KR20130050812A - 유기태양전지 단위소자 - Google Patents

유기태양전지 단위소자 Download PDF

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KR20130050812A
KR20130050812A KR1020110116061A KR20110116061A KR20130050812A KR 20130050812 A KR20130050812 A KR 20130050812A KR 1020110116061 A KR1020110116061 A KR 1020110116061A KR 20110116061 A KR20110116061 A KR 20110116061A KR 20130050812 A KR20130050812 A KR 20130050812A
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임찬
이명희
이선애
안종덕
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건국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자는, 단일층의 광활성층을 포함하므로 단순한 구조를 가지면서도 확장된 광경로를 확보함으로써 증대된 광전변환성능을 갖는다. 또한, 본 발명의 일 특징에 따른 유기태양전지는 종래의 ITO 하부전극을 배제하여 양면 전극구조가 아닌 단면 전극구조를 가짐으로써 구조의 단순화를 더욱 도모할 수 있도록 한다.

Description

유기태양전지 단위소자 {ORGANIC PHOTOVOLTAIC UNIT CELL}
본 발명은 유기태양전지 및 유기태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기태양전지 소자의 양면으로 광을 수용할 수 있는 양면수광 유기태양전지 및 제조방법에 관한 발명이다.
급등하는 에너지 소비량과 에너지원의 한정적인 매장량으로 인하여, 연료비의 급등과 에너지원의 고갈의 문제는 더 이상 방관할 수 없는 상태에 이르렀다. 또한 이와 더불어서 이산화탄소 배출에 대한 각국의 규제가 더욱 강화되고 있다. 이러한 문제점들에 대한 대책으로서 청정하고 자원고갈의 문제가 없는 태양력, 풍력, 수력 등의 재생 가능하고 무한에 가까운 자연에너지에 대한 연구가 더욱 활발히 이루어지고 있다. 특히 장소, 위치 등에 크게 제약이 없는 태양력을 이용하기 위한 연구가 크게 각광을 받고 있다.
태양력을 에너지원으로서 이용하는 방법 중, 현재 가장 활발한 연구가 이루어지고 있는 것은 태양전지이다. 태양전지는 광전효과(photovoltaic effect)를 이용하여 태양광을 전기로 변환시키는 반도체 소자로, 실리콘 또는 화합물 반도체 등의 무기 반도체 재료를 이용한 태양전지는 이미 시판되어 사용되고 있다. 또한 최근에는 고분자 수지 등의 유기물을 이용한 유기태양전지도 연구되고 있다.
기존의 단결정 실리콘 태양전지의 높은 원가를 개선하기 위해 제안된 다양한 태양전지 중에서, 특히 유기태양전지는 광활성층의 물질을 유기 재료로 사용하는 태양전지로서, 유기재료의 특성상 분자구조를 자유롭게 변형할 수 있어 고효율의 신규 재료의 개발 가능성이 높다. 또한 단순한 소자구조를 갖고 있어 제조공정이 간단하고 모듈화가 용이하며, 단위소자와 모듈간의 에너지 손실이 적고, 흡광 계수가 높아서 100nm의 매우 얇은 박막에서도 50% 이상의 빛을 흡수할 수 있다. 이 외에도 저렴한 가격, 재료의 유연성 등의 장점을 갖는 유기 재료를 이용하여 활발히 연구가 진행되고 있으나, 기존의 무기 재료를 이용한 태양전지에 비해 효율이 크게 떨어진다는 단점이 있어, 아직 실용화를 이루고 있지 못하고 있다.
유기태양전지의 광변환효율은 입사된 광을 전기에너지로 변환하는 것으로, 입사된 광이 광활성층 내의 유기 물질을 여기시켜 전자와 정공이 불안정하게 결합된 형태인 엑시톤(exciton)을 형성하고, 이 전자와 정공이 각각 도너(donor)층과 억셉트(accept)층을 통과하여 전극까지 이동하여 전기에너지로 전환되는 효율을 말한다.
유기태양전지용 재료로서는 크게 도너인 p-형 유기반도체 재료와 억셉터인 n-형 유기반도체 재료로 구분될 수 있다. p-형 유기반도체 재료는 빛이 흡수되어 생성된 엑시톤(exciton)이 형성되면 n-형 유기 반도체 재료와의 접합부(junction)에서 정공(hole)과 전자(electron)으로 분리되어 전자를 잘 제공할 수 있는 도너이다. n-형 유기반도체 재료는 억셉터로 환원되어 전자를 잘 받아들일 수 있는 재료를 말한다. 다양한 도너 및 억셉터 재료들이 보고되고 있으나, P3HT/PCBM 또는 PCPDTBT/PCBM 등을 제외하고는 3% 이상의 효율을 기대하기 어려운 실정이다.
또한, 유기태양전지 소자의 효율을 높이기 위하여 소자의 구조의 개선하는 방법으로서, 무기계 태양전지뿐만 아니라 유기전자소자인 OLED에서도 시도되고 있는 탠덤(tendem)구조를 들 수 있다. 탠덤 구조는 일본의 야마가타 대학의 카토(Kato) 그룹에서 OLED에 처음 적용한 기술로서, 두 개의 소자가 전극을 마주 대고 적층되어 있는 구조로 OLED에 있어서 발광효율을 증가시킨 예가 보고 되었다. 그러나 탠덤 구조는 소자의 두께가 증가하기 때문에 저항도 함께 증가하여 구동전압이 증가하여 효율이 떨어지는 단점이 있을 뿐만 아니라, 유기태양전지의 제조 단가 및 공정 단계를 증가시키는 문제점이 있다.
현재까지 연구가 진행된 유기태양전지가 가질 수 있는 광변환효율은 최대 10%대 미만으로, 효율 면에서 상업화 단계에 이르지 못하고 있을 뿐만 아니라 재료개발을 통한 효율증가에는 한계가 있다.
본 발명은 투명 기판면으로 입사되는 광뿐만 아니라 투명 기판의 반대면의 전극을 경유하여 입사되는 광에 의하여도 광활성층에서 전자를 발생시킴으로써 구조가 단순하면서도 효율이 증대되거나 효율 확보 메커니즘을 다양화할 수 있는 수광 다면화 유기태양전지 단위소자를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 유기태양전지 단위소자는 도너 물질 및 억셉터 물질의 벌크헤테로정션 층으로 이루어진 하나의 광활성층을 포함하는 유기태양전지 단위소자(unit cell)에 있어서, 상기 유기태양전지 단위소자의 적어도 두 개의 면으로 입사된 광이 상기 광활성층에 도달되어 전자를 발생시킨다.
상기 도너 물질은 사이오펜(thiophene)계 화합물을 포함하는 고분자 및 그 유도체를 포함하고, 상기 억셉터 물질은 플러렌(fullerene) 유도체인 n-형 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자는 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 형성되고, 도전성 물질로 이루어진 제1 전극부, 제1 전극부 상에 형성되고, 도전성 유기물로 이루어진 제1 버퍼층, 상기 제1 전극부 상에 형성되고, 밴드갭 에너지가 다른 적어도 2종의 광 활성 유기물들을 포함하는 광활성 층, 및 상기 광활성층 상에 형성되고, 5 nm 내지 500 nm의 두께를 갖는 금속 박막층 또는 개구영역을 갖는 금속 패턴을 포함하는 제2 전극부를 포함한다.
상기 광활성층은 도너 물질 및 억셉터 물질을 포함하고, 상기 도너 물질 및 억셉터 물질은 벌크헤테로정션일 수 있다.
상기 도너 물질은 사이오펜(thiophene)계 화합물을 포함하는 고분자 및 그 유도체를 포함하고, 상기 억셉터 물질은 플러렌(fullerene) 유도체인 n-형 화합물을 포함할 수 있다.
상기 제1 버퍼층을 이루는 도전성 유기물은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)) 및 CuPc(copper phthalocyanine)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종일 수 있다.
상기 금속 박막층은 Al 및 Mg으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속일 수 있다.
상기 금속 패턴은 스트라이프형, 격자형, 가지형, 벌집형으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 금속 패턴의 폭에 대한 높이의 비(aspect ratio)는 1:1 내지 1:3일 수 있다.
LiF(lithium fluoride) 및 BCP(2,9-dimethyl-4,7-dipheny-1,10-phenanthroline)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하고, 상기 광활성층 및 제2 전극부 사이에 형성되는 제2 버퍼층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자는 베이스 기판, 베이스 기판 상에 형성되고, 밴드갭 에너지가 다른 적어도 2종의 광 활성 유기물들을 포함하는 광활성층, 및 상기 광활성층 상에 형성되고, 상기 광활성층 면을 따라 서로 교대로 형성된 양전극 패턴 및 음전극 패턴을 포함한다.
상기 광활성층 및 양전극 패턴 사이에는 상기 양전극 패턴의 형상에 대응하고 도전성 유기물로 이루어진 제3 버퍼패턴이 형성될 수 있다.
상기 광활성층 및 음전극 패턴 사이에는 상기 음전극 패턴의 형상에 대응하는 제4 버퍼패턴이 형성될 수 있다.
상기 양전극 패턴 및 상기 음전극 패턴을 보호하고, 상기 유기태양전지 단위소자의 표면을 평탄화하도록 형성되는 평탄화막을 포함할 수 있다.
상기 제3 버퍼층 및 제4 버퍼층을 형성하도록 상기 광활성층 상에 요철구조가 형성될 수 있다.
상기 제3 버퍼층 및 제4 버퍼층의 면적은 상기 양전극 패턴 및 상기 음전극 패턴의 면적보다 넓을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자는, 단일층의 광활성층을 포함하므로 단순한 구조를 가지면서도 확장된 광경로를 확보함으로써 증대된 광전변환성능을 갖는다. 또한, 본 발명의 일 특징에 따른 유기태양전지는 종래의 ITO 하부전극을 배제하여 양면 전극구조가 아닌 단면 전극구조를 가짐으로써 구조의 단순화를 더욱 도모할 수 있도록 한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 제2 전극부를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 제2 전극부를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 제2 전극패턴을 도시한 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 제2 전극패턴을 도시한 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 양전극 패턴 및 음전극 패턴을 도시한 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 Al 전극 두께에 따른 외부광자효율(EQE)을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 Al 전극 두께에 따른 광흡수율 시뮬레이션을 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 Al 전극 두께에 따른 외부광자효율(EQE)을 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 Al 전극 두께에 따른 광흡수율 시뮬레이션을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지 모듈의 제조방법을 자세하게 설명하도록 한다. 그러나 하기 설명들은 본 발명에 대한 예시적인 기재일 뿐, 하기 설명에 의하여 본 발명의 기술사상이 국한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상은 후술할 청구범위에 의하여 정해진다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자(100)는 베이스 기판(110), 제1 전극부(120), 제1 버퍼층(130), 광활성층(140) 및 제2 전극부(150)를 포함한다. 상기 유기태양전지 단위소자(100)는 상기 제1 전극부(120)뿐만 아니라, 상기 제2 전극부(150)를 통하여 입사된 광을 양면 모두에서 수광하여 전기로 변환시킨다. 베이스 기판(110)은 기존에 사용하던 기판 중 유리, 플리스틱 호일 등 투명한 기판 중 어느 것을 사용할 수 있으나, 가시광선 영영에서의 높은 투과도 및 10Ω/□ 이하의 면저항을 갖고, 공정의 용이성 및 완성된 소자의 광변환효율 면을 고려하여 본 실시예에서는 유리기판(110)을 사용한다.
상기 제1 전극부(120)는 상기 베이스 기판(110) 상에 형성되며, 베이스 기판(110)의 전면 또는 일부 영역에 패턴으로 형성될 수 있다. 제1 전극부(120)의 재료로서 PEDOT:PSS 등의 전도성 고분자, ITO 등의 전도성 산화물 등을 사용할 수 있으나, 투명성, 면 저항, 기판과의 친화성 등을 고려할 때 ITO를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 제1 전극부(120)는 베이스 기판(110) 상에 도전성 물질을 스퍼터링 등의 증착 방식으로 형성될 수 있고, 경우에 따라서는 용액상의 전도성 물질을 정전 스프레이(electrospray)에 의하여 막으로 형성될 수 있다.
제1 버퍼층(130)은 제1 전극부(120) 상에 형성된다. 제1 버퍼층(130)은 정전기 방지 및 생성된 정공(hole)을 제1 전극부로 용이하게 수송하도록 하는 정공 수송의 역할을 할 수 있다. 본 실시예에서 제1 버퍼층(130)은 전도성 고분자로서 PEDOT:PSS가 사용되었으나 이에 제한은 없고, 이 외에도 CuPc(copper phthalocyanine) 등을 사용할 수 있다. 제1 버퍼층(130)은 스핀코팅 등의 방식으로 제1 전극부(120) 상에 도포한 후, 베이킹(baking) 공정을 거쳐 형성될 수 있다. 상기 제1 버퍼층(130)은 제1 전극부(120)의 일부 영역이 노출되도록 형성된다.
광활성층(140)은 제1 버퍼층(130) 상에 형성된다. 광활성층(140)은 P3HT 또는 P3HT 유도체 및, PCBM 또는 PCBM 유도체 등의 광활성 유기물을 포함하며, 상기 광활성 유기물은 블레이드 코팅 방식에 의하여 코팅 된 후 건조 과정을 거쳐 형성된다. 이와 다르게 유기물의 코팅은 슬롯-다이, 정전 스프레이, 스핀 코팅, 바 코팅 등 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 유기물의 코팅은 롤두롤(roll-ro-roll) 장비를 이용하여 연속적으로 이루어질 수도 있다. 상기 광활성 유기물로서는, 공지된 다양한 도너(donor) 재료 및 억셉터(acceptor) 재료들의 혼합물을 사용할 수 있고, 경우에 따라서는 2종 이상의 도너재료 또는 2종의 이상의 억셉터 재료가 사용될 수 있다. 또한, 상기 광활성 유기물은 반도체 입자, 금속 입자, 기타 다양한 유기, 무기 첨가제들을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 형성된 광활성층(140)은 P3HT 또는 P3HT의 유도체 및, PCBM 또는 PCBM 유도체의 벌크헤테로정션(Bulk HeteroJunction; BHJ)을 이룬다.
제2 전극부(150)는 광활성층(140) 상에 형성된다. 제2 전극부(140)는 도전성 재료를 열기상증착(thermal evaporation) 등의 방식으로 증착함으로써 형성될 수 있다. 본 실시예에서 상기 도전성 재료로는 Al이 사용되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전성 재료로서, Mg 등의 금속 또는 전술한 PEDOT:PSS 등의 유기물 함유 재료를 사용할 수도 있다.
한편, 상기 도전성 재료로서, Al 등의 금속 재료를 사용할 경우 전극 두께를 100nm 이하의 박막으로 설계함으로써 투명성을 확보할 수 있다. 따라서 본 실시예의 유기태양전지 단위소자(100)는 베이스기판(110)면에서 입사되는 광(191)뿐만 아니라, 제2 전극부(150)면에서 입사되는 광(192)을 이용하는 양면 수광형의 소자로서 기능한다. 또한, 이와 다르게 Al 등의 전극 재료를 메쉬 또는 그리드 패턴으로 설계하거나, 금속 나노와이어를 메쉬 또는 그리드 형태로 배치함으로써 격자 내부로 광경로를 확보할 수 있어, 양면 수광형의 모듈로서 기능할 수 있다.
또한, 제2 전극부(150)가 형성된 후에는, 140℃ 내지 160℃ 의 온도 범위 하에서 상기 유기태양전지 단위소자(100)를 열처리함으로써 추가적으로 개선할 수 있다.
이하에서는 제2 전극부(150)에 대하여 실시예들을 들어 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 제2 전극부를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제2 전극부(250)는 광활성층(140) 상에 형성된다. 제2 전극부(250)는 제2 버퍼층(252) 및 제2 전극 패턴(254)을 포함한다. 제2 버퍼층(252)은 광활성층(140)에서 형성된 전자가 제2 전극패턴(254)로 용이하게 이동할 수 있도록 하는 전자 수송의 역할을 한다. 또한 제2 버퍼층(252)은 광활성층(140)에서 형성된 정공이 제2 전극패턴(254)으로 이동하는 것을 차단하는 정공 차단 역할을 수행한다. 본 실시예에서, 제2 버퍼층(252)의 재료로는 LiF를 사용하였으나 이에 제한되지 않고, 이 외에도 플러렌-LiF 복합체, BCP(2,9-dimethyl-4,7-dipheny-1,10-phenanthroline) 등을 사용할 수 있다.
본 실시예에서, 제2 전극패턴(254)의 광투과율이 전술한 도 1의 제1 전극부(120)의 광투과율의 적어도 60%가 되도록, 제2 전극패턴(254)의 두께(h1)는 5 nm 내지 500 nm를 갖는다. 제2 전극패턴(254)면으로 입사되는 소정량의 광이 제2 전극패턴(254)을 투과할 수 있도록, 사용되는 금속의 종류를 고려하여 상기 두께(h1)를 조절할 수 있다. 제2 전극패턴(254)의 두께(h1)가 100nm를 초과할 경우에는 광투과성이 현저히 떨어져서 본 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자(100)가 양면수광형으로서 기능할 수 없게 된다. 한편, 상기 제2 전극패턴(254)의 두께(h1)가 10nm 미만일 경우에는 금속의 산화 가능성이 높아지고, 저항의 증가로 인하여 소자의 안정성이 저하된다.
이후, Al의 두께에 따른 외부양자효율(External Quantum Efficiency; EQE) 측정 및 광흡수율 시뮬레이션에 대한 결과에 대하여 후술하도록 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 제2 전극부를 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 제2 전극부(350)는 광활성층(140)에 형성된다. 제2 전극부는 제2 버퍼층(352) 및 제2 전극패턴(354)을 포함한다. 제2 전극패턴(354)은 복수의 스트라이프 형의 라인으로 이루어진다. 스트라이프는 간격(d1)을 두고 서로 이격되어 있어 스트라이프 사이에 개구 영역이 형성되고, 상기 개구 영역을 통하여 제2 버퍼층(352)이 노출된다. 제2 전극패턴(354)의 폭(w1)은, 제2 전극패턴(354)의 광투과율이 도 1의 제1 전극부(120)로 입사되는 광투과율의 적어도 60%가 되고, 전기저항에 손실되지 않도록 폭에 대한 높이의 비(h2/w1, aspect ratio)가 1:1 내지 1:3이 되도록 한다.
스트라이프형 제2 전극 패턴(354)은 열기상증착 등의 방법으로 형성된 후, 포토리소그라피 등의 방법으로 식각하여 형성할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 제2 전극패턴을 도시한 확대 단면도이다.
도 4를 참조하면, 도 3에서 스트라이프형 제2 전극패턴(354) 대신에 그리드(grid) 또는 메쉬(mesh)형 제2 전극패턴(454)을 형성할 수 있다. 그리드 또는 메쉬의 형태는 사각의 격자형태 이외에도, 삼각 격자형태, 육각 격자형태, 원형 격자형태 등일 수 있다.
한편, 이것과는 다르게 금속의 나노와이어를 합성하여 격자형태로 배열하여 전극패턴으로 사용할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제2 전극패턴(354, 454, 554)은 전술한 스트라이프형 제2 전극패턴(354) 및 그리드 또는 메쉬형 제2 전극패턴(454)과는 다르게 빗살형 패턴으로 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자를 도시한 단면도이다. 도 6을 설명함에 있어서, 도 1에서 설명된 중복된 구성요소의 설명을 배제하고 본 실시예에 관련한 구성요소 위주로 설명하도록 한다. 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자(600)는 베이스 기판(610), 광활성층(640), 전극부(650) 포함한다. 전극부는 음극부(652) 및 양극부(654)를 포함한다. 광활성층(640)의 양면에 전극부를 형성하는 대신 베이스 기판(610)과의 반대면에 양극부(652) 및 음극부(654)가 간격(d2)을 두고 이격되어 형성된다.
음극부(654)는 전술한 Al 또는 Mg을 이용하여 형성될 수 있다. 양극부(654)는 전술한 ITO 또는 투명 전도성 고분자 등의 투명한 재료뿐만 아니라 Au, Ag, Pt 등의 금속을 사용하여 형성될 수 있다. 양극부(652) 및 음극부(654)의 폭(w2 및 w3)은 전술한 스트라이프형 제2 전극패턴 등에서와 같이 광투과율이 적어도 60%가 되도록 조절된다. 또한 양극부(652) 및 음극부(654) 의 높이(h3 및 h4)는 전기저항 등을 고려하여 양극부(652) 및 음극부(654)의 폭(w2 및 w3)과 함께 조절된다.
한편, 도면에 도시하지 않았으나, 소자의 안정성 및 표면의 평탄화를 위하여 광활성층(640), 및 전극부(650)를 덮도록 평탄화막을 형성할 수 있다. 상기 평탄화막으로는 유기 고분자 재료로써, 절연성이 있고 투명한 유기 고분자 재료이면 제한되지 않는다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 전극부(700)는 양극부(710) 및 음극부(730)을 포함한다. 양극부(710)는 제3 버퍼층(712) 및 양전극 패턴(714)으로 구성되고, 음극부(730)는 제4 버퍼층(732) 및 음전극 패턴(734)으로 구성된다.
전술한 정전기 방지 및 정공 수송의 기능을 위하여, 양전극 패턴(714) 및 광활성층(640) 사이에 제3 버퍼층(712)을 형성할 수 있다. 또한 마찬가지로 전자 수송 및 정공 차단의 기능을 위하여 음전극 패턴(734) 및 광활성층(640) 사이에 제4 버퍼층(732)을 형성할 수 있다. 전술한 제1 버퍼층과 같은 기능을 하는 제3버퍼층(712)은 스핀코팅 등의 방식으로 광활성층(640) 상에 PEDOT:PSS 또는 CuPc(copper phthalocyanine) 등을 도포한 후, 베이킹 공정을 거쳐 형성될 수 있다. 또한, 전술한 제2 버퍼층과 같은 기능을 하는 제4 버퍼층(732)은 LiF, 플러렌-LiF 복합체, BCP(2,9-dimethyl-4,7-dipheny-1,10-phenanthroline) 등을 사용할 수 있다.
한편, 도면에 도시하지 않았지만, 제3 버퍼층(712) 및 제4 버퍼층(732)의 면적은 양전극 패턴(714) 및 음전극 패턴(734)의 면적보다 넓게 형성될 수 있다. 또한, 광활성층(640) 상에 요철구조를 형성하여 광활성층(640) 상에 제3 버퍼층(712) 및 제4 버퍼층(732)이 매립되도록 형성할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 소자의 안정성 및 표면의 평탄화를 위하여 광활성층(640), 및 전극부(700)를 덮도록 평탄화막을 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 광활성층(640) 상에 양극부(710) 및 음극부(730)이 형성된다. 전술한 전극부(650, 700)를 광활성층(640) 상에 형성할 때, 양극부(710) 및 음극부(730)가 광활성층(640) 면을 따라 서로 교대로 형성되도록 핑거 전극(finger electrode) 구조가 되도록 설계될 수 있다. 이 때, 전술한 광투과율 및 전기저항을 고려하여 양전극(710)의 폭(w2) 및 음전극(730)의 폭(w3), 및 두 전극 사이의 간격(d2)을 조절하여 형성할 수 있다.
Al 전극 두께에 따른 외부양자효율 및 활성도 평가
이하에서는, Al 전극 두께에 따른 외부양자효율(External Quantum Efficiency; EQE) 및 활성도를 평가하여 Al 전극에 대한 광투과율에 대하여 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 Al 전극 두께에 따른 외부광자효율(EQE)을 도시한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 외부 광이 ITO 면, 즉 전면으로 입사하는 경우, Al 전극의 두께가 감소할수록 외부광자효율(EQE)은 전체적으로 감소하며, 350nm 이하의 UV 영역에 있어서, 외부광자효율(EQE)이 현저히 감소한다.
도 10 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 Al 전극 두께에 따른 광흡수율 시뮬레이션을 도시한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 외부 광이 ITO 면, 즉 전면으로 입사하는 경우, Al 전극두께가 감소할수록 전체적인 흡수율도 감소한다.
도 11 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 Al 전극 두께에 따른 외부광자효율(EQE)을 도시한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 외부 광이 Al면, 즉 후면으로 입사하는 경우, Al 전극의 두께가 감소할수록 외부광자효율(EQE)은 전체 파장영역에서 증가하고, 전면에서 입사될 경우와는 다르게 UV영역의 외부광자효율(EQE)이 현저히 증가한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 Al 전극 두께에 따른 광흡수율 시뮬레이션을 도시한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 외부 광이 Al면, 즉 후면으로 입사하는 경우, 전극두께가 감소할수록 광흡수율의 전반적인 증가 및 UV 영역에서의 흡수율이 향상된다.

Claims (16)

  1. 도너 물질 및 억셉터 물질의 벌크헤테로정션 층으로 이루어진 적어도 하나 이상의 광활성층을 포함하는 유기태양전지 단위소자(unit cell)에 있어서,
    상기 유기태양전지 단위소자의 적어도 두 개의 면으로 입사된 광이 상기 광활성층에 도달되어 전자를 발생시키는 유기태양전지 단위소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도너 물질은 상기 도너 물질은 사이오펜(thiophene)계 화합물을 포함하는 고분자 및 그 유도체를 포함하고, 상기 억셉터 물질은 플러렌(fullerene) 유도체인 n-형 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 단위소자.
  3. 베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상에 형성되고, 도전성 물질로 이루어진 제1 전극부;
    제1 전극부 상에 형성되고, 도전성 유기물로 이루어진 제1 버퍼층;
    상기 제1 전극부 상에 형성되고, 밴드갭 에너지가 다른 적어도 2종의 광 활성 유기물들을 포함하는 광활성 층; 및
    상기 광활성층 상에 형성되고, 5nm 내지 500nm의 두께를 갖는 금속 박막층 또는 개구영역을 갖는 금속 패턴을 포함하는 제2 전극부를 포함하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광활성층은 도너 물질 및 억셉터 물질을 포함하고,
    상기 도너 물질 및 억셉터 물질은 벌크헤테로정션인 것을 특징으로 하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 도너 물질은 상기 도너 물질은 사이오펜(thiophene)계 화합물을 포함하는 고분자 및 그 유도체를 포함하고, 상기 억셉터 물질은 플러렌(fullerene) 유도체인 n-형 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 단위소자.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층을 이루는 도전성 유기물은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)) 및 CuPc(copper phthalocyanine)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 금속 박막층은 Al 및 Mg으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속인 것을 특징으로 하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 금속 패턴은 스트라이프형, 격자형, 가지형, 벌집형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 금속 패턴의 폭에 대한 높이의 비(aspect ratio)는 1:1 내지 1:3인 것을 특징으로 하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.
  10. 제3항에 있어서,
    LiF(lithium fluoride) 및 BCP(2,9-dimethyl-4,7-dipheny-1,10-phenanthroline)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하고,
    상기 광활성층 및 제2 전극부 사이에 형성되는 제2 버퍼층을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.
  11. 베이스 기판;
    베이스 기판 상에 형성되고, 밴드갭 에너지가 다른 적어도 2종의 광 활성 유기물들을 포함하는 광활성층; 및
    상기 광활성층 상에 형성되고, 상기 광활성층 면을 따라 서로 교대로 형성된 양전극 패턴 및 음전극 패턴을 포함하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광활성층 및 양전극 패턴 사이에는 상기 양전극 패턴의 형상에 대응하고 도전성 유기물로 이루어진 제3 버퍼패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광활성층 및 음전극 패턴 사이에는 상기 음전극 패턴의 형상에 대응하는 제4 버퍼패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 양전극 패턴 및 상기 음전극 패턴을 보호하고, 상기 유기태양전지 단위소자의 표면을 평탄화하도록 형성되는 평탄화막을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제3 버퍼층 및 제4 버퍼층을 형성하도록 상기 광활성층 상에 요철구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.
  16. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제3 버퍼층 및 제4 버퍼층의 면적은 상기 양전극 패턴 및 상기 음전극 패턴의 면적보다 넓은 것을 특징으로 하는 양면 수광형 유기태양전지 단위소자.

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