KR20150121407A - 텐덤형 유기태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

텐덤형 유기태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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김진석
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Abstract

본 명세서는 텐덤형 유기태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

텐덤형 유기태양전지 및 이의 제조방법{TANDEM TYPE ORGANIC SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 명세서는 텐덤형 유기태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
미국 국립연구소인 NREL의 에너지 리뷰 자료에 따르면 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 유기태양전지로 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 유기태양전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
초기 유기태양전지는 미국 UCSB의 Heeger 교수 그룹에서 주도적으로 기술 개발을 이끌었다. 유기태양전지는 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.
US 등록 번호: 5,331,183 US 등록 번호: 5,454,880
본 명세서는 텐덤형 유기태양전지를 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시상태는 기판; 상기 기판 상에 구비된 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 2 이상의 광활성층을 포함하는 2층 이상의 유기물층; 및 적어도 2개의 인접하는 상기 광활성층 사이에 구비된 중간층을 포함하고, 상기 중간층은 2 이상의 금속을 포함하는 금속막을 포함하는 것인 텐덤형 유기태양전지를 제공한다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 2 이상의 광활성층을 포함하는 2층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 상기 유기물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 및 적어도 2개의 인접하는 상기 광활성층 사이에 구비된, 2 이상의 금속을 포함하는 금속막을 포함하는 중간층을 형성하는 단계를 포함하는 상기 텐덤형 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 텐덤형 유기태양전지는 제조시 발생하는 광활성층의 손상을 방지할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 텐덤형 유기태양전지의 중간층은 유기용매에 대한 내성이 크므로, 상부의 광활성층 제조시 사용하는 유기용매에 의한 하부 광활성층의 손상을 방지할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 텐덤형 유기태양전지는 전자 전달 능력이 우수하여, 광단락 전류밀도(Jsc)의 증가 및 효율의 상승을 구현할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 텐덤형 유기태양전지는 필팩터(Fill Factor: FF)를 향상시켜 높은 효율을 구현할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 텐덤형 유기태양전지는 간단한 제조 공정으로 인하여, 생산 원가의 단축 및/또는 공정의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 텐덤형 유기태양전지의 일 예를 도시한 것이다.
도 2는 상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 유기태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 텐덤형 유기태양전지에 따른 중간층의 광투과도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 2에 따른 텐덤형 유기태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 2에 따른 텐덤형 유기태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본원 명세서 전체에서, 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.
본원 명세서 전체에서, 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.
본 명세서의 일 실시상태는 기판; 상기 기판 상에 구비된 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 2 이상의 광활성층을 포함하는 2층 이상의 유기물층; 및 적어도 2개의 인접하는 상기 광활성층 사이에 구비된 중간층을 포함하고, 상기 중간층은 2 이상의 금속을 포함하는 금속막을 포함하는 것인 텐덤형 유기태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중간층은 금속 산화물층 및 고분자 전해질층을 더 포함하며, 상기 금속막은 상기 금속 산화물층 및 상기 고분자 전해질층 사이에 구비된 것일 수 있다.
상기 고분자 전해질(polyelectrolyte)은 전하를 가지고 있는 고분자를 의미한다. 또한, 상기 고분자 전해질은 물에 녹아 해리하여 고분자 이온이 되는 것을 의미할 수 있으며, 고분자 사슬에 해리기를 갖는 것을 의미할 수 있다. 나아가, 상기 고분자 전해질층은 상기 고분자 전해질을 포함하는 층을 의미하며, 상기 고분자 전해질층은 이에 접하는 층의 일 함수 값을 변화시켜 에너지 장벽을 낮추는 역할을 할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 텐덤형 유기태양전지에 있어서, 상기 중간층은 중간 전극의 역할을 할 수 있다. 또한, 본 명세서의 상기 중간층은 텐덤형 유기태양전지의 제조시 유기용매에 의하여 발생할 수 있는 유기태양전지의 손상을 최소화할 수 있다.
구체적으로, 본 발명자들은 텐덤형 유기태양전지의 광활성층을 제조하는 경우 사용하는 유기용매에 의하여 이미 형성된 층의 손상이 발생하는 문제를 발견하였다. 구체적으로, 텐덤형 유기태양전지에 포함되는 2 이상의 광활성층 사이에 형성된 층이 유기용매에 의하여 손상되어 유기태양전지가 작동하지 않는 문제가 있었다. 보다 구체적으로, 어느 하나의 광활성층 상에 형성되는 또 다른 광활성층의 형성시 유기용매에 의하여 광활성층들 사이에 형성된 층이 손상되는 문제점을 발견하였다.
이에 따라서, 본 발명자들은 중간 전극의 역할을 함과 동시에 유기용매에 대한 내성이 구비된 상기 중간층을 개발하기에 이르렀다.
본 명세서의 상기 중간층은 어느 하나의 광활성층을 형성한 이후, 상기 광활성층 상에 형성하고, 상기 중간층 상에 또 다른 광활성층을 형성하는 경우에도 유기용매에 따른 손상이 발생하지 않거나, 유기태양전지의 성능에 영향을 미치지 않는 정도의 손상만이 발생하게 되므로, 텐덤형 유기태양전지의 불량률을 획기적으로 낮출 수 있는 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막은 제1 금속 및 제2 금속이 혼합되어 구비될 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막은 제1 금속 및 제2 금속의 합금을 포함하여 구비될 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막은 상기 제1 금속에 상기 제2 금속이 도핑된 형태로 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막은 제1 금속막 및 상기 제1 금속막 상에 구비된 제2 금속막을 포함하고, 상기 제1 금속막은 제1 금속을 포함하고 상기 제1 전극에 가까이 구비되며, 상기 제2 금속막은 제2 금속을 포함하고 상기 제2 전극에 가까이 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 금속막은 상기 제1 금속막과 물리적으로 접하여 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 금속막은 물리적으로 연속하여 구비되고, 상기 제2 금속막은 서로 이격된 2 이상의 섬(island)형상으로 상기 제1 금속막 상에 구비될 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 금속막은 물리적으로 연속하여 구비되고, 상기 제2 금속막은 서로 이격된 2 이상의 섬(island)형상으로 상기 제1 금속막을 관통하여 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 금속은 증착공정을 통하여 막을 형성할 수 있는 금속일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 금속은 증착공정을 통하여 1 ㎚ 내지 3 ㎚ 의 두께로 막을 형성할 수 있는 금속일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 금속은 증착공정을 통하여 막을 형성하거나, 2 이상의 섬(island)형상으로 형성되는 금속일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 금속은 1 ㎚ 내지 3 ㎚의 두께로 증착공정을 실시하는 경우 뭉침 현상으로 인하여 물리적으로 연속된 막이 형성되지 않는 금속일 수 있다.
상기 금속막은 빛이 투과할 수 있을 정도로 얇게 형성되는 것이 바람직하다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막은 제1 금속을 증착공정을 이용하여 제1 금속막을 형성하고, 제2 금속을 상기 제1 금속막 상에 증착공정을 이용하여 형성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막은 제1 금속막과 제2 금속막이 별도의 층으로 구분되어 있는 형태일 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 증착공정을 통하여 제2 금속이 제1 금속막에 박히는 형태의 제1 금속 및 제2 금속이 포함되어 있는 단일층의 형태일 수 있다. 또한, 증착 공정을 통하여 형성하는 상기 금속막의 특성상 금속막의 재료가 하부 층에 일부 포함되거나 확산될 수 있다.
상기 중간층은 금속막을 필수적으로 포함하여야 하며, 상기 금속막은 적어도 2이상의 금속을 포함하여야 한다. 하나의 금속으로 금속막이 형성되는 경우, 텐덤형 유기발광소자가 작동하지 않을 수 있으며, 작동하더라도 효율이 저조한 문제가 발생한다. 구체적으로, 금속막을 Al만으로 형성하는 경우 텐덤형 유기태양전지가 작동하지 않으며, 이는 Al의 빠른 산화에 의한 것으로 추정된다. 또한, 금속막을 Ag만으로 형성하는 경우, 하부의 광활성층이 손상되어 텐덤형 유기태양전지가 작동하지 않을 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막은 Al로 이루어진 제1 금속막 상에 Ag로 이루어진 제2 금속막이 형성된 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막은 2 종의 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속막은 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속을 포함할 수 있으며, 불순물이 더 포함될 수 있다. 즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막은 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속을 주된 재료로 형성될 수 있다.
상기 금속막을 3 이상의 금속으로 형성하는 경우, 광투과도가 떨어지게 되므로 텐덤형 유기발광소자의 효율 저하의 원인이 될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막의 두께는 1 ㎚ 이상 6 ㎚ 이하일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막의 두께는 1 ㎚ 이상 3 ㎚ 이하일 수 있다.
상기 금속막이 상기 범위에 있는 경우, 빛이 중간층을 투과할 수 있으므로 텐덤형 유기태양전지의 각 광활성층이 작동할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막의 두께는 각각 1 ㎚ 이상 3 ㎚ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막은 각각 0.5 ㎚ 이상 2 ㎚ 이하, 또는 각각 0.5 ㎚ 이상 1.5 ㎚ 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물층의 두께는 10 ㎚ 이상 20 ㎚ 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 금속 또는 금속 산화물 만으로는 템덤형 유기태양전지 구조를 구현하기는 곤란하며, 상기 금속막과의 조합으로 인하여 상기 텐덤형 유기태양전지의 구동이 가능하다. 또한, 상기 금속산화물의 두께가 10 ㎚ 이상으로 두꺼워야만 유기용매에 대한 저항성이 확보되어, 상기 텐덤형 유기태양전지의 제조가 가능하다. 또한, 상기 범위 내에서의 금속 산화물층은 상기 금속막과 함께 광학적으로 반사방지(anti-reflection) 효과도 기대할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질층의 두께는 1 ㎚ 이상 10 ㎚ 이하일 수 있다.
상기 고분자 전해질층은 상기 금속막의 일함수를 높여주는 역할을 하며, 상기 범위 내에서, 광투과도의 손실을 최소화함과 동시에 상기 금속막의 일함수 상승을 최대화할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막은 Ag, Al, Ni 및 Au로 이루어진 군에서 선택되는 2 이상의 금속을 포함하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 금속은 Al 또는 Ni이고, 상기 제2 금속은 Ag 또는 Au일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 금속은 Al이고, 상기 제2 금속은 Ag일 수 있다.
본 명세서의 상기 중간층은 상기 금속막을 비롯하여 상기 금속 산화물층 및 상기 고분자 전해질층을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물층 및 상기 고분자 전해질층은 각각 상기 금속막의 일면에 접하여 구비될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 중간층은 상기 금속 산화물층, 상기 금속막 및 상기 고분자 전해질층이 순차적으로 물리적으로 접한 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 중간층은 상기 고분자 전해질층, 상기 금속막 및 상기 금속 산화물층이 순차적으로 물리적으로 접한 것을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물층 및 상기 고분자 전해질층은 상기 금속막이 중간 전극으로서의 역할을 할 수 있도록 할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막만으로는 텐덤형 유기태양전지의 중간 전극으로서 작동하지 않을 수 있으며, 상기 금속 산화물층 및 상기 고분자 전해질층이 함께 구비되어 있는 경우에, 상기 중간층이 중간 전극으로서의 역할을 수행할 수 있다.
상기 고분자 전해질층은 표면에 쌍극자를 형성하여 진공 준위(vacuum level)를 전환(shift) 시킬 수 있다. 그러므로, 상기 금속막의 일함수를 높여주는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 고분자 전해질층은 인접한 2 개의 광활성층의 전자주개의 HOMO 준위와 전자받개의 LUMO 준위를 서로 전기적으로 연결할 수 있는 역할을 할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물층은 Mo 산화물, V 산화물, Ni 산화물, Ti 산화물 및 Zn 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물층은 MoO3, V2O5, VOx, TIO2, TiOx , NiOx 및 ZnO로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질층은 알코올류의 용매에 쉽게 용해되는 성질을 가지는 고분자 전해질을 이용하여 형성될 수 있다. 그러므로, 상기 고분자 전해질층의 형성시 유기물층에 손상을 미치지 않을 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고분자 전해질층은 PEI(polyethyleneimine), PEIE(ethoxylated polyethyleneimine), PFN(Poly[(9,9-bis(3′-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)]), 및 PAA(Polyacrylic acid)로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 텐덤형 유기태양전지는 노말 구조 또는 인버티드 구조일 수 있다. 상기 노말 구조는 기판 상에 애노드가 형성되는 것을 의미할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기태양전지가 노말 구조인 경우, 기판 상에 형성되는 제1 전극이 애노드일 수 있다. 또한, 상기 인버티드 구조는 기판 상에 캐소드가 형성되는 것을 의미할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기태양전지가 인버티드 구조인 경우, 기판 상에 형성되는 제1 전극이 캐소드일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 텐덤형 유기태양전지는 상기 제1 전극이 캐소드이고, 상기 제2 전극이 애노드인 인버티드 구조이고, 상기 금속 산화물층은 상기 제1 전극에 가까이 구비되고, 상기 고분자 전해질층은 상기 제2 전극에 가까이 구비된 것일 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 텐덤형 유기태양전지의 일 예를 도시항 것이다. 구체적으로, 도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 인버티드 구조의 텐덤형 유기태양전지를 도시한 것이다. 도 1은 기판(glass) 상에 구비된 제1 전극(ITO) 및 상기 제1 전극과 대향하여 구비된 제2 전극(Ag)을 포함하고, 2 개의 광활성층(Active) 사이에 구비된 중간층이 구비된 텐덤형 유기태양전지를 도시한 것이다. 도 1은 중간층으로서 금속 산화물층(MoO3), 금속막(Al/Ag) 및 고분자 전해질층(PEI)이 구비되어 있다. 다만, 본 명세서의 텐덤형 유기태양전지는 도 1에 도시된 구조에 한정되지 않으며, 추가의 층 또는 일부 층이 제거된 구조일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속막은 Al를 포함하는 제1 금속막 및 Ag을 포함하는 제2 금속막이 접하여 구비되고, 상기 제1 금속막은 상기 제1 전극에 가까이 구비되고, 상기 제2 금속막은 상기 제2 전극에 가까이 구비된 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중간층은 디클로로벤젠에 20분 이상 노출시 손상율이 5 % 미만인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 중간층은 상기 언급한 바와 같이 유기 용매에 대한 내성이 우수한 장점이 있다. 그러므로, 텐덤형 유기태양전지를 제조하는 경우, 하부의 광활성층이 유기 용매에 의하여 손상 받는 것을 막을 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중간층은 적어도 2개의 인접하는 상기 광활성층과 각각 접하여 구비되는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중간층의 광투과도는 600 ㎚ 파장의 빛에서 85 % 이상 95 % 이하일 수 있다. 도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지에 따른 중간층의 광투과도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 3은 중간층의 금속 산화물층을 MoO3로 형성하고, 상기 금속 산화물층 상에 Al을 이용하여 제1 금속막을 형성한 후, 상기 제1 금속막 상에 Ag를 이용하여 제2 금속막을 형성한 후 광투과도를 측정한 것을 나타낸 것이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 기판을 사용할 수 있다. 구체적으로, 유리 기판, 박막유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 상기 플라스틱 기판은 PET(polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PEEK(Polyether ether ketone) 및 PI(Polyimide) 등의 필름이 단층 또는 복층의 형태로 포함될 수 있다. 다만, 상기 기판은 이에 한정되지 않으며, 유기태양전지에 통상적으로 사용되는 기판을 사용할 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 제1 전극은 투명전극일 수 있다.
상기 제1 전극이 투명전극인 경우, 상기 제1 전극은 산화주석인듐(ITO) 또는 산화아연인듐(IZO) 등과 같은 전도성 산화물일 수 있다. 나아가, 상기 제1 전극은 반투명 전극일 수도 있다. 상기 제1 전극이 반투명 전극인 경우, Ag, Au, Mg, Ca 또는 이들의 합금 같은 반투명 금속으로 제조될 수 있다. 반투명 금속이 제1 전극으로 사용되는 경우, 상기 유기태양전지는 미세공동구조를 가질 수 있다.
본 명세서의 상기 전극이 투명 전도성 산화물층인 경우, 상기 전극은 유리 및 석영판 이외에 PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthelate), PP (polypropylene), PI(polyimide), PC (polycarbornate), PS (polystylene), POM (polyoxymethlene), AS 수지 (acrylonitrile styrene copolymer), ABS 수지 (acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 및 TAC (Triacetyl cellulose), PAR (polyarylate)등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질 위에 도전성을 갖는 물질이 도핑된 것이 사용될 수 있다. 구체적으로, ITO (indium tin oxide), 플루오린이 도핑된 틴 옥사이드 (fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드 (aluminium doped zink oxide, AZO), IZO (indium zink oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 ATO (antimony tin oxide) 등이 될 수 있으며, 보다 구체적으로 ITO일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 투명 전극을 형성하는 단계는 패터닝된 ITO 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로판올(IPA)로 순차적으로 세정한 다음 수분제거를 위해 가열판에서 100 ~ 250 ℃로 1 ~ 30분간, 구체적으로 250 ℃에서 10분간 건조하고, 기판이 완전히 세정되면 기판 표면을 친수성으로 개질할 수 있다. 이를 위한 전처리 기술로는 a) 평행평판형 방전을 이용한 표면 산화법, b) 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 및 c) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 산화하는 방법 등을 이용할 수 있다. 상기와 같은 표면 개질을 통하여 접합표면전위를 정공주입층의 표면 전위에 적합한 수준으로 유지할 수 있으며, ITO 기판 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상될 수 있다. 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한가지를 선택하게 되는데 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 기판 표면의 산소이탈을 방지하고 수분 및 유기물의 잔류를 최대한 억제해야 전처리의 실질적인 효과를 기대할 수 있다.
본 명세서의 하기 기술한 실시예에서, UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용하였으며, 초음파 세정 후 패턴된 ITO 기판을 가열판 (hot plate)에서 베이킹 (baking)하여 잘 건조시킨 다음 챔버에 투입하고 UV 램프를 작용시켜 산소 가스가 UV광과 반응하여 발생하는 오존에 의해 패턴된 ITO 기판을 세정하게 된다. 그러나, 본 발명에 있어서의 패턴된 ITO 기판의 표면 개질방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무방하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극은 금속 전극일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 니켈(Ni), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기태양전지가 인버티드 구조일 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지가 인버티드 구조인 경우, 상기 제2 전극은 은(Ag) 또는 MoO3/Al일 수 있다.
본 명세서의 상기 인버티드 구조의 유기태양전지는 일반적인 구조의 유기태양전지의 애노드와 캐소드가 역방향으로 구성된 것을 의미할 수 있다. 일반적인 구조의 유기태양전지에서 사용되는 Al층은 공기 중에서 산화반응에 매우 취약하고, 잉크화하기 곤란하여 이를 인쇄공정을 통하여 상업화하는데 제약이 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 상기 인버티드 구조의 유기태양전지는 Al 대신 Ag를 사용할 수 있으므로, 일반적인 구조의 유기태양전지에 비하여 산화반응에 안정적이고, Ag 잉크의 제작이 용이하므로 인쇄공정을 통한 상업화에 유리한 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기태양전지가 노말 구조일 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지가 노말 구조인 경우, 상기 제2 전극은 Al일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기물층은 정공주입층, 정공수송층, 전자차단층, 전자수송층 및 전자주입층으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 층을 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수송층은 전도성 산화물 및 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 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.
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.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 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.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비는 1:10 내지 10:1일 수 있다. 구체적으로 본 명세서의 상기 전자받개 물질과 전자주개 물질의 질량비는 1: 0.5 내지 1: 5일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자주개 물질은 적어도 한 종의 전자 공여체; 또는 적어도 한 종의 전자수용체와 적어도 한 종의 전자 공여체의 중합체를 포함할 수 있다. 상기 전자 공여물질은 적어도 한 종의 전자 공여체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전자 공여물질은 적어도 한 종의 전자 수용체와 적어도 한 종의 전자 공여체의 중합체를 포함한다.
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 있어서, 상기 전자받개 물질은 플러렌 유도체 또는 비플러렌 유도체일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 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 있어서, 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 있어서, 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 비 플러렌유도체에 비하여, 전자-정공 쌍(exciton, electron- hole pair)을 분리하는 능력과 전하 이동도가 우수해 효율 특성에 유리하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 광활성층은 전자주개 물질 및 전자받개 물질이 벌크헤테로 정션(BHJ: bulk heterojunction)을 형성할 수 있다. 본 명세서의 상기 광활성층은 상기 전자주개 물질 및 전자받개 물질이 혼합된 후에 특성을 최대화 시키기 위하여 30 ℃ 내지 300 ℃에서 1 초 내지 24 시간동안 어닐링할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 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 ℃ ~ 160 ℃에서 열처리하여 전도성 고분자의 결정성을 높여주는 것이 좋다. 구체적으로, 본 명세서의 유기태양전지는 역방향(inverted) 구조이며, 이 경우 120 ℃로 어닐링 전처리(pre-annealing)를 할 수 있다.
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 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. 이 경우, 주로 전도성 고분자 용액으로서 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트) [PEDOT:PSS]이 사용되며, 정공추출금속 산화물(hole-extracting metal oxides) 물질로는 몰리브덴 산화물(MoOx), 바나듐 산화물(V2O5), 니켈 산화물(NiO), 텅스텐 산화물(WOx) 등을 사용할 수 있다. 본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 정공 수송층은 MoO3를 열증착 시스템을 통해 10 nm 내지 20 nm 의 두께로 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 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 실시상태는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 2 이상의 광활성층을 포함하는 2층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 상기 유기물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 및 적어도 2개의 인접하는 상기 광활성층 사이에 구비된, 2 이상의 금속을 포함하는 금속막을 포함하는 중간층을 형성하는 단계를 포함하는 상기 텐덤형 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 중간층을 형성하는 단계는 어느 하나의 광활성층 상에 금속 산화물층을 형성하고, 상기 금속 산화물층 상에 금속막을 형성하며, 상기 금속막 상에 고분자 전해질층을 형성하는 것일 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]
기판 상에 제1 전극으로서 ITO를 형성하고, ITO 상에 PEI를 이용하여 전자수송층을 형성하였다. PC71BM 및 전자주개물질을 이용하여 상기 전자수송층 상에 제1 광활성층을 형성하고, 상기 제1 광활성층 상에 중간층을 형성하였다. 상기 중간층은 상기 제1 광활성층 상에 MoO3를 증착 방법으로 형성하고, Al을 증착하여 Al층을 형성하고, 상기 Al층 상에 Ag을 증착하여 금속막을 형성한 후, PEI를 이용하여 고분자 전해질층을 형성하였다. 나아가, 상기 중간층 상에 PC71BM 및 전자주개물질을 이용하여 상기 제1 광활성층과 동일한 제2 광활성층을 형성하고, 상기 제2 광활성층 상에 MoO3를 증착 방법을 이용하여 정공수송층을 형성하였다. 나아가, 상기 정공수송층 상에 Ag를 이용하여 제2 전극을 형성하여 텐덤형 유기태양전지를 제조하였다.
상기 실시예 1에 따른 인버티드 구조의 텐덤형 유기발광소자의 물성은 하기 표 1에 나타내었다.
Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF η
(%)
실시예 1 1.697 7.229 0.652 8.00
[ 비교예 1]
기판 상에 제1 전극으로서 ITO를 형성하고, ITO 상에 PEI를 이용하여 전자수송층을 형성하였다. PC71BM 및 전자주개물질을 이용하여 상기 전자수송층 상에 광활성층을 형성하고, 상기 광활성층 상에 MoO3를 이용하여 정공수송층을 형성하였다. 나아가, 상기 정공수송층 상에 Ag를 이용하여 제2 전극을 형성하여 유기태양전지를 제조하였다.
상기 비교예 1에 따라 제조된 유기태양전지의 물성은 하기 표 2에 나타내었다.
Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF η
(%)
비교예 1 0.826 12.495 0.617 6.37
도 2는 상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 유기태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
본 명세서에서 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)을, η는 에너지 변환 효율을 의미한다. 또한, 태양광 조사 조건 하에서 유기태양전지의 전압에 따른 전류 밀도 곡선은 유기태양전지가 얼마나 효율적으로 에너지를 생산하고 있는지를 나타낸다. 전압-전류 밀도 곡선의 4 사분면에서 X축과 Y축 절편은 각각 개방전압과 단락 전류를 나타내며, 이 두 값이 높을수록 태양전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한 이 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 넓이를 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값을 충전율(Fill factor)라 부르며, 이 또한 수치가 높을수록 효율에 바람직하다.
구체적으로, 도 2에서 알 수 있듯이, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 텐덤형 유기태양전지는 비교예 1의 유기태양전지에 비하여 높은 충전율 및 에너지 변환 효율을 나타내는 것을 알 수 있다.
[ 비교예 2]
Al층만을 금속막으로 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 텐덤형 유기태양전지를 제조하였다.
상기 비교예 2에 따라 제조된 텐덤형 유기태양전지의 물성은 하기 표 3에 나타내었다.
도 4는 비교예 2에 따른 텐덤형 유기태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF η
(%)
비교예 2 1.064 4.864 0.198 1.04
금속층을 Al 층만을 사용하여 텐덤형 유기태양전지를 제조하는 경우, 상기 표 3에서 알 수 있듯이 효율이 매우 저조한 것을 알 수 있다.
[ 실시예 2]
중간층 상에 형성되는 광활성층을 P3HT:ICBA을 이용하여 형성한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 텐덤형 유기태양전지를 제조하였다.
상기 실시예 2는 중간 전극의 역할을 하는 중간층의 유기 용매에 대한 내성을 확인하기 위하여, 중간층 상에 구비되는 광활성층을 P3HT:ICBA을 이용하여 형성하였다. 구체적으로, P3HT:ICBA는 ODCB(orthodichlorobenzene) 용매를 이용하여 형성하게 되며, 이 경우 유기 용매에 의한 하부 광활성층이 손상되지 않고 텐덤형 유기태양전지를 제조할 수 있었다.
실시예 2에 따라 제조된 텐덤형 유기태양전지의 물성은 하기 표 4에 나타내었다.
도 5는 실시예 2에 따른 텐덤형 유기태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것이다.
Voc
(V)		 Jsc
(mA/cm2)		 FF η
(%)
실시예 2 1.408 4.792 0.593 4.00
[ 비교예 3]
Ag층만을 금속막으로 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 텐덤형 유기태양전지를 제조하는 경우, 유기용매에 대한 내성이 작기 때문에 소자를 형성할 수 없었다.
일반적으로, 템덤형 유기태양전지의 구조에서 사용되는 중간전극은 유기용매에 대한 내구성이 크지 않기 때문에 끓는점이 낮은 유기 용매인 CF(chloroform), CB(chlorobenzene)를 주로 사용한다. 또한, 끓는점이 높은 유기 용매인 ODCB를 사용하더라도 최대 2분정도 내외에서 상기 용매를 증발시켜야 한다. 상기 비교예 3의 경우, Ag층이 유기 용매에 대한 내성이 매우 작기 때문에 소자를 형성할 수 없었다.
하지만, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 텐덤형 유기태양전지는 유기 용매의 증발을 천천히 시켜도 광활성층을 녹이지 않고 소자를 구성 할 수 있는 장점이 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 텐덤형 유기태양전지는 ODCB를 15분 이상 천천히 증발시키더라도 하부의 광활성층이 손상되지 않는다.

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 구비된 제1 전극;
    상기 제1 전극과 대향하여 구비된 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 2 이상의 광활성층을 포함하는 2층 이상의 유기물층; 및
    적어도 2개의 인접하는 상기 광활성층 사이에 구비된 중간층을 포함하고,
    상기 중간층은 2 이상의 금속을 포함하는 금속막을 포함하는 것인 텐덤형 유기태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간층은 금속 산화물층 및 고분자 전해질층을 더 포함하며, 상기 금속막은 상기 금속 산화물층 및 상기 고분자 전해질층 사이에 구비된 것인 텐덤형 유기태양전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속막은 제1 금속 및 제2 금속이 혼합되어 구비된 것인 텐덤형 유기태양전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속막은 제1 금속막 및 상기 제1 금속막 상에 구비된 제2 금속막을 포함하고,
    상기 제1 금속막은 제1 금속을 포함하고 상기 제1 전극에 가까이 구비되며, 상기 제2 금속막은 제2 금속을 포함하고 상기 제2 전극에 가까이 구비되는 것인 텐덤형 유기태양전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 금속막은 물리적으로 연속하여 구비되고,
    상기 제2 금속막은 서로 이격된 2 이상의 섬(island)형상으로 상기 제1 금속막 상에 구비되거나, 또는 서로 이격된 2 이상의 섬(island)형상으로 상기 제1 금속막을 관통하여 구비되는 것인 텐덤형 유기태양전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속막의 두께는 1 ㎚ 이상 6 ㎚ 이하인 것인 텐덤형 유기태양전지.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 금속막 및 상기 제2 금속막의 두께는 각각 1 ㎚ 이상 3 ㎚ 이하인 것인 텐덤형 유기태양전지.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속 산화물층의 두께는 10 ㎚ 이상 20 ㎚ 이하인 것인 텐덤형 유기태양전지.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 고분자 전해질층의 두께는 1 ㎚ 이상 10 ㎚ 이하인 것인 텐덤형 유기태양전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속막은 Ag, Al, Ni 및 Au로 이루어진 군에서 선택되는 2 이상의 금속을 포함하는 것인 텐덤형 유기태양전지.
  11. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 금속은 Al 또는 Ni이고, 상기 제2 금속은 Ag 또는 Au인 것인 텐덤형 유기태양전지.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속 산화물층은 Mo 산화물, V 산화물, Ni 산화물, Ti 산화물 및 Zn 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상을 포함하는 것인 텐덤형 유기태양전지.
  13. 청구항 2에 있어서,
    상기 고분자 전해질층은 PEI(poly ethylene imine), PEIE(ethoxylated polyethyleneimine), PFN(Poly[(9,9-bis(3′-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-ioctylfluorene)]), 및 PAA(Polyacrylic acid) 로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상을 포함하는 것인 텐덤형 유기태양전지.
  14. 청구항 2에 있어서,
    상기 텐덤형 유기태양전지는 상기 제1 전극이 캐소드이고, 상기 제2 전극이 애노드인 인버티드 구조이고,
    상기 금속 산화물층은 상기 제1 전극에 가까이 구비되고, 상기 고분자 전해질층은 상기 제2 전극에 가까이 구비된 것인 텐덤형 유기태양전지.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 금속막은 Al를 포함하는 제1 금속막 및 Ag을 포함하는 제2 금속막이 접하여 구비되고,
    상기 제1 금속막은 상기 제1 전극에 가까이 구비되고, 상기 제2 금속막은 상기 제2 전극에 가까이 구비된 것인 텐덤형 유기태양전지.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간층은 디클로로벤젠에 20분 이상 노출시 손상율이 5 % 미만인 것인 텐덤형 유기태양전지.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간층은 적어도 2개의 인접하는 상기 광활성층과 각각 접하여 구비되는 것인 텐덤형 유기태양전지.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간층의 광투과도는 600 nm 파장의 빛에서 85 % 이상 95 % 이하인 것인 텐덤형 유기태양전지.
  19. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 2 이상의 광활성층을 포함하는 2층 이상의 유기물층을 형성하는 단계;
    상기 유기물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 및
    적어도 2개의 인접하는 상기 광활성층 사이에 구비된, 2 이상의 금속을 포함하는 금속막을 포함하는 중간층을 형성하는 단계를 포함하는
    청구항 1 내지 18 중 어느 한 항에 따른 텐덤형 유기태양전지의 제조방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 중간층을 형성하는 단계는 어느 하나의 광활성층 상에 금속 산화물층을 형성하고, 상기 금속 산화물층 상에 금속막을 형성하며, 상기 금속막 상에 고분자 전해질층을 형성하는 것인 텐덤형 유기태양전지의 제조방법.
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US10662313B2 (en) 2016-06-03 2020-05-26 Lg Chem, Ltd. Organic electronic element and method for manufacturing same

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10662313B2 (en) 2016-06-03 2020-05-26 Lg Chem, Ltd. Organic electronic element and method for manufacturing same
KR20190002126A (ko) * 2017-06-29 2019-01-08 코오롱인더스트리 주식회사 유기 태양전지 모듈을 포함하는 스마트 윈도우
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