KR20130117144A - 인버티드 유기 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
일 측면에 따라 섬유 형태의 기재, 상기 섬유 형태의 기재 위의 음극층, 상기 음극층 위의 나노 로드로 이루어진 전자 전달층, 상기 전자 전달층 위의 광활성층, 상기 광활성층 위의 정공 전달층 및 상기 정공 전달층 위의 양극층을 포함하는 인버티드 유기 태양전지를 제공한다.
Description
인버티드 유기 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 섬유 기반의 인버티드 유기 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
유기 태양전지는 가공성, 유연성 및 대면적의 용이함 등으로 인한 태양전지의 저가화 가능성을 갖고 있어 많은 개발이 진행되고 있다.
종래의 유기 태양전지는 전형적으로 투명한 전도성 산화물의 양극(anode), 낮은 일함수의 금속 음극(cathode) 및 양극과 음극 사이의 유기 화합물의 광활성층으로 이루어져 있다. 그런데 이 구조에서는 낮은 일함수의 금속 음극이 쉽게 산화됨으로써 금속과 광활성층 사이의 계면에서 직렬 저항이 증가되어 유기 태양전지의 성능을 열화시킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 인버티드 구조의 유기 태양전지가 도입되었다.
인버티드 구조에서는 높은 일함수의 금속이 정공을 수집하기 위한 양극으로 사용되고 ITO가 전자를 수집하기 위한 음극으로 사용된다. 인버티드 구조에서 유기 태양전지의 수명 및 안정성이 향상되었으나 더 높은 광전환 효율과 유연성(flexibility)이 여전히 요구되고 있다.
일 측면은 높은 효율과 유연성을 갖는 인버티드 유기 태양전지를 제공하는 것이다.
다른 측면은 높은 효율과 유연성을 갖는 인버티드 유기 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
일 측면에 따라 섬유 형태의 기재, 상기 섬유 형태의 기재 위의 음극층, 상기 음극층 위의 나노 로드로 이루어진 전자 전달층, 상기 전자 전달층 위의 광활성층, 상기 광활성층 위의 정공 전달층 및 상기 정공 전달층 위의 양극층을 포함하는 인버티드 유기 태양전지를 제공한다.
상기 섬유 형태의 기재는 예를 들면, 유리 섬유, 고분자 섬유 또는 FRP(Fiber Reinforced Plastic)를 포함할 수 있다.
상기 음극층은 예를 들면, ITO, AZO, IZO, GZO, ITO-Ag-ITO, ITO-Cu-ITO, AZO-Ag-AZO, GZO-Ag-GZO, IZO-Ag-IZO 또는 IZTO-Ag-IZTO를 포함할 수 있다.
상기 전자 전달층은 ZnO, TiO2, SnO, SnO2, In2O3, Cs2CO3 또는 이들의 둘 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 전자 전달층의 상기 나노 로드들은 상기 음극층으로부터 위로 향하도록 배열될 수 있다.
상기 광활성층은 도너 영역과 억셉터 영역의 벌크 이종접합 구조일 수 있다.
상기 도너 영역의 도너 물질은 P3HT(poly(3-hexylthiophene), PCDTBT(poly[N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)], MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]) 또는 MDMOPPV(poly[2-methoxy-5-3(3,7-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene) 일 수 있다.
상기 억셉터 영역의 억셉터 물질은 C60, PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), perylene, PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-bis-benzimidazole) 또는 DPP(dihydropyrrolo[3,4-c]pyrrole)일 수 있다.
상기 정공 전달층은 예를 들면, MoO3, V2O5, NiO 또는 CrOX일 수 있다.
상기 양극층은 예를 들면, Ag, Ni, Au 또는 Co일 수 있다.
다른 일 측면에 따라 인버티드 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다. 상기 인버티드 유기 태양전지의 제조방법은 섬유 형태의 기재를 제공하는 단계, 상기 섬유 형태의 기재 위에 음극층을 형성하는 단계, 상기 음극층 위에 나노 로드로 이루어진 전자 전달층을 형성하는 단계, 상기 전자 전달층 위에 광활성층을 형성하는 단계, 상기 광활성층 위에 정공 전달층을 형성하는 단계 및 상기 정공 전달층 위에 양극층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 나노 로드들로 이루어진 상기 전자 전달층을 형성하는 단계는 상기 음극층 위에 전이 금속 산화물의 시드층을 형성하는 단계 및 수열 합성 공정을 통하여 상기 시드층으로부터 상기 전이 금속 산화물의 나노 로드들을 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
섬유 형태의 기재를 사용함으로써 유연성을 높일 수 있고, 나노 로드로 이루어진 전자 수송층을 사용함으로써 전자 운반자의 전송 효율을 높여서 유기 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
도 1a는 일 구현예에 따른 인버티드 유기 태양전지(100)의 섬유의 길이 방향의 단면도이다.
도 1b는 인버티드 유기 태양전지(100)의 섬유의 길이와 수직인 방향의 단면도이다.
도 2는 일 실험예에 따른 인버티드 유기 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 3은 벌크 이종접합(BHJ) 광활성층 내에서의 전자와 정공의 흐름을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4f는 일 구현예에 따른 인버티드 유기 태양전지의 제조방법을 공정 순서대로 도시한 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5d는 실험예 5-8에서 형성한 P3HT:PCBM 의 벌크 이종접합 구조를 갖는 층의 AFM(atomic force microscopy) 이미지들이다.
도 1b는 인버티드 유기 태양전지(100)의 섬유의 길이와 수직인 방향의 단면도이다.
도 2는 일 실험예에 따른 인버티드 유기 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램이다.
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도 4a 내지 도 4f는 일 구현예에 따른 인버티드 유기 태양전지의 제조방법을 공정 순서대로 도시한 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5d는 실험예 5-8에서 형성한 P3HT:PCBM 의 벌크 이종접합 구조를 갖는 층의 AFM(atomic force microscopy) 이미지들이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하에서 일 구현예에 따른 인버티드 유기 태양전지에 관하여 상세하게 설명한다.
도 1a는 일 구현예에 따른 인버티드 유기 태양전지(100)의 섬유의 길이 방향의 단면도이고, 도 1b는 동일한 유기 태양전지(100)의 섬유의 길이와 수직인 방향의 단면도이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 섬유 형태의 기재(11) 위에 음극층(12), 전자 전달층(13), 광활성층(14), 정공 전달층(15) 및 양극층(16)이 순차적으로 형성되어 있다.
섬유 형태의 기재(11)는 투명한 물질로 이루어진 섬유, 예를 들면, 유리 섬유, 고분자 섬유, FRP(Fiber Reinforced Plastic) 등으로 이루어질 수 있다. 기재(11)가 투명하므로 빛이 기재(11) 위의 광활성층(14)에 효율적으로 전달될 수 있다. 또한, 기재(11)가 섬유 형태이므로 유기 태양전지(100)가 직조되어 직물 기반의 소자의 전력 공급 부분으로서 사용될 수 있다. 섬유 형태의 기재(11)는 약 1-500㎛ 범위의 직경을 가질 수 있다.
음극층(cathode)(12)은 투명한 전도성 산화물로 이루어질 수 있다. 음극층(12)의 투명한 전도성 산화물은 예를 들면, ITO, AZO, IZO, GZO, ITO-Ag-ITO, ITO-Cu-ITO, AZO-Ag-AZO, GZO-Ag-GZO, IZO-Ag-IZO 또는 IZTO-Ag-IZTO 일 수 있다. 음극층(12)은 약 10㎚-3㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다.
전자 전달층(electron transport layer)(13)은 음극층(12) 위에 위쪽을 향하도록 배열된 나노 로드들의 전이 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 위쪽을 향한다는 의미는 나노 로드의 직경을 포함하는 단면이 음극층(12)으로부터 위쪽을 향한다는 의미이다. 전자 전달층(13)의 전이 금속 산화물은 예를 들면, ZnO, SnO, Cs2CO3, In2O3, SnO2, 또는 이들의 둘 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다. 전자 전달층(13)의 나노 로드의 직경은 약 10㎚-300㎚ 범위일 수 있고, 나노 로드의 길이는 약 30㎚-2㎛ 범위일 수 있고, 나노 로드 사이의 간격은 약 1㎚-100㎚ 범위일 수 있다. 나노 로드의 치수가 상기 범위에 있을 때 생성된 전하의 재결합이 일어나지 않고 전하가 효율적으로 전극으로 전달될 수 있다.
전자 전달층(13)이 위쪽을 향하도록 배열된 나노 로드들로 이루어짐으로써 전자 전달층(13)과 광활성층(14)의 접촉 면적이 증가되고 전자의 이동 경로가 짧아져서 전자 전달의 효율이 향상될 수 있다.
광활성층(14)은 도너 영역과 억셉터 영역의 벌크 이종접합(bulk heterojuncion, BHJ) 구조 또는 도너층과 억셉터층의 이중층(bilayer) 구조일 수 있다.
벌크 이종접합 구조일 경우 도너 영역의 도너 물질은 n형 반도체 유기 화합물로 이루어질 수 있다. 도너 물질은 예를 들면, poly(para-phenylene vinylene)(PPV) 계열, polythiophene(PT) 계열 또는 polyflourene(PF) 계열의 반도체 고분자일 수 있다. 구체적으로, 도너 물질은 P3HT(poly(3-hexylthiophene), PCDTBT(poly[N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)], MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]) 또는 MDMOPPV(poly[2-methoxy-5-3(3,7-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene)일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 억셉터 영역의 억셉터 물질은 p형 반도체 유기 화합물일 수 있다. 억셉터 물질은 예를 들면, C60, PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), perylene, PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-bis-benzimidazole) 또는 DPP(dihydropyrrolo[3,4-c]pyrrole)일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 광활성층(14)의 벌크 이종접합을 이루는 도너 물질:억셉터 물질의 쌍은 예를 들면, P3HT:PCBM, PCDTBT:PCBM 또는 P3HT:DPP일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도너 영역과 억셉터 영역의 도메인의 크기는 약 5-30㎚ 또는 약 5-20㎚ 또는 약 10㎚의 범위를 가질 수㎛ 있다. 상기 범위의 도메인의 크기는 엑시톤의 확산 거리와 유사하여 엑시톤으로부터 분리된 전자와 정공이 음극과 양극으로 이동하는 효율을 향상시킬 수 있다.
이중층 구조일 경우 도너층의 도너 물질은 앞서 언급한 바와 같은 도너 물질로 이루어질 수 있다. 억셉터층의 억셉터 물질은 앞서 언급한 바와 같은 억셉터 물질로 이루어질 수 있다.
광활성층(14)은 90㎚-2.2㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 광활성층(14)이 상기 범위의 두께일 때 광흡수의 양을 높이면서 전자 전달층(13)과 정공 전달층(15)으로 전하 이동이 효율적으로 이루어질 수 있다.
정공 전달층(15)은 전이 금속 산화물일 수 있다. 정공 전달층(15)은 예를 들면, MoO3, V2O5, NiO 또는 CrOX 등으로 이루어질 수 있다. 정공 전달층(15)은 예를 들면, 0.1-10㎚ 범위의 두께를 가질 수 있다.
양극층(16)은 일함수가 높은 금속으로 이루어질 수 있다. 양극층(16)은 예를 들면, 일함수가 4-5.5eV 범위인 Ag, Ni 또는 Au 등의 금속으로 이루어질 수 있다. 양극층(16)은 10㎚-3㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다.
도 1a 및 도 1b에서 인버티드 유기 태양전지(100)는 섬유 형태의 기재(11)의 전면 위에 음극층(12), 전자 전달층(13), 광활성층(14), 정공 전달층(15) 및 양극층(16)이 형성되어 있으나, 이와 다르게 음극층(12), 전자 전달층(13), 광활성층(14), 정공 전달층(15) 및 양극층(16)이 섬유 형태의 기재(11)의 일부면 위에 형성되어 있을 수도 있다. 예를 들면, 음극층(12), 전자 전달층(13), 광활성층(14), 정공 전달층(15) 및 양극층(16) 중 전부 또는 일부가 섬유 형태의 기재(11)의 실린더의 위쪽 반 또는 아래쪽 반의 영역에만 형성되어 있을 수도 있다.
또한, 도 1a 및 도 1b에 도시한 인버티드 유기 태양전지(100)의 적층 순서와 다르게 섬유 형태의 기재(11) 위에 양극층, 정공 전달층, 광활성층, 전자 전달층 및 음극층이 순차적으로 형성되어 있을 수도 있다.
도 2는 일 구현예에 따른 인버티드 유기 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램이다. 도 2의 구현예의 인버티드 유기 태양전지는 구체적으로 유리 섬유(기재) /ITO(음극) /ZnO(전자 전달층) /P3HT:PCBM(광활성층) /MoO3(정공 전달층) /Al(양극)의 적층 구조를 갖는다. 도 2를 참조하면, P3HT:PCBM의 광활성층에서 생성된 전자는 계단형 전도 밴드(conduction band)를 따라 ZnO 층을 거쳐서 ITO 층으로 이동하고, P3HT:PCBM의 광활성층에서 생성된 정공은 계단형 가전자 밴드(valence band)를 따라 MoO3 층을 거쳐서 Al 층으로 이동한다. 한편, ZnO 층의 가전자 밴드(valencd band edge)가 P3HT와 PCBM의 HOMO(highest occupied molecular orbital) 레벨보다 훨씬 낮으므로 ZnO층은 광활성층으로부터 ITO 층으로의 정공의 전달을 막을 수 있다. 또한, MoO3은 전자 친화도가 적어서 전자의 흐름을 차단할 수 있고 Al 층으로의 정공의 전달을 향상시킬 수 있다.
도 3은 벌크 이종접합(BHJ) 광활성층 내에서의 전자와 정공의 흐름을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 벌크 이종접합(BHJ)은 도너 영역들과 억셉터 영역들이 임의로 혼합되어 있다. 여기서 전자는 도너 영역을 따라서 음극으로 이동하고 정공은 억셉터 영역을 따라서 양극으로 이동한다. 도너 영역은 n형 반도체 물질일 수 있고, 억셉터 영역은 p형 반도체 물질일 수 있다. 벌크 이종접합(BHJ) 내의 도너 영역과 억셉터 영역의 크기가 엑시톤의 확산 거리보다 짧을 경우 벌크 이종접합(BHJ)은 엑시톤으로부터 분리된 전자와 정공이 음극과 양극으로 이동하는 효율을 향상시킬 수 있다.
이하에서 일 구현예에 따른 인버티드 유기 태양전지의 제조방법에 관하여 상세하게 설명한다.
도 4a 내지 도 4f는 일 구현예에 따른 인버티드 유기 태양전지의 제조방법을 공정 순서대로 도시한 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 먼저 섬유 형태의 기재(11)를 제공한다. 섬유 형태의 기재(11)는 투명한 물질로 이루어진 섬유, 예를 들면, 유리 섬유, 고분자 섬유 또는 FRP(Fiber Reinforced Plastic) 등을 사용할 수 있다. 섬유 형태의 기재(11)는 약 1-500 ㎛ 범위의 직경을 가질 수 있다.
도 4b를 참조하면, 섬유 형태의 기재(11) 위에 음극층(12)을 형성한다. 음극층(12)은 ITO, AZO, IZO, GZO, ITO-Ag-ITO, ITO-Cu-ITO, AZO-Ag-AZO, GZO-Ag-GZO, IZO-Ag-IZO 또는 IZTO-Ag-IZTO 등과 같은 투명한 전도성 산화물로 형성할 수 있다. 이러한 음극층(12)은 예를 들면, 펄스 레이저 증착(pulse laser deposition), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 또는 RF 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering)의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 음극층(12)은 10㎚-3㎛ 범위의 두께로 형성할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 음극층(12) 위에 전자 전달층(13)을 형성한다. 전자 전달층(13)은 전이 금속 산화물을 이용하여 나노 로드 형태로 형성할 수 있다. 전자 전달층(13)은 예를 들면, ZnO, SnO, Cs2CO3, TiO2 또는 ZrO2 등으로 형성할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 전자 전달층(13)의 나노 로드는 음극층(12) 위에 전이 금속 산화물의 시드층(미도시)을 형성하고, 수열 합성 공정(hydrothermal growth)을 통하여 상기 시드층(미도시)으로부터 성장시킬 수 있다. 시드층(미도시)은 예를 들면 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)에 의하여 형성할 수 있다. 전자 전달층(13)의 나노 로드는 음극층(12)의 표면으로부터 위쪽을 향하도록 방사상으로 성장할 수 있다. 이때 나노 로드의 직경은 약 10㎚-300㎚ 범위이고, 나노 로드의 길이는 약 30㎚-2㎛ 범위이고, 나노 로드 사이의 간격은 약 1㎚-100㎚ 범위가 되도록 전자 전달층(13)의 나노 로드를 형성할 수 있다.
도 4d를 참조하면, 전자 전달층(13) 위에 광활성층(14)을 형성한다. 광활성층(14)은 이중층(bilayer) 구조 또는 벌크 이종접합(BHJ) 구조로 형성할 수 있다.
이중층 구조의 경우 전자 전달층(13) 위에 도너 물질과 억셉터 물질을 순차적으로 딥코팅(dip coating)하여 광활성층(14)을 형성할 수 있다.
벌크 이종접합(BHJ) 구조의 경우 전자 전달층(13) 위에 도너 물질과 억셉터 물질의 혼합을 딥코팅한 후 어닐링하여 형성할 수 있다. 구체적으로 도너 물질과 억셉터 물질의 혼합 용액에 음극층(12) 및 전자 전달층(13)이 형성된 기재(11)를 디핑(diping)하여 전자 전달층(13) 위에 예비 광활성층(미도시)을 형성한다. 그 후, 열적 어닐링(thermal annealing) 또는 용매 어닐링(solvent annealing)을 통하여 예비 광활성층(미도시) 내의 도너 물질과 억셉터 물질을 상분리함(phase separation)으로써 벌크 이종접합(BHJ) 구조의 광활성층(14)을 형성할 수 있다.
도너 물질은 n형 반도체 유기 화합물을 사용할 수 있으며, 예를 들면, poly(para-phenylene vinylene)(PPV) 계열, polythiophene(PT) 계열 또는 polyflourene(PF) 계열의 반도체 고분자를 사용할 수 있다. 구체적으로, 도너 물질은 P3HT(poly(3-hexylthiophene), PCDTBT(poly[N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)], MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]) 또는 MDMOPPV(poly[2-methoxy-5-3(3,7-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene)을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
억셉터 물질은 p형 반도체 유기 화합물을 사용할 수 있으며, 예를 들면, C60, PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), perylene, PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-bis-benzimidazole) 또는 DPP(dihydropyrrolo[3,4-c]pyrrole)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 광활성층(14)의 벌크 이종접합의 도너 물질:억셉터 물질의 쌍으로서 예를 들면, P3HT:PCBM, PCDTBT:PCBM 또는 P3HT:DPP을 형성할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
벌크 이종접합 구조 형성시 도너 물질과 억셉터 물질을 녹이는 용매로서 예를 들면 클로로포름(CHCl3), 디클로로벨젠(DCB) 또는 DMF(Dimethylformamide)를 사용할 수 있다. 용매 어닐링 시 사용하는 용매는 도너 물질과 억셉터 물질의 혼합 용액의 용매를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
벌크 이종접합 구조 형성시 열적 어닐링 또는 용매 어닐링 시의 열처리 온도는 예를 들면, 90-160℃ 의 범위에서 수행할 수 있다.
도 4e를 참조하면, 광활성층(14) 위에 정공 전달층(15)을 형성한다. 정공 전달층(15)은 예를 들면 MoO3, V2O5, NiO 또는 CrOX 와 같은 전이 금속 산화물로 형성할 수 있다. 이때 정공 전달층(15)을 열증착(thermal evaporation) 또는 펄스 레이저 증착, 화학 기상 증착 또는 RF 마그네트론 스퍼터링의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 정공 전달층(15)은 예를 들면 0.1-10㎚ 범위의 두께로 형성할 수 있다.
도 4f를 참조하면, 정공 전달층(15) 위에 양극층(16)을 형성한다. 양극층(16)은 예를 들면, Ag, Ni, Au, 또는 Co 와 같이 일함수가 높은 금속을, 예를 들면, 열증착 또는 화학 기상 증착 등의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 양극층(16)은 예를 들면 10㎚-3㎛ 범위의 두께로 형성할 수 있다.
도 4a 내지 도 4f와 관련하여 설명한 방법에 의하여 도 1b에 나타낸 바와 같이 섬유 형태의 기재(11)의 전면 위에 음극층(12), 전자 전달층(13), 광활성층(14), 정공 전달층(15) 및 양극층(16)을 형성할 수 있으나, 이와 다르게 음극층(12), 전자 전달층(13), 광활성층(14), 정공 전달층(15) 및 양극층(16)을 섬유 형태의 기재(11)의 일부면 위에 형성할 수도 있다. 예를 들면, 음극층(12), 전자 전달층(13), 광활성층(14), 정공 전달층(15) 및 양극층(16) 중 전부 또는 일부를 섬유 형태의 기재(11)의 실린더의 위쪽 반 또는 아래쪽 반의 영역에만 형성할 수도 있다.
실험예
1
직경 3mm, 길이 50mm의 유리 섬유 기재(glass fiber substrate)를 3:1 부피비의 황산:과산화수소 혼합 용액으로 80℃에서 10분 동안 피라나 세정(piranha clean)을 하여 유리 섬유 기재의 표면에 존재하는 유기물을 제거하였다.
CVD 방법을 사용하여 유리 섬유 기재의 반쪽 표면 위에 ITO를 150㎚의 두께로 증착하였다. 유리 섬유 기재 위에 증착된 ITO를 아세톤을 사용하여 세정하고, 이소프로필알코올(IPA) 내에서 초음파 처리(ultrasonication)를 하고, 탈이온수(DI water)로 세정한 후 진공 오븐 내에서 100℃에서 30분 동안 건조시켰다.
ITO 코팅막 위에 ALD 공정을 통하여 ZnO 시드층(seed layer)을 10㎚ 두께로 증착하였다. 이어서 0.025M의 질산 아연 무수물(zinc nitrate dehydrate) 및 0.025M의 헥사메틸렌테트라아민(hexamethylenetetramine)을 사용하여 수열 합성 공정(hydrothermal growth)을 통하여 ZnO 시드층으로부터 ZnO 나노 로드(nano rod)들을 성장시켰다. ZnO 나노 로드들은 ITO 표면으로부터 방사상으로 형성되어 요철 형태를 가졌다. 성장한 ZnO 나노 로드의 표면을 탈이온수로 린스한 다음, 다시 진공 오븐에서 건조하였다. 이때 ZnO 나노 로드는 90-170㎚ 의 길이로 형성되었다.
ZnO 나노 로드가 형성된 유리 섬유 기재를 1:4 질량비의 P3HT과 PCBM을 클로로포름 용매를 사용하여 혼합한 용액 내에 15분 동안 침지였다 꺼낸 후 90℃의 N2 분위기에서 30분 동안 열적 어닐링(thermal annealing)을 하였다. 이에 의하여 P3HT:PCBM 벌크 이종접합(BHJ)의 광활성층을 형성하였다.
P3HT:PCBM 광활성층 위에 열증착(thermal evaporation)을 통하여 5㎚ 두께의 MoO3 와 100㎚ 두께의 Al 을 순차적으로 형성하였다.
실험예
2
P3HT:PCBM 의 코팅층을 90℃ 대신 120℃ 의 온도에서 열적 어닐링을 수행한 것을 제외하고 실험예 1과 동일한 과정을 거쳐서 유기 태양전지를 제조하였다.
실험예
3
P3HT:PCBM 의 코팅층을 90℃ 대신 150℃ 의 온도에서 열적 어닐링을 수행한 것을 제외하고 실험예 1과 동일한 과정을 거쳐서 유기 태양전지를 제조하였다.
실험예
4
P3HT:PCBM 의 코팅층을 90℃ 대신 180℃ 의 온도에서 열적 어닐링을 수행한 것을 제외하고 실험예 1과 동일한 과정을 거쳐서 유기 태양전지를 제조하였다.
실험예 1 내지 실험예 4의 유기 태양전지의 어닐링 온도, 개방 전압, 단락 전류밀도 및 광변환 효율을 표 1에 나타내었다.
| 어닐링 온도 (℃) |
개방 전압(VOC) (V) |
단락 전류밀도 (JSC) (mA/cm2) |
광변환 효율 (%) |
|
| 실험예 1 | 90 | 0.69 | 1.82 | 0.42 |
| 실험예 2 | 120 | 0.54 | 3.52 | 0.71 |
| 실험예 3 | 150 | 0.61 | 4.28 | 1.02 |
| 실험예 4 | 180 | 0.54 | 3.09 | 0.62 |
표 1을 참조하면, 열적 어닐링 온도가 150℃ 인 경우에 광변환 효율이 가장 높게 나타났다. 이것은 150℃ 의 온도에서 열적 어닐링된 경우 상분리된 P3HT와 PCBM의 도메인(domain)의 크기가 엑시톤 확산 거리(excition diffusion length)(~10㎚)와 가장 근접하기 때문인 것으로 여겨진다.
실험예
5
유리섬유 기재 위에 1:4 질량비의 P3HT과 PCBM을 클로로포름 용매를 사용하여 혼합한 용액 내에 15분 동안 침지였다 꺼낸 후 150℃의 N2 분위기에서 10분 동안 열적 어닐링을 하여 P3HT:PCBM의 벌크 이종접합(BHJ) 층을 형성하였다.
실험예
6
열적 어닐링을 20분 동안 수행한 것을 제외하고 실험예 3과 동일한 과정을 거쳐서 P3HT:PCBM의 벌크 이종접합 층을 형성하였다.
실험예
7
열적 어닐링을 30분 동안 수행한 것을 제외하고 실험예 3과 동일한 과정을 거쳐서 P3HT:PCBM의 벌크 이종접합 층을 형성하였다.
실험예
8
열적 어닐링을 60분 동안 수행한 것을 제외하고 실험예 3과 동일한 과정을 거쳐서 P3HT:PCBM의 벌크 이종접합 층을 형성하였다.
도 5a 내지 도 5d는 실험예 5-8에서 형성한 P3HT:PCBM 의 벌크 이종접합 구조를 갖는 층의 AFM(atomic force microscopy) 이미지들이고, 표 2는 동일한 층들에 대하여 AFM 에서 측정한 표면 조도(surface roughness)이다.
| 어닐링 온도(℃) | 어닐링 시간(분) | 표면조도(RMS)(㎚) | |
| 실험예 5 | 150 | 10 | 0.56±0.05 |
| 실험예 6 | 150 | 20 | 0.65±0.10 |
| 실험예 7 | 150 | 30 | 1.15±0.21 |
| 실험예 8 | 150 | 60 | 2.02±0.41 |
도 5a 내지 도 5d 및 표 2를 참조하면, 어닐링 시간이 길어질수록 벌크 이종접합 층의 표면 거칠기가 커지는 것을 알 수 있다. 이는 어닐링 시간이 늘어날수록 상분리에 의하여 형성되는 도너 영역과 억셉터 영역의 도메인의 크기가 커지기 때문으로 여겨진다.
11: 섬유 형태의 기재 12: 음극층
13: 전자 전달층 14: 광활성층
15: 정공 전달층 16: 양극층
100: 유기 태양전지
13: 전자 전달층 14: 광활성층
15: 정공 전달층 16: 양극층
100: 유기 태양전지
Claims (20)
- 섬유 형태의 기재;
상기 섬유 형태의 기재 위의 음극층;
상기 음극층 위의 나노 로드들로 이루어진 전자 전달층;
상기 전자 전달층 위의 광활성층;
상기 광활성층 위의 정공 전달층; 및
상기 정공 전달층 위의 양극층; 을 포함하는 인버티드 유기 태양전지. - 제1 항에 있어서, 상기 섬유 형태의 기재는 유리 섬유, 고분자 섬유 또는 FRP(Fiber Reinforced Plastic)를 포함하는 인버티드 유기 태양전지.
- 제1 항에 있어서, 상기 음극층은 ITO, AZO, IZO, GZO, ITO-Ag-ITO, ITO-Cu-ITO, AZO-Ag-AZO, GZO-Ag-GZO, IZO-Ag-IZO 또는 IZTO-Ag-IZTO를 포함하는 인버티드 유기 태양전지.
- 제1 항에 있어서, 상기 전자 전달층은 ZnO, SnO, SnO2, In2O3, Cs2CO3 또는 이들의 둘 이상의 혼합물로 이루어진 인버티드 유기 태양전지.
- 제1 항에 있어서, 상기 전자 전달층의 상기 나노 로드들은 상기 음극층으로부터 위로 향하도록 배열된 인버티드 유기 태양전지.
- 제1 항에 있어서, 상기 전자 전달층의 상기 나노 로드의 직경은 10㎚-300㎚ 범위인 인버티드 유기 태양전지.
- 제1 항에 있어서, 상기 전자 전달층의 상기 나노 로드의 길이는 30㎚-2㎛ 범위인 인버티드 유기 태양전지.
- 제1 항에 있어서, 상기 전자 전달층의 상기 나노 로드 사이의 간격은 1㎚-100㎚ 범위인 인버티드 유기 태양전지.
- 제1 항에 있어서, 상기 광활성층은 도너 영역과 억셉터 영역의 벌크 이종접합 구조인 인버티드 유기 태양전지.
- 제9 항에 있어서, 상기 도너 영역의 도너 물질은 P3HT(poly(3-hexylthiophene), PCDTBT(poly[N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)], MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]) 또는 MDMOPPV(poly[2-methoxy-5-3(3,7-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene)인 인버티드 유기 태양전지.
- 제9 항에 있어서, 상기 억셉터 영역의 억셉터 물질은 C60, PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), perylene, PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-bis-benzimidazole) 또는 DPP(dihydropyrrolo[3,4-c]pyrrole)인 인버티드 유기 태양전지.
- 제9 항에 있어서, 상기 광활성층은 P3HT:PCBM, PCDTBT:PCBM 또는 P3HT:DPP의 벌크 이종접합(BHJ)인 인버티드 유기 태양전지.
- 제9 항에 있어서, 상기 도너 영역과 상기 억셉터 영역의 도메인의 크기는 약 10㎚ 인 인버티드 유기 태양전지.
- 제1 항에 있어서, 상기 정공 전달층은 MoO3, V2O5, NiO 또는 CrOX 인 인버티드 유기 태양전지.
- 제1 항에 있어서, 상기 양극층은 Ag, Ni, Au 또는 Co인 인버티드 유기 태양전지.
- 섬유 형태의 기재를 제공하는 단계;
상기 섬유 형태의 기재 위에 음극층을 형성하는 단계;
상기 음극층 위에 나노 로드들로 이루어진 전자 전달층을 형성하는 단계;
상기 전자 전달층 위에 벌크 이종접합 구조의 광활성층을 형성하는 단계;
상기 광활성층 위에 정공 전달층을 형성하는 단계; 및
상기 정공 전달층 위에 양극층을 형성하는 단계; 를 포함하는 인버티드 유기 태양전지의 제조방법. - 제16 항에 있어서, 상기 섬유 형태의 기재는 유리 섬유, 고분자 섬유 또는 FRP(Fiber Reinforced Plastic)를 포함하는 인버티드 유기 태양전지의 제조방법.
- 제16 항에 있어서, 상기 나노 로드들로 이루어진 상기 전자 전달층을 형성하는 단계는
상기 음극층 위에 전이 금속 산화물의 시드층을 형성하는 단계; 및
수열 합성 공정을 통하여 상기 시드층으로부터 상기 전이 금속 산화물의 상기 나노 로드들을 성장시키는 단계를 포함하는 인버티드 유기 태양전지의 제조방법. - 제18 항에 있어서, 상기 전이 금속 산화물은 ZnO, SnO, SnO2, In2O3, Cs2CO3 또는 이들의 둘 이상의 혼합물로 이루어진 인버티드 유기 태양전지의 제조방법.
- 제16 항에 있어서, 상기 광활성층을 형성하는 단계는
상기 전자 전달층이 형성된 상기 섬유 형태의 기재를 도너 물질과 억셉터 물질의 혼합 용액으로 딥코팅하는 단계; 및
상기 딥코팅 후 상기 섬유 형태의 기재를 열적 어닐링 또는 용매 어닐링하는 단계를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법.
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