KR20140065272A - 광섬유형 유기태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

광섬유형 유기태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20140065272A KR1020120132574A KR20120132574A KR20140065272A KR 20140065272 A KR20140065272 A KR 20140065272A KR 1020120132574 A KR1020120132574 A KR 1020120132574A KR 20120132574 A KR20120132574 A KR 20120132574A KR 20140065272 A KR20140065272 A KR 20140065272A
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구자정
김효석
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도레이케미칼 주식회사
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Abstract

본 발명은 새로운 형태의 유기태양전지에 관한 것으로서, 구체적으로 설명하면 광섬유형 유기태양전지에 관한 것이다. 기존의 유기태양전지는 천편일률적으로 필름형태, 판상형태였고 이로 인하여 응용분야 및 응용제품에 한계가 있었으나, 본 발명은 필라멘트형태로 유기태양전지를 제공함으로써 유기태양전지의 유연성 한계를 극복함으로써, 의류, 케이블 등 그 응용분야를 크게 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 지하매설도 가능한 유기태양전지에 관한 것이다.

Description

광섬유형 유기태양전지 및 이의 제조방법{Organic sola cell of optical filament type and Preparing method ofthere}
본 발명은 유연성 한계를 벗어날 뿐만 아니라 지하매설이 가능한 필라멘트 형태의 새로운 유기태양전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있으며, 특히 유기태양전지는 저비용의 공정이 요구되며 휘어질 수 있는 특성을 갖는 등의 장점으로 인해 최근 활발한 연구가 진행되고 있다. 그 중, 신규 물질 개발과 함께 적층형의 구조를 도입하여 낮은 에너지 전환효율을 극복하기 위한 연구가 진행되어져 왔다.
그러나, 현재까지 보고된 대부분의 적층형 유기태양전지는 아직까지 증착 공정을 필요로 하는 단분자를 이용한 적층형 태양전지이고, 판상형태 또는 필름형태를 갖는 바, 그 구조적 특성상 응용분야가 제한적이며, 광을 직접 받아야만 하기 때문에 땅에 매립시킬 수 없을 뿐만 아니라, 의류 등에 적용하기에 큰 한계가 있다.
따라서, 유기태양전지의 응용분야를 확대시키기 위해서는 기존의 유기태양전지의 형태의 고정관념을 벗어난 새로운 형태의 유기태양전지의 개발이 시급한 실정이다.
이에 본 발명자들은 기존의 판상형, 필름형 등 천편일률적인 형태를 갖는 태양전지의 응용한계를 극복할 수 있는 새로운 형태의 유기태양전지를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 광섬유형 유기태양전지에 관한 것으로서, 광투과 섬유; 정공주입층; 정공수송층; 전자추출층 및 광활성층을 포함하는 활성층; 및 전자주입층;을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 본 발명의 광섬유형 유기태양전지는 빛 투과 방향으로부터 광투과 섬유->정공주입층->정공수송층->전자추출층->광활성층->전자주입층 순으로 적층된 것을 특징으로 할 수 있으며, 또는 광투과 섬유->정공주입층->정공수송층->활성층->전자주입층 순으로 적층된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예로서, 광섬유형 유기태양전지는 코어-시스(sheath-core)형태이며, 개방형 코어-시스 또는 고립형 코어-시스 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예로서, 상기 광투과 섬유는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에틸렌나프탈렌(PEN), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리프로필렌(PP), 폴리사이클로헥실렌 설파이드(PPS), 폴리아크릴레이트(PAR), 폴리아릴레이트, 폴리이미드(PI), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(CAP) 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 광투과 섬유는 광투과도(Total Transmittance)가 80 ~ 95(%)인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 정공주입층은 탄소나노튜브, 은 나노와이어, 은 분말, 산화인듐주석(ITO), 산화인듐아연(IZO), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 불소 도핑 산화주석(FTO, fluorine-doped tin oxide), 안티몬 도핑 산화주석(ATO, antimony-doped tin oxide) 및 알루미늄 도핑 산화아연(AZO, aluminum-doped Zinc oxide) 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 정공주입층은 상기 정공수송물질; 에틸셀룰로오스(Ethyl cellulose), 카보닐 메틸 셀롤로오스(Carboxyl Methyl Cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose), 소디움 도데실설페이트(sodium dodecylsulfate) 및 에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol) 중에서 선택된 1종 이상의 고분자 수지;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현 예로서, 상기 정공수송층은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린, 폴리디페닐, 아세틸렌, 폴리 (t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, Cu-PC(커퍼-프탈로시아닌) 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 및 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 정공수송물질을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 정공수송층은 상기 정공수송물질; 에틸셀룰로오스(Ethyl cellulose), 카보닐 메틸 셀롤로오스(Carboxyl Methyl Cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose), 소디움 도데실설페이트(sodium dodecylsulfate) 및 에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol) 중에서 선택된 1종 이상의 고분자 수지;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 전자추출층은 P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), MEH-PPV(poly-[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-3(3',7'-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene]), PFDTBT(poly((2,7-(9,9-dioctyl)-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2,ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benxothiadiazole)] ), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌 및 폴리피리딘 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 전자공여체; 및 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)), C71-PCBM, C84-PCBM, 카드뮴셀레나이드(CdSe) 나노입자, 탄소나노튜브, 탄소나노로드, PBI(polybenzimidazole) 및 PTCBI(3,4,9,10- perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole) 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 전자수용체;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 전자추출층은 에틸셀룰로오스(Ethyl cellulose), 카보닐 메틸 셀롤로오스(Carboxyl Methyl Cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 및 에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol) 중에서 선택된 1종 이상의 고분자 수지;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예로서, 본 발명의 광섬유형 유기태양전지의 상기 광활성층은 산화아연(ZnO), 산화 알루미늄(Al2O3) 및 산화티타늄(TiOx) 중에서 선택된 1종 이상의 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 에틸셀룰로오스(Ethyl cellulose), 카보닐 메틸 셀롤로오스(Carboxyl Methyl Cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose), 소디움 도데실설페이트(sodium dodecylsulfate) 및 에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol) 중에서 선택된 1종 이상의 고분자 수지;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 구현예로서, 본 발명의 광섬유형 유기태양전지의 상기 전자주입층은 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 리튬(Li) 및 세슘(Cs) 중에서 선택된 1종 이상의 전자주입물질;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 또한, 에틸셀룰로오스(Ethyl cellulose), 카보닐 메틸 셀롤로오스(Carboxyl Methyl Cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose), 소디움 도데실설페이트(sodium dodecylsulfate) 및 폴리 에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol) 중에서 선택된 1종 이상의 고분자 수지;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광섬유형 유기태양전지에 있어서, 정공주입층, 정공수송층, 정공추출층, 광활성층 및 전자주입층 각각은 광투과 섬유의 평균두께(또는 평균입경)에 대하여 0.001 ~ 1%, 0.01 ~ 1%, 0.005 ~ 1%, 0.0001 ~ 0.1% 및 0.001 ~ 1%의 평균두께를 각각 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 다른 구현예로서, 앞서 설명한 본 발명의 광섬유형 유기태양전지는 필리멘트사 형태일 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 광섬유형 유기태양전지의 제조방법에 관한 것이며, 바람직한 구현예로서, 방적사 또는 필라멘트사 형태의 광투과 섬유를 제조하는 단계; 광투과 섬유의 전체 표면에 정공주입층을 형성시키는 단계; 광투과 섬유와 정공주입층의 접촉면 반대 측면에 정공수송층을 형성시키는 단계; 상기 정공주입층과 정공수송층의 접촉면 반대 측면에 전자추출층을 형성시키는 단계; 상기 정공수송층과 전차추출층의 접촉면 반대 측면에 광활성층을 형성시키는 단계; 및 상기 전자추출층과 광활성층의 접촉면 반대 측면에 전자주입층을 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 바람직한 다른 구현예로서 본 발명의 광섬유형 유기태양전지의 제조방법은 방적사 또는 필라멘트사 형태의 광투과 섬유를 제조하는 단계; 상기 광투과 섬유의 일부 표면을 마스킹(masking)시키는 단계; 광투과 섬유의 마스킹되지 않은 표면 또는 전체 표면에 정공주입층을 형성시키는 단계; 광투과 섬유와 정공주입층의 접촉면 반대 측면에 정공수송층을 형성시키는 단계; 상기 정공주입층과 정공수송층의 접촉면 반대 측면에 전자추출층을 형성시키는 단계; 상기 정공수송층과 전차추출층의 접촉면 반대 측면에 광활성층을 형성시키는 단계; 상기 전자추출층과 광활성층의 접촉면 반대 측면에 전자주입층을 형성시키는 단계; 및 마스킹된 부분을 제거하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 앞서 설명한 본 발명의 광섬유형 유기태양전지를 포함하는 직물, 의류, 케이블, 모바일 기기, 자동차 내외장 부품, 파라솔 및 텐트 중에서 선택된 1종 이상의 제품을 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 용어인 “광섬유형 또는 광투과 섬유”는 방적사 및 필라멘트사의 형태를 포함하는 의미이며, 상기 필라멘트사(filament yarn)는 무한히 긴 실의 형태로서, 모노필라멘트사 및 멀티필라멘트사를 포함하는 의미이다.
본 발명의 광섬유형 유기태양전지는 그 형태적 특징상 유연성(flexible) 한계가 거의 없는 바, 형태로 인한 응용분야의 제한이 거의 없기 때문에 직물, 의류 등에 적용이 가능하며, 또한, 유기태양전지 자체를 지하 매설도 가능하기 때문에 좁은 공간에 대용량 태양광 발전 시설도 가능하다.
도 1은 본 발명의 고립형 코어-시스 형태의 광섬유형 유기태양전지의 일구현예를 나타낸 것이다.
도 2a ~ 도 2c 각각은 본 발명의 개방형 코어-시스 형태의 광섬유형 유기태양전지의 일구현예를 나타낸 것이다.
본 발명은 유연성 한계가 거의 없는 새로운 형태의 유기태양전지에 관한 것으로서, 이하 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명을 한다.
본 발명의 광섬유형 유기태양전지는 광투과 섬유(10); 정공주입층(20); 정공수송층(30); 전자추출층(40) 및 광활성층(50)을 포함하는 활성층; 및 전자주입층(60);을 포함할 수 있다. 그리고, 그 형태는 광 투과 방향으로부터 광투과 섬유->정공주입층->정공수송층->전자추출층->광활성층->전자주입층 순으로 적층된 것을 특징으로 할 수 있으며, 또는 광투과 섬유->정공주입층->정공수송층->활성층(전자추출물질 및 광활성물질이 1개의 층을 형성)->전자주입층 순으로 적층된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 광섬유형 유기태양전지는 코어-시스(core-sheath)형태로서, 도 1에 나타낸 바와 같이 고립형 코어-시스 형태(100)일 수 있으며, 또는 도 2a ~ 도 2c에 나타낸 것과 같이 개방형 코어-시스 형태(201,202,203)일 수 있는데, 사용되는 환경, 용도에 따라서 고립형 또는 개방형 코어-시스 형태의 유기태양전지를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 지하에 매설되는 환경인 경우에는 고립형 코어-시스 형태의 광섬유형 유기태양전지를 사용하는 것이 유리할 수 있으며, 빛이 있는 환경에서는 개방형 코어-시스 형태의 광섬유형 유기태양전지를 사용하는 것이 유리할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 광섬유형 유기태양전지는 방적사 및 필라멘트사의 형태일 수 있으며, 바람직하게는 필라멘트사(filament yarn) 형태인 것을, 더욱 바람직하게는 모노필라멘트사 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 유기태양전지의 구성 각각에 대하여 더욱 구체적으로 설명을 한다.
본 발명의 광섬유형 유기태양전지의 가장 안쪽 내부에는 광투과 섬유(10)를 포함하고 있으며, 기재 및 광에너지를 정공주입층으로 전달하는 역할을 한다.
상기 광투과 섬유는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에틸렌나프탈렌(PEN), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리프로필렌(PP), 폴리사이클로헥실렌 설파이드(PPS), 폴리아크릴레이트(PAR), 폴리아릴레이트, 폴리이미드(PI), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(CAP) 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 광투과 섬유는 광투과도가 80% 이상인 것이, 바람직하게 85 ~ 95(%)인 것, 더욱 바람직하게는 92 ~ 95%인 것이 좋으며, 광투과도가 80% 미만이면 에너지 변환효율이 떨어지며, 95%를 초과하는 것이 현재의 기술적으로 어려우므로 상기 범위 내의 광투과도를 갖는 것이 좋다.
상기 광투과 섬유의 직경은 그 용도, 사용환경에 따라 달라질 수 있으므로 특별히 한정하지는 않으나, 평균직경 100 ~ 10,000 ㎛인 것이, 바람직하게는 100 ~ 5,000 ㎛인 것이, 더욱 바람직하게는 100 ~ 2,000 ㎛인 것이 유기태양전지 자체의 유연성 확보면에서 좋다.
[ 정공주입층 ]
본 발명의 광섬유형 유기태양전지의 상기 광투과 섬유는 표면의 전부 또는 일부가 투명 전도성층으로서 정공주입층(20)으로 둘러싸이게 되며, 정공주입층은 유기태양전지의 캐소드(cathode) 역할을 수행한다.
상기 정공주입층은 탄소나노튜브, 은(Ag) 나노와이어, 은(Ag) 분말, 구리(Cu) 나노와아어, 구리(Cu) 분말, 산화인듐주석(ITO), 산화인듐아연(IZO), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 불소 도핑 산화주석(FTO, fluorine-doped tin oxide), 안티몬 도핑 산화주석(ATO, antimony-doped tin oxide) 및 알루미늄 도핑 산화아연(AZO, aluminum-doped Zinc oxide) 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 정공주입층은 상기 전도성 물질의 적절한 분산을 위해 고분자 수지를 더 포함할 수 있으며, 상기 고분자 수지는 에틸셀룰로오스, 카보닐 메틸 셀롤로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 소디움 도데실설페이트 및 에틸렌 글리콜 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 정공주입층은 상기 전도성 물질, 상기 고분자 수지를 이소프로필 알코올, n-부틸 알코올, t-부틸 알코올, 1-메틸-2-피롤리딘(1-Methyl-2-pyrrolidinine), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide), N,N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethyl formamide), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 디클로로벤젠(dichrolobenzene), 클로로벤젠(chrolobenzene), 클로로포름(Chloroform), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene), 헥산(Hexane) 및 물(H2O) 중에서 선택된 1종 이상의 용액;에 혼합하여 정공주입용액을 제조한 후, 이를 이용하여 정공주입층을 형성시킬 수 있다.
상기 정공주입층의 두께는 상기 광투과 섬유의 평균직경의 0.001 ~ 1 %인 것이, 바람직하게는 0.001 ~ 0.1%인 것이, 더욱 바람직하게는 0.001 ~ 0.05%인 것이 좋으며, 0.001% 미만이면 너무 얇게 되면 코팅 공정에서 균일하게 도포를 할 수 없는 문제가 있을 수 있고, 1 %를 초과하면 전공이 이동하는 거리가 길어져 순간적으로 재결합(Recombination)이 발생하여 효율이 낮아질 수 있는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내의 평균두께를 갖는 것이 좋다.
[ 정공수송층 ]
본 발명의 광섬유형 유기태양전지의 상기 정공주입층의 표면(광투과 섬유와 접촉면의 반대면)에는 정공수송물질을 포함하는 정공수송층(30)이 형성되어 있으며, 활성층의 전자추출층에서 발생한 전공이 전자와의 재결합이 일어나기 전에 전공을 전극으로 이송하는 역할을 수행한다.
상기 정공수송층은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린, 폴리디페닐, 아세틸렌, 폴리 (t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, Cu-PC(커퍼-프탈로시아닌) 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 및 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 정공수송물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 PEDOT:PSS, 폴리아닐린, Cu-PC(커퍼-프탈로시아닌) 및 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌 중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 더 좋다.
그리고, 상기 정공수송층은 상기 정공수송물질 외에 이소프로필 알코올, n-부틸 알코올, t-부틸 알코올, 1-메틸-2-피롤리딘, 1,2-디클로로벤젠, 디메틸 설폭사이드, N,N-디메틸포름아마이드, 테트라하이드로퓨란, 디클로로벤젠, 클로로벤젠, 클로로포름, 톨루엔, 자일렌, 헥산 및 물 중에서 선택된 1종 이상의 용액;에 혼합하여 정공수송용액을 제조한 후, 이를 이용하여 정공수송층을 형성시킬 수 있다. 또한, 상기 용액은 바람직하게는 이소프로필 알코올, n-부틸 알코올 및 t-부틸 알코올 중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 용매 제거면에서 좋다.
또한, 상기 정공수송층의 평균두께는 상기 광투과 섬유의 평균직경의 0.001 ~ 1 %인 것이, 바람직하게는 0.001 ~ 0.1%인 것이, 더욱 바람직하게는 0.001 ~ 0.05%인 것이 좋으며, 0.001% 미만에서는 다른 전극과의 쇼트가 발생할 수 있는 문제가 있을 수 있고, 1%를 초과하면 전극과의 거리가 멀어져 전자와 재결합 등이 발생하여 광전변환 효율이 낮아지는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내의 평균두께를 갖는 것이 좋다.
[활성층]
본 발명의 광섬유형 유기태양전지의 상기 정공수송층의 표면(정공주입층과 접촉면의 반대면)에는 전자추출층(40) 및 광활성층(50)을 포함하는 활성층이 형성되어 있다.
상기 전자추출층(40)은 전자공여체 및 전자수용체를 포함하는데, 이때, 상기 전자공여체는 P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), MEH-PPV(poly-[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-3(3',7'-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene]), PFDTBT(poly((2,7-(9,9-dioctyl)-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2,ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benxothiadiazole)] ), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌 및 폴리피리딘 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 전자수용체는 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)), C71-PCBM, C84-PCBM, 탄소나노튜브, 탄소나노로드, PBI(polybenzimidazole) 및 PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole) 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 전자추출층은 상기 전자공여체와 전자수용체가 1 : 1 ~ 2 중량비로, 바람직하게는 1 : 1.2 ~ 1.8 중량비로 포함하는 것이 광전류 효율면에서 바람직하다.
또한, 상기 전자추출층은 상기 전자공여체 및 전자수용체 외에 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 카드뮴 설파이드(CdS), 리드 설파이드 (PbS), 리드 셀레나이드(PbSe), 리드 텔루라이드 (PbTe), 커퍼 인듐 설파이드 (CuInS2), 커퍼 인듐 셀레나이드 (CuInSe2), 인듐 포스파이드 (InP), 커퍼 설파이드 (CuS2), 커퍼 인듐 갈륨 설파이드 (Cu(InGa)S2) 및 커퍼 갈륨 셀레나이드 (CuGaSe2) 중에서 선택된 1종 이상의 양자점 물질을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 전자추출층은 상기 전자공여체, 전자수용체 및 양자점 물질 외에 에틸셀룰로오스, 카보닐 메틸 셀롤로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 소디움 도데실설페이트 및 에틸렌 글리콜 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 고분자 수지를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 정공추출층은 상기 전자공여체, 전자수용체, 양자점 물질 및 고분자 수지;를 이소프로필 알코올, n-부틸 알코올, t-부틸 알코올, 1-메틸-2-피롤리딘, 디메틸 설폭사이드, N,N-디메틸포름아마이드, 테트라하이드로퓨란, 디클로로벤젠, 클로로벤젠, 클로로포름, 톨루엔, 자일렌, 헥산 및 물 중에서 선택된 1종 이상의 용액;에 혼합하여 전자추출용액을 제조한 후, 이를 이용하여 전자추출층을 형성시킬 수 있다. 그리고, 상기 용액은 바람직하게는 1-메틸-2-피롤리딘, 디메틸 설폭사이드, N,N-디메틸포름아마이드, 테트라하이드로퓨란, 디클로로벤젠, 클로로벤젠, 클로로포름 중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 용매 어닐링을 통한 높은 열처리를 하지 않아도 계면 사이를 불균일하게 만들어 표면적을 넓혀 주는 효과면에서 좋다.
또한, 상기 전자추출층의 평균두께는 상기 광투과 섬유의 평균직경의 0.005 ~ 1.0 %인 것이 좋으며, 0.005% 미만이면 전자 전공을 생성 시킬 수 있는 면적이 줄어 들어 광전변환 효율을 높일 수 없는 문제가 있을 수 있고, 1.0 %를 초과하면 전자, 전공 수송체에 도달 하기 전에 재결합이 일어나 광전변환 효율을 감소시키는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내의 평균두께를 갖는 것이 좋다.
상기 활성층은 광활성층(50)을 포함하며, 전자를 전자추출층으로부터 전자주입층으로 이송시키는 역할, 소자의 효율을 증가시키는 역할, 정공차단 역할 및 외부의 수분과 산소를 차단하는 배리어(barrier) 역할을 수행한다.
상기 광활성층은 산화아연(ZnO) 산화알루미늄 (Al2O3)및 산화티타늄(TiOx) 중에서 선택된 1종 이상의 나노입자를 포함할 수 있으며, 상기 나노입자 외에 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 카드뮴 설파이드(CdS), 리드 설파이드 (PbS), 리드 셀레나이드(PbSe), 리드 텔루라이드 (PbTe), 커퍼 인듐 설파이드 (CuInS2), 커퍼 인듐 셀레나이드 (CuInSe2), 인듐 포스파이드 (InP), 커퍼 설파이드 (CuS2), 커퍼 인듐 갈륨 설파이드 (Cu(InGa)S2) 및 커퍼 갈륨 셀레나이드 (CuGaSe2) 등의 양자점(quantum dot) 물질을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광활성층은 에틸셀룰로오스, 카보닐 메틸 셀롤로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 소디움 도데실설페이트 및 에틸렌 글리콜 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 고분자 수지를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 광활성층의 평균두께는 상기 광투과 섬유의 평균직경의 0.0001 ~ 0.1 %인 것이, 바람직하게는 0.001 ~ 0.05%인 것이, 더욱 바람직하게는 0.001 ~ 0.01%인 것이 좋으며, 0.0001 % 미만이면 막에 핀홀이 생길 수 있어 소자의 쇼트 발생의 문제가 있을 수 있고, 0.1%를 초과하면 전자, 전공 수송체에 도달하기 전에 재결합이 일어나 광전변환 효율을 감소가 있을 수 있으므로 상기 범위 내의 평균두께를 갖는 것이 좋다.
[ 전자주입층 ]
본 발명의 광섬유형 유기태양전지의 상기 활성층의 표면(정공수송층과 접촉면의 반대면)에는 전자주입층이 형성되어 있으며 유기태양전지의 애노드(anode) 역할을 한다.
상기 전자주입층은 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 리튬(Li) 및 세슘(Cs) 중에서 선택된 1종 이상의 전자주입물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전자주입층은 상기 전자주입물질 외에 에틸셀룰로오스, 카보닐 메틸 셀롤로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 소디움 도데실설페이트 및 에틸렌 글리콜 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 고분자 수지를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 전자주입층은 상기 전자주입물질 및 고분자 수지를 이소프로필 알코올, n-부틸 알코올, t-부틸 알코올, 1-메틸-2-피롤리딘, 1,2-디클로로벤젠, 디메틸 설폭사이드, N,N-디메틸포름아마이드, 테트라하이드로퓨란, 디클로로벤젠, 클로로벤젠, 클로로포름, 톨루엔, 자일렌, 헥산 및 물 중에서 선택된 1종 이상의 용액;에 혼합하여 전자주입용액을 제조한 후, 이를 이용하여 전자주입층을 형성시킬 수 있다. 또한, 상기 용액은 바람직하게는 이소프로필 알코올, n-부틸 알코올 및 t-부틸 알코올 중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 용매 제거면에서 좋다.
그리고, 상기 전자주입층의 평균두께는 상기 광투과 섬유의 평균직경의 0.001 ~ 1 %인 것이, 바람직하게는 0.001 ~ 0.1%인 것이, 더욱 바람직하게는 0.001 ~ 0.05%인 것이 좋으며, 0.001 % 미만이면 저항이 많이 올라가는 문제가 있을 수 있고, 1%를 초과하면 표면 크랙이 발생할 수 있는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내의 평균두께를 갖는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 광섬유형 유기태양전지는 전자주입층 외부 표면에 유기태양전저의 보호 역할을 위헤 폴리프로필렌(Poly Propylene), 폴리우레탄(Poly Urethane), 고무 등 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 보호층을 더 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 광섬유형 유기태양전지를 제조하는 방법에 대하여 자세하게 설명을 한다.
우선 고립형 코어-시스 형태(100)의 광섬유형 유기태양전지는 방적사 또는 필라멘트사 형태의 광투과 섬유를 제조하는 단계; 광투과 섬유의 전체 표면에 정공주입층을 형성시키는 단계; 광투과 섬유와 정공주입층의 접촉면 반대 측면에 정공수송층을 형성시키는 단계; 상기 정공주입층과 정공수송층의 접촉면 반대 측면에 전자추출층을 형성시키는 단계; 상기 정공수송층과 전차추출층의 접촉면 반대 측면에 광활성층을 형성시키는 단계; 및 상기 전자추출층과 광활성층의 접촉면 반대 측면에 전자주입층을 형성시키는 단계;를 포함하는 공정을 통해 제조할 수 있다.
개방형 코어-시스 형태(201~203)의 광섬유형 유기태양전지는 크게 2가지 방법을 통하여 제조할 수 있다.
개방형 코어-시스 형태(100)의 광섬유형 유기태양전지를 제조하는 방법은 방적사 또는 필라멘트사 형태의 광투과 섬유를 제조하는 단계; 상기 광투과 섬유의 일부 표면을 마스킹(masking)시키는 단계; 광투과 섬유의 마스킹되지 않은 표면 또는 전체 표면에 정공주입층을 형성시키는 단계; 광투과 섬유와 정공주입층의 접촉면 반대 측면에 정공수송층을 형성시키는 단계; 상기 정공주입층과 정공수송층의 접촉면 반대 측면에 전자추출층을 형성시키는 단계; 상기 정공수송층과 전차추출층의 접촉면 반대 측면에 광활성층을 형성시키는 단계; 상기 전자추출층과 광활성층의 접촉면 반대 측면에 전자주입층을 형성시키는 단계; 및 마스킹된 부분을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 마스킹은 당업계에서 일반적으로 사용하는 방법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 마스킹 테이프를 사용할 수 있다.
개방형 코어-시스 형태(100)의 광섬유형 유기태양전지를 제조하는 다른 방법은 방적사 또는 필라멘트사 형태의 광투과 섬유를 제조하는 단계; 상기 광투과 섬유을 감광액으로 감광코팅층을 시킨 후, 감광코팅층이 형성된 광투과섬유의 일부 표면을 마스킹(masking)하는 단계; 자외선으로 노광시켜서 노광부를 형성시키는 단계; 현상액을 통과시켜 노광부를 제거 및 베이킹(baking) 처리하는 단계; 광투과 섬유의 비-마스킹(non-masking) 표면에 정공주입층을 형성시키는 단계; 광투과 섬유와 정공주입층의 접촉면 반대 측면에 정공수송층을 형성시키는 단계; 상기 정공주입층과 정공수송층의 접촉면 반대 측면에 전자추출층을 형성시키는 단계; 상기 정공수송층과 전차추출층의 접촉면 반대 측면에 광활성층을 형성시키는 단계; 상기 전자추출층과 광활성층의 접촉면 반대 측면에 전자주입층을 형성시키는 단계; 및 마스킹 제거 후 감광코팅층을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 감광액은 당업계에서 사용하는 일반적인 감광액을 사용할 수 있으며, 특별히 한정하지는 않는다. 또한, 상기 노광은 350 ~ 360 nm 파장의 자외선을 이용하여 노광시킬 수 있다.
또한, 마스킹 제거 후 감광코팅층을 제거하는 단계에서 감광코팅층 제거는 당업계에서 사용하는 일반적인 방법을 사용할 수 있으며, 특별히 한정하지는 않으나, 마스킹이 제거된 섬유형 유기태양전지를 다시 노광 후, 현상액을 통과시켜서 감광코팅층을 제거할 수 있으며 또는 스트리퍼(stripper)를 이용하여 제거할 수도 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 각 층을 형성시키는 단계는 당업계에서 일반적으로 사용하는 스퍼터링법, 기상증착법, 열증착법, 이온빔 어시스티드 증착법(IBAD), 습식 코팅법, 스프레이 코팅법, 딥 코팅법 등을 사용하여 형성시킬 수 있으며, 특별히 한정하지는 않으나, 스프레이 코팅(spray coating) 또는 딥 코팅(dip-coating)으로 형성시키는 것이 바람직하다.
그리고, 각 층을 형성하는 물질은 각 층에 대하여 앞서 설명한 바와 같다.
본 발명의 광섬유형 유기태양전지는 형태적 특징상 유연성(flexible) 한계가 거의 없는 바, 직물, 의류 등에 적용이 가능하며, 또한, 유기태양전지 자체를 지하 매설도 가능하기 때문에 좁은 공간에 대용량 태양광 발전 시설 가능한 바, 기존의 유기태양전지 보다 응용분야를 크게 확대시킬 수 있을 것으로 판단된다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 자세하게 설명을 한다. 그러나, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것을 아니다.
[ 실시예 ]
고립형 코어- 시스 형태의 광섬유형 유기태양전지의 제조
실시예 1
(1) 폴리카보네이트(제조사:LG PC, 상품명:1300-07) 을 방사하여 필라멘트사 형태의 투명한 광투과 섬유(광투과도 90%, 평균직경 700 ㎛)를 제조하였다.
(2) 다음으로 상기 광투과 섬유를 스퍼터(Sputter, Alpha Plus)를 이용하여 ITO 투명전극을 증착하였다. ITO 층(정공주입층)의 두께는 0.25 ㎛정도로 형성되었으며 저항은 100 Ω/sq 이하로 측정이 되었다. 이때 상기 스퍼터를 이용한 증착 공정은 RF 건을 이용하여 200W로 아르곤 분위기에서 300 초간 증착 후 100℃에서 열처리를 수행하여 정공주입층을 형성시켰다.
(3)다음으로 PEDOT:PSS을 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO)와 혼합하여 정공수송용액을 제조한 다음, 상기 정공수송 용액을 상기 정공주입층의 표면 상에 스프레이 코팅(spray coating)시킨 다음 이를 오븐(Oven)을 이용하여 120℃로 20분 동안 열처리하여 정공수송층(광투과 섬유->정공주입층->정공수송층)을 형성(평균두께 0.35 ㎛)시켰다. 이때 상기 스프레이 코팅은 상온(26℃)에서 수행을 하였으며, 점도를 낮추기 위해 이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol)을 용매로 첨가하여 점도를 4,500 cp로 하여 코팅을 진행하였다.
(4)다음으로 P3HT:PCBM(전자추출층:광활성층)를 1:1.5 중량비로 1,2-디클로로벤젠 용액 200 ㎖ 에 넣고 교반시켜서 전자추출 용액을 제조한 다음, 상기 정공수송층 표면에 스프레이 코팅시킨 다음, 오븐에서 70℃로 1시간 동안 건조시켜서, 전자추출층(평균두께 0.3 ㎛)을 형성시켰다(광투과 섬유->정공주입층->정공수송층->전자추출층).
(5) 다음으로 산화아연(ZnO)은 징크아세테이트(Zinc acetate) 40g을 에틸알코올(ethyl alcohol) 200 ㎖ 에 넣고 충분히 교반한 후, 히드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose) 0.2g 및 리튬히드록사이드(lithuim hydroxide) 0.1g을 천천히 첨가한 후, 헥산(hexane)을 100 ㎖ 이용하여 산화아연 입자를 형성시킨 다음 원심분리기를 이용하여 불순물을 제거 및 졸-겔(Sol-gel)화시켜서 광활성 용액을 제조하였다. 그리고, 제조한 광활성 용액을 상기 전자추출층 표면에 스프레이 코팅시킨 다음, 오븐에서 100℃로 30분 동안 소성(Sintering)시켜서 광활성층(평균두께 0.12 ㎛)을 형성시켰다(광투과 섬유->정공주입층->정공수송층->전자추출층->광활성층).
(6) 은(Ag) 나노페이스트(Fine paste, 평균입경 200 nm) 및 이소프로필 알코올(Iso-propyl Alcohol)을 혼합하여 용액 전체 중량 중 은 나노페이스트 30 중량%를 포함하는 전자주입용액을 제조한 후, 스프레이 코팅(Spray coating) 및 건조를 한 후 UV 경화를 실시하여, 상기 광투과 섬유의 표면 전체에 전자주입층(평균두께 0.2㎛)을 형성시켰다. 이때 상기 스프레이 코팅은 상온실시 후 열풍 건조 70℃에서 15분간 용매를 제거 한 후 120 mJ의 UV 수은 램프에 광경화를 수행하였다.
위와 같은 방법을 수행하여, 광투과 섬유->정공주입층->정공수송층->전자추출층->광활성층->전자주입층을 포함하는 고립형 코어-시스 형태의 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 광활성 용액 제조시, 산화아연(ZnO) 외에 카드뮴 텔루라이드(CdTe)를 더 첨가하였으며, 광활성 용액 전체 중량 상기 CdTe가 0.2 중량%가 되도록 하여, 고립형 코어-시스 형태의 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 전자추출용액 제조시, P3HT:PCBM 외에 카드뮴 텔루라이드(CdTe)를 더 첨가하였으며, 전자추출용액 전체 중량 상기 CdTe가 0.2 중량%가 되도록 하여, 고립형 코어-시스 형태의 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, ITO 투명전극 대신하여 단일벽 나노튜브(SWCNT, 평균직경 1.3 ~ 1.5 nm, bundle size 20 ~ 30 nm, 순도 90% 이상) 사용하여 정공주입용액을 제조하되, 용액 전체 중량 중 단일벽 탄소나노튜브 20 중량%를 포함하도록 하였으며, 상기 SWCNT를 분산을 위한 분산제로서 소디움 도데실설페이트(sodium dodecylsulfate)를 0.1 중량%가 되도록 정공주입용액에 첨가하였으며, 이를 이용하여 정공주입층을 형성시켜서, 고립형 코어-시스 형태의 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 정공주입층->정공수송층->전자추출층->광활성층->전자주입층 각각의 평균두께가 0.4㎛, 0.8㎛, 0.5㎛, 0.2㎛ 및 0.5㎛가 되도록 제조하였다.
실시예 6
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 정공주입층->정공수송층->전자추출층->광활성층->전자주입층 각각의 평균두께가 0.15㎛, 1㎛, 0.7㎛, 0.4㎛ 및 0.2㎛가 되도록 제조하였다.
개방형 코어- 시스 형태의 광섬유형 유기태양전지의 제조
실시예 7
폴리카보네이트(제조사:LG PC, 상품명:1300-07) 을 방사하여 필라멘트사 형태의 투명한 광투과 섬유(광투과도 90%, 평균직경 1,000 ㎛)를 제조하였다. 다음으로 상기 광투과 섬유를 길이 20mm로 절단한 다음, 광투과 섬유 표면의 반을 마스킹 테이프(제조사: 서경T&F, 상품명:내열마스킹 테이프)로 접착한 후, 마스킹 되지 않은 한쪽 면만 스퍼터를 이용하여 약 0.2 ㎛ 두께의 ITO 전극(정공주입층)을 형성시켰다.
이후 공정에서도 마스크를 유지한 채 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행을 하였으며, 전자주입층을 형성 시킨 후, 마스크 테이프를 제거하여 개방형 코어-시스 형태의 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
실시예 8
폴리카보네이트(제조사:LG PC, 상품명:1300-07)을 방사하여 필라멘트사 형태의 투명한 광투과 섬유(광투과도 90%, 평균직경 1,000 ㎛)를 제조하였다.
다음으로 포지티브 포토레지스트(positive Photo resist)법을 사용하여 상기 광투과 섬유 전체를 감광액으로 코팅한 다음, 코팅 표면의 50%를 마스킹한 후, 356 nm 파장의 UV 빛에 노광을 시켰다.
다음으로 현상액을 통과시켜서 비-마스킹(non-masking)된 표면의 노광부를 제거한 다음, 100℃에서 10 분간 베이킹(baking) 작업 후, 비-노광부만 스퍼터를 이용하여 약 0.2 ㎛ 두께의 ITO 전극(정공주입층)을 형성시켰다.
이후 공정에서도 노광된 감광액을 유지한 채 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행을 하였으며, 전자주입층을 형성시켰다. 다음으로 마스킹을 제거한 다음, 스트리퍼(Stripper)를 이용하여 남아있는 감광코팅층을 제거하여 개방형 코어-시스 형태의 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 정공주입층의 평균두께가 10 ㎛(광투과 섬유 두께의 1.43% 정도)가 되도록 하여 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 정공수송층의 평균두께가 15 ㎛(광투과 섬유 두께의 2.14% 정도)가 되도록 하여 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 정공수송층의 평균두께가 0.005 ㎛(광투과 섬유 두께의 0.00071% 정도)가 되도록 하여 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
비교예 4
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 전자추출층의 평균두께가 0.03 ㎛(광투과 섬유 두께의 0.0043% 정도)가 되도록 하여 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
비교예 5
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 광활성층의 평균두께가 0.006 ㎛(광투과 섬유 두께의 0.00086% 정도)가 되도록 하여 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
비교예 6
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 전자주입층의 평균두께가 0.006 ㎛(광투과 섬유 두께의 0.00086% 정도)가 되도록 하여 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
비교예 7
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 전자주입층의 평균두께가 12 ㎛(광투과 섬유 두께의 1.71% 정도)가 되도록 하여 광섬유형 유기태양전지를 제조하였다.
실험예 1: 에너지(광) 변환 효율 분석
상기 실시예 1 ~ 6에서 제조한 유기태양전지의 전압대비 전류밀도를 전류-전압 계측기(Keithley 2400)를 이용하여 측정하였으며, 그 VOC, Jsc, 필드팩터(FF) 및 에너지 변환효율(PCE) 결과는 AM 1.5광원에서 솔라시뮬레이터(Oriel ABA)로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 Voc Jsc FF PCE
실시예 1 0.43 0.88 30.9 0.23
실시예 2 0.48 0.91 30.7 0.27
실시예 3 0.43 0.94 29.4 0.24
실시예 4 0.46 0.92 31.8 0.27
실시예 5 0.48 0.95 30.2 0.28
실시예 6 0.48 1.01 34.4 0.33
실시예 7 0.49 0.99 36.4 0.36
실시예 8 0.47 1.04 41.2 0.40
비교예 1 0.43 0.62 30.6 0.16
비교예 2 0.33 0.62 34.4 0.14
비교예 3 0.15 0.13 20.5 0.01
비교예 4 0.27 0.49 33.4 0.09
비교예 5 0.34 0.60 32.3 0.13
비교예 6 0.22 0.27 26.3 0.03
비교예 7 0.39 0.53 36.5 0.15
* VOC(Open circuit voltage): 그래프에서 x 절편을 나타낸 값으로 전류값이 0이 되는 전압
* Jsc(short circuit current): 전압값이 0이 되었을 때의 전류값
* 필드팩터(Fill factor, 이하 FF): 가장 넓은 사각형을 그래프 안에 그렸을 때 그 넓이
* 에너지 변환효율(power conversion efficiency, PCE):Fill factor 에 Jsc×Voc를 계산한 값
상기 비교예 1 및 비교예 2의 경우, 에너지 변환효율이 낮은데, 이는 정공주입층 및/또는 정공수송층의 두께가 너무 두껍기 때문에 전공이 이동하는 거리가 길어져 순간적으로 재결합이 발생하여 에너지 변환효율이 낮은 것으로 판단된다.
그리고, 비교예 3의 경우, 정공수송층의 두께가 너무 얇아서 타 전극간의 전기적 쇼트가 발생하여 효율 측정 등 성능이 나오지 않는 문제가 있었다.
또한, 비교예 4의 경우, 전자추출층의 두께가 너무 얇은 경우 전자정공을 생성시킬 수 있는 면적이 작아서 에너지 변환 효율이 낮게 나오는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 비교예 5의 경우, 광활성층의 두께가 너무 얇아서 막에 핀홀이 발생하여 소자의 전기적 쇼트 발생으로 인해 효율 측정 등 성능이 나오지 않는 문제가 있었다
비교예 6의 경우, 전자주입층의 두께가 너무 얇아서 저항이 증가하여 광전 변환 효율 수치가 낮게 나오는 것을 확인할 수 있었으며, 비교예 7의 경우, 전자주입층의 두께가 너무 두꺼워서 표면에 크랙이 발생하였다.
그러나, 비교예와 비교하여 본 발명이 제시하는 고립형태의 광섬유형 유기태양전지(실시예 1 ~ 6) 및 개방형태의 광섬유형 유기태양전지(실시예 7 ~ 8)의 경우, 에너지 변환효율(PCE) 값이 0.2 이상으로 높은 것을 확인할 수 있었다.
이와 같은 새로운 형태의 본 발명의 섬유형 유기태양전지는 우수한 에너지 변화효율을 갖으면서도 기존의 유기태양전지와 달리 유연성 한계가 없는 바, 기존 유기태양전지로는 불가능했던 직물, 의류 등의 다양한 제품으로 태양전지의 용도를 확대시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Claims (22)

  1. 광투과 섬유; 정공주입층; 정공수송층; 전자추출층; 광활성층; 및 전자주입층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    빛 투과 방향으로부터 광투과 섬유-정공주입층-정공수송층-전자추출층-광활성층-전자주입층 순으로 적층;된 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광섬유형 유기태양전지는
    코어-시스(core-sheath)형으로서, 개방형 코어-시스 또는 고립형 코어-시스인 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광투과 섬유는
    폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에틸렌나프탈렌(PEN), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리프로필렌(PP), 폴리사이클로헥실렌 설파이드(PPS), 폴리아크릴레이트(PAR), 폴리아릴레이트, 폴리이미드(PI), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(CAP) 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC, Tri-Acetyl Cellulose) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 정공주입층은
    탄소나노튜브, 그래핀, 은 나노와이어, 은 분말, 구리 나노와이어, 구리 분말, 산화인듐주석(ITO), 산화인듐아연(IZO), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 불소 도핑 산화주석(FTO, fluorine-doped tin oxide), 안티몬 도핑 산화주석(ATO, antimony-doped tin oxide) 및 알루미늄 도핑 산화아연(AZO, aluminum-doped Zinc oxide) 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전도성 물질;
    에틸셀룰로오스, 카보닐 메틸 셀롤로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 소디움 도데실 설페이트 및 폴리에틸렌 글리콜 중에서 선택된 1종 이상의 고분자 수지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기 태양전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 정공수송층은
    PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린, 폴리디페닐, 아세틸렌, 폴리 (t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, Cu-PC(커퍼-프탈로시아닌) 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 및 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 정공수송물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전자추출층은
    P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), MEH-PPV(poly-[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-3(3',7'-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene]), PFDTBT(poly((2,7-(9,9-dioctyl)-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2,ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benxothiadiazole)] ), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌 및 폴리피리딘 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 전자공여체; 및
    풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)), C71-PCBM, C84-PCBM, 카드뮴셀레나이드(CdSe) 나노입자, 카드뮬 설파이드(CdS)나노 입자, 징크 셀레나이드(ZnSe) 나노입자, 징크 설파이드(ZnS) 나노입자, 탄소나노튜브, 탄소나노로드, PBI(polybenzimidazole) 및 PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole) 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 전자수용체;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전자추출층은
    카드뮴 텔루라이드(CdTe), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 카드뮴 설파이드(CdS), 리드 설파이드 (PbS), 리드 셀레나이드(PbSe), 리드 텔루라이드 (PbTe), 커퍼 인듐 설파이드 (CuInS2), 커퍼 인듐 셀레나이드 (CuInSe2), 인듐 포스파이드 (InP), 커퍼 설파이드 (CuS2), 커퍼 인듐 갈륨 설파이드 (Cu(InGa)S2) 및 커퍼 갈륨 셀레나이드 (CuGaSe2) 중에서 선택된 1종 이상의 양자점(quantum dot) 물질;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광활성층은
    산화아연(ZnO) 및 산화티타늄(TiOx) 중에서 선택된 1종 이상의 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 광활성층은
    카드뮴 텔루라이드(CdTe), 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 카드뮴 설파이드(CdS), 리드 설파이드 (PbS), 리드 셀레나이드(PbSe), 리드 텔루라이드 (PbTe), 커퍼 인듐 설파이드 (CuInS2), 커퍼 인듐 셀레나이드 (CuInSe2), 인듐 포스파이드 (InP), 커퍼 설파이드 (CuS2), 커퍼 인듐 갈륨 설파이드 (Cu(InGa)S2) 및 커퍼 갈륨 셀레나이드 (CuGaSe2) 중에서 선택된 1종 이상의 양자점 물질;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전자주입층은 은(Ag), 구리(Cu), 금(Ag), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 리튬(Li) 및 세슘(Cs) 중에서 선택된 1종 이상의 전자주입물질;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  13. 제1항에 있어서, 상기 정공주입층의 평균두께는
    상기 광투과 섬유의 평균두께의 0.001 ~ 1%인 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  14. 제1항에 있어서, 상기 정공수송층의 평균두께는
    상기 광투과 섬유의 평균두께의 0.001 ~ 1%인 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  15. 제1항에 있어서, 상기 정공추출층의 평균두께는
    상기 광투과 섬유의 평균두께의 0.005 ~ 1%인 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  16. 제1항에 있어서, 상기 광활성층의 평균두께는
    상기 광투과 섬유의 평균두께의 0.0001 ~ 0.1%인 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  17. 제1항에 있어서, 상기 전자주입층의 평균두께는
    상기 광투과 섬유의 평균두께의 0.001 ~ 1%인 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  18. 제1항에 있어서, 상기 광투과 섬유는 광투과도(Total Transmittance)가 80 ~ 95%인 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  19. 방적사 또는 필라멘트사 형태의 광투과 섬유를 제조하는 단계;
    광투과 섬유의 전체 표면에 정공주입층을 형성시키는 단계;
    광투과 섬유와 정공주입층의 접촉면 반대 측면에 정공수송층을 형성시키는 단계;
    상기 정공주입층과 정공수송층의 접촉면 반대 측면에 전자추출층을 형성시키는 단계;
    상기 정공수송층과 전차추출층의 접촉면 반대 측면에 광활성층을 형성시키는 단계; 및
    상기 전자추출층과 광활성층의 접촉면 반대 측면에 전자주입층을 형성시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지의 제조방법.
  20. 방적사 또는 필라멘트사 형태의 광투과 섬유를 제조하는 단계;
    상기 광투과 섬유의 일부 표면을 마스킹(masking)시키는 단계;
    광투과 섬유의 마스킹되지 않은 표면 또는 전체 표면에 정공주입층을 형성시키는 단계;
    광투과 섬유와 정공주입층의 접촉면 반대 측면에 정공수송층을 형성시키는 단계;
    상기 정공주입층과 정공수송층의 접촉면 반대 측면에 전자추출층을 형성시키는 단계;
    상기 정공수송층과 전차추출층의 접촉면 반대 측면에 광활성층을 형성시키는 단계;
    상기 전자추출층과 광활성층의 접촉면 반대 측면에 전자주입층을 형성시키는 단계; 및
    마스킹된 부분을 제거하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지의 제조방법.
  21. 제1항 내지 제18항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서, 상기 광섬유형 유기태양전지는 필라멘트사(filament yarn) 형태인 것을 특징으로 하는 광섬유형 유기태양전지.
  22. 제1항 내지 제18항 중에서 선택된 어느 한 항의 광섬유형 유기태양전지를 포함하는 직물.



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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104465842A (zh) * 2014-12-18 2015-03-25 广西大学 一种线状可弯曲太阳能电池及其制备方法
CN113066947A (zh) * 2021-03-16 2021-07-02 中国科学院半导体研究所 一种钙钛矿薄膜的制备方法及钙钛矿led

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