KR20130076392A - 유기 태양 전지의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 유기 태양 전지 - Google Patents

유기 태양 전지의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 유기 태양 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기 태양 전지의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 유기 태양 전지에 관한 것으로서, 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 코팅 용액에 침지시켜 박막층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 유기 태양 전지의 제조 방법은 박막층을 10 내지 1000nm 두께로 연속적으로 코팅하는 것이 가능하여 공정 비용을 줄일 수 있고, 제조되는 박막층의 두께 편차를 줄일 수 있어 유기 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

유기 태양 전지의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 유기 태양 전지{METHOD FOR MANUFACTURING POLYMER SOLAR CELL AND THE POLYMER SOLAR CELL MANUFACTURING BY USING THE SAME}
본 발명은 유기 태양 전지의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 유기 태양 전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 박막층을 연속적으로 코팅하는 것이 가능하여 공정 비용을 줄일 수 있고, 제조되는 박막층의 두께 편차를 줄일 수 있는 유기 태양 전지의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 유기 태양 전지에 관한 것이다.
유기 태양 전지는 이중 결합이 교대로 되어 있는 폴리파라페닐렌비닐렌(PPV) 등의 공액 고분자(conjugated polymer)와 CuPc, 페릴렌, 펜타센 등의 감광성 저분자, (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르(PCBM) 등의 유기 반도체 재료를 활용하는 구조의 태양 전지이다. 상기 유기 반도체 재료는 디자인이 가능하고, 다양하게 합성하는 것이 가능하여 상기 유기 태양 전지는 무한한 발전의 가능성을 가지고 있다.
상기 유기 태양 전지는 기본적으로 박막형 구조를 가지고 있으며, 주로 투명 전극인 산화인듐주석(ITO)을 양극으로, 낮은 일함수를 갖는 알루미늄(Al) 등의 금속 전극을 음극으로 사용하며, 광활성층은 100nm 정도의 두께로 정공수용체(hole acceptor)와 전자수용체(electron acceptor)가 혼재되어 있는 벌크 이종 접합 구조를 가지고 있다.
상기 정공수용체로는 상기 PPV와 같은 도전성을 갖는 공액 고분자가 사용되고, 상기 전자수용체로는 풀러렌(fullerene)을 사용한다. 이때, 빛에 의해 생성된 전자를 풀러렌을 통해 알루미늄 전극으로 손실 없이 수집하기 위해서는 공액 고분자 내에 풀러렌이 충분히 혼합되어 있어야 하므로, 풀러렌이 공액 고분자와 잘 혼합되도록 하기 위해 상기 PCBM과 같은 풀러렌 유도체를 사용할 수 있다.
상기 공액 고분자가 빛을 흡수하면 전자-정공쌍(exciton)을 생성하고, 상기 생성된 전자와 정공은 각각 풀러렌과 공액 고분자를 경유하여 양극 및 음극에 수집된다.
상기 유기 태양 전지는 손쉬운 가공성 및 저렴한 가격으로 대량생산이 가능하며, 롤투롤(roll-to-roll) 방식에 의한 박막 제작이 가능하므로 유연성을 가지는 대면적 전자소자의 제작이 가능하다는 장점이 있다.
그러나, 상기와 같은 기술적, 경제적 유리함에도 불구하고 낮은 효율로 인해 실용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서, 유기 태양 전지 분야에서는 효율 향상을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재까지 효율 관련 연구로는 흡수한 빛을 효과적으로 활용하기 위한 광활성층 또는 전자전달층 및 정공전달층의 원료 선정이나 제조 공정 그리고 낮은 전하 이동도를 극복하기 위한 유기 박막의 형태, 구조 그리고 결정성 증가 등에 집중되고 있다.
한국특허등록 제1023021호(등록일: 2011년 3월 10일) 한국특허등록 제1023020호(등록일: 2011년 3월 10일) 한국특허등록 제1066019호(등록일: 2011년 9월 14일)
본 발명의 목적은 박막층을 10 내지 1000nm 두께로 연속적으로 코팅하는 것이 가능하여 공정 비용을 줄일 수 있고, 제조되는 박막층의 두께 편차를 줄일 수 있어 유기 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있는 유기 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 유기 태양 전지의 제조 방법에 의하여 제조된 유기 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법은 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 코팅 용액에 침지시켜 박막층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 기재 필름이 상기 코팅 용액으로 들어갈 때 상기 기재 필름의 박막층 형성면과 상기 코팅 용액의 수면이 이루는 각도는 0 내지 180°이고, 상기 기재 필름이 상기 코팅 용액에서 나올 때 상기 기재 필름의 박막층 형성면과 상기 코팅 용액의 수면이 이루는 각도는 0 내지 180°일 수 있다.
상기 기재 필름을 상기 코팅 용액에 침지시키는 시간은 1 내지 20분일 수 있다.
상기 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키는 속도는 0.01 내지 20m/min일수 있다.
상기 코팅 용액의 농도는 0.01 내지 1000mg/ml일 수 있다.
상기 박막층은 두께가 10 내지 1000nm일 수 있다.
상기 유기 태양 전지의 제조 방법은 상기 박막층을 형성한 후 50 내지 400℃에서 1 내지 30분 동안 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 투명 전도성 물질 및 용매를 포함하는 코팅 용액에 침지시켜 투명 전도성 박막층을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 용매는 물, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 아세톤, 펜탄, 톨루엔, 벤젠, 디에틸에테르, 메틸부틸에테르, N-메틸피로릴돈(NMP), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAC), 디메틸술폭사이드(DMSO), 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 사이클로헥산, 사이클로펜타논, 사이클로헥사논, 디옥산, 터피네올, 메틸에텔케톤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 투명 전도성 물질은 주석도핑 산화인듐(ITO: tin-doped indium oxide), 불소도핑 산화주석(FTO: fluorine-doped tin oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3, 전도성 고분자, 그라펜(graphene), 그라펜 산화물(graphene oxide), 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 금속 산화물 전구체 및 용매를 포함하는 코팅 용액에 침지시켜 금속 산화물 박막층을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 금속 산화물의 평균 입경은 10nm 이하일 수 있다.
상기 금속 산화물 전구체는 금속 클로라이드(chloride), 금속 아세테이트(acetate), 금속 시트레이트(citrate), 금속 (메트)아크릴레이트((meth)acrylate), 금속 브로마이드(bromide), 금속 시아나이드(cyanide), 금속 포스페이트(phosphate), 금속 술페이트(sulfate), 금속 술파이드(sulfide) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 금속 산화물 전구체에서 상기 금속은 Ti, Zn, Si, Mn, Sr, In, Ba, K, Nb, Fe, Ta, W, Sa, Bi, Ni, Cu, Mo, Ce, Pt, Ag, Rh 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 정공수용체, 전자수용체 및 용매를 포함하는 코팅 용액에 침지시켜 광활성층을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 정공수용체는 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT], 폴리-3-옥틸티오펜[poly-3-octylthiophene, P3OT], 폴리파라페닐렌비닐렌[poly-p-phenylenevinylene, PPV], 폴리(디옥틸플루오렌)[poly(9,9'-dioctylfluorene)], 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)[poly(2-methoxy,5-(2-ethyle-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, MEH-PPV], 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌비닐렌[poly(2-methyl,5-(3',7'-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene, MDMOPPV], 이들의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 전자수용체는 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM], (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester; C70-PCBM], (6,6)-티에닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM], 탄소나노튜브, 이들의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 정공전달물질 및 용매를 포함하는 코팅 용액에 침지시켜 정공전달층을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 정공전달물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(PSS), 폴리아닐린, 프탈로시아닌, 펜타센, 폴리디페닐 아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, 구리 프탈로시아닌(Cu-PC) 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(T-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴) 디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌, 이들의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 금속 입자 및 용매를 포함하는 코팅 용액에 침지시켜 전극을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 금속 입자는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 망간(Mn), 이들의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 용매는 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 아세톤, 펜탄, 톨루엔, 벤젠, 디에틸에테르, 메틸부틸에테르, N-메틸피로릴돈(NMP), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAC), 디메틸술폭사이드(DMSO), 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 사이클로헥산, 사이클로펜타논, 사이클로헥사논, 디옥산, 터피네올, 메틸에텔케톤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유기 태양 전지는 상기 유기 태양 전지의 제조 방법에 의하여 제조된다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지를 도시한 사시도이다. 상기 유기 태양 전지는 음극과 광활성층 사이에 형성된 금속 산화물 박막층을 포함하는 인버티드 유기 태양 전지일 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 유기 태양 전지(100)는 서로 대향 배치되는 양극(160) 및 음극(120), 상기 양극(160) 및 음극(120) 사이에 위치하고, 정공수용체 및 전자수용체가 혼합된 광활성층(140), 그리고 상기 음극(120)과 상기 광활성층(140) 사이에 형성되는 금속 산화물 박막층(170)을 포함한다.
상기 기재 필름(110)은 투명성을 갖는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 석영 또는 유리와 같은 투명 무기 기재 필름이거나, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에테르이미드(PEI)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 투명 플라스틱 기재 필름을 사용할 수 있다. 특히, 상기 투명 플라스틱 기재 필름은 플렉서블(flexible)하면서도 높은 화학적 안정성, 기계적 강도 및 투명도를 가지는 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 기재 필름(110)은 약 400 내지 750nm의 가시광 파장에서 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 투과율을 갖는 것이 좋다.
상기 음극(120)은 상기 기재 필름(110)을 통과한 빛이 광활성층(140)에 도달할 수 있도록 하는 경로가 되므로 높은 투명도를 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 음극(120)을 형성하는 음극 형성 물질의 구체적인 예로는 주석도핑 산화인듐(ITO: tin-doped indium oxide), 불소도핑 산화주석(FTO: fluorine-doped tin oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 투명산화물, 또는 전도성 고분자, 그라펜(graphene) 박막, 그라펜 산화물(graphene oxide) 박막, 탄소나노튜브 박막과 같은 유기 투명전극, 금속이 결합된 탄소나노튜브 박막과 같은 유-무기 결합 투명전극 등을 사용할 수 있다.
상기 양극(160)은 구체적으로 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 망간(Mn) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광활성층(140)은 정공수용체와 전자수용체가 혼합된 벌크 이종 접합 구조를 가진다. 상기 정공수용체는 전기 전도성 고분자 또는 유기 저분자 반도체 물질 등과 같은 유기 반도체로서, 상기 전기 전도성 고분자는 폴리티오펜(polythiphene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리플루오렌(polyfulorene), 폴리피롤(polypyrrole), 이들의 공중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 상기 유기 저분자 반도체 물질은 펜타센(pentacene), 안트라센(anthracene), 테트라센(tetracene), 퍼릴렌(perylene), 올리고티오펜(oligothiphene), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 정공수용체는 바람직하게 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT], 폴리-3-옥틸티오펜[poly-3-octylthiophene, P3OT], 폴리파라페닐렌비닐렌[poly-p-phenylenevinylene, PPV], 폴리(디옥틸플루오렌)[poly(9,9'-dioctylfluorene)], 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)[poly(2-methoxy,5-(2-ethyle-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, MEH-PPV], 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌비닐렌[poly(2-methyl,5-(3',7'-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene, MDMOPPV] 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 전자수용체는 풀러렌(fullerene, C60) 또는 풀러렌 유도체, CdS, CdSe, CdTe 및 ZnSe 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 나노 입자일 수 있다. 상기 전자수용체는 바람직하게 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM], (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester; C70-PCBM], (6,6)-티에닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM], 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 광활성층(140)은 상기 정공수용체로서 P3HT와 상기 전자수용체로서 PCBM의 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하고, 이때 상기 P3HT와 PCBM의 혼합 중량 비율을 1:0.1 내지 1:2일 수 있다.
상기 유기 태양 전지(100)는 상기 양극(160)과 상기 광활성층(140) 사이에 정공전달층(150)을 더 포함할 수 있다. 상기 정공전달층(150)은 광활성층(140)에서 발생된 정공을 양극(160)으로 이동시키는 것을 도와주는 층이다. 상기 정공전달층(150)은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(PSS), 폴리아닐린, 프탈로시아닌, 펜타센, 폴리디페닐 아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, 구리 프탈로시아닌(Cu-PC) 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(T-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴) 디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 정공전달물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 상기 PEDOT와 PSS의 혼합물을 사용할 수 있다.
한편, 상기 유기 태양 전지(100)는 상기 음극(120)과 상기 광활성층(140) 사이에 금속 산화물 박막층(170)을 포함한다. 상기 금속 산화물 박막층(170)은 부전극으로서 전자의 이동 속도를 증가시켜 유기 태양 전지(100)의 작동을 가능하게 하고, 외부로부터 침투하는 산소와 수분을 차단하여 상기 광활성층(140)에 포함된 고분자가 산소와 수분에 의하여 열화되는 것을 방지하여 유기 태양 전지(100)의 수명을 향상시킬 수 있다.
상기 금속 산화물 박막층(170)은 두께가 10 내지 500nm, 바람직하게 20 내지 300nm, 더욱 바람직하게 20 내지 200nm일 수 있다. 상기 금속 산화물 박막층(170)의 두께가 상기 범위 내인 경우 전자의 이동 속도를 향상시키면서도 외부로부터 산소와 수분이 침투하여 광활성층 및 정공전달층에 영향을 주는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 금속 산화물 박막층(170)의 상기 금속 산화물은 평균 입경이 10nm 이하이고, 바람직하게 1 내지 8nm이고, 더욱 바람직하게 3 내지 7nm일 수 있다.
상기 금속 산화물은 Ti, Zn, Si, Mn, Sr, In, Ba, K, Nb, Fe, Ta, W, Sa, Bi, Ni, Cu, Mo, Ce, Pt, Ag, Rh 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속의 산화물일 수 있으며, 바람직하게 ZnO일 수 있다. 상기 ZnO는 밴드갭이 넓고 반도체적 성질을 가지고 있어, 상기 음극(120)과 함께 사용하는 경우 전자의 이동을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 이하, 상기 도 2를 참조하여 상기 유기 태양 전지를 제조하는 방법을 설명한다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 유기 태양 전지(100)를 제조하는 방법은 기재 필름(110)을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 코팅 용액에 침지시켜 박막층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 박막층은 투명 전도성 박막층, 금속 산화물 박막층, 광활성층, 정공전달층, 전극 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 기재 필름(110)이 상기 코팅 용액으로 들어갈 때 상기 기재 필름(110)의 박막층 형성면과 상기 코팅 용액의 수면이 이루는 각도는 0 내지 180°일 수 있고, 바람직하게 30 내지 150°일 수 있다. 또한, 상기 기재 필름(110)이 상기 코팅 용액에서 나올 때 상기 기재 필름(110)의 박막층 형성면과 상기 코팅 용액의 수면이 이루는 각도는 0 내지 180°일 수 있고, 바람직하게 30 내지 150°일 수 있다. 상기 기재 필름(110)의 박막층 형성면과 상기 코팅 용액의 수면이 이루는 각도는 사용하는 상기 기재 필름의 종류와 그 표면 특성 및 롤투롤 장비의 구성에 따라 최적화하여 사용할 수 있다.
상기 기재 필름(110)을 상기 코팅 용액에 침지시키는 시간은 1분 내지 20분일 수 있고, 바람직하게 1분 내지 10분일 수 있다. 상기 침지 시간의 경우 롤투롤 장비의 인쇄 속도 및 상기 코팅 용액이 담겨 있는 용액 수조의 크기에 따라 최적화하여 사용할 수 있다.
상기 기재 필름(110)을 롤투롤 방식으로 이송시키는 속도는 0.01m/min 내지 20m/min 일 수 있고, 바람직하게 0.1m/min 내지 5m/min 일 수 있다. 상기 이송 속도는 롤투롤 장비를 이용한 박막층의 코팅 및 건조 속도에 따라 최적화하여 사용할 수 있다.
상기 코팅 용액의 농도는 0.01 내지 1000mg/ml, 바람직하게는 10 내지 300mg/ml 일 수 있다. 상기 코팅 용액의 농도가 0.01mg/ml 미만인 경우 롤투롤 방식으로 이송시키면서 침지시키는 방법으로는 상기 박막층이 형성되지 않을 수 있고, 1000mg/ml를 초과하는 경우 상기 박막층은 형성되나 박막의 균일성 및 두께 조절이 어려울 수 있다.
상기 박막층은 두께가 10 내지 1000nm, 바람직하게 20 내지 500nm, 더욱 바람직하게 20 내지 300nm일 수 있다. 상기 박막층의 두께가 상기 범위 내인 경우 제조된 유기 태양 전지의 효율이 가장 우수하다.
상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 기재 필름(110)을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 투명 전도성 물질 및 용매를 포함하는 코팅 용액에 침지시켜 투명 전도성 박막층(121)을 형성하는 것일 수 있다.
상기 투명 전도성 물질은 주석도핑 산화인듐(ITO: tin-doped indium oxide), 불소도핑 산화주석(FTO: fluorine-doped tin oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 투명산화물, 또는 전도성 고분자, 그라펜(graphene) 박막, 그라펜 산화물(graphene oxide) 박막, 탄소나노튜브 박막과 같은 유기 투명전극, 금속이 결합된 탄소나노튜브 박막과 같은 유-무기 결합 투명전극 등일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 코팅 용액은 상기 투명 전도성 물질을 상기 용매에 분산시키거나 상기 투명 전도성 물질의 전구체를 상기 용매에 첨가하여 혼합함으로써 제조할 수 있다.
상기 용매는 상기 투명 전도성 물질을 용해시킬 수 있는 것이면 어느 것이나 사용할 수 있고, 바람직하게는 물 등의 수용액, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올 등의 알코올, 아세톤, 펜탄, 톨루엔, 벤젠, 디에틸에테르, 메틸부틸에테르, N-메틸피로릴돈(NMP), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAC), 디메틸술폭사이드(DMSO), 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 사이클로헥산, 사이클로펜타논, 사이클로헥사논, 디옥산, 터피네올, 메틸에텔케톤 등의 유기 용매 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
그러나, 상기 투명 전도성 박막층(121)은 상기 방법에 의해서만 제조될 수 있는 것은 아니고, 상기 기재 필름(110)을 롤투롤 방식으로 이송시키면서 에치 레지스트(etch resist)를 스크린 프린팅하고, UV 경화시킨 후, 에칭 및 스트립핑하여 패턴을 형성시킨 후, 순수(demineralized water)로 세척하고 건조하여 제조할 수 있다(STEP 1). 상기 에칭에 사용되는 에칭액은 염화 구리 수용액일 수 있고, 상기 스트립핑은 수산화나트륨을 이용할 수 있다.
상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 기재 필름(110)을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 금속 산화물 전구체 및 용매를 포함하는 코팅 용액(171)에 침지시켜 금속 산화물 박막층을 형성하는 것일 수 있다(STEP 2). 즉, 상기 투명 전도성 박막층(121)이 형성된 기재 필름(110)을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 금속 산화물 전구체 및 용매를 포함하는 코팅 용액(171)에 침지시켜 상기 금속 산화물 박막층(170)를 형성한다.
상기 코팅 용액(171)은 상기 금속 산화물 전구체를 이용하여 만들어진 금속 산화물 나노 입자를 상기 용매에 분산시키거나 금속 산화물 전구체를 상기 용매에 첨가하여 혼합함으로써 제조할 수 있다.
상기 용매는 상기 금속 산화물 전구체를 용해시킬 수 있는 것이면 어느 것이나 사용할 수 있고, 바람직하게는 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올 등의 알코올, 아세톤, 펜탄, 톨루엔, 벤젠, 디에틸에테르, 메틸부틸에테르, N-메틸피로릴돈(NMP), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAC), 디메틸술폭사이드(DMSO), 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 사이클로헥산, 사이클로펜타논, 사이클로헥사논, 디옥산, 터피네올, 메틸에텔케톤 등의 유기 용매 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 금속 산화물 전구체는 금속 클로라이드, 금속 아세테이트, 금속 시트레이트, 금속 (메트)아크릴레이트, 금속 브로마이드, 금속 시아나이드, 금속 포스페이트, 금속 술페이트, 금속 술파이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 상기 금속은 Ti, Zn, Si, Mn, Sr, In, Ba, K, Nb, Fe, Ta, W, Sa, Bi, Ni, Cu, Mo, Ce, Pt, Ag, Rh 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 금속 산화물 전구체와 상기 금속의 선택은 상기 유기 태양 전지(100)에서 상기 금속 산화물 박막층을 어떤 물질로 형성할 것인지에 따라 적절하게 선택할 수 있으며, 바람직하게 Zn 클로라이드 또는 Zn 아세테이트를 사용할 수 있다.
상기 코팅 용액(171)의 농도는 0.01 내지 1000mg/ml, 바람직하게는 10 내지 300mg/ml 일 수 있다. 상기 코팅 용액의 농도가 0.01mg/ml 미만인 경우 상기 금속 산화물 나노 박막이 형성되지 않을 수 있고, 1000mg/ml를 초과하는 경우 상기 금속 산화물 나노 박막은 형성되나 박막 균일성 및 두께를 조절하기 어려울 수 있다.
상기 금속 산화물 박막층(170)은 두께가 10 내지 500nm, 바람직하게 20 내지 300nm, 더욱 바람직하게 20 내지 200nm일 수 있다. 상기 금속 산화물 박막층(170)의 두께가 상기 범위 내인 경우 전자의 이동 속도를 향상시키면서도 외부로부터 산소와 수분이 침투하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 용매에 분산된 금속 산화물을 상기 음극(120) 위에 코팅한 후, 상기 금속 산화물 박막층(170)을 선택적으로 건조시킬 수 있는데, 상기 건조는 50 내지 400℃, 바람직하게는 70 내지 200℃에서 1 내지 30분 동안 열풍건조, NIR건조, 또는 UV건조를 통하여 진행된다. 상기 건조 조건에 의할 때, 상기 금속 산화물 박막층(170)은 상기 유기 태양 전지(100)에 적용하기에 충분한 성능이 확보될 수 있다.
다음으로, 상기 금속 산화물 박막층(170)이 형성된 상기 기재 필름(110)을 롤투롤 방식으로 이동시키면서 상기 금속 산화물 박막층(170) 위에 상기 광활성층(140)을 형성한다(STEP 3). 상기 광활성층(140)은 상기 전자수용체와 상기 정공수용체를 용매로 용해시켜 제조된 혼합물을 슬롯-다이(Slot-Die) 코팅, 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩 또는 스퍼터링 등의 방법으로 코팅할 수 있다.
바람직하게, 상기 광활성층(140)은 상기 금속 산화물 박막층(170)이 형성된 투명 전도성 필름(121)을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 정공수용체, 전자수용체 및 용매를 포함하는 코팅 용액(172)에 침지시켜 제조할 수 있다. 이때, 상기 금속 산화물 박막층(170)은 슬롯-다이(Slot-Die) 코팅, 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩 또는 스퍼터링 등의 방법으로 코팅할 수 있다.
상기 정공수용체 및 상기 전자수용체는 상기 유기 태양 전지(100)에서 설명한 바와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다. 또한, 상기 용매는 상기 금속 산화물 박막층(170)을 형성하는 단계에서 설명한 바와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다. 상기 코팅 용액(171)은 상기 정공수용체 및 상기 전자수용체 또는 이들의 전구체를 상기 용매에 첨가한 후 교반하여 제조할 수 있다.
상기 광활성층(140)의 제조 단계는 25 내지 150℃에서 5 내지 145분 동안 건조 및 열처리하는 후처리 공정을 더 포함할 수 있다. 상기 건조 공정과 열처리 공정의 적절한 조절에 의하여 상기 전자수용체와 상기 정공수용체 사이에 적절한 상분리를 유도할 수 있고, 상기 전자수용체의 배향을 유도할 수 있다. 상기 열처리 공정의 경우, 온도가 25℃ 미만인 경우 상기 전자수용체 및 상기 정공수용체의 이동도가 낮아서 열처리 효과가 미미할 수 있고, 상기 열처리 온도가 150℃를 초과하는 경우 상기 전자수용체의 열화로 인하여 성능이 저하될 수 있다. 또한, 상기 열처리 시간이 5분 미만인 경우 상기 전자수용체 및 상기 정공수용체의 이동도가 낮아서 열처리 효과가 미미할 수 있고, 상기 열처리 시간이 145분을 초과하는 경우 상기 전자수용체의 열화로 인하여 성능이 저하될 수 있다.
선택적으로 상기 광활성층(140)이 형성된 투명 전도성 필름(121)을 롤투롤 방식으로 이송시키면서 상기 광활성층(140) 위에 상기 정공전달층(150)을 형성할 수 있다(STEP 4). 상기 정공전달층(150)은 상기 정공전달물질을 슬롯-다이(Slot-Die) 코팅, 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩 또는 스퍼터링 등의 방법으로 코팅할 수 있다.
바람직하게, 상기 정공전달층(150)은 상기 광활성층(140)이 형성된 기재 필름(110)을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 정공전달물질 및 용매를 포함하는 코팅 용액(173)에 침지시켜 제조할 수 있다. 이때, 상기 광활성층(140)은 슬롯-다이(Slot-Die) 코팅, 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩 또는 스퍼터링 등의 방법으로 코팅할 수 있다.
상기 정공전달물질은 상기 유기 태양 전지(100)에서 설명한 바와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다. 또한, 상기 용매는 상기 금속 산화물 박막층(170)을 형성하는 단계에서 설명한 바와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다. 상기 코팅 용액(173)은 상기 정공전달물질 또는 이의 전구체를 상기 용매에 첨가한 후 교반하여 제조할 수 있다.
마지막으로, 상기 양극(160)은 상기 정공전달층(150) 위에 상기 양극 형성 물질을 스크린 프린팅, Gravure 프린팅, Gravure-offset 프린팅, 열 기상 증착, 전자 빔 증착, RF 또는 마그네트론 스퍼터링, 화학적 증착 또는 이와 유사한 방법을 통하여 형성할 수 있다(STEP 5).
한편, 상기 양극(160)은 상기 광활성층(140)이 형성된 투명 전도성 필름(121)을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 금속 입자 및 용매를 포함하는 코팅 용액(173)에 침지시켜 제조할 수도 있다. 이때, 상기 금속 산화물 박막층(170)과 상기 광활성층(140)은 슬롯-다이(Slot-Die) 코팅, 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 닥터블레이딩 또는 스퍼터링 등의 방법으로 코팅할 수 있다.
상기 코팅 용액(173)은 금속 입자 및 용매를 포함하는 것으로서, 금속 입자, 금속 전구체 입자, 금속 이온 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 용매에 분산시켜 제조할 수 있다. 상기 용매는 상기 금속 산화물 박막층(170)을 형성하는 단계에서 설명한 바와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
상기 금속 입자는 금속 나노 입자일 수 있다. 또한, 상기 금속 입자의 입경은 1 내지 50nm 또는 3 내지 20nm 또는 6 내지 14nm일 수 있다.
또한, 상기 금속 입자는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 망간(Mn) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 Ag, Cu, Au, Pt, Al 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 Ag, Cu, Au 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 더더욱 바람직하게는 Ag, Cu 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 가장 바람직하게는 Ag일 수 있다.
상기 금속 전구체 입자는 질산은(AgNO3), Cu(hexafluoroacetylacetonate)2(Cu(HAFC)2), Cu(HAFC)(1,5-Cyclooctanediene), Cu(HAFC)(1,5-Dimethylcyclooctanediene), Cu(HAFC)(4-Methyl-1-pentene), Cu(HAFC)(Vinylcyclohexane), Cu(HAFC)(DMB), Cu (tetramethylheptanedionate)2(Cu (TMHD)2), dimethylaluminum hydride(DMAH), tetramethylethylenediamine(TMEDA), dimethylethylamine alane(DMEAA), TMA(trimethylaluminum), TEA(triethylaluminum), TBA(triisobutylaluminum), TDMAT(tetra(dimethylamino)titanium), TDEAT(tetra(dimethylamino)titanium) 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나, 바람직하게는 질산은일 수 있다.
본 발명의 유기 태양 전지의 제조 방법은 박막층을 10 내지 1000nm 두께로 연속적으로 코팅하는 것이 가능하여 공정 비용을 줄일 수 있고, 제조되는 박막층의 두께 편차를 줄일 수 있어 유기 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3 내지 6은 실시예 1, 2 및 4와 참고예 1에서 제조된 금속 산화물 박막층의 FE-SEM 사진이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[ 제조예 : 유기 태양 전지의 제조]
( 실시예 1)
PET 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서 에치 레지스트를 스크린 프린팅하고, 상기 에치 레지스트를 UV 경화시킨 후, 염화 구리 수용액으로 에칭 및 수산화나트륨으로 스트립핑하여 패턴을 형성시켰다. 상기 패턴을 탈이온수로 세척하고 건조하여 투명 전도성 필름을 제조하였다.
한편, Zn 아세테이트(Zn acetate) 36g 및 수산화칼륨 염기성 첨가제 36g을 3L의 알코올 용매에 첨가하고, 봉입 및 씰링(Sealing)한 후 교반시켜 혼합 용액을 제조하였다. 상기 제조된 혼합 용액을 60℃에서 6 시간 동안 저온 반응시켜 ZnO의 침전물 24g을 제조하였다. 상기 제조된 ZnO 침전물을 회수하여 클로로벤젠 240ml에 재분산시켜 코팅 용액을 제조하였다.
상기 제조된 투명 전도성 필름을 롤투롤 방식으로 0.1m/min의 속도로 이송시키면서, 상기 투명 전도성 필름이 상기 코팅 용액으로 들어갈 때 및 상기 코팅 용액에서 나올 때 상기 투명 전도성 필름의 박막층 형성면과 상기 코팅 용액의 수면이 이루는 각도가 각각 150°가 되도록 하여 5분 동안 침지시켜 금속 산화물 박막층을 25nm 두께로 형성하였다.
상기 금속 산화물 박막층을 형성시킨 후, 130℃ 열풍 건조기에서 5분간 가열하는 것을 통해서 박막층에 잔류해 있는 용매를 모두 제거하였다.
상기 금속 산화물 박막층이 형성된 투명 전도성 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서 P3HT:PCBM 블렌드 용액에 침지시켜 상기 금속 산화물 박막층 위에 광활성층을 형성하였다. 또한, 상기 광활성층이 형성된 투명 전도성 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서 PEDOT:PSS 블렌드 용액에 침지시켜 상기 광활성층 위에 정공전달층을 형성하였다. 이때, 이송 속도는 0.1m/min였고, 상기 투명 전도성 필름이 상기 P3HT:PCBM 블렌드 용액 및 PEDOT:PSS 블렌드 용액으로 들어갈 때 및 상기 블랜드 용액에서 나올 때 상기 투명 전도성 필름의 박막층 형성면과 상기 코팅 용액의 수면이 이루는 각도가 각각 150°가 되도록 하여 5분 동안 침지시켰다.
상기 P3HT:PCBM 블렌드 용액은 디클로로벤젠 용매에 상기 블렌드 용액 전체 중량에 대하여 P3HT와 PCBM을 각각 25g/L 및 20g/L의 비율로 혼합한 후 초음파 세척기와 볼텍서를 이용하여 상온에서 1시간 이상 처리하여 제조하였다.
이후, 스크린 프린터를 이용해 Ag 전극을 프린팅하여 유기 태양 전지를 제작하였다.
( 실시예 2)
상기 실시예 1에서 상기 투명 전도성 필름이 상기 코팅 용액에서 나올 때 상기 투명 전도성 필름의 박막층 형성면과 상기 코팅 용액의 수면이 이루는 각도가 140°가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
( 실시예 3)
상기 실시예 1에서 상기 투명 전도성 필름이 상기 코팅 용액으로 들어갈 때 상기 투명 전도성 필름의 박막층 형성면과 상기 코팅 용액의 수면이 이루는 각도가 60°가 되도록 하고, 상기 투명 전도성 필름이 상기 코팅 용액에서 나올 때 상기 투명 전도성 필름의 박막층 형성면과 상기 코팅 용액의 수면이 이루는 각도가 150°가 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
( 실시예 4)
상기 실시예 1에서 상기 투명 전도성 필름의 이송 속도를 0.4m/min로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
( 실시예 5)
상기 실시예 1에서 상기 투명 전도성 필름의 이송 속도를 1.0m/min로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
( 참고예 1)
투명 전극이 패턴된 ITO 기재 필름을 초음파 세척기로 세척하고, 열풍 건조기를 이용하여 건조시킨 후, UV/O3 클리너를 이용하여 기재 필름을 표면 처리하였다.
한편, Zn 아세테이트(Zn acetate) 3g 및 수산화칼륨 염기성 첨가제 3g을 250ml의 알코올 용매에 첨가하고, 봉입 및 씰링(Sealing)한 후 교반시켜 코팅 용액를 제조하였다. 상기 제조된 혼합 용액을 60℃에서 6시간 동안 저온 반응시켜 ZnO의 침전물 3g을 제조하였다. 상기 제조된 ZnO 침전물을 회수하여 클로로벤젠 30ml에 재분산시켜 코팅 용액을 제조하였다. 상기 코팅 용액을 상기 ITO 기재 필름 위에 90°의 각도로 딥 코팅을 하여 금속 산화물 박막층을 120nm 두께로 형성하였다. 상기 금속 산화물 박막층을 형성시킨 후, 220℃ 핫플레이트에서 2분간 가열하는 것을 통해서 박막층에 잔류해 있는 용매를 모두 제거하였다.
상기 금속산화물 박막층이 형성된 기재 필름 위에 P3HT:PCBM 블렌드 용액을 800rpm에서 30초간 스핀 코팅하였다. PEDOT:PSS[Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/ poly(styrene-sulfonate)]를 상기 P3HT:PCBM 광활성층 위에 4000rpm의 속도로 30초간 스핀 코팅을 하였다.
상기 P3HT:PCBM 블렌드 용액은 디클로로벤젠 용매에 상기 블렌드 용액 전체 중량에 대하여 P3HT와 PCBM을 각각 25g/L 및 20g/L의 비율로 혼합한 후 초음파 세척기와 볼텍서를 이용하여 상온에서 1시간 이상 처리하여 제조하였다.
박막에 남아있는 용매를 제거하고, 활성층 고분자의 결정 구조를 만들기 위해서 상온의 질소 분위기에서 1시간 이상 건조와 20분 정도의 열처리를 진행하였다. 상기 열처리가 완료된 이후, 바 코팅을 통해서 Ag 전극을 형성시키고 유기 태양 전지를 제작하였다.
[ 실험예 : 제조된 유기 태양 전지의 성능 측정]
상기 실시예 및 참고예에서 제조된 금속 산화물 박막층의 두께를 FE-SEM을 이용하여 측정하였고, 상기 실시예 1, 2 및 4와 참고예 1에 대한 결과를 도 3 내지 6에 나타내었다. 상기 도 3 내지 6을 참조하면, 실시예 1, 2 및 4에서 제조된 금속 산화물 박막층은 두께가 각각 25nm, 33nm 및 75nm이었고, 참고예 1에서 제조된 금속 산화물 박막층은 두께가 120nm이었다.
또한, 상기 실시예 및 참고예에서 제조된 유기 태양 전지를 태양모사장치(solar simulator, Newport사 66984)를 이용하여 전류-전압 특성을 측정하였고, 상기 실시예 1 및 4와 참고예 1의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
상기 태양 모사장치는 300W 제논램프(Newport사 6258)와 AM1.5G 필터(Newport사 81088A)를 사용하였고, 빛의 세기는 100mW/cm2로 설정하였다.
에너지 변환 효율(%) 단락전류밀도(mA/cm2) 개방회로전압(V) Fill Factor(%)
실시예 1 1.58 5.943 0.503 52.98
실시예 4 1.21 5.8 0.47 44.09
참고예 1 1.21 5.6 0.48 45.40
상기 표 1을 참조하면, 상기 실시예 1 및 4에서 제조된 유기 태양 전지의 성능이 상기 참고예 1에서 제조된 유기 태양 전지의 성능 보다 우수한 것을 알 수 있다.
한편, 실시예 2, 3 및 5에서 제조된 유기 태양 전지의 경우 상기 실시예 1에서 제조된 유기 태양 전지 보다는 특성이 우수하지 못하지만 상기 참고예 1에서 제조된 유기 태양 전지에 비해서는 성능이 향상됨을 확인하였다.
이는 상기 실시예에서 제조된 유기 태양 전지는 투명 전도성 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 금속 산화물 전구체 및 유기 용매를 포함하는 코팅 용액에 침지시켜 금속 산화물 박막층을 형성함으로써, 상기 금속 산화물 박막층의 두께 편차를 줄일 수 있어 유기 태양 전지의 효율을 향상시킨다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : 유기 태양 전지
110 : 기재 필름
120 : 음극
121 : 투명 전도성 박막층
140 : 광활성층
150 : 전자전달층
160 : 양극
170 : 금속 산화물 박막층
171, 172, 173 : 코팅 용액

Claims (23)

  1. 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 코팅 용액에 침지시켜 박막층을 형성하는 단계를 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기재 필름이 상기 코팅 용액으로 들어갈 때 상기 기재 필름의 박막층 형성면과 상기 코팅 용액의 수면이 이루는 각도는 0 내지 180°이고,
    상기 기재 필름이 상기 코팅 용액에서 나올 때 상기 기재 필름의 박막층 형성면과 상기 코팅 용액의 수면이 이루는 각도는 0 내지 180°인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기재 필름을 상기 코팅 용액에 침지시키는 시간은 1 내지 20분인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키는 속도는 0.01 내지 20m/min인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코팅 용액의 농도는 0.01 내지 1000mg/ml인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 박막층은 두께가 10 내지 1000nm인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유기 태양 전지의 제조 방법은 상기 박막층을 형성한 후 50 내지 400℃에서 1 내지 30분 동안 건조시키는 단계를 더 포함하는 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 투명 전도성 물질 및 용매를 포함하는 코팅 용액에 침지시켜 투명 전도성 박막층을 형성하는 단계인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 투명 전도성 물질은 주석도핑 산화인듐(ITO: tin-doped indium oxide), 불소도핑 산화주석(FTO: fluorine-doped tin oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3, 전도성 고분자, 그라펜(graphene), 그라펜 산화물(graphene oxide), 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 용매는 물, 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 아세톤, 펜탄, 톨루엔, 벤젠, 디에틸에테르, 메틸부틸에테르, N-메틸피로릴돈(NMP), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAC), 디메틸술폭사이드(DMSO), 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 사이클로헥산, 사이클로펜타논, 사이클로헥사논, 디옥산, 터피네올, 메틸에텔케톤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 금속 산화물 전구체 및 용매를 포함하는 코팅 용액에 침지시켜 금속 산화물 박막층을 형성하는 단계인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 금속 산화물의 평균 입경은 10nm 이하인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 금속 산화물 전구체는 금속 클로라이드(chloride), 금속 아세테이트(acetate), 금속 시트레이트(citrate), 금속 (메트)아크릴레이트((meth)acrylate), 금속 브로마이드(bromide), 금속 시아나이드(cyanide), 금속 포스페이트(phosphate), 금속 술페이트(sulfate), 금속 술파이드(sulfide) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 금속 산화물 전구체에서 상기 금속은 Ti, Zn, Si, Mn, Sr, In, Ba, K, Nb, Fe, Ta, W, Sa, Bi, Ni, Cu, Mo, Ce, Pt, Ag, Rh 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 정공수용체, 전자수용체 및 용매를 포함하는 코팅 용액에 침지시켜 광활성층을 형성하는 단계인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 정공수용체는 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT], 폴리-3-옥틸티오펜[poly-3-octylthiophene, P3OT], 폴리파라페닐렌비닐렌[poly-p-phenylenevinylene, PPV], 폴리(디옥틸플루오렌)[poly(9,9'-dioctylfluorene)], 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)[poly(2-methoxy,5-(2-ethyle-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, MEH-PPV], 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌비닐렌[poly(2-methyl,5-(3',7'-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene, MDMOPPV], 이들의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 전자수용체는 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM], (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester; C70-PCBM], (6,6)-티에닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM], 탄소나노튜브, 이들의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 정공전달물질 및 용매를 포함하는 코팅 용액에 침지시켜 정공전달층을 형성하는 단계인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 정공전달물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(PSS), 폴리아닐린, 프탈로시아닌, 펜타센, 폴리디페닐 아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, 구리 프탈로시아닌(Cu-PC) 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(T-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴) 디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌, 이들의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 박막층을 형성하는 단계는 상기 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서, 금속 입자 및 용매를 포함하는 코팅 용액에 침지시켜 전극을 형성하는 단계인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 금속 입자는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 망간(Mn), 이들의 전구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  22. 제11항, 제15항, 제18항 및 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용매는 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 아세톤, 펜탄, 톨루엔, 벤젠, 디에틸에테르, 메틸부틸에테르, N-메틸피로릴돈(NMP), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAC), 디메틸술폭사이드(DMSO), 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 사이클로헥산, 사이클로펜타논, 사이클로헥사논, 디옥산, 터피네올, 메틸에텔케톤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.
  23. 제1항에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법에 의하여 제조된 유기 태양 전지.
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