KR20140093310A - 금속 산화물 입자를 포함하는 광활성층을 구비한 유기태양전지 단위소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 금속산화물 입자를 포함하는 유기태양전지 단위소자는 도너 물질 및 억셉터 물질의 벌크헤테로정션 층으로 이루어진 적어도 하나의 광활성층을 포함하는 유기태양전지 단위소자(unit cell)에 있어서, 상기 광활성층에 도달된 외부 광이 상기 광활성층 내부에서 적어도 두 개의 서로 다른 방향의 광경로를 갖는다.
Description
본 기술은 유기 반도체 물질 및 이를 포함하는 유기 전자 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기태양전지에 관한 기술이다.
급등하는 에너지 소비량과 에너지원의 한정적인 매장량으로 인하여, 연료비의 급등과 에너지원의 고갈의 문제는 더 이상 방관할 수 없는 상태에 이르렀다. 또한 이와 더불어서 이산화탄소 배출에 대한 각국의 규제가 더욱 강화되고 있다. 이러한 문제점들에 대한 대책으로서 청정하고 자원고갈의 문제가 없는 태양력, 풍력, 수력 등의 재생 가능하고 무한에 가까운 자연에너지에 대한 연구가 더욱 활발히 이루어지고 있다. 특히 장소, 위치 등에 크게 제약이 없는 태양력을 이용하기 위한 연구가 크게 각광을 받고 있다.
태양력을 에너지원으로서 이용하는 방법 중, 현재 가장 활발한 연구가 이루어지고 있는 것은 태양전지이다. 태양전지는 광전효과(photovoltaic effect)를 이용하여 태양광을 전기로 변환시키는 반도체 소자로, 실리콘 또는 화합물 반도체 등의 무기 반도체 재료를 이용한 태양전지는 이미 시판되어 사용되고 있다. 또한 최근에는 고분자 수지 등의 유기물을 이용한 유기태양전지도 연구되고 있다.
기존의 단결정 실리콘 태양전지의 높은 원가를 개선하기 위해 제안된 다양한 태양전지 중에서, 특히 유기태양전지는 광활성층의 물질을 유기 재료로 사용하는 태양전지로서, 유기재료의 특성상 분자구조를 자유롭게 변형할 수 있어 고효율의 신규 재료의 개발 가능성이 높다. 또한 단순한 소자구조로 되어 있어 제조공정이 간단하고 모듈화가 용이하며, 단위소자와 모듈간의 에너지 손실이 적고, 흡광 계수가 높아서 100nm의 매우 얇은 박막에서도 50% 이상의 빛을 흡수할 수 있다. 이 외에도 저렴한 가격, 재료의 유연성 등의 장점을 갖는 유기 재료를 이용하여 활발히 연구가 진행되고 있으나, 기존의 무기 재료를 이용한 태양전지에 비해 효율이 크게 떨어진다는 단점이 있어, 아직 실용화를 이루고 있지 못하고 있다.
유기태양전지의 광변환효율은 입사된 광을 전기에너지로 변환하는 것으로, 입사된 광이 광활성층 내의 유기 물질을 여기시켜 전자와 정공이 불안정하게 결합된 형태인 엑시톤(exciton)을 형성하고, 이 전자와 정공이 각각 도너(donor)층과 억셉트(accept)층을 통과하여 전극까지 이동하여 전기에너지로 전환되는 효율을 말한다.
유기태양전지용 재료로서는 크게 도너인 p-형 유기반도체 재료와 억셉터인 n-형 유기반도체 재료로 구분될 수 있다. p-형 유기반도체 재료는 빛이 흡수되어 생성된 엑시톤(exciton)이 형성되면 n-형 유기 반도체 재료와의 접합부(junction)에서 정공(hole)과 전자(electron)로 분리되어 전자를 잘 제공할 수 있는 도너이다. n-형 유기반도체 재료는 억셉터로 환원되어 전자를 잘 받아들일 수 있는 재료를 말한다. 다양한 도너 및 억셉터 재료들이 보고되고 있으나, P3HT/PCBM 또는 PCPDTBT/PCBM 등을 제외하고는 3% 이상의 효율을 기대하기 어려운 실정이다.
본 발명은 이러한 실정을 감안한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 유기태양전지 소자보다 광흡수율 및 광전류 변환효율이 증가된 유기태양전지 단위소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속산화물 입자를 포함하는 유기태양전지 단위소자는 도너 물질 및 억셉터 물질의 벌크헤테로정션 층으로 이루어진 적어도 하나의 광활성층을 포함하는 유기태양전지 단위소자(unit cell)에 있어서, 상기 광활성층에 도달된 외부 광이 상기 광활성층 내부에서 적어도 두 개의 서로 다른 방향의 광경로를 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 금속산화물 입자를 포함하는 유기태양전지 단위소자는 도너 물질 및 억셉터 물질의 벌크헤테로정션 층으로 이루어진 적어도 하나의 광활성층을 포함하는 유기태양전지 단위소자에 있어서, 투명 기판, 상기 투명 기판 상의 적어도 일 영역에 형성된 투명 전극층, 상기 투명 전극층 상에 형성되고 상기 광활성층에서 발생된 양전하를 상기 투명 전극층으로 유도하는 양전하 이동층, 상기 양전하 이동층 상에 형성되고, 광 산란재(散亂材)를 포함하는 상기 광활성층, 및 상기 광활성층 상에 형성된 대응 전극층을 포함한다.
상기 도너 물질은 사이오펜(thiophene)계 화합물을 포함하는 고분자 및 그 유도체를 포함하고, 상기 억셉터 물질은 플러렌(fullerene) 유도체인 n-형 화합물을 포함할 수 있다.
상기 광 산란재는 산화알루미늄, 산화아연, 산화티타늄, 및 산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속산화물 나노입자이고, 상기 금속산화물 나노입자의 평균입경은 1 내지 20 nm일 수 있다.
상기 대응 전극층은 Ag, Al, Ni, Cu, Pt, Pd, Rh 또는 Mg 등의 금속 또는 전도성 고분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속산화물 나노입자를 포함하는 유기태양전지 단위소자는 높은 산란효과를 갖는 나노입자로 인해 광활성 유효면적이 증가되어 광흡수층에서의 광흡수율을 향상시켜 유기태양전지의 효율이 증대될 수 있다.
또한 증대 효율에 비하여 낮은 단가의 재료를 사용하고, 제조가 간단한 용액공정을 사용하므로 전체 비용을 줄일 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 광활성층을 확대하여 도시한 단면확대도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 전기적 특성을 측정한 I-V 곡선 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 광활성층을 확대하여 도시한 단면확대도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 전기적 특성을 측정한 I-V 곡선 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 금속산화물 나노입자를 포함하는 유기태양전지 단위소자의 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 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속산화물 나노입자를 포함하는 유기태양전지 단위소자(100)를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자(100)는 투명 기판(110), 투명 전극층(120), 양전하 이동층(130), 광활성층(140) 및 대응 전극층(150)을 포함한다. 또한, 입사광(L)은 투명 기판(110) 측으로부터 입사된다. 입사광(L)은 광활성층(140)까지 도달하여 전자-정공쌍으로 이루어진 엑시톤(exiton)을 형성시킨다. 상기 엑시톤은 전자 및 전자로 분리된 후, 각각 음극과 양극으로 전류를 발생시키게 된다. 유기태양전지 등에 사용되는 유기반도체 재료들은 기본적으로 매우 높은 흡광계수를 갖고 있는데, 이로 인해 약 100nm의 박막으로도 빛을 흡수하여 엑시톤을 형성하는 효율은 50% 정도로 높다.
투명 기판(110)으로는 기존에 사용하던 기판 중 유리, 석영, 또는 PET(Poly Ethylene Terephthlate), PES(Polyethersulphone), PC(Polycarbonate), PI(Polyimide), PEN(Polyethylene Naphthalate), PAR(Polyarylate) 등의 플라스틱 등 투명한 기판 중 어느 것을 사용할 수 있으나, 가시광선 영역에서의 높은 투과도 및 10Ω/□ 이하의 면저항을 갖고, 공정의 용이성 및 완성된 소자의 광변환효율 면을 고려하여 본 실시예에서는 유리기판을 사용한다.
투명 전극층(120)은 투명기판(110) 상에 형성되며, 투명 기판(110)의 전면 또는 일부 영역에 패턴으로 형성될 수 있다. 투명 전극층(120)의 재료로서 전도성 고분자, ZnO, SnO, ITO 등의 전도성 산화물 등을 사용할 수 있으나, 투명성, 면 저항, 기판과의 친화성 등을 고려할 때 ITO를 사용하는 것이 바람직하다. 투명 전극층(120)은 투명 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.
양전하 이동층(130)은 투명 전극(120) 상에 형성된다. 양전하 이동층(130)은 정전기 방지 및 생성된 정공(hole)을 투명전극으로 용이하게 수송하도록 하는 정공 수송의 역할을 할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자에는 양전하 이동층(130)은 전도성 고분자로서 PEDOT:PSS가 사용되었으나 이에 제한은 없고, 이 외에도 CuPc(copper phthalocyanine) 등을 사용할 수 있다. 양전하 이동층(130)은 스핀코팅 등의 방식으로 투명 전극층(120) 상에 도포한 후, 베이킹(baking) 공정을 거쳐 형성될 수 있다. 양전하 이동층(130)은 투명 금속층(120)의 일부 영역이 노출되도록 형성되는 것이 바람직하다.
광활성층(140)은 양전하 이동층(130) 상에 형성된다. 광활성층(140)은 광활성 유기물을 포함하며, 상기 광활성 유기물은 블레이드 코팅 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 롤두롤(roll-ro-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 도너재료 또는 2종의 이상의 억셉터 재료가 사용될 수 있다. 상기 도너 물질은 사이오펜(thiophene)계 화합물을 포함하는 고분자 및 그 유도체를 포함하고, 상기 억셉터 물질은 플러렌 유도체를 사용할 수 있다. 또한, 상기 광활성 유기물은 반도체 입자, 금속 입자, 기타 다양한 유기, 무기 첨가제들을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자에 형성된 광활성층(140)은 P3HT 또는 P3HT의 유도체 및, PCBM 또는 PCBM 유도체의 벌크헤테로정션(Bulk HeteroJunction; BHJ)을 이룬다.
그러나, P3HT 또는 P3HT의 유도체 및, PCBM 또는 PCBM 유도체의 벌크헤테로정션을 형성하는 것만으로는 광흡수 효율의 향상을 크게 기대하기 어려우므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 광활성층(140)은 금속산화물 나노입자를 포함할 수 있다. 상기 금속산화물 나노입자는 산화알루미늄, 산화아연, 산화티타늄, 또는 산화주석 등의 금속산화물로 이루어진 나노입자를 말한다. 공정의 용이성 및 비용들을 고려하여 산화알루미늄의 나노입자를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 금속산화물 나노입자가 포함된 광활성층(140)은 뒤에서 자세하게 설명하기로 한다.
대응 전극층(150)은 광활성층(140) 상에 형성된다. 대응 전극층(140)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, Ag, Ni, Cu, Pt, Pd, Rh, Mg 등의 금속 또는 전술한 전도성 고분자 재료를 사용할 수도 있다. 또한, 대응 전극층(150)이 형성된 후에는, 140? 내지 160?의 온도 범위 하에서 상기 유기태양전지 단위소자(100)를 열처리함으로써 추가적으로 개선할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 광활성층(240)을 확대하여 도시한 단면확대도이다.
도 2를 참조하면, 광활성층(240)은 광활성 유기물(242) 내에 광 산란재(244)가 분산된 형태로 포함된다. 광활성 유기물(242)은 위에서 서술한 것과 같이 P3HT 또는 P3HT 유도체 및, PCBM 또는 PCBM 유도체 등을 사용할 수 있다. 광활성 유기물(242)에 대한 설명은 위해서 서술하였으므로, 중복을 피하기 위하여 생략하기로 한다. 광활성 유기물(242)은 P3HT 또는 P3HT 유도체 및, PCBM 또는 PCBM 유도체가 혼합된 용액을 사용한다. 광활성 유기물(242)이 포함된 상기 용액이 양전하 이동층(도 1의 130) 상에 도포되기 전에 광 산란재(244)를 혼합한다. 광 산란재(244)로는 산화알루미늄, 산화아연, 산화티타늄, 또는 산화주석 등의 금속산화물 나노입자를 사용할 수 있고, 산란효과 등을 고려하여 산화알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다. 광 산란재(244)의 크기는 1 내지 20nm인 것이 바람직하다. 광 산란재(244)의 크기가 1nm 미만일 경우에는, 광 산란재(244)가 광활성 유기물(242) 상에 충분히 분산되지 않을 우려가 있다. 반면, 광 산란재(244)의 크기가 20nm를 초과할 경우, 전기저항을 증가시키고 광흡수를 오히려 저해하여 광효율을 떨어뜨릴 우려가 있다.
광 산란재(242)가 혼합된 광활성 유기물(242)으로 이루어진 벌크헤테로정션 구조로 외부 광(L1)이 입사되면, 광 산란재(242)의 산란효과로 인해 광활성층(240) 내에서의 광 이동경로가 증가하게 된다. 그 결과 광활성층(240)에서의 광흡수율이 향상된다. 즉, 외부 광(L1)이 광활성층(240)을 그대로 투과하는 것이 아니라, 광 산란재(242)에 의하여 내부 산란광(L2)이 발생하게 되고, 이러한 현상이 반복되어 광활성층(240) 내에 입사광이 체류하는 시간이 길어져 광흡수율이 향상되는 것이다. 광활성층(240)에서의 향상된 광흡수율은 유기태양전지 소자의 최종 광전류 변환 효율을 증가시키므로 단락전류밀도(Jsc, short circuit current density)의 증가를 기대할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기태양전지 단위소자의 전기적 특성을 측정한 I-V 곡선 그래프이다.
도 3을 참조하면, 광 산란재로서 산화알루미늄을 도입했을 때(▲)와 첨가하지 않았을 때(■) 각각 측정한 I-V 곡선이다. 투명 전극이 형성되어 있는 기판 상에 양전하 이동층을 형성한 후, 산화알루미늄 10 중량%가 포함된 P3HT:PCBM 용액과 포함되지 않은 용액을 각각 4000rpm으로 스핀도포하여 금속전극을 형성한 후, 4-probe station으로 I-V 특성을 측정한다. 그 측정치를 표 1에 표시하였다. 이때, 금속산화물 나노입자의 도입으로 인한 광전류 변환 효율에서 10% 내외의 증가를 보이는 것을 알 수 있다.
| 첨가제 | VOC (V) | JSC (mA/㎠) | FF(%) | PCE(%) |
| 없음 | 0.66 | 9.1 | 62.4 | 3.8 |
| 10wt% Al2O3 |
0.66 | 9.5 | 66.5 | 4.2 |
광흡수 향상에 의한 광전류가 증가 외에도 Fill Factor(FF)의 증가는 첨가물의 효과가 전기저항에도 영향을 주고 있는 것으로 판단된다.
Claims (6)
- 도너 물질 및 억셉터 물질의 벌크헤테로정션 층으로 이루어진 적어도 하나의 광활성층을 포함하는 유기태양전지 단위소자(unit cell)에 있어서,
상기 광활성층에 도달된 외부 광이 상기 광활성층 내부에서 적어도 두 개의 서로 다른 방향의 광경로를 갖는 유기태양전지 단위소자.
- 도너 물질 및 억셉터 물질의 벌크헤테로정션 층으로 이루어진 적어도 하나의 광활성층을 포함하는 유기태양전지 단위소자에 있어서,
투명 기판;
상기 투명 기판 상의 적어도 일 영역에 형성된 투명 전극층;
상기 투명 전극층 상에 형성되고 상기 광활성층에서 발생된 양전하를 상기 투명 전극층으로 유도하는 양전하 이동층;
상기 양전하 이동층 상에 형성되고, 외부 광의 산란을 유도하는 광 산란재를 포함하는 상기 광활성층; 및
상기 광활성층 상에 형성된 대응 전극층을 포함하는 유기태양전지 단위소자.
- 제2항에 있어서,
상기 도너 물질은 사이오펜(thiophene)계 화합물을 포함하는 고분자 및 그 유도체를 포함하고, 상기 억셉터 물질은 플러렌(fullerene) 유도체 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 단위소자.
- 제2항에 있어서,
상기 광 산란재는 산화알루미늄, 산화아연, 산화티타늄, 및 산화주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속산화물 나노입자인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 단위소자.
- 제4항에 있어서,
상기 금속산화물 나노입자의 평균입경은 1 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 단위소자.
- 제2항에 있어서,
상기 대응 전극층은 Ag, Al, Ni, Cu, Pt, Pd, Rh 및 Mg으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 전도성 고분자인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 단위소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130002707A KR20140093310A (ko) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | 금속 산화물 입자를 포함하는 광활성층을 구비한 유기태양전지 단위소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020130002707A KR20140093310A (ko) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | 금속 산화물 입자를 포함하는 광활성층을 구비한 유기태양전지 단위소자 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20140093310A true KR20140093310A (ko) | 2014-07-28 |
Family
ID=51739521
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020130002707A KR20140093310A (ko) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | 금속 산화물 입자를 포함하는 광활성층을 구비한 유기태양전지 단위소자 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20140093310A (ko) |
-
2013
- 2013-01-09 KR KR1020130002707A patent/KR20140093310A/ko not_active Application Discontinuation
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