KR20130037569A - Inverted organic solar cell and method for fabricating the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An inverted organic solar cell and a manufacturing method thereof are provided to improve the mobility of electrons by using a high quality thin film electron transport layer formed by atomic layer deposition. CONSTITUTION: A substrate(210) including a first electrode(220) is prepared. An electron transport layer(230) is formed on the first electrode. The electron transport layer is a thin metal oxide layer which is formed by using an atomic layer deposition method. An organic light active layer(240) is formed on the electron transport layer. A hole transport layer(250) and a second electrode(260) are sequentially formed on the organic light active layer.

Description

역구조 유기 태양전지 및 그 제조방법{Inverted organic solar cell and method for fabricating the same}Inverted organic solar cell and method for fabricating the same

본 발명은 역구조 유기 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자층 증착법에 의해 형성된 금속 산화물 박막을 전자수송층으로 포함하는 역구조 유기 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an inverted organic solar cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an inverted organic solar cell including a metal oxide thin film formed by an atomic layer deposition method as an electron transport layer and a method for manufacturing the same.

태양전지란 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 최근 환경 문제와 고유가 문제에 직면하여 청정 대체에너지 기술의 일환으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 이 중, 유기 태양전지는 광활성층으로 사용되는 유기 분자의 흡광계수가 높아 얇은 소자로 제작이 가능하고, 간편한 제법과 낮은 설비 비용으로 제조할 수 있으며, 유기물의 특성상 굽힘성 및 가공성 등이 좋아 다양한 분야에 응용할 수 있는 여러 장점이 있다.A solar cell is a semiconductor device that converts light energy directly into electrical energy using a photovoltaic effect. Recently, many studies have been conducted as part of clean alternative energy technologies in the face of environmental problems and high oil price problems. Among them, the organic solar cell has a high absorption coefficient of the organic molecules used as the photoactive layer can be manufactured in a thin device, can be manufactured with a simple manufacturing method and low equipment cost, due to the nature of the organic material is good because of the bendability and processability There are several advantages that can be applied in the field.

종래의 일반적인 유기 태양전지(conventional organic solar cell) 구조는 도 1a에 도시된 바와 같이 기판(110)/제1 전극(120)/정공수송층(150)/광활성층(140)/전자수송층(130)/제2 전극(160)으로 구성되며, 높은 일함수를 가진 투명 전극인 ITO(indium tin oxide) 전극을 제1 전극(120, 양극)으로, 낮은 일함수를 가진 Al 또는 Ca 등을 제2 전극(160, 음극) 물질로 사용한다.Conventional organic solar cell (conventional organic solar cell) structure is a substrate 110 / first electrode 120 / hole transport layer 150 / photoactive layer 140 / electron transport layer 130 as shown in Figure 1a The second electrode 160, an indium tin oxide (ITO) electrode, which is a transparent electrode having a high work function, as the first electrode 120, and an Al or Ca having a low work function; (160, cathode) Used as a material.

상기 광활성층(140)은 크게 전자 주개 물질(electron donor)과 전자 받개 물질(electron acceptor)의 2층(bi-layer) 구조 또는 전자 주개 물질과 전자 받개 물질을 혼합하여 형성한 벌크 이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 구조로 이루어질 수 있다. 다만, 태양전지에서 광전류를 생성하기 위해서는 광활성층(140)에서 빛의 흡수에 의해 생성된 엑시톤(exiton, 전자-정공쌍)이 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 접합 계면에서 전자와 정공으로 분리되어야 하는데, 엑시톤의 확산거리가 약 10nm 정도로 짧기 때문에 광활성층(140) 내부에 넓은 접합 계면을 갖는 BHJ 구조가 엑시톤의 전자 및 정공으로 분리에 유리하다.The photoactive layer 140 is largely a bulk heterojunction formed by mixing a bi-layer structure of an electron donor and an electron acceptor or by mixing an electron donor and an electron acceptor. heterojunction (BHJ) structure. However, in order to generate photocurrent in a solar cell, an exciton generated by absorption of light in the photoactive layer 140 must be separated into electrons and holes at the junction between the electron donor material and the electron acceptor material. However, since the diffusion distance of excitons is about 10 nm, the BHJ structure having a wide bonding interface inside the photoactive layer 140 is advantageous for the separation of electrons and holes of excitons.

한편, 제1 전극(120)과 광활성층(140) 사이에 삽입된 정공수송층(150) 및 음극(160)과 광활성층(140) 사이에 삽입된 전자수송층(130)은 분리된 정공 및 전자의 이동·수집 효율을 향상시킬 수 있는 버퍼층(buffer layer)으로서의 역할을 수행한다.Meanwhile, the hole transport layer 150 inserted between the first electrode 120 and the photoactive layer 140 and the electron transport layer 130 inserted between the cathode 160 and the photoactive layer 140 are separated from each other. It serves as a buffer layer that can improve transfer and collection efficiency.

그러나, 도 1에 도시된 종래의 태양전지의 경우, 정공수송층(130)의 물질로 통상적으로 사용되는 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)가 강한 산성을 띠기 때문에 그 하부 전극(제1 전극, 120)을 부식시키고, 상부 전극(제2 전극, 160)으로 주로 사용되는 Al과 같은 낮은 일함수의 물질들은 공기와의 접촉 계면에서 산화막을 형성하게 되므로 소자의 수명 및 효율에 악영향을 미치는 문제가 있다.However, in the conventional solar cell illustrated in FIG. 1, since PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate)) commonly used as a material of the hole transport layer 130 has a strong acidity, The lower work function materials such as Al, which are used to corrode the lower electrode (first electrode) 120 and are mainly used as the upper electrode (second electrode, 160), form an oxide film at the contact interface with air, thereby increasing the lifetime of the device. There is a problem that adversely affects the efficiency.

이러한 문제를 해결하기 위한 연구의 일환으로 역구조 유기 태양전지(inverted organic solar cell)가 제안되었으며, 도 1b에 도시된 바와 같이 기판(110)/제1 전극(120)/전자수송층(130)/광활성층(140)/정공수송층(150)/제2 전극(160)의 구조를 갖는다.Inverted organic solar cell (inverted organic solar cell) has been proposed as part of the research to solve this problem, as shown in Figure 1b substrate 110 / first electrode 120 / electron transport layer 130 / The photoactive layer 140 / hole transport layer 150 / second electrode 160 has a structure.

현재 역구조 유기 태양전지에서 전자수송층(130)으로 사용되는 금속 산화물의 경우 주로 졸-겔(sol-gel)법에 의해 제조되는데, 이 경우 결정성이 있는 금속 산화물을 형성하기 위하여 후속 열처리가 필요하나, 졸-겔 공정의 특성상 결함이 적은 고품위 박막을 형성하는 것은 실질적으로 불가능하다. 막내의 결함은 전하의 이동을 저해하고 전하들의 재결합을 촉진하는 역할을 하기 때문에 고품위 박막의 형성은 광전변환효율 향상을 위한 필수적인 기술이다.Currently, the metal oxide used as the electron transport layer 130 in the reverse structure organic solar cell is mainly manufactured by a sol-gel method. In this case, subsequent heat treatment is required to form a crystalline metal oxide. However, it is practically impossible to form a high quality thin film with few defects due to the nature of the sol-gel process. Formation of high quality thin films is an essential technique for improving photoelectric conversion efficiency because defects in the film inhibit the movement of charges and promote recombination of charges.

또 다른 방법으로는 금속 산화물 나노 입자의 분산 용액을 스핀 코팅, 닥터 블레이드 코팅 또는 스프레이 코팅하여 전자수송층(130)을 제조하는 것인데, 이 역시 나노 입자의 계면에서 발생하는 결함을 제거하는 것이 어렵다.Another method is to prepare the electron transport layer 130 by spin coating, doctor blade coating or spray coating a dispersion solution of metal oxide nanoparticles, which is also difficult to remove defects occurring at the interface of the nanoparticles.

따라서, 고효율 유기 태양전지의 구현을 위해서는 전자수송층을 고품위 박막으로 형성할 수 있는 기술이 필수적으로 요구된다고 할 것이다.Therefore, in order to implement a high efficiency organic solar cell, a technology capable of forming an electron transport layer into a high quality thin film will be required.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 원자층 증착법에 의해 형성된 고품위 박막 전자수송층을 포함하는 역구조 유기 태양전지 및 그 제조방법을 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide an inverse structure organic solar cell including a high-quality thin film electron transport layer formed by an atomic layer deposition method and a method of manufacturing the same.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 제1 전극이 구비된 기판을 준비하는 단계, 및 상기 제1 전극 상에 전자수송층, 유기 광활성층, 정공수송층 및 제2 전극을 순차 적층하는 단계를 포함하고, 상기 전자수송층은 원자층 증착법을 이용하여 금속 산화물 박막으로 형성하는 역구조 유기태양전지 제조방법을 제공한다.In order to solve the above technical problem, an aspect of the present invention provides a method of preparing a substrate including a first electrode, and sequentially stacking an electron transport layer, an organic photoactive layer, a hole transport layer, and a second electrode on the first electrode. It includes, The electron transport layer provides an inverse structure organic solar cell manufacturing method of forming a metal oxide thin film using an atomic layer deposition method.

상기 금속 산화물 박막은 티타늄 산화물 박막, 아연 산화물 박막 또는 주석 산화물 박막일 수 있다.The metal oxide thin film may be a titanium oxide thin film, a zinc oxide thin film, or a tin oxide thin film.

구체적으로, 상기 원자층 증착법을 이용한 금속 산화물 박막의 형성은,Specifically, the formation of the metal oxide thin film using the atomic layer deposition method,

상기 제1 전극이 구비된 기판을 원자층 증착 반응기에 배치하고, 금속 산화물 전구체를 상기 반응기로 유입시키는 단계; 상기 금속 산화물 전구체가 유입된 반응기를 퍼징하는 단계; 상기 퍼징된 반응기에 산화제를 유입시키는 단계; 및 상기 산화제가 유입된 반응기를 퍼징하는 단계를 포함할 수 있다.Placing a substrate with the first electrode in an atomic layer deposition reactor and introducing a metal oxide precursor into the reactor; Purging the reactor into which the metal oxide precursor is introduced; Introducing an oxidant into the purged reactor; And purging the reactor into which the oxidant is introduced.

상기 금속 산화물 전구체는 테트라키스 디메틸아미도 티타늄, 테트라키스 디에틸아미도 티타늄, 테트라키스 에틸메틸아미도 티타늄, 디에틸아연, 염화주석, 테트라키스 디메틸아미도 주석, 테트라키스 디에틸아미도 주석 및 테트라키스 에틸메틸아미도 주석 중에서 선택될 수 있다.The metal oxide precursor may be tetrakis dimethyl amido titanium, tetrakis diethyl amido titanium, tetrakis ethyl methyl amido titanium, diethyl zinc, tin chloride, tetrakis dimethyl amido tin, tetrakis diethyl amido tin and Tetrakis ethylmethylamido may also be selected from tin.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 역구조 유기 태양전지 제조방법은 상기 금속 산화물 박막을 형성하기 전에 상기 제1 전극 상에 나노입자 박막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.On the other hand, according to an embodiment of the present invention, the reverse structure organic solar cell manufacturing method may further include forming a nanoparticle thin film on the first electrode before forming the metal oxide thin film.

상기 나노입자 박막은 나노입자의 분산 용액을 상기 제1 전극 상에 도포하여 형성할 수 있다.The nanoparticle thin film may be formed by coating a dispersion solution of nanoparticles on the first electrode.

상기 나노입자 박막은 금속 산화물 나노입자를 포함할 수 있으며, 상기 금속 산화물 나노입자는 티타늄 산화물, 아연 산화물, 또는 주석 산화물일 수 있다.The nanoparticle thin film may include metal oxide nanoparticles, and the metal oxide nanoparticles may be titanium oxide, zinc oxide, or tin oxide.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 기판 상에 순차 적층된 제1 전극, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 제2 전극을 포함하고, 상기 전자수송층은 원자층 증착법에 의해 형성된 금속 산화물 박막인 역구조 유기 태양전지를 제공한다.In order to solve the above technical problem, another aspect of the present invention includes a first electrode, an electron transport layer, a photoactive layer, a hole transport layer, and a second electrode sequentially stacked on a substrate, wherein the electron transport layer is a metal formed by atomic layer deposition. Provided is an inverse structure organic solar cell that is an oxide thin film.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 역구조 유기 태양전지는 상기 제1 전극 및 상기 금속 산화물 박막 사이에 위치하는 나노입자 박막을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, according to one embodiment of the present invention, the inverse structure organic solar cell may further include a nanoparticle thin film positioned between the first electrode and the metal oxide thin film.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 원자층 증착법에 의해 형성된 고품위 박막 전자수송층을 사용하므로 분리된 전자의 이동을 촉진시킬 수 있어 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, since the high-quality thin film electron transport layer formed by the atomic layer deposition method is used, the movement of the separated electrons can be promoted, thereby improving the photoelectric conversion efficiency.

또한, 전자수송층을 나노입자 박막(제1 전자수송층)과 원자층 증착법에 의해 형성된 박막(제2 전자수송층)의 이중층으로 구성하는 경우, 나노입자 박막에 의해 전자수송층의 표면적이 증가되어 전자수송층과 광활성층의 접촉면적을 넓힐 수 있고 전자-정공쌍의 분리가 용이해질 수 있다. 또한, 나노입자들 사이에 생길 수 있는 접촉 결합은 원자층 증착법에 의해 형성된 박막에 의해 제거될 수 있기 때문에 분리된 전자가 제1 전극으로 손실 없이 수집될 수 있다.In addition, when the electron transport layer is composed of a double layer of the nanoparticle thin film (first electron transport layer) and the thin film (second electron transport layer) formed by the atomic layer deposition method, the surface area of the electron transport layer is increased by the nanoparticle thin film and the electron transport layer and The contact area of the photoactive layer can be widened and the separation of the electron-hole pairs can be facilitated. In addition, since contact bonds that may occur between nanoparticles can be removed by a thin film formed by atomic layer deposition, separated electrons can be collected without loss to the first electrode.

또한, 상부 전극으로 산화 안정성이 우수한 물질을 사용할 수 있으므로 대기 안정성이 우수한 유기 태양전지를 제공할 수 있다.In addition, since the material having excellent oxidation stability can be used as the upper electrode, it is possible to provide an organic solar cell having excellent atmospheric stability.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1a 및 1b는 각각 종래의 일반적인 유기 태양전지 및 역구조 유기 태양전지를 나타낸 단면도들이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 역구조 유기 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 3은 제조예 1 내지 5 및 비교예에서 제조된 역구조 유기 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
1A and 1B are cross-sectional views illustrating a conventional general organic solar cell and an inverse structure organic solar cell, respectively.
2A through 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an inverse structure organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a graph showing current-voltage characteristics of the reverse structure organic solar cells prepared in Preparation Examples 1 to 5 and Comparative Examples.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 생략된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms and should be understood to include all equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the drawings, the thicknesses of the layers and regions may be exaggerated or omitted for the sake of clarity. Like reference numerals designate like elements throughout the specification. In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 2a 내지 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 역구조 유기 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.2A through 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing an inverse structure organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2a를 참조하면, 먼저 제1 전극(220)이 구비된 기판(210)을 준비한다.Referring to FIG. 2A, first, a substrate 210 having the first electrode 220 is prepared.

상기 기판(210)은 광투과성의 무기물 기판 또는 유기물 기판이거나, 이들이 동종 또는 이종으로 2 이상 적층된 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(210)은 유리, 석영, Al2O3, 및 SiC 등에서 선택된 무기물 기판, 또는 PC(polycarbonate), PMMA(polymethylmethacrylate), PET(polyethylene terephthalate), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate) 및 PAR(polyarylate) 등에서 선택된 플라스틱 기판일 수 있다.The substrate 210 may be a light-transmitting inorganic substrate or an organic substrate, or may be a substrate in which two or more of them are stacked in the same or different types. For example, the substrate 210 may be an inorganic substrate selected from glass, quartz, Al 2 O 3 , and SiC, or PC (polycarbonate), PMMA (polymethylmethacrylate), PET (polyethylene terephthalate), PES (polyethersulfone), PS ( It may be a plastic substrate selected from polystyrene, polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN) and polyarylate (PAR).

상기 제1 전극(220)은 상기 기판(210)을 통과한 빛이 광활성층에 도달하도록 광투과성 물질인 것이 바람직하며, 광활성층에서 생성된 전자를 받아 외부 회로로 전달하는 음극의 역할을 수행할 수 있다. 상기 제1 전극(220)은 ITO(Indium Tin Oxide)막, FTO(Fluorinated Tin Oxide)막, IZO(Indium Zinc Oxide)막, AZO(Al-doped Zinc Oxide)막, ZnO(Zinc Oxide)막 또는 IZTO(Indium Zinc Tin Oxide)막과 같은 광투과성 막일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.The first electrode 220 is preferably a light transmissive material so that light passing through the substrate 210 reaches the photoactive layer, and serves as a cathode that receives electrons generated in the photoactive layer and delivers the electrons to an external circuit. Can be. The first electrode 220 may be an indium tin oxide (ITO) film, a fluorinated tin oxide (FTO) film, an indium zinc oxide (IZO) film, an Al-doped Zinc Oxide (AZO) film, a zinc oxide (ZnO) film, or an IZTO film. It may be a light transmissive film such as (Indium Zinc Tin Oxide) film. However, it is not limited thereto.

상기 제1 전극(220)은 열기상증착법, 전자빔증착법, 스퍼터링법 및 화학적 증착법 등에 의해 상기 기판(210) 상에 형성될 수 있다.
The first electrode 220 may be formed on the substrate 210 by thermal image deposition, electron beam deposition, sputtering, chemical vapor deposition, or the like.

도 2b를 참조하면, 상기 제1 전극(220) 상에 전자수송층(230)을 형성한다.Referring to FIG. 2B, an electron transport layer 230 is formed on the first electrode 220.

상기 전자수송층(230)은 광활성층에서 생성된 전자가 음극으로 용이하게 전달되도록 하는 n-형 버퍼층으로서, 단일층 또는 제1 전자수송층(232)과 제2 전자수송층(234)이 순차 적층된 이중층의 구조를 가질 수 있다.The electron transport layer 230 is an n-type buffer layer that allows electrons generated in the photoactive layer to be easily transferred to the cathode, and is a single layer or a double layer in which the first electron transport layer 232 and the second electron transport layer 234 are sequentially stacked. It may have a structure of.

다만, 설명의 편의를 위해 도 2b에서는 전자수송층(230)이 이중층으로 구성된 경우만을 도시하였으며, 단일층으로 구성된 경우는 하기의 설명으로부터 통상의 기술자에게 자명하게 이해될 수 있을 것이다.For convenience of description, in FIG. 2B, only the case where the electron transport layer 230 is configured as a double layer is illustrated, and the case where the electron transport layer 230 is configured as a single layer will be apparent to those skilled in the art from the following description.

상기 제1 전자수송층(232)은 다수의 나노입자들로 이루어진 나노입자 박막일 수 있으며, 나노입자의 직경은 1nm 내지 500nm일 수 있고, 나노입자 박막의 두께는 1nm 내지 200nm일 수 있다.The first electron transport layer 232 may be a nanoparticle thin film made of a plurality of nanoparticles, the diameter of the nanoparticles may be 1nm to 500nm, the thickness of the nanoparticle thin film may be 1nm to 200nm.

상기 나노입자 박막(232)은 나노입자가 분산된 용액을 상기 제1 전극(220)에 도포한 후 적절한 온도에서 분산 용매를 휘발시키는 통상의 용액 공정을 통해 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노입자 박막(232)은 스핀 코팅법, 닥터블레이드 코팅법, 스프레이 코팅법 등에 의해 형성할 수 있으며, 바람직하게는 스핀 코팅법에 의해 형성할 수 있다.The nanoparticle thin film 232 may be formed through a conventional solution process in which the nanoparticle-dispersed solution is applied to the first electrode 220 and then volatilized the dispersion solvent at an appropriate temperature. For example, the nanoparticle thin film 232 may be formed by spin coating, doctor blade coating, spray coating, or the like, and preferably by spin coating.

상기 나노입자 박막(232)에 포함된 나노입자는 금속 산화물과 같은 n형 반도체 물질일 수 있으며, 예를 들어, 티타늄 산화물(titanium oxide), 아연 산화물(zinc oxide), 주석 산화물(tin oxide) 등일 수 있다.The nanoparticles included in the nanoparticle thin film 232 may be n-type semiconductor materials such as metal oxides, for example, titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, or the like. Can be.

이어서, 제1 전자수송층(232)인 상기 나노입자 박막 상에 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)을 이용하여 제2 전자수송층(234)을 형성한다. 상기 제2 전자수송층(234)은 티타늄 산화물, 아연 산화물 및 주석 산화물과 같은 금속 산화물로 이루어진 박막일 수 있으며, 1nm 내지 50nm의 두께로 형성될 수 있다.Subsequently, a second electron transport layer 234 is formed on the nanoparticle thin film, which is the first electron transport layer 232, using atomic layer deposition (ALD). The second electron transport layer 234 may be a thin film made of a metal oxide such as titanium oxide, zinc oxide, and tin oxide, and may be formed to a thickness of 1 nm to 50 nm.

구체적으로, 원자층 증착법을 이용한 금속 산화물 박막의 형성 과정은, 상기 제1 전극(220)이 구비된 기판(210)을 원자층 증착 반응기에 배치한 후, 금속 산화물 전구체를 상기 반응기로 유입시키는 단계; 상기 금속 산화물 전구체가 유입된 반응기를 퍼징하는 단계; 상기 퍼징된 반응기에 산화제를 유입시키는 단계; 및 상기 산화제가 유입된 반응기를 퍼징하는 단계를 포함한다.Specifically, the process of forming the metal oxide thin film using the atomic layer deposition method, after placing the substrate 210 with the first electrode 220 in the atomic layer deposition reactor, the step of introducing a metal oxide precursor into the reactor ; Purging the reactor into which the metal oxide precursor is introduced; Introducing an oxidant into the purged reactor; And purging the reactor into which the oxidant is introduced.

원자층 증착 공정에 사용되는 상기 금속 산화물 전구체는 유기금속화합물, 금속염화물 등일 수 있다. 예를 들어, 티타늄 산화물 전구체는 테트라키스 디메틸아미도 티타늄(tetrakis dimethylamido titanium), 테트라키스 디에틸아미도 티타늄(tetrakis diethylamido titanium) 및 테트라키스에틸메틸아미도 티타늄(tetrakis ethylmethylamido titanium) 중에서 선택될 수 있고, 아연 산화물 전구체는 디에틸아연(diethyl zinc)일 수 있고, 주석 산화물 전구체는 염화주석(tin chloride), 테트라키스 디메틸아미도 주석(tetrakis dimethylamido tin), 테트라키스 디에틸아미도 주석(tetrakis diethylamido tin) 및 테트라키스 에틸메틸아미도 주석(tetrakis ethylmethylamido tin) 중에서 선택될 수 있다.The metal oxide precursor used in the atomic layer deposition process may be an organometallic compound, a metal chloride, or the like. For example, the titanium oxide precursor can be selected from tetrakis dimethylamido titanium, tetrakis diethylamido titanium, and tetrakis ethylmethylamido titanium, , Zinc oxide precursor may be diethyl zinc, tin oxide precursor is tin chloride, tetrakis dimethylamido tin, tetrakis diethylamido tin ) And tetrakis ethylmethylamido tin.

상기 전구체를 가열하는 버블러 온도는 전구체의 종류에 따라 25 ~ 100℃의 온도 범위에서 적절히 선택할 수 있으며, 선택된 온도에서 항온을 유지한다.The bubbler temperature for heating the precursor may be appropriately selected from a temperature range of 25 to 100 ° C. according to the kind of precursor, and maintains a constant temperature at the selected temperature.

상기 산화제로 사용되는 반응 가스는 O2, O3, H2O, H2O2 및 이들의 혼합가스 중에서 선택하여 사용할 수 있으며, 상기 반응 가스를 플라즈마를 이용하여 활성화시키면 보다 효과적으로 반응을 일으킬 수 있다. 성막을 위한 기판의 온도는 25 ~ 300℃ 범위 내에서 항온이 유지되도록 하며, 반응기(챔버) 내부의 압력은 0.001 ~ 760Torr가 되도록 한다.The reaction gas used as the oxidant may be selected from among O 2 , O 3 , H 2 O, H 2 O 2, and a mixture thereof, and the reaction gas may be more effectively activated by activating the reaction gas using plasma. have. The temperature of the substrate for film formation is to maintain a constant temperature within the range of 25 ~ 300 ℃, the pressure inside the reactor (chamber) is to be 0.001 ~ 760 Torr.

한편, 상기 전자수송층(230)이 단일층 구조를 갖는 경우, 상기 전자수송층(230)은 상기 제1 전극(220) 상에 직접 형성된 단일의 금속 산화물 박막일 수 있다(미도시). 여기서, 상기 금속 산화물 박막은 상기 이중층 구조의 제2 전자수송층(234)을 형성하는 과정에서 설명한 바와 동일한 물질 및 방법(원자층 증착법)을 이용하여 형성할 수 있다.
Meanwhile, when the electron transport layer 230 has a single layer structure, the electron transport layer 230 may be a single metal oxide thin film directly formed on the first electrode 220 (not shown). Here, the metal oxide thin film may be formed using the same material and method (atomic layer deposition method) as described in the process of forming the second electron transport layer 234 of the double layer structure.

도 2c를 참조하면, 상기 전자수송층(230) 상에 유기 광활성층(240)을 형성한다. 상기 유기 광활성층(240)은 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 혼합 용액을 상기 전자수송층(230) 상에 도포한 후 용매를 건조시키는 용액 공정을 통해 형성할 수 있다. 상기 도포 공정은 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이드 코팅 및 잉크젯 프린팅 등 공지된 통상의 코팅법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 스핀 코팅법에 의해 수행될 수 있다.Referring to FIG. 2C, an organic photoactive layer 240 is formed on the electron transport layer 230. The organic photoactive layer 240 may be formed by applying a mixed solution of an electron donor material and an electron acceptor material on the electron transport layer 230 and then drying the solvent. The coating process may use a known coating method such as spin coating, spray coating, doctor blade coating, and inkjet printing, and may be preferably performed by spin coating.

상기 전자 주개 물질은 외부에서 입사된 태양광을 흡수하여 전자-정공쌍(엑시톤)을 형성하는 한편, 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 p-n 접합 계면에서 분리된 정공을 양극 방향으로 이동시키는 역할을 하는 물질을 의미한다. 예를 들어, 상기 전자 주개 물질은 p형 반도체로 사용 가능한 공액 고분자일 수 있으며, 폴리티오펜(polythiophene)계, 폴리플루오렌(polyfluorene)계, 폴리아닐린(polyaniline)계, 폴리카바졸(polycarbazole)계, 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole)계, 폴리페닐렌(polyphenylene)계, 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene)계, 폴리실란(polysilane)계, 폴리티아졸(polythiazole)계 또는 이들의 공중합체일 수 있다.The electron donor material absorbs sunlight incident from the outside to form electron-hole pairs (excitons), and moves holes separated at the pn junction interface between the electron donor material and the electron acceptor material toward the anode. Mean material. For example, the electron donor material may be a conjugated polymer that can be used as a p-type semiconductor, polythiophene-based, polyfluorene-based, polyaniline-based, polycarbazole-based , Polyvinylcarbazole-based, polyphenylene-based, polyphenylenevinylene-based, polysilane-based, polythiazole-based, or copolymers thereof .

한편, 상기 전자 받개 물질은 광활성층(240) 내 p-n 접합 계면에서 분리된 전자를 음극 방향으로 이동시키는 역할을 하는 물질을 의미한다.On the other hand, the electron acceptor material refers to a material that serves to move the electrons separated at the p-n junction interface in the photoactive layer 240 in the direction of the cathode.

예를 들어, 상기 전자 받개 물질(140)은 n형 반도체로 사용 가능한 플러렌(fullerene) 및 PC61BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC71BM([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester), PC81BM([6,6]-phenyl-C81-butyric acid methyl ester)과 같은 플러렌 유도체 등일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
For example, the electron acceptor material 140 may include fullerene, PC 61 BM ([6,6] -phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester), PC 71 BM ([6] , 6] -phenyl-C 71 -butyric acid methyl ester), and fullerene derivatives such as PC 81 BM ([6,6] -phenyl-C 81 -butyric acid methyl ester). However, it is not limited thereto.

도 2d를 참조하면, 상기 유기 광활성층(240) 상에 정공수송층(250) 및 제2 전극(260)을 차례로 형성한다.Referring to FIG. 2D, a hole transport layer 250 and a second electrode 260 are sequentially formed on the organic photoactive layer 240.

상기 정공수송층(250)은 상기 유기 광활성층(240)에서 생성된 정공이 양극으로 용이하게 전달되도록 하는 p-형 버퍼층으로서, PEDOT: PSS와 같은 전도성 유기물 또는 WO3, V2O3 및 MoO3와 같은 전도성 금속 산화물을 사용하여 형성할 수 있다.The hole transport layer 250 is a p-type buffer layer for easily transferring holes generated in the organic photoactive layer 240 to the anode, PEDOT: conductive organic material such as PSS or WO 3 , V 2 O 3 and MoO 3 It may be formed using a conductive metal oxide such as.

상기 제2 전극(260)은 정공을 최종적으로 수집하여 외부 회로에 전달하는 양극의 역할을 하는 층으로서, 금속, 합금, 전도성 고분자 기타 전도성 화합물 및 이들의 조합물 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 다만, 제2 전극(260)은 대기 중 노출에 대한 산화 안정성이 큰 물질인 것이 바람직하며, 예를 들어, 금속인 경우 Cu, Ag, Au, W, Ni 및 Ti과 같이 일함수가 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하다.The second electrode 260 serves as an anode that finally collects holes and delivers the holes to an external circuit. The second electrode 260 may be any one selected from metals, alloys, conductive polymers, other conductive compounds, and combinations thereof. However, the second electrode 260 is preferably a material having high oxidative stability against exposure to the atmosphere. For example, the second electrode 260 may be formed of a material having a high work function such as Cu, Ag, Au, W, Ni, and Ti. It is preferable to use.

상기 제2 전극(260)은 열기상증착법, 전자빔증착법, 스퍼터링법, 이온도금법 또는 화학적 증착에 의해 형성하거나, 금속을 포함한 전극 형성용 페이스트를 도포한 후 열처리하여 형성할 수 있다. 다만 이에 제한되는 것은 아니다.
The second electrode 260 may be formed by thermal image deposition, electron beam deposition, sputtering, ion plating, or chemical vapor deposition, or by heat treatment after applying an electrode forming paste including a metal. However, it is not limited thereto.

이처럼 본 발명의 실시예에 따르면, 원자층 증착법을 이용한 전자수송층(230) 형성 공정을 포함하므로, 결함 밀도가 적은 고품위의 전자수송층(230)을 형성할 수 있다. 따라서, 전자의 수송 능력을 높이고, 전하의 재결합 확률을 감소시켜 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.As described above, since the electron transport layer 230 is formed using the atomic layer deposition method, a high quality electron transport layer 230 having a low defect density can be formed. Therefore, it is possible to improve the efficiency of the battery by increasing the transport capacity of the electrons, reducing the probability of recombination of the charge.

특히, 나노입자 박막인 제1 전자수송층(232)을 포함하는 이중층 형태로 전자수송층(230)을 구성하는 경우, 원자층 증착법에 의해 형성되는 제2 전자수송층(234)은 그 하부에 위치하는 나노입자 박막의 모폴로지(morphology)를 따라 증착되므로 요철 표면(S)을 갖는 전자수송층(230)이 형성될 수 있다. 이는 결과적으로 전자수송층(230)과 그 상부에 형성되는 광활성층(240) 사이의 접촉 면적을 넓혀줌으로써 전자-정공의 분리를 촉진시킬 수 있다.In particular, when the electron transport layer 230 is configured in the form of a double layer including the first electron transport layer 232, which is a nanoparticle thin film, the second electron transport layer 234 formed by atomic layer deposition is nano Since the particles are deposited along the morphology of the thin film, the electron transport layer 230 having the uneven surface S may be formed. As a result, the contact area between the electron transport layer 230 and the photoactive layer 240 formed thereon may be widened to promote the separation of the electron-holes.

더불어, 나노입자의 배열로 이루어진 제1 전자수송층(232)에서 생길 수 있는 나노입자 간 접촉 결함은 원자층 증착법으로 코팅된 제2 전자수송층(234)에 제거될 수 있다. 또한, 제1 전자수송층(232)과 제2 전자수송층(234)의 구성 물질을 다르게 하는 경우 전자수송층(230)의 전도대(conduction band) 준위를 계층화할 수 있으므로 효과적인 전자의 이동 경로를 확보할 수 있는 장점이 있다.
In addition, contact defects between nanoparticles that may occur in the first electron transport layer 232 formed of an array of nanoparticles may be removed in the second electron transport layer 234 coated by atomic layer deposition. In addition, when the constituent materials of the first electron transport layer 232 and the second electron transport layer 234 are different, the conduction band level of the electron transport layer 230 may be stratified to secure an effective path for electron movement. There is an advantage.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred experimental examples are presented to help understand the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following experimental examples.

<제조예 1><Manufacture example 1>

유리 기판 상에 스퍼터링법을 이용하여 하부전극인 ITO 막(두께: 180nm, Rs: ~5Ω/□)을 형성하였다. 상기 ITO 막 상에 5nm 직경의 TiO2 분말을 스핀 코팅법으로 도포하여 15~20nm 두께의 TiO2 나노입자 박막(제1 전자수송층)을 형성한 후, 원자층 증착법을 이용(전구체: 테트라키스 다이메틸아미도 티타늄, 산화제: H2O2, 전구체 주입:퍼징:산화제 주입:퍼징 = 1초:10초:0.5초:30초(사이클), 증착온도 200℃)하여 TiO2 박막(제2 전자수송층)을 2.5nm 두께로 형성하였다. 이어서, 1:0.6 중량비로 혼합된 P3HT(poly(3-hexylthiophene):PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester)를 TiO2 박막 상에 스핀코팅하여 두께 180~200nm의 광활성층을 형성하였다. 다음, 상기 광활성층 상에 정공수송층으로 두께 25nm의 PEDOT:PSS를 스핀 코팅법으로 형성한 후, 두께 100nm의 Ag 상부전극을 열기상증착법으로 형성하여, 역구조 유기 태양전지를 제조하였다.
An ITO film (thickness: 180 nm, Rs: ˜5 μs / □) as a lower electrode was formed on the glass substrate by sputtering. 5 nm diameter TiO 2 powder was spin-coated on the ITO film to form a thin film of TiO 2 nanoparticles (first electron transport layer) having a thickness of 15 to 20 nm, and then atomic layer deposition was used (precursor: tetrakis die) Methylamido Titanium, Oxidizers: H 2 O 2 , Precursor injection: purge: oxidant injection: purge = 1 second: 10 seconds: 0.5 seconds: 30 seconds (cycle), deposition temperature 200 ° C) to form a TiO 2 thin film (second electron transport layer) to a thickness of 2.5nm. Subsequently, P3HT (poly (3-hexylthiophene): PCBM ([6,6] -phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester) mixed in a 1: 0.6 weight ratio was spin-coated on a TiO 2 thin film to have a thickness of 180 to 200 nm. Next, a PEDOT: PSS having a thickness of 25 nm was formed by spin coating as a hole transport layer on the photoactive layer, and then an Ag upper electrode having a thickness of 100 nm was formed by thermal image deposition. Was prepared.

<제조예 2 내지 5><Production Examples 2 to 5>

원자층 증착 공정에서 형성되는 TiO2 박막을 각각 5nm(제조예 2), 10nm(제조예 3), 20nm(제조예 4) 및 30nm(제조예 5)의 두께로 형성한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법을 수행하여 역구조 유기 태양전지를 제조하였다.
Except that the TiO 2 thin film formed in the atomic layer deposition process was formed with a thickness of 5 nm (Preparation Example 2), 10 nm (Preparation Example 3), 20 nm (Preparation Example 4), and 30 nm (Preparation Example 5), respectively. An inverse structure organic solar cell was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1.

<비교예><Comparative Example>

원자층 증착 공정에 의한 TiO2 박막 형성 과정을 생략한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법을 수행하여 역구조 유기 태양전지를 제조하였다.
An inverse structure organic solar cell was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1, except that the TiO 2 thin film formation process by the atomic layer deposition process was omitted.

하기 표 1은 제조예 1 내지 5 및 비교예에서 제조된 역구조 유기 태양전지의 개방회로전압(Voc), 단락전류밀도(Jsc), 필팩터(FF) 및 광전변환효율(Eff)을 정리한 것이다.Table 1 summarizes the open circuit voltage (Voc), the short-circuit current density (Jsc), the fill factor (FF) and the photoelectric conversion efficiency (Eff) of the reverse structure organic solar cells prepared in Preparation Examples 1 to 5 and Comparative Examples will be.

도 3은 제조예 1 내지 5 및 비교예에서 제조된 역구조 유기 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing current-voltage characteristics of the reverse structure organic solar cells prepared in Preparation Examples 1 to 5 and Comparative Examples.

구분division VocVoc JscJsc FFFF EffEff 제조예 1Production Example 1 0.610.61 10.1910.19 0.560.56 3.503.50 제조예 2Production Example 2 0.610.61 10.0210.02 0.570.57 3.493.49 제조예 3Production Example 3 0.590.59 10.2110.21 0.500.50 3.023.02 제조예 4Production Example 4 0.590.59 10.2710.27 0.510.51 3.103.10 제조예 5Production Example 5 0.590.59 10.1610.16 0.510.51 3.013.01 비교예Comparative example 0.590.59 9.899.89 0.470.47 2.722.72

표 1 및 도 3을 참조하면, 원자층 증착 공정을 적용한 경우(제조예 1 내지 5)가 원자층 증착 공정이 생략된 경우보다 우수한 광전변환효율을 나타냄을 확인할 수 있다.
Referring to Table 1 and FIG. 3, it can be seen that the case where the atomic layer deposition process is applied (preparation examples 1 to 5) shows superior photoelectric conversion efficiency than when the atomic layer deposition process is omitted.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.As mentioned above, although the preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation and the said by those of ordinary skill in the art within the technical idea and the scope of the present invention. Changes are possible.

110, 210: 기판 120, 220: 제1 전극
130, 230: 전자수송층 140, 240: 광활성층
150, 250: 정공수송층 160, 260: 제2 전극
232: 제1 전자수송층 234: 제2 전자수송층
110 and 210: substrate 120 and 220: first electrode
130, 230: electron transport layer 140, 240: photoactive layer
150, 250: hole transport layer 160, 260: second electrode
232: first electron transport layer 234: second electron transport layer

Claims (10)

제1 전극이 구비된 기판을 준비하는 단계; 및
상기 제1 전극 상에 전자수송층, 유기 광활성층, 정공수송층 및 제2 전극을 순차 적층하는 단계를 포함하고,
상기 전자수송층은 원자층 증착법을 이용하여 금속 산화물 박막으로 형성하는 역구조 유기 태양전지 제조방법.
Preparing a substrate provided with a first electrode; And
Sequentially stacking an electron transport layer, an organic photoactive layer, a hole transport layer, and a second electrode on the first electrode,
The electron transport layer is an inverse structure organic solar cell manufacturing method of forming a metal oxide thin film using an atomic layer deposition method.
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 박막은 티타늄 산화물 박막, 아연 산화물 박막 또는 주석 산화물 박막인 역구조 유기 태양전지 제조방법.
The method of claim 1,
The metal oxide thin film is a titanium oxide thin film, zinc oxide thin film or tin oxide thin film inverse structure organic solar cell manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 원자층 증착법을 이용한 금속 산화물 박막의 형성은,
상기 제1 전극이 구비된 기판을 원자층 증착 반응기에 배치하고, 금속 산화물 전구체를 상기 반응기로 유입시키는 단계;
상기 금속 산화물 전구체가 유입된 반응기를 퍼징하는 단계;
상기 퍼징된 반응기에 산화제를 유입시키는 단계; 및
상기 산화제가 유입된 반응기를 퍼징하는 단계를 포함하는 역구조 유기 태양전지 제조방법.
The method of claim 1,
Formation of the metal oxide thin film using the atomic layer deposition method,
Placing a substrate with the first electrode in an atomic layer deposition reactor and introducing a metal oxide precursor into the reactor;
Purging the reactor into which the metal oxide precursor is introduced;
Introducing an oxidant into the purged reactor; And
Inverted structure organic solar cell manufacturing method comprising the step of purging the reactor in which the oxidant is introduced.
제3항에 있어서,
상기 금속 산화물 전구체는 테트라키스 디메틸아미도 티타늄, 테트라키스 디에틸아미도 티타늄, 테트라키스 에틸메틸아미도 티타늄, 디에틸아연, 염화주석, 테트라키스 디메틸아미도 주석, 테트라키스 디에틸아미도 주석 및 테트라키스 에틸메틸아미도 주석 중에서 선택되는 역구조 유기 태양전지 제조방법.
The method of claim 3,
The metal oxide precursor is tetrakis dimethyl amido titanium, tetrakis diethyl amido titanium, tetrakis ethyl methyl amido titanium, diethyl zinc, tin chloride, tetrakis dimethyl amido tin, tetrakis diethyl amido tin and A method for producing an inverse structure organic solar cell selected from tetrakis ethylmethylamido tin.
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 박막을 형성하기 전에, 상기 제1 전극 상에 나노입자 박막을 형성하는 단계를 더 포함하는 역구조 유기 태양전지 제조방법.
The method of claim 1,
Before forming the metal oxide thin film, forming the nanoparticle thin film on the first electrode.
제5항에 있어서,
상기 나노입자 박막은 금속 산화물 나노입자를 포함하는 역구조 유기 태양전지 제조방법.
The method of claim 5,
The nanoparticle thin film is a reverse structure organic solar cell manufacturing method comprising a metal oxide nanoparticles.
제6항에 있어서,
상기 금속 산화물 나노입자는 티타늄 산화물, 아연 산화물 또는 주석 산화물인 역구조 유기 태양전지 제조방법.
The method according to claim 6,
The metal oxide nanoparticles are titanium oxide, zinc oxide or tin oxide inverse structure organic solar cell manufacturing method.
제5항에 있어서,
상기 나노입자 박막은 나노입자의 분산 용액을 상기 제1 전극 상에 도포하여 형성하는 역구조 유기 태양전지 제조방법.
The method of claim 5,
The nanoparticle thin film is a reverse structure organic solar cell manufacturing method is formed by applying a dispersion solution of nanoparticles on the first electrode.
기판 상에 순차 적층된 제1 전극, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 제2 전극을 포함하고,
상기 전자수송층은 원자층 증착법에 의해 형성된 금속 산화물 박막인 역구조 유기 태양전지.
A first electrode, an electron transport layer, a photoactive layer, a hole transport layer, and a second electrode sequentially stacked on the substrate;
The electron transport layer is a reverse structure organic solar cell is a metal oxide thin film formed by atomic layer deposition.
제9항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 금속 산화물 박막 사이에 위치하는 나노입자 박막을 더 포함하는 역구조 유기 태양전지.
10. The method of claim 9,
An inverse structure organic solar cell further comprising a nanoparticle thin film positioned between the first electrode and the metal oxide thin film.
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