KR20140146006A - 유기태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20140146006A
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최정민
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조근
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Abstract

본 명세서는 유기태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

유기태양전지 및 이의 제조방법{ORGANIC PHOTOVOLTAIC CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 명세서는 2013년 6월 14일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2013-0068543호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 유기태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현재 주로 사용되고 있는 에너지원은 석유, 석탄, 가스이다. 이는 전체 사용되고 있는 에너지원의 80 %에 달한다. 그러나, 현재 석유 및 석탄 에너지 고갈 상태가 점차 큰 문제가 되고 있으며, 증가하는 이산화탄소와 다른 온실가스들의 공기 중으로의 배출은 점차 심각한 문제를 발생시키고 있다. 그에 반하여, 무공해 그린 에너지인 재생 에너지의 이용은 아직까지 전체 에너지원의 약 2% 밖에 되지 않는다. 그래서 에너지원의 문제 해결을 위한 고민들은 더욱더 신재생 에너지 개발 연구에 박차를 가하는 계기가 되고 있다. 바람, 물, 태양 등 신재생 에너지 중에서도 가장 관심을 받고 있는 것은 태양에너지이다. 태양에너지를 이용한 태양전지는 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반 영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
태양전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양전지와 유기 태양전지로 나뉠 수 있다. 전형적인 태양전지는 무기 반도체인 결정성 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 p-n 접합으로 만든 것이다. 빛을 흡수하여 생기는 전자와 정공은 p-n 접합점까지 확산되고 그 전계에 의하여 가속되어 전극으로 이동한다. 이 과정의 전력변환 효율은 외부 회로에 주어지는 전력과 태양전지에 들어간 태양전력의 비로 정의되며, 현재 표준화된 가상 태양 조사 조건으로 측정 시 24 %정도까지 달성되었다. 그러나 종래 무기 태양전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 한계를 보이고 있기 때문에, 가공이 쉬우며 저렴하고 다양한 기능성을 가지는 유기 태양전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
초기 유기태양전지는 미국 UCSB의 Heeger 교수 그룹에서 주도적으로 기술 개발을 이끌었다. 유기태양전지에 사용되는 단분자 유기물질 또는 고분자 재료는 쉽고, 빠르게 저가, 대면적 공정이 가능한 장점을 가지고 있다.
그러나, 현재까지의 연구에서는 아직 유기태양전지는 에너지 변환 효율이 낮은 단점이 있다. 그러므로 현 시점에서 다른 태양전지와의 경쟁력을 확보하기 위해서는 효율 향상이 매우 중요하다고 할 수 있다.
한국 공개공보: 2013-0090304
본 명세서는 유기태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시상태는 기판; 상기 기판 상에 구비된 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층; 및 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 구비된 전극 개질층을 포함하고, 상기 전극 개질층은 금속 산화물을 포함하는 층 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층으로 이루어진 2층 구조이며, 상기 금속 산화물을 포함하는 층 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층은 서로 접하여 구비되고, 상기 금속 산화물을 포함하는 층과 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층의 계면으로부터 상기 금속 산화물을 포함하는 층 전체 두께의 15 % 이하의 두께까지 상기 할로겐화 알칼리계 금속의 양이온이 확산되어 있는 유기태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 기판; 상기 기판 상에 구비된 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층; 및 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 구비된 전극 개질층을 포함하고, 상기 전극 개질층은 금속 산화물 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 단일층 구조인 유기태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 전극 개질층을 형성하는 단계; 상기 2층의 전극 개질층 상에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및 상기 유기물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전극 개질층은 금속 산화물을 포함하는 층 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층으로 이루어진 2층 구조이며, 상기 금속 산화물을 포함하는 층 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층은 서로 접하여 구비되고, 상기 금속 산화물을 포함하는 층과 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층의 계면으로부터 상기 금속 산화물을 포함하는 층 전체 두께의 15 % 이하의 두께까지 상기 할로겐화 알칼리계 금속의 양이온이 확산되어 있는 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 전극 개질층을 형성하는 단계; 상기 2층의 전극 개질층 상에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및 상기 유기물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전극 개질층은 할로겐화 알칼리계 금속 및 금속 산화물을 포함하는 단일층 구조인 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 전자 전달 능력이 우수하여, 광단락 전류밀도(Jsc)의 증가 및 효율의 상승을 구현할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 충전율(Fill Factor: FF)를 향상시켜 높은 효율을 구현할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 전극과 유기물층의 개면 접촉 특성을 개선할 수 있으며, 에너지 장벽 조절을 통해 전하 주입 장벽을 낮추어 전하 수집의 증가 및 전하의 재결합을 방지할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 제조시의 열처리 온도를 낮출 수 있으며, 이에 따라 공정 단가를 낮출 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 낮은 열처리 온도로 제조할 수 있으므로, 플라스틱 재질의 기판을 적용할 수 있는 장점이 있다.
도 1 내지 도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지의 적층 구조를 도시한 것이다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서의 일 실시상태는 기판; 상기 기판 상에 구비된 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층; 및 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 구비된 전극 개질층을 포함하고,
상기 전극 개질층은 금속 산화물을 포함하는 층 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층으로 이루어진 2층 구조이며,
상기 금속 산화물을 포함하는 층 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층은 서로 접하여 구비되고,
상기 금속 산화물을 포함하는 층과 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층의 계면으로부터 상기 금속 산화물을 포함하는 층 전체 두께의 15 % 이하의 두께까지 상기 할로겐화 알칼리계 금속의 양이온이 확산되어 있는 유기태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물을 포함하는 층과 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층의 계면으로부터 상기 금속 산화물을 포함하는 층 전체 두께의 10 % 이하의 두께까지 상기 할로겐화 알칼리계 금속의 양이온이 확산될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 상에 상기 금속 산화물을 포함하는 층이 구비되고, 상기 금속 산화물을 포함하는 층 상에 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층이 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 상에 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층이 구비되고, 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층 상에 상기 금속 산화물을 포함하는 층이 구비될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지의 적층 구조를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 1 및 도 2는 기판(101) 상에 제1 전극(201)이 구비되고, 상기 제1 전극(201) 상에 2층 구조의 전극 개질층으로서 금속 산화물을 포함하는 층(401) 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층(501)이 구비되며, 상기 전극 개질층 상에 광활성층(601)이 구비되고, 상기 광활성층 상에 제2 전극의 버퍼층(701)이 구비되며, 상기 제2 전극의 버퍼층(701) 상에 제2 전극이 구비된 적층 구조를 도시한 것이다. 다만, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 상기 도1 및 도2의 적층 구조에 한정되지 않으며, 추가의 층이 더 구비될 수 있다.
상기 금속 산화물을 포함하는 층은 상기 제1 전극의 특성을 개질하는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 제1 전극이 p형의 반도체 특성을 나타내는 경우, n형의 반도체 특성을 갖는 금속 산화물을 포함하는 층을 형성하여 제1 전극의 특성을 변화시킬 수 있다.
상기 금속 산화물을 포함하는 층이 없는 경우, p형의 반도체 특성을 가지는 투명 전극 상에 유기물층이 접하는 경우, 오믹 접합(ohmic contact)이 이루어지지 않아 유기태양전지의 효율 저하가 발생할 수 있다. 그러므로, 상기 금속 산화물을 포함하는 층은 투명전극과 유기물층 간에 전자흐름을 원활하게 할 수 있다. 다만, 금속 산화물을 포함하는 층만을 전극 개질층으로 사용하는 경우, n 타입 층으로서 성능이 낮다. 또한, 금속 산화물을 포함하는 층 상에 도포되는 유기물층과의 계면특성이 좋지 않아 유기태양전지의 충전 효율이 좋지 않으며, 박막의 두께 및 평탄화에 대한 제어가 곤란한 문제가 있다. 나아가, 상기 금속 산화물을 포함하는 층은 나노 구조의 생성을 위하여 고온으로 열처리를 하는 과정이 필요하므로 열에 약한 플라스틱 기판 등의 사용이 제한되는 문제가 있었다. 이에 본 발명자들은 금속 산화물을 포함하는 층의 열처리 온도를 낮추고도 높은 성능을 구현할 수 있는 유기태양전지를 개발하였다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 전극 개질층으로서 상기 금속 산화물을 포함하는 층에 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층을 더 구비하여 낮은 열처리를 하더라도 우수한 성능을 발휘할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 투명 전극과 금속 산화물 사이 또는 금속산화물과 광활성층 사이에 형성되는 다이폴(dipole)로 인한 전하 주입 장벽을 저하할 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층에 의한 알칼리계 금속의 도핑 효과가 발생하여, 전하의 수집 및 수송 특성이 개선되고 전하 밀도 증가를 구현할 수 있다.
상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층은 투명 전극 및/또는 금속산화물을 포함하는 층의 특성을 개질하는 역할을 할 수 있다. 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층은 유기물층과의 계면 장벽을 낮출 수 있으며, 저온 열처리에 의하여도 금속 산화물을 포함하는 층을 형성할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 금속 산화물을 포함하는 층만을 전극 개질층으로 사용하는 경우, 200 ℃ 이상의 고온 열처리 과정이 필요하였으나, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 150 ℃ 이하의 저온 열처리 과정으로도 상기 금속 산화물을 포함하는 층을 형성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 낮은 온도의 열처리로 인한 금속 산화물을 포함하는 층의 단점을 개선할 수 있으며, 이에 따라 다양한 종류의 기판을 적용할 수 있는 이점이 있다. 즉, 고온 적용이 곤란한 유연기판, 구체적으로 플라스틱 재질의 기판을 사용하여 유기태양전지를 제작할 수 있는 장점도 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 기판; 상기 기판 상에 구비된 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층; 및 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 구비된 전극 개질층을 포함하고,
상기 전극 개질층은 금속 산화물 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 단일층 구조인 유기태양전지를 제공한다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지의 적층 구조를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 3은 기판(101) 상에 제1 전극(201)이 구비되고, 상기 제1 전극(201) 상에 단일층 구조의 전극 개질층(801)이 구비되며, 상기 전극 개질층(801) 상에 광활성층(601)이 구비되고, 상기 광활성층 상에 제2 전극의 버퍼층(701)이 구비되며, 상기 제2 전극의 버퍼층(701) 상에 제2 전극이 구비된 적층 구조를 도시한 것이다. 다만, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 상기 도 3의 적층 구조에 한정되지 않으며, 추가의 층이 더 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 단일층 구조의 전극 개질층은 상기 금속 산화물의 양이온과 상기 할로겐화 알칼리계 금속의 양이온의 비율이 100:1 내지 10:2일 수 있다.
상기 단일층 구조의 전극 개질층을 포함하는 상기 유기태양전지는 전술한 상기 2층 구조의 전극 개질층을 포함하는 유기태양전지와 동일한 효과를 발휘할 수 있다. 즉, 상기 단일층 구조의 전극 개질층을 포함하는 상기 유기태양전지는 150 ℃ 이하의 저온 열처리 과정으로도 우수한 성능을 구현할 수 있다. 구체적으로, 상기 할로겐화 알칼리계 금속에 의하여 상기 전극 개질층의 전하 이동 능력이 상승할 수 있으며, 이에 따라 낮은 온도의 열처리 공정을 통하더라도 고전도성의 금속 산화물 구조가 상기 전극 개질층 내에 형성될 수 있다. 특히, 상기 단일층 구조의 전극 개질층의 경우 할로겐화 알칼리계 금속층을 구성하기 위해 증착 등의 건식 공정을 사용하지 않고 용액상에서 쉽게 구현이 가능하므로, 대면적화 하는 경우에 낮은 비용으로 구현 가능한 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 개질층은 상기 제1 전극에 접하여 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속산화물은 ZnO, TiOx NiO, RuO, V2O5, WOx, Cs2CO3, MoO3, ZrO2, Ta2O3, 및 MgO로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층은 층은 LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF2, MgF2, CaF2, SrF2, BaF2 및 RaF2로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물을 포함하는 층은 알칼리계 금속 이온으로 도핑될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물을 포함하는 층의 두께는 5 ㎚ 이상 200 ㎚ 이하일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물을 포함하는 층의 두께는 20 ㎚ 이상 60 ㎚ 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층의 두께는 0.1 ㎚ 이상 15 ㎚ 이하일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층의 두께는 1 ㎚ 이상 7 ㎚ 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 단일층 구조의 전극 개질층의 두께는 5 ㎚ 이상 200 ㎚ 이하일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 단일층 구조의 전극 개질층의 두께는 20 ㎚ 이상 60 ㎚ 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 개질층은 투명 전극 개질층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 투명전극일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극은 금속전극일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 투명전극이고, 상기 제2 전극은 금속전극일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 투명전극일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 금속전극이고, 상기 제2 전극은 투명전극일 수 있다.
본 명세서의 "투명"은 가시관선의 투과율이 50 % 이상인 것을 의미할 수 있다. 구체적으로, 상기 "투명"은 가시광선의 투과율이 75 % 이상 100 % 이하인 것을 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 투명전극은 투명 전도성 산화물층일 수 있다. 구체적으로, 상기 투명 전도성 산화물층은 유리 및 석영판 이외에 PET (polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polyperopylene), PI(polyimide), PC(polycarbornate), PS(polystylene), POM(polyoxyethlene), AS 수지 (acrylonitrile styrene copolymer), ABS 수지 (acrylonitrile butadiene styrene copolymer), TAC(Triacetyl cellulose) 및 PAR(polyarylate) 등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 기판 상에 도전성을 갖는 물질이 도핑된 것이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 투명 전도성 산화물층은 ITO(indium tin oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), AZO(aluminium doped zinc oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 ATO(antimony tin oxide) 등이 될 수 있으며, 보다 더 구체적으로 ITO일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 금(Au), 니켈(Ni) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다. 보다 더 구체적으로, 상기 금속전극은 은(Ag)일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 기판은 유리, 고분자 물질 및 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 기판은 투명기판일 수 있다. 구체적으로, 상기 투명기판은 소다회유리 또는 투명 플라스틱이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 기판은 플렉서블 기판일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 기판은 고분자 물질을 포함하는 플렉서블 기판일 수 있다. 구체적으로, 상기 기판은 플라스틱 재질의 기판일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고분자 물질은 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌(PP), 프로필렌 공중합체, 폴리(4-메틸-1-펜텐)(TPX), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리아세탈(POM), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리설폰(PSF), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리초산비닐(PVAC), 폴리비닐알콜(PVAL), 폴리비닐아세탈, 폴리스티렌(PS), AS수지, ABS수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 불소수지, 페놀수지(PF), 멜라민수지(MF), 우레아수지(UF), 불포화폴리에스테르(UP), 에폭시수지(EP), 디알릴프탈레이트수지(DAP), 폴리우레탄(PUR), 폴리아미드(PA), 실리콘수지(SI) 또는 이들의 혼합물 및 화합물을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2 전극은 캐소드일 수 있다. 또한, 상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 제2 전극은 애노드일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기태양전지는 인버티드 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 인버티드 구조는 기판 상에 구비된 제1 전극이 캐소드인 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기태양전지는 노말 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 노말 구조는 기판 상에 구비된 제1 전극이 애노드인 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기태양전지는 상기 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 구비된 제2 전극의 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극의 버퍼층은 금속전극과 광활성층 사이에 위치할 수 있으며, 상기 버퍼층은 금속전극과 광활성층 사이의 계면에너지를 제어하여 원활한 전하 흐름을 유도할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극의 버퍼층은 전도성 고분자 및/또는 금속산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전도성 고분자는 공액 고분자 물질, 유전체 고분자, 그라핀 탄소나노튜브 및 이들의 복합체 등이 가능하다. 구체적으로, 상기 공액 고분자 물질은 PEN(poly[(9,9-bis(30-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)]) 및 FPQ-Br(poly[9,9'-bis[6''-(N,N,N-trimethylammonium)hexyl]fluorene-co-alt-phenylene] dibromide) 등이 될 수 있다. 또한, 상기 유전체 고분자는 PEI(Polyethylenimine) 및 PEIE(polyethylenimine ethoxylated) 등이 될 수 있다. 또한, 상기 전도성 고분자는 프탈로시아닌 유도체, 나프탈로시아닌 유도체, 방향족 아민 화합물, 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT:PSS) 및 폴리아닐린(Polyaniline)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 제2 전극의 버퍼층에 포함되는 상기 금속 산화물은 V2O5, 및/또는 MoO3을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 벌크 이종 접합구조 또는 이중층 접합구조일 수 있다. 상기 벌크 이종 접합 구조는 벌크 헤테로정션(BHJ: bulk heterojunction) 접합형일 수 있으며, 상기 이중층 접합구조는 바이레이어(bi-layer) 접합형일 수 있다. 상기 바이레이어(bi-layer) p-n 접합형 광활성 단위는 p형 반도체 박막과 n형 반도체 박막의 두 개층으로 이루어진 광활성층을 포함한다. BHJ(bulk heterojunction) 접합형 광활성 단위는 n형 반도체와 p형 반도체가 블렌드된 광활성층을 포함한다.
본 명세서의 상기 광활성층은 광 여기에 의하여 p형 반도체가 전자와 정공이 쌍을 이룬 엑시톤(exciton)을 형성하고, 상기 엑시톤이 p-n 접합부에서 전자와 정공으로 분리된다. 분리된 전자와 정공은 n형 반도체 박막 및 p형 반도체 박막으로 각각 이동하고 이들이 각각 제1 전극과 제2 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
본 명세서의 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 광활성 물질로서, 전자주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함한다. 본 명세서에서 광활성 물질은 상기 전자주개 물질 및 상기 전자받개 물질을 의미할 수 있다.
상기 광활성층은 광 여기에 의하여 상기 전자주개 물질이 전자와 정공이 쌍을 이룬 엑시톤(exciton)을 형성하고, 상기 엑시톤이 전자주개/전자받개의 계면에서 전자와 정공으로 분리된다. 분리된 전자와 정공은 전자주개 물질 및 전자받개 물질로 각각 이동하고 이들이 각각 제1 전극과 제2 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비는 1:10 내지 10:1일 수 있다. 구체적으로 본 명세서의 상기 전자받개 물질과 전자 주개 물질의 질량비는 1: 0.5 내지 1: 5일 수 있다.
본 명세서의 상기 광활성층은 전자공여 물질 및 전자수용 물질이 BHJ(bulk heterojunction)을 형성할 수 있다. 본 명세서의 상기 광활성층은 상기 전자공여 물질 및 전자수용 물질이 혼합된 후에 특성을 최대화시키기 위하여 30 내지 300 ℃에서 1초 내지 24시간 동안 어닐링할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 적어도 1종의 전자주개 물질 및 적어도 1종의 전자받개 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 적어도 2종의 전자주개 물질 및 적어도 1종의 전자받개 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 적어도 1종의 전자주개 물질 및 적어도 2종의 전자받개 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자주개 물질은 적어도 한 종의 전자 공여체; 또는 적어도 한 종의 전자 수용체와 적어도 한 종의 전자 공여체의 중합체를 포함할 수 있다. 상기 전자 공여물질은 적어도 한 종의 전자 공여체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전자주개 물질은 적어도 한 종의 전자 수용체와 적어도 한 종의 전자 공여체의 중합체를 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자주개 물질은 하기 화학식으로 표시되는 전자수용체 중 적어도 하나를 포함하는 공중합체일 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
상기 전자주개 물질에 있어서,
R2 내지 R5는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성할 수 있다.
X1 및 X2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR' 및 Se, Te로 이루어진 군에서 선택되며, Y1 내지 Y4는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR, N, SiR, P, GeR 및 로 이루어진 군에서 선택된다.
R 및 R'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자공여 물질은 하기 화학식으로 표시되는 전자공여체 중 적어도 하나를 포함하는 것인 공중합체일 수 있다.
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
상기 전자공여체에 있어서,
R2 및 R3는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성할 수 있다.
X1 내지 X3는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로, CRR', NR, O, SiRR', PR, S, GeRR', Se 및 Te로 이루어진 군에서 선택되며, Y1 및 Y2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 CR, N, SiR, P 및 GeR 로 이루어진 군에서 선택되고,
상기 R 및 R'는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O 및 S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성할 수 있다.
상기 a는 1 내지 4의 정수일 수 있고, 상기 b는 1 내지 6의 정수일 수 있으며, 상기 c는 1 내지 8의 정수일 수 있고, 상기 d는 1 내지 3의 정수일 수 있으며, 상기 e는 1 내지 3의 정수일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 첨가제는 전하의 이동 및 전하의 밀도를 조절하기 위한 물질일 수 있으며, 구체적으로 루이스 산 물질, F4-TCNQ, 디하이드로벤조이미다졸계 물질, 메탈로센 다이머 물질 등이 될 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 첨가제는 상기 광활성층의 혼화성 및/또는 모폴로지의 조절을 위한 물질일 수 있으며, 구체적으로, 1,8-디이도옥탄(1,8-Diiodooctane), 1,8-옥탄디티올(1,8-octanedithiol), 트리에틸렌글리콜(Triethyleneglycol), 1,8-디브로모옥탄(1,8-Dibromooctane), 1,4-디이도부탄(1,4-Diiodobutane), 1,6-디이도헥산(1,6-Diiodohexane), 헥사데칸(Hexadecane), 디에틸렌글리콜디부틸에터(Diethyleneglycoldibutylether), 1-클로로나프탈렌(1-Chloronaphthalene), 니트로벤젠(Nitrobenzene), 4-브로모아니솔(4-Bromoanisole), N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone), 3-메틸티오펜(3-Methylthiophene), 3-헥실티오펜(3-Hexylthiophene), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane), 1-메틸나프탈렌(1-Methylnaphthalene), 디페닐에터(Diphenylether); 및 폴리스티렌(PS) 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)등의 고분자 등이 될 수 있다.
구체적으로 상기 전자주개 물질은 MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene])를 시작으로 티오펜계, 플루오렌계, 카바졸계 등의 다양한 고분자 물질 및 단분자 물질일 수 있다.
구체적으로, 상기 단분자 물질은 구리(Ⅱ)프탈로시아닌(Copper(Ⅱ) phthalocyanine), 아연프탈로시아닌(zinc phthalocyanine), 트리스[4-(5-디사이노메틸이덴메틸-2-티에닐)페닐]아민(tris[4-(5-dicyanomethylidenemethyl-2-thienyl)phenyl]amine), 2,4-비스[4-(N,N-디벤질아미노)-2,6-디히드록시페닐]스쿠아레인(2,4-bis[4-(N,N-dibenzylamino)-2,6-dihydroxyphenyl]squaraine), 벤즈[b]안트라센(benz[b]anthracene), 및 펜타센(pentacene)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 고분자 물질은 폴리 3-헥실 티오펜 (P3HT: poly 3-hexyl thiophene), PCDTBT(poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-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-benzothiadiazole)]), PFO-DBT(poly[2,7-(9,9-dioctyl-fluorene)-alt-5,5-(4,7-di 2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole)]), PTB7(Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]]), PSiF-DBT(Poly[2,7-(9,9-dioctyl-dibenzosilole)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole])로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자받개 물질은 플러렌 유도체 또는 비플러렌 유도체일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 플러렌 유도체는 C60 내지 C90의 플러렌 유도체이다. 구체적으로, 상기 플러렌 유도체는 C60 플러렌 유도체 또는 C70 플러렌 유도체일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 C60 플러렌 유도체 또는 C70 플러렌 유도체는 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성하는 치환기로 추가로 치환될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 플러렌 유도체는 C76 플러렌 유도체, C78 플러렌 유도체, C84 플러렌 유도체 및 C90 플러렌 유도체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 C76 플러렌 유도체, C78 플러렌 유도체, C84 플러렌 유도체 및 C90 플러렌 유도체는 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성하는 치환기로 추가로 치환될 수 있다.
상기 플러렌 유도체는 비플러렌유도체에 비하여, 전자-정공 쌍(exciton, electron- hole pair)을 분리하는 능력과 전하 이동도가 우수해 효율 특성에 유리하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 폴리 3-헥실 티오펜 [P3HT: poly 3-hexyl thiophene]을 전자주개 물질로 하고, [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르 (PC61BM) 및/또는 [6,6]-페닐-C71-부틸산 메틸에스테르 (PC71BM)를 전자받개 물질로 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실사상태에 있어서, 상기 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비는 1: 0.4 내지 1: 2일 수 있으며, 구체적으로 1: 0.7일 수 있다. 다만 상기 광활성층은 위 물질에만 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 광활성 물질들은 유기 용매에 용해시킨 후 용액을 스핀 코팅 등의 방법으로 50 nm에서 280 nm 범위의 두께로 광활성층을 도입한다. 이때, 광활성층은 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 브러쉬 페인팅 등의 방법을 응용할 수 있다.
또한, 상기 전자수용체는 PC61BM을 포함하여, C70, C76, C78, C80, C82, C84등의 다른 플러렌 유도체를 사용할 수도 있으며, 코팅된 박막은 80 ℃ 내지 160 ℃에서 열처리하여 전도성 고분자의 결정성을 높여주는 것이 좋다.
본 명세서의 상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 전자와 정공을 광활성층으로 효율적으로 전달시킴으로써, 생성되는 전하가 전극으로 이동되는 확률을 높이는 물질이 될 수 있으나, 특별히 제한되지는 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 정공수송층은 PEDOT:PSS; 몰리브데늄 산화물(MoOx); 바나듐 산화물(V2O5); 니켈 산화물(NiO); 및 텅스텐 산화물(WOx)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 정공수송층은 애노드 버퍼층일 수 있다.
상기 전처리된 광활성층의 상부에는 정공수송층이 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅, 열증착 등의 방법을 통해 도입될 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 정공 수송층은 MoO3를 열증착 시스템을 통해 5 nm ~ 10 nm 의 두께로 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기태양전지는 권취된 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 유기태양전지는 유연한 필름 형태로 제조가 가능하며, 이를 원통형으로 말아 속이 비어 있는 권취된 구조의 태양전지로 만들 수 있다. 상기 유기태양전지가 권취된 구조인 경우, 이를 지면에 세워 놓는 방식으로 설치할 수 있다. 이 경우, 상기 유기태양전지를 설치한 위치의 태양이 동쪽에서 서쪽으로 이동하는 동안, 빛의 입사각이 최대가 되는 부분을 확보할 수 있다. 따라서, 태양이 떠 있는 동안 최대한 많은 빛을 흡수하여 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기태양전지는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 정공주입층; 정공수송층; 중간층(interlayer); 정공차단층; 전하발생층; 전자차단층; 및 전자수송층으로 이루어진 군에서 선택되는 1층 이상의 유기물층을 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 전자와 정공을 광활성층으로 효율적으로 전달시킴으로써, 생성되는 전하가 전극으로 이동되는 확률을 높이는 물질이 될 수 있으나, 특별히 제한되지는 않는다.
상기 중간층(interlayer)은 정공 주입층과 정공 수송층 사이에 위치하는 층을 말한다.
상기 전하발생층(Charge Generating layer)은 전압을 걸면 정공과 전자 가 발생하는 층을 말한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자수송층은 전도성 산화물 및 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자수송층의 전도성 산화물은 전자추출금속 산화물(electron-extracting metal oxides)이 될 수 있으며, 구체적으로 티타늄 산화물(TiOx); 아연 산화물(ZnO); 및 세슘 카보네이트(Cs2CO3)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전자수송층은 스퍼터링, E-Beam, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 제1 전극의 일면에 도포되거나 필름 형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자수송층은 캐소드 버퍼층일 수 있다.
이하, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지의 제조방법을 기재한다.
본 명세서의 일 실시상태는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 전극 개질층을 형성하는 단계; 상기 2층의 전극 개질층 상에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및 상기 유기물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 전극 개질층은 금속 산화물을 포함하는 층 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층으로 이루어진 2층 구조이며,
상기 금속 산화물을 포함하는 층 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층은 서로 접하여 구비되고,
상기 금속 산화물을 포함하는 층과 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층의 계면으로부터 상기 금속 산화물을 포함하는 층 전체 두께의 15 % 이하의 두께까지 상기 할로겐화 알칼리계 금속의 양이온이 확산되어 있는 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 전극 개질층을 형성하는 단계; 상기 2층의 전극 개질층 상에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및 상기 유기물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 전극 개질층은 할로겐화 알칼리계 금속 및 금속 산화물을 포함하는 단일층 구조인 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물층은 열처리 공정을 생략하여 형성되거나, 50 ℃ 이상 250 ℃ 이하의 열처리 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 단일층 구조의 전극 개질층은 열처리 공정을 생략하여 형성되거나, 50 ℃ 이상 250 ℃ 이하의 열처리 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 개질층은 할로겐화 알칼리계 금속 입자 및 금속 산화물 입자를 이용한 용액 공정으로 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 상기 2층 구조의 전극 개질층에 있어서, 상기 금속 산화물을 포함하는 층과 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층을 각각 용액 공정으로 형성될 수 있다. 또는, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 상기 2층 구조의 전극 개질층에 있어서, 상기 금속 산화물을 포함하는 층은 용액 공정으로 형성되고, 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층은 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 단일층 구조의 전극 개질층은 할로겐화 알칼리계 금속 입자 및 금속 산화물 입자가 분산된 졸-겔 코팅 용액을 이용하여 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 단일층 구조의 전극 개질층은 할로겐화 알칼리계 금속 입자 및 금속 산화물 입자를 용액에 분산하여 형성될 수 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[실시예 1]
ITO 글라스를 아세톤 및 에탄올에 각각 30분씩 음파처리(sonication)을 이용하여 세척하고, UVO(uv/ozone)를 이용해 15분간 표면 처리하였다. 상기 ITO 글라스 상에 ZnO 용액을 코팅한 후 200 ℃에서 10 분간 열처리하였다. 상기 ZnO층 상에 LiF 를 1 × 10-7 torr의 진공도에서 1 Å의 두께로 진공 증착 후 1:0.7의 비율로 섞은 P3HT:PCBM 용액을 코팅해 약 220 nm 의 광활성층을 형성한 후 110 ℃ 에서 10분간 열처리하였다. 상기 광활성층 상에 1 × 10-7 torr 에서 MoO3/Ag 전극을 증착하여 유기태양전지를 제작하였다.
[실시예 2]
LiF를 3 Å 두께로 증착한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
[실시예 3]
LiF를 5 Å 두께로 증착한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
[비교예 1]
LiF 층을 형성하지 않고, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 3, 및 비교예 1에 따른 유기태양전지의 물성을 하기 표 1에 나타내었다.
LiF 두께
(Å)		 Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF PCE
(%)
비교예 1 0 0.628 8.48 0.575 3.06
실시예 1 1 0.622 7.92 0.52 2.56
실시예 2 3 0.634 8.86 0.6 3.37
실시예 3 5 0.636 8.57 0.598 3.26
본 명세서에서 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)를, PCE는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류는 각각 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축과 Y축 절편이며, 이 두 값이 높을수록 태양전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한, 충전율(Fill factor)는 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 넓이를 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세 가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다.
[실시예 4]
ITO 글라스를 아세톤 및 에탄올에 각각 30분씩 음파처리(sonication)을 이용하여 세척하고, UVO(uv/ozone)를 이용해 15분간 표면 처리하였다. 상기 ITO 글라스 상에 ZnO 용액을 코팅한 후 열처리 없이 건조하였다. 상기 ZnO층 상에 LiF 를 1 × 10-7 torr의 진공도에서 3 Å의 두께로 진공 증착 후 1:0.7의 비율로 섞은 P3HT:PCBM 용액을 코팅해 약 220 nm 의 광활성층을 형성한 후 110 ℃ 에서 10분간 열처리하였다. 상기 광활성층 상에 1 × 10-7 torr 에서 MoO3/Ag 전극을 증착하여 유기태양전지를 제작하였다.
[실시예 5]
ZnO를 100 ℃에서 10 분간 열처리한 것을 제외하고, 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
[실시예 6]
ZnO를 150 ℃에서 10 분간 열처리한 것을 제외하고, 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
[실시예 7]
ZnO를 200 ℃에서 10 분간 열처리한 것을 제외하고, 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
[비교예 2]
LiF 층을 형성하지 않고, 상기 실시예 4와 같은 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
[비교예 3]
LiF 층을 형성하지 않고, 상기 실시예 5와 같은 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
[비교예 4]
LiF 층을 형성하지 않고, 상기 실시예 6와 같은 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
[비교예 5]
LiF 층을 형성하지 않고, 상기 실시예 7와 같은 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
싱기 실시예 4 내지 7 및 비교예 2 내지 5에 따른 유기태양전지의 물성을 하기 표 2에 나타내었다.
열처리 온도
(℃)		 Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF PCE
(%)
실시예 4 열처리 없음 0.518 0.015 0.564 4.46×10-3
실시예 5 100 0.598 0.063 0.423 0.016
실시예 6 150 0.612 10.98 0.607 4.08
실시예 7 200 0.61 10.91 0.598 3.98
비교예 2 열처리 없음 0.52 0.013 0.298 2.08×10-3
비교예 3 100 0.574 0.04 0.349 7.94×10-3
비교예 4 150 0.592 10.81 0.496 3.18
비교예 5 200 0.608 10.96 0.555 3.7
[실시예 8]
ITO 글라스를 아세톤 및 에탄올에 각각 30분씩 음파처리(sonication)을 이용하여 세척하고, UVO(UV/ozone)를 이용해 15분간 표면 처리하였다. 상기 ITO 글라스 상에 MgF2 를 1 × 10-7 torr의 진공도에서 1 Å의 두께로 진공 증착 후, ZnO 용액을 코팅하여 200 ℃에서 10분간 열처리하였다. 상기 ZnO층 상에 PBDTTPD(Poly(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophenealt-thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione)과 PC61BM을 1:1.5로 코팅한 용액을 100 ㎚ 두께로 코팅한 뒤 80도에서 5분 열처리 하여 광활성층을 형성하였다. 상기 광활성층 상에 1 × 10-7 torr 에서 MoO3/Ag 전극을 증착하여 유기태양전지를 제조하였다.
[실시예 9]
MgF2 층을 3 Å 두께로 형성한 것을 제외하고, 상기 실시예 8과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
[실시예 10]
MgF2 층을 5 Å 두께로 형성한 것을 제외하고, 상기 실시예 8과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
[비교예 6]
MgF2 층을 형성하지 않고, 상기 실시예 8과 같은 방법으로 유기태양전지를 제조하였다.
상기 실시예 8 내지 10, 및 비교예 6에 따른 유기태양전지의 물성을 하기 표 3에 나타내었다.
MgF2 두께
(Å)		 Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF PCE
(%)
비교예 6 0 0.962 12.365 0.545 6.487
실시예 8 1 0.964 13.029 0.615 7.73
실시예 9 3 0.975 12.628 0.588 7.24
실시예 10 5 0.967 12.22 0.608 7.19
101: 기판
201: 제1 전극
301: 제2 전극
401: 금속 산화물을 포함하는 층
501: 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층
601: 광활성층
701: 제2 전극의 버퍼층
801: 단일층 구조의 전극 개질층

Claims (21)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 구비된 제1 전극;
    상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층; 및
    상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 구비된 전극 개질층을 포함하고,
    상기 전극 개질층은 금속 산화물을 포함하는 층 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층으로 이루어진 2층 구조이며,
    상기 금속 산화물을 포함하는 층 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층은 서로 접하여 구비되고,
    상기 금속 산화물을 포함하는 층과 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층의 계면으로부터 상기 금속 산화물을 포함하는 층 전체 두께의 15 % 이하의 두께까지 상기 할로겐화 알칼리계 금속의 양이온이 확산되어 있는 유기태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 상에 상기 금속 산화물을 포함하는 층이 구비되고, 상기 금속 산화물을 포함하는 층 상에 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층이 구비되는 것인 유기태양전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 상에 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층이 구비되고, 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층 상에 상기 금속 산화물을 포함하는 층이 구비되는 것인 유기태양전지.
  4. 기판;
    상기 기판 상에 구비된 제1 전극;
    상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층; 및
    상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 구비된 전극 개질층을 포함하고,
    상기 전극 개질층은 금속 산화물 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 단일층 구조인 유기태양전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극 개질층은 상기 금속 산화물의 양이온과 상기 할로겐화 알칼리계 금속의 양이온의 비율이 100:1 내지 10:2 인 것인 유기태양전지.
  6. 청구항 1 또는 4에 있어서,
    상기 전극 개질층은 상기 제1 전극에 접하여 구비되는 것인 유기태양전지.
  7. 청구항 1 또는 4에 있어서,
    상기 제1 전극은 투명전극인 것인 유기태양전지.
  8. 청구항 1 또는 4에 있어서,
    상기 금속산화물은 ZnO, TiOx NiO, RuO, V2O5, WOx, Cs2CO3, MoO3, ZrO2, Ta2O3, 및 MgO로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것인 유기태양전지.
  9. 청구항 1 또는 4에 있어서,
    상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층은 층은 LiF, NaF, KF, RbF, CsF, FrF, BeF2, MgF2, CaF2, SrF2, BaF2 및 RaF2로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것인 유기태양전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 산화물을 포함하는 층의 두께는 5 ㎚ 이상 200 ㎚ 이하인 것인 유기태양전지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 알칼리토금속-불소화합물을 포함하는 층의 두께는 0.1 ㎚ 이상 15 ㎚ 이하인 것인 유기태양전지.
  12. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극 개질층의 두께는 5 ㎚ 이상 200 ㎚ 이하인 것인 유기태양전지.
  13. 청구항 1 또는 4에 있어서,
    상기 기판은 유리, 고분자 물질 및 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 유기태양전지.
  14. 청구항 1 또는 4에 있어서,
    상기 기판은 플렉서블 기판인 것인 유기태양전지.
  15. 청구항 1 또는 4에 있어서,
    상기 광활성층은 벌크 이종 접합구조 또는 이중층 접합구조인 것인 유기 태양전지.
  16. 청구항 1 또는 4에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 정공주입층; 정공수송층; 중간층(interlayer); 정공차단층; 전하발생층; 전자차단층; 및 전자수송층으로 이루어진 군에서 선택되는 1층 이상의 유기물층을 더 포함하는 것인 유기태양전지.
  17. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 전극 개질층을 형성하는 단계;
    상기 2층의 전극 개질층 상에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및
    상기 유기물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 전극 개질층은 금속 산화물을 포함하는 층 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층으로 이루어진 2층 구조이며,
    상기 금속 산화물을 포함하는 층 및 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층은 서로 접하여 구비되고,
    상기 금속 산화물을 포함하는 층과 상기 할로겐화 알칼리계 금속을 포함하는 층의 계면으로부터 상기 금속 산화물을 포함하는 층 전체 두께의 15 % 이하의 두께까지 상기 할로겐화 알칼리계 금속의 양이온이 확산되어 있는 유기태양전지의 제조방법.
  18. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 전극 개질층을 형성하는 단계;
    상기 2층의 전극 개질층 상에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및
    상기 유기물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 전극 개질층은 할로겐화 알칼리계 금속 및 금속 산화물을 포함하는 단일층 구조인 유기태양전지의 제조방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 금속 산화물층은 열처리 공정을 생략하여 형성되거나, 50 ℃ 이상 250 ℃ 이하의 열처리 공정을 이용하여 형성되는 것인 유기태양전지의 제조방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 전극 개질층은 열처리 공정을 생략하여 형성되거나, 50 ℃ 이상 250 ℃ 이하의 열처리 공정을 이용하여 형성되는 것인 유기태양전지의 제조방법.
  21. 청구항 17 또는 18에 있어서,
    상기 전극 개질층은 할로겐화 알칼리계 금속 입자 및 금속 산화물 입자를 이용한 용액 공정으로 형성되는 것인 유기태양전지의 제조방법.
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