KR20120001045A - 유기 태양 전지 - Google Patents

유기 태양 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20120001045A
KR20120001045A KR1020100061619A KR20100061619A KR20120001045A KR 20120001045 A KR20120001045 A KR 20120001045A KR 1020100061619 A KR1020100061619 A KR 1020100061619A KR 20100061619 A KR20100061619 A KR 20100061619A KR 20120001045 A KR20120001045 A KR 20120001045A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
photoactive layer
metal nanoparticles
solar cell
organic solar
organic
Prior art date
Application number
KR1020100061619A
Other languages
English (en)
Inventor
안태환
한정석
철 오
Original Assignee
코오롱인더스트리 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 코오롱인더스트리 주식회사 filed Critical 코오롱인더스트리 주식회사
Priority to KR1020100061619A priority Critical patent/KR20120001045A/ko
Publication of KR20120001045A publication Critical patent/KR20120001045A/ko

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 유기 태양 전지에 관한 것으로서, 서로 대향 배치되는 음극 및 양극, 그리고 상기 음극 및 양극 사이에 위치하고, 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광활성층을 포함하며, 상기 광활성층은 분산된 금속 나노 입자를 포함한다.
상기 유기 태양 전지는 광활성층에서 입사 광선을 산란시켜 광 흡수율을 향상시키고, 광전 효과에 의하여 발생된 로컬 차지(local charge)를 모아 줌으로써 생성된 엑시톤(exciton)이 재결합되는 것을 방지하며, 광활성층의 미세 트랩 사이트(trap site)의 저항을 감소시켜 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

유기 태양 전지{POLYMER SOLAR CELL}
본 발명은 유기 태양 전지에 관한 것으로서, 기존에 활용되고 있는 광활성층 고분자에 나노 기술을 접목하여, 광활성층에 나노 입자 첨가제를 도입하는 것만으로도 효율을 향상시킬 수 있는 유기 태양 전지에 관한 것이다.
유기 태양 전지는 이중 결합이 교대로 되어 있는 폴리파라페닐렌비닐렌(PPV) 등의 공액 고분자(conjugated polymer)와 CuPc, 페릴렌, 펜타센 등의 감광성 저분자, (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르(PCBM) 등의 유기 반도체 재료를 활용하는 구조의 태양 전지이다. 상기 유기 반도체 재료는 디자인이 가능하고, 다양하게 합성하는 것이 가능하여 상기 유기 태양 전지는 무한한 발전의 가능성을 가지고 있다.
상기 유기 태양 전지는 기본적으로 박막형 구조를 가지고 있으며, 주로 투명 전극인 산화인듐주석(ITO)을 양극으로, 낮은 일함수를 갖는 알루미늄(Al) 등의 금속 전극을 음극으로 사용하며, 광활성층은 100nm 정도의 두께로 정공수용체(hole acceptor)와 전자수용체(electron acceptor)가 혼재되어 있는 벌크 이종 접합 구조를 가지고 있다.
상기 정공수용체로는 상기 PPV와 같은 도전성을 갖는 공액 고분자가 사용되고, 상기 전자수용체로는 풀러렌(fullerene)을 사용한다. 이때, 빛에 의해 생성된 전자를 풀러렌을 통해 알루미늄 전극으로 손실 없이 수집하기 위해서는 공액 고분자 내에 풀러렌이 충분히 혼합되어 있어야 하므로, 풀러렌이 공액 고분자와 잘 혼합되도록 하기 위해 상기 PCBM과 같은 풀러렌 유도체를 사용할 수 있다.
상기 공액 고분자가 빛을 흡수하면 전자-정공쌍(exciton)을 생성하고, 상기 생성된 전자와 정공은 각각 풀러렌과 공액 고분자를 경유하여 양극 및 음극에 수집된다.
상기 유기 태양 전지는 손쉬운 가공성 및 저렴한 가격으로 대량생산이 가능하며, 롤투롤(roll-to-roll) 방식에 의한 박막 제작이 가능하므로 유연성을 가지는 대면적 전자소자의 제작이 가능하다는 장점이 있다.
그러나, 상기와 같은 기술적, 경제적 유리함에도 불구하고 낮은 효율로 인해 실용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서, 유기 태양 전지 분야에서는 효율 향상을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재까지 효율 관련 연구로는 흡수한 빛을 효과적으로 활용하기 위한 광활성층 또는 전자전달층 및 정공전달층의 원료 선정이나 제조 공정 그리고 낮은 전하 이동도를 극복하기 위한 유기 박막의 형태, 구조 그리고 결정성 증가 등에 집중되고 있다.
본 발명의 목적은 광활성층에서 입사 광선을 산란시켜 광 흡수율을 향상시키고, 광전 효과에 의하여 발생된 로컬 차지(local charge)를 모아 줌으로써 생성된 엑시톤(exciton)이 재결합되는 것을 방지하며, 광활성층의 미세 트랩 사이트(trap site)의 저항을 감소시켜 전체적인 효율을 향상시킬 수 있는 유기 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지는 서로 대향 배치되는 음극 및 양극, 그리고 상기 음극 및 양극 사이에 위치하고, 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광활성층을 포함하며, 상기 광활성층은 분산된 금속 나노 입자를 포함한다.
상기 금속 나노 입자의 평균 입경은 3 내지 50nm일 수 있다.
상기 금속 나노 입자는 Au, Ag, Pt, Zr, Fe, Mn, Ti, V, Co, Ni, Cu, Nb, Ru, Rh, Pd, Hf, Mo, Cd 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 바람직하게는 Au, Ag, Pt, Pd 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 귀금속 나노 입자일 수 있다.
상기 금속 나노 입자는 380 내지 780nm의 가시광 파장에서 투과율이 70% 미만일 수 있다.
상기 금속 나노 입자는 표면이 티올(thiol)기, 아미노(amino)기, 아이오딘(iodine)기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 개질될 수 있다.
상기 광활성층은 상기 금속 나노 입자의 분산성을 향상시키기 위한 계면활성제 또는 유기 분산제를 더 포함할 수 있다.
상기 광활성층은 상기 금속 나노 입자를 상기 광활성층 전체 중량에 대하여 0.005 내지 0.1 중량%로 포함할 수 있다.
상기 광활성층은 두께가 2.05x10-5cm인 경우 활성층 저항이 1.22X106Ω 이하일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 유기 태양 전지(100)는 서로 대향 배치되는 음극(160) 및 양극(120), 그리고 상기 음극(160) 및 양극(120) 사이에 위치하고, 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광활성층(140)을 포함한다.
상기 음극(160) 및 양극(120)은 기판(110) 위에 위치한다. 상기 기판(110)은 투명성을 갖는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 석영 또는 유리와 같은 투명 무기 기판이거나, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에테르이미드(PEI)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 특히, 상기 투명 플라스틱 기판은 플렉서블(flexible)하면서도 높은 화학적 안정성, 기계적 강도 및 투명도를 가지는 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 기판(110)은 약 380 내지 780nm의 가시광 파장에서 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 투과율을 갖는 것이 좋다.
상기 양극(120)은 상기 기판(110)을 통과한 빛이 광활성층(140)에 도달할 수 있도록 하는 경로가 되므로 높은 투명도를 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 약 4.5eV 이상의 높은 일함수, 낮은 저항을 갖는 전도성 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 양극(120)을 형성하는 양극 형성 물질의 구체적인 예로는 주석도핑 산화인듐(ITO: tin-doped indium oxide), 불소도핑 산화주석(FTO: fluorine-doped tin oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 투명산화물, 또는 전도성 고분자, 그라펜(graphene) 박막, 그라펜 산화물(graphene oxide) 박막, 탄소나노튜브 박막과 같은 유기 투명전극, 금속이 결합된 탄소나노튜브 박막과 같은 유-무기 결합 투명전극 등을 사용할 수 있다.
상기 음극(160)은 일함수가 낮은 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 음극 형성 물질은 구체적으로 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 알루미늄, 은, 주석, 납, 스테인레스 스틸, 구리, 텅스텐 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광활성층(140)은 정공수용체와 전자수용체가 혼합된 벌크 이종 접합 구조를 가진다. 상기 정공수용체는 전기 전도성 고분자 또는 유기 저분자 반도체 물질 등과 같은 유기 반도체로서, 상기 전기 전도성 고분자는 폴리티오펜(polythiphene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리플루오렌(polyfulorene), 폴리피롤(polypyrrole), 이들의 공중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 상기 유기 저분자 반도체 물질은 펜타센(pentacene), 안트라센(anthracene), 테트라센(tetracene), 퍼릴렌(perylene), 올리고티오펜(oligothiphene), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 정공수용체는 바람직하게 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT], 폴리-3-옥틸티오펜[poly-3-octylthiophene, P3OT], 폴리파라페닐렌비닐렌[poly-p-phenylenevinylene, PPV], 폴리(디옥틸플루오렌)[poly(9,9'-dioctylfluorene)], 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)[poly(2-methoxy,5-(2-ethyle-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, MEH-PPV], 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌비닐렌[poly(2-methyl,5-(3',7'-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene, MDMOPPV] 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 전자수용체는 풀러렌(fullerene, C60) 또는 풀러렌 유도체, CdS, CdSe, CdTe 및 ZnSe 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자일 수 있다. 상기 전자수용체는 바람직하게 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM], (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester; C70-PCBM], (6,6)-티에닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM], 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 광활성층(140)은 상기 정공수용체로서 P3HT와 상기 전자수용체로서 PCBM의 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하고, 이때 상기 P3HT와 PCBM의 혼합 중량 비율을 1:0.1 내지 1:2일 수 있다.
상기 유기 태양 전지(100)는 상기 양극(120)과 상기 광활성층(140) 사이에 정공전달층(130)을 더 포함할 수 있다. 상기 정공전달층(130)은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(PSS), 폴리아닐린, 프탈로시아닌, 펜타센, 폴리디페닐 아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, 구리 프탈로시아닌(Cu-PC) 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(T-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴) 디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 정공전달물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 상기 PEDOT와 PSS의 혼합물을 사용할 수 있다.
또한, 상기 유기 태양 전지(100)는 상기 음극(160)과 상기 광활성층(140) 사이에 전자전달층(150)을 더 포함할 수 있다. 상기 전자전달층(150)은 리튬플로라이드, 칼슘, 리튬 및 티타늄산화물(titanium oxide) 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전자전달물질을 포함할 수 있다.
한편, 상기 광활성층(140)은 상기 정공수용체 및 전자수용체가 혼재되어 있는 벌크 이종 접합 구조 내에 분산된 금속 나노 입자를 포함한다.
상기 광활성층(140)에 분산된 상기 금속 나노 입자는 상기 광활성층(140)에 입사된 입사 광선을 산란시켜 광 흡수율을 향상시키는 플라즈몬 스케터링 효과(Plasmon Scattering Effect)를 일으키고, 광전 효과에 의하여 발생된 로컬 차지를 모아 줌으로써 생성된 엑시톤이 재결합되는 것을 방지하는 하이 이-필드 효과(High E-Field Effect)를 일으키며, 상기 광활성층(140)의 미세 트랩 사이트의 저항을 감소시키는 로컬 다이폴 효과(Local Dipole Effect)를 일으켜 상기 유기 태양 전지(100)의 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 금속 나노 입자의 평균 입경은 3 내지 50nm일 수 있고, 바람직하게 3 내지 10nm일 수 있으며, 더욱 바람직하게 4 내지 8 nm일 수 있다. 상기 금속 나노 입자의 평균 입경이 상기 범위 내인 경우 기존 광활성 재료의 특성에 영향을 주지 않으면서 플라즈몬 스케터링 효과와 이-필드 효과를 극대화할 수 있다는 점에 있어서 바람직하다. 만약, 상기 금속 나노 입자의 평균 입경이 3nm 미만인 경우 상기 금속 나노 입자를 첨가했을 때 나타나는 플라즈몬 스케터링 효과가 감소될 수 있고, 50nm를 초과하는 경우 태양광의 투과를 크게 제한하여 광변환 효율이 떨어지고 광활성층 내에 채널이 열릴 가능성이 있다.
상기 금속 나노 입자는 고전도성 금속 원소로부터 제조되어지며, 그 예로서 Au, Ag, Pt, Zr, Fe, Mn, Ti, V, Co, Ni, Cu, Nb, Ru, Rh, Pd, Hf, Mo, Cd 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 바람직하게는 Au, Ag, Pt, Pd 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 귀금속 나노 입자일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 금(Au)일 수 있다. 상기 금속 나노 입자가 귀금속 나노 입자인 경우 금속의 표면 산화를 막으면서 나노 입자화하여 분산시키는 방법이 보다 수월하며, 대기 중 및 유기 태양 전지 내에서 입자의 안정성을 유지할 수 있고, 광활성 재료와 혼합하였을 경우 기존 광활성 재료의 특성에 영향을 적게 주면서 금속 나노 입자의 특성을 유기 태양 전지에 반영할 수 있다는 점에서 더 우수한 효과가 있다.
상기 금속 나노 입자는 약 380 내지 780nm의 가시광 파장에서 투과율이 70% 미만이고, 바람직하게는 1 내지 50%일 수 있다. 상기 금속 나노 입자의 투과율이 70% 이상인 경우 상기 금속 나노 입자를 상기 광활성층(140)에 첨가함으로써 입사 광선을 산란시켜 광흡수율을 높이는 효과를 얻을 수 없다. 또한, 나노 입자의 경우 입경이 작아질수록 투과율이 높아지므로 상기 금속 나노 입자의 종류에 따라 상기 금속 나노 입자의 입경을 적절하게 조절함으로써 상기 금속 나노 입자의 투과율이 70% 미만이 되도록 할 수 있다.
또한, 상기 광활성층(140)은 상기 금속 나노 입자를 포함함에 따라 두께가 2.05x10-5cm인 경우 활성층 저항이 1.22X106Ω 이하이고, 바람직하게 1.00X104 내지 1.22X106Ω이고, 더욱 바람직하게 1.02X105 내지 1.49X105Ω일 수 있다. 상기 광활성층(140)의 활성층 저항이 상기 범위 내인 경우 광전 효과에 의하여 발생된 로컬 차지를 모아 생성된 엑시톤이 재결합되는 것을 방지하는 하이 이-필드 효과와 상기 광활성층(140)의 미세 트랩 사이트의 저항을 감소시키는 로컬 다이폴 효과를 더욱 증폭시킬 수 있다.
상기 광활성층(140)의 활성층 저항은 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal, MIM) 소자의 저항 측정 방식을 응용하여, 금속-광활성층-금속(Metal-Active Layer-Metal, MAM) 소자를 제작한 후, 2-탐침(2-probe) 측정 방법을 이용해서 측정할 수 있다. 따라서, 상기 활성층 저항은 상기 금속 전극과 광활성층 간의 접촉(contact) 저항을 포함한다. 이 때, 상기 광활성층 양측의 금속은 각각 130nm 두께의 몰리브덴-텅스텐(MoW)과 금(Au)일 수 있다.
상기 광활성층(140)은 상기 금속 나노 입자를 상기 광활성층(140) 전체 중량에 대하여 0.005 내지 0.1 중량%, 바람직하게는 0.005 내지 0.05 중량%, 더욱 바람직하게는 0.005 내지 0.02 중량%로 포함할 수 있다. 상기 금속 나노 입자의 함량이 0.005 중량% 미만인 경우 상기 금속 나노 입자를 첨가함으로써 얻을 수 있는 상기 플라즈몬 스케터링 효과, 상기 하이 이-필드 효과 및 상기 로컬 다이폴 효과가 충분히 발휘될 수 없을 수 있으며, 상기 금속 나노 입자의 함량이 0.1 중량%를 초과하는 경우 상기 전자수용체 및 상기 정공수용체의 함량이 상대적으로 부족하거나 상기 금속 나노 입자의 방해로 인하여 오히려 광전 효율이 저하될 수도 있다.
상기 광활성층(140)은 상기 전자수용체 및 상기 정공수용체의 혼합물로 이루어지는 바, 상기 금속 나노 입자는 유기 용매에 잘 분산되어야 상기 광활성층 고분자 재료와 혼합하여 유기 태양 전지 제조에 사용할 수 있다. 상기 금속 나노 입자가 상기 광활성층(140) 내에서 잘 분산되려면, 상기 금속 나노 입자는 유기 용매에 분산이 가능한 표면 특성을 가지고 있거나 계면활성제 또는 유기 분산제에 의하여 유기 용매에 분산이 가능한 특성을 가지는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 금속 나노 입자는 상기 유기 용매에 잘 분산될 수 있도록 표면 개질된 것일 수 있으며, 상기 표면 개질은 금속 나노 입자를 유기 용매에 분산시키기 위한 것이면 종래 어느 것이나 적용할 수 있으나, 바람직하게는 티올(thiol)기, 아미노(amino)기, 아이오딘(iodine)기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 개질하는 것일 수 있다.
상기 금속 나노 입자의 표면을 상기 티올기 등으로 개질하는 방법 및 개질하는 정도는 종래에 알려진 일반적인 방법을 적용할 수 있으며, 바람직하게는 데칸티올(decanethiol) 또는 도데칸티올(dodecanthiol)과 같이 친유성 작용기(hydrophobic functional groups)를 포함하고 있는 표면 개질 물질을 상기 금속 나노 입자의 표면에 흡착시키거나 반응시키는 방법을 통하여 유기 용매에 잘 분산시킬 수 있다.
또한, 상기 금속 나노 입자를 상기 유기 용매에 분산시키기 위하여 첨가할 수 있는 계면활성제 또는 유기 분산제의 종류 및 그 함량은 종래에 알려진 일반적인 방법을 적용할 수 있으며, 바람직하게 상기 계면활성제는 스팬(SPAN) 계열의 친유성 비이온 계면활성제 또는 에이티오(ATO)와 같은 친유성 음이온 계면활성제를 사용할 수 있고, 상기 유기 분산제는 플루로닉(Pluronic) P123 또는 F127 등과 같은 블록-코-폴리머(block-co-polyemr) 등의 유기 분산제를 사용할 수 있다.
상기 계면활성제 또는 유기 분산제의 함량은 상기 금속 나노 입자가 분산된 용액 전체 중량에 대하여 0.1 내지 10 중량%일 수 있다. 상기 계면활성제 또는 상기 유기 분산제의 함량이 상기 범위 내인 경우 상기 금속 나노 입자의 뭉침 현상을 억제하고 개개 입자의 분산성을 크게 향상시킬 수 있다는 점에서 바람직하다. 또한, 친유기 용매 성격을 가진 상기 계면활성제와 유기분산제를 사용하는 것을 통해서 기존 광활성층에 사용되는 고분자들과 혼합성을 높일 수 있다.
상기 유기 용매로는 상기 전자수용체와 상기 정공수용체를 동시에 용해시킬 수 있는 것이면 어느 것이든 사용 가능하나, 바람직하게는 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAC), 디메틸술폭사이드(DMSO), 톨루엔, 알코올계 용매 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
이하, 상기 유기 태양 전지(100)의 제조 방법을 설명한다.
상기 양극(120)은 상기 기판(110)의 일면에 상기 양극 형성 물질을 열 기상 증착, 전자 빔 증착, RF 또는 마그네트론 스퍼터링, 화학적 증착 또는 이와 유사한 방법을 통하여 일정한 패턴을 가지도록 형성할 수 있다. 선택적으로 상기 양극(120) 형성 후 UV/O3를 이용하여 상기 기판(110)의 표면을 처리할 수 있다.
또한, 선택적으로 상기 양극(120) 위에 상기 정공전달층(130)을 형성할 수 있다. 상기 정공전달층(130)은 상기 정공전달물질을 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩 또는 스퍼터링 등의 방법으로 코팅하거나, 또는 전기영동법으로 형성할 수 있다. 상기 정공전달층(130)의 두께는 바람직하게 5 내지 2000nm일 수 있다.
다음으로, 상기 양극(120) 또는 상기 정공전달층(130) 위에 상기 광활성층(140)을 형성한다. 상기 광활성층(140)은 상기 전자수용체와 상기 정공수용체를 용매로 용해시켜 제조된 혼합물을 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩 또는 스퍼터링 등의 방법으로 코팅하거나, 또는 전기영동법으로 형성할 수 있다. 상기 광활성층(140)의 두께는 바람직하게 5 내지 2000nm일 수 있다.
이때, 상기 전자수용체와 상기 정공수용체를 용매로 용해시켜 제조된 혼합물에 상기 금속 나노 입자를 더 첨가한다. 상기 혼합물에 상기 금속 나노 입자를 첨가한 후, 상기 금속 나노 입자의 분산을 위하여 초음파 분산기, 볼텍서(voltexer), 기계적 교반기(mechanical stirrer) 또는 마그네틱 교반기(magnetic stirrer) 등을 이용하여 분산시키거나, 계면활성제 또는 유기 분산제를 첨가하여 분산시킬 수 있다.
상기 용매로는 상기 전자수용체와 상기 정공수용체를 동시에 용해시킬 수 있는 것이면 어느 것이든 사용 가능하나, 바람직하게는 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAC), 디메틸술폭사이드(DMSO), 톨루엔, 알코올계 용매 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 광활성층(140)은 25 내지 150℃에서 5 내지 145분 동안 건조 공정 및 열처리 공정 통하여 제조할 수 있다. 상기 건조 공정과 열처리 공정의 적절한 조절에 의하여 상기 전자수용체와 상기 정공수용체 사이에 적절한 상분리를 유도할 수 있고, 상기 전자수용체의 배향을 유도할 수 있다. 상기 열처리 공정의 경우, 온도가 25℃ 미만인 경우 상기 전자수용체 및 상기 정공수용체의 이동도가 낮아서 열처리 효과가 미미할 수 있고, 상기 열처리 온도가 150℃를 초과하는 경우 상기 전자수용체의 열화로 인하여 성능이 저하될 수 있다. 또한, 상기 열처리 시간이 5분 미만인 경우 상기 전자수용체 및 상기 정공수용체의 이동도가 낮아서 열처리 효과가 미미할 수 있고, 상기 열처리 시간이 145분을 초과하는 경우 상기 전자수용체의 열화로 인하여 성능이 저하될 수 있다.
선택적으로 상기 광활성층(140) 위에 상기 전자전달층(150)을 형성할 수 있다. 상기 전자전달층(150)은 상기 전자전달물질을 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩 또는 스퍼터링 등의 방법으로 코팅하거나, 또는 전기영동법으로 형성할 수 있다. 상기 전자전달층(150)의 두께는 바람직하게 5 내지 2000nm일 수 있다.
마지막으로, 상기 음극(160)은 상기 광활성층(140) 또는 상기 전자전달층(150) 위에 상기 음극 형성 물질을 열 기상 증착, 전자 빔 증착, RF 또는 마그네트론 스퍼터링, 화학적 증착 또는 이와 유사한 방법을 통하여 형성할 수 있다.
이하, 상기 유기 태양 전지(100)의 동작에 대하여 간단하게 설명한다.
외부 광원으로부터 빛은 상기 양극(120)으로부터 상기 광활성층(140)에 입사된다. 상기 기판(110), 상기 양극(120) 및 상기 정공전달층(130)은 모두 투명하기 때문에 빛은 이들을 통과하여 상기 광활성층(140)으로 입사될 수 있다.
상기 입사된 빛을 이루는 광자는 상기 광활성층(140)의 전자수용체에 존재하는 가전자대의 전자와 충돌한다. 가전자대의 전자는 충돌한 광자로부터 광자의 파장에 해당하는 에너지를 받아 전도대로 도약하게 된다. 가전자대의 전자가 전도대로 도약함에 따라 가전자대에는 정공이 남게 된다.
이때, 상기 광활성층(140)에 분산된 상기 금속 나노 입자는 상기 광활성층(140)에 입사된 빛을 산란시켜 광 흡수율을 향상시키고, 광전 효과에 의하여 발생된 로컬 차지를 모아 줌으로써 생성된 엑시톤이 재결합되는 것을 방지하며, 상기 광활성층(140)의 미세 트랩 사이트의 저항을 감소시켜 상기 유기 태양 전지(100)의 전체적인 효율을 향상시킨다.
한편, 상기 전자수용체에 남겨진 정공은 상기 정공전달층(130)을 지나 상기 양극(120)으로 이동하게 되고, 전도대의 전자는 상기 전자전달층(150)을 지나 상기 음극(160)으로 이동하게 된다. 각 전극으로 이동된 전자와 정공에 의해 상기 유기 태양 전지(100)는 기전력을 갖게 되어 전원으로 동작하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지는 광활성층에서 입사 광선을 산란시켜 광 흡수율을 향상시키고, 광전 효과에 의하여 발생된 로컬 차지(local charge)를 모아 줌으로써 생성된 엑시톤(exciton)이 재결합되는 것을 방지하며, 광활성층의 미세 트랩 사이트(trap site)의 저항을 감소시켜 전체적인 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지를 나타내는 사시도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[제조예] 유기 태양 전지의 제조
(실시예 1)
투명 전극이 패턴된 ITO 기판을 초음파 세척기로 세척하고, 열풍 건조기를 이용하여 건조시킨 후, UV/O3 클리너를 이용하여 기판을 표면 처리하였다. PEDOT:PSS[Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate)]를 상기 표면 처리한 ITO 기판 위에 4000rpm의 속도로 30초간 스핀 코팅을 하였다. 이 코팅된 소자를 질소 분위기 상태의 120℃ 핫플레이트 위에서 25분 정도 건조하여 정공전달층을 형성하였다. 상기 정공전달층이 형성된 기판 위에 P3HT:PCBM 블렌드 용액을 800rpm에서 30초간 스핀 코팅하였다.
상기 P3HT:PCBM 블렌드 용액은 클로로벤젠 용매에 상기 블렌드 용액 전체 중량에 대하여 P3HT와 PCBM을 각각 25g/L 및 20g/L로 녹이고, 평균 입경이 5 nm이며 티올기로 표면 처리한 금(Au) 나노 입자를 제조된 광활성층 전체 중량에 대하여 0.005 중량%가 되도록 녹인 다음 교반 자석과 볼텍서를 이용하여 상온에서 30분 이상 혼합하여 제조하였다.
상기 P3HT:PCBM 블렌드 박막을 형성한 후 박막에 남아있는 용매를 제거하고활성층 고분자의 결정 구조를 만들기 위해서 상온의 질소 분위기에서 1시간 이상 건조와 20분 정도의 열처리를 진행하였다. 상기 열처리가 완료된 이후, 진공 열 증착을 통해 LiF와 Al을 증착하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
(실시예 2)
상기 실시예 1에서 평균 입경이 5 nm이며 티올기로 표면 처리한 금(Au) 나노 입자를 0.010중량%가 되도록 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
(실시예 3)
상기 실시예 1에서 평균 입경이 5 nm이며 티올기로 표면 처리한 금(Au) 나노 입자를 0.015중량%가 되도록 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
(실시예 4)
티올기로 표면 처리되지 않은 금(Au) 나노 입자를 유기 분산제인 플루로닉(Pluronic) P123를 이용하여 유기 용매에 분산시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
(실시예 5)
상기 실시예 1에서 상기 금속 나노 입자로 티올기로 표면한 은(Ag) 나노 입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
(실시예 6)
상기 실시예 1에서 상기 금속 나노 입자로 티올기로 표면한 백금(Pt) 나노 입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
(실시예 7)
상기 실시예 1에서 상기 금속 나노 입자로 티올기로 표면한 팔라듐(Pd) 나노 입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
(비교예 1)
상기 실시예 1에서 금(Au) 나노 입자를 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
[실험예] 제조된 유기 태양 전지의 성능 측정
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 각각 제조된 유기 태양 전지를 태양모사장치(solar simulator, Newport사 66984)를 이용하여 전류-전압 특성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 상기 태양 모사장치는 300W 제논램프(Newport사 6258)와 AM1.5G 필터(Newport사 81088A)를 사용하였고, 빛의 세기는 100mW/cm2로 설정하였다.
또한, 몰리브덴-텅스텐(MoW)이 증착되어 있는 기판 위에 스핀 코팅을 이용하여 광활성층 재료를 2.05x10-5cm 두께로 코팅하여 광활성층을 형성하고, 상기 광활성층 위에 금(Au)을 열증착 방식을 통하여 130nm 두께로 증착하여 금속-광활성층-금속(MAM) 소자를 제작한 후, 2-탐침(2-probe) 측정 방법을 이용하여 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 광활성층의 활성층 저항을 측정하였고, 그 결과도 하기 표 1에 나타내었다. 이 때, 상기 광활성층 재료는 각각 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 사용된 광활성층 재료와 동일한 것을 사용하였다.
또한, 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 사용된 금(Au) 나노 입자에 대하여 자기 분광 광도계(히타치사, U-4000)를 이용하여 300 내지 2100nm의 파장에서 투과율을 측정하고, 일본 공업 규격(JIS R 3106)에 따라 380 내지 780nm 파장의 가시광 투과율을 구하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1
금속 나노 입자 평균 입경(nm) 5nm 5nm 5nm 10nm -
금속 나노 입자 함량(중량%) 0.005 0.010 0.015 0.005 -
가시광 투과율 45 45 45 29 -
광활성층의 활성층 저항(Ω) 1.49x105 1.15x105 1.08x105 1.02x105 1.42x106
에너지 변환 효율(%) 2.82 2.99 2.89 2.81 2.64
단락전류밀도(mA/cm2) 7.37 8.69 8.47 6.91 6.55
개방회로전압(V) 0.69 0.69 0.69 0.70 0.71
상기 표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 4의 경우가 비교예 1의 경우보다 광활성층의 활성층 저항이 낮으며, 에너지 변환 효율 및 단락 전류 밀도가 모두 우수한 것을 알 수 있다. 이는 상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 유기 태양 전지는 광활성층에 금속 나노 입자를 포함함에 따라, 상기 금속 나노 입자가 입사 광선을 산란시켜 광 흡수율을 향상시키고, 광전 효과에 의하여 발생된 로컬 차지(local charge)를 모아 줌으로써 생성된 엑시톤(exciton)이 재결합되는 것을 방지하며, 광활성층의 미세 트랩 사이트(trap site)의 저항을 감소시켜 전체적인 효율을 향상시키는 반면, 비교예 1에서 제조된 유기 태양 전지는 광활성층에 금속 나노 입자를 포함하고 있지 않기 때문인 것으로 생각된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : 유기 태양 전지
110 : 기판 120 : 양극
130 : 정공전달층 140 : 광활성층
150 : 전자전달층 160 : 음극

Claims (9)

  1. 서로 대향 배치되는 음극 및 양극, 그리고
    상기 음극 및 양극 사이에 위치하고, 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광활성층
    을 포함하며,
    상기 광활성층은 분산된 금속 나노 입자를 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자의 평균 입경은 3 내지 50nm인 것인 유기 태양 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 Au, Ag, Pt, Zr, Fe, Mn, Ti, V, Co, Ni, Cu, Nb, Ru, Rh, Pd, Hf, Mo, Cd 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 유기 태양 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 Au, Ag, Pt, Pd 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 귀금속 나노 입자인 것인 유기 태양 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 380 내지 780nm의 가시광 파장에서 투과율이 70% 미만인 것인 유기 태양 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 표면이 티올(thiol)기, 아미노(amino)기, 아이오딘(iodine)기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 개질된 것인 유기 태양 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광활성층은 상기 금속 나노 입자의 분산성을 향상시키기 위한 계면활성제 또는 유기 분산제를 더 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광활성층은 상기 금속 나노 입자를 상기 광활성층 전체 중량에 대하여 0.005 내지 0.1 중량%로 포함하는 것인 포함하는 것인 유기 태양 전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광활성층은 두께가 2.05x10-5cm인 경우 활성층 저항이 1.22X106Ω 이하인 것인 유기 태양 전지.
KR1020100061619A 2010-06-29 2010-06-29 유기 태양 전지 KR20120001045A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100061619A KR20120001045A (ko) 2010-06-29 2010-06-29 유기 태양 전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100061619A KR20120001045A (ko) 2010-06-29 2010-06-29 유기 태양 전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20120001045A true KR20120001045A (ko) 2012-01-04

Family

ID=45608790

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100061619A KR20120001045A (ko) 2010-06-29 2010-06-29 유기 태양 전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20120001045A (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101440607B1 (ko) * 2013-04-15 2014-09-19 광주과학기술원 태양전지 모듈 및 이의 제조방법
US10263205B2 (en) 2012-11-20 2019-04-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Organic solar cell and manufacturing method thereof

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10263205B2 (en) 2012-11-20 2019-04-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Organic solar cell and manufacturing method thereof
KR101440607B1 (ko) * 2013-04-15 2014-09-19 광주과학기술원 태양전지 모듈 및 이의 제조방법
US10468546B2 (en) 2013-04-15 2019-11-05 Gwangju Institute Of Science And Technology Solar cell module and method for manufacturing the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5466790B2 (ja) 有機太陽電池及びその製造方法
Jeon et al. Single-walled carbon nanotubes in solar cells
Helgesen et al. Advanced materials and processes for polymer solar cell devices
Olson et al. Hybrid photovoltaic devices of polymer and ZnO nanofiber composites
Huang et al. Solution-processed vanadium oxide as an anode interlayer for inverted polymer solar cells hybridized with ZnO nanorods
Oseni et al. Properties of functional layers in inverted thin film organic solar cells
Adikaari et al. Organic–inorganic solar cells: recent developments and outlook
EP2711400B1 (en) Phthalocyanine nanorods and photoelectric conversion element
US8629431B2 (en) Material for photoelectric conversion device and photoelectric conversion device
Gamboa et al. A novel nanocomposite based on NiOx-incorporated P3HT as hole transport material for Sb2S3 solar cells with enhanced device performance
WO2013151142A1 (ja) 有機光電変換素子およびこれを用いた太陽電池
Tessema Mola et al. Nanocomposite for solar energy application
KR101386617B1 (ko) 자기조립된 유무기 나노복합체를 광활성층에 구비하는 유기태양전지 및 그 제조방법
KR20120001045A (ko) 유기 태양 전지
Jin et al. Vertically aligned carbon nanotubes for organic photovoltaic devices
JP2014524143A (ja) 二成分系電子選択性バッファー層及び同層を用いる光起電力電池
Li et al. The role of polymer dots on efficiency enhancement of organic solar cells: Improving charge transport property
Mali et al. Synthesis and characterization of planar heterojunction hybrid polymer solar cells based on copper pthalocyanine (CuPc) and titanium dioxide
JP2008091467A (ja) 有機薄膜太陽電池素子および光電変換層形成用塗工液
KR20130076392A (ko) 유기 태양 전지의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 유기 태양 전지
Li et al. Photovoltaic properties of MEH-PPV/TiO2 nanocomposites
KR20120060352A (ko) 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법
Al Hashimi et al. Using SWCNTs to Enhancing the Performance of P3HT: PCBM-Based Organic Solar Cells
Oku Fullerene-based solar cells
Gupta et al. Metal oxides in organic solar cells

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application