KR20100132788A - 유기 태양 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

유기 태양 전지 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20100132788A
KR20100132788A KR1020090051561A KR20090051561A KR20100132788A KR 20100132788 A KR20100132788 A KR 20100132788A KR 1020090051561 A KR1020090051561 A KR 1020090051561A KR 20090051561 A KR20090051561 A KR 20090051561A KR 20100132788 A KR20100132788 A KR 20100132788A
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Abstract

본 발명은 유기 태양 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 유기 태양 전지의 광전변환층을 구성하고 있는 도너 재료(p형 유기 반도체 재료)와 억셉터(n형 유기 반도체 재료) 재료 중 도너 재료로 정공 수송 기능이 있는 기능단을 도입한 것을 사용함으로써 정공 수송 능력을 향상시켜 유기 태양 전지의 전력 변환 효율을 높일 수 있다. 또한, 본 발명은 간단한 습식 공정으로 유기 태양 전지를 제작할 수 있는 효과가 있다.
유기 태양 전지, 정공 수송 물질, 도너, 억셉터

Description

유기 태양 전지 및 그 제조방법{Organic solar cell and manufacturing method of the same}
본 발명은 유기 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 유기 태양 전지의 전력 변환 효율을 높일 수 있도록 한 유기 태양 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
유기 태양 전지는 종래의 실리콘이나 화합물 반도체 태양 전지와 비교하여, 낮은 제조 비용으로 인해 장래의 태양 전지로 기대되고 있다.
도너 재료(p형 유기 반도체) 및 억셉터 재료(n형 유기 반도체)에 의한 pn 헤테로 접합형의 유기 태양 전지에서는 유기 반도체가 광 흡수에 의하여 전자-정공쌍(electron-hole pair)의 여기자(exciton)를 형성하고, 이것이 pn 접합의 계면으로 확산 이동한다. 여기자는 계면에서의 전계에 의하여 전자와 정공으로 전하 분리되고, 분리된 전자와 정공은 각각 다른 전극으로 이동되어 기전력을 발생한다.
하지만 상기 구성의 유기 태양 전지는 여기자의 확산 길이가 수십 nm의 거리 범위에 있음으로, 이 거리 밖에서는 캐리어의 생성이 이루어 지지 않아 변화 효율이 매우 낮다는 문제점이 있다.
이를 개선 하기 위하여 미국 특허 5,331,183호 및 대한 민국 특허 공개공보 2005-0087247호에서는 pn 접합면을 나노미터 레벨로 박막 내에 분산 시키는 벌크 헤테로 접합 구조로 제시하여 효율을 크게 향상 시켰다.
종래의 벌크 헤테로 접합 구조의 태양 전지는 일반적으로 투명 기판과, 상기 투명 기판 상에 형성된 주석 도핑 산화 인듐(ITO: tin doped indium oxide)박막과 같은 투명전극(양극)과 알루미늄 전극(음극) 및 상기 투명전극과 알루미늄 전극 사이에 도너 재료(p형 유기 반도체) 및 억셉터 재료(n형 유기 반도체)가 혼재된 광전변환층이 구비되어 있다.상기 도너 재료로는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)등과 같은 전도성 고분자가 사용되고, 억셉터 재료로는 플러렌(fullerene, C60)이나 PCBM([6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester)과 같은 플러렌 유도체가 사용된다. 억셉터 재료(n형 유기 반도체)로서 플러렌을 사용한 유기 태양 전지는 높은 전력 변환 효율을 나타내는 것으로 알려져 있지만, 그러나 대한 민국 공개공보 제2008-0104371호에서 알려진 바처럼 플러렌의 전자 수송 능력이 도너 재료(p형 유기 반도체)의 정공 수송 능력보다 좋음으로써 전자가 과잉으로 수송되어 정공 수송량이 발생 전류 전체를 제한하게 된다는 것이 알려져 있다.
그에 따라 최근에는 도너 재료(p형 유기 반도체)의 개발에 있어서 다양한 고이동도 재료가 개발되고 있다. 상기 고이동도 재료로는 예를 들면, 올리고 티오펜 이나 펜타센이 대표적인 재료이며, 1cm2/Vs 전후의 이동도를 얻을 수 있다. 그러나, 이를 유기 태양 전지에 적용시킨 올리고 티오펜이나 펜타센의 경우 직선형으로 결합한 분자이므로, 응집하기 쉬우며, 나노미터 레벨로 균일하게 분산시키는 것이 곤란하여 전력 변환 효율을 향상시키는데 어려운 문제가 있다.
본 발명은 유기 태양전지의 광전변환층의 정공 수송 능력을 향상시켜 전력 변환 효율을 극대화시킨 유기 태양 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 유기 태양 전지의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제1전극과 제2전극 및 상기 제1전극과 제2전극 사이에 배치되는 광전변환층을 포함하는 유기 태양 전지에 있어서, 상기 광전변환층이 정공수송 물질을 기능단으로 도입한 도너재료 및 억셉터재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지를 제공한다.
상기 도너재료는 정공수송 물질을 함유하고 있는 폴리티오펜계 화합물인 것이 바람직하다. 특히, 상기 도너 재료는 카바졸계를 함유하고 있는 폴리티오펜계 화합물인 것이 바람직하다. 상기 카바졸계를 함유하고 있는 폴리티오펜계 화합물은 하기 화학식 1 내지 3으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 더욱 바람직하다.
[화학식 1]
Figure 112009035146226-PAT00001
(상기에서 R은 각각 독립적으로 선형 또는 비선형의 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50의 아릴기에서 선택되고, n은 3 내지 100의 정수이다.)
[화학식 2]
Figure 112009035146226-PAT00002
(상기에서 R은 각각 독립적으로 선형 또는 비선형의 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50의 아릴기에서 선택되고, n은 3 내지 100의 정수이다.)
[화학식 3]
Figure 112009035146226-PAT00003
(상기에서 R은 각각 독립적으로 선형 또는 비선형의 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50의 아릴기에서 선택되고, n은 3 내지 100의 정수이다.)
상기 광전변환층은 스핀코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 닥터 블레이드, 잉크젯 인쇄 중에서 선택되는 어느 하나의 습식방법으로 형성된 것일 수 있으며, 상기 광전변환층의 두께는 80~150nm 인 것이 바람직하다.
상기 제1전극층과 광전변환층 사이에는 정공 주입층이 더 포함되고, 상기 광전변환층과 제2전극층 사이에는 전자 주입층이 더 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 투명 기판상에 제1전극을 형성하는 제1전극형성단계와, 상기 제1전극 상에 도너에 정공수송 물질을 기능단으로 도입한 도너 재료와 억셉터 재료를 포함하는 광전변환층을 형성하는 광전변환층형성단계 및 상기 광전변환층 상에 제2전극을 형성하는 제2전극형성단계를 포함함을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
상기한 본 발명에 따른 유기 태양전지는 정공 수송 물질을 기능단으로 도입한 도너재료를 광전변환층에 포함시킴으로써 정공 수송 능력을 향상 시켜 전력 변환 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한 본 발명에 따른 유기 태양 전지의 제조방법은 상기 광전변환층을 습식으로 형성할 수 있어 공정의 단순화를 도모할 수 있는 유용한 효과가 있다.
본 발명에 따른 유기 태양 전지는 제1전극과 제2전극 및 상기 제1전극과 제2전극 간에 배치되는 것으로서 정공수송 물질을 기능단으로 도입한 도너재료와 억셉터재료를 포함하는 광전변환층을 포함한다.
이하 본 발명에 따른 유기 태양 전지를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 하나, 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시된 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 개략적인 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 유기 태양 전지는 투명 기판(10)과, 상기 투명 기판(10)상에 순차적으로 형성된 제1전극(11), 광전변환층(13), 제2전극(15)을 포함한다. 상기 유기 태양 전지는 제1전극(11)과 광전변환층(13) 사이에 정공 주입층(12)이, 상기 광전변환층(13)과 제2전극(15) 사이에는 전자 주입층(14)이 더 포함될 수 있다.
상기 투명 기판(10)은 태양 전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 투명 기판(10)은 유리 혹은, 폴리이미드, 폴리스타이렌(PS), 폴리에스테르(PES) 또는 폴리카보네이트(PC) 등의 플라스틱으로 구성된 플렉서블 기판을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 제1전극(11)으로는 태양 전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 제한 없이 적용할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제1전극은(11) 투명한 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 불소 첨가 주석 산화물(FTO), 주석 옥사이드, 아연 옥사이드, 아연 알루미늄 옥사이드, 및 티타늄 니트라이드 등의 금속 옥사이드 또는 금속 니트라이드계 혹은 폴리아닐린, 폴리티오핀, 폴리피롤, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리(3-메틸티오핀), 및 폴리페닐렌설파이드 등의 전도성 중합체가 사용될 수 있다. 상기 제1전극(11)은 전술한 재료들 중 한 가지 타입으로만 형성되거나 또는 복수개의 재료의 혼합물로도 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1전극(11)은 동일한 조성 또는 상이한 조성의 층이 복수개 적층되는 다층 구조로 형성될 수도 있다.
상기 제 2전극(15)으로는 태양 전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 제한없이 적용할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제2전극(15)는 금, 백금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 코발트, 리드, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨, 니오븀 등의 금속 혹은 이들 금속의 합금이 사용될 수 있다.
상기 제1전극(11)과 제2전극(15)은 스퍼터링이나 진공증착 등의 공지된 방법을 적용하면 용이하게 형성할 수 있으며, 이들의 두께는 10 ~ 500nm가 바람직하다.
상기 정공 주입층(12)은 태양 전지 분야에서 일반적으로 알려진 재료들이 사용될 수 있다. 제한되지 않으나 상기 정공 주입층(12)은 폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜) 및 폴리(스타이렌술포네이드)(PEDOT/PSS) 또는 구리 프탈로시아닌(CuPc), 4,4',4"-트리스(3-메틸페닐페닐아미노)트리페닐아민(m-MTDATA), 4,4'4"-트리스((N-(나프탈렌-2-일)-N-페닐아미노)트리페닐아민(2-TNATA) 등의 물질을 5nm~100nm 두께로 형성하여 이루어질 수 있다. 특히 PEDOT/PSS는 습식 공정에 의한 형성이 가능하 므로 본 발명에서와 같이 습식 공정에 의해 광전변환층(13)을 형성하는 유기 태양 전지에 있어서 정공 주입층(12)으로 매우 유용하게 사용될 수 있다.
상기 전자 주입층(14)은 태양 전지 분야에서 일반적으로 알려진 재료들이 사용될 수 있다. 제한되지는 않지만 상기 전자 주입층(14)은 LiF를 사용할 수 있으며, 이를 공지된 두께로 스퍼터링 또는 진공증착등의 공지된 방법에 따라 막을 형성하면 용이하게 형성할 수 있다.
상기 광전변환층(13)은 제1전극(11)과 제2전극(15) 사이에 형성된 것으로서 정공수송 물질을 기능단으로 도입한 도너재료와 억셉터재료를 포함한다.
상기 광전변환층(13)은 유기 태양 전지의 정공 수송 능력을 향상 시키기 위하여 당해 분야에서 일반적으로 알려진 정공 수송 물질 또는 정공 주입 물질을 함유시키는 방법이 고려될 수 있다. 예를 들어 상기 광전변환층(13)은 구리 프탈로시아닌(CuPc), 4,4', 4"-트리스(3-메틸페닐페닐아미노)트리페닐아민(m-MTDATA) 및 4,4'4"-트리스((N-(나프탈렌-2-일)-N-페닐아미노)트리페닐아민(2-TNATA), 4,4'-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]-바이페닐(NPD), 또는 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-1,1'-바이페닐-4,4'-디아민(TPD) 등의 정공 수송 또는 정공 주입 물질을 포함할 수 있다. 그러나 상기한 정공 수송 물질 또는 정공주입 물질들은 광전변환층(13)에 적용 시 응집하기 쉽고, 균일하게 나노미터 레벨로 분산시키는 것이 곤란하다는 문제점이 있다. 그에 따라 본 발명에서는 정공수송 물질을 기능단으로 도입한 도너재료를 습식방법으로 광전변환층(13)에 함유시킴으로써 정공수송 물질 및 도너재료가 광전변환층(13)에서 균일하게 분산되도록 하여 전력 변환 효율을 극대 화시켰다.
상기 습식방법은 스핀코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 닥터 블레이드, 잉크젯 인쇄 중에서 선택되는 어느 하나의 방법이 적용될 수 있다.
이때 상기 광전변환층(13)의 두께는 80~150nm가 되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 광전변환층(13)의 두께가 상기 범위 내에 포함될 경우 우수한 전력 변환 효율을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면 상기 도너재료는 정공수송 물질을 기능단으로 도입한 것으로서, 정공수송 물질을 함유하고 있는 폴리티오펜계 화합물인 것이 바람직하다. 특히, 상기 도너 재료는 카바졸계를 함유하고 있는 폴리티오펜계 화합물인 것이 바람직하며, 상기 카바졸계를 함유하고 있는 폴리티오펜계 화합물은 하기 화학식 1 내지 3으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 더욱 바람직하다.
[화학식 1]
Figure 112009035146226-PAT00004
(상기에서 R은 각각 독립적으로 선형 또는 비선형의 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50의 아릴기에서 선택되고, n은 3 내지 100의 정수이다.)
[화학식 2]
Figure 112009035146226-PAT00005
(상기에서 R은 각각 독립적으로 선형 또는 비선형의 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50의 아릴기에서 선택되고, n은 3 내지 100의 정수이다.)
[화학식 3]
Figure 112009035146226-PAT00006
(상기에서 R은 각각 독립적으로 선형 또는 비선형의 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50의 아릴기에서 선택되고, n은 3 내지 100의 정수이다.)
상기 화학식 1 내지 3에서 선택되는 정공수송 물질을 함유하고 있는 폴리티오펜계 화합물은 공지된 기술을 적용하면 용이하게 제조할 수 있다. 예를 들어 미국 특허 제6,833,432호에 기재된 방법에 따라 용이하게 제조할 수 있으며, 본 발명은 그 제조방법을 한정하는 것은 아니다.
상기 광전변환층(13)에 사용되는 억셉터재료는 당해 유기 태양 전지 분야에 서 일반적으로 사용되는 것이 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명이 습식방법에 의해 광전변환층(13)을 형성할 수 있도록 함에 따라 상기 억셉터재료는 습식방법에 의해 형성이 가능하도록 고분자 억셉터 또는 저분자 억셉터를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 고분자 억셉터(n형 유기 반도체 재료)의 구체적인 예로는 하기 화학식 4로 표현되는 폴리[2,5-다이헥실록시-1,4-(1-시아노비닐렌)페닐렌]을 예시할 수 있으나, 본 발명에 따라 사용될 수 있는 고분자 억셉터가 예시된 화합물에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 4]
Figure 112009035146226-PAT00007
상기 억셉터재료는 상기한 고분자 억셉터 이외에 저분자 억셉터(n형 유기 반도체 재료)로서 하기 화학식 5로 표현되는 (6,6)-페닐-C61 부틸릭 액시드 메틸 에스터(PCBM)와 하기 화학식 6로 표현되는 [6,6]-페닐 C71 부틸릭 액시드 메틸 에스터(화합물10)등을 사용할 수 있으나, 저분자 억셉터 화합물이 예시된 화합물에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 5]
Figure 112009035146226-PAT00008
[화학식 6]
Figure 112009035146226-PAT00009
이하에서는 상술한 구조의 유기 태양 전지를 제조하는 방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 유기 태양 전지의 제조방법은 투명 기판(10)상에 제1전극(11)을 형성하는 제1전극형성단계와, 상기 제1전극(11) 상에 도너에 정공수송 물질을 기능단으로 도입한 도너 재료와 억셉터 재료를 포함하는 광전변환층(13)을 형성하는 광전변환층형성단계 및 상기 광전변환층(13) 상에 제2전극(15)을 형성하는 제2전극형성단계를 포함하여 이루어진다.
상기 제1전극형성단계는 투명 기판(10)상에 제1전극(11)을 형성하는 단계로서 공지의 기술을 적용하면 용이하게 실시할 수 있다. 상기 투명 기판(10)과 제1전극(11)의 재료는 전술한 유기 태양 전지에서 예시한 것을 적용하면 된다. 상기 제1 전극(11)은 투명 기판(10)상에 스퍼터링이나 진공증착 등의 공지된 방법을 통해 제1전극(11) 재료를 10 ~ 500nm의 두께로 증착하면 용이하게 형성할 수 있다.
상기 광전변환층형성단계는 상기 제1전극(11) 상에 도너에 정공수송 물질을 기능단으로 도입한 도너 재료와 억셉터 재료를 포함하는 광전변환층(13)을 형성하는 단계이다. 이때, 도너재료와 억셉터재료는 전술한 유기 태양 전지에서 예시한 것을 적용하면 된다.
상기 광전변환층(13)은 습식으로 도포하면 용이하게 형성할 수 있다. 이때 습식 도포는 스핀코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 닥터 블레이드, 잉크젯 인쇄 중에서 선택되는 어느 하나의 방법이 적용될 수 있다. 전력 변환 효율을 고려하였을 때 상기 광전변환층(13)은 80~150nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 유기 용매는 본 발명에 따른 도너재료를 용해시킬 수 있는 것이라면 제한 없이 사용 가능하다.
이때, 상기 광전변환층(13)에서 사용되는 도너재료와 억셉터재료는 유기 태양 전지분야에서 일반적으로 사용하는 혼합비율로 혼합할 수 있다. 바람직하게는 상기 도너재료와 억셉터재료는 1:0.7~1.0의 중량비율로 혼합하여 사용하게 된다. 상기 도너재료와 억셉터재료의 혼합비율이 상기 범위내에 포함되는 경우 광전변환층(13)의 정공 수송 능력을 충분히 향상시켜 주어 전력 변환 효율을 극대화실 수 있게 된다.
유기 용매는 광전변환층(13)을 형성한 후 휘발되어 제거되는 것이므로, 그 함량은 제한할 필요는 없지만, 습식 도포시의 작업성을 고려하여 도너재료와 억셉 터재료 및 유기 용매를 포함하는 광전변환층(13) 형성용 조성물 100중량부에 90~99중량부 포함되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제2전극형성단계는 상기 광전변환층(13) 상에 제2전극(15)을 형성하는 것이다. 상기 제2전극형성단계는 공지의 기술을 적용하면 용이하게 실시할 수 있다. 상기 제2전극(15)의 재료는 전술한 유기 태양 전지에서 예시한 것을 적용하면 된다. 상기 제2전극(15)은 스퍼터링이나 진공증착 등의 공지된 방법을 통해 제2전극(15)재료를 10 ~ 500nm의 두께로 증착하면 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면 상기 제1전극형성단계와 광전변환층형성단계 사이에 정공 주입층(12)을 형성하는 정공주입층형성단계가 수행될 수 있다. 상기 정공주입층형성단계는 공지의 기술을 적용하면 용이하게 실시할 수 있다. 상기 정공 주입층(12) 형성 재료는 전술한 유기 태양 전지에서 예시한 것을 적용하면 된다. 상기 정공 주입층(12)은 공지된 다양한 방법으로 형성할 수 있으며, 특히 본 발명의 광전변환층(13)의 도포가 습식에 의해 이루어지므로 공정상의 용이성을 고려하여 습식방법으로 형성이 가능한 PEDOT/PSS를 사용하여 습식방법에 의해 5nm~100nm 두께로 도포하여 형성하는 것이 바람직하다.
이때 습식 도포는 스핀코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 닥터 블레이드, 잉크젯 인쇄 중에서 선택되는 어느 하나의 방법이 적용될 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 상기 광전변환층형성단계와 제2전극형성단계 사이에 전자 주입층(14)을 형성하는 전자주입층형성단계가 수행될 수 있다. 상기 전자주입층형성단계는 공지의 기술을 적용하면 용이하게 실시할 수 있다. 상기 전자 주입 층(14) 형성재료는 전술한 유기 태양 전지에서 예시한 것을 적용하면 된다. 상기 전자 주입층(14)은 스퍼터링이나 진공증착과 같은 공지된 방법에 의해 막을 형성하면 용이하게 형성할 수 있다. 막형성 두께는 유기 태양 전지 분야에서 일반적으로 형성하는 두께인 0.5~30nm의 두께로 할 수 있다.
이하 본 발명을 하기의 실시 예를 통해 자세히 설명하도록 하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
<합성예 1>
10mL 플라스크에 N-(2-헥실)-2,7-디요오드카바졸 0.36mmol, 2,5-디트리메틸스태닐-3헥실-싸이오펜 0.36mmol, THF 무수물 3mL, 7μmol의 Pd(PPh3)4, 및 2몰농도 K2CO3 수용액 2mL를 넣고 2시간 동안 리플럭스 시키고, 메탄올로 재결정 시킨 다음 필터링하여 화학식 7의 화합물을 제조하였다. 전체 반응은 하기 반응식 1에 개략적으로 나타내었다.
[반응식 1]
Figure 112009035146226-PAT00010
<합성예 2>
10mL 플라스크에 N-(2-헥실)-2,7-디요오드카바졸 0.36mmol, 5,5'-비스(트리메틸스태닐)-2,2'바이싸이오펜 0.36mmol, THF 무수물 3mL, 7μmol의 Pd(PPh3)4, 및 2몰농도 K2CO3 수용액 2mL를 넣고 시간 동안 리플럭스 시키고, 메탄올로 재결정 시킨 다음 필터링하여 화학식 8의 화합물을 제조하였다. 전체 반응은 하기 반응식 2에 개략적으로 나타내었다.
[반응식 2]
Figure 112009035146226-PAT00011
실시예1: 유기태양전지 제작 및 평가
25mm×25mm×1.1mm 크기의 투명 유리 기판상에 ITO를 진공증착하여 150nm의 막두께를 갖는 제1전극을 형성한 다음 이소프로필알코올 중에서 초음파 세정을 5분간 실시한 후, UV 오존 세정을 30분간 실시하였다.
세정 후의 투명 전극 부착 유리 기판을 스핀코터의 홀더에 장착하고, 우선 투명 전극이 형성되어 있는 측의 면상에 정공 주입층으로서 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)) : PSS(폴리(스타이렌술포네이드))를 4500 rpm으로 스핀코팅하여 30nm 두께로 형성시킨 후 150 ℃에서 10 분간 베이킹하였다.
상기 정공 주입층 상에 상기 합성예 1에서 제조한 화합물과 PCBM(화학식 5)을 1:0.8의 비율(고형분 3.6%)로 녹인 용액을 1,000rpm으로 스핀코팅하여 100nm 두께로 성막시켜 광전변환층을 형성하였다.
이어 기판을 진공 증착 장비의 홀더에 장착시키고 그 위에 LiF막을, 성막 속 도 0.1Å/sec, 막 두께 1nm로 형성한 후 Al을 100nm 두께로 증착시켰다. Al 증착이 끝난 기판은 160 ℃에서 10 분간 어닐링하여 유기태양전지소자를 제작하였다.
실시예2: 유기태양전지 제작 및 평가
25mm×25mm×1.1mm 크기의 투명 유리 기판상에 ITO를 진공증착하여 150nm의 막두께를 갖는 제1전극을 형성한 다음 이소프로필알코올 중에서 초음파 세정을 5분간 실시한 후, UV 오존 세정을 30분간 실시하였다.
세정 후의 투명 전극 부착 유리 기판을 스핀코터의 홀더에 장착하고, 우선 투명 전극이 형성되어 있는 측의 면상에 정공 주입층으로서 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)) : PSS(폴리(스타이렌술포네이드))를 4500 rpm으로 스핀코팅하여 30nm 두께로 형성시킨 후 150 ℃에서 10 분간 베이킹하였다.
상기 정공 주입층 상에 상기 합성예 2에서 제조한 화합물과 PCBM(화학식 5)을 1:0.8의 비율(고형분 3.6%)로 녹인 용액을 1,000rpm으로 스핀코팅하여 100nm 두께로 성막시켜 광전변환층을 형성하였다.
이어 기판을 진공 증착 장비의 홀더에 장착시키고 그 위에 LiF막을, 성막 속도 0.1Å/sec, 막 두께 1nm로 형성한 후 Al을 100nm 두께로 증착시켰다. Al 증착이 끝난 기판은 160 ℃에서 10 분간 어닐링하여 유기태양전지소자를 제작하였다.
비교예1: 유기태양전지 제작 및 평가
25mm×25mm×1.1mm 크기의 투명 유리 기판상에 ITO를 진공증착하여 150nm의 막두께를 갖는 제1전극을 형성한 다음 이소프로필알코올 중에서 초음파 세정을 5분간 실시한 후, UV 오존 세정을 30분간 실시하였다.
세정 후의 투명 전극 부착 유리 기판을 스핀코터의 홀더에 장착하고, 우선 투명 전극이 형성되어 있는 측의 면상에 정공 주입층으로서 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜)) : PSS(폴리(스타이렌술포네이드))를 4500 rpm으로 스핀코팅하여 30nm 두께로 형성시킨 후 150 ℃에서 10 분간 베이킹하였다.
상기 정공 주입층 상에 아래 화학식 9의 폴리 싸이오펜과 PCBM(화학식 5)을 1:0.8의 비율(고형분 3.6%)로 녹인 용액을 1,000 rpm으로 스핀코팅하여 100nm 두께로 성막시켜 광전변환층을 형성하였다.
이어 기판을 진공 증착 장비의 홀더에 장착시키고 그 위에 LiF막을, 성막 속도 0.1Å/sec, 막 두께 1nm로 형성한 후 Al을 100nm 두께로 증착시켰다. Al 증착이 끝난 기판은 160 ℃에서 10 분간 어닐링하여 유기태양전지소자를 제작하였다.
[화학식 9]
Figure 112009035146226-PAT00012
<실험예>
상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서 제조한 유기 태양 전지를 아래와 같은 방법으로 효율성 평가를 실시하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
- 효율성 평가
광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel, 92199A)을 사용하였으며, 상기 제 논 램프의 태양 조건 (AM 1.5)은 표준 태양전지(Furnhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si KG 필터)를 사용하여 보정하였다. 측정된 광전류 전압 곡선으로부터 계산된 광전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc) 및 충진계수(fill factor, FF)를 하기식에 대입하여 산출한 광전효율(η%)을 하기 표 1에 나타내었다.
η = (Voc·Jsc·FF)/(Pinc)
상기 식에서, Pinc는 100 mW/cm2(1sun)을 나타낸다.
유기태양전지 효율
태양전지 Voc
[V]		 Jsc
[mA/cm2]		 F.F
[%]		 광전환효율
[%]
실시예1 0.60 13.04 48.43 3.59
실시예2 0.62 13.25 49.52 3.67
비교예1 0.60 12.44 39.14 2.94
상기 표 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 따라 도너에 정공수송 물질을 기능단으로 도입한 도너 재료를 사용한 실시예 1 및 2의 경우 일반 도너 재료를 사용한 비교예 1에 비하여 월등하게 향상된 광전환효율을 보여줌을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10 : 투명 기판 11 : 제1전극층
12 : 정공 주입층 13 : 광전변환층
14 : 전자 주입층 15 : 제2전극

Claims (15)

  1. 제1전극과 제2전극 및 상기 제1전극과 제2전극 간에 배치되는 광전변환층을 포함하는 유기 태양 전지에 있어서,
    상기 광전변환층은 도너에 정공수송 물질을 기능단으로 도입한 도너 재료와 억셉터 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 도너 재료는 정공수송 물질을 함유하고 있는 폴리티오펜계 화합물인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 도너 재료는 카바졸계를 함유하고 있는 폴리티오펜계 화합물인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 카바졸계를 함유하고 있는 폴리티오펜계 화합물은 하기 화학식 1 내지 3으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
    [화학식 1]
    Figure 112009035146226-PAT00013
    (상기에서 R은 각각 독립적으로 선형 또는 비선형의 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50의 아릴기에서 선택된다.)
    [화학식 2]
    Figure 112009035146226-PAT00014
    (상기에서 R은 각각 독립적으로 선형 또는 비선형의 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50의 아릴기에서 선택된다.)
    [화학식 3]
    Figure 112009035146226-PAT00015
    (상기에서 R은 각각 독립적으로 선형 또는 비선형의 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50의 아릴기에서 선택된다.)
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 광전변환층은 스핀코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 닥터 블레이드, 잉크젯 인쇄 중에서 선택되는 어느 하나의 습식방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 광전변환층의 두께가 80 ~ 150nm 인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제1전극과 광전변환층 사이에는 정공 주입층이 더 포함되고, 상기 광전변환층과 제2전극 사이에는 전자 주입층이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지.
  8. 투명 기판상에 제1전극을 형성하는 제1전극형성단계와;
    상기 제1전극 상에 도너에 정공수송 물질을 기능단으로 도입한 도너 재료와 억셉터 재료를 포함하는 광전변환층을 형성하는 광전변환층형성단계; 및
    상기 광전변환층 상에 제2전극을 형성하는 제2전극형성단계를 포함함을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 광전변환층형성단계는: 도너 재료와 억셉터 재료를 포함하는 용액을 습식방법으로 도포하여 광전변환층을 형성하는 것임을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 습식방법은 스핀코팅, 스프레이 코팅, 스크린 인쇄, 닥터 블레이드, 잉크젯 인쇄 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 도너 재료는 카바졸계를 함유하고 있는 폴리티오펜계 화합물인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 카바졸계를 함유하고 있는 폴리티오펜계 화합물은 하기 화학식 1 내지 3으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 유기 태양전지의 제조방법.
    [화학식 1]
    Figure 112009035146226-PAT00016
    (상기에서 R은 각각 독립적으로 선형 또는 비선형의 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50의 아릴기에서 선택된다.)
    [화학식 2]
    Figure 112009035146226-PAT00017
    (상기에서 R은 각각 독립적으로 선형 또는 비선형의 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50의 아릴기에서 선택된다.)
    [화학식 3]
    Figure 112009035146226-PAT00018
    (상기에서 R은 각각 독립적으로 선형 또는 비선형의 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 50의 아릴기에서 선택된다.)
  13. 청구항 8에 있어서, 상기 광전변환층의 두께는 80 ~ 150nm가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  14. 청구항 8에 있어서, 상기 제1전극형성단계와 상기 광전변환층형성단계 사이에 상기 제1전극 상에 정공 주입층을 형성하는 정공주입층형성단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  15. 청구항 8에 있어서, 상기 광전변환층형성단계와 상기 제2전극형성단계 사이에 상기 광전변환층 상에 전자 주입층을 형성하는 전자주입층 형성단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 유기 태양 전지의 제조방법.
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