KR20120000409A - 유기 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

제1 용매에 제1 광 활성 물질 및 제2 광 활성 물질을 용해한 제1 전구체 용액을 준비하는 단계, 상기 제1 전구체 용액에 제2 용매를 첨가하여 상기 제1 광 활성 물질로부터 석출된 나노 구조체 시드를 포함하는 제2 전구체 용액을 준비하는 단계, 제1 전극이 형성된 기판 위에 상기 제2 전구체 용액을 도포하여 광 활성층을 형성하는 단계, 그리고 상기 광 활성층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법 및 이로부터 제조된 유기 태양 전지에 관한 것이다.

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 용매에 제1 광 활성 물질 및 제2 광 활성 물질을 용해한 제1 전구체 용액을 준비하는 단계, 상기 제1 전구체 용액에 제2 용매를 첨가하여 상기 제1 광 활성 물질로부터 석출된 나노 구조체 시드를 포함하는 제2 전구체 용액을 준비하는 단계, 제1 전극이 형성된 기판 위에 상기 제2 전구체 용액을 도포하여 광 활성층을 형성하는 단계, 그리고 상기 광 활성층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
상기 제2 용매는 상기 제1 용매보다 용해도가 낮을 수 있다.
상기 제1 용매와 상기 제2 용매의 용해도 차이는 약 7% 이하일 수 있다.
상기 제1 용매와 상기 제2 용매는 각각 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 트리메틸벤젠, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 클로로포름, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로메탄, 트리클로로에탄, 테트라클로로메탄, 테트라클로로에탄, 디클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, 에틸렌글리콜, 헥산, 사이클로헥산, 사이클로헥사논, 디메틸설포옥사이드, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올 및 헥산올 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 용매는 클로로벤젠을 포함하고 상기 제2 용매는 사이클로헥사논을 포함할 수 있다.
상기 제1 용매는 클로로벤젠을 포함하고 상기 제2 용매는 에틸렌글리콜을 포함할 수 있다.
상기 제1 광 활성 물질은 전자 공여체를 포함할 수 있고, 상기 제2 광 활성 물질은 전자 수용체를 포함할 수 있다.
상기 제1 광 활성 물질과 상기 제2 광 활성 물질은 약 0.5:1 내지 1:5의 비율로 포함할 수 있다.
상기 제1 광 활성 물질은 티오펜계 화합물, 페닐렌비닐렌계 화합물, 플루오렌계 화합물, 벤조티디아졸계 화합물, 프탈로시아닌계 화합물, 안트라센, 테트라센, 펜타센, 히드라존 화합물, 피라졸린 화합물, 트리페닐메탄 화합물, 트리페닐아민 화합물 및 이들의 공중합체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 광 활성 물질은 플러렌계 화합물 및 화합물 반도체 결정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 광 활성 물질은 폴리-3-헥실티오펜을 포함할 수 있고, 상기 제2 광 활성 물질은 [6,6]-페닐 C61-부틸산 메틸 에스테르([6,6]-phenyl C71-butyric acid methyl ester)을 포함할 수 있다.
상기 폴리-3-헥실티오펜과 상기 [6,6]-페닐 C61-부틸산 메틸 에스테르는 약 1:0.5 내지 1:1의 비율로 포함할 수 있다.
상기 제1 용매는 클로로벤젠을 포함할 수 있고, 상기 제2 용매는 사이클로헥사논을 포함할 수 있다.
상기 제2 전구체 용액을 준비하는 단계 후에 상기 나노 구조체 시드로부터 나노 구조체로 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 광 활성층을 형성하는 단계는 상기 제2 전구체 용액을 도포하는 단계, 그리고 상기 제2 전구체 용액을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 전구체 용액을 열처리하는 단계는 약 60 내지 250℃에서 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 방법으로 제조된 유기 태양 전지를 제공한다.
광 활성층의 광 흡수율 및 결정화도를 높여 광효율을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 태양 전지를 보여주는 단면도이고,
도 2 및 도 3은 도 1의 유기 태양 전지의 광 활성층을 개략적으로 보여주는 확대도이고,
도 4는 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법을 도시한 개략도이고,
도 5는 실시예 1 및 2와 비교예 1에 따른 유기 태양 전지의 흡광도를 보여주는 그래프이고,
도 6은 실시예 1 및 2와 비교예 1에 따른 유기 태양 전지와 비교예 1에 따른 유기 태양 전지의 X선 회절 결과를 보여주는 그래프이고,
도 7은 실시예 2에 따른 유기 태양 전지의 광 활성층의 투과전자현미경 사진이고,
도 8a 및 도 8b는 각각 실시예 1 및 2와 비교예 1에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류밀도 및 광전환효율을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 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 내지 도 3을 참고하여 일 구현예에 따른 유기 태양 전지에 대하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 유기 태양 전지를 보여주는 단면도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 유기 태양 전지의 광 활성층을 개략적으로 보여주는 확대도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 유기 태양 전지는 기판(10) 위에 차례로 형성되어 있는 하부 전극(20), 보조층(30), 광 활성층(40) 및 상부 전극(50)을 포함한다.
기판(10)은 투광성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 유리, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에테르술폰 따위로 만들어질 수 있다.
하부 전극(20)은 애노드(anode) 또는 캐소드(cathode)일 수 있으며, ITO, IZO, 산화주석(SnO2), 알루미늄 도핑된 산화아연(aluminum doped ZnO), 갈륨 도핑된 산화아연(gallium doped ZnO) 따위의 투명 도전체로 만들어질 수 있다.
보조층(30)은 하부 전극(20)을 보호하고 전하를 효율적으로 이동시킬 수 있으며, 예컨대 도전성 고분자로 만들어질 수 있다. 도전성 고분자는 예컨대 폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설포네이트(polyethylene dioxythiophene:polystyrenesulfonate, PEDOT:PSS), 폴리피롤(polypyrrole) 등일 수 있다. 보조층(30)은 경우에 따라 생략할 수 있다.
광 활성층(40)은 전자 공여체(electron donor)와 전자 수용체(electron acceptor)가 혼합되어 있는 벌크 이종접합 구조이다. 벌크 이종접합 구조에서, 전자 공여체와 전자 수용체 중 적어도 하나는 나노 구조체일 수 있으며, 나노 구조체는 예컨대 나노선(nanowire), 나노튜브(nanotubes), 나노구(nanosphere) 등의 형태일 수 있다.
도 2 및 도 3은 벌크 이종접합 구조의 광 활성층(40)을 예시적으로 보여준다.
도 2를 참고하면, 광 활성층(40)은 전자 공여체(11c) 및 전자 수용체(12a)를 포함하며, 전자 공여체(11c)는 나노선 형태로 무질서하게 배열되어 있다.
도 3을 참고하면, 열처리에 의해 전자 공여체(11d)와 전자 수용체(12b)의 상분리가 더욱 일어나고 전자 수용체(12b)에 의한 도메인 형성이 나타남을 알 수 있다.
태양 광에 의하여 전자 공여체(11c, 11d)에서 전자-정공 쌍인 여기자(exciton)가 생성되고 이 여기자가 전자 공여체(11c, 11d)와 전자 수용체(12a, 12b)의 계면에서 두 물질의 전자 친화도 차이에 의하여 전자와 정공으로 분리된다. 분리된 전자는 내부 전기장(built-in electric field)에 의해 전자 수용체(12a, 12b)를 통하여 캐소드로 이동하고 정공은 전자 공여체(11c, 11d)를 통하여 애노드로 이동한다.
광 활성층(40)은 용매에 전자 공여체 및 전자 수용체를 용해한 용액 형태로 도포될 수 있으며, 상기 나노 구조체는 용액에서 석출된 나노 구조체 시드(seed)로부터 성장하여 얻을 수 있다. 이에 대하여 후술한다.
전자 공여체는 p형 반도체이며 전도성 고분자, 저분자 반도체 등이 사용될 수 있다. 전자 공여체는 예컨대 폴리-3-헥실 티오펜(poly(3-hexylthiophene)), 폴리-3-부틸 티오펜(poly(3-butylthiophene))과 같은 티오펜계 화합물; 폴리[2-메틸, 5-(3’,7’-디메틸옥틸옥시)]-1,4-페닐렌 비닐렌(poly[2-methyl,5-(3’,7’-dimethyloctyloxy)]-1,4-phenylene vinylene, MDMOPPV), 폴리[2-메톡시, 5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐비닐렌](poly[2-methoxy,5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene], MEH-PPV)과 같은 페닐렌비닐렌계 화합물; 폴리[2,7-(9,9-디옥틸-플루오렌)-알트-5,5(2,3,6,7-테트라페닐-9,10-디티엔-2-일 피라지노[2,3-g]퀴노잘라인)](poly [2,7-(9,9-dioctyl-fluorene)-alt-5,5(2,3,6,7-tetraphenyl-9,10-dithien-2-yl pyrazino[2,3-g]quinoxaline)]), 폴리 [2,7-(9,9-디옥틸-플루오렌)-알트-5,5-(2,3-비스(4-(2-에틸헥실옥시)페닐)-5,7-디(티오펜-2-일)티에노[3,4-b]피라진)](poly[2,7-(9,9-dioctyl fluorene)-alt-5,5-(2,3-bis(4-(2-ethylhexyloxy)phenyl)-5,7-di(thiophene-2-yl)thieno[3,4-b]pyrazine)]) 등의 플루오렌계 화합물; 폴리[N-9”-헵타-데카닐-2,7-카바졸-알트-5,5-(4’,7’-디-2-티에닐-2’,1’,3’-벤조티아디아졸)](poly[N-9”-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4’,7’-di-2-thienyl-2’,1’,3’-benzothiadiazole)], PCDTBT), [2,6-(4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-싸이클로펜타[2,1-b;3,4-b’]-디티오펜)-알트-4,7-(2,1,3-벤조티아디아졸)]([2,6-(4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b’]-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)], PCPDTBT) 등의 벤조티디아졸계 화합물; 중심금속이 Cu, Fe, Co, Ni등이 배위된 프탈로시아닌, 무금속 프탈로시아닌, 알루미늄클로로프탈로시아닌, 인듐프탈로시아닌, 갈륨프탈로시아닌과 같은 프탈로시아닌계 화합물; 안트라센; 테트라센; 펜타센; 히드라존 화합물; 피라졸린 화합물; 트리페닐메탄 화합물; 트리페닐아민 화합물; 및 이들의 공중합체 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전자 수용체는 n형 반도체이며 전자 친화도가 큰 유기, 무기 또는 유무기 화합물일 수 있다. 전자 수용체는 예컨대 [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸 에스테르([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM), [6,6]-페닐-C71-부틸산 메틸 에스테르([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester)등의 플러렌계 화합물; InP, InAs, GaP, GaAs 등의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 결정, CdSe, CdS, CdTe, ZnS등의 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 결정, ZnO, SiO2, TiO2, Al2O3등의 산화물 반도체 결정, CuInSe2, CuInS 등의 화합물 반도체 결정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상부 전극(50)은 캐소드(cathode) 또는 애노드(anode)일 수 있으며, 하부 전극(20)이 애노드인 경우 상부 전극(50)은 캐소드일 수 있다. 상부 전극(50)은 예컨대 금속, 금속 합금, 반금속 또는 광 투과성 투명 산화물로 만들어질 수 있다. 상기 금속은 예컨대 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 전이 금속; 희토류 원소; 셀렌(Se) 등의 반금속 등을 들 수 있다. 상기 금속 합금은 예컨대 나트륨-칼륨 합금, 마그네슘-인듐 합금, 알루미늄-리튬 합금 등일 수 있다.
이하 상술한 유기 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 4를 도 1 내지 도 3과 함께 참고하여 설명한다.
도 4는 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
먼저 전자 공여체 및 전자 수용체를 포함한 광 활성층용 전구체 용액을 제조한다.
광 활성층용 전구체 용액은 다음과 같은 방법으로 준비될 수 있다.
먼저 제1 용매에 전자 공여체 및 전자 수용체를 용해한 제1 전구체 용액(100)을 준비한다(단계 a).
상기 전자 공여체는 전술한 바와 같이 예컨대 티오펜계 화합물, 페닐렌비닐렌계 화합물, 플루오렌계 화합물, 벤조티디아졸계 화합물, 프탈로시아닌계 화합물, 안트라센, 테트라센, 펜타센, 히드라존 화합물, 피라졸린 화합물, 트리페닐메탄 화합물, 트리페닐아민 화합물 및 이들의 공중합체 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 상기 전자 수용체 또한 전술한 바와 같이 예컨대 플러렌계 화합물 및 화합물 반도체 결정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전자 공여체와 전자 수용체는 약 0.5:1 내지 1:5의 비율로 포함될 수 있다. 상기 범위의 비율로 포함되는 경우 전자와 정공의 이동도의 균형을 맞출 수 있어서 광 효율을 개선할 수 있다.
제1 용매는 상기 전자 공여체 및 전자 수용체를 용해할 수 있는 용매로, 예컨대 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 트리메틸벤젠, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 클로로포름, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로메탄, 트리클로로에탄, 테트라클로로메탄, 테트라클로로에탄, 디클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, 헥산, 사이클로헥산, 사이클로헥사논, 디메틸설포옥사이드, 에틸렌글리콜, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올 및 헥산올 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이어서 제1 전구체 용액(100)에 제2 용매를 첨가한 제2 전구체 용액(110)을 준비한다(단계 b). 이 때 제2 용매는 제1 용매보다 용해도가 낮은 용매이며, 제1 용매와 제2 용매의 용해도 차이는 약 7 이하일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.001 내지 3 일 수 있다. 제1 용매와 제2 용매의 용해도 차이가 상기 범위인 경우, 전자 공여체의 고결정성 나노와이어 구조를 도입하여 광 활성층의 결정화도 및 결정 모폴로지를 미세하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 상분리에도 유리하다.
상기 제2 용매의 첨가에 의해 제2 전구체 용액(110)은 상기 전자 공여체 및 상기 전자 수용체 중 어느 하나로부터 석출된 나노 구조체 시드(11a)를 형성할 수 있다.
이어서 상기 나노 구조체 시드(11a)를 성장시켜 나노 구조체(11b)로 성장시킨다(단계 c). 나노 구조체(11b)로의 성장은 예컨대 에이징(aging)에 의해 수행될 수 있다. 에이징은 약 20 내지 30 ℃에서 수분 내지 수시간 동안 수행할 수 있다.
이러한 나노 구조체(11b)는 결정화도가 높아 광 활성층(40)의 모폴로지를 개선하여 광 흡수율을 높일 수 있다. 이에 따라 유기 태양 전지의 광 효율을 개선할 수 있다.
이와 같이 제조된 광 활성층용 전구체 용액을 하부 전극(20) 및 보조층(30)이 형성된 기판 위에 도포한다. 이 때 도포는 예컨대 스핀코팅, 딥 코팅, 롤투롤, 잉크젯 인쇄법 등의 용액 공정으로 수행할 수 있다.
이어서, 도포된 광 활성층용 전구체 용액을 열처리할 수 있다. 열처리는 약 60 내지 250℃에서 수행할 수 있으며, 열처리 시간은 약 1분 내지 200시간 일 수 있다.
열처리에 의해 박막화된 광 활성층(40)은 약 30 내지 500nm의 두께일 수 있다. 상기 두께 범위인 경우 전자 및 정공이 하부 전극(20) 또는 상부 전극(50)으로 이동할 수 있는 적절한 거리인 동시에 빛을 충분히 흡수하여 광 전류를 확보할 수 있다.
이어서 광 활성층(40) 위에 상부 전극(50)을 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 UV 오존 처리를 하고 폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설포네이트(Al4083, Bayer Baytron사 제조)를 스핀코팅한 후 150℃에서 30분간 건조한다.
이어서 클로로벤젠(용해도 파라미터 9.5) 1g에 폴리-3-헥실티오펜(Rieke Metals Inc. 제조)과 [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸 에스테르(Nano C Inc. 제조)를 각각 20mg을 용해하여 제1 용액을 제조한다. 이어서 제1 용액에 사이클로헥사논 (용해도 파라미터 9.9) 0.5g을 첨가하여 제2 용액을 제조한다.
이어서 ITO와 폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설포네이트 박막이 적층되어 있는 상기 기판 위에 상기 제2 용액을 스핀코팅하여 광 활성층을 형성한다.
이어서 광 활성층 위에 10-6 Torr 이하의 고진공 조건에서 칼슘 및 알루미늄을 차례로 진공 증착하여 칼슘층 5nm 및 알루미늄층 150nm을 포함하는 상부 전극을 형성한다.
실시예 2
광 활성층을 형성한 후에 100℃에서 5분간 열처리를 더 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조한다.
실시예 3
사이클로헥사논 대신 에틸렌글리콜(용해도 파라미터 14.6) 0.5g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조한다.
실시예 4
광 활성층을 형성한 후에 100℃에서 5분간 열처리를 더 하는 것을 제외하고는 비교예 3과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조한다.
비교예 1
제1 용액에 사이클로헥사논을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조한다.
비교예 2
광 활성층을 형성한 후에 150℃에서 5분간 열처리를 더 하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 유기 태양 전지를 제조한다.
평가 -1
실시예 1 내지 4와 비교예 1 및 2에 따른 유기 태양 전지의 흡광도를 측정한다.
도 5는 실시예 1 내지 4와 비교예 1 및 2에 따른 유기 태양 전지의 흡광도를 보여주는 그래프이다.
도 5를 참고하면, 가시광선 영역(약 400 내지 700nm)에서 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 유기 태양 전지가 비교예 1에 따른 태양 전지보다 빛의 흡수량이 높음을 알 수 있다.
또한, 열처리를 하지 않은 실시예 1에 따른 유기 태양 전지와 실시예 3에 따른 유기 태양 전지는 열처리를 수행한 비교예 2에 따른 유기 태양 전지와 유사한 정도의 흡광도를 보임으로써 열처리를 생략하여도 단일 용매를 사용한 경우에 열처리를 수행한 경우와 유사한 정도의 흡광도를 나타내는 것을 알 수 있다.
또한 동일하게 열처리를 수행한 실시예 2에 따른 태양 전지, 실시예 4에 따른 유기 태양 전지 및 비교예 2에 따른 태양 전지를 비교하면, 실시예 2 및 실시예 4에 따른 유기 태양 전지가 비교예 2에 따른 태양 전지보다 피크가 장파장 영역으로 이동하여(red-shift) 결정화도가 높아졌음을 알 수 있다.
평가 - 2
실시예 1 내지 4와 비교예 1 및 2에 따른 유기 태양 전지의 광 활성층의 결정화도를 확인하였다.
도 6은 실시예 1 내지 4와 비교예 1 및 2에 따른 유기 태양 전지의 X선 회절 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6을 참고하면, 실시예 1에 따른 유기 태양 전지(A), 실시예 2에 따른 유기 태양 전지(B), 실시예 3에 따른 유기 태양 전지(C) 및 실시예 4에 따른 유기 태양 전지(D)는 비교예 1에 따른 유기 태양 전지(E) 및 비교예 2에 따른 유기 태양 전지(F)에 비해 (100) 위치에서 세기가 강해지는 것을 알 수 있다.
이로부터 실시예 1 내지 4에 따른 유기 태양 전지(A, B, C 및 D)의 폴리-3-헥실 티오펜의 결정화도가 높아지는 것을 알 수 있다. 또한 실시예 2에 따른 유기 태양 전지(B) 및 실시예 4에 따른 유기 태양 전지(D)는 열처리에 의해 결정화도가 더욱 높아지는 것을 알 수 있다.
평가 - 3
실시예 1 내지 4와 비교예 1 및 2에 따른 유기 태양 전지의 광 활성층의 모폴로지를 확인하였다.
도 7은 실시예 1 내지 4와 비교예 1 및 2에 따른 유기 태양 전지의 광 활성층의 투과전자현미경 사진이다.
도 7을 참고하면, 실시예 1에 따른 유기 태양 전지(a), 실시예 2에 따른 유기 태양 전지(b), 실시예 3에 따른 유기 태양 전지(c) 및 실시예 4에 따른 유기 태양 전지(d)의 광 활성층은 나노 구조체가 형성되었음을 확인할 수 있다. 특히 실시예 1 및 실시예 2에 따른 유기 태양 전지의 광 활성층은 나누 구조체가 더욱 높은 밀도로 형성되었음을 알 수 있다. 이에 반해 비교예 1에 따른 유기 태양 전지(e) 및 비교예 2에 따른 유기 태양 전지(f)의 광 활성층은 나노 구조체를 형성되었음을 확인할 수 없었다.
이로부터 실시예 1 내지 4에 따른 유기 태양 전지는 폴리-3-헥실 티오펜의 결정화도가 더욱 발달하고 폴리-3-헥실 티오펜과 [6,6]-페닐 C61-부틸산 메틸 에스테르 사이의 상분리에 의해 전자 및 정공 이동에 유리한 모폴로지로 형성되었음을 알 수 있다.
평가 - 4
실시예 1 내지 4와 비교예 1 및 2에 따른 유기 태양 전지에 전압을 인가한 후 전류 밀도 및 광전환효율(power conversion efficiency, PCE)을 확인하였다.
도 8a 및 도 8b는 각각 실시예 1 내지 4와 비교예 1 및 2에 따른 유기 태양 전지의 전압에 따른 전류밀도 및 광 전환 효율을 보여주는 그래프이다.
도 8a를 참고하면, 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 유기 태양 전지는 비교예 1에 따른 유기 태양 전지와 비교하여 전류 밀도가 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 열처리를 하지 않은 실시예 1 및 실시예 3에 따른 유기 태양 전지는 열처리를 수행한 비교예 2에 따른 유기 태양 전지와 유사한 정도의 전류 밀도를 보임으로써 열처리를 생략하여도 단일 용매를 사용한 경우에 열처리를 수행한 경우와 유사한 정도의 전류 밀도를 나타내는 것을 알 수 있다.
또한 열처리를 수행한 실시예 2 및 실시예 4에 따른 유기 태양 전지는 열처리를 수행하지 않은 실시예 1 및 실시예 3에 따른 유기 태양 전지와 비교하여 각각 전류 밀도가 더 높은 것을 알 수 있다.
도 8b를 참고하면, 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 유기 태양 전지는 양호한 광 전환 효율을 나타내는 것을 알 수 있다. 특히 실시예 1에 따른 유기 태양 전지는 충전률(fill factor)이 39.6%에서 57.8%로 증가하여 광 전환효율이 0.79%에서 3.02%로 증가하고, 실시예 2에 따른 유기 태양 전지는 단락 전류 밀도, 충전률 및 광전환효율이 각각 10.9mAcm-2, 62.1% 및 4.04%로 더욱 증가함을 알 수 있다. 이로부터 실시예 1 및 2에 따른 유기 태양 전지의 광 활성층은 전하 이동의 안정성이 개선되어 소자 특성이 개선됨을 알 수 있다. 또한 동일하게 열처리를 한 실시예 2와 비교예 2에 따른 유기 태양 전지를 비교하면 실시예 2에 따른 유기 태양 전지가 광 전환효율이 더욱 개선되었음을 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: 기판
20: 하부 전극
30: 보조층
40: 광 활성층
50: 상부 전극

Claims (18)

  1. 제1 용매에 제1 광 활성 물질 및 제2 광 활성 물질을 용해한 제1 전구체 용액을 준비하는 단계,
    상기 제1 전구체 용액에 제2 용매를 첨가하여 상기 제1 광 활성 물질로부터 석출된 나노 구조체 시드를 포함하는 제2 전구체 용액을 준비하는 단계,
    제1 전극이 형성된 기판 위에 상기 제2 전구체 용액을 도포하여 광 활성층을 형성하는 단계, 그리고
    상기 광 활성층 위에 제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.

  2. 제1항에서,
    상기 제2 용매는 상기 제1 용매보다 용해도가 낮은 유기 태양 전지의 제조 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 용매와 상기 제2 용매의 용해도 차이는 7% 이하인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 용매와 상기 제2 용매는 각각 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 트리메틸벤젠, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 클로로포름, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로메탄, 트리클로로에탄, 테트라클로로메탄, 테트라클로로에탄, 디클로로에틸렌, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, 헥산, 사이클로헥산, 사이클로헥사논, 디메틸설포옥사이드, 에틸렌글리콜, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올 및 헥산올 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 용매는 클로로벤젠을 포함하고 상기 제2 용매는 사이클로헥사논을 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  6. 제4항에서,
    상기 제1 용매는 클로로벤젠을 포함하고 상기 제2 용매는 에틸렌글리콜을 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 광 활성 물질은 전자 공여체를 포함하고,
    상기 제2 광 활성 물질은 전자 수용체를 포함하는
    유기 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 광 활성 물질과 상기 제2 광 활성 물질은 0.5:1 내지 1:5의 비율로 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제7항에서,
    상기 제1 광 활성 물질은 티오펜계 화합물, 페닐렌비닐렌계 화합물, 플루오렌계 화합물, 벤조티디아졸계 화합물, 프탈로시아닌계 화합물, 안트라센, 테트라센, 펜타센, 히드라존 화합물, 피라졸린 화합물, 트리페닐메탄 화합물, 트리페닐아민 화합물 및 이들의 공중합체 중 적어도 하나를 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  10. 제7항에서,
    상기 제2 광 활성 물질은 플러렌계 화합물 및 화합물 반도체 결정 중 적어도 하나를 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  11. 제7항에서,
    상기 제1 광 활성 물질은 폴리-3-헥실티오펜을 포함하고,
    상기 제2 광 활성 물질은 [6,6]-페닐 C61-부틸산 메틸 에스테르([6,6]-phenyl C71-butyric acid methyl ester)을 포함하는
    유기 태양 전지의 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 폴리-3-헥실티오펜과 상기 [6,6]-페닐 C61-부틸산 메틸 에스테르는 1:0.5 내지 1:1의 비율로 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법
  13. 제11항에서,
    상기 제1 용매는 클로로벤젠을 포함하고,
    상기 제2 용매는 사이클로헥사논을 포함하는
    유기 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제11항에서,
    상기 제1 용매는 클로로벤젠을 포함하고,
    상기 제2 용매는 에틸렌글리콜을 포함하는
    유기 태양 전지의 제조 방법.

  15. 제1항에서,
    상기 제2 전구체 용액을 준비하는 단계 후에 상기 나노 구조체 시드로부터 나노 구조체로 성장시키는 단계를 더 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.

  16. 제1항에서,
    상기 광 활성층을 형성하는 단계는
    상기 제2 전구체 용액을 도포하는 단계, 그리고
    상기 제2 전구체 용액을 열처리하는 단계
    를 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 제2 전구체 용액을 열처리하는 단계는 60 내지 250℃에서 수행하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 유기 태양 전지.


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