 기판(1)에 캐소드(3)를 형성한다(S21). 캐소드(3)에 나노구조체(19')를 직접 성장시키거나 막 형성 후 식각하는 방법으로 수직방향으로 배열시킬 수 있다(S22).
상기 나노구조체(19')는 정공차단물질로 표면처리하거나, 선택적 에칭 또는 친수성 표면처리를 실시할 수 있다. 캐소드(3)에 형성된 나노구조체(19') 위에 전자 공여체(7)와 전자 수용체(9)의 혼합액을 도포한다(S23). 도포공정은 상기 설명된 공정으로 실시할 수 있다. 도포공정 후 용매를 제거하여 광활성층(11')을 형성한다(S24). 상기 광활성층(11') 위에 애노드(5)를 형성하여 유기 태양 전지(30)를 제작한다(S25). 광활성층(11') 위에 애노드(5)를 형성하기 전에 전자차단층을 더 형성하여 전기적 단락을 방지할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 공정도이다.
도 5는 본 발명의 다른 구현예에 따른 유기 태양 전지의 공정도이다.
도 6은 바이레이어 p-n 접합형 유기 태양 전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 20, 30: 유기 태양 전지 3: 캐소드
5: 애노드 7: 전자 공여체
9: 전자 수용체 11, 11': 광활성층
17: 엑시톤 19, 19': 나노구조체 31: 전자차단층
Claims (23)
- 서로 대향하는 캐소드와 애노드, 그리고상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하는 광활성층을 포함하고,상기 광활성층은 전자 공여체, 전자 수용체 및 나노구조체를 포함하고,상기 나노구조체는 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 탄소 물질, 정공차단성 물질로 표면처리된 금속성 탄소 물질(metallic carbon material), 정공차단성 물질로 표면처리된 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전자 전도성 물질을 포함하는 것인 유기 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 나노구조체는 캐소드와 물리적 또는 전기적으로 연결되어 있는 것인 유기 태양 전지.
- 상기 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 반도체성 탄소 물질중 적어도 하나는 하기 수학식 1 및 2를 만족하는 것인 유기 태양 전지:[수학식 1]│LUMOA│≤│CBEN│[수학식 2]│HOMOD│<│VBEN│상기 수학식 1에서 LUMOA는 전자 수용체의 LUMO 레벨이고 CBEN은 나노구조체의 CBE(Conduction Band Edge)이고, 상기 수학식 2에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO 레벨이고 VBEN은 나노구조체의 VBE(Valance Band Edge)이다.
- 제1항에 있어서,상기 정공차단성 물질은 하기 수학식 3 및 4를 만족하는 것인 유기 태양 전지:[수학식 3]│LUMOA│≤ (│CBEHBL│ 또는 │LUMOHBL│)[수학식 4]│HOMOD│< (│VBEHBL│ 또는 │HOMOHBL│)상기 수학식 3에서 LUMOA는 전자 수용체의 LUMO 레벨이고 CBEHBL은 정공차단성 물질의 CBE(Conduction Band Edge)이고 LUMOHBL 은 정공차단성 물질의 LUMO 레벨이고, 상기 수학식 4에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO 레벨이고 VBEN은 정공차단성 물질의 VBE(Valance Band Edge)이고 HOMOHBL 은 정공차단성 물질의 HOMO 레벨이다.
- 제1항에 있어서,상기 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 반도체성 탄소 물질중 적어도 하나는 하기 수학식 3 및 4를 만족하는 정공차단성 물질로 표면처리된 것인 유기 태양 전지:[수학식 3]│LUMOA│≤ (│CBEHBL│ 또는 │LUMOHBL│)[수학식 4]│HOMOD│< (│VBEHBL│ 또는 │HOMOHBL│)상기 수학식 3에서 LUMOA는 전자 수용체의 LUMO 레벨이고 CBEHBL은 정공차단성 물질의 CBE(Conduction Band Edge)이고 LUMOHBL 은 정공차단성 물질의 LUMO 레벨이고, 상기 수학식 4에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO 레벨이고 VBEN은 정공차단성 물질의 VBE(Valance Band Edge)이고 HOMOHBL 은 정공차단성 물질의 HOMO 레벨이다.
- 제1항에 있어서,상기 반도체성 원소는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 및 이들의 조합으로이루어진 군에서 선택되는 것인 유기 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 반도체성 화합물은 II-VI족 화합물; III-V족 화합물; IV-VI족 화합물; IV족 화합물; 반도체성 금속 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 유기 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 반도체성 탄소 물질 및 정공차단성 물질로 표면처리된 금속성 탄소 물질은 탄소 나노 튜브, 그라펜(graphene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것은 유기 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 정공차단성 물질은 플러렌, 플러렌 유도체, 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP), 반도체성 원소, 반도체성 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 유기 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 나노구조체는 1차원 선형 구조, 2차원 평면 구조 또는 3차원 입체 구조를 가지는 것인 유기 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 나노구조체는 나노튜브, 나노로드, 나노와이어, 나노트리, 나노테트라포 드, 나노디스크, 나노플레이트, 나노리본 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 유기 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 나노구조체는 표면에 형성된 정공차단성 물질의 자가조립막(SAM, self assembled monolayer)을 포함하는 것인 유기 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 나노구조체는 표면조도를 가지거나 친수성 처리된 것인 유기 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 나노구조체는 광활성층 총량에 대하여 0.1 내지 50 체적%로 존재하는 것인 유기 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 애노드와 광활성층 사이에 전자차단층을 더 포함하는 것인 유기태양 전지.
- 기판에 캐소드를 형성하고,전자 공여체, 전자 수용체 및 나노구조체를 용매에 분산시킨 혼합액을 도포 하여 광활성층을 형성하고,애노드를 형성하는 공정을 포함하고,상기 나노구조체는 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 탄소 물질, 정공차단성 물질로 표면처리된 금속성 탄소 물질(metallic carbon material), 정공차단성 물질로 표면처리된 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전자 전도성 물질을 포함하는 것인 유기 태양 전지의 제조방법.
- 제14항에 있어서,상기 광활성층과 애노드 사이에 전자차단층을 형성하는 공정을 더 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법.
- 제16항에 있어서,상기 나노구조체는 정공차단성 물질의 정공차단성 물질의 자가조립막(SAM, self assembled monolayer)을 형성하는 공정, 선택적 에칭에 의하여 표면조도를 형성하는 공정 및 친수성 처리하는 공정으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 전처리 공정을 더 실시하는 것인 유기 태양 전지의 제조방법.
- 기판에 캐소드를 형성하고,상기 캐소드에 나노구조체를 접촉하여 수직배열되도록 형성한 다음 전자 공여체와 전자 수용체의 혼합액을 도포하여 광활성층을 형성하고,상기 광활성층 위에 애노드를 형성하는 공정을 포함하고,상기 나노구조체는 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 탄소 물질, 정공차단성 물질로 표면처리된 금속성 탄소 물질, 정공차단성 물질로 표면처리된 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전자 전도성 물질을 포함하는 것인 유기 태양 전지의 제조방법.
- 제19항에 있어서,상기 광활성층과 애노드 사이에 전자차단층을 형성하는 공정을 더 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법.
- 제19항에 있어서,상기 나노구조체는 정공차단성 물질의 정공차단성 물질의 자가조립막(SAM)을 형성하는 공정, 선택적 에칭에 의하여 표면조도를 형성하는 공정 및 친수성 처리하는 공정으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 전처리 공정을 더 실시하는 것인 유기 태양 전지의 제조방법.
- 제16항 또는 제19항에 있어서,상기 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 또는 반도체성 탄소 물질은 하기 수학식 1 및 2를 만족하는 것인 유기 태양 전지의 제조방법:[수학식 1]│LUMOA│≤│CBEN│[수학식 2]│HOMOD│<│VBEN│상기 수학식 1에서 LUMOA는 전자 수용체의 LUMO 레벨이고 CBEN은 나노구조체의 CBE(Conduction Band Edge)이고, 상기 수학식 2에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO 레벨이고 VBEN은 나노구조체의 VBE(Valance Band Edge)이다.
- 제16항 또는 제19항에 있어서,상기 정공차단성 물질은 하기 수학식 3 및 4를 만족하는 것인 유기 태양 전지의 제조방법:[수학식 3]│LUMOA│≤ (│CBEHBL│ 또는 │LUMOHBL│)[수학식 4]│HOMOD│< (│VBEHBL│ 또는 │HOMOHBL│)상기 수학식 3에서 LUMOA는 전자 수용체의 LUMO 레벨이고 CBEHBL은 정공차단성 물질의 CBE(Conduction Band Edge)이고 LUMOHBL 은 정공차단성 물질의 LUMO 레벨이고, 상기 수학식 4에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO 레벨이고 VBEN은 정공차단성 물질의 VBE(Valance Band Edge)이고 HOMOHBL 은 정공차단성 물질의 HOMO 레벨이다.
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