KR20110001841A - 유기 태양 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20110001841A
KR20110001841A KR1020090097444A KR20090097444A KR20110001841A KR 20110001841 A KR20110001841 A KR 20110001841A KR 1020090097444 A KR1020090097444 A KR 1020090097444A KR 20090097444 A KR20090097444 A KR 20090097444A KR 20110001841 A KR20110001841 A KR 20110001841A
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Abstract

서로 대향하는 캐소드와 애노드, 상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하는 광활성층, 그리고 상기 애노드와 광활성층 사이에 존재하는 전자 차단층을 포함하고, 상기 광활성층은 전자 공여체, 전자 수용체 및 나노 구조체를 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다. 상기 나노 구조체는 애노드와 물리적으로 연결되어 있고, 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 탄소 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 정공 수송성 물질을 포함한다. 상기 반도체성 원소, 반도체성 화합물 또는 반도체성 탄소 물질은 하기 수학식 1 및 수학식 2를 만족한다.
[수학식 1]
│LUMOA│>│CBEN│
[수학식 2]
│HOMOD│>│VBEN│
상기 수학식 1에서 LUMOA 는 전자 수용체의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 레벨이고 CBEN은 나노 구조체의 CBE(Conduction Band Edge)이고, 상기 수학식 2에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 레벨이고 VBEN은 나노 구조체의 VBE(Valance Band Edge)이다.
반도체, 광활성층, 유기 태양 전지, 광전 변환 효율

Description

유기 태양 전지 및 그 제조방법{ORGANIC SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
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 4에 도시되어 있다. 도 4를 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 엑시톤(117)이 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 전달되도록 하는 방법으로 다양한 방법이 제시되고 있으나, 대부분 추가 공정이 요구되고 이에 따라 제조 비용이 상승할 수 있다.
본 발명의 일 구현예는 광활성층에서 정공의 이동 경로를 개선함으로써 광전류량을 증가시키고 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 유기 태양 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 간단하고 저렴한 비용으로 고효율의 유기 태양 전지를 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 서로 대향하는 캐소드와 애노드, 상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하는 광활성층, 그리고 상기 애노드와 광활성층 사이에 존재하는 전자 차단층을 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다. 상기 광활성층은 전자 공여체, 전자 수용체 및 나노 구조체를 포함한다. 상기 나노 구조체는 애노드와 물리적으로 연결되어 있고, 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 탄소 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 정공 수송성 물질을 포함한다. 상기 반도체성 원소, 반도체성 화합물 또는 반도체성 탄소 물질은 하기 수학식 1 및 수학식 2를 만족한다.
[수학식 1]
│LUMOA│>│CBEN│
[수학식 2]
│HOMOD│>│VBEN│
상기 수학식 1에서 LUMOA 는 전자 수용체의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 레벨이고 CBEN은 나노 구조체의 CBE(Conduction Band Edge)이고, 상기 수학식 2에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 레벨이고 VBEN은 나노 구조체의 VBE(Valance Band Edge)이다.
상기 반도체성 원소는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 반도체성 화합물로는 II-VI족 화합물; III-V족 화합물; IV-VI족 화합물; IV족 화합물; 반도체성 금속 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
또한 상기 반도체성 탄소 물질은 탄소 나노 튜브, 그라펜(graphene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 나노 구조체는 1차원 선형 구조, 2차원 평면 구조 또는 3차원 입체 구조로 형성될 수 있다. 상기 나노 구조체는 나노튜브, 나노로드, 나노와이어, 나노트리, 나노테트라포드, 나노디스크, 나노플레이트, 나노리본 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 나노 구조체는 표면조도를 가지거나 친수성 처리될 수 있다.
상기 나노 구조체는 광활성층 총량에 대하여 0.1 내지 50 체적%로 존재할 수 있다.
상기 캐소드와 광활성층 사이에 정공 차단층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 기판에 애노드를 형성하고, 상기 애노드에 나노 구조체를 접촉하여 수직배열되도록 형성하면서 애노드 위에 전자 차단층을 형성한 다음 전자 공여체와 전자 수용체의 혼합액을 도포하여 광활성층을 형성하고, 상기 광활성층 위에 캐소드를 형성하는 공정을 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
상기 애노드와 광활성층 사이에 전자 차단층을 형성하는 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 캐소드와 광활성층 사이에 정공 차단층을 형성하는 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 나노 구조체에 대하여 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 정공의 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 부여한다.
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 애노드(3)와 캐소드(5) 사이에 위치하는 광활성층(11), 그리고 애노드(3)와 광활성층(11) 사이에 위치하는 전자 차단층(21)을 포함한다. 도 1에 도시된 유기 태양 전지(10)는 기판(1)에 애노드(3)가 접하는 구조를 도시하였으나 기판(1)에 캐소드(5)가 접하여 존재할 수도 있다.
상기 기판(1)은 유리, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에테르술폰(PES) 등의 투명 재질이면 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 애노드(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 캐소드(5)는 애노드(3)의 일함수보다 작으면 제한없이 사용될 수 있으며, 금속, 금속 합금, 반금속(semi-metal) 또는 광 투과성 투명 산화물로 이루어질 수 있다. 상기 금속의 예로는 리튬(Li), 나트륨(Na) 등의 알칼리 금속; 마그네슘(Mg) 등의 알칼리 토금속; 알루미늄(Al); 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 텅스텐(W) 등의 전이금속 등을 들 수 있다. 상기 금속 합금의 예로는 게르마늄-금 합금, 알루미늄-리튬 합금 등을 들 수 있다. 또한 상기 금속 또는 금속 합금으로 이루어진 제1층/상기 금속의 산화물, 금속의 할로겐화물 또는 금속으로 이루어진 제2층의 적층체를 캐소드(5)로 사용할 수도 있다. 예를 들어 LiF/Al, Ca/Al, TiOx/Al, ZnO/Al 등의 전극도 사용가능하다. 상기 광 투과성 투명 산화물로는 상기 애노드(3) 물질로 언급된 ITO, SnO2, IZO, AZO, GZO 등이 사용가능하며, 상기 애노드(3)보다 일함수가 작은 광 투과성 산화물이 사용가능하다.
상기 광활성층(11)은 전자 공여체(7)와 전자 수용체(9)가 혼재되어 있고 정공 수송체로서 나노 구조체(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), 금속프탈로시아닌, 일례로, 구리프탈로시아닌(copper phthalocyanine, CuPc), 폴리(3-알킬티오펜), 일례로, 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT) 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
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, TiOx, Si, GaAs, InP, GaP, AlAs 등과 같은 무기 반도체; 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 공여체(7)와 전자 수용체(9)는 약 1:9 내지 약 9:1의 중량비로 사용될 수 있다. 상기 전자 공여체(7)와 전자 수용체(9)가 상기 범위로 사용될 경우 광전류 효율을 개선시키기 위한 광활성층(11)을 용이하게 제작할 수 있다.
광 여기에 의하여 전자 공여체(7) 및 전자 수용체(9)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(5)로 이동하고 정공(15)은 전자 공여체(7)를 통하여 애노드(3)로 이동한다. 상기 정공(15)은 전자 공여체(7)들을 호핑(hopping)하여 이동하는데 이 경우 정공(15)의 이동 속도가 낮아 광전류량이 제한을 받게 된다.
따라서 본 발명의 일 구현예에서는 정공 수송체로서 나노 구조체(19)를 광활성층(11)에 도입하여 정공(15)이 나노 구조체(19)를 따라 이동하게 함으로써 엑시톤(17)에서 분리된 정공(15)이 애노드(3)에 도달하는 시간을 단축시키고, 분리된 정공(15)이 전자(13)와 재결합(recombination)될 확률을 낮춤으로써 광전류량을 증가시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 나노 구조체(19)에 의해 빛이 산란됨으로써 광활성층(11) 내에서의 빛의 경로가 증가하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수도 있다.
상기 나노 구조체(19)는 애노드(3)와 물리적으로 연결되어 있다. 이 경우 정공(15)을 나노 구조체(19)를 통하여 애노드(3)로 효율적으로 이동시킬 수 있으며, 상기 정공 수집 면적을 증가시켜 정공 수집 효율을 향상시킬 수 있고 광전 변환 효율 증가에 기여할 수 있다.
상기 나노 구조체(19)는 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 탄소 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 반도체, 반도체성 금속 산화물 및 반도체성 탄소 물질은 하기 수학식 1 및 수학식 2를 만족하는 경우 전자 차단성 및 정공 수송성이 우수하다.
[수학식 1]
│LUMOA│>│CBEN│
[수학식 2]
│HOMOD│>│VBEN│
상기 수학식 1에서 LUMOA 는 전자 수용체(9)의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 레벨이고 CBEN은 나노 구조체(19)의 CBE(Conduction Band Edge)이고, 상기 수학식 2에서 HOMOD는 전자 공여체(7)의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 레벨이고 VBEN은 나노 구조체(19)의 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 있 고; 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 나노 구조체(19)는 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 나노 구조체(19)는 나노튜브, 나노 로드, 나노와이어, 나노트리, 나노테트라포드, 나노디스크, 나노플레이트, 나노리본 등의 다양한 형태를 가질 수 있으며, 서로 다른 형태를 가지는 나노 구조체(19)가 혼합되어 사용될 수 있음은 물론이다.
도 1에 도시된 바와 같이 유기 태양 전지(10)의 광활성층(11)에 포함되는 나노 구조체(19)는 애노드(3)에 대하여 수직방향으로 배열될 수 있다. 여기에서 수직방향이란 애노드(3)에 대하여 실질적으로 90도에 가깝게 배열되는 것을 의미한다. 이와 같이 나노 구조체(19)를 정렬하면 정공(15)의 이동 경로를 최소화하여 전류량을 증가시킬 수 있다. 또한 나노 구조체(19)의 한쪽 말단이 애노드(3)와 물리적으로 연결되어 정공 수집 면적을 증가시켜 정공 수집 효율을 향상시킬 수 있으며 광전 변환 효율 증가에 기여할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 태양 전지(10)는 애노드(3)와 광활성층(11) 사이에 전자 차단층(21)을 포함하고 있다. 이러한 전자 차단층(21)은 단층 또는 다층 구조일 수 있다. 상기 전자 차단층(21)을 구성하는 각 층은 상기 나노 구조체(19)와 동일한 조성을 가지거나, 또는 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; 구리프탈로시아닌(CuPc) 등의 금속프탈로시아닌; 또는 트리페닐디아민 유도체(TPD) 등의 저분자 유기물을 포 함하는 조성을 가질 수 있다. 또한 나노 구조체(19)와 접촉하지 않는 애노드(3)와 광활성층(11)의 접촉면은 전자 공여체(7)의 자가조립막(SAM, self assembled monolayer)을 형성할 수 있다. 이로써 정공 수집 효율을 향상시키고 전자 공여체(7)와 애노드(3)의 접합면에서 전자(13)와 정공(15)의 재결합을 방지할 수 있다.
도 2에 도시된 유기 태양 전지(20)는 캐소드(5)과 광활성층(11) 사이에 정공 차단층(31)을 더 포함한다. 정공 차단층(31)은 광활성층(11)에 존재하는 정공 수송성 나노 구조체(19)가 캐소드(5)와 직접 접촉할 경우 발생할 수 있는 단락을 방지할 수 있다. 이러한 정공 차단층(31)은 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 화합물을 포함할 수 있다. 상기 반도체성 원소 및 반도체성 화합물의 구체적인 예로는 상기 나노 구조체(19)에서 설명된 반도체성 원소와 반도체성 화합물과 동일하다.
상기 나노 구조체(19)는 두께가 약 0.8 ㎚ 내지 약 200 ㎚의 범위에 있고 길이가 약 100 ㎚ 내지 약 10 ㎛의 범위에 있을 수 있다. 또한 약 2 내지 약 2000 의 종횡비(aspect ratio)를 가지는 것이 좋다. 상기 종횡비는 나노 구조체(19)가 1차원 선형 구조 또는 2차원 평면 구조로 형성되는 경우 길이/두께의 비를 의미하며, 나노 구조체(19)가 3차원 입체 구조로 형성되는 경우 3차원 입체 구조를 구성하는 1차원 선형 구조 또는 2차원 평면 구조의 길이/두께의 비를 의미한다. 상기 나노 구조체(19)가 상기 범위의 두께, 길이 및 종횡비를 가지는 경우 정공 수송 및 수집에 유리한 구조로 제조될 수 있어 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 상기 나노 구조체(19)의 표면을 선택적 에칭(selective etching)하여 표면조도를 형성하여 표면적을 증가시킴으로써 전자 공여체(7)와의 접촉면적을 넓힐 수 있다. 또한 UV 처리 또는 플라즈마 처리하여 나노 구조체(19)의 표면이 친수성을 가지도록 할 수도 있다.
상기 나노 구조체(19)는 광활성층(11) 총량에 대하여 약 0.1 내지 약 50 체적%로 함유될 수 있다. 상기 범위로 존재하는 경우 생성된 정공(15)의 이동도를 향상시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 상기 나노 구조체(19)들은 가능한 서로 가깝게 밀집되어 있는 것이 좋다. 나노 구조체(19)들이 서로 밀집해 있는 경우 상기 나노 구조체(19)가 전자 공여체(7)와 접촉하는 부분이 많아지고, 생성된 정공(15)이 상기 나노 구조체(19)까지 이동하는 거리가 단축되어 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
광활성층(11)은 약 100 ㎚ 내지 약 500 ㎚의 두께로 형성되는 것이 광전 변환 효율면에서 좋다.
이하에서는 도 3을 참조하여 상기 구조의 유기 태양 전지(10, 20)의 제조공정에 대하여 설명한다.
먼저 기판(1)에 애노드(3)를 형성한다(S11).
상기 애노드(3)에 나노 구조체(19)를 직접 성장시키거나 막 형성 후 식각하는 방법으로 수직방향으로 배열시켜 형성한다(S12). 상기 나노 구조체(19)는 선택 적 에칭 또는 친수성 표면처리를 실시할 수도 있다.
상기 애노드(3)에 나노 구조체(19)를 직접 성장시키는 경우, 상기 애노드(3)와 광활성층(11) 사이에 상기 나노 구조체(19)와 동일한 조성을 가지는 전자 차단층(21)이 형성될 수 있다. 또한 막 형성 후 식각하는 방법으로 애노드(3)에 나노 구조체(19)를 형성하는 경우, 식각 속도 및 시간을 조절함으로써 식각되는 애노드(3) 위에 상기 나노 구조체(19)와 동일한 조성을 가지는 전자 차단층(21)을 남길 수 있다.
상기 나노 구조체(19)를 형성하기 전에 미리 애노드(3) 위에 전자 차단층(21)을 형성할 수도 있다. 이 경우 상기 전자 차단층(21)은 상기 나노 구조체(19)와 동일한 조성을 가지는 물질, 또는 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; 구리프탈로시아닌(CuPc) 등의 금속프탈로시아닌; 또는 트리페닐디아민 유도체(TPD) 등의 저분자 유기물을 포함하는 물질을 애노드(3) 위에 1회 또는 수회 도포함으로써 형성할 수 있다. 상기 도포는 일반적인 코팅방법 내지 증착방법으로 이루어질 수 있다.
상기 애노드(3)에 형성된 나노 구조체(19) 위에 전자 공여체(7) 및 전자 수용체(9)를 용매에 분산시킨 혼합액을 도포한다(S13). 상기 전자 공여체(7) 및 전 자 수용체(9)를 용매에 분산시킨 혼합액의 도포공정은 상기 혼합액의 점성에 따라 스프레이 코팅법, 침지법, 리버스롤법, 다이렉트롤법, 스크린 프린팅법, 스핀 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 페인팅법, 슬롯 다이 코팅법 등으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 또한 상기 전자 공여체(7) 및 전자 수용체(9)의 종류에 따라 진공증착법, 일례로 구리프탈로시아닌:C60 동시증착(CuPc:C60 co-deposition) 등의 방법으로 실시될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도포공정 후 용매를 제거하여 광활성층(11)을 형성한다(S14). 상기 광활성층(11) 위에 캐소드(5)를 형성하여 유기 태양 전지(10)를 제작한다(S15). 광활성층(11) 위에 캐소드(5)를 형성하기 전에 정공 차단층(31)을 더 형성하여 전기적 단락을 방지할 수 있다.
상기 유기 태양 전지의 제조방법에 따르면, 애노드(3) 위에 나노 구조체(19) 및 전자 차단층(21)을 함께 형성시킬 수 있고, 광활성층(11)의 형성시에도 전자 공여체(7) 및 전자 수용체(9)를 함께 혼합하여 도포하면 되므로 별도의 공정을 실시할 필요가 없어 저비용으로 간단히 고효율의 유기 태양 전지(10, 20)를 제작할 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 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 공정도이다.
도 4는 바이레이어 p-n 접합형 유기 태양 전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 20: 유기 태양 전지 3: 애노드
5: 캐소드 7: 전자 공여체
9: 전자 수용체 11: 광활성층
13: 전자 15: 정공
17: 엑시톤 19: 나노 구조체
21: 전자 차단층 31: 정공 차단층

Claims (13)

  1. 서로 대향하는 캐소드와 애노드,
    상기 캐소드와 애노드 사이에 존재하는 광활성층, 그리고
    상기 애노드와 광활성층 사이에 존재하는 전자 차단층을 포함하고,
    상기 광활성층은 전자 공여체, 전자 수용체 및 나노 구조체를 포함하고,
    상기 나노 구조체는 애노드와 물리적으로 연결되어 있고, 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 탄소 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 정공 수송성 물질을 포함하고,
    상기 반도체성 원소, 반도체성 화합물 또는 반도체성 탄소 물질은 하기 수학식 1 및 수학식 2를 만족하는 것인 유기 태양 전지:
    [수학식 1]
    │LUMOA│>│CBEN│
    [수학식 2]
    │HOMOD│>│VBEN│
    상기 수학식 1에서 LUMOA 는 전자 수용체의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 레벨이고 CBEN은 나노 구조체의 CBE(Conduction Band Edge)이고, 상기 수학식 2에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 레벨이고 VBEN은 나노 구조체의 VBE(Valance Band Edge)이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반도체성 원소는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 유기 태양 전지.
  3. 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.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체성 탄소 물질은 탄소 나노 튜브, 그라펜(graphene) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것은 유기 태양 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 1차원 선형 구조, 2차원 평면 구조 또는 3차원 입체 구조를 가지는 것인 유기 태양 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 나노튜브, 나노로드, 나노와이어, 나노트리, 나노테트라포드, 나노디스크, 나노플레이트, 나노리본 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 유기 태양 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 표면조도를 가지거나 친수성 처리된 것인 유기 태양 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 광활성층 총량에 대하여 0.1 내지 50 체적%로 존재하는 것인 유기 태양 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드와 광활성층 사이에 정공 차단층을 더 포함하는 것인 유기태양 전지.
  10. 기판에 애노드를 형성하고,
    상기 애노드에 나노 구조체를 접촉하여 수직배열되도록 형성하면서 애노드 위에 전자 차단층을 형성한 다음 전자 공여체와 전자 수용체의 혼합액을 도포하여 광활성층을 형성하고,
    상기 광활성층 위에 캐소드를 형성하는 공정을 포함하고,
    상기 나노 구조체는 반도체성 원소, 반도체성 화합물, 반도체성 탄소 물질 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 정공 수송성 물질을 포함하고,
    상기 반도체성 원소, 반도체성 화합물 또는 반도체성 탄소 물질은 하기 수학식 1 및 수학식 2를 만족하는 것인 유기 태양 전지의 제조방법:
    [수학식 1]
    │LUMOA│>│CBEN│
    [수학식 2]
    │HOMOD│>│VBEN│
    상기 수학식 1에서 LUMOA는 전자 수용체의 LUMO 레벨이고 CBEN은 나노 구조체의 CBE이고, 상기 수학식 2에서 HOMOD는 전자 공여체의 HOMO 레벨이고 VBEN은 나노 구조체의 VBE이다.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 애노드와 광활성층 사이에 전자 차단층을 형성하는 공정을 더 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 캐소드와 광활성층 사이에 정공 차단층을 형성하는 공정을 더 포함하는 유기 태양 전지의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 선택적 에칭에 의하여 표면조도를 형성하는 공정 및 친수성 처리하는 공정으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 전처리 공정을 더 실시하는 것인 유기 태양 전지의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103296208A (zh) * 2012-02-29 2013-09-11 海洋王照明科技股份有限公司 太阳能电池器件及其制备方法

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