KR20120011479A - 액상 표면 처리를 이용한 고전도성 유기 박막 및 이를 이용한 유기 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액상 표면 처리를 이용한 고전도성 유기 박막 및 이를 이용한 고효율 유기 태양 전지(organic solar cell)의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 유기 태양 전지는 기판, ITO(indium tin oxide) 투명 전극, 전도성 유기 박막인 PEDOT:PSS 층, P3HT:PCBM 광활성층 및 LiF/Al 전극을 포함하는 것으로, 상기 PEDOT:PSS 층을 디메틸포름아미드 (N,N-dimethylformamide, DMF) 로 액상 표면 처리하는 단계를 포함함으로써 소자의 전기적 특성 및 효율을 증가시킨다.

Description

액상 표면 처리를 이용한 고전도성 유기 박막 및 이를 이용한 유기 태양 전지의 제조 방법{Method for manufacturing high conductive organic film by solvent treatment and method for manufacturing organic solar cell having the organic film}
본 발명은 액상 표면 처리를 이용한 고전도성 유기 박막 및 이를 이용한 유기 태양 전지의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 전기적 특성이 개선된 PEDOT:PSS 전도성 유기 박막의 제조 방법과 본 유기 박막을 이용하여 소자의 전기적 특성이 향상된 유기 태양 전지의 제조 방법에 관한 기술이다. 본 발명은 기존의 PEDOT:PSS 유기 박막 및 혼합 액상 형태의 PEDOT:PSS 유기 박막의 제조 방법에 비해, 간단한 표면처리를 통해 향상된 물성 확보가 가능하다. 특히 본 발명의 기술은 유기 태양 전지 소자에 적용하여 상기 소자의 성능 향상에도 기여하게 된다.
최근 들어 유기 태양 전지는 기존의 실리콘 기반의 태양 전지에 비해 친환경, 저비용, 고효율의 소자 제작이 가능하므로, 미래 태양에너지 변환 소자로서 각광받고 있다. 그러나 기존의 실리콘 태양전지가 20% 수준의 높은 광변환 효율을 보이는데 비해, 유기 태양 전지의 경우 최대 5~6% 에 이르는 낮은 광변환 효율로 인해 상용화에 어려움이 있다. 이를 극복하기 위한 방법으로 소자의 직렬 저항(series resistance)과 션트 저항(shunt resistance)을 조절하는 방법이 있다. 직렬 저항은 전체 소자의 전기적 손실을 나타내고, 션트 저항은 누설 전류와 관련이 있으므로, 기존의 유기 태양 전지에서 상기된 저항 값의 제어를 통해 고성능의 유기 태양 전지 소자의 구현이 가능하다.
또한, 유기물 시스템에서 빛에 의해 형성된 정공은 전자보다 높은 이동도를 가지므로 유기 태양 전지 내에 축적(accumulation)된다. 게다가 유기 박막의 높은 비저항과 유기 박막 층간의 높은 접촉 저항으로 인해 정공이 전극으로 이동하는 데에 어려움이 있다. 이는 곧 광전류의 저하로 이어져 소자의 성능 저하를 유발한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 기존에 빈번히 사용되는 PEDOT:PSS 라는 전도성 유기물 용액에 폴리알콜류(polyalcohols), 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 등의 액상을 첨가하여 PEDOT:PSS 박막을 형성하여, 제조된 박막의 전도성을 향상시키는 기술이 보고된 바 있다. 그러나 보고된 기술의 경우, 첨가되는 액상의 종류와 양 등 여러 공정 변수에 의해 상변화 효과가 상이하므로, 액상의 선택과 도핑 수준이 신중히 제어되어야 한다는 단점이 있다.
또한, 기존에 보고된 습식 방사법을 이용하여 합성한 PEDOT:PSS 고분자 섬유를 디메틸포름아미드 용액에 침지하여 전도도를 향상시키는 기술은 섬유 형태의 고분자를 합성하기 때문에, 본 발명과 달리 기판 상에 일정한 두께를 가지는 유기 박막의 형성이 힘들며, 층상 구조의 소자에서 접촉 저항을 증가시킬 수 있으므로, 본 발명의 기판을 이용한 층상 구조 유기 태양 전지 소자에 적용이 어렵다는 한계를 가지고 있다.
본 발명은 유기 박막의 높은 비저항 및 유기 박막 층간 높은 접촉 저항, 소자의 높은 직렬 저항을 해결하기 위해 제안된 것이다.
본 발명에 의하면, 간단한 공정으로 층상 구조의 전자 소자에 적용될 수 있는 균일한 두께의 유기 박막을 형성함으로써, 전도도를 향상시키고 나아가 표면 거칠기 감소를 통한 인접 층간 접촉 저항과 직렬 저항의 감소로부터 안정화된 전도성 유기 박막의 제조가 가능하다.
또한, 본 발명에 의하면 전기적 특성 및 광변환 효율이 향상된 유기 태양 전지 소자를 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명은 향상된 전기적 특성 및 효율을 가지는 각종 전자 소자를 제공한다.
본 발명은 기판 위에 전도성 유기 박막을 형성하는 단계 및 상기 전도성 유기 박막의 표면을 표면 처리하는 단계를 포함하는 전도성 유기 박막의 제조 방법을 제공한다. 특히, 전기적 특성이 개선된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)polystyrenesulfonate), PEDOT:PSS) 전도성 유기 박막의 제조 방법과 상기 유기 박막을 이용하여 소자의 전기적 특성이 향상된 유기 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
상기 전도성 유기 박막의 제조를 위해 기판 위에 형성된 PEDOT:PSS 층의 표면을 디메틸포름아미드 (N,N-dimethylformamide, DMF) 액상을 이용하여 표면 처리한다.
또한, 본 발명은 기판 상에 PEDOT:PSS 층을 형성하는 단계, 상기 PEDOT:PSS 층에 디메틸포름아미드를 이용하여 액상 표면 처리하는 단계 및 상기 액상 표면 처리된 PEDOT:PSS 층 상에 광활성층 및 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 소자의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 표면이 디메틸포름아미드로 액상 표면 처리된 PEDOT:PSS 층을 전도성 유기 박막으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 소자 및 상기 전도성 유기 박막을 전극과 광활성층 사이에 포함하는 유기 태양 전지를 제공한다.
기판 상에 PEDOT:PSS 층을 형성하는 단계에서는 스핀 코팅(spin-coating) 방법을 이용하여 PEDOT:PSS 용액을 유리 기판에 증착한 후, hot plate를 이용하여 섭씨 150℃에서 열처리를 실시하여 유기 박막을 형성한다. 이때, 스핀 코팅 속도 및 열처리 온도 및 시간 등의 조절을 통해 유기 박막의 제어가 가능하다. 이러한 PEDOT:PSS 유기 박막의 경우, Hall measurement system 을 통해 전도도가 1.26 S/cm 정도의 값을 가지는 것으로 측정되었다. 따라서 이를 이용한 유기 태양 전지는 낮은 전도성으로 인해 정공 이동이 어려워 광전류값이 낮아지게 되며, 결국 광변환효율 값에 한계를 가지게 된다.
이를 해결하기 위해 본 발명에서는, 기 형성된 PEDOT:PSS 유기 박막에 3.86 D의 쌍극자 모멘트를 가지는 극성 물질인 디메틸포름아미드 액상을 스핀코팅 또는 드롭코팅(drop coating) 등의 방법을 이용하여 액상 표면 처리를 한 후 hot plate를 이용하여 열처리를 실시한다. 이때, 스핀코팅과 열처리 속도 및 시간 등의 조절을 통해 유기 박막의 제어가 가능하다. 상기 액상 표면 처리를 통해서 극성 물질인 디메틸포름아미드와 기 형성된 PEDOT:PSS 유기물 간의 interchain interaction 이 일어나게 되므로, PEDOT:PSS 유기 박막에 상 분리(phase separation)를 유도하여 고전도성의 PEDOT-rich domain을 형성하여 전도성 향상에 기여하게 되는 것이다.
본 발명은 기존의 PEDOT:PSS 유기 박막에 비해, 액상 표면 처리라는 간단한 공정을 통하여 고전도성 및 안정화된 PEDOT:PSS 유기 박막의 제조가 가능하다. 본 발명은 특히 이를 유기 태양 전지의 제조에 접목함으로써 낮은 직렬 저항 및 접촉 저항에 따른 광변환효율이 향상된 소자의 제작이 가능하다. 나아가, 이러한 유기 박막을 유기 태양 전지뿐만 아니라 유기 박막 트랜지스터, OLED 등 다양한 전자 소자에 응용함으로써 전기적 특성을 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 PEDOT:PSS 박막 제조 방법 및 제작된 박막의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 디메틸포름아미드를 이용하여 액상 표면 처리한 PEDOT:PSS 박막 제조 방법 및 제작된 박막의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 PEDOT:PSS 박막을 구비한 유기 태양 전지 소자의 공정 순서 및 완성된 소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 광활성층을 이루는 고분자 혼합물이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따라 제작한 유기 태양 전지 소자에 빛을 주었을 때, 발생한 전자-정공의 이동 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막(a)과 액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막(b)의 원자현미경 이미지이다.
도 7은 UV-가시광선 흡광도 스펙트럼으로서, 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막에 P3HT:PCBM 광활성층을 형성한 것(a)과 액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막에 P3HT:PCBM 광활성층을 형성한 것(b)의 광자 에너지에 따른 흡광도를 나타내는 도면이다..
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막을 구비한 유기 태양 전지 소자의 AC impedance plot(a)과 액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막을 구비한 유기 태양 전지 소자의 AC impedance plot(b)을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막을 구비한 유기 태양 전지 소자의 J-V 특성(a)과 액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막을 구비한 유기 태양 전지 소자의 J-V 특성(b)을 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예들을 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1 내지 3은 본 발명의 실시형태에 따른 PEDOT:PSS 박막과 이를 구비하는 유기 태양 전지 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 유리 기판 상에, 예를 들어 투명 전극층으로 사용될 수 있는 ITO 층을 형성한다. 그 후, ITO 층이 코팅된 유리 기판을 포토리쏘그라피 후 wet etching 방법을 이용하여 직사각형 모양으로 패턴닝한다. 그 후 ITO 층이 코팅된 유리 기판 상에, 전도성 유기 박막인 PEDOT:PSS 층을 형성한다. 이 유기 박막 층은 예를 들어, 스핀 코팅 후 베이킹을 실시하여 경화된 층으로서 PEDOT:PSS 층을 형성할 수 있다. 상기 PEDOT:PSS 층을 형성하는데 있어서는 다중 스핀 코팅법(multiple spin coating) 을 이용할 수 있다. 다중 스핀 코팅법에서는, 스핀 코팅 단계와 베이킹 단계를 각각 교대로 2회 이상 반복함으로써 필요한 두께를 가지는 유기 박막 층을 형성할 수 있다.
그 후, 도 2에 도시된 바와 같이, 경화된 PEDOT:PSS 층에 디메틸포름아미드를 스핀 코팅 후 베이킹을 실시하여 표면 처리한다. 이때 디메틸포름아미드는 PEDOT:PSS 층을 형성 방법과 동일한 방법으로 진행한다. 제작된 유기 박막인 PEDOT:PSS 층은 일예로서 p형의 도전성을 띨 수 있다.
그 후, 도 3에 도시된 바와 같이, 디메틸포름아미드로 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 층 상에 광활성층인 P3HT:PCBM(도4에 도시) 층을 형성하기 위해, P3HT:PCBM 용액을 아르곤 분위기에서 1:0.8의 질량 비율로 혼합하여 클로로벤젠 용매에 녹여 15mg/ml 농도의 용액을 제작한다. 그 후, 아르곤 분위기에서 1시간 동안 스터링(stirring) 하여 P3HT:PCBM이 클로로벤젠에 균일하게 녹을 수 있게 한다. 준비된 P3HT:PCBM 용액을 표면 처리된 PEDOT:PSS 층 상에 아르곤 분위기에서 스핀 코팅한 후 베이킹을 실시하여 광활성층을 형성한다.
그 후, 전극 형성을 위해 thermal evaporator 를 이용하여 LiF/Al 전극을 연속적으로 증착한다. 이 때, LiF의 두께는 5nm이하로 얇게 형성한다. 이로써, 표면 처리된 PEDOT:PSS 유기 박막을 구비하는 유기 태양 전지 소자가 얻어진다. 이 유기 태양 전지 소자는 후술하는 바와 같이, 향상된 J-V 특성을 나타내어 유기 태양 전지 소자의 광변환 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 J-V 특성의 향상은 액상 표면 처리된 PEDOT:PSS 층에 기인하며, 후술하는 바와 같이 PEDOT:PSS 에 대한 액상 표면 처리는 전도성 유기 박막으로 사용되는 PEDOT:PSS 의 전도성을 증가시킨다.
또한, 액상 표면 처리된 PEDOT:PSS 박막은 상술한 유기 태양 전지 소자뿐만 아니라, 유기 박막을 필요로 하는 p-n 접합소자, OLED, 유기 박막 트랜지스터, 디스플레이 패널 등에 사용될 수 있다. 특히, 액상 표면 처리된 PEDOT:PSS 박막은 전도도가 증가하므로, OLED의 정공 주입층으로도 유용하게 이용될 수 있다.
실시예
본 발명의 바람직한 실시예에서는, Baytron (Baytron P AI 4083) 으로부터 구입한 PEDOT:PSS 박막이 사용되었다. 이하에서 설명하는 실시예 샘플 소자(b) (액상 표면 처리된 PEDOT:PSS 박막을 구비하는 유기 태양 전지)는 도 3에 도시된 바와 같이, ITO 층이 코팅된 유리 기판을 포토리쏘그라피(photolithography) 공정 후 wet etching 하여 직사각형 모양의 패턴을 형성한 후, 패턴된 ITO 층을 가지는 유리 기판 상에 PEDOT:PSS 박막을 형성하고, p형 반도체 성질을 가지는 PEDOT:PSS 박막에 디메틸포름아미드를 이용하여 표면 처리한 후, 광활성층인 P3HT:PCBM 박막을 형성하고, LiF/Al 전극을 형성한 소자이다. 또한, 실시예와의 비교를 위해, 상술한 실시예의 샘플에서 디메틸포름아미드를 이용하여 액상 표면 처리하는 과정을 생략한 유기 태양 전지 소자(a)를 비교예 샘플로서 사용한다.
소자용 기판은 상면에 ITO 가 코팅된 2×2 cm2 크기의 유리 기판이며, ITO 층은 약 100 nm 두께이다. ITO 가 코팅된 유리 기판은 포토리쏘그라피(photolithography) 공정 후 wet etching 하여 직사각형 모양의 패턴을 형성한 후, 초음파 배쓰(ultrasonic bath)에서 아세톤, 메탄올 및 탈 이온수를 이용하여 15분 동안 세정되었고, 질소건(nitrogen gun)으로 건조되었다.
다음으로, PEDOT:PSS 가 스핀 코팅법에 의해 기판 상에 약 30 nm의 두께로 도포되었다. 코팅 후 PEDOT:PSS 층이 150oC 로 공기에서 10분 동안 베이킹되었다. 실험에서, 각 세트가 6개의 샘플로 된 2개 세트(제1 세트 및 제 2세트)의 샘플들을 준비하였다. 제 1세트의 샘플에서는 기판 상의 PEDOT:PSS 박막을 디메틸포름아미드(쌍극자모멘트 3.4 D)로 스핀 코팅한 후 150oC에서 베이킹하여 표면 처리하였다. 제 2세트의 샘플에서는 이와 같은 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막을 제조하였다. 이 후, 무습 무산소의 글로브 박스 안에서 1:08의 질량 비율로 혼합한 P3HT:PCBM 광활성층 용액을 15mg/ml 의 농도로 제작하여 약 200 nm의 두께로 스핀 코팅한 후 120oC에서 베이킹하였다. 그 후, 쉐도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 LiF/Al 전극을 상면에 증착하고, 다시 120oC에서 후열 처리를 하였다. 제작된 소자의 활성 영역(active area)은 약 0.04 cm2 이다. 이러한 소자 구조가 도 3에 도시되어 있다. 제작한 소자는, ABET Technology 사의 Sun 2000 모델의 solar simulator를 이용하여 AM 1.5 G 조건에서 100 mW/cm2 의 빛의 세기를 이용하여 소자의 전기적 특성(광변환효율: power conversion efficiency)을 측정하였다. 제조된 소자의 전류 밀도-전압(J-V) 특성은 도 9와 같다. 측정된 전류 밀도-전압 특성을 이용하여 제작한 소자의 직렬 저항(series resistance) 값을 개방 전압 (Voc) 이상의 전압 값에서 근사하여 구하였다. 그리고 암조건(dark condition)에서 IVIUM Technologies 사의 IVIUM Stats 모델을 이용하여 교류 임피던스 스펙트럼(alternating current impedance spectra)를 측정하여 접촉 저항(contact resistance)을 구하였다. 그리고 McAllister Technical Services 사의 KP-6500 모델인 Kelvin probe system 을 이용하여 PEDOT:PSS 유기 박막의 일함수 (work function)을 조사하였다. 그리고, SHIMADZU 사의 UV-2401PC 모델을 이용하여 PEDOT:PSS 박막에 P3HT:PCBM 박막이 적층된 박막의 UV-가시광선 영역의 흡수 스펙트럼을 측정하였다. 그리고 에코피아(Ecopia)의 홀 측정기(Hall measurement system)를 이용하여 PEDOT:PSS 박막의 비저항 및 전도도를 측정하였다. 그리고, Veeco 사의 NanoScope IIIa 모델인 AFM(atomic force microscope)을 이용하여 tapping mode에서 PEDOT:PSS 박막 표면의 거칠기 및 표면 상태를 측정하였다.
구분 Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF
(%)		 PCE
(%)		 Rs a
(Ωcm2)		 전도도b
(S/cm)
일함수c
(eV)
(a) 0.57 7.8 55.3 2.50 15.6 1.27 5.08
(b) 0.57 17.5 51.1 5.14 8.7 152 5.06
(a)액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 유기 박막 및 이를 구비하는 유기 태양 전지 소자.
(b)액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 유기 박막 및 이를 구비하는 유기 태양 전지 소자
a전류밀도-전압(J-V) 곡선의 V>Voc영역에서 계산됨.
bHall measurement system을 이용하여 측정됨.
cKelvin probe system을 이용하여 측정됨.
액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막(b)과 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막(a)의 전도도를 Hall measurement system 으로부터 얻었다. 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막의 전도도는 1.27 S/cm 인데 반해서, 액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막의 경우에는 전도도가 152 S/cm 로 2 order-magnitude 만큼 증가하였다. 이러한 액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막의 전도도 증가는 높은 쌍극자 모멘트 값을 가지는 디메틸포름아미드와 유기 박막과의 interchain interaction 반응으로 인한 티오핀(thiophen) 구조의 변화 또는 변화된 유기물 배열에 따른 conductive pathways 의 형성으로부터 기인한다. 비교를 위해 클로로벤젠(chlorobenzene)을 이용하여 동일한 방법으로 액상 표면 처리를 한 경우, 표면 처리 전과 후의 전도도에 큰 변화가 없었다. 이는 디메틸포름아미드의 쌍극자 모멘트는 3.86 D 인데 반해, 클로로벤젠의 경우 1.54 D의 낮은 값을 가지기 때문에 유기물 분자와 interchain interaction 과 같은 원활한 반응이 일어나지 않기 때문이다.
또한, 액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막과 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막의 일함수 변화를 관찰하기 위해 Kelvin probe system 을 이용하였다. 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막의 일함수는 5.08 eV 이었으며, 액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막의 경우에도 큰 차이가 없는 5.06 eV 의 값을 나타내었다. 즉, 액상 표면 처리가 PEDOT:PSS 박막의 일함수 변화에 큰 차이를 가져 오지 않으므로, 유기 태양 전지의 광활성층에서 PEDOT:PSS 층으로 정공 추출시, 에너지 장벽을 만들지 않아 에너지 장벽에 의한 charge trapped loss를 야기 하지 않는다.
또한, 액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막과 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막의 광학적 특성을 파악하기 위해 UV-Vis spectra 로부터 흡광도를 측정하였다. 결과적으로 액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막과 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막의 광학적 특성은 동일하게 나타났다. 이것으로 유기 태양 전지에서 PEDOT:PSS 박막의 액상 표면 처리는 흡광도에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 추측된다.
액상 표면 처리에 의해 야기된 표면 모폴로지 변화(conformational change)를 관찰하기 위해, 액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막과 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막의 AFM 이미지를 관찰하였다. 두 가지 샘플의 AFM 이미지로부터, 표면 거칠기가 1.512 nm에서 1.258 nm로 감소되었고, 표면에 PEDOT-rich domain 이 형성되어 있음을 관찰할 수 있다. 이는 디메틸포름아미드와 PEDOT-chain 간의 inter-chain interaction을 통해 PEDOT-chain 이 extended-aggregated 구조로 변화되기 때문이다. 이러한 변화는 고분자 물질에서 hopping rate 와 ionic transport 를 증가시켜 전도도를 향상시킨다.
액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막과 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막을 이용하여 제작한 유기 태양 전지 소자에 100 mW/cm2 의 세기로 일정한 빛을 주었을 때의 전류밀도-전압(J-V) 특성이 도 9에 도시되어 있다. 재현성을 확보하기 위해 6개의 cell을 제작하여 광전소자의 파라미터 (photovoltaic parameter)를 평균값으로 표기하였다. 액상 표면 처리를 하지 않은 PEDOT:PSS 박막을 버퍼층으로 이용하는 유기 태양 전지 소자의 경우 Voc=0.57V, Jsc=7.8mA/cm2, FF=55.3%, PCE=2.50% 로 최고 PCE 값은 2.61%로 나타났다. 반면에, 액상 표면 처리를 한 PEDOT:PSS 박막을 버퍼층으로 이용한 유기 태양 전지 소자의 경우, Voc=0.57V, Jsc=17.5mA/cm2, FF=51.1%, PCE=5.14% 로 최고 PCE 값은 5.35%로 나타났다. 액상 표면 처리를 한 소자의 경우, 가장 뚜렷히 증가한 파라미터는 전류밀도(Jsc) 값으로 이는 액상 표면 처리를 하지 않은 소자보다 더 효과적인 캐리어 전송(carrier transport)이 가능하기 때문이다.
이는 또한, 소자의 직렬 저항과 션트 저항과도 연관이 있다. 액상 표면 처리를 한 소자가 액상 표면 처리를 하지 않은 소자보다 FF 값이 더 낮게 나타나는데, 이는 액상 표면 처리를 한 버퍼층에 형성된 random leakage current 로부터 야기하지만, 액상 표면 처리를 하지 않은 소자에 비해 감소폭이 크지 않으므로, 제작한 소자의 경우 이 leakage current 를 무시할 수 있을 정도로 션트 저항은 충분히 높다고 할 수 있다. 직렬 저항의 경우, 액상 표면 처리를 하지 않은 소자에서 15.6 Ωcm2 인 데에 반해, 액상 표면 처리를 한 소자의 경우 8.7 Ωcm2으로 감소하였다. 이는 액상 표면 처리로 인한 PEDOT:PSS 층의 저항 감소에 기인하며, 낮은 직렬 저항 값은 소자에서 보다 효과적인 내부 전기장(effective internal electrical field)을 형성을 의미하므로, 이는 향상된 charge collection 을 야기한다.
또한, 액상 표면 처리가 소자의 PEDOT:PSS 층과 광활성층의 접촉 저항(contact resistance)에 미치는 영향을 조사하기 위해 AC impedence spectra를 관찰하였다. 관찰된 주파수 응답 결과는 반원과 같은 모양을 나타내었으며, 액상 표면 처리를 한 소자가 액상 표면 처리를 하지 않은 소자보다 낮은 접촉 저항 값을 나타내었다. 낮은 접촉 저항 값은 층 간의 계면 저항 감소뿐만 아니라, 직렬 저항의 감소에도 영향을 미친다. 그러므로 저항 값의 감소는 캐리어 추출과 축적된 정공의 감소(release accumulated holes)를 촉진하므로 charge transport를 증가시킴을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리 범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

Claims (16)

  1. 기판 위에 전도성 유기 박막을 형성하는 단계 및 상기 전도성 유기 박막의 표면을 표면 처리하는 단계를 포함하는 전도성 유기 박막의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 유기 박막은 PEDOT:PSS 층이고, 디메틸포름아미드 용액을 이용하여 PEDOT:PSS 층 표면을 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 표면 처리 단계에서, PEDOT:PSS 층에 디메틸포름아미드를 스핀 코팅한 후 베이킹 하는 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 표면 처리 단계에서, PEDOT:PSS 층에 디메틸포름아미드를 드롭 코팅한 후 베이킹 하는 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 기판 위에 전도성 유기 박막을 형성하는 단계는,
    상기 기판 위에 PEDOT:PSS를 스핀 코팅한 후, 스핀 코팅된 PEDOT:PSS를 베이킹하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 스핀 코팅 단계와 베이킹 단계가 교대로 2회 이상 반복되는 다중 스핀 코팅법을 이용하여 PEDOT:PSS 층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법.
  7. 기판 상에 PEDOT:PSS 층을 형성하는 단계;
    상기 PEDOT:PSS 층에 디메틸포름아미드를 이용하여 액상 표면 처리하는 단계; 및
    상기 액상 표면 처리된 PEDOT:PSS 층 상에 광활성층 및 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 소자의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 PEDOT:PSS 층은 p형이고, 상기 광활성층은 빛에 의해 전자-정공 쌍을 형성하는 고분자 물질의 혼합물인 것을 특징으로 하는 전자 소자의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 고분자 광활성층은 P3HT와 PCBM의 혼합 용액으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 소자의 제조 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 전극은 thermal evaporator를 이용하여 LiF/Al을 증착하는 단계를 포함하는 전자 소자의 제조 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    전극을 형성한 후 후열 처리를 실시하는 단계를 포함하는 전자 소자의 제조 방법.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 기판은 상면에 투명전극층이 코팅된 것을 특징으로 하는 전자 소자의 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 기판에 코팅된 투명전극층을 직사각형 모양으로 패턴하는 것을 특징으로 하는 전자 소자의 제조 방법.
  14. 표면이 디메틸포름아미드로 액상 표면 처리된 PEDOT:PSS 층을 전도성 유기 박막으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 소자.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 액상 표면 처리된 PEDOT:PSS 층은 정공 주입층, 전극층 및 채널층 중 어느 하나로 사용되는 것을 특징으로 하는 전자 소자.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 전자 소자는 액상 표면 처리된 PEDOT:PSS 층을 광활성층과 전극 사이에 포함하는 유기 태양 전지인 것을 특징으로 하는 전자 소자.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150041971A (ko) 2013-10-10 2015-04-20 주식회사 엘지화학 표면처리된 투명 전도성 고분자 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조한 투명 전극
US9276214B2 (en) 2013-06-27 2016-03-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Composition for organic thin film, organic thin film, and electronic device including the organic thin film
KR20160027654A (ko) * 2014-09-02 2016-03-10 광주과학기술원 Pedot:pss 기반 전극 및 그의 제조방법
WO2019177223A1 (ko) * 2018-03-13 2019-09-19 한양대학교 산학협력단 복수의 전도성 처리를 포함하는 고전도성 고분자 박막의 제조 방법
WO2020054920A1 (ko) * 2018-09-12 2020-03-19 계명대학교 산학협력단 전도성 고분자를 활용한 반투명 유기태양광전지 및 그 제조방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100822356B1 (ko) * 2006-09-04 2008-04-17 광주과학기술원 브러쉬를 이용하여 분자배열을 유도한 유기 기반태양전지의 제조방법
KR20090064863A (ko) * 2007-12-17 2009-06-22 광주과학기술원 스프레이 코팅을 이용한 유기태양전지 제조방법
KR20090111725A (ko) * 2008-04-22 2009-10-27 재단법인서울대학교산학협력재단 투명 유기박막 태양전지

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9276214B2 (en) 2013-06-27 2016-03-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Composition for organic thin film, organic thin film, and electronic device including the organic thin film
KR20150041971A (ko) 2013-10-10 2015-04-20 주식회사 엘지화학 표면처리된 투명 전도성 고분자 박막의 제조방법 및 이를 이용하여 제조한 투명 전극
US9653217B2 (en) 2013-10-10 2017-05-16 Lg Chem, Ltd. Method of manufacturing surface-treated transparent conductive polymer thin film, and transparent electrode manufactured using the same
KR20160027654A (ko) * 2014-09-02 2016-03-10 광주과학기술원 Pedot:pss 기반 전극 및 그의 제조방법
WO2019177223A1 (ko) * 2018-03-13 2019-09-19 한양대학교 산학협력단 복수의 전도성 처리를 포함하는 고전도성 고분자 박막의 제조 방법
KR20190107859A (ko) * 2018-03-13 2019-09-23 한양대학교 산학협력단 복수의 전도성 처리를 포함하는 고전도성 고분자 박막의 제조 방법
US11708499B2 (en) 2018-03-13 2023-07-25 Industry—University Cooperation Foundation Hanyang University Method of manufacturing highly conductive polymer thin film including plurality of conductive treatments
WO2020054920A1 (ko) * 2018-09-12 2020-03-19 계명대학교 산학협력단 전도성 고분자를 활용한 반투명 유기태양광전지 및 그 제조방법

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