KR20140090740A - 정렬된 패턴을 포함하는 광활성층을 구비한 유기태양전지 단위소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베이스 기판 및 상기 베이스 기판 상에 형성된 제1 전극층을 포함하는 투명 기판, 상기 제1 전극층 상에 형성되고 하기 광활성층에서 발생된 양전하를 상기 제1 전극층으로 유도하는 도전성 유기물로 이루어진 양전하 이동층, 상기 양전하 이동층 상에 형성되고, 제1 전극층에 인접하고 복수의 음각부가 형성된 제1 광활성 물질 패턴 및 상기 제1 광활성 물질 패턴의 음각부에 충진 되어 상기 제1 광활성 물질 패턴을 덮도록 형성된 제2 광활성 물질 패턴을 포함하는 광활성층, 및 상기 광활성층 상에 형성된 제2 전극층을 포함하는 유기태양전지 단위소자를 제공한다.

Description

정렬된 패턴을 포함하는 광활성층을 구비한 유기태양전지 단위소자 {ORGANIC PHOTOVOLTAIC UNIT CELL COMPRISING PHOTOACTIVE LAYER WITH ORDERED PATTERN}

본 기술은 태양전지 제조 분야의 기술로서, 더욱 상세하게는 유기물 기반의 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 기술이다.

현재, 기존의 단결정 실리콘 태양전지의 높은 제조원가를 개선하기 위한 다양한 시도들이 진행되고 있다. 다결정 실리콘, 무정형 실리콘, CIGS 등의 박막형 태양전지와 염료감응형 태양전지 및 유기태양전지 등이 그 중의 하나이다. 특히, 유기태양전지의 경우, 투명전극과 양극 사이에 도너형과 억셉터형 유기반도체 재료를 광활성층으로 이용하는데, 유기재료의 특성상 분자구조를 자유자재로 변형할 수 있다는 장점으로 인해 고효율 신규 재료의 개발가능성이 매우 높고, 이를 통해 보다 우수한 효율의 유기태양전지를 제조할 수 있을 것으로 기대되어 그 관심이 커지고 있다. 더욱이, 유기태양전지의 경우, 단순한 소자구조로 인해 제조공정이 간단하고 모듈화가 용이하며, 단위소자와 모듈간의 에너지 손실이 적으며, 흡광 계수가 높아서 100 nm의 얇은 두께의 박막에서도 50%이상의 빛을 흡수할 수 있는 장점이 있다.

그러나 전술한 유기태양전지의 장점에도 불구하고 유기태양전지 분야는 실리콘 기반의 태양전지나 염료 감응형 태양전지에 비하여 낮은 효율로 인하여 아직 극 초기의 시장을 형성하고 있고, 다양한 효율 개선 기술이 연구되고 있음에도 뚜렷한 개선을 이루고 있지 못한 실정이다. 또한, 벌크헤테로정션 유기태양전지의 경우, 도너 물질과 억셉터 물질의 나노 모폴로지 특성 저하로 인하여 Bi-layer 구조의 유기태양전지에 비하여 상대적으로 낮은 광전변환 효율을 나타낸다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 발명으로서, 광활성층의 나노 모폴로지 특성이 향상된 유기태양전지 단위소자를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 유기태양전지 단위소자의 광활성층을 효율적이면서 정밀하게 제조할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자는 도너 물질 및 억셉터 물질의 벌크헤테로정션 층으로 이루어진 적어도 하나의 광활성층을 포함하는 유기태양전지 단위소자로서, 상기 광활성층은 정렬된 패턴 구조를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자는 베이스 기판 및 상기 베이스 기판 상에 형성된 제1 전극층을 포함하는 투명 기판, 상기 제1 전극층 상에 형성되고 하기 광활성층에서 발생된 양전하를 상기 제1 전극층으로 유도하는 도전성 유기물로 이루어진 양전하 이동층, 상기 양전하 이동층 상에 형성되고, 제1 전극층에 인접하고 복수의 음각부가 형성된 제1 광활성 물질 패턴 및 상기 제1 광활성 물질 패턴의 음각부에 충진 되어 상기 제1 광활성 물질 패턴을 덮도록 형성된 제2 광활성 물질 패턴을 포함하는 광활성층, 및 상기 광활성층 상에 형성된 제2 전극층을 포함한다.

상기 제1 광활성 물질 패턴 및 제2 광활성 물질 패턴은 각각 서로 대응하여 체결 될 수 있는 핑거 타입의 형상을 가질 수 있으며, 상기 제1 광활성 물질 패턴 및 제2 광활성 물질 패턴은 규칙적으로 반복되는 단위 패턴들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 광활성 물질 및 제2 광활성 물질은 모두 유기물일 수 있고, 상기 제1 광활성 물질은 도너 물질일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 제조 방법은 베이스 기판 및 상기 베이스 기판 상에 형성된 제1 전극층을 포함하는 투명 기판을 준비하는 단계, 제1 전극층 상에 제1 광활성 물질을 도포하여 제1 광활성 물질층을 형성하는 단계, 상기 제1 광활성 물질층에 레이저 광을 조사하여 복수의 음각부를 포함하는 패턴을 형성하는 단계, 제2 광활성 물질을, 상기 음각부가 충진되도록 상기 제1 광활성 물질층 상에 도포하여 패턴화된 제2 광활성층을 형성하는 단계, 및 상기 제2 광활성층 상에 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 제1 광활성 물질 및 제2 광활성 물질은 유기물일 수 있다.

본 발명에 따른 유기태양전지 단위소자의 광활성층은 규칙적으로 정렬된 패턴구조를 가짐으로써 광활성층의 나노 모폴로지 특성이 향상되고, 나아가 엑시톤 분리효율 및 전하의 이동 효율이 개선되어 궁극적으로 소자의 효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 광활성층의 정렬된 패턴구조를 레이저 패터닝에 의하여 형성함으로써 미세한 나노 패턴 구조들을 정밀하게 그리고 효율적으로 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자를 개념적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴화된 광활성층을 형성하는 방법을 개념적으로 보여주기 위한 단계별 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지 모듈의 제조방법을 자세하게 설명하도록 한다. 그러나 하기 설명들은 본 발명에 대한 예시적인 기재일 뿐, 하기 설명에 의하여 본 발명의 기술사상이 국한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상은 후술할 청구범위에 의하여 정해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자를 개념적으로 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 유기태양전지 단위소자(100)는 투명 기판 (110), 상기 투명 기판(110) 상에 형성된 제1 전극층(120), 상기 제1 전극층 상에 형성된 양전하 이동층(130), 상기 양전하 이동층(130) 상에 형성된 광활성층(140) 및 상기 광활성층(140) 상에 형성된 제2 전극층(150)을 포함한다. 상기 유기태양전지 단위소자(100)는 상기 투명 기판(110)으로 유입되는 외부 태양광(L)을 공급받아 전류를 발생시킨다. 전하의 발생은 상기 광활성층(1401)에서 엑시톤의 분리에 의하여 이루어진다.

상기 제1 전극층(120)는 상기 베이스 기판(110) 상에 형성되며, 베이스 기판(110)의 전면 또는 일부 영역에 패턴으로 형성될 수 있다. 제1 전극층(120)의 재료로서 PEDOT:PSS 등의 전도성 고분자, ITO 등의 전도성 산화물 등을 사용할 수 있으나, 투명성, 면 저항, 기판과의 친화성 등을 고려할 때 ITO를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 제1 전극층(120)는 베이스 기판(110) 상에 도전성 물질을 스퍼터링 등의 증착 방식으로 형성될 수 있고, 경우에 따라서는 용액상의 전도성 물질을 정전 스프레이(electrospray)에 의하여 막으로 형성될 수 있다.

제1 양전하 이동층(130)은 제1 전극층(120) 상에 형성된다. 제1 양전하 이동층(130)은 정전기 방지 및 생성된 정공(hole)을 제1 전극층(120)으로 용이하게 수송 또는 유도하는 정공 수송의 역할을 할 수 있다. 본 실시예에서 제1 양전하 이동층(130)은 전도성 고분자로서 PEDOT:PSS가 사용되었으나 이에 제한은 없고, 이 외에도 CuPc(copper phthalocyanine) 등을 사용할 수 있다. 제1 양전하 이동층(130)은 스핀코팅 등의 방식으로 제1 전극층(120) 상에 도포한 후, 베이킹(baking) 공정을 거쳐 형성될 수 있다. 상기 제1 양전하 이동층(130)은 제1 전극층(120)의 일부 영역이 노출되도록 형성된다.

광활성층(140)은 제1 양전하 이동층(130) 상에 형성된다. 광활성층(140)은 P3HT 또는 P3HT 유도체 및, PCBM 또는 PCBM 유도체 등의 광활성 유기물을 포함하며, 상기 광활성 유기물은 블레이드 코팅 방식 등 다양한 방식에 의하여 코팅 된 후 건조 과정을 거쳐 형성된다. 이와 다르게 유기물의 코팅은 슬롯-다이, 정전 스프레이, 스핀 코팅, 바 코팅 등 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 유기물의 코팅은 롤투롤(roll-to-roll) 장비를 이용하여 연속적으로 이루어질 수도 있다. 상기 광활성 유기물로서는, 공지된 다양한 도너(donor) 재료 및 억셉터(acceptor) 재료들의 혼합물을 사용할 수 있고, 경우에 따라서는 2종 이상의 도너 재료 또는 2종의 이상의 억셉터 재료가 사용될 수 있다. 또한, 상기 광활성 유기물은 반도체 입자, 금속 입자, 기타 다양한 유기, 무기 첨가제들을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 형성된 광활성층(140)은 P3HT 또는 P3HT의 유도체 및, PCBM 또는 PCBM 유도체의 벌크헤테로정션(Bulk HeteroJunction; BHJ)을 이룬다. 후술하겠으나, 상기 광활성층(140)의 도너 재료와 억셉터 재료는 정렬된 패턴 구조를 갖도록 설계된다.

제2 전극층(150)은 광활성층(140) 상에 형성된다. 제2 전극층(150)은 도전성 재료를 열기상증착(thermal evaporation) 등의 방식으로 증착함으로써 형성될 수 있다. 본 실시예에서 상기 도전성 재료로는 Al이 사용되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 도전성 재료로서, Mg 등의 금속 또는 전술한 PEDOT:PSS 등의 유기물 함유 재료를 사용할 수도 있다.

또한, 도시하지는 않았으나, 상기 광활성층(140)과 제2 전극층(150) 사이에는 전자의 이동을 강화하기 위하여 BCP 등의 물질로 이루어진 전자 수송층이 더 포함될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자를 개념적으로 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 유기태양전지 단위소자(200)는 투명 기판 (210), 상기 투명 기판(210) 상에 형성된 제1 전극층(220), 상기 제1 전극층 상에 형성된 양전하 이동층(230), 상기 양전하 이동층(230) 상에 형성된 광활성층(240), 상기 광활성층(240) 상에 형성된 전자 수송층(250) 및 상기 전자 수송층(250) 상에 형성된 제2 전극층(260)을 포함한다.

상기 광활성층(240)은 양전하 이동층(230)에 인접한 제1 광활성 물질 패턴(242) 및 상기 제1 광활성 물질(242) 패턴 상에 형성된 제2 광활성 물질 패턴(244)을 포함한다. 상기 제1 광활성 물질 패턴(242)에는 복수의 음각부(245)들을 포함한다. 상기 제2 광활성 물질 패턴(244)은 상기 음각부 내에 충진 되도록 상기 제1 광활성 물질 패턴 전면(全面)에 형성되어 있다.

따라서, 상기 제1 광활성 물질 패턴(242) 및 제2 광활성 물질 패턴(244)은 서로 대응하여 체결된 단면 구조를 가지며, 본 실시예에서 상기 제1 광활성 물질 패턴(242) 및 제2 광활성 물질 패턴(244)는 핑거(finger) 타입의 단면 구조를 갖는다. 본 실시예에서, 상기 제1 광활성 물질 패턴(242)을 이루는 제1 광활성 물질은 도너 물질이며, 상기 제2 광활성 물질 패턴(244)을 이루는 제2 광활성 물질은 억셉터 물질이다. 또한, 도너 및 억셉터 물질 모두 유기물일 수 있다. 상기 광활성층(240)은 이처럼 도너 물질과 억셉터 물질의 패턴 구조를 포함함으로써 접촉 면적의 증가에 따른 엑시톤 분리효율의 증가가 이루어질 수 있다.

또한, 상기 제1 광활성 물질 패턴(242) 및 제2 광활성 물질 패턴(244)은 광활성층(240) 내부의 모폴로지 특성 증가를 위하여 도 2에서 보는 바와 같이 규칙적으로 반복되는 패턴 구조를 갖는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴화된 광활성층을 형성하는 방법을 개념적으로 보여주기 위한 단계별 단면도이다.

도 3을 참조하면, 광활성층(340)을 형성하기 위해서는 우선, 투명 기판(310) 상에 ITO 등을 증착하여 제1 전극층(320)을 형성하고, 상기 제1 전극층(310) 상에는 PEDOT:PSS 등의 도전성 물질을 도포한 후 건조하여 양전하 이동층(330)을 형성한다. 상기 양전하 이동층(330) 상에는 제1 광활성 물질을 코팅함으로써 제1 광활성 물질층(342을 형성한다(S1).

상기 제1 광활성 물질층(342)은 레이저 광 조상에 의한 레이저 패터닝 방식에 의하여 복수의 음각부(342)를 갖는 제1 광활성 물질 패턴(344)으로 가공된다(S2). 상기 제1 광활성 물질 패턴(344)의 형태는 구체적으로 사용되는 레이저 광(S)의 종류, 이동 경로, 광 조사 시간, 레이저 광원과 제1 광활성 물질층(342)과의 간격 등 다양한 설계 인자에 의하여 조절될 수 있다. 따라서 요구되는 광활성층(340)의 특성을 고려하여 패터닝을 위한 레이저 광의 운용 적절히 설계할 필요가 있다.

상기 음각부(345)를 구비한 상기 제1 광활성 물질 패턴(344) 상에는 제2 광활성 물질을 도포하고 경화함으로써 제2 광활성 물질 패턴(346)이 형성된다. 상기 제2 광활성 패턴(346)은 상기 음각부(345)가 충진 되도록 상기 제1 광활성 물질 패턴(344) 상에 코팅되는 것이므로, 상기 제2 광활성 물질 패턴(346)의 형태는 제1 광활성 물질 패턴(344)의 형태에 따라 종속적으로 결정된다.

Claims (8)

1. 도너 물질 및 억셉터 물질의 벌크헤테로정션 층으로 이루어진 적어도 하나의 광활성층을 포함하는 유기태양전지 단위소자(unit cell)에 있어서,
   상기 광활성층은 정렬된 패턴 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 단위소자.
   
2. 베이스 기판 및 상기 베이스 기판 상에 형성된 제1 전극층을 포함하는 투명 기판;
   상기 제1 전극층 상에 형성되고 하기 광활성층에서 발생된 양전하를 상기 제1 전극층으로 유도하는 도전성 유기물로 이루어진 양전하 이동층;
   상기 양전하 이동층 상에 형성되고, 제1 전극층에 인접하고 복수의 음각부가 형성된 제1 광활성 물질 패턴 및 상기 제1 광활성 물질 패턴의 음각부에 충진 되어 상기 제1 광활성 물질 패턴을 덮도록 형성된 제2 광활성 물질 패턴을 포함하는 광활성층; 및
   상기 광활성층 상에 형성된 제2 전극층을 포함하는 유기태양전지 단위소자.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 광활성 물질 패턴 및 제2 광활성 물질 패턴은 각각 서로 대응하여 체결 될 수 있는 핑거 타입의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 단위소자.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 제1 광활성 물질 패턴 및 제2 광활성 물질 패턴은 규칙적으로 반복되는 단위 패턴들을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 단위소자.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 제1 광활성 물질 및 제2 광활성 물질은 유기물인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 단위소자.
   
6. 제2항에 있어서,
   상기 제1 광활성 물질은 도너 물질인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 단위소자.
   
7. 베이스 기판 및 상기 베이스 기판 상에 형성된 제1 전극층을 포함하는 투명 기판을 준비하는 단계;
   제1 전극층 상에 제1 광활성 물질을 도포하여 제1 광활성 물질층을 형성하는 단계;
   상기 제1 광활성 물질층에 레이저 광을 조사하여 복수의 음각부를 포함하는 패턴을 형성하는 단계;
   제2 광활성 물질을, 상기 음각부가 충진되도록 상기 제1 광활성 물질층 상에 도포하여 패턴화된 제2 광활성층을 형성하는 단계; 및
   상기 제2 광활성층 상에 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 유기태양전지 단위소자의 제조방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 광활성 물질 및 제2 광활성 물질은 유기물인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 단위소자의 제조방법.

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