KR20120067631A - 유기태양전지 제조를 위한 스프레이 코팅장치 및 이에 의하여 제조되는 유기태양전지 - Google Patents

유기태양전지 제조를 위한 스프레이 코팅장치 및 이에 의하여 제조되는 유기태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기태양전지 제조를 위한 스프레이 코팅장치 및 이에 의하여 제조되는 유기태양전지에 관한 것으로서, 상세하게는 스프레이 코팅장치에 있어서, 상기 스프레이 코팅장치의 노즐이 원료액이 주입되는 중심부(core)부분과 중심부 바깥부분(clad)부분의 공기주입부분으로 구분되어 구성되는 것을 특징으로 하는 스프레이 코팅장치 및 이를 통해 제조되는 유기태양전지를 제공한다.
본 발명의 스프레이 코팅장치는 노즐이 원료액이 주입되는 중심부(core)부분과 중심부 바깥부분(clad)부분의 공기주입부분으로 구분되어 구성되어, 상기 스프레이 코팅장치를 통하여 유기태양전지의 광활성층 제조 시 거칠기가 낮은, 즉 표면에 더욱 평탄한 광활성층을 제조할 수 있는 특징이 있다.
또한, 상기 스프레이 코팅장치를 통하여 대면적 유기태양전지를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

유기태양전지 제조를 위한 스프레이 코팅장치 및 이에 의하여 제조되는 유기태양전지{Spray coating apparatus for organic solar cell, and the organic solar cell thereby}
본 발명은 유기태양전지 제조를 위한 스프레이 코팅장치 및 이에 의하여 제조되는 유기태양전지에 관한 것이다.
최근 유가 상승과 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양전지에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
태양전지란 광기전력효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로서, 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기태양전지 등으로 구분된다. 하지만 현재 태양전지의 주된 부분을 차지하고 있는 무기물 실리콘 태양전지는 고가의 재료와 복잡한 제작공정으로 인하여 제조단가가 여전히 높다.
상기와 같이 무기물 실리콘 태양전지의 높은 제조단가로 인하여 최근 많은 연구와 진전이 이루어지고 있는 유기태양전지가 저가형 태양전지의 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 유기태양전지는 유기 재료의 손쉬운 가공성과 다양성, 낮은 단가로 인해 기존 태양전지와 비교하여 소자 제작과정이 간단하고 값싼 제조단가의 실현이 가능한 특징이 있다. 현재 유기태양전지는 7% 대의 광전변환효율을 달성하고 있으며 계속해서 성능향상이 이루어지고 있다.
이때, 상기 유기태양전지의 제조에 있어 종래 고진공이 필요한 기상화학증착법 및 스퍼터링법을 이용하지 않고 스핀코팅 등의 용액 공정으로 소자를 제작할 수 있으며, 또한 유기태양전지에 유기 반도체 재료를 이용한 활성층을 형성시키는 방법에 있어서 스핀코팅, 스크린 인쇄법 및 잉크젯 인쇄법 등이 대표적인 방법으로 알려져 있다.
한편, 2001년 미국 아리조나대학의 G.E. Jabbour교수팀은 MDMO-PPV:PCBM 혼합물을 스크린 인쇄법을 통해 유기태양전지 소자화하여 27 mW/cm2 의 488 nm 단색광 레이저하에서 4.3%의 에너지변환효율을 있음을 발표하였으나, 상기 결과는 단색 레이저광하에서의 효율로서 실제 AM 1.5G의 광원하에서는 매우 낮은 효율을 보이는 문제가 있다([Appl.Phys. Lett., 79, 2996 (2001)).
또한, 2005년 일본 Matushita사에서는 MDMO-PPV:PCBM을 스크린 인쇄법으로 1.8~2.4%의 에너지변환효율을 갖는 유기태양전지 소자를 제작하였고(IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 31st, 125 (2005)), 2007년 F.C. Krebs그룹에서는 MDMO-PPV를 스핀코팅하고, C60를 진공증착하는 방법으로 655.2 cm2 의 대면적 플렉서블 유기태양전지를 제작하여 0.0002%의 에너지 변환효율을 보고하였으나 상기 변환효율은 매우 낮은 문제가 있다.
나아가, 2007년 12월 Adv. Mater.지에 C.J. Brabec은 잉크젯 인쇄법을 통해 유기반도체 박막을 형성하여 2.9%의 에너지 변환효율을 갖는 유기태양전지 소자를 발표하였으나 잉크젯 인쇄법을 사용하여 다층구조형성시 각층이 혼합되는 문제가 있다(Adv. Mater. 19, 3973-3978 (2007)).
상기와 같이 화석에너지를 대체할 새로운 에너지 수단으로 주목받고 있는 유기태양전지는 대면적화할 경우 높은 저항으로 인한 낮은 에너지 변환 효율이라는 문제를 안고 있다.
따라서 대면적 태양전지의 제조시 효율의 손실이 낮은 제조방법이 요구되어 있는 실정이며, 또한 현재의 스핀코팅을 통한 광활성층의 제조는 대면적화를 위한 공정 및 롤-투-롤(roll-to-roll)공정에 적합하지 않아 새로운 공정이 요구되고 있는 실정이다.
한편, 스프레이 코팅공정은 그래픽예술, 산업적 코팅 및 채색 분야에서 널리 응용되고 있는 공정이다. 상기 스프레이 코팅공정에 있어서 원료용액의 적절한 배합 및 공정조건을 최적화한다면 광활성층의 두께 및 표면거칠기를 적절히 조절하여 제조할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
현재, 스핀코팅공정을 대체하는 스프레이 코팅공정이 몇몇 그룹에 의해 연구되고 있으나 대면적 태양전지를 위한 연구가 아닌 연구용 소면적 셀의 제조에 머무르고 있는 실정이며, 대면적화를 달성할 수 있는 스프레이 코팅공정의 특징을 주목하지 못하고 있다.
일예로서, 대한민국 공개특허 10-2008-0040518호에서는 기판 상에 애노드 전극을 형성하는 단계; 애노드 전극 상부에 광전 변환층을 형성하는 단계; 및 광전 변환층 상부에 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기 태양전지의 제조 방법이 개시되어 있으나, 광전 변환층이 스핀코팅을 통해서 형성되며 스프레이 코팅을 통해서 형성되는 애노드 및 캐소드 전극을 대면적으로 제조할 수 없는 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 상기 스프레이 코팅을 이용하되, 상기 스프레이 코팅장치의 노즐부분을 중심부(core)와 외측부분(clad)로 구분하여, 대면적 유기태양전지에 적용할 수 있는 본 발명의 태양전지 제조를 위한 스프레이 코팅장치 및 이에 의하여 제조되는 태양전지를 완성하였다.
본 발명의 목적은 태양전지 제조를 위한 스프레이 코팅장치 및 이에 의하여 제조되는 태양전지를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 스프레이 코팅장치의 노즐이 원료액이 주입되는 중심부(core)부분과 고압가스가 주입되는 중심부 바깥부분(clad)으로 구분되어 구성되는 것을 특징으로 하는 스프레이 코팅장치 및 이에 의하여 제조되는 태양전지를 제공한다.
본 발명의 스프레이 코팅장치는 노즐이 원료액이 주입되는 중심부(core)부분과 고압가스가 주입되는 중심부 바깥부분(clad)부분으로 구분되어, 상기 스프레이 코팅장치를 통하여 유기태양전지용 n형전도막, 광활성층 및 p형전도막 제조 시 거칠기가 낮은, 즉 표면이 더욱 평탄한 유기태양전지용 박막을 제조할 수 있는 특징이 있다.
또한, 상기 스프레이 코팅장치를 통하여 대면적 태양전지용 박막을 코팅할 수 있으며 이를 통하여 대면적 유기태양전지를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 나타낸 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 유기태양전지를 나타낸 개략도이고;
도 3은 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 통해 생성된 광활성층의 두께변화를 나타낸 그래프이고;
도 4는 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 통해 생성된 N형전도막의 두께변화를 나타낸 그래프이고;
도 5는 스프레이 코팅장치 및 스핀코팅장치를 통해 생성된 광활성층의 표면을 원자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 6는 스프레이 코팅장치 및 스핀코팅장치를 통해 생성된 N형전도막의 표면을 원자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 7은 본 발명에 따른 유기태양전지들의 효율 측정 그래프 1이고;
도 8은 본 발명에 따른 유기태양전지들의 효율 측정 그래프 2이고;
도 9는 본 발명에 따른 유기태양전지들의 효율 측정 그래프 3이고;
도 10은 본 발명에 따른 유기태양전지들의 효율 측정 그래프 4이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 스프레이 코팅장치에 있어서, 상기 스프레이 코팅장치의 노즐이 원료액이 주입되는 중심부(core)부분과 고압가스가 주입되는 중심부 바깥부분(clad)으로 구분되어 구성되는 것을 특징으로 하는 스프레이 코팅장치를 제공한다. 이때, 본 발명의 상기 스프레이 코팅장치의 개략도를 하기 도 1에 나타내었다.
본 발명에 따른 상기 스프레이 코팅장치는 기존의 스프레이 코팅장치와는 달리 노즐이 원료액이 주입되는 중심부(core)부분과 중심부 바깥부분(clad)부분의 고압가스가 주입부분으로 구분되어 구성됨으로써, 코팅층의 표면에 더욱 평탄하게 코팅되는 장점이 있다.
이때, 상기 스프레이 코팅장치는 노즐 또는 기판이 이동 가능한 특징이 있다.
즉, 상기 노즐 또는 기판이 이동 가능함으로써 대면적 코팅층의 형성이 가능하며, 이는 기존의 스핀코팅을 통해서 코팅이 수행되었던 분야에 본 발명의 스프레이 코팅장치를 적용 시 대면적 코팅층을 평탄하게 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치는 마이크로 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 스프레이 코팅장치가 마이크로 펌프를 포함함으로써 노즐로 주입하는 원료용액의 유량조절을 원활하게 수행할 수 있는 효과가 있으며, 나아가 상기 스프레이 코팅장치를 통해 코팅막을 형성 시 코팅막의 두께조절이 용이한 효과가 있다.
본 발명에 따른 스프레이 코팅장치에 있어서, 상기 고압가스는 공기, 질소 및 아르곤을 포함하는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 투명전극이 코팅된 기판 상부로 P형전도막을 코팅하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 코팅된 P형전도막 상부로 광활성층을 코팅하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 코팅된 광활성층 상부로 N형전도막을 코팅하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 코팅된 N형전도막 상부로 금속전극을 코팅하는 단계(단계 4)를 포함하는 유기태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1 내지 3의 코팅 중 적어도 하나 이상의 코팅은 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치로 수행되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법에 있어서 상기 단계 1은 투명전극이 코팅된 기판 상부로 P형전도막을 코팅하는 단계이다. 이때, 상기 투명전극은 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드(AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드(IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이의 혼합물로 이루어질 수 있으며, 인듐틴옥사이드를 사용하는 것이 바람직하나 이에 제한을 두지 않는다. 상기 인듐틴옥사이드(ITO, Indium Tin Oxide)는 투명하되 높은 전기전도도를 가지는 특징이 있기 때문에 태양전지 및 디스플레이 분야에 널리 적용되고 있으며, 본 발명의 단계 1에서 상기 인듐틴옥사이드(ITO, Indium Tin Oxide)를 사용함으로써 인듐틴옥사이드(ITO, Indium Tin Oxide)코팅층이 투명전극역할을 수행하게 된다.
나아가, 상기 단계 1의 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트(PAR) 및 폴리이미드(PI)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 플렉시블 고분자 기판, SUS(steel use stainless), 알루미늄, 스틸(steel) 및 구리로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속기판, 또는 유리기판인 것이 바람직하나 이에 제한을 두지 않는다.
상기 단계 1에서 코팅되는 P형전도막으로는 PEDOT:PSS[폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리(스티렌설포네이트)], 산화니켈 (NiO), 산화구리 (CuO)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 PEDOT:PSS는 고분자의 높은 가공성을 이용하여 다양한 프린팅 공정으로 소자를 제조할 수 있으며, 전도성이 우수하여 유기태양전지의 광변환효율을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법에 있어서 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 코팅된 P형전도막 상부로 광활성층을 코팅하는 단계이다. 이때, 상기 광활성층은 전자주게 물질(electron donor)과 전자받게 물질(electron acceptor)을 적절하게 혼합하고 이를 코팅함으로써 형성될 수 있으며, 이를 통하여 전하 이동이 효율적으로 이루어지는 이중연속상 상호침투 망상형 고분자 복합막인 광활성층을 제조할 수 있다. 상기 전자주게 물질로는 폴리티오팬 유도체, 폴리(파라-페닐렌) 유도체, 폴리 플로렌 유도체, 폴리아세틸렌 유도체, 폴리피롤 유도체, 폴리비닐카바졸 유도체, 폴리아닐린 유도체, 폴리페닐렌비닐렌 유도체 등을 사용할 수 있고, 전자받게 물질로는 플러렌(C60 플러렌 및 C70 플러렌) 및 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실 비스벤즈이미다졸(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole, PTCBI)과 같은 유기계 전자친화성 재료 및 이의 유도체 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법 중 단계 2에서는 전자 주개 물질로써 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene)을 사용하였으며, 전자 받개 물질로써 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)을 사용하였다.
상기 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene)은 우수한 광안정성과 높은 전자 이동도를 나타내며, 특히 0.1cm2V-1s-1 정도의 높은 전자이동도로 유기태양전지 제조에 유리한 특징이 있다.
또한 상기 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)은 전자 수용성이 우수한 특징이 있다.
한편, 상기 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene)의 혼합비율은 0.6:1에서 1:1인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 범위로 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene)가 혼합됨으로써, 더욱 광변환효율이 높은 광활성층을 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법에 있어서 상기 단계 3은 상기 단계 2에서 코팅된 광활성층 상부로 N형전도막을 코팅하는 단계이다.
이때, 상기 N형 전도막은 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2) 및 탄산세슘(Cs2CO3)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 N형 전도막이 산화아연을 포함하는 경우에는 아연 아세테이트(Zinc acetate), 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol) 및 에탄올아민(ethanolamine)으로 이루어진 혼합용액을 사용하여 N형전도막을 제조할 수 있다. 또한, 상기 N형 전도막이 산화티타늄을 포함하는 경우에는 티타늄 이소프로프옥사이드(titanium isopropoxide, Ti[OCH(CH3)2]4), 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol) 및 에탄올아민(ethanolamine)으로 이루어진 혼합용액을 사용하여 N형전도막을 제조할 수 있다. 나아가, 상기 N형전도막이 탄산세슘(Cs2CO3)을 포함하는 경우에는 탄산세슘(Cs2CO3) 및 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol)로 이루어진 혼합용액을 사용하여 N형전도막을 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 단계 1 내지 3을 통하여 코팅되는 P형전도막, 광활성층 및 N형전도막 각각은 코팅 후 100 내지 300 ℃의 온도에서 1 내지 30 분간 열처리되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법에 있어서 단계 4는 상기 단계 3에서 코팅된 N형전도막 상부로 금속전극을 코팅하는 단계이다. 이때, 상기 금속전극은 리튬플로라이드와 알루미늄 적층(LiF/Al), 칼슘과 알루미늄 적층(Ca/Al), 칼슘과 은 적층(Ca/Ag), 마그네슘과 은 적층(Mg/Ag), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 및 구리 (Cu) 등을 사용할 수 있고, 상기 물질이 둘 이상 포함된 혼합물도 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법은 상기 단계 1 내지 3을 통하여 코팅되는 P형전도막, 광활성층 및 N형전도막 중 어느 하나 이상의 코팅이 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 통해 수행된다. 상기 스프레이 코팅장치는 대면적 코팅에 적합한 특징이 있으며, 형성되는 코팅층의 표면이 기존의 스핀코팅보다 평탄한 효과가 있어 대면적 유기태양전지를 제조 시 높은 광변환효율을 나타내는 유기태양전지를 제조할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법은 투명전극상부 또는 기판상부로 금속그리드 전극을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 투명전극상부 또는 기판상부로 금속그리드 전극을 형성시킴으로써 대면적 유기태양전지를 제조 시 대면적에 따른 높은 저항을 극복하고 높은 광변환효율을 나타낼 수 있는 효과가 있다. 이때 상기 그리드 전극으로는 알루미늄, 은, 금, 크롬, 구리 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 상기 유기태양전지 제조방법을 통하여 제조되는 기판/투명전극/P형전도막/광활성층/N형전도막/금속전극의 순서로 적층된 유기태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 기판/투명전극/P형전도막/광활성층/금속전극의 순서 또는 기판/투명전극/P형전도막/광활성층/N형전도막/금속전극의 순서로 적층된 유기태양전지는 P형전도막, 광활성층 및 N형전도막 중 어느 하나 이상이 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 통하여 코팅됨으로써 코팅막 표면이 종래의 스핀코팅을 통해 수행된 코팅막보다 평탄한 특징이 있어 높은 광변환효율을 나타낼 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 기판/투명전극/P형전도막/광활성층/N형전도막/금속전극의 순서로 적층된 유기태양전지는 투명전극 상부 또는 기판상부로 금속그리드 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 금속그리드 전극은 대면적 유기태양전지 제조 시 높은 저항값을 극복하기 위한 것으로써 본 발명에 따른 유기태양전지가 상기 금속그리드 전극을 포함함으로써 더욱 높은 광변환효율을 나타낼 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 투명전극이 코팅된 기판 상부로 N형전도막을 코팅하는 단계(단계 a);
상기 단계 a에서 코팅된 N형전도막 상부로 광활성층을 코팅하는 단계(단계 b);
상기 단계 b에서 코팅된 광활성층 상부로 P형전도막을 코팅하는 단계(단계 c); 및 상기 단계 c에서 코팅된 P형전도막 상부로 금속전극을 코팅하는 단계(단계 d)를 포함하는 유기태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 단계 a 내지 c의 코팅 중 적어도 하나 이상의 코팅은 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치로 수행되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법에 있어서 상기 단계 a는 투명전극이 코팅된 기판 상부로 N형전도막을 코팅하는 단계이다. 이때, 상기 투명전극은 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드(AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드(IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이의 혼합물로 이루어질 수 있으며, 인듐틴옥사이드를 사용하는 것이 바람직하나 이에 제한을 두지 않는다. 상기 인듐틴옥사이드(ITO, Indium Tin Oxide)는 투명하되 높은 전기전도도를 가지는 특징이 있기 때문에 태양전지 및 디스플레이 분야에 널리 적용되고 있으며, 본 발명의 단계 a에서 상기 인듐틴옥사이드(ITO, Indium Tin Oxide)를 사용함으로써 인듐틴옥사이드(ITO, Indium Tin Oxide)코팅층이 투명전극역할을 수행하게 된다.
나아가, 상기 단계 a의 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트(PAR) 및 폴리이미드(PI)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 플렉시블 고분자 기판, SUS(steel use stainless), 알루미늄, 스틸(steel) 및 구리로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속기판, 또는 유리기판인 것이 바람직하나 이에 제한을 두지 않는다.
단계 a에서 코팅되는 상기 N형 전도막은 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2) 및 탄산세슘(Cs2CO3)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 N형 전도막이 산화아연을 포함하는 경우에는 아연 아세테이트(Zinc acetate), 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol) 및 에탄올아민(ethanolamine)으로 이루어진 혼합용액을 사용하여 N형전도막을 제조할 수 있다. 또한, 상기 N형 전도막이 산화티타늄을 포함하는 경우에는 티타늄 이소프로프옥사이드(titanium isopropoxide, Ti[OCH(CH3)2]4), 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol) 및 에탄올아민(ethanolamine)으로 이루어진 혼합용액을 사용하여 N형전도막을 제조할 수 있다. 나아가, 상기 N형전도막이 탄산세슘(Cs2CO3)을 포함하는 경우에는 탄산세슘(Cs2CO3) 및 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol)로 이루어진 혼합용액을 사용하여 N형전도막을 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법에 있어서 상기 단계 b는 상기 단계 a에서 코팅된 N형전도막 상부로 광활성층을 코팅하는 단계이다. 이때, 상기 광활성층은 전자주게 물질(electron donor)과 전자받게 물질(electron acceptor)을 적절하게 혼합하고 이를 코팅함으로써 형성될 수 있으며, 이를 통하여 전하 이동이 효율적으로 이루어지는 이중연속상 상호침투 망상형 고분자 복합막인 광활성층을 제조할 수 있다. 상기 전자주게 물질로는 폴리티오팬 유도체, 폴리(파라-페닐렌) 유도체, 폴리 플로렌 유도체, 폴리아세틸렌 유도체, 폴리피롤 유도체, 폴리비닐카바졸 유도체, 폴리아닐린 유도체, 폴리페닐렌비닐렌 유도체 등을 사용할 수 있고, 전자받게 물질로는 플러렌(C60 플러렌 및 C70 플러렌) 및 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실 비스벤즈이미다졸(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole, PTCBI)과 같은 유기계 전자친화성 재료 및 이의 유도체 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법 중 단계 b에서는 전자 주개 물질로써 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene)을 사용하였으며, 전자 받개 물질로써 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)을 사용하였다.
상기 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene)은 우수한 광안정성과 높은 전자 이동도를 나타내며, 특히 0.1cm2V-1s-1 정도의 높은 전자이동도로 유기태양전지 제조에 유리한 특징이 있다.
또한 상기 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)은 전자 수용성이 우수한 특징이 있다.
한편, 상기 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene)의 혼합비율은 0.6:1에서 1:1인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 범위로 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene)가 혼합됨으로써, 더욱 광변환효율이 높은 광활성층을 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법에 있어서 상기 단계 c은 상기 단계 b에서 코팅된 광활성층 상부로 P형전도막을 코팅하는 단계이다.
상기 단계 c에서 코팅되는 P형전도막으로는 PEDOT:PSS[폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리(스티렌설포네이트)], 산화니켈 (NiO), 산화구리 (CuO)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 PEDOT:PSS는 고분자의 높은 가공성을 이용하여 다양한 프린팅 공정으로 소자를 제조할 수 있으며, 전도성이 우수하여 유기태양전지의 광변환효율을 향상시키는 효과가 있다.
상기 단계 a 내지 c을 통하여 코팅되는 N형전도막, 광활성층 및 P형전도막각각은 코팅 후 100 내지 300 ℃의 온도에서 1 내지 30 분간 열처리되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법에 있어서 단계 d는 상기 단계 c에서 코팅된 P형전도막 상부로 금속전극을 코팅하는 단계이다. 이때, 상기 금속전극은 리튬플로라이드와 알루미늄 적층(LiF/Al), 칼슘과 알루미늄 적층(Ca/Al), 칼슘과 은 적층(Ca/Ag), 마그네슘과 은 적층(Mg/Ag), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 및 구리 (Cu) 등을 사용할 수 있고, 상기 물질이 둘 이상 포함된 혼합물도 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법은 상기 단계 a 내지 c을 통하여 코팅되는 N형전도막, 광활성층 및 P형전도막 중 어느 하나 이상의 코팅이 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 통해 수행된다. 상기 스프레이 코팅장치는 대면적 코팅에 적합한 특징이 있으며, 형성되는 코팅층의 표면이 기존의 스핀코팅보다 평탄한 효과가 있어 대면적 유기태양전지를 제조 시 높은 광변환효율을 나타내는 유기태양전지를 제조할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법은 투명전극상부 또는 기판상부로 금속그리드 전극을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 투명전극상부 또는 기판상부로 금속그리드 전극을 형성시킴으로써 대면적 유기태양전지를 제조 시 대면적에 따른 높은 저항을 극복하고 높은 광변환효율을 나타낼 수 있는 효과가 있다. 이때 상기 그리드 전극으로는 알루미늄, 은, 금, 크롬, 구리 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 상기 유기태양전지 제조방법을 통하여 제조되는 기판/투명전극/N형전도막/광활성층/P형전도막/금속전극의 순서로 적층된 유기태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 기판/투명전극/N형전도막/광활성층/P형전도막/금속전극의 순서로 적층된 유기태양전지는 N형전도막, 광활성층 및 P형전도막 중 어느 하나 이상이 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 통하여 코팅됨으로써 코팅막 표면이 종래의 스핀코팅을 통해 수행된 코팅막보다 평탄한 특징이 있어 높은 광변환효율을 나타낼 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 기판/투명전극/N형전도막/광활성층/P형전도막/금속전극의 순서로 적층된 유기태양전지는 투명전극 상부로 그리드 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 그리드 전극은 대면적 유기태양전지 제조 시 높은 저항값을 극복하기 위한 것으로써 본 발명에 따른 유기태양전지가 상기 그리드 전극을 포함함으로써 더욱 높은 광변환효율을 나타낼 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다.
단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1> 기판/투명전극/P형전도막/광활성층/금속전극의 순서로 적층된 유기태양전지(이하, 정구조 유기태양전지)의 제조 1
단계 1: 인듐틴옥사이드(ITO, Indium Tin Oxide)가 코팅된 기판(면저항 10Ω/sq.)을 세척하고, P형 전도막으로 PEDOT:PSS(Baytron P) 용액을 0.45 μm 필터를 통해 필터후에 스핀코팅(5000 rpm)하여 40 nm 두께로 형성시켰고 이를 150 ℃의 핫플레이트를 통하여 1분간 열처리 하였다.
단계 2: 1,2-디클로로벤젠 1ml에 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene)를 각각 10 mg씩 혼합하고 이를 본 발명의 스프레이 코팅장치를 통하여 상기 단계 1에서 형성된 P형전도막 PEDOT:PSS 박막 위에 분사하여 250 nm 두께의 광활성층을 형성시켰으며, 용매를 증발시킨 후 질소분위기의 글로브박스(glove box)내에서 150 ℃의 핫플레이트를 통해 20 분간 열처리하였다.
단계 3: 상기 단계 2의 형성된 광활성층 상부로 1.2 nm 두께의 LiF 박막 및 120 nm 두께의 알루미늄 박막을 10-6 Torr 미만의 진공분위기에서 섀도우 마스크(shadow mask)를 통해 진공증착하여 상부전극을 형성시켰고 0.38 cm2의 면적인 유기태양전지를 제조하였다.
<실시예 2> 정구조 유기태양전지의 제조 2
4.08 cm2의 면적인 유기태양전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유기태양전지를 제조하였다.
<실시예 3> 정구조 유기태양전지의 제조 3
9.08 cm2의 면적인 유기태양전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 유기태양전지를 제조하였다.
<실시예 4> 정구조 유기태양전지의 제조 4
12.25 cm2의 면적인 유기태양전지를 제조한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 수행하여 유기태양전지를 제조하였다.
<실시예 5> 정구조 유기태양전지의 제조 5
ITO 투명전극 상부로 200nm 두께의 알루미늄 그리드전극(가로 및 세로 방향 간격 1cm)을 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 4과 동일하게 수행하여 유기태양전지를 제조하였다.
<실시예 6> 기판/투명전극/N형전도막/광활성층/P형전도막/금속전극의 순서로 적층된 유기태양전지(이하, 역구조 유기태양전지)의 제조 1
단계 1: 인듐틴옥사이드(ITO, Indium Tin Oxide)가 코팅된 기판(면저항 10Ω/sq.,)을 세척하고 N형 전도막으로 아연 아세테이트(Zinc acetate), 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol) 및 에탄올아민(ethanolamine)으로 이루어진 혼합용액을 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 통하여 ITO 투명전극 상부로 분사하여 40 nm 두께의 N형전도막을 형성시키고, 200 ℃의 핫플레이트를 통하여 1분간 열처리 하였다.
단계 2: 1,2-디클로로벤젠 1 ml에 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene)를 각각 20 mg씩 혼합하고 이를 스핀코팅(600 rpm)하여 단계 1에서 형성된 N형전도막 상부로 250 nm 두께의 광활성층을 형성시키고, 질소분위기의 글로브박스(glove box)내에서 150 ℃의 핫플레이트를 통해 20 분간 열처리하였다.
단계 3: P형 전도막으로 PEDOT:PSS(Baytron P) 용액을 0.45 μm 필터를 통해 필터 후, 상기 단계 2에서 형성된 광활성층 박막 상부로 스핀코팅(5000 rpm)하여 40 nm 두께로 형성시켰고 이를 150 ℃의 핫플레이트를 통하여 1분간 열처리하였다.
단계 4: 상기 단계 3에서 형성된 광활성층 상부로 120nm 두께의 은(Ag) 박막을 10-6 Torr 미만의 진공분위기에서 섀도우 마스크(shadow mask)를 통해 진공증착하여 상부전극을 형성시켰고 0.38 cm2의 면적인 유기태양전지를 제조하였다. 본 발명에 따른 정구조 및 역구조 유기태양전지의 개략도는 도 2에 나타내었다.
<실시예 7> 역구조 유기태양전지의 제조 2
N형 전도막 (ZnO)의 열처리를 300 ℃에서 1분간 한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 유기태양전지를 제조하였다.
<실시예 8> 역구조 유기태양전지의 제조 3
단계 1: 인듐틴옥사이드(ITO, Indium Tin Oxide)가 코팅된 기판(면저항 10Ω/sq., 기판크기 25×25 cm2)을 세척하고, 아연 아세테이트(Zinc acetate), 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol) 및 에탄올아민(ethanolamine)으로 이루어진 혼합용액을 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 이용하여 ITO 투명전극 위에 분사하여 40 nm 두께인 N형 전도막을 형성시키고, 300 ℃의 핫플레이트를 통하여 1분간 열처리 하였다.
단계 2: 1,2-디클로로벤젠 1ml에 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene)를 각각 10 mg씩 혼합하고 이를 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 통하여 상기 단계 1에서 형성된 N형전도막 ZnO 박막 위에 분사하여 250 nm 두께의 광활성층을 형성시켰으며, 용매를 증발시킨 후 질소분위기의 글로브박스(glove box)내에서 150 ℃의 핫플레이트를 통해 20 분간 열처리하였다.
단계 3: P형 전도막으로 PEDOT:PSS(Baytron P) 용액을 0.45 μm 필터를 통해 필터 후, 광활성층 박막위에 스핀코팅(5000 rpm)하여 40 nm 두께로 형성시켰고 이를 150 ℃의 핫플레이트를 통하여 1분간 열처리 하였다.
단계 4: 상기 단계 3의 형성된 P형전도막 상부로 120nm 두께의 은(Ag) 박막을 10-6 Torr 미만의 진공분위기에서 섀도우 마스크(shadow mask)를 통해 진공증착하여 상부전극을 형성시켰고 0.38 cm2의 면적인 유기태양전지를 제조하였다.
<실시예 9> 역구조 유기태양전지의 제조 4
PEDOT:PSS(Baytron P) 용액을 0.45 μm 필터를 통해 필터링 후, 광활성층 박막위에 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 이용하여 40 nm 두께로 P형전도막을 형성시켰고 이를 150 ℃의 핫플레이트를 통하여 1분간 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 8과 동일하게 수행하여 유기태양전지를 제조하였다.
<비교예 1> 정구조 유기태양전지의 제조 6
1,2-디클로로벤젠 1ml에 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 폴리-3-헥실티오펜(Poly-3-hexylthiophene)를 각각 20 mg씩 혼합하고 스핀코팅(600rpm)으로 코팅하여 250 nm 두께의 광활성층을 형성킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 정구조 유기태양전지를 제조하였다.
<비교예 2> 역구조 유기태양전지의 제조 5
N형 전도막 (ZnO)을 스핀코팅(600rpm)으로 코팅한 후, 200 C에서 1분간 한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 유기태양전지를 제조하였다.
<비교예 3> 역구조 유기태양전지의 제조 6
N형 전도막 (ZnO)을 스핀코팅(600rpm)으로 코팅한 후, 300 C에서 1분간 한 열처리 한 것을 제외하고는 상기 실시예 7과 동일하게 수행하여 유기태양전지를 제조하였다.
<실험예 1> 코팅막의 두께 측정
(1) 광활성층의 두께 측정
활성층 물질로 P3HT(poly(3-hexylthiophene)) 10 ㎎ 및 PCBM 10 ㎎을 사용하였고, 상기 활성층 물질들을 다이클로로벤젠 용액 1 ㎖와 혼합하여 원료용액을 제조하였으며, 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 이용하여 상기 원료용액의 주입속도를 변화시키며 광활성층을 형성시켰고, 이때의 두께변화를 박막두께 측정 장비 (Surfac profiler, Tencore P-11)로 측정하였으며 그 결과는 도 3에 나타내었다. 이때 마이크로 주입펌프를 이용하여 원료용액의 주입속도를 조절하여 형성되는 광활성층의 두께를 달리하였으며, 공기의 압력은 50 psi, 노즐과 기판 사이의 거리는 3.5 cm였으며, 프린팅 속도는 x-축 방향으로 6 cm/min, y-축 방향으로 1800 cm/min으로 수행되었다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치는 용액의 주입속도에 따라 광활성층의 두께를 조절할 수 있는 효과가 있음을 알 수 있었다. 이는 본 발명의 스프레이 코팅장치가 마이크로 펌프를 포함하여 주입속도를 미세하게 조절하기 때문으로써, 이를 통하여 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 이용하여 대면적의 광활성층을 원하는 두께로 형성시킬 수 있음을 확인하였다.
(2) N형전도막의 두께 측정
N형전도막 물질로 Zinc acetate(Aldrich), 2-Methoxyethanol(Aldrich) 및 ehtanolamine(Aldrich)를 혼합하여 0.3 mol의 원료용액을 제조하였다. 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 이용하여 원료용액의 주입속도를 변화시키며 ZnO 광활성층을 형성시켰고, 이때의 두께변화를 박막두께 측정 장비 (Surfac profiler, Tencore P-11)로 측정하였으며 그 결과는 도 4에 나타내었다. 이때 마이크로 주입펌프를 이용하여 원료용액의 주입속도를 조절하여 형성되는 광활성층의 두께를 달리하였으며, 공기의 압력은 50 psi, 노즐과 기판 사이의 거리는 6.5 cm였으며, 프린팅 속도는 x-축 방향으로 6 cm/min, y-축 방향으로 1800 cm/min으로 수행되었다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치는 용액의 주입속도에 따라 N형전도막 ZnO의 두께를 조절할 수 있는 효과가 있음을 알 수 있었다. 이는 본 발명의 스프레이 코팅장치가 마이크로 펌프를 포함하여 주입속도를 미세하게 조절하기 때문으로써, 이를 통하여 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 이용하여 대면적의 N형전도막을 원하는 두께로 형성시킬 수 있음을 확인하였다.
<실험예 2> 표면 거칠기 측정
(1) 광활성층의 표면 거칠기 측정
본 발명에 따른 실시예 1의 단계 2까지 수행되어 형성된 광활성층 및 비교예 1의 스핀코팅을 통해 형성된 광활성층을 원자현미경을 통하여 관찰하였고, 그 결과는 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타낸 바와 같이 비교예 1의 스핀코팅을 통해 형성된 광활성층과 본 발명에 따른 실시예 1에서 형성된 광활성층의 RMS(root-mean-square) 거칠기(roughness)는 각각 18 nm 및 16 nm로 거의 유사한 표면 거칠기를 가지며 본 발명에 따른 실시예 1에서 스프레이 코팅을 이용하여 형성된 광활성층의 표면이 더 균일한 것을 알 수 있었다. 이를 통하여 본 발명의 스프레이 코팅장치를 통하여 광활성층을 형성함으로써 표면이 균일한 광활성층을 형성할 수 있음을 확인하였으며, 또한 본 발명의 스프레이 코팅장치가 대면적 광활성층을 균일하게 형성할 수 있는 효과가 있음을 확인하였다.
(2) N형전도막의 표면 거칠기 측정
본 발명에 따른 실시예 7의 단계 1까지 수행되어 형성된 N형전도막 ZnO 및 비교예 3의 스핀코팅을 통해 형성된 N형전도막 ZnO을 원자현미경을 통하여 관찰하였고, 그 결과는 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타낸 바와 같이 스핀코팅을 통해 형성된 N형전도막 ZnO 박막 및 스프레이 코팅으로 형성된 박막의 RMS(root-mean-square) 거칠기(roughness)는 각각 2.0 nm 및 2.8 nm로 거의 유사한 표면 거칠기를 가짐을 알 수 있었다. 이를 통하여 본 발명의 스프레이 코팅장치를 통하여 N형전도막 ZnO을 형성함으로써 표면이 균일한 N형전도막 ZnO을 형성할 수 있음을 확인하였으며, 또한 본 발명의 스프레이 코팅장치가 대면적 N형전도막 ZnO을 균일하게 형성할 수 있는 효과가 있음을 확인하였다.
<실험예 3> 유기태양전지의 효율 측정
(1) 광활성층 코팅방법변화에 따른 효율 비교 측정
본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 유기태양전지의 개방전압(V), 광전류밀도(㎃/㎠) 및 에너지 변환효율을 측정하기 위하여 Keithley SMU2410 및 AM1.5 100mW/cm2의 솔라 시뮬레이터(Pecell Technologies Inc., PEC-L11 model)를 이용하여 측정하였으며, 상기 측정들의 결과는 도 7 및 표 1에 나타내었다.
도 7 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1을 통해 제조된 유기태양전지는 8.42 mA/cm2 의 단락전류밀도를 나타내었으며, 0.58 V의 개방전압을 나타내었고, 곡선인자(fill factor)는 64.2 %를 나타내었다. 이에 따른 실시예 1를 통해 제조된 유기태양전지의 에너지 변환효율은 3.13 %로 나타났다.
반면, 비교예 1을 통해 제조된 유기태양전지의 경우 8.51 mA/cm2 의 단락전류밀도를 나타내었으며, 0.58 V의 개방전압을 나타내었고, 곡선인자(fill factor)는 65.0 %를 나타내었다. 이에 따른 비교예 1을 통해 제조된 유기태양전지의 에너지 변환효율은 3.21 %로 나타났다. 이는 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 통하여 광활성층을 형성하여 제조된 유기태양전지가 기존의 스핀코팅을 통하여 광활성층을 형성하여 제조된 유기태양전지와 비교하여 에너지 변환효율 면에서 뒤지지 않음을 알 수 있었다. 하지만 본 발명의 스프레이 코팅장치와는 달리 스핀코팅공정으로는 대면적의 광활성층을 형성할 수 없으므로 본 발명의 스프레이 코팅장치를 통하여 기존의 스핀코팅공정으로 제조된 유기태양전지의 성능과 동일한 성능의 대면적 유기태양전지를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.
소자구조 제작 공정 단락전류밀도
(mA/cm2)		 개방전압
(V)		 곡선인자
(%)		 변환효율
(%)
실시예 1 정구조 P형전도막(스핀코팅)
광흡수층 (스프레이)		 8.42 0.58 64.2 3.13
비교예 1 정구조 P형전도막(스핀코팅)
광흡수층 (스핀코팅)		 8.51 0.58 65.0 3.21
(2) 면적에 따른 효율 비교 측정
본 발명에 따른 실시예 2 내지 5를 통해 제조된 유기태양전지의 개방전압(V), 광전류밀도(㎃/㎠) 및 에너지 변환효율을 측정하기 위하여 Keithley SMU2410 및 AM1.5 100mW/cm2의 솔라 시뮬레이터(Pecell Technologies Inc., PEC-L11 model)를 이용하여 측정하였으며, 상기 측정들의 결과는 도 8 및 표 2에 나타내었다.
도 8 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 4를 통해 제조된 대면적 유기태양전지는 대면적으로 인한 높은 저항에도 불구하고 1.68%로 우수한 에너지 변환효율을 나타내었다. 또한 실시예 5와 같이 ITO 투명전극위에 Al 그리드를 도입하여 제조된 대면적 유기태양전지의 경우에는 Al 그리드로 인하여 ITO의 높은 저항값을 낮춤으로 인하여 단락전류 밀도가 7.57 mA/cm2에서 8.56 mA/cm2로 상승하였으며, 곡선인자로 38.2%에서 49.3%로 상승하였다. 그 결과 태양전지의 시리즈 저항 (series resistance)는 42Ωcm2에서 29Ωcm2로 감소하였으며, 에너지 변환효율은 2.49%로 매우 우수한 특성을 나타내었다.
소자구조
셀 면적
(cm2)		 제작 공정 단락전류밀도
(mA/cm2)		 개방전압
(V)		 곡선인자
(%)		 변환효율
(%)
실시예 2 정구조
(4.08cm2)		 P형전도막(스핀코팅)
광흡수층 (스프레이)		 8.50 0.58 53.5 2.64
실시예 3 정구조
(9.08cm2)		 P형전도막(스핀코팅)
광흡수층 (스프레이)		 7.99 0.58 38.5 1.79
실시예 4 정구조
(12.25cm2)		 P형전도막(스핀코팅)
광흡수층 (스프레이)		 7.57 0.58 38.2 1.68
실시예 5 정구조, 그리드전극 (12.25cm2) P형전도막(스핀코팅)
광흡수층 (스프레이)		 8.56 0.59 49.3 2.49
(3) N형전도막 코팅방법변화에 따른 효율 비교 측정
본 발명에 따른 실시예 6 내지 7 및 비교예 2 내지 3를 통해 제조된 유기태양전지의 개방전압(V), 광전류밀도(㎃/㎠) 및 에너지 변환효율을 측정하기 위하여 Keithley SMU2410 및 AM1.5 100mW/cm2의 솔라 시뮬레이터(Pecell Technologies Inc., PEC-L11 model)를 이용하여 측정하였으며, 상기 측정의 결과는 도 9 및 표 3에 나타내었다.
도 9 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 7을 통해 제조된 유기태양전지는 9.62 mA/cm2 의 단락전류밀도를 나타내었으며, 0.60 V의 개방전압을 나타내었고, 곡선인자(fill factor)는 55 %를 나타내었다. 이에 따라 실시예 7을 통해 제조된 유기태양전지의 에너지 변환효율은 3.17 %로 나타났다.
반면, 비교예 3를 통해 제조된 유기태양전지의 경우 9.62 mA/cm2 의 단락전류밀도를 나타내었으며, 0.58 V의 개방전압을 나타내었고, 곡선인자(fill factor)는 55 %를 나타내었다. 이에 따라 비교예 3를 통해 제조된 유기태양전지의 에너지 변환효율은 3.12 %로 나타났다. 이는 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 이용하여 N형전도막을 형성함으로써 제조된 유기태양전지가 기존의 스핀코팅을 통하여 N형전도막을 형성하여 제조된 유기태양전지와 비교하여 에너지 변환효율 면에서 거의 유사함을 알 수 있었다. 하지만 본 발명의 스프레이 코팅장치와는 달리 스핀코팅공정으로는 대면적의 N형전도막 ZnO을 형성할 수 없으므로 본 발명의 스프레이 코팅장치를 통하여 기존의 스핀코팅공정으로 제조된 유기태양전지의 성능과 동일한 성능의 대면적 유기태양전지를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.
소자구조 제작 공정 단락전류밀도
(mA/cm2)		 개방전압
(V)		 곡선인자
(%)		 변환효율
(%)
실시예 6 역구조 N형전도막 (스프레이)
광흡수층 (스핀코팅)
P형전도막(스핀코팅)		 9.07 0.59 0.50 2.71
실시예 7 역구조 N형전도막 (스프레이)
광흡수층 (스핀코팅)
P형전도막(스핀코팅)		 9.62 0.60 0.55 3.17
비교예 2 역구조 N형전도막 (스핀코팅)
광흡수층 (스핀코팅)
P형전도막(스핀코팅)		 8.79 0.57 0.55 2.83
비교예 3 역구조 N형전도막 (스핀코팅)
광흡수층 (스핀코팅)
P형전도막(스핀코팅)		 9.62 0.58 0.55 3.12
(4) 코팅방법변화에 따른 효율 비교 측정
본 발명에 따른 실시예 8 내지 9를 통해 제조된 유기태양전지의 개방전압(V), 광전류밀도(㎃/cm2) 및 에너지 변환효율을 측정하기 위하여 Keithley SMU2410 및 AM1.5 100mW/cm2의 솔라 시뮬레이터(Pecell Technologies Inc., PEC-L11 model)를 이용하여 측정하였으며, 상기 측정들의 결과는 도 10 및 표 4에 나타내었다.
도 10 및 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 8을 통해 제조된 유기태양전지는 9.43 mA/cm2 의 단락전류밀도를 나타내었으며, 0.59 V의 개방전압을 나타내었고, 곡선인자(fill factor)는 56 %를 나타내었다. 이에 따라 실시예 8을 통해 제조된 유기태양전지의 에너지 변환효율은 3.12 %로 나타났다. 또한 실시예 9를 통해 제조된 유기태양전지는 9.32 mA/cm2 의 단락전류밀도를 나타내었으며, 0.59 V의 개방전압을 나타내었고, 곡선인자(fill factor)는 55 %를 나타내었다. 이에 따라 실시예 9를 통해 제조된 유기태양전지의 에너지 변환효율은 3.06 %로 나타났다.
이는 본 발명에 따른 스프레이 코팅장치를 이용하여 두 개의 층(N형전도막 및 광흡수층) 및 세 개의 층 (N형전도막, 광흡수층 및 P형전도막)을 코팅하여 제조된 태양전지가 비교예 3과 같이 기존의 스핀코팅으로 제조된 유기태양전지와 거의 유사한 특성을 나타내는 것을 보여주는 결과이다. 즉, 실시예 8에서 제조된 유기태양전지는 비교예 3의 100 %의 성능을 나타내었으며, 실시예 9에서 제조된 유기태양전지는 비교예 1의 98 %의 성능을 나타내었다. 하지만 본 발명의 스프레이 코팅장치와는 달리 스핀코팅공정으로는 대면적의 유기태양전지를 형성할 수 없으므로 본 발명의 스프레이 코팅장치를 통하여 기존의 스핀코팅공정으로 제조된 유기태양전지의 성능과 동일한 성능의 대면적 유기태양전지를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.
소자구조 제작 공정 단락전류밀도
(mA/cm2)		 개방전압
(V)		 곡선인자
(%)		 변환효율
(%)
실시예 8 역구조 N형전도막 (스프레이)광흡수층 (스프레이)
p형전도막(스핀코팅)		 9.43 0.59 56 3.12
실시예 9 역구조 N형전도막(스프레이)
광흡수층(스프레이)
P형전도막(스프레이)		 9.32 0.59 55 3.06

Claims (19)

  1. 스프레이 코팅장치에 있어서, 상기 스프레이 코팅장치의 노즐이 원료액이 주입되는 중심부(core)부분과 고압가스가 주입되는 중심부 바깥부분(clad)으로 구분되어 구성되는 것을 특징으로 하는 스프레이 코팅장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스프레이 코팅장치는 노즐 및 기판이 각각 또는 동시에 이동 가능한 것을 특징으로 하는 스프레이 코팅장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스프레이 코팅장치는 마이크로 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프레이 코팅장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고압가스는 공기, 질소 및 아르곤을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 스프레이 코팅장치.
  5. 투명전극이 코팅된 기판 상부로 P형전도막을 코팅하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 코팅된 P형전도막 상부로 광활성층을 코팅하는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2에서 코팅된 광활성층 상부로 금속전극을 코팅하는 단계(단계 3)를 포함하는 유기태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1 내지 2의 코팅 중 적어도 하나 이상의 코팅은 제1항의 스프레이 코팅장치로 수행되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 단계 1의 투명전극은 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드(AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드(IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이의 혼합물인 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 단계 1의 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트(PAR) 및 폴리이미드(PI)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 플렉시블 고분자 기판, SUS(steel use stainless), 알루미늄, 스틸(steel) 및 구리로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 금속기판, 또는 유리기판인 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 단계 1의 P형전도막은 PEDOT:PSS[폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리(스티렌설포네이트)], 산화니켈 (NiO), 산화구리 (CuO)을 코팅함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 단계 2의 광활성층은 전자주게 물질(electron donor)및 전자받게 물질(electron acceptor)의 혼합물을 코팅함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전자주게 물질은 폴리티오팬 유도체, 폴리(파라-페닐렌) 유도체, 폴리 플로렌 유도체, 폴리아세틸렌 유도체, 폴리피롤 유도체, 폴리비닐카바졸 유도체, 폴리아닐린 유도체 및 폴리페닐렌비닐렌 유도체로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 전자받게 물질은 C60 플러렌 및 C70 플러렌을 포함하는 플러렌, 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실 비스벤즈이미다졸(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole, PTCBI)을 포함하는 유기계 전자친화성 재료 및 이의 유도체로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  12. 제5항에 있어서, 상기 광활성층과 금속전극 사이로 N형 전도막을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 N형전도막은 산화아연, 산화티타늄 및 탄산세슘으로 구성되는 군으로부터 선택되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  14. 제5항에 있어서, 투명전극 상부 또는 기판상부로 금속그리드 전극을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 금속 그리드 전극은 알루미늄, 은, 금, 크롬 및 구리 를 포함하는 군으로부터 선택되는 금속을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  16. 제5항, 제12항 및 제14항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  17. 투명전극이 코팅된 기판 상부로 N형전도막을 코팅하는 단계(단계 a);
    상기 단계 1에서 코팅된 N형전도막 상부로 광활성층을 코팅하는 단계(단계 b);
    상기 단계 2에서 코팅된 광활성층 상부로 P형전도막을 코팅하는 단계(단계 c); 및
    상기 단계 3에서 코팅된 P형전도막 상부로 금속전극을 코팅하는 단계(단계 d)를 포함하는 유기태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 단계 a 내지 c의 코팅 중 적어도 하나 이상의 코팅은 제1항의 스프레이 코팅장치로 수행되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서, 투명전극 상부 또는 기판상부로 금속그리드 전극을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.
  19. 제17항 또는 제18항의 제조방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 유기태양전지.
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