KR20160094704A - 이테르븀층과 버퍼층을 구비하는 스마트 윈도우용 투명 유기 태양전지 - Google Patents

이테르븀층과 버퍼층을 구비하는 스마트 윈도우용 투명 유기 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양극으로 다층 투명 박막전극을 사용하고, 음극으로 금속 투명전극을 사용하였음에도 광전효율과 유연성이 높은 스마트 윈도우용 투명 유기 태양전지에 관한 것이다.
본 발명의 유기 태양전지는 양극으로 다층 투명 박막을 사용하고, 음극으로도 Ag를 포함한 금속 투명전극을 사용하였음에도 광전효율과 유연성이 우수하여 스마트 윈도우용 태양전지 소자로 사용될 수 있다. 일반적으로 음극으로 낮은 면저항을 가진 유전체/금속/유전체 구조를 사용하는 경우 전자차단(electron blocking) 현상으로 광전효율이 떨어지는 문제점이 있었으나, 본원발명에서는 이테르븀층과 버퍼층을 유기활성층과 음극의 금속층 사이에 위치시켜 시리즈 저항 감소, Jsc 및 FF 향상으로 광전 변환 효율을 높일 수 있었다.

Description

이테르븀층과 버퍼층을 구비하는 스마트 윈도우용 투명 유기 태양전지{Transparent organic photovoltaic cell for smart window comprising ytterbium and buffer layer}
본 발명은 이테르븀층과 버퍼층을 구비하는 스마트 윈도우용 투명 유기 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양극으로 다층 투명 박막전극을 사용하고, 음극으로 이테르븀 하이브리드 소재를 투명전극으로 사용하여 광전효율과 유연성이 높은 스마트 윈도우용 투명 유기 태양전지에 관한 것이다.
태양전지란 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 최근 환경 문제와 고유가 문제에 직면하여 청정 대체에너지 기술의 일환으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 이 중, 유기 태양전지는 광활성층으로 사용되는 유기 분자의 흡광계수가 높아 얇은 소자로 제작이 가능하고, 간편한 제법과 낮은 설비 비용으로 제조할 수 있으며, 유기물의 특성상 굽힘성 및 가공성 등이 좋아 다양한 분야에 응용할 수 있는 여러 장점이 있다.
종래의 일반적인 유기 태양전지(conventional organic solar cell) 구조는 도 1 도시된 바와 같이 기판(1)/제1 전극(2)/정공수송층(3)/광활성층(4)/전자수송층(5)/제2 전극(6)으로 구성되며, 높은 일함수를 가진 투명 전극인 ITO(indium tin oxide) 전극을 제1 전극(2, 양극)으로, 낮은 일함수를 가진 Al 또는 Ca 등을 제2 전극(6, 음극) 물질로 사용한다.
제1 전극(2)과 광활성층(4) 사이에 삽입된 정공수송층(150) 및 음극(6)과 광활성층(4) 사이에 삽입된 전자수송층(3)은 분리된 정공 및 전자의 이동· 수집 효율을 향상시킬 수 있는 버퍼층(buffer layer)으로서의 역할을 수행한다.
그러나, 종래 유기태양전지는 양극으로 사용되는 ITO의 가격이 비싸 고, 또한 유연소자에 사용될 수 없는 문제가 있었다. 이를 대체하기 위해 Conducting Polymer(PEDOT), Carbon Nanotube(CNT), Graphene, Metal Nanowire, Oxide Semiconductor 등 5가지 분류로 나누어 연구가 진행되고 있다.
Conducting Polymer(PEDOT)은 flexibility와 간단한 printing 공정이라는 장점을 가지고 있지만 산의 특성으로 인한 안정성 저하, 높은 가시광 투과도를 만들기 위해서는 수백의 큰 면저항을 가진다. Carbon Nanotube(CNT)는 flexibility, 공기 중에서 높은 안정성을 가지고 간단한 coating으로 박막을 형성한다는 장점이 있지만 불순물이 없게 CNT를 만드는 공정과 패턴시 wet etching을 사용해야 하는 어려움이 있다. 또한 박막을 형성 후 morphology의 영향이 커서 적층 공정에 적합하지 않다. Graphene은 mobility, transmittance, flexibility의 장점이 있지만 Chemical Vapor Deposition(CVD) 공정을 사용하여야 하는 어려움이 있고 uniform한 Graphene을 형성하는 것이 어렵다. Metal nanowire는 로드만 잘 형성된다면 면저항이 낮고 flexible하며 간단한 coating으로 박막을 형성할 수 있다는 장점이 있다.
하지만 wet etching이나 laser etching을 이용하여야 하기 때문에 패턴 시 어려움이 있고 유독하다. Oxide Semiconductor 계열은 면저항, 투과도, flexibility 측면에서 장점이 있지만 vacuum based system을 사용해야 한다는 단점이 있었다.
본 발명은 산화 반도체 물질을 활용하여 ITO를 대체할 수 있는 유기태양 소자를 제공하고자 한다.
본 발명은 ITO 전극을 사용하지 않고도 광전효율이 높은 유기태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 이테르븀 하이브리드 소재를 활용하여 투명하면서도 안정성이 우수하고 유연한 음극 전극을 제공하는 것이다.
본 발명은 유연하면서도 투명한 새로운 유기태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양상은
다층 박막으로 이루어진 투명 양극 ;
상기 양극 전극 상에 형성된 유기 광활성층 ; 및
상기 유기 광활성층 상에 형성된 투명 음극을 포함하는 유기 태양전지로서, 상기 투명 음극은 이테르븀(ytterbium)층, 버퍼층 및 금속층을 포함하는 투명 유기 태양전지에 관계한다.
본 발명의 유기 태양전지는 양극으로 다층 투명 박막을 사용하고, 음극으로도 Yb와 Ag를 포함한 금속 하이브리드 소재를 투명전극으로 사용하였어도 광전효율과 유연성이 우수하여 스마트 윈도우용 태양전지 소자로 사용될 수 있다. 일반적으로 음극으로 낮은 면저항을 가진 유전체/금속/유전체 구조를 사용하는 경우 전자차단(electron blocking) 현상으로 광전효율이 떨어지는 문제점이 있었으나, 본원발명에서는 이테르븀층과 n형 버퍼층을 유기활성층과 음극의 금속층 사이에 위치시켜 시리즈 저항 감소, Jsc 및 FF 향상으로 광전 변환 효율을 높일 수 있었다.
도 1은 기본 구조의 유기 태양전지를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 투명 유기 태양전지를 나타낸다.
도 3은 비교예 2의 유기 태양전지를 나타낸다.
도 4는 실시예 1(cell 1), 비교예 1(cell2), 비교예 2(cell 3)의 J-V 커브를 나타낸다.
도 5는 실시예 2~5, 비교예 3에서의 양극 전극에서 가시광 투과도와 면저항을 측정하여 비교한 것이다.
도 6은 실시예 6~9와 비교예 4에서의 가시광 투과도와 면저항을 측정하여 비교한 것이다
도 7은 참고예 1~4의 J-V 커브를 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 유기태양전지의 유기광활성층/Yb/BCP층과 동일한 샘플을 별도로 제조하여 TOF-SIMS(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy) 곡선을 측정한 것이다.
이하에서, 본 발명을 상술한다.
도 2는 본 발명의 투명 유기 태양전지를 나타낸다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 투명 유기 태양전지는 투명 양극(10), 유기광활성층(20) 및 투명음극(30)을 포함한다.
상기 투명 양극(10)은 유전체층(11)/금속층(12)/유전체층(13) Dielectric/Metal/Dielectric)로 된 다층 박막 구조로 형성된다.
상기 투명 양극은 기판(미도시) 상에 형성될 수 있다. 상기 기판으로는 유리, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타클릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에트르술폰 등의 투명재질이면 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 유전체층(11, 13)은 MoO3(Molybdenum oxide), WO3(Tungsten oxide), V2O5(Vanadium oxide) 및 CrO3(Chromium oxide) 중에서 선택되는 물질로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 WO3(Tungsten oxide)일 수 있다.
상기 유전체층(11)은 반사방지층(anti-reflection coating layer)으로서 전극의 가시광 투과도를 높여 주고, 또한, 금속 전극의 산화를 막아주는 캡핑층(capping layer)의 역할을 동시에 한다. 상기 유전체층(11)의 두께는 0 초과 40nm 미만, 바람직하게는 10~30nm 일 수 있다.
상기 금속층(12)은 금, 은 알루미늄,구리 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다. 상기 금속층은 투명 양극에서 금속 전극 역할을 한다. 상기 금속층은 면저항이 급격히 감소하지 않고 투과도가 높도록 그 두께를 8~12nm 범위로 사용할 수 있다.
상기 유전체층(13)은 정공 전달층으로서 그 두께는 5~15nm 일 수 있다.
상기 양극 및 음극은 면저항 5~30Ω/□, 바람직하게는 5~10Ω/□ 이고, 투과도가 70~90%, 바람직하게는 85~90%일 수 있다.
상기 유기 광활성층(20)은 상기 양극(10) 전극 상에 위치하며, 바람직하게는 상기 유전체층(13) 상에 위치할 수 있다.
상기 유기 광활성층(20)은 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 혼합 용액을 도포한 후 용매를 건조시키는 용액공정을 통해 형성할 수 있다. 상기 도포 공정은 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이드 코팅 및 잉크젯 프린팅 등 공지된 통상의 코팅법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 스핀 코팅법에 의해 수행될 수 있다.
상기 전자 주개 물질은 외부에서 입사된 태양광을 흡수하여 전자-정공쌍을 형성하는 한편, 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 p-n 접합 계면에서 분리된 정공을 양극 방향으로 이동시키는 역할을 한다. 예를 들어, 상기 전자 주개 물질은 p형 반도체로 사용 가능한 공액 고분자일 수 있으며, 폴리티오펜(polythiophene)계, 폴리플루오렌(polyfluorene)계, 폴리아닐린(polyaniline)계, 폴리카바졸(polycarbazole)계, 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole)계, 폴리페닐렌(polyphenylene)계, 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene)계, 폴리실란(polysilane)계, 폴리티아졸(polythiazole)계 또는 이들의 공중합체일 수 있다.
한편, 상기 전자 받개 물질은 광활성층(40) 내 p-n 접합 계면에서 분리된 전자를 음극 방향으로 이동시키는 역할을 한다. 상기 전자 받개 물질은 n형 반도체로 사용 가능한 플러렌(fullerene) 및 PC61BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC71BM([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester), PC81BM([6,6]-phenyl-C81-butyric acid methyl ester)과 같은 플러렌 유도체 등일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 투명음극(30)은 상기 유기 광활성층(20) 상에 위치한다. 상기 투명 음극(30)은 이테르븀(ytterbium)층(31), n형 버퍼층(32) 및 금속층(33)을 포함한다.
상기 금속층(23)은 투명 양극에서 사용된 금속층(12)과 동일하거나 다른 금속을 사용할 수 있다. 상기 금속층(33)은 금, 은 알루미늄,구리 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다. 상기 금속층(33)은 두께가 8~12nm 일 수 있다.
본 발명에서는 Yb층과 금속층(Ag 등)의 금속 하이브리드 소재를 투명음극 전극으로 사용한다.
상기 이테르븀층(31)은 100% 이테르븀일 수 있다. 상기 이테르븀층의 두께는 0초과 10nm 미만, 바람직하게는 2~4nm 일 수 있다.
상기 이테르븀은 높은 전자 전달능력을 가지며 또한, dense한 성질로 낮은 저항을 가진다. 특히 상기 이테르븀은 낮은 일함수(2.6 eV)를 가지고 있어 투명 음극의 계면저항을 감소시킬 수 있다.
상기 버퍼층(32)은 BCP(Bathocuproine), BPhen (4, 7-diphenyl-1,10-phenanthroline), BmPyPb((1,3-bis(3,5-dipyrid-3-yl-phenyl)benzene), B4PyMPM (4,6-Bis(3,5-di(pyridin-4-yl)phenyl)-2-methylpyrimidine) 를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 BCP(Bathocuproine)층일 수 있다. 상기 버퍼층은 전자전달층이다. 상기 버퍼층의 두께는 0초과 10nm 미만, 바람직하게는 2~4nm 일 수 있다.
상기 투명 음극은 상기 유기 광활성층에서부터 이테르븀(ytterbium)층(31), 버퍼층(32) 및 금속층(33)이 순차로 적층될 수 있다.
상기 투명 음극에서 상기 이테르븀(ytterbium)층(31)과 상기 금속층(33)이 비접촉하여 위치하는 것이 바람직하다. 상기 이테르븀(ytterbium)층과 상기 금속층이 직접적으로 접촉하는 경우 소자의 효율이 현저히 떨어진다.
상기 이테르븀이 상기 유기광활성층 표면에서부터 소정 깊이로 도핑될 수 있다. 상기 이테르븀이 유기광활성층 표면 아래로 0~30nm 깊이로 도핑될 수 있다. 상기 이테르븀층(31)을 상기 유기 광활성층(20)에 열증착하는 경우, 이테르븀이 상기 유기 광활성층에 침투하여 도핑될 수 있다.
상기 이테르븀층(31)은 유기 태양전지 소자의 Rs 감소, 전자-정공의 재결합(recombination) 감소 및 전자 전달 속도(mobility) 증가를 유도한다.
상기 투명 음극(30)은 상기 금속층 상에 캡핑층(capping)(34)을 추가로 포함한다. 상기 캡핑층의 두께가 0초과 40nm 미만, 바람직하게는 10~30nm 일 수 있다.
상기 캡핑층(34)은 반사방지층(anti-reflection coating layer)으로서 전극의 가시광 투과도를 높여 주고, 또한, 금속 전극의 산화를 막아줄 수 있다.
다른 양상에서 본 발명은 투명 유기 태양전지를 제조하는 방법에 관계한다.
상기 방법은 기판 상에 다층박막으로 이루어진 투명 양극을 증착하는 단계 ; 상기 투명 양극 전극 상에 유기 광활성층을 코팅하는 단계 ; 및 상기 유기 광활성층 상에 투명 음극을 증착하는 단계를 포함한다.
상기 투명 양극(10)은 상기 기판 상에 순차로 유전체층(11), 금속층 (12)및 유전체층(13)을 증착시키는 단계를 포함한다.
상기 투명 양극(10)은 열기상증착법, 전자빔증착법, 스퍼터링법 및 화학적 증착법 등에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에서는 상기 유전체층(11)의 두께를 제어하여 면저항과 투과도를 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 유전체층(11, 13)이 텅스텐 옥사이드이고, 금속이 은(Ag)이고, 상기 유전체층(13), 금속층의 두께가 각각 10nm로 고정된 경우, 상기 유전체층(11)의 두께가 30nm일 때 최적의 면저항과 투과도를 보여줄 수 있다.
유전체 물질은 두께에 따라 면저항이 커지기 때문에 면저항을 감소시킬 필요가 존재한다. 본 발명의 방법은 유전체층(11) 증착 과정 중에 산소 공간(Oxygen vacancy)을 만들어 면저항 변화를 감소시킬 수 있다. 좀 더 구체적으로는, 열증착(Thermal evaporation)시 과량의 전류를 가해 증착 온도를 끓는점보다 높은 온도로 높여 산소 공간(Oxygen vacancy)을 만들 수 있다.
유기 광활성층(20) 형성방법은 종래 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 일예로 상기 전자수용체와 전자공여체를 소정 비율로 혼합하여 투명 양극전극(10) 상에 스핀코팅하여 형성할 수 있다.
상기 투명 음극 증착단계는 상기 유기 광활성층에서부터 이테르븀(ytterbium)층, 버퍼층 및 금속층을 순차로 적층할 수 있다. 상기 투명 음극에서 상기 이테르븀(ytterbium)층(31)과 상기 금속층(33)이 비접촉하여 위치하도록 증착할 수 있다.
상기 투명 음극(30)은 열기상증착법, 전자빔증착법, 스퍼터링법 및 화학적 증착법 등에 의해 형성될 수 있다. 상기 투명 음극에 대해서는 앞에서 상술한 내용을 참고할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
본 발명에서는 WO3-X/Ag/WO3-X/P3HT:PCBM(2100Å)/ Yb/ BCP/ Ag/ WO3-X 구조로 유기 태양전지를 제조하였다. 우선, 박막을 형성하기 이전에 먼저 기판으로 사용될 ITO 유리 기판을 증류수, 아세톤, isopropyl alcohol로 각각 15분씩 초음파 처리해준 다음 80℃ 에서 60분간 건조하여 준비하였다. 상기 ITO 유리 기판에 UV-ozone 처리를 15분간 수행 한 후, 증발 챔버(ULVAC VTR-300M/1ERH evaporator, Japan) 에 넣었다. 10-6torr압력 하의 진공 챔버 내에서 상기 ITO 유리 기판 상에 WO3-X/Ag/WO3-X 박막 제조를 위해, tungsten oxide, silver, tungsten oxide의 순서대로 증착하였다. tungsten oxide 의 capping layer의 증착 속도는 1.0 A이고 buffer layer로 쓰이는 tungsten oxide의 증착 속도는 0.2 A로 조절하였다.
P3HT, PCBM의 무게비를 1:1로 맞춘 후 1,2-cholorobenzene (1.7 mg/ml) 질소 분위기에서 60도, 48시간 이상 교반 한다. 유리 기판의 박막 위에 700rpm, 30s로 코팅을 한 후 곧바로 petri dish로 옮긴 다음 solvent annealing을 약 30분간 진행한 뒤 120도 에서 10분간 열처리 하였다.
진공 챔버 내에서 상기 열처리한 기판에 Yb, BCP, Ag 및 WO3을 차례로 증착하였다. Ytterbium은 증착 속도 0.2 ABCP는 증착 속도 0.4 A이며 silver의 증착 속도는 4.5~5 AWO3의 증착 속도는 1.0 A이다. 챔버의 압력은 10-6torr(ULVAC VTR-300M/1ERH evaporator, Japan) 이다.
비교예 1
Yb를 유기 광활성층(P3HT:PCBM)에 증착하지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
비교예 2
PH 1000 (1600Å)/ PEIE (2Å)/ P3HT:PCBM (2100Å)/ PH 1000 (1500Å) 구조의 유기태양전지를 하기와 같이 제조하였다. 도 3에 비교예 2의 구조를 기판(210), PH 1000(220), PEIE(230), P3HT:PCBM(240), PH 1000(250)로 표시하였다.
먼저, 음극 전극으로 사용될 PH 1000 고분자 용액을 기판에 선택적으로 도포하기 위해 3M 테이프를 이용하여 유리 기판을 패턴한 후 UV-ozone 처리를 15분간 진행하였다. PH 1000 용액을 4000 rpm 으로 1분간 스핀코팅 한 후 150도에서 15분간 열처리하였다. 미리 준비 해둔 메탄올에 기판을 15분간 dipping 한 후 건조 후 형성된 박막 위에 PH 1000 용액을 다시 선택적으로 drop 후 2000 rpm 으로 1분간 스핀코팅하고 150도 에서 15분간 열처리 하였다. 형성된 고분자 박막에 polyethylenimine ethoxylated (PEIE) 를 5000rpm으로 코팅한 다음 120도에서 10분간 열처리하였다.
양극 전극은 PH 1000 용액에 dimethyl-suphoxide(DMSO) 5 vol%, Zonyl FS-300 fluorosurfactant 0.5 vol%를 첨가 한 후 3 시간 동안 교반한다. P3HT:PCBM 박막 위에 1500 rpm 30초로 스핀코팅 한 후 미리 준비 해둔 PDMS STAMP 를 이용하여 원하지 않는 부분의 박막을 열처리를 함과 동시에 뜯어내었다. 패턴 된 박막은 12도에서 10분간 최종 열처리 한다.
실시예 2~5 및 비교예 3
양극 제조에 있어서, 하단에 위치하는 tungsten oxide 층의 두께를 0(비교예 3), 10nm(실시예 2), 20nm(실시예 3), 30nm(실시예 4), 40nm(실시예 5)로 조절하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 6~9 및 비교예 4
음극 제조에 있어서, 상단에 위치하는 tungsten oxide 층의 두께를 0(비교예 4), 10nm(실시예 6), 20nm(실시예 7), 30nm(실시예 8), 40nm(실시예 9)로 조절하는 것을 제외하고 제조예를 실시하였다.
참고예 1
ITO/ PEDOT:PSS/ P3HT:PCBM/ Yb/ BCP/Ag 구조의 유기태양전지를 제조하였다.
유리 기판 위에 코팅된 ITO(Indium Tin Oxide) (15 Ω≤, 2000 Å) 를 원하는 패턴으로 염산(HCl)에 에칭(etching) 한 후, 증류수, 아세톤, 2-프로판올(2-propanol)에 60분 동안 초음파 세척하였다. 그 후 80℃ 진공오븐(vacuum oven)에 넣어 1시간 동안 건조시켰다. PEDOT:PSS 용액은 점성을 낮춰 코팅을 원활하게 하기 위해 메탄올(methanol)과 1:1로 혼합한 다음, 2500 rpm으로 40초간 스핀 코팅을 하여 300 Å 정도 두께의 PEDOT:PSS 층을 형성하였다.
이 후, PEDOT:PSS 층상에 P3HT:PCBM 광활성층과 Yb/ BCP/Ag 층을 형성하는 공정은 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
참고예 2
ITO/ PEDOT:PSS/ P3HT:PCBM/ BCP/ Yb/ Ag 구조의 유기 태양전지를 제조하였다. BCP층을 먼저 증착한 후 Yb 층을 증착하는 것을 제외하고 참고예 1과 동일하게 수행하였다.
참고예 3
ITO/ PEDOT:PSS/ P3HT:PCBM/ Yb/ Ag 구조의 유기 태양전지를 제조하였다. BCP층을 증착하지 않는 것을 제외하고 참고예 1과 동일하게 수행하였다.
참고예 4
ITO/ PEDOT:PSS/ P3HT:PCBM/ BCP/ Ag 구조의 유기 태양전지를 제조하였다. Yb층을 증착하지 않는 것을 제외하고 참고예 1과 동일하게 수행하였다.
도 4는 실시예 1(cell 1), 비교예 1(cell2), 비교예 2(cell 3)의 J-V 커브를 나타내고, 표 1은 광전변환 효율을 나타낸 것이다.
Figure pat00001
도 4 및 표 1을 참고하면, 실시예 1이 비교예 1 및 2에 비해 각각 1 %, 0.4 %의 광전 변환 효율 향상을 보였다. 실시예 1의 광전변환 효율은 기존 ITO를 사용한 투명 유기 태양전지의 효율과 거의 유사하므로 본원발명의 WO3-X/Ag/WO3-X의 양극과 BCP/ Ag/ WO3-X의 음극이 ITO를 대체할 수 있는 전극임을 보여준다.
도 5는 실시예 2~5, 비교예 3에서의 양극 전극에서 가시광 투과도와 면저항을 측정하여 비교한 것이다. 도 6은 실시예 6~9와 비교예 4에서의 가시광 투과도와 면저항을 측정하여 비교한 것이다.
도 5를 참고하면, 양극 전극은 비교예 3 소자(WO3-X 박막의 두께가 0 nm일 때) 520 nm 파장에서 투과도 77%이고 면저항 7.64 Ω/□, 실시예 2(박막 두께가 10 nm일 때) 투과도 85 %이고 면저항 7.5 Ω/□, 실시예 3(박막의 두께가 20 nm 일 때) 투과도 84%이고 6.48 Ω/□, 실시예 4(박막 두께가 30 nm 일 때) 투과도 90 %이고 면저항 5.83 Ω/□, 실시예 5(박막 두께가 40 nm 일 때) 투과도 70 %이고 면저항 5.45 Ω/□ 이다. 이 중 실시예 4일 때 최적치를 보였다.
도 6을 참고하면, WO3-X가 증착되지 않은 비교예 4 소자는 520 nm 파장대에서 70 % 이하의 투과도를 보였고 면저항 6.54 Ω/□를 나타내었다. 실시예 6(WO3-X의 두께 10 nm)에서는 투과도 78%, 면저항 7.16 Ω/□, 실시예 7에서는 투과도 93 %, 면저항 7.16 Ω/□, 실시예 8에서는 투과도 85 %, 면저항 19.16 Ω/□, 실시예 9에서는 투과도 86 %, 면저항 26.63 Ω/□을 나타내었다. 실시예 7에서 가장 최적의 값을 나타내었다.
도 7은 참고예 1~4의 J-V 커브를 나타낸 것이다. 도 7을 참고하면, Yb/BCP/Ag(참고예 1), BCP/Ag(참고예 4), BCP/Yb/Ag(참고예 2), Yb/Ag(참고예 3) 순으로 효율이 작고 Rs가 큰 값을 보였다. 공통적으로 Yb와 Ag가 직접적으로 맞닿아 있는 소자의 효율이 현저하게 떨어지는 것을 알 수 있다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 유기태양전지의 유기광활성층/Yb/BCP층과 동일한 샘플을 별도로 제조하여 TOF-SIMS(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy) 곡선을 측정한 것이다.
상기 샘플은 BCP(30nm)/Yb(2nm)/P3HT:PCBM(100nm)/glass로 제작을 하였고 BCP가 top인 방향에서 Ar-Cluster를 사용하여 sputtering 시켰다. Ar source로 파 내려가면서 secondary ion의 mass를 측정하여 소자의 깊이에 따른 특정 물질의 분포를 point to point normalized intensity와 intensity로 도 8에 나타내었다. 그 결과 Yb가 광활성층인 P3HT:PCBM 층에 30 nm 정도 침투하여 doping되는 현상을 보였다. 본 발명의 유기태양전지 소자에서 Rs의 수치의 감소와 mobility의 증가는 Yb 입자가 유기 광활성층 계면으로의 도핑도 영향을 미치는 것으로 파악된다.
지금까지 본 발명의 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본질적인 특성에 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 투명양극 11 : 유전체층
12 : 금속층 13 : 유전체층
20 : 유기광활성층
30 : 투명음극 31 : 이테르븀층
32 : 버퍼층 33 : 금속층
34 : 캡핑층

Claims (15)

  1. 다층 박막으로 이루어진 투명 양극 ;
    상기 양극 전극 상에 형성된 유기 광활성층 ; 및
    상기 유기 광활성층 상에 형성된 투명 음극을 포함하는 유기 태양전지로서, 상기 투명 음극은 이테르븀(ytterbium)층, n형 버퍼층 및 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 투명 음극은 상기 유기 광활성층에서부터 이테르븀(ytterbium)층, 버퍼층 및 금속층이 순차로 적층된 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 투명 음극은 상기 이테르븀(ytterbium)층과 상기 금속층이 비접촉하여 위치하는 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 음극은 상기 금속층 상에 캡핑층(capping)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 이테르븀층의 두께는 0초과 10nm 미만인 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 버퍼층의 두께는 0초과 10nm 미만이고, 상기 금속층의 두께는 8~12nm 인 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 캡핑층의 두께가 0초과 40nm 미만인 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 투명 유기 태양전지는 이테르븀이 상기 유기광활성층 표면에서부터 소정 깊이로 도핑된 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 양극은 유전체/금속/유전체( Dielectric/Metal/Dielectric)로 된 다층 박막인 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지.
  10. 제 1항 또는 제 9항에 있어서, 상기 금속은 금, 은, 알루미늄, 구리 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 유전체층은 MoO3(Molybdenum oxide), WO3(Tungsten oxide), V2O5(Vanadium oxide) 및 CrO3(Chromium oxide) 중에서 선택되는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 양극 및 음극은 면저항 5~30Ω/□, 투과도가 70~90%인 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지.
  13. 기판 상에 다층박막으로 이루어진 투명 양극(10)을 증착하는 단계 ;
    상기 투명 양극 전극 상에 유기 광활성층(20)을 코팅하는 단계 ; 및
    상기 유기 광활성층 상에 투명 음극(30)을 증착하는 단계로서,
    상기 투명 양극(10) 증착단계는 상기 기판 상에 순차로 유전체층(11), 금속층(12) 및 유전체층(13)을 증착시키고,
    상기 투명 음극(30) 증착단계는 상기 유기 광활성층(20)에서부터 이테르븀(ytterbium)층(31), 버퍼층(32) 및 금속층(33)을 순차로 적층하는 투명 유기 태양전지의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 방법은 상기 유전체층의 두께를 조절하여 면저항과 투과도를 제어하는 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지의 제조방법.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 방법은 상기 유전체층(11)의 열증착(Thermal evaporation)시 과량의 전류를 가해 증착 온도를 끓는점 보다 높은 온도로 높여 면저항을 감소시키는 것을 특징으로 하는 투명 유기 태양전지의 제조방법.
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