KR20140071986A - Organic solar cells comprising buffer layer with dispersed au nano particles and method the same - Google Patents

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Abstract

Disclosed are an organic solar cell including a buffer layer with dispersed Au nanoparticles and a manufacturing method thereof. The organic solar cell according to one embodiment of the present invention includes a first electrode, the buffer layer, a photoelectric conversion layer, and a second electrode which are successively laminated. The buffer layer is made of PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate). The buffer layer includes an Au nanoparticle layer which is formed by dispersing the Au nanoparticles on one surface or both surfaces of the buffer layer.

Description

금 나노입자가 분산되는 버퍼층을 포함하는 유기태양전지 및 그 제조방법{ORGANIC SOLAR CELLS COMPRISING BUFFER LAYER WITH DISPERSED AU NANO PARTICLES AND METHOD THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an organic solar cell including a buffer layer in which gold nanoparticles are dispersed, and a method of manufacturing the same. [0002]

본 발명은 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금 나노입자가 분산되는 버퍼층을 포함하는 유기태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an organic solar battery and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an organic solar battery including a buffer layer in which gold nanoparticles are dispersed, and a method of manufacturing the same.

유기태양전지는 유기반도체를 이용한 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 통해 전류를 발생시키는 태양전지의 일종이다. 광기전력 효과는 전자공여체(electron donor)와 전자수용체(electron acceptor) 물질의 접합구조로 이루어진 유기물질에 빛을 조사하였을 때, 전자공여체에서 전자-정공쌍이 형성되고 전자수용체로 전자가 이동함으로써 전자-정공으로 분리되어 전류의 형태로 흐르게 되는 효과를 말한다. Organic solar cells are a kind of solar cells that generate electric current through photovoltaic effect using organic semiconductors. The photovoltaic effect is a phenomenon in which when an organic material composed of a junction structure of an electron donor and an electron acceptor material is irradiated with light, electron-hole pairs are formed in the electron donor and electrons move to the electron acceptor, And is separated into holes and flowed in the form of current.

이러한 유기태양전지는 기존 무기계 태양전지에 비해 소재 비용의 대폭적인 절감이 가능하고, 소자 제작공정에 있어서도 유기물 자체의 손쉬운 가공성으로 인해 스핀 코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯, 미세 접촉 프린팅 법 등 저가의 박막 및 대면적 소자제작 방법을 응용할 수 있다. 또한, 롤투롤 공정 등에 의한 유연성 소자의 제작이 가능하므로, 값싼 공정 단가를 실현할 수 있어 유기태양전지에 대한 연구가 활발할 실정이다. Such an organic solar cell can significantly reduce the material cost compared to the conventional inorganic solar cell. In addition, since the organic material itself can be easily processed in the manufacturing process of the organic material, the organic solar cell can be manufactured at a low cost such as spin coating, screen printing, inkjet, Large-area device fabrication methods can be applied. In addition, since a flexible device can be manufactured by a roll-to-roll process or the like, an inexpensive process unit price can be realized, and research on organic solar cells is actively conducted.

그런데, 유기태양전지의 경우 무기계 태양전지에 비하여 에너지 변환효율이 상대적으로 낮다는 문제가 계속해서 지적되어 왔다. However, it has been pointed out that organic solar cells have a relatively low energy conversion efficiency as compared with inorganic solar cells.

유기태양전지의 에너지 변환효율을 제한하는 큰 문제 중의 하나는 유기물의 낮은 전하 이동도에 있는데, 이러한 문제를 해결하기 위하여 유기 고분자의 분자량을 높이고 불순물 혼입을 최소화하고 결정성을 향상시킴은 물론 소자 제작시 박막의 표면형상을 잘 제어하여 전하의 이동도를 향상시키는 노력들이 경주되고 있다. 또한, 각 전극에서 전하의 원활한 주입을 위하여 전극과 유기층 사이에 버퍼층을 첨가하여 전극과 유기물 계면 사이의 에너지 장벽을 낮춰주는 방법 들도 시도되고 있다.One of the major problems in limiting the energy conversion efficiency of organic solar cells is the low charge mobility of organic materials. In order to solve this problem, it is necessary to increase the molecular weight of the organic polymer, minimize the impurity incorporation and improve the crystallinity, Efforts have been made to improve the mobility of charges by well controlling the surface morphology of the thin films. Also, attempts have been made to lower the energy barrier between the electrode and the organic material interface by adding a buffer layer between the electrode and the organic layer in order to smoothly inject the charge at each electrode.

본 발명의 실시예들에서는 버퍼층에 금 나노입자를 분산시켜 에너지 변환 효율을 향상시킨 유기태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention provide an organic solar cell having improved energy conversion efficiency by dispersing gold nanoparticles in a buffer layer and a method of manufacturing the same.

본 발명의 일 측면에 따르면, 순차적으로 적층된 제1 전극, 버퍼층, 광전변환층 및 제2 전극을 포함하는 유기태양전지에 있어서, 상기 버퍼층은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate)로 이루어지며, 상기 버퍼층의 일면 또는 양면에 금 나노입자가 분산되어 형성되는 금 나노입자층을 구비하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an organic solar cell comprising sequentially stacked first electrodes, a buffer layer, a photoelectric conversion layer, and a second electrode, wherein the buffer layer is formed of PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene) and a gold nanoparticle layer formed by dispersing gold nanoparticles on one surface or both surfaces of the buffer layer. The present invention also provides an organic solar cell comprising the same.

또한, 상기 제1 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)로 제조되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지를 제공한다.Also, the first electrode may be made of indium tin oxide (ITO).

또한, 상기 광전변환층은 전자공여체로 PBDTTT-C(Polybenzo[1,2-b:4,5-b ]dithiophene Derivative)를 사용하고, 전자수여체로 PC60BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid hexylthiphene)을 사용하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지를 제공한다.Also, the photoelectric conversion layer was formed by using PC 60 BM ([6,6] -phenyl-1,4-dioxolane) as an electron donor by using PBDTTT-C (Polybenzo [ C 61 -butyric acid hexylthiophene) is used.

또한, 상기 제2 전극은 알루미늄(Al) 또는 상기 제1 전극보다 낮은 일함수를 갖는 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지를 제공한다.Also, the second electrode is made of aluminum (Al) or a metal having a work function lower than that of the first electrode.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 순차적으로 적층된 제1 전극, 버퍼층, 광전변환층 및 제2 전극을 포함하는 유기태양전지 제조방법에 있어서, PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate)로 이루어지는 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층의 일면 또는 양면에 금 나노입자를 분산시켜 금 나노입자층을 형성시키는 단계를 포함하는 유기태양전지 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating an organic solar cell including a sequentially stacked first electrode, a buffer layer, a photoelectric conversion layer, and a second electrode, sulfonate) is formed on the buffer layer; And dispersing gold nanoparticles on one surface or both surfaces of the buffer layer to form a gold nanoparticle layer.

본 발명의 실시예들에서는 버퍼층 일면 또는 양면에 금 나노입자를 분산시킴으로써, 유기태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.In the embodiments of the present invention, the energy conversion efficiency of the organic solar battery can be improved by dispersing the gold nanoparticles on one surface or both surfaces of the buffer layer.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 비교예 및 실시예의 전류밀도-전압(I-V) 특성 그래프이다.
도 4는 비교예 및 실시예의 임피던스 그래프이다.
도 5는 실시예 1,2에 대한 FE-SEM 이미지이다.
도 6은 비교예 및 실시예의 IPCE 그래프이다.1 and 2 are schematic cross-sectional views of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph of current density-voltage (IV) characteristics of Comparative Examples and Examples.
4 is an impedance graph of Comparative Examples and Examples.
5 is an FE-SEM image for the first and second embodiments.
6 is an IPCE graph of Comparative Examples and Examples.

이하, 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지(100)의 개략적인 단면도이다. 1 and 2 are schematic cross-sectional views of an organic solar cell 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 유기태양전지(100)는 순차적으로 적층된 제1 전극(110), 버퍼층(120), 광전변환층(130) 및 제2 전극(140)을 포함한다. 이하에서는 첨부된 도면을 기준으로 윗 방향을 "상부"라 지칭하고, 아랫 방향을 "하부"라 지칭하기로 한다.
1 and 2, an organic solar cell 100 includes a first electrode 110, a buffer layer 120, a photoelectric conversion layer 130, and a second electrode 140 which are sequentially stacked. Hereinafter, the upper direction will be referred to as "upper" and the lower direction will be referred to as "lower"

제1 전극(110), 버퍼층(120), 광전변환층(130) 및 제2 전극(140)은 기판(미도시) 상에 순차적으로 적층될 수 있으며, 상기 기판은 유리, PET(polyethyleneterephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polypropylene), PI(polyimide), PC(polycarbonate), PS(polystylene), POM(polyoxyethlene), TAC(Triacetyl cellulose)등의 투명성 물질로 제조될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. The first electrode 110, the buffer layer 120, the photoelectric conversion layer 130, and the second electrode 140 may be sequentially stacked on a substrate (not shown). The substrate may be formed of glass, polyethyleneterephthalate (PET) But are not limited to, transparent materials such as polyethylene naphthalate (PEN), polypropylene (PP), polyimide (PI), polycarbonate (PC), polystyrene (PS), polyoxyethlene (POM), and triacetyl cellulose Do not.

제1 전극(110)은 상기 기판 상부면에 도포되거나 코팅되는 것으로, 유기태양전지(100)에서 애노드(anode)의 역할을 수행한다. 제1 전극(110)은 제2 전극(140)에 비해 일함수가 큰 물질로써, 투명성 및 도전성을 갖는 임의의 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(110)은 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), AZO(aluminum doped zinc oxide), IZO(indium zinc oxide)등의 물질로 제조될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. The first electrode 110 is coated or coated on the upper surface of the substrate, and serves as an anode in the organic solar cell 100. The first electrode 110 may be made of any material having a higher work function than the second electrode 140 and having transparency and conductivity. For example, the first electrode 110 may be formed of a material such as indium tin oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (FTO), aluminum doped zinc oxide (AZO), or indium zinc oxide (IZO) It is not limited.

버퍼층(120)은 제1 전극(110) 상부면에 도포되거나 코팅되는 것으로, 제1 전극(110)과 광전변환층(130) 사이의 에너지 장벽을 낮춰주어 유기물의 전하 이동도를 높이는 기능을 수행한다. The buffer layer 120 is coated or coated on the upper surface of the first electrode 110 to lower the energy barrier between the first electrode 110 and the photoelectric conversion layer 130 to increase the charge mobility of the organic material do.

본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지(100)는 버퍼층(120)의 일면 또는 양면에 금 나노입자를 분산시키는 것을 특징으로 하며, 이에 대해서는 후술하기로 한다. 한편, 버퍼층(120)은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate)로 제조될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. The organic solar battery 100 according to an embodiment of the present invention is characterized in that gold nanoparticles are dispersed on one surface or both surfaces of the buffer layer 120, which will be described later. Meanwhile, the buffer layer 120 may be made of poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrene sulfonate), but not limited thereto.

광전변환층(130)은 외부로부터 입사되는 광을 광기전력 효과에 의해 전기로 변환시키는 역할을 수행하는 것으로, 유기반도체로 제조될 수 있다. 광전변환층(130)은 버퍼층(120) 상부면에 도포되거나 코팅되어 형성될 수 있다. 광전변환층(130)을 이루는 상기 유기반도체는 예를 들어, 전자공여체(electron doner)로 PBDTTT-C(Polybenzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene Derivative)를 사용하고, 전자수여체(electron acceptor)로 PC60BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid hexylthiphene)을 사용하여 제조될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. The photoelectric conversion layer 130 serves to convert light incident from the outside into electricity by the photovoltaic effect, and may be made of an organic semiconductor. The photoelectric conversion layer 130 may be applied or coated on the upper surface of the buffer layer 120. The organic semiconductor forming the photoelectric conversion layer 130 may be formed by using PBDTTT-C (polybenzo [1,2-b: 4,5-b '] dithiophene Derivative) as an electron donor, But not limited to, PC 60 BM ([6,6] -phenyl-C 61 -butyric acid hexylthiophene) as an electron acceptor.

예를 들면, 상기 전자공여체는 PBDTTT-C 이외에도 폴리-3-헥실티오펜(P3HT), PPV(poly(para-phenylene vinylene))계열 물질, PT(polythiophene) 유도체 등이 사용될 수 있으며, 상기 전자수여체는 PC60BM 이외에도 PC71BM 등의 다른 플러렌 유도체 등이 사용될 수 있다. For example, the electron donor may be poly-3-hexylthiophene (P3HT), poly (para-phenylene vinylene), PT (polythiophene) derivative or the like in addition to PBDTTT- In addition to the PC 60 BM, other fullerene derivatives such as PC 71 BM and the like may be used as the body.

제2 전극(140)은 광전변환층(130) 상부면에 도포되거나 코팅되는 것으로, 제1 전극(110)보다 낮은 일함수를 가진 알루미늄(Al), 칼슘(Ca)등의 물질로 제조될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. The second electrode 140 may be formed of a material such as aluminum (Al) or calcium (Ca) having a work function lower than that of the first electrode 110, which is coated or coated on the upper surface of the photoelectric conversion layer 130 But is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지(100)는 버퍼층(120)의 일면 또는 양면에 금 나노입자를 분산시킨 것을 특징으로 한다. 설명의 편의를 위하여 버퍼층(120)의 하부면에 분산되는 금 나노입자를 제1 금 나노입자(121)라고 칭하고, 버퍼층(120)의 상부면에 분산되는 금 나노입자를 제2 금 나노입자(122)라고 칭하기로 한다. The organic solar battery 100 according to an embodiment of the present invention is characterized in that gold nanoparticles are dispersed on one surface or both surfaces of a buffer layer 120. For convenience of explanation, gold nanoparticles dispersed on the lower surface of the buffer layer 120 are referred to as first gold nanoparticles 121 and gold nanoparticles dispersed on the upper surface of the buffer layer 120 are referred to as second gold nanoparticles 122).

상기와 같이, 버퍼층(120)의 일면 또는 양면에 금 나노입자를 분산시키는 경우에는, 표면 플라즈몬 공명 현상(SPR, Surface Plasmon Resonance)으로 인하여 태양광의 다양한 파장 중에서 특정 영역의 파장대의 빛을 증폭시키는 효과를 가져오므로 유기 태양전지(100)의 효율 증가를 가져올 수 있다. 이와 같은 표면 플라즈몬 공명 현상은 금(Au)과 같은 금속 나노 입자에 조사되는 빛과 상기 나노 입자간의 공명을 이용하여 특정 파장의 빛을 증폭시키는 현상을 의미한다. When the gold nanoparticles are dispersed on one surface or both surfaces of the buffer layer 120 as described above, the surface plasmon resonance (SPR) phenomenon can be used to amplify light in a specific wavelength region of various wavelengths of sunlight The efficiency of the organic solar cell 100 can be increased. The surface plasmon resonance phenomenon refers to a phenomenon of amplifying light of a specific wavelength using light irradiated to metal nanoparticles such as gold (Au) and resonance between the nanoparticles.

이 때, 상기 금 나노입자는 화학적으로 합성된 화합물 또는 상업적으로 판매되는 것을 입수하여 사용 가능하며, 상기 금 나노입자의 크기 및 농도는 한정되지 않는다. At this time, the gold nanoparticles may be chemically synthesized or commercially available, and the size and concentration of the gold nanoparticles are not limited.

한편, 상기 금 나노입자를 버퍼층(120)의 일면 또는 양면에 분산시키는 것은, 상기 금 나노입자가 버퍼층(120)을 구성하는 물질과 함께 블렌딩(blending) 된 후에 박막으로 형성됨을 의미하는 것이 아니고, 이미 형성된 버퍼층(120)의 일면 또는 양면에 상기 금 나노입자가 분산되는 것을 의미한다. Dispersing the gold nanoparticles on one surface or both surfaces of the buffer layer 120 does not mean that the gold nanoparticles are formed as a thin film after being blended with the material constituting the buffer layer 120, It means that the gold nanoparticles are dispersed on one surface or both surfaces of the buffer layer 120 already formed.

예를 들어, 버퍼층(120)을 구성하는 물질 및 상기 금 나노입자는 모두 용액 형태로 존재할 수 있다. 이 때, 버퍼층(120)을 구성하는 물질(예컨데, PEDOT:PSS) 용액에 상기 금 나노입자 용액을 첨가한 후에, 스핀코팅 등의 용액 공정을 통하여 박막(버퍼층)을 형성할 수 있다. 그런데, 이 경우에는 버퍼층(120)을 구성하는 물질이 첨가된 상기 금 나노입자 용액에 의해 영향을 받게 되므로, 형성된 버퍼층(120)의 농도 및 두께 등이 처음에 의도한 것과는 달라질 가능성이 크다는 문제가 있다. For example, the material that constitutes the buffer layer 120 and the gold nanoparticles may all be present in solution. At this time, the gold nanoparticle solution may be added to a solution (e.g., PEDOT: PSS) constituting the buffer layer 120, and then a thin film (buffer layer) may be formed through a solution process such as spin coating. In this case, since the gold nanoparticle solution to which the material constituting the buffer layer 120 is added is influenced by the gold nanoparticle solution, there is a problem that the concentration and thickness of the formed buffer layer 120 are likely to be different from those originally intended have.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지(100)에서는 이미 형성된 버퍼층(120)의 일면 또는 양면에 상기 금 나노입자를 분산시킴으로써, 상술한 문제점을 방지하는 것을 일 특징으로 한다. 형성된 버퍼층(120)의 일면 또는 양면에 상기 금 나노입자를 분산시키는 경우에는 버퍼층(120)의 표면에너지에 의해서 상기 금 나노입자의 뭉침현상(aggregation)이 일어나므로, 금 나노입자가 버퍼층(120)을 구성하는 물질과 함께 블렌딩 되는 경우보다 표면 플라즈마 공명 효과를 증대시킬 수 있다. 왜냐하면, 금 나노입자의 분산정도에 따라 파장대를 확장시키는 효과를 가져오기 때문이다.Therefore, in the organic solar battery 100 according to an embodiment of the present invention, the gold nanoparticles are dispersed on one surface or both surfaces of the buffer layer 120, thereby preventing the above-described problems. When the gold nanoparticles are dispersed on one surface or both surfaces of the buffer layer 120 formed, aggregation of the gold nanoparticles occurs due to the surface energy of the buffer layer 120, The surface plasmon resonance effect can be enhanced as compared with the case where the material is blended with the material constituting the surface plasmon resonance. This is because the effect of expanding the wavelength band depends on the degree of dispersion of gold nanoparticles.

보다 구체적으로, 상기 금 나노입자가 뭉쳐있는 간격에 따라 빛이 증폭되는 파장대가 보다 넓은 영역에 걸쳐서 일어날 수 있다. 뭉쳐있는 간격이 상대적으로 가까우면 단파장대에서, 뭉쳐있는 간격이 상대적으로 멀면 장파장대에서 빛의 증폭이 가능하다. 따라서, 금 나노입자가 버퍼층(120)을 구성하는 물질과 함께 블렌딩 되는 경우보다 태양전지의 효율을 높일 수 있다. 이와 관련해서는 후술할 시험예에서 보충 설명하도록 한다.More specifically, the wavelength band at which light is amplified may occur over a wider area depending on the interval at which the gold nanoparticles are aggregated. If the gaps are relatively close to each other, it is possible to amplify the light at a long wavelength band if the gaps between the gaps are relatively long. Therefore, the efficiency of the solar cell can be enhanced compared with the case where the gold nanoparticles are blended with the material constituting the buffer layer 120. In this regard, a supplementary explanation will be given in the following test examples.

상기 금 나노입자를 버퍼층(120)에 분산시키는 방법은 특정 방법으로 한정되는 것은 아니고, 공지의 분산 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 상기 금 나노입자는 스핀 코팅, 스프레이 코팅 등을 이용하여 버퍼층(120) 표면에 분산될 수 있다. 또한, 상기 금 나노입자의 크기 및 형태는 한정되지 않으며, 예를 들면, 금 나노입자는 10nm 내지 100nm의 크기로 다양한 형태를 가질 수 있다. 한편, 금 나노입자를 버퍼층(120)에 분산시킬 때에, 보다 원활한 분산을 위하여 이소프로필 알코올(IPA) 등과 같은 용제를 더 포함할 수 있다.The method of dispersing the gold nanoparticles in the buffer layer 120 is not limited to a specific method, but a known dispersion method can be used. For example, the gold nanoparticles may be dispersed on the surface of the buffer layer 120 using spin coating, spray coating, or the like. The size and shape of the gold nanoparticles are not limited. For example, the gold nanoparticles may have various sizes ranging from 10 nm to 100 nm. On the other hand, when the gold nanoparticles are dispersed in the buffer layer 120, a solvent such as isopropyl alcohol (IPA) may be further added for smooth dispersion.

이하에서는 본 발명의 시험예들을 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 하기의 시험예들은 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 예시된 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지 않음은 자명하다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to test examples of the present invention. It should be understood, however, that the following test examples are illustrative only to illustrate the present invention, and do not limit the scope of the present invention.

시험예Test Example

비교예Comparative Example 및  And 실시예Example 준비 Ready

시험을 위하여, 비교예 및 실시예에 해당하는 유기태양전지를 제작하고, 이를 하기 [표 1]과 같이 정리하였다.For the test, the organic solar cells corresponding to the comparative example and the example were fabricated and summarized as shown in Table 1 below.

유기태양전지의 구성
(제1 전극/버퍼층/광전변환층/제2 전극)Organic solar cell composition
(First electrode / buffer layer / photoelectric conversion layer / second electrode) 비고Remarks 비교예 1Comparative Example 1 ITO/PEDOT:PSS/ACTIVE/AlITO / PEDOT: PSS / ACTIVE / Al 금 나노입자 없음No gold nanoparticles 실시예 1Example 1 ITO/Au-NP(분산)/PEDOT:PSS/ACTIVE/AlITO / Au-NP (dispersion) / PEDOT: PSS / ACTIVE / Al 버퍼층 일면에 금 나노입자 분산Dispersion of gold nanoparticles on one side of the buffer layer 비교예 2Comparative Example 2 ITO/PEDOT:PSS+Au-NP(블렌딩)/ACTIVE/AlITO / PEDOT: PSS + Au-NP (blending) / ACTIVE / Al 버퍼층과 금 나노입자 블렌딩Buffer layer and gold nanoparticle blending 실시예 2Example 2 ITO/Au-NP(분산)/PEDOT:PSS/Au-NP(분산)/ACTIVE/AlITO / Au-NP (dispersion) / PEDOT: PSS / Au-NP (dispersion) / ACTIVE / Al 버퍼층 양면에 금 나노입자 분산Dispersing gold nanoparticles on both sides of the buffer layer

비교예 및 실시예에 해당하는 유기태양전지의 제작은 하기와 같이 이루어졌다. Organic solar cells corresponding to Comparative Examples and Examples were produced as follows.

(1) ITO 기판을 아세톤 및 이소프로필알코올을 이용하여 세정한 후, 표면을 친수성을 개질하기 위하여 UV-ozone cleaning 처리(90초)하였다. 다음으로, 세척된 상기 ITO 기판 상부에 PEDOT:PSS(Clevios P, CLEVIOSTM)를 스핀 코팅하여 버퍼층을 형성하였다. 이 때, 코팅을 위한 용액은 PEDOT:PSS에 이소프로필알코올을 1:2의 부피 비율로 혼합하였다. 스핀 코팅은 1000rpm의 acceleration speed 및 5000rpm의 spin speed로 40초간 수행되었다. 비교예 1의 경우 5000rpm/ 40sec/ 150℃/ 10min의 조건으로 열처리 하였으며, 비교예 2의 경우 PEDOT:PSS, 금 나노입자 및 이소프로필알콜을 1:1:1 비율로 혼합하였고 비교예 1과 마찬가지의 조건으로 열처리 하였다. 실시예 1,2의 경우에는 금 나노입자 및 이소프로필알콜을 1:1 비율로 혼합하였고 1000rpm/40sec (3회)/ 150℃/ 10min의 조건으로 열처리하였다. (1) After cleaning the ITO substrate with acetone and isopropyl alcohol, the surface was subjected to UV-ozone cleaning treatment (90 seconds) in order to modify the hydrophilic property. Next, PEDOT: PSS (Clevios P, CLEVIOSTM) was spin-coated on the cleaned ITO substrate to form a buffer layer. At this time, a solution for coating was prepared by mixing PEDOT: PSS and isopropyl alcohol in a volume ratio of 1: 2. Spin coating was carried out for 40 seconds at an acceleration speed of 1000 rpm and a spin speed of 5000 rpm. Comparative Example 1 was heat-treated under conditions of 5000 rpm / 40 sec / 150 ° C / 10 min. In Comparative Example 2, PEDOT: PSS, gold nanoparticles and isopropyl alcohol were mixed at a ratio of 1: Lt; / RTI > In the case of Examples 1 and 2, gold nanoparticles and isopropyl alcohol were mixed at a ratio of 1: 1 and heat-treated under conditions of 1000 rpm / 40 sec (3 times) / 150 ° C / 10 min.

(2) 다음으로, 스핀 코팅을 이용하여 광전변환층(광활성층)을 형성하였다. 구체적으로, PBDTT-C 및 PC60BM을 1:2의 중량비로 1ml의 디클로로벤젠(DCB)에 녹여서 제조하였다. 스핀 코팅은 300rpm의 acceleration speed 및 800rpm의 spin speed로 40초간 수행되었다.(2) Next, a photoelectric conversion layer (photoactive layer) was formed by spin coating. Specifically, PBDTT-C and PC 60 BM were prepared by dissolving 1 ml of dichlorobenzene (DCB) at a weight ratio of 1: 2. Spin coating was carried out for 40 seconds at an acceleration speed of 300 rpm and a spin speed of 800 rpm.

(3) 다음으로, 열 증착을 이용하여 Al을 증착하여 제2 전극을 형성하였다. 이 때, 공정 조건은 2.5E-6torr의 공정압력 하에서 6~7 Å/s의 속도이었으며, 형성된 제2 전극의 두께는 120nm이었다.
(3) Next, Al was deposited by thermal evaporation to form a second electrode. At this time, the process conditions were a rate of 6 ~ 7 Å / s under the process pressure of 2.5E-6 torr, and the thickness of the formed second electrode was 120 nm.

에너지 변환효율 측정Measurement of energy conversion efficiency

도 3은 비교예 및 실시예의 전류밀도-전압(I-V) 특성 그래프이다. 3 is a graph of current density-voltage (I-V) characteristics of Comparative Examples and Examples.

도 3을 참조하면, 비교예 및 실시예에 해당하는 유기태양전지에 대하여, 개방전압(Voc, open circuit voltage), 단락전류밀도(Jsc, short-circuit current density), 충진률(FF, fill factor) 및 에너지 변환 효율(Eff, conversion efficiency)을 측정하였다. 상기 측정은 제작된 유기태양전지를 솔라 시뮬레이터(Oriel 300W)를 이용하여 표준 조건(100mW/Cm2) 하에서 이루어졌다. 측정결과를 하기 표2에 정리하였다.Referring to FIG. 3, open circuit voltage (V oc ), short-circuit current density (J sc ), fill factor (FF, fill factor and Eff conversion efficiency were measured. The measurement was carried out under standard conditions (100 mW / cm 2 ) using a solar simulator (Oriel 300 W). The measurement results are summarized in Table 2 below.

개방전압
(VOC,V)Open-circuit voltage
(V OC , V) 단락전류
(JSCmA/cm2)Short-circuit current
(J SC mA / cm 2) 충진률
(FF,%)Filling rate
(FF,%) 션트저항
(Rsh,Ωcm2)Shunt Resistance
(R sh , Ωcm 2 ) 기생저항
(Rs,Ωcm2)Parasitic resistance
(R s , Ωcm 2 ) 에너지 변환 효율(%)Energy Conversion Efficiency (%) 비교예1Comparative Example 1 0.730.73 10.6210.62 0.600.60 485485 2.912.91 4.784.78 실시예1Example 1 0.730.73 11.3911.39 0.610.61 526526 1.861.86 5.155.15 비교예2Comparative Example 2 0.750.75 11.7311.73 0.560.56 504504 2.262.26 4.994.99 실시예2Example 2 0.730.73 11.7511.75 0.630.63 666666 1.531.53 5.525.52

도 3 및 표 2에서 확인되듯이, 금 나노입자를 버퍼층에 분산하는 경우(실시예 1,2)에는 그렇지 않은 경우(비교예 1)보다 에너지 변환 효율이 향상되는 것으로 나타났으며, 상기 에너지 변환 효율은 금 나노입자를 버퍼층과 블렌딩하는 경우(비교예 2)보다 향상되는 것으로 나타났다. As can be seen from FIG. 3 and Table 2, it was found that the energy conversion efficiency was improved when the gold nanoparticles were dispersed in the buffer layer (Examples 1 and 2) The efficiency was found to be better than when the gold nanoparticles were blended with the buffer layer (Comparative Example 2).

에너지 변환 효율은 개방전압, 단락전류 및 충진률의 곱으로 표현될 수 있다. 실시예 1,2가 비교예 1,2에 비해 에너지 변환효율이 높은 이유는 단락전류(Jsc) 및 충진률(FF)에서의 수치향상에 기인한다. 단락전류(Jsc)의 수치향상은 금 나노입자에 의한 플라즈몬 효과에 따른 광효율 증가에 기인한 것이고, 충진률(FF)의 수치향상은 션트저항(Rsh) 및 기생저항(Rs)에 기인한 것이다. 션트저항이 높을수록, 그리고 기생저항이 낮을수록 전류 흐름이 원활하게 이루어져 높은 전하 집적도를 가지게 될 수 있기 때문이다.
The energy conversion efficiency can be expressed as the product of the open-circuit voltage, the short-circuit current, and the fill factor. The reason that the energy conversion efficiency of Examples 1 and 2 is higher than that of Comparative Examples 1 and 2 is due to the numerical improvement in the short-circuit current (J sc ) and the filling factor (FF). Short-circuit current value increase of (J sc) will due to the light-efficiency-increase of the plasmon effect of the gold nanoparticles, the numerical increase of the fill rate (FF) is due to the shunt resistor (R sh) and the parasitic resistance (R s) It is. The higher the shunt resistance and the lower the parasitic resistance, the more smooth the current flow and the higher the charge density.

임피던스 분석Impedance Analysis

도 4는 비교예 및 실시예의 임피던스 분석 그래프이다. 도 4를 참조하면, potentiostat(EG&G 273A) 및 Frequency Response Analyzer(Solartron SI1260)를 사용하여 비교예 및 실시예에 대하여 임피던스 분석을 수행하였다. 임피던스 스펙트라는 10mV 레벨을 갖는 100kHz 내지 10mHz의 주파수 범위에서 획득되었다. 도 4의 그래프에서 x축은 실저항 값을 나타내고, y축은 허수 저항 값을 나타낸다. 4 is an impedance analysis graph of Comparative Examples and Examples. Referring to FIG. 4, impedance analysis was performed for comparative examples and examples using potentiostat (EG & G 273A) and Frequency Response Analyzer (Solartron SI1260). The impedance spectra were obtained in the frequency range of 100 kHz to 10 mHz with a 10 mV level. In the graph of FIG. 4, the x-axis represents the actual resistance value, and the y-axis represents the imaginary resistance value.

도 4에서 확인되듯이, 실시예 1,2의 경우가, 비교예 1,2의 경우보다 저항 값이 작게 나타남을 확인할 수 있다. 이는 실시예 1,2의 경우에 비교예들보다 전도도가 증가하므로, 보다 높은 에너지변환 효율이 나타날 수 있음을 보여준다.
As can be seen from FIG. 4, the resistance values of Examples 1 and 2 are smaller than those of Comparative Examples 1 and 2. This shows that in the case of Examples 1 and 2, since the conductivity is increased as compared with the comparative examples, a higher energy conversion efficiency can be obtained.

FEFE -- SEMSEM 이미지 분석 및  Image analysis and IPCEIPCE 분석 analysis

도 5는 실시예 1,2에 대한 FE-SEM(Field emission scanning electron microscope) 이미지이다. 이 때, 상기 FE-SEM(UHR FE-SEM, S-5500, Hitachi, Japan) 이미지는 5만배 및 20만배 배율로 촬영되었다. 도 5를 참조하면, 버퍼층의 일면 또는 양면에 금 나노입자를 분산시키는 경우에는 상기 이미지에서 확인되듯이, 표면 플라즈마 공명 현상 효과 증가에 기여하는 금 나노입자의 뭉침현상(aggregation)이 일어남을 알 수 있다.5 is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) image for the first and second embodiments. At this time, images of the FE-SEM (UHR FE-SEM, S-5500, Hitachi, Japan) were photographed at a magnification of 50,000 times and 200,000 times. Referring to FIG. 5, when gold nanoparticles are dispersed on one or both surfaces of the buffer layer, aggregation of gold nanoparticles that contribute to the increase of the surface plasmon resonance effect is observed as seen in the above image have.

도 6은 비교예 및 실시예의 IPCE(Incident Photon to electron Conversion Efficiency) 그래프이다. 도 6을 참조하면, 모든 파장대에서 실시예 1,2의 IPCE값이 비교예 1,2에 비해 높게 나타남을 확인할 수 있다. 이는 금 나노입자를 버퍼층에 분산하는 경우에 그렇지 않은 경우(금 나노입자를 버퍼층과 블렌딩)보다 에너지 변환 효율이 향상됨을 의미한다.6 is an IPCE (Incident Photon to Conversion Efficiency) graph of Comparative Examples and Examples. Referring to FIG. 6, it can be seen that the IPCE values of Examples 1 and 2 are higher than those of Comparative Examples 1 and 2 in all wavelength ranges. This means that the energy conversion efficiency is improved when the gold nanoparticles are dispersed in the buffer layer (the gold nanoparticles are blended with the buffer layer) otherwise.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit of the invention as set forth in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.

110: 제1 전극
120: 버퍼층
121: 제1 금 나노입자
122: 제2 금 나노입자
130: 광전변환층
140: 제2 전극110: first electrode
120: buffer layer
121: First gold nanoparticle
122: second gold nanoparticle
130: photoelectric conversion layer
140: Second electrode

Claims (5)

순차적으로 적층된 제1 전극, 버퍼층, 광전변환층 및 제2 전극을 포함하는 유기태양전지에 있어서,
상기 버퍼층은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate)로 이루어지며, 상기 버퍼층의 일면 또는 양면에 금 나노입자가 분산되어 형성되는 금 나노입자층을 구비하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.1. An organic solar cell comprising a first electrode, a buffer layer, a photoelectric conversion layer and a second electrode sequentially laminated,
Wherein the buffer layer comprises a gold nanoparticle layer formed of PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate) in which gold nanoparticles are dispersed on one surface or both surfaces of the buffer layer. battery. 제1항에 있어서,
상기 제1 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)로 제조되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the first electrode is made of indium tin oxide (ITO). 제1항에 있어서,
상기 광전변환층은 전자공여체로 PBDTTT-C(Polybenzo[1,2-b:4,5-b ]dithiophene Derivative)를 사용하고, 전자수여체로 PC60BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid hexylthiphene)을 사용하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method according to claim 1,
The photoelectric conversion layer is PBDTTT-C as an electron donor (Polybenzo [1,2-b: 4,5 -b] dithiophene Derivative) the use, e awarded body PC 60 BM ([6,6] -phenyl -C 61 -butyric acid hexylthiophene. 제1항에 있어서,
상기 제2 전극은 알루미늄(Al) 또는 상기 제1 전극보다 낮은 일함수를 갖는 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the second electrode is made of aluminum (Al) or a metal having a work function lower than that of the first electrode. 순차적으로 적층된 제1 전극, 버퍼층, 광전변환층 및 제2 전극을 포함하는 유기태양전지 제조방법에 있어서,
PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate)로 이루어지는 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 버퍼층의 일면 또는 양면에 금 나노입자를 분산시켜 금 나노입자층을 형성시키는 단계를 포함하는 유기태양전지 제조방법.1. A method of manufacturing an organic solar cell comprising a first electrode, a buffer layer, a photoelectric conversion layer and a second electrode sequentially laminated,
Forming a buffer layer made of PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate); And
And dispersing gold nanoparticles on one surface or both surfaces of the buffer layer to form a gold nanoparticle layer.
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