KR20120055405A - 인버티드 구조의 유기태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

인버티드 구조의 유기태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정공포획층의 모폴로지(morphology) 향상을 통한 인버티드 구조의 고효율을 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정공포획층에 친전자성 기능기를 가지는 수용성 계면활성제(surfactant)를 첨가하여, 모폴로지 향상시켜 단락 전류밀도(short circuit current density), 개방전압(open circuit voltage), 필팩터(fill factor)의 증가를 통한 고효율의 인버티드 구조의 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

인버티드 구조의 유기태양전지 및 그 제조방법{Inverted organic photovoltaic cells and manufacturing method thereof}
본 발명은 정공포획층의 모폴로지(morphology) 향상을 통한 인버티드 구조의 고효율을 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정공포획층에 친전자성 기능기를 가지는 수용성 계면활성제(surfactant)를 첨가하여, 모폴로지 향상시켜 단락 전류밀도(short circuit current density), 개방전압(open circuit voltage), 필팩터(fill factor)의 증가를 통한 고효율의 인버티드 구조의 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 공해가 없다는 장점 때문에 지구환경 보전의 관점에서 재평가되고 있으며, 차세대 청정에너지원으로서의 연구가 활발히 이루어지고 있다.
현재까지 알려진 태양전지의 종류에는 단결정 또는 다결정 벌크 실리콘을 이용한 태양전지, 비정질, 미결정질 또는 다결정질 실리콘을 이용한 박막형 태양전지를 비롯하여 화합물 반도체 태양전지, 염료감응형 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등 매우 다양하다.
종래 상용화된 단결정 벌크(bulk) 실리콘을 이용한 태양전지는 높은 제조단가 및 설치비용 때문에 적극적인 활용이 이루어지지 못하고 있다. 이러한 비용문제를 해결하기 위하여 유기물을 이용한 박막형 태양전지에 관한 연구가 진행 중에 있으며, 고효율 태양전지를 제조하기 위한 여러 가지 시도들이 제안되고 있다.
유기박막 태양전지 기술은 고분자 혹은 저분자 유기 반도체를 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 기술로, 유기물의 가장 큰 장점인 저렴한 비용과 제조공정의 용이성을 바탕으로 박막형 소자, 대면적 소자, 롤-투-롤(roll-to-roll) 방법 등에 의한 유연성(flexible) 소자 등 초저가, 다용도의 대량 생산 특정을 모두 갖춘 차세대 기술이다.
통상적으로, 유기태양전지는 전자공여체(electron donor)와 전자수여체(electron acceptor) 물질의 접합구조로 이루어져 있으며, 이러한 광전변환층에 빛이 입사되면 전자공여체에서 전자와 정공쌍이 여기되고 전자가 전자수용체로 이동함으로써 전자와 정공의 분리가 일어난다. 따라서, 빛에 의해 생성된 캐리어들은 전자-정공으로 분리되는 현상을 거쳐 외부회로로 이동함에 따라 전력을 생산하게 된다.
상기와 같은 이유로, F. Yang등은 Nat. Mater. 4, 37 (2005)에 분리된 전자와 정공을 효과적으로 분리하여 에너지 변환효율을 높일 수 있는 벌크 헤테로정션 구조의 유기태양전지를 제시하였다. 하지만, 정공 수송층으로 사용되는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)[PEDOT:PSS]가 PH 1?2의 매우 강한 산으로써, 애노드(anode)인 투명전극인 ITO를 부식시켜, 소자의 효율 및 수명을 저하시키는 원인이 되고 있다.
이를 해결하고자 Kyaw등은 Appl. Phys. Lett. 93, 221107 (2008) ITO 투명전극을 캐소드(cathode)로 적용하고, 메탈전극을 애노드(anode)로 적용한 인버티드 구조의 유기태양전지를 제시하였다. 상기 구조에서는, 전자포획층(electron selecting layer)로써 산화아연을, 전공포획층(hole selecting layer)로써 산화 몰리브데늄을 적용하였다. 하지만, 상기구조의 유기태양전지는 일반적인 구조의 유기태양전지보다 3.09%의 낮은 에너지 변환효율을 보였다.
상기 인버티드 구조의 유기태양전지에서는 정공포획층으로 증착공정을 적용해야 하는 산화 몰리브데늄을 사용함으로써, 공정비용의 상승 및 롤-투-롤 등의 연속공정에 적용하기 어렵다는 단점을 가진다. 따라서, 용액공정을 위해서는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS를 정공포획층으로 사용하게 되는데, 소수성을 가지는 광활성층 위에 친수성의 PEDOT:PSS를 스핀코팅할 경우 정공포획층 박막의 품질이 저하되어 1~2%대의 낮은 에너지 변환효율을 보이는 또 다른 단점이 발생하게 된다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 주된 목적은 인버티드 구조의 유기태양전지를 제작함에 있어, 정공포획층으로 사용되는 PEDOT:PSS 층의 형성 시, 친전자성 기능기를 가지는 수용성 계면활성제(surfactant)를 첨가하여, 모폴로지를 향상시켜 단락전류밀도(short circuit current density), 개방전압(open circuit voltage), 필팩터(fill factor)의 증가를 통한 고효율의 인버티드 구조의 유기태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 투명기판 위에 형성된 제1전극, 전자포획층, 광전변화층, 정공포획층 및 제2전극을 포함하는 인버티드 구조의 유기태양전지에 있어서, 상기 정공포획층에 친전자성 기능기를 가지는 수용성 계면활성제(surfactant)를 첨가하여, 모폴로지를 향상시키는 것을 특징으로 하는 인버티드 구조의 유기태양전지를 제공한다.
본 발명은 또한 상기 정공포획층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 인버티드 구조의 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 제조방법은 (1) 소수성인 광활성층 위에 친수성인 PEDOT:PSS를 코팅할 수 있도록 PEDOT:PSS를 잉크화 하는 단계; (2) 상기 잉크화 된 PEDOT:PSS에 계면활성제를 일정 비율로 혼합하는 단계; 및 (3) 상기 제조된 PEDOT:PSS 잉크를 코팅하여 정공포획층을 형성 하는 단계; 및 (4) 상기 형성된 정공포획층을 적용한 인버티드 구조의 유기태양전지를 제작하는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 정공포획층의 모폴로지 향상을 통한 고효율 인버티드 구조의 유기 태양전지를 제공하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 정공포획층은 용액공정으로 제작이 가능하므로, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅 등의 비교적 간단한 공정으로 박막을 형성 할 수 있기 때문에 대면적, 고효율, 장수명의 유기태양전지를 저렴한 가격으로 제작 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유기태양전지의 구조이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 PEDOT:PSS 잉크에 다양한 중량%의 Surfynol 104E 를 첨가한 박막을 적용한 유기태양전지의 전류밀도-전압 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 PEDOT:PSS 잉크에 다양한 중량%의 Surfynol 104E 를 첨가한 박막을 적용한 유기태양전지의 IPCE 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PEDOT:PSS 잉크에 다양한 중량%의 Surfynol 104PA 를 첨가한 박막을 적용한 유기태양전지의 전류밀도-전압 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 PEDOT:PSS 잉크에 다양한 중량%의 Surfynol 104PA 를 첨가한 박막을 적용한 유기태양전지의 IPCE 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 PEDOT:PSS 잉크를 스핀코팅한 박막의 표면모폴로지를 AFM을 통해 관찰한 이미지 이다.(RMS : 60.315nm)
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 PEDOT:PSS 잉크에 Surfynol 104E 를 0.1중량 % 첨가 후 스핀코팅한 박막의 표면모폴로지를 AFM을 통해 관찰한 이미지 이다.(RMS : 39.502nm)
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 PEDOT:PSS 잉크에 Surfynol 104PA 를 0.1중량 % 첨가 후 스핀코팅한 박막의 표면모폴로지를 AFM을 통해 관찰한 이미지 이다.(RMS : 31.827nm)
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 유기태양전지의 개략적인 구조로, 도시된 바와 같이, 하부로부터 기판(110), 제1 전극(120), 전자포획층(130), 광변환층(140) 정공포획층(150) 및 제2 전극(160)이 적층된 구조를 갖는다.
본 발명에서, 소자 제작에 사용되는 상기 기판(110)은 유리 및 석영판 이외에도 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polyperopylene), PI(polyimide), PC(polycarbornate), PS(polystylene), POM(polyoxyethlene), AS 수지, ABS 수지 및 TAC(Triacetyl cellulose) 등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질로 제조될 수 있다.
상기 제1 전극(120)은 스퍼터링, E-Beam, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 투명전극 물질을 상기 기판의 일면에 도포되거나 필름형태로 코팅됨으로써 형성된다. 제1 전극(120)은 캐소드의 기능을 하는 부분으로써, 후술하는 제2 전극(160)에 비해 일함수가 큰 물질로 투명성 및 도전성을 갖는 임의의 물질이 사용될 수 있다. 예를 들면, ITO(indium tin oxide), 금, 은, 플로린이 도핑된 틴 옥사이드(fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(aluminium doped zink oxide, AZO), IZO(indium zink oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 ATO(antimony tin oxide) 등이 있으며, 바람직하게는 ITO를 사용하는 것이 좋다.
패터닝된 ITO 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로판올(IPA)로 순차적으로 세정한 다음 수분제거를 위해 가열판에서 100~150℃로 1~30분간, 바람직하게는 120℃에서 10분간 건조하고, 기판이 완전히 세정되면 기판 표면을 친수성으로 개질한다.
상기와 같은 표면 개질을 통해 접합표면전위를 전자포획층의 표면 전위에 적합한 수준으로 유지할 수 있으며, 개질 시 ITO 기판 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상된다. 이를 위한 전처리 기술로는 a) 평행평판형 방전을 이용한 표면 산화법, b) 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 및 c) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 산화하는 방법 등이 있으며, 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한 가지를 선택하게 되는데 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 기판 표면의 산소이탈을 방지하고 수분 및 유기물의 잔류를 최대한 억제해야 전처리의 실질적인 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용하였으며, 초음파 세정 후 패턴된 ITO 기판을 가열판(hot plate)에서 베이킹(baking) 하여 잘 건조시킨 다음 챔버에 투입하고 UV 램프를 작용시켜 산소가스가 UV광과 반응하여 발생하는 오존에 의해 패턴된 ITO 기판을 세정하게 된다.
그러나, 본 발명에 있어서의 패턴된 ITO 기판의 표면개질방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무방하다.
상기 전처리된 제1 전극(120)의 상부에는 비정질 ZnO 전자포획층(130)이 스핀코팅 또는 딥코팅 등의 방법을 통해 도입되는데, 본 발명에서는 졸-겔 법으로 합성된 ZnO 전구체를 1:0.25 내지 1:5의 중량비로 물 또는 알코올과 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 ZnO 전구체를 비정질의 ZnO로 만들기 위해서는 전처리 된 ITO 투명전극 위에 ZnO 전구체와 물 또는 알코올이 1:0.2 내지 1:1의 중량비, 바람직하게는 1:0.25내지 1:0.75의 중량비로 혼합된 혼합액을 1000rpm 내지 4000rpm의 속도로 스핀코팅하여 박막을 형성한다. 형성된 박막을 UVO 클리너에 넣어 5분 내지 1시간 동안, 바람직하게는 10분 내지 30분동안 UV를 조사한 후, 가열판에서 80℃ 내지 300℃, 바람직하게는 100℃ 내지 200℃로 30분 내지 3시간, 바람직하게는 1시간 내지 2시간 동안 열처리 한다.
본 발명의 광전변환층(140)은, 폴리-3-헥실티오펜(P3HT) 및 C-T 타입 고분자 및 그의 유도체를 전자공여체로 하고, [6,6]-페닐-C 61 -부틸산 메틸에스테르(PCBM(C 60 )) 및 [6,6]-페닐-C 71 -부틸산 메틸에스테르(PC 71 BM)를 전자수용체로 하며, 그 비율은 1 : 0.5 ~ 1 : 2, 바람직하게는 1 : 0.6 ~ 1 : 1.0의 중량비로 배합되어 있는 광전변환물질을 사용할 수 있다.
상기와 같은 광전변환물질들은 유기용매에 용해시키는데, 바람직하게는 2가지 이상의 끓는점이 다른 유기용매에 용해시킨 용액을 스핀코팅 등의 방법으로 10nm 내지 150nm, 바람직하게는 60nm 내지 120nm 두께로 광전변환층을 도입한다. 이때, 광전변환층은 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이드, 브러쉬 페인팅 등의 방법을 응용할 수 있다.
또한, 상기 전자수용체는 PCBM(C 60 )을 포함하여, C 70 , C 76 , C 78 , C 80 , C 82 , C 84 등의 다른 플러렌 유도체를 사용할 수도 있으며, 코팅된 박막은 80℃ 내지 160℃, 바람직하게는 90℃ 내지 140℃에서 어닐링 하여 전도성 고분자의 결정성을 높여주는 것이 좋다.
상기 정공포획층(150)은 광전변환층(140)이 도입된 상태에서 전도성 고분자인 PEDOT:PSS에 부탄올(butanol)을 0.5 내지 1.5 중량%, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)을 0.5 내지 1.5 중량% 혼합하여 소수성인 광전변환층 위에 스핀코팅할 수 있도록 PEDOT:PSS를 잉크화 하였다. 상기 잉크에 젖음성 및 슬립성을 개선시켜 모폴로지의 향상을 통한 에너지 변환효율 증대를 위해 계면활성제인 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올이 2-에틸헥산올(2-ethylhexanol), 2-부톡시헥산올(2-butoxyethanol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), n-프로필 알코올(n-propyl alcohol), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 용매에 50 내지 75% 용해된 용액을 0.1내지 1중량% 첨가하였다.
Figure pat00001
2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올
상기 개선된 PEDOT:PSS를 1000rpm 내지 4000rpm으로 스핀코팅하고, 120℃로 20분동안 열처리 하여, 10nm 내지 40nm 두께의 정공포획층을 얻을 수 있었다.
또한, 상기 정공포획층(150)이 도입된 상태에서 상부에 제2전극층(160)을 형성한다. 제2전극층은 5× 10-7 torr 이하의 진공도를 보이는 열증착기 내부에서 증착되는데, 사용가능한 재료로는 알루미늄, 은, 금 등이 있으며, 바람직하게는 은을 제2전극층으로 사용하는것이 좋다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1. 패턴된 ITO 기판 세정
패턴된 ITO glass(면저항: ~15 Ω/sq2, 삼성 코닝, 한국) 기판의 표면을 세정하기 위하여, 세정제(Alconox, Aldrich, 미국), 아세톤, 및 이소프로판올(IPA)을 사용해 순차적으로 각각 20분씩 초음파 세정을 실시한 후, 질소로 물기를 완전히 불어낸 다음 가열판에서 120℃로 10분간 건조해 수분을 완전히 제거하였다.
패턴된 ITO 기판의 세정이 완료되면, UVO 세정기(UVO cleaner, Ahtech LTS, 한국)에서 10분 동안 표면을 친수성으로 개질하였다.
실시예 2. ZnO 전구체의 합성
비정질 ZnO 전자포획층을 형성할 ZnO 전구체를 합성하기 위하여, 30 ㎖ 바이알에 10ml의 2-methoxyethanol(Aldrich, 미국)과, 0.379g의 zinc acetate(Aldrich, 미국)를 넣고 교반한 후, 0.0528g의 ethanol amine을 넣고 80℃에서 2시간 동안 교반한다.
실시예 3. ZnO 전구체 용액 제조
상기 실시예 2에서 합성한 ZnO 전구체에 이소프로필알코올(IPA)를 1:0.5 내지 1:1 중량로 희석하고, 90℃ 가열판에서 30분간 가열 후, 24시간 동안 교반한다.
실시예 4. 정공포획층용 PEDOT : PSS 잉크 제조
전도성 고분자인 PEDOT:PSS는 PEDOT과 도판트인 PSS가 물에 분산된 형태로, 친수성 물질이다. 이를 소수성을 띠고 있는 광활성층에 스핀코팅하기 위해서는, PEDOT:PSS를 개질해야 한다. 따라서, 젖음성이 좋은 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)을 0.75 중량%, 부탄올(butanol)을 0.75 중량% 혼합하여 소수성인 광전변환층 위에 PEDOT:PSS층을 형성할 수 있도록 PEDOT:PSS를 잉크화 하였다.
실시예 5. 정공포획층의 모폴로지 향상을 위한 PEDOT : PSS 잉크 제조
상기 실시예 4에서 제조한 PEDOT:PSS 잉크에 젖음성, 슬립성 및 접착특성을 향상시키기 위해 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올을 에틸렌글리콜(EG)에 50중량% 첨가한 용액인 Surfynol 104E(Air products, 미국)과 이소프로필 알코올(IPA)에 50중량% 첨가한 용액인 Surfynol 104PA(Air products, 미국)에 각각 0.1중량% 내지 0.3중량% 첨가하고 24시간동안 교반하였다.
실시예 6. 유기태양전지의 제조(1)
실시예 1에서 준비한 ITO glass 기판에 실시예 3의 방법으로 준비한 ZnO 전구체를 스피코팅법을 이용하여 약 40nm 두께의 ZnO 박막을 얻었으며, 30분동안 UV 조사 후 150℃에서 2시간동안 열처리를 실시하여 전자포획층을 형성하였다.
P3HT와 PCBM을 1 : 0.6의 중량비로 혼합한 광전변환층 재료를 클로로벤젠 용매에 1.5중량%의 농도로 용해시키고, 상기의 전자포획층이 도입된 ITO 기판에 스핀코팅한 다음 120℃에서 10분간 열처리하여 130 ㎚ 두께의 광전변환층을 도입하였다.
정공포획층을 형성하기 위해서, 실시예 5에서 제조한 PEDOT:PSS 잉크를 스핀코팅하였다. 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올을 에틸렌글리콜(EG)에 50중량% 첨가한 용액을 실시예 4에서 제조한 PEDOT:PSS 잉크에 0.1중량% 첨가한 용액을 사용하였으며, 3000rpm으로 스핀코팅한 후, 120℃에서 20분 가열하여 약 30nm 두께의 정공포획층을 제작하였다.
이어서 5× 10-7 torr 이하의 진공도를 보이는 열증착기 내부에서 제2전극층으로 은(Ag)을 4Å/s의 속도로 70nm 증착하여 유기태양전지를 제조하였다.
실시예 7. 유기태양전지의 제조(2)
상기 실시예 6과 동일한 방법 및 조건으로 유기태양전지를 제조하되, 정공포획층 제조시 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올을 에틸렌글리콜(EG)에 50중량% 첨가한 용액을 실시예 4에서 제조한 PEDOT:PSS 잉크에 0.2중량% 첨가한 용액을 사용하여 제조하였다.
실시예 8. 유기태양전지의 제조(3)
상기 실시예 7과 동일한 방법 및 조건으로 유기태양전지를 제조하되, 정공포획층 제조시 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올을 에틸렌글리콜(EG)에 50중량% 첨가한 용액을 실시예 4에서 제조한 PEDOT:PSS 잉크에 0.3중량% 첨가한 용액을 사용하여 제조하였다.
실시예 9. 유기태양전지의 제조(4)
상기 실시예 8과 동일한 방법 및 조건으로 유기태양전지를 제조하되, 정공포획층 제조시 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올을 이소프로필 알코올(IPA)에 50중량% 첨가한 용액을 실시예 4에서 제조한 PEDOT:PSS 잉크에 0.1중량% 첨가한 용액을 사용하여 제조하였다.
실시예 10. 유기태양전지의 제조(5)
상기 실시예 9와 동일한 방법 및 조건으로 유기태양전지를 제조하되, 정공포획층 제조시 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올을 이소프로필 알코올(IPA)에 50중량% 첨가한 용액을 실시예 4에서 제조한 PEDOT:PSS 잉크에 0.2중량% 첨가한 용액을 사용하여 제조하였다.
실시예 11. 유기태양전지의 제조(6)
상기 실시예 10과 동일한 방법 및 조건으로 유기태양전지를 제조하되, 정공포획층 제조시 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올을 이소프로필 알코올(IPA)에 50중량% 첨가한 용액을 실시예 4에서 제조한 PEDOT:PSS 잉크에 0.3중량% 첨가한 용액을 사용하여 제조하였다.
비교예 1. 유기태양전지의 제조(7)
상기 실시예 6과 동일한 방법 및 조건으로 유기태양전지를 제조하되, 정공포획층의 제작시 실시예 4에서 제조한 PEDOT:PSS 잉크를 사용하여 제조하였다.
실험예 1. 유기태양전지의 특성 평가
상기 실시예 6내지 11에서 제조한 유기태양전지의 전기광학적 특성을 측정하기 위하여, 키슬리 2400 소스미터와 태양광 모의실험장치(Oriel 150W solar simulator)를 사용해 표준조건(Air Mass 1.5 Global, 100 ㎽/㎠, 25℃)에서 전류-전압밀도를 측정하였다.
상기 유기태양전지들의 광단락전류밀도(Jsc), 광개방전압(Voc), Fill Factor(FF) 및 에너지변환효율은 하기 표 1에 나타내었다.
이때, Fill Factor(FF)는 최대 전력점에서 전압값(Vmax)× 전류밀도(Jmax)/(Voc× Jsc), 에너지변환효율은 FF× (Jsc× Voc)/Pin, Pin=100[㎽/㎠]으로 계산하였다.
광단락전류밀도
Jsc(㎃/㎠)		 광개방전압
Voc(V)		 Fill Factor
(%)		 에너지변환효율
(%)
실시예 6 10.4 0.595 50.0 3.1
실시예 7 9.7 0.595 46.2 2.7
실시예 8 9.4 0.595 40.0 2.2
실시예 9 9.7 0.636 55.4 3.4
실시예 10 4.7 0.474 36.4 3.1
실시예 11 7.8 0.535 46.6 2.9
비교예 1 10.1 0.575 43.1 2.5
실시예 6내지 실시예 8은 PEDOT:PSS 잉크에 Surfynol 104E의 첨가량에 따른 유기태양전지의 특성을 비교한 것으로, 도 2에 전류밀도-전압(J-V) 특성 그래프를 나타내었고, 도 3에는 입사광자의 전류변환효율(incident photon-to-current conversion efficiency; IPCE) 그래프를 나타내었다. 계면활성제를 첨가하지 않은 비교예 1의 경우, 광단락전류밀도는 10.1㎃/㎠, 광개방전압은 0.575V, 필팩터는 43.1%로써 계산된 에너지변환효율은 2.5%를 나타냈다. 하지만, 계면활성제인 Surfynol 104E를 0.1중량% 첨가한 실시예 6의 경우, 광단락전류밀도는 10.4㎃/㎠, 광개방전압은 0.595V로 각각 소폭 상승하였지만, 필팩터는 50%로 16% 향상되어 3.1%의 에너지 변환효율을 보였다. 이는 비교예 1보다 24%이상 향상된 결과이다.
실시예 9내지 실시예 11은 PEDOT:PSS 잉크에 Surfynol 104PA의 첨가량에 따른 유기태양전지의 특성을 비교한 것으로, 도 4에 전류밀도-전압(J-V) 특성 그래프를 나타내었고, 도 5에는 입사광자의 전류변환효율(incident photon-to-current conversion efficiency; IPCE) 그래프를 나타내었다. 계면활성제인 Surfynol 104PA를 0.1중량% 첨가한 실시예 9의 경우, 광단락전류밀도는 9.7㎃/㎠로 소폭 감소하였지만, 광개방전압은 0.636V, 필팩터는 55.4%로 각각 10%, 28% 향상되어 3.4%의 에너지 변환효율을 보였다. 이는 비교예 1보다 36%이상 향상된 결과이다.
상기 실시예에 따른 에너지 변환효율 증대의 원인을 찾아보고자, 원자력간 현미경(Atomic Force Microscope; AFM)을 통해 박막표면을 관찰하였다. 실시예 6과 실시예 9의 박막 모폴로지는 각각 39.502nm와 31.827nm로 비교예 1의 박막 모폴로지인 60.315nm보다 향상된 것을 알 수 있다. 따라서, 정공포획층의 모폴로지의 향상으로 인해 제작된 상기 소자의 특성이 향상된 것을 알 수 있었다.
이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 투명기판 위에 형성된 제1 전극, 전자포획층, 광변환층, 정공포획층 및 제2 전극을 포함하는 태양전지에 있어서,
    정공포획층에 수용성 계면활성제를 첨가하여 모폴로지를 향상시킨 것을 특징으로 하는 인버티드 구조의 유기태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전자포획층은 졸-겔 법으로 합성된 산화아연 전구체와 물 또는 알코올을 1:0.25 내지 1:5의 중량비로 혼합한 혼합물인 비정질 산화아연 층인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전자포획층은 스핀 코팅 또는 딥 코팅 방법을 사용하여 상기 제1전극 상부에 도입되는 비정질 산화아연 박막인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 비정질 산화아연 박막은, 산화아연 전구체와 물 또는 알코올을 1:0.2 내지 1:1의 중량비로 혼합한 혼합액을 1000rpm 내지 4000rpm의 속도로 스핀 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 비정질 산화아연 박막은, 스핀 코팅 또는 딥 코팅 후 UVO 클리너에서 5분 내지 1시간 동안 UV를 조사한 후 가열판에서 80 내지 300℃, 30분 내지 3시간동안 열처리되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 계면활성제는 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 계면활성제는 2-에틸헥산올(2-ethylhexanol), 2-부톡시헥산올(2-butoxyethanol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), n-프로필 알코올(n-propyl alcohol), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 프로필렌 글리콜(propylene glycol)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 용매에 50 내지 75% 용해된 용액을 0.1내지 1중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  8. 정공포획층에 수용성 계면활성제를 첨가하여 모폴로지를 향상시킨 것을 특징으로 하는 인버티드 구조의 유기태양전지의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 정공포획층은
    (1) 소수성인 광활성층 위에 친수성인 PEDOT:PSS를 코팅할 수 있도록 PEDOT:PSS를 잉크화 하는 단계;
    (2) 상기 잉크화 된 PEDOT:PSS에 계면활성제를 일정 비율로 혼합하는 단계;
    (3) 상기 제조된 PEDOT:PSS 잉크를 코팅하여 정공포획층을 형성 하는 단계; 및
    (4) 상기 형성된 정공포획층을 적용한 인버티드 구조의 유기태양전지를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제 (1) 단계에 있어서, PEDOT:PSS를 잉크화 하기 위해 PEDOT:PSS에 부탄올 0.5 내지 1.5중량%, 이소프로필 알코올 0.5 내지 1.5중량%dmf 혼합하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 제 (2)단계에 있어서, 계면활성제는 2,4,7,9-테트라메틸-5-데킨-4,7-디올이 2-에틸헥산올(2-ethylhexanol), 2-부톡시헥산올(2-butoxyethanol), 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), n-프로필 알코올(n-propyl alcohol), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol) 및 프로필렌 글리콜(propylene glycol)로 구성된 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 용매에 50 내지 75% 용해된 용액을 0.1내지 1중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 제 (3)단계에 있어서, PEDOT:PSS 잉크를 1000rpm 내지 4000rpm으로 스핀코팅하고 120℃로 20분간 열처리하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
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