KR20110123484A - 유기 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20110123484A KR1020100042994A KR20100042994A KR20110123484A KR 20110123484 A KR20110123484 A KR 20110123484A KR 1020100042994 A KR1020100042994 A KR 1020100042994A KR 20100042994 A KR20100042994 A KR 20100042994A KR 20110123484 A KR20110123484 A KR 20110123484A
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Abstract

제1 전극, 상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광 활성층을 포함하고, 상기 광 활성층은 연속적으로 연결되어 있는 무기 나노 구조체, 그리고 상기 무기 나노 구조체 사이에 채워져 있으며 용해성 저분자 화합물을 포함하는 광 흡수체를 포함하는 유기 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.

Description

유기 태양 전지 및 그 제조 방법{ORGANIC SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
유기 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
태양 전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양 전지와 유기 태양 전지로 나뉠 수 있다. 유기 태양 전지는 광활성층의 구조에 따라 p형 반도체와 n형 반도체가 별개의 층으로 이루어진 바이레이어 p-n 접합(bi-layer p-n junction) 구조와 p형 반도체와 n형 반도체가 혼합되어 있는 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조로 나눌 수 있는데, 이 중 벌크 이종접합형 구조는 전자-정공 쌍의 분리와 이동에 보다 효율적이다.
본 발명의 일 측면은 벌크 이종접합 구조에서 광 효율을 개선할 수 있는 유기 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 상기 유기 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면은 제1 전극, 상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광 활성층을 포함하고, 상기 광 활성층은 연속적으로 연결되어 있는 무기 나노 구조체, 그리고 상기 무기 나노 구조체 사이에 채워져 있으며 용해성 저분자 화합물을 포함하는 광 흡수체를 포함한다.
상기 광 흡수체는 상기 광 활성층 내에서 연속적으로 연결되어 있을 수 있다.
상기 무기 나노 구조체는 전자 수용체이고 상기 광 흡수체는 전자 공여체일 수 있다.
상기 무기 나노 구조체는 n형이고, 상기 광 흡수체는 p형일 수 있다.
상기 무기 나노 구조체는 금속 산화물, 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 무기 나노 구조체는 산화아연(zinc oxide), 산화티타늄(titanium oxide), 산화탄탈륨(tantalum oxide), 산화주석(tin oxide), 산화지르코늄(zirconium oxide), 산화란탄(lanthanum oxide), 산화니오븀(niobium oxide), 산화구리(copper oxide), 산화스트론튬(strontium oxide), 산화인듐(indium oxide), 티탄산나트륨(sodium titanate), 황화카드뮴(cadmium sulfide), 갈륨아세나이드(gallium arsenide), 카드뮴셀레나이드(cadmium selenide), 황화납(lead sulfide), 인화갈륨(gallium sulfide), 텔루르카드뮴(cadmium telluride) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 용해성 저분자 화합물은 약 3000 돌턴 이하의 질량을 가질 수 있다
상기 용해성 저분자 화합물은 밴드갭 에너지가 약 1 내지 2.5eV이고, LUMO 에너지가 약 -3.0 내지 -4.0 eV일 수 있다.
상기 용해성 저분자 화합물은 상기 무기 나노 구조체 사이의 간격보다 작은 크기를 가질 수 있다.
상기 무기 나노 구조체는 복수의 포어(pores)를 가질 수 있으며, 상기 용해성 저분자 화합물은 상기 포어보다 작은 크기를 가질 수 있다.
상기 무기 나노 구조체는 약 1 내지 100nm 크기의 복수의 포어를 가질 수 있으며, 상기 복수의 포어는 상기 광 흡수체로 채워져 있을 수 있다.
상기 무기 나노 구조체는 약 1 내지 20nm 크기의 복수의 포어를 가질 수 있으며, 상기 복수의 포어는 상기 광 흡수체로 채워져 있을 수 있다.
상기 무기 나노 구조체는 나노튜브(nanotube), 나노막대(nanorod), 자이로이드(gyroid) 및 네트워크 구조 중 적어도 하나의 모양을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 위에 연속적으로 연결되어 있는 무기 나노 구조체와 용해성 저분자 화합물을 포함하는 광 흡수체를 포함하는 광 활성층을 형성하는 단계, 그리고 상기 광 활성층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 광 활성층을 형성하는 단계는 상기 무기 나노 구조체를 준비하는 단계, 그리고 상기 무기 나노 구조체 사이에 상기 용해성 저분자 화합물을 용액 형태로 채우는 단계를 포함할 수 있다.
상기 무기 나노 구조체는 n형 전자 수용체이고 상기 광 흡수층은 p형 전자 공여체일 수 있다.
상기 무기 나노 구조체는 금속 산화물, 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 무기 나노 구조체는 산화아연, 산화티타늄, 산화탄탈륨, 산화주석, 산화지르코늄, 산화란탄, 산화니오븀, 산화구리, 산화스트론튬, 산화인듐, 티탄산나트륨, 황화카드뮴, 갈륨아세나이드, 카드뮴셀레나이드, 황화납, 인화갈륨, 텔루르카드뮴 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 용해성 저분자 화합물은 약 3000 돌턴 이하의 질량을 가지는 유기 물질을 포함할 수 있다.
상기 용해성 저분자 화합물은 밴드갭 에너지가 약 1 내지 2.5eV 이고, LUMO 에너지가 약 -3.0 내지 -4.0 eV 일 수 있다.
광 활성층 전체에 걸쳐 전자 이동로 및 정공 이동로가 확보되어 전극까지 이동하는 전하가 손실되는 것을 줄일 수 있고 전자 수용체와 전자 공여체의 계면에서 정공과 전자가 재결합되어 전류 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 광 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 단면도이고,
도 2는 다른 구현예에 따른 유기 태양 전지의 단면도이고,
도 3a 내지 도 3d는 도 1의 유기 태양 전지의 제조 방법을 차례로 보여주는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 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 붙였다. 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 1 및 도 2을 참고하여 일 구현예에 따른 유기 태양 전지에 대하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 단면도이고, 도 2는 다른 구현예에 따른 유기 태양 전지의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 유기 태양 전지는 기판(110), 기판(110) 위에 형성되어 있으며 서로 마주하는 하부 전극(10)과 상부 전극(20), 하부 전극(10)의 일면에 위치하는 하부 보조층(15), 상부 전극(20)의 일면에 위치하는 상부 보조층(25), 하부 전극(10)과 상부 전극(20) 사이에 위치하는 광 활성층(30)을 포함한다.
기판(110)은 투광성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 유리와 같은 무기 물질 또는 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드 및 폴리에테르술폰과 같은 유기 물질로 만들어질 수 있다.
하부 전극(10) 및 상부 전극(20) 중 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 하부 전극(10) 및 상부 전극(20) 중 하나는 ITO, IZO, 산화주석(SnO2), 알루미늄 도핑된 산화아연(aluminum doped ZnO), 갈륨 도핑된 산화아연(gallium doped ZnO) 따위의 투명 도전체로 만들어질 수 있으며, 다른 하나는 알루미늄(Al), 은(Ag) 등의 불투명 도전체로 만들어질 수 있다.
하부 보조층(15) 및 상부 보조층(25)은 전하를 효율적으로 이동 또는 차단할 수 있는 층으로, 예컨대 하부 전극(10)이 캐소드인 경우 하부 보조층(15)은 전자 수송층(electron transport layer) 또는 정공 차단층(hole blocking layer)일 수 있고 상부 보조층(25)은 정공 수송층(hole transport layer) 또는 전자 차단층(electron blocking layer)일 수 있다. 하부 보조층(15) 및 상부 보조층(25)은 유기, 무기 또는 유무기 복합 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설포네이트(polyethylene dioxythiophene:polystyrenesulfonate, PEDOT:PSS), 폴리피롤(polypyrrole) 등으로 만들어질 수 있다. 하부 보조층(15) 및 상부 보조층(25) 중 적어도 하나는 생략될 수 있다.
광 활성층(30)은 무기 나노 구조체(inorganic nanostructure)(30a)와 광 흡수체(30b)를 포함한다. 여기서 무기 나노 구조체(30a)는 n형 무기 반도체 물질로 만들어진 전자 수용체(electron acceptor)이고, 광 흡수체(30b)는 p형 유기 반도체 물질로 만들어진 전자 공여체(electron donor)이다.
무기 나노 구조체(30a)와 광 흡수체(30b)는 광 활성층(30) 내에서 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조를 이룬다. 벌크 이종접합 구조는 광 활성층(30)에 흡수된 빛에 의해 여기된 전자-정공 쌍이 확산을 통해 전자 수용체와 전자 공여체의 계면에 도달하면 그 계면을 이루는 두 물질의 전자 친화도 차이에 의하여 전자와 정공으로 분리되고, 전자는 전자 수용체를 통해 캐소드로 이동하고 정공은 전자 공여체를 통해 애노드로 이동하여 광 전류(photocurrent)를 발생시킨다.
무기 나노 구조체(30a)는 광 활성층(30) 내에서 연속적으로 연결되어 있는 구조체로, 광 활성층(30) 전체에 걸쳐 전자 이동로(electron path)가 확보되어 전극까지 이동하는 전하가 손실되는 것을 줄일 수 있다.
무기 나노 구조체(30a)는 예컨대 도 1과 같이 연속적으로 연결되어 있는 삼각대 모양의 자이로이드(gyroid) 모양일 수 있다. 또한 무기 나노 구조체(30a)는 예컨대 도 2와 같이 연속적으로 연결되어 있는 나노튜브 또는 나노막대 모양일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 네트워크 구조로 연결된 다양한 모양일 수 있다.
무기 나노 구조체(30a)는 복수의 포어(pores)(도시하지 않음)를 가질 수 있으며, 상기 포어는 예컨대 약 1 내지 100nm의 크기를 가질 수 있으며 상기 범위 내에서 약 1 내지 20nm의 크기를 가질 수 있다.
무기 나노 구조체(30a)는 n형 무기 반도체 물질이면 특히 한정되지 않으며, 예컨대 금속 산화물, 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이들의 예로는 산화아연, 산화티타늄, 산화탄탈륨, 산화주석, 산화지르코늄, 산화란탄, 산화니오븀, 산화구리, 산화스트론튬, 산화인듐, 티탄산나트륨, 황화카드뮴, 갈륨아세나이드, 카드뮴셀레나이드, 황화납, 인화갈륨, 텔루르카드뮴 또는 이들의 조합을 들 수 있다.
광 흡수체(30b)는 상기 무기 나노 구조체(30a) 사이에 채워져 있으며 광 활성층(30) 내에서 전체적으로 연결되어 있다.
광 흡수체(30b)는 용매에 용해되어 용액 형태로 제조될 수 있는 용해성 저분자 화합물을 포함하며, 용해성 저분자 화합물은 무기 나노 구조체(30a) 사이의 간격 및 무기 나노 구조체(30a)에 형성된 복수의 포어보다 작은 크기를 가질 수 있다. 예컨대 상술한 바와 같이 무기 나노 구조체(30a)가 약 1 내지 100nm의 복수의 포어를 가지는 경우, 용해성 저분자 화합물은 그보다 작은 크기를 가지므로 복수의 포어를 채울 수 있으며, 무기 나노 구조체(30a)가 약 1 내지 20nm의 크기의 포어를 가지는 경우 용해성 저분자 화합물은 그보다 작은 크기를 가지므로 복수의 포어를 채울 수 있다.
이와 같이 용해성 저분자 화합물은 무기 나노 구조체(30a) 사이 및 무기 나노 구조체(30a)에 형성된 복수의 포어를 채울 수 있으며 이에 따라 광 활성층(30)에서 연속적으로 연결될 수 있다. 따라서 광 활성층(30) 전체에 걸쳐 정공 이동로(hole path)가 확보되어 전극까지 이동하는 전하가 손실되는 것을 줄일 수 있고 전자 수용체와 전자 공여체의 계면에서 정공과 전자가 재결합(recombination)되어 전류 손실이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
만일 광 흡수체(30b)로 고분자 화합물을 사용하는 경우, 고분자 화합물의 큰 입자 크기 및 긴 사슬로 인해 광 흡수체(30b)가 무기 나노 구조체(30a) 사이 및 무기 나노 구조체(30a)에 형성된 복수의 포어를 채우기 어려워 광 활성층(30)에서 연속적으로 연결되기 어렵다. 또한 광 흡수체(30b)로 비용해성 저분자 화합물을 사용하는 경우 저분자 화합물의 낮은 용해도 및 높은 응집성으로 인해 균일하게 연속적으로 이어진 광 흡수체(30b)를 형성하기 어렵다.
용해성 저분자 화합물은 용매에 용해될 수 있는 저분자 유기 물질이면 특히 한정되지 않으나, 예컨대 약 3000 돌턴 이하의 질량을 가지는 유기 물질일 수 있다. 상기 질량 범위인 경우 추가적인 공정 없이 무기 나노 구조체(30a) 사이 및 무기 나노 구조체(30a)에 형성된 복수의 포어를 채울 수 있다.
또한 용해성 저분자 화합물은 예컨대 밴드갭 에너지가 약 1 내지 2.5eV 이고, LUMO 에너지가 약 -3.0 내지 -4.0 eV 일 수 있다. 상기 범위의 밴드갭 에너지 및 LUMO 에너지를 가짐으로써 전자 공여체로서 작용할 수 있다.
이러한 용해성 저분자 화합물로는 예컨대 서브나프탈로시아닌(subnaphthalocyanine, SubNc), 서브프탈로시아닌(subphthalocyanine, SubPc), 3,6-비스(5-(벤조퓨란-2-일)티오펜-2-일)-2,5-비스(2-에틸헥실)피롤로[3,4-c]피롤-1,4-디온(3,6-bis(5-(benzofuran-2-yl)thiophen-2-yl)-2,5-bis(2-ethylhexyl)pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione, DPP(TBFu)2) 등일 수 있다.
이러한 용해성 저분자 화합물은 용매에 용해된 용액 형태로 사용될 수 있다.
여기서 사용될 수 있는 용매는 상기 용해성 저분자 화합물을 용해할 수 있는 것이면 특히 한정되지 않으며, 예컨대 탈이온수, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-프로폭시에탄올 2-부톡시에탄올, 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 디에틸렌글리콜메틸에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 톨루엔, 크실렌, 헥산, 헵탄, 옥탄, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디메틸에틸에테르, 메틸메톡시프로피온산, 에틸에톡시프로피온산, 에틸락트산, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜메틸에테르, 프로필렌글리콜프로필에테르, 메틸셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브아세테이트, 디에틸렌글리콜메틸아세테이트, 디에틸렌글리콜에틸아세테이트, 아세톤, 클로로포름, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논, 디메틸포름아미드(DMF), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈, γ-부틸로락톤, 디에틸에테르, 에틸렌글리콜디메틸에테르, 디글라임, 테트라히드로퓨란, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 아세틸아세톤 및 아세토니트릴에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그러면 상술한 유기 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 3a 내지 도 3d를 참고하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1의 유기 태양 전지의 제조 방법을 차례로 보여주는 단면도이다.
먼저 도 3a를 참고하면, 기판(110) 위에 하부 전극(10)을 형성한다. 하부 전극(10)은 예컨대 스퍼터링 따위로 적층할 수 있다.
이어서 도 3b를 참고하면, 하부 기판(10) 위에 하부 보조층(15)을 형성한다.
이어서 도 3c를 참고하면, 하부 보조층(15) 위에 연속적으로 연결되어 있는 무기 나노 구조체(30a)와 용해성 저분자 화합물을 포함하는 광 흡수체(30b)를 포함하는 광 활성층(30)을 형성한다. 여기서 광 활성층(30)을 형성하는 단계는 상기 무기 나노 구조체(30a)를 준비하는 단계와 상기 무기 나노 구조체(30a) 사이에 상기 용해성 저분자 화합물을 용액 형태로 채우는 단계를 포함할 수 있다.
이 때 무기 나노 구조체(30a)를 먼저 형성한 후 용해성 저분자 화합물을 포함하는 용액을 예컨대 스핀 코팅과 같은 용액 공정으로 형성하여 무기 나노 구조체(30a) 사이 및/또는 무기 나노 구조체(30a)에 형성된 포어를 채울 수 있으며, 또는 무기 나노 구조체(30a)와 용해성 저분자 화합물을 포함하는 용액을 함께 형성하여 광 흡수층(30)을 형성할 수도 있다.
이어서 도 3d를 참고하면, 광 흡수층(30) 위에 상부 보조층(25) 및 상부 전극(20)을 차례로 형성한다.
이하 실시예를 통해서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
유기 태양 전지의 제조
실시예 1
유리 기판 위에 ITO를 적층한 후 증류수, 아세톤 및 이소프로필알코올 순서로 각각 10분간 초음파 세정을 한 후 건조한다. 이어서 ITO층 위에 산화티탄(TiO2)으로 만들어진 자이로이드 모양의 무기 나노 구조체를 형성한다. 자이로이드 모양의 무기 나노 구조체는 산화티탄(TiO2) 및 다공성 블록 공중합체 주형(block copolymer template)을 사용하여 형성할 수 있으며, 다공성 블록 공중합체로 폴리(4-플루오로스티렌)-b-폴리(D,L-락티드)(poly(4-fluorostyrene)-b-poly(D,L-lactide, PFS-b-PLA)를 사용한다. 구체적으로, ITO층 위에 산화티탄(TiO2)을 분무 열분해 증착(spray pyrolysis deposition)으로 50nm 두께로 형성한 후, 그 위에 블록 공중합체인 폴리(4-플루오로스티렌)-b-폴리(D,L-락티드)(PFS-b-PLA)를 형성한다. 이어서 블록 공중합체를 180℃에서 35시간 동안 어닐링한 후 실온으로 냉각한다. 이어서 블록 공중합체를 수용성 염기에 담그어 선택적으로 제거하여 블록 공중합체 주형을 형성한다. 이어서 전기화학적 복제(electrochemical replication)를 수행하여 다공성 블록 공중합체 주형 내에 산화티탄으로 만들어진 나노 구조체를 형성한 후 다공성 블록 공중합체 주형을 제거한다. 이어서 클로로벤젠 1ml에 DPP(TBFu)2 (분자량 또는 질량: 756돌턴) 10mg을 용해한 용액을 준비한 후 이를 나노 구조체 사이에 채운다.
실시예 2
유리 기판 위에 ITO를 적층한 후 증류수, 아세톤 및 이소프로필알코올 순서로 각각 10분간 초음파 세정을 한 후 건조한다. ITO층 위에 산화티탄(TiO2)으로 만들어진 이중연속 네트워크(bicontinuous network) 구조체를 형성한다. 이중연속 네트워크 구조체는 산화티탄(TiO2)의 전구체인 티타늄 테트라이소프로폭시드(titanium tetraisopropoxide, TTIP)와 블록 공중합체로서 폴리(스타일렌)-블록-폴리(에틸렌옥사이드)(poly(stryrene-block-poly(ethylene oxide)), PS-b-PEO)를 사용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, ITO 층 위에 (포어가 없는) 산화티탄(TiO2)을 20nm 두께로 형성한 후, 그 위에 블록 공중합체인 폴리(스타일렌)-b-폴리(에틸렌옥사이드) 와 TTIP를 1:1 중량비로 혼합한 용액을 스핀코팅한다. 이어서 준비된 기판을 400℃에서 5시간 동안 어닐링한 후 실온으로 냉각한다. 이러한 방법으로 산화티탄으로 만들어진 이중연속 네트워크 구조체를 형성한다. 이어서 다이클로로벤젠(용매) 1 ml에 서브나프탈로시아닌(SubNc, 분자량 또는 질량: 579 돌턴) 10mg을 용해한 용액을 준비한 후 이를 나노 구조체 사이에 채운다.
비교예 1
나노 구조체 대신 플러렌 유도체인 [6,6]-페닐-C61-부티릭 액시드 메틸 에스테르([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조한다.
비교예 2
클로로벤젠(용매)에 DPP(TBFu)2 을 용해한 저분자 화합물을 포함한 용액 대신 폴리[2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌](poly[2-methoxy-5-(2′-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene], MEH-PPV)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조한다.
평가
실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2에 따른 유기 태양 전지의 내부 양자 효율(internal quantum efficiency, IQE), 외부 양자 효율(external quantum efficiency, EQE) 및 광 효율(efficiency)은 표 1과 같다.
[표 1]
Figure pat00001
표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1 및 2에 따른 유기 태양 전지는 내부 양자 효율이 거의 100%에 가까운 것을 알 수 있으며, 실시예 1에 따른 유기 태양 전지는 비교예 1에 따른 유기 태양 전지에 비해 외부 양자 효율이 우수하며, 효율 또한 실시예 1에 따른 유기 태양 전지가 비교예 1 및 2에 따른 유기 태양 전지에 비해 우수한 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
10: 하부 전극 15: 하부 보조층
20: 상부 전극 25: 상부 보조층
30: 광 활성층 30a: 무기 나노 구조체
30b: 광 흡수체

Claims (20)

  1. 제1 전극,
    상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 광 활성층
    을 포함하고,
    상기 광 활성층은
    연속적으로 연결되어 있는 무기 나노 구조체, 그리고
    상기 무기 나노 구조체 사이에 채워져 있으며 용해성 저분자 화합물을 포함하는 광 흡수체
    를 포함하는 유기 태양 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 광 흡수체는 상기 광 활성층 내에서 연속적으로 연결되어 있는 유기 태양 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 무기 나노 구조체는 전자 수용체이고 상기 광 흡수체는 전자 공여체인 유기 태양 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 무기 나노 구조체는 n형이고, 상기 광 흡수체는 p형인 유기 태양 전지.
  5. 제1항에서,
    상기 무기 나노 구조체는 금속 산화물, 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함하는 유기 태양 전지.
  6. 제5항에서,
    상기 무기 나노 구조체는 산화아연, 산화티타늄, 산화탄탈륨, 산화주석, 산화지르코늄, 산화란탄, 산화니오븀, 산화구리, 산화스트론튬, 산화인듐, 티탄산나트륨, 황화카드뮴, 갈륨아세나이드, 카드뮴셀레나이드, 황화납, 인화갈륨, 텔루르카드뮴 또는 이들의 조합을 포함하는 유기 태양 전지.
  7. 제1항에서,
    상기 용해성 저분자 화합물은 3000 돌턴 이하의 질량을 가지는 유기 물질을 포함하는 유기 태양 전지.
  8. 제7항에서,
    상기 용해성 저분자 화합물은 밴드갭 에너지가 1 내지 2.5eV 이고, LUMO 에너지가 -3.0 내지 -4.0 eV인 유기 태양 전지.
  9. 제1항에서,
    상기 용해성 저분자 화합물은 상기 무기 나노 구조체 사이의 간격보다 작은 크기를 가지는 유기 태양 전지.
  10. 제1항에서,
    상기 무기 나노 구조체는 복수의 포어(pores)를 가지며,
    상기 용해성 저분자 화합물은 상기 포어보다 작은 크기를 가지는
    유기 태양 전지.
  11. 제1항에서,
    상기 무기 나노 구조체는 1 내지 100nm 크기의 복수의 포어를 가지며,
    상기 복수의 포어는 상기 광 흡수체로 채워져 있는
    유기 태양 전지.
  12. 제1항에서,
    상기 무기 나노 구조체는 1 내지 20nm 크기의 복수의 포어를 가지며,
    상기 복수의 포어는 상기 광 흡수체로 채워져 있는
    유기 태양 전지.
  13. 제1항에서,
    상기 무기 나노 구조체는 나노튜브, 나노막대, 자이로이드 및 네트워크 구조 중 적어도 하나의 모양을 가지는 유기 태양 전지.
  14. 제1 전극을 형성하는 단계,
    상기 제1 전극 위에 연속적으로 연결되어 있는 무기 나노 구조체와 용해성 저분자 화합물을 포함하는 광 흡수체를 포함하는 광 활성층을 형성하는 단계, 그리고
    상기 광 활성층 위에 제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 광 활성층을 형성하는 단계는
    상기 무기 나노 구조체를 준비하는 단계, 그리고
    상기 무기 나노 구조체 사이에 상기 용해성 저분자 화합물을 용액 형태로 채우는 단계
    를 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  16. 제14항에서,
    상기 무기 나노 구조체는 n형 전자 수용체이고 상기 광 흡수층은 p형 전자 공여체인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 무기 나노 구조체는 금속 산화물, 반도체 화합물 또는 이들의 조합을 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  18. 제17항에서,
    상기 무기 나노 구조체는 산화아연, 산화티타늄, 산화탄탈륨, 산화주석, 산화지르코늄, 산화란탄, 산화니오븀, 산화구리, 산화스트론튬, 산화인듐, 티탄산나트륨, 황화카드뮴, 갈륨아세나이드, 카드뮴셀레나이드, 황화납, 인화갈륨, 텔루르카드뮴 또는 이들의 조합을 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  19. 제17항에서,
    상기 용해성 저분자 화합물은 3000 돌턴 이하의 질량을 가지는 유기 물질을 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  20. 제19항에서,
    상기 용해성 저분자 화합물은 밴드갭 에너지가 1 내지 2.5eV 이고, LUMO 에너지가 -3.0 내지 -4.0 eV인 유기 태양 전지의 제조 방법.
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