KR20180000474A - 반투명 유기 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반투명 유기 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기재;상기 기재 상에 형성된 음극; 상기 음극 상에 형성된 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 형성되며, 정공수송 물질 및 전도성 나노와이어를 포함하는 일체형 양극을 포함하고, 이때 상기 광활성층은 전자수용체로 풀러렌계 화합물을 포함하는 반투명 유기 태양전지에 관한 것이다.
상기 반투명 유기 태양전지는 광활성층 내 특정 전자수용체의 사용 및 일체형 양극을 구비하여 우수한 광투과성 및 성능을 나타낼 수 있으며 코팅을 통한 롤투롤 연속 공정에 적용이 가능하여 반투명 유기 태양전지의 생산성을 크게 개선시킬 수 있다.

Description

반투명 유기 태양전지 및 이의 제조 방법{SEMITRANSPARENT ORGANIC PHOTOVOLTAICS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 광투과성이 향상된 반투명 유기 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로, 태양으로부터 생성된 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 반도체 소자를 의미한다. 이러한 태양전지는 공해가 적고 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다. 최근에 태양전지에 관한 기술은 발전 단가를 낮추는 저가형 태양전지에 대한 연구와 변환 효율을 높이는 고효율 태양전지에 대한 연구가 동시에 진행되고 있다.
태양전지는 내부 구성 물질 중 광활성층을 구성하는 물질에 따라 무기 태양전지와 유기 태양전지로 나뉠 수 있다. 무기 태양전지는 무기물, 주로 단결정 실리콘이 사용되는데, 이러한 단결정 실리콘계 태양 전지는 효율 및 안정성 면에서 우수하고 현재 양산이 이루어지고 있는 태양 전지의 대부분을 차지하고 있지만 현재 원자재 확보, 효율 향상 및 저가격화 기술의 개발에 한계점을 나타내고 있다.
한편 유기 태양전지는 저분자(small molecule; 단분자로도 표현)나 고분자(polymer)의 유기 반도체로 구성되며 이러한 유기 반도체는 다양하게 합성이 가능하며 실리콘 등의 무기물에 비해 가격이 월등히 저렴하며 수급이 용이하다. 이에 더해서, 유기 반도체는 여타 반도체 기술에 비해 상대적으로 저온에서 용액 공정을 통해 코팅할 수 있어 고온처리시 문제가 될 수 있는 저가형 글래스나 플라스틱 등 다양한 기재에 적용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 유기 태양전지는 플라스틱 기재를 사용하는 경우 롤투롤(roll-to-roll) 연속 공정에 적용될 수 있으며 이는 제조 원가 절감 및 대량 생산이 용이할 뿐만 아니라 대면적화, 유연화, 경량화가 가능하기 때문에 유기 태양전지에 대한 관심과 연구가 증폭되고 있다.
유기 태양전지는 기본적으로 박막형 구조를 가지고 있으며, 일반적으로 투명 전극을 음극으로, 금속 전극을 양극으로 사용하며 서로 대향하여 위치하는 음극과 양극 사이에 정공수용체(hole acceptor)와 전자수용체(electron acceptor)가 혼재되어 있는 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 형태의 광활성층을 포함하고 있다. 이때 필요에 따라 광활성층의 상부 및 하부에 각각 정공수송층 및 전자수송층을 더 포함할 수 있다.
종래 유기 태양전지(100)는 도 1에 나타낸 바와 같이 기판(10)상에, 음극(20), 금속산화물 박막층(30), 광활성층(40), 정공수송층(50) 및 양극(60)이 적층된 구조를 가지며 이때 광활성층(40)은 정공수용체와 전자수용체의 접합 구조로 광전변환효율에 주요한 역할을 한다. 구체적으로 유기 태양전지에 광이 입사되면 광활성층(40) 내 정공수용체를 여기시켜 전자와 정공이 불안정하게 결합된 형태인 엑시톤(exciton)을 형성하고 전자수용체와의 접합부에서 전자와 정공이 분리되어 전극까지 이동함으로써 전기 에너지로 전환된다.
특히 유연한(flexible) 기재 상에 형성된 유기 태양전지는 무기 태양전지에 비해 얇고 가볍기 때문에 건물의 외벽, 창문 및 지붕 위에 안정적으로 사용할 수 있으며, 굽힘 가능한 특성으로 굴곡이 있는 형상에도 무리 없이 적용될 수 있다.
그러나 유기 태양전지에서 상기 광활성층은 유기물로, 상기 양극은 금속 전극으로 은(Ag) 페이스트로 각각 형성되는데 이는 유기 태양전지의 투과도를 저하시킨다. 또한, 유기 태양전지의 광전변환효율은 높이기 위해 광활성층의 두께를 증가시키는 경우 유기 태양전지의 투명성은 더욱 저하된다. 이에 더해서 상기 양극을 형성하는 은 페이스트는 포함된 잔류 용매 및 불순물이 하부에 존재하는 광활성층으로 확산되어 유기 태양전지의 수명 및 안정성을 저하시킨다.
최근 건물 일체형 태양광 발전(Building integrated photovoltaic; BIPV) 시스템에 대한 관심이 높아지면서, 건물의 외벽뿐 아니라 창문을 유기 태양전지로 이용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 창문으로 이용하기 위해서는 빛을 일부 투과시켜야 하기 때문에 반투명한 유기 태양전지를 제작하기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있다.
일례로, 대한민국 공개특허 제2015-0036342호는 상부 전극이 다중층(multi-layer) 구조로 이루어지며 각각의 층의 조성과 두께를 특정하고 증착 방법을 달리함으로써 유기 태양전지의 투과성을 향상시키는 방법을 개시하고 있다.
또한, Donggeon Han et al.에서는 ZnS/Ag/WO3로 이루어진 다층 구조의 상부 전극을 사용하여 반투명하면서도 효율이 우수한 유기 태양전지를 개시하고 있다.
이들 문헌들은 유기 태양전지의 투명성을 어느 정도 개선하였으나 그 효과가 충분치 않고 공정 단계가 추가되고 방법을 변경함에 따라 많은 시간과 비용이 요구된다. 따라서 간단한 공정을 통해 우수한 성능을 가지는 반투명 유기 태양전지의 개발이 더욱 필요한 실정이다.
대한민국 공개특허 제2015-0036342호(2015.04.07), 광전자 소자용 투명 전극
Donggeon Han et al., Realization of efficient semitransparent organic photovoltaic cells with metallic top electrodes: utilizing the tunable absorption asymmetry, Optics Express, 2010, Vol. 18, Issue S4, pp. A513-A521
이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과, 광활성층에 전자수용체로 특정 화합물을 사용하고, 정공수송 물질과 전도성 나노와이어를 포함하는 일체형 양극을 구비하는 경우 유기 태양전지의 투명성을 높이면서도 우수한 효율 및 성능을 가질 수 있고 롤투롤 공정으로의 적용 역시 용이함을 확인하였다.
이에 본 발명의 목적은 우수한 광투과성, 수명 및 성능을 가지는 유기 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기재; 상기 기재 상에 형성된 음극; 상기 음극 상에 형성된 광활성층; 및 상기 광활성층 상에 형성되며, 정공수송 물질 및 전도성 나노와이어를 포함하는 일체형 양극을 포함하고,
상기 광활성층은 전자수용체로 풀러렌계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 반투명 유기 태양전지를 제공한다.
상기 반투명 유기 태양전지는 광투과율이 40 % 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 광활성층은 두께가 10 내지 500 ㎚인 것을 특징으로 한다.
상기 일체형 양극은 정공수송 물질을 포함하는 매트릭스 내에 전도성 나노와이어가 3차원 네트워크 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 일체형 양극은 두께가 50 내지 300 ㎚인 것을 특징으로 한다.
상기 정공수송 물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 및 폴리(스티렌설포네이트)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전도성 나노와이어는 금속계 나노와이어 및 탄소계 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반투명 유기 태양전지는 상기 일체형 양극 상에 재귀반사층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 반투명 유기 태양전지는 상기 음극과 광활성층 사이에 금속산화물 박막층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반투명 유기 태양전지는 광활성층에 특정 전자수용체를 사용하고, 정공수송 물질과 전도성 나노와이어를 포함하는 일체형 양극을 도입함으로써 유기 태양전지의 광투과도를 개선할 뿐 아니라 종래 금속 전극이 가지는 수명 특성 저하를 방지할 수 있을 뿐 아니라 두개의 층을 하나의 층으로 형성함으로써 유기 태양전지의 박막화가 가능하다. 또한, 상기 반투명 유기 태양전지를 구성하는 각각의 층이 코팅을 통해 형성이 가능하기 때문에 롤투롤 공정으로의 적용이 용이하며 이는 유기 태양전지의 제조에 있어서 생산량 및 생산 효율을 개선시킨다.
도 1은 종래 유기 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 반투명 유기 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 반투명 유기 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 또다른 일 구현예 따른 반투명 유기 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다. 또한, 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 구성 요소의 크기나 두께는 설명의 편의를 위해 과장되어 있을 수 있다.
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.
본 발명은 광투과도가 개선된 반투명 유기 태양전지를 제공한다.
현재 태양전지를 건물의 외장재로 활용하는 건물 일체형 태양광 발전(Building integrated photovoltaic; BIPV) 시스템은 건물의 외피 역할을 하면서도 자체적으로 전기 에너지를 생산하여 건물에서 바로 활용할 수 있어 이에 대한 연구 개발이 크게 늘고 있다. 이는 기존 독립형 태양광 시스템과 같이 설치공간을 위한 별도의 부지 확보가 필요 없기 때문에 경제성 측면에서 더욱 유리하며, 태양 에너지로 전력을 공급하는 본래의 기능 외에 태양광 전지판을 건축물의 외장재로 사용해 건설비용을 줄이고 건물의 가치를 높일 수 있다.
유기 반도체를 사용한 유기 태양전지는 공정이 용이하고 제작 단가를 낮출 수 있고 대량생산 및 대면적화가 가능하며, 가공 온도가 낮아 플라스틱을 기재로 사용하여 얇고 가벼우며 유연한 소자로서 제조될 수 있는 장점 때문에 BIPV 시스템에 사용될 수 있다. 특히 창문의 경우에는 태양 에너지 수집과 일사 유입 방지가 요구되기 때문에 유기 태양전지를 건물의 외벽 뿐 아니라 창문에 사용하기 위해서는 태양 에너지를 일부만 투과시키는 반투명 상태가 요구된다.
이에 본 발명은 기재 상에 서로 대향하여 위치하는 음극과 양극, 그리고 상기 음극과 양극 사이에 광활성층을 비롯한 유기막을 포함하는 유기 태양전지에 있어서, 상기 양극을 정공수송 물질과 전도성 나노와이어를 포함하는 일체형 양극으로 형성하고, 광활성층에 특정 화합물을 사용함으로써 유기 태양전지의 광투과도를 개선할 뿐 아니라 성능 및 수명을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 일체형 양극은 코팅을 통해 형성이 가능하기 때문에 롤투롤 공정을 통해 유기 태양전지의 생산성 향상 및 상용화에 유리하다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 반투명 유기 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 반투명 유기 태양전지(200)는 기재(10); 상기 기재 상에 형성된 음극(20); 상기 음극 상에 형성된 광활성층(40); 및 상기 광활성층에 형성되고, 정공수송 물질(70a)과 전도성 나노와이어(70b)를 포함하는 일체형 양극(70)을 포함한다.
상기 기재(10)는 투명성을 갖는 것이라면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있다.
일례로 상기 기재(10)는 석영 또는 유리와 같은 투명 무기 기재이거나, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에테르이미드(PEI)로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 투명 플라스틱 기재를 사용할 수 있다. 이중에서 유연하면서도 높은 화학적 안정성, 기계적 강도 및 투명도를 가지는 필름 형태의 투명 플라스틱 기재를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기재(10)는 약 400 내지 750 ㎚의 가시광 파장에서 적어도 70 % 이상, 바람직하게는 80 % 이상의 투과율을 갖는 것이 좋다.
상기 기재의 두께는 특별히 한정되지 않으며 사용 용도에 따라 적절히 결정될 수 있는데 일례로 1 내지 500 ㎛일 수 있다.
상기 음극(20)은 전술한 기재(10) 상에 형성되며 상기 기재(10)를 통과한 빛이 광활성층(40)에 도달할 수 있도록 하는 경로가 되므로 높은 투명도를 가지고 약 4.5 eV 이상의 높은 일함수와 낮은 저항을 갖는 전도성 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
일례로, 상기 음극(20)으로는 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide; ITO), 인듐 아연 산화물(Indium zinc oxide; IZO), 불소도핑 산화주석(fluorine-doped tin oxide; FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속산화물 투명 전극; 전도성 고분자, 그래핀(graphene) 박막, 그래핀 산화물(graphene oxide) 박막, 탄소나노튜브 박막과 같은 유기 투명전극; 또는 금속이 결합된 탄소나노튜브 박막과 같은 유-무기 결합 투명전극 등을 사용할 수 있다.
상기 음극(20)의 두께는 10 내지 3000 ㎚일 수 있다.
상기 광활성층(40)은 전술한 음극(20) 상에 위치하며, 정공수용체와 전자수용체가 혼합된 벌크 이종접합 구조를 가진다.
상기 정공수용체는 전기 전도성 고분자 또는 유기 저분자 반도체 물질 등과 같은 유기 반도체를 포함한다. 상기 전기 전도성 고분자는 폴리티오펜(polythiphene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리플루오렌(polyfulorene), 폴리피롤(polypyrrole) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 유기 저분자 반도체 물질은 펜타센(pentacene), 안트라센(anthracene), 테트라센(tetracene), 퍼릴렌(perylene), 올리고티오펜(oligothiphene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 정공수용체는 폴리-3-헥실티오펜(poly-3-hexylthiophene; P3HT), 폴리-3-옥틸티오펜(poly-3-octylthiophene; P3OT), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-p-phenylenevinylene; PPV), 폴리(9,9′-디옥틸플루오렌)(poly(9,9′-dioctylfluorene)), 폴리(2-메톡시-5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)(poly(2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene; MEH-PPV) 및 폴리(2-메틸-5-(3′, 7′-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌비닐렌(poly(2-methyl-5-(3′,7′-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene; MDMOPPV)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 반투명 유기 태양전지(200)에 있어서, 상기 광활성층(40) 내 전자수용체는 풀러렌(fullerene)계 화합물을 포함한다. 상기 풀러렌계 화합물은 풀러렌(fullerene, C60); 및 C70, C76, C78, C80, C82, C84 등의 풀러렌 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 풀러렌 화합물은 풀러렌(fullerene, C60), (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르((6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM), (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 콜레스테릴에스테르 ((6,6)-phenyl-C61-butyric acid-cholesteryl ester; PCBCR), (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르((6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester; C70-PCBM) 및 (6,6)-티에닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르((6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 풀러렌계 화합물은 (6,6)-페닐-C61 부티릭에시드 메틸에스테르((6,6)-phenyl-C61 butyric acid methyl ester; PC60BM)일 수 있다. 상기 광활성층(40) 내 전자수용체로 PC60BM을 사용할 경우 다른 풀러렌계 화합물에 비해 형성된 광활성층이 가시광 영역에서 높은 투과도를 가지기 때문에 반투명 유기 태양전지의 제조에 보다 유리할 수 있다.
이에 본 발명의 반투명 유기 태양전지(200)는 광활성층(40)에 전자수용체를 풀러렌계 화합물로 사용하고 후술하는 일체형 양극(70)을 함께 구비함으로써 40 % 이상 광투과도를 가지며 투명도를 향상시킬 수 있다. 특히 가시광선 영역에서 높은 투과도를 가지면서도 우수한 광전변환효율을 나타내기 때문에 건물의 창문, 지붕 등에 적용이 가능하다는 이점을 가진다.
따라서, 상기 광활성층(40)은 정공수용체로서 P3HT와 전자수용체로서 PC60BM 의 혼합물을 포함하는 것이 더욱 바람직하고, 이때 상기 P3HT와 PC60BM의 혼합 중량 비율은 1:0.1 내지 1:2일 수 있다.
상기 광활성층(40)의 두께는 10 내지 500 ㎚, 바람직하게는 150 내지 300 ㎚일 수 있다. 만약 광활성층(40)의 두께가 상기 범위 미만인 경우 태양빛을 충분히 흡수할 수가 없어, 광전류가 낮아져 효율 저하가 예상되며, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 내부의 전자와 정공이 전극쪽으로 이동할 수 없어 효율 저하 문제가 발생할 수 있다.
상기 일체형 양극(70)은 전술한 광활성층(40) 상에 형성되며 정공수송 물질(70a)과 전도성 나노와이어(70b)를 포함함으로써 종래 유기태양전지의 정공수송층의 역할을 함께 수행한다. 구체적으로, 기존의 양극 형성을 위한 금속 페이스트 대신 전도성 나노와이어를 사용하기 때문에 페이스트가 함유하는 용매 및 불순물로 인한 문제가 발생하지 않아 유기 태양전지의 수명을 늘릴 수 있다. 또한, 전도성 나노와이어와 정공수송 물질이 용액 상에 분산되어 있기 때문에 코팅법을 이용할 수 있을 뿐 아니라 롤투롤 공정에 적용이 가능하다. 또한, 상기 일체형 양극(70)은 단일층으로 기존의 정공수송층과 양극의 역할을 동시에 수행하기 때문에 유기 태양전지의 박막화가 가능하며 공정 측면에서도 적층 횟수를 줄일 수 있다는 이점을 가진다.
이에 더해서, 상기 일체형 양극(70)은 정공수송 물질(70a)을 포함하는 매트릭스 내에 전도성 나노와이어(70b)가 3차원 네트워크 구조를 형성하여 서로가 연결되기 때문에 정공의 이동이 보다 원활해짐에 따라 유기 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
상기 정공수송 물질(70a)은 정공의 전달을 돕는 역할을 하며 후술하는 전도성 나노와이어와 함께 물에 분산이 가능한 것으로, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (poly(3,4-ethylenedioxythiophene; PEDOT) 및 폴리(스티렌설포네이트)(poly(styrene sulfonate); PSS)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 PEDOT과 PSS의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 전도성 나노와이어(70b)는 유기 태양전지의 양극 역할을 하며 금속계 나노와이어 및 탄소계 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 금속계 나노와이어로는, 통상의 금속계 나노와이어를 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 일례로 상기 금속계 나노와이어는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 코발트(Co), 주석(Sn), 아연(Zn) 및 몰리브덴(Mo)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 원소로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 은(Ag)으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 사용될 수 있는 탄소계 나노와이어로는 탄소나노튜브, 탄소 나노섬유 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며 바람직하게는 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 전도성 나노와이어(70b)의 형상으로는, 특별히 제한은 없고, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 예를 들어, 원주 형상, 직육면체 형상, 단면이 다각형인 기둥 형상 등의 임의의 형상을 가질 수 있다. 상기 전도성 나노와이어(70b)의 장축 평균 길이는, 1 ㎛ 이상, 바람직하게는 5 ㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 이상, 예를 들면, 1 내지 1000 ㎛, 구체적으로는 5 내지 100 ㎛이다. 상기 전도성 나노와이어(70b)의 길이가, 1 ㎛ 미만이면, 나노와이어 사이에 접합점이 감소되어 저항이 증가할 우려가 있다. 또한, 상기 전도성 나노와이어(70b)의 단축 평균 길이(직경)은 1 내지 200 nm, 바람직하게는 5 내지 100 nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 50 nm이다. 상기 나노와이어의 직경이 너무 작으면, 나노와이어의 내열성이 저하될 우려가 있고, 너무 크면, 산란에 의한 헤이즈가 증가되어, 전도성 나노와이어(70b)를 함유하는 일체형 양극(70)의 광선 투과성 및 시인성이 저하될 우려가 있다.
상기 일체형 양극(70) 내 전도성 나노와이어(70b)의 함량은 특별히 한정하지는 않으나 분산성 및 광투과성을 위해 너무 높은 함량으로 포함되는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 상기 전도성 나노와이어(70b)의 함량은 0.1 내지 10 중량%, 바람직하게는 1 내지 5 중량%일 수 있다. 만약, 전도성 나노와이어(70b)의 함량이 상기 범위 미만이면 전극으로서의 기능을 수행할 수 없고, 상기 범위를 초과하면 분산성과 광투과성이 크게 저하될 뿐만 아니라 상대적으로 정공수송 물질인 PEDOT:PSS의 함량이 줄어들어 이 또한 광전변환효율이 감소하는 문제가 발생하므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.
상기 일체형 양극(70)의 두께는 50 내지 300 ㎚일 수 있다. 종래 유기 태양전지의 경우 정공수송층을 0.1 내지 10 ㎛, 양극을 5 내지 20 ㎛의 두께로 형성한다. 이와 비교하여 본 발명의 일체형 양극(70)은 50 내지 300 ㎚, 바람직하게는 50 내지 200 ㎚로 형성되므로 최종 유기 태양전지의 두께를 현저히 감소시킬 수 있다. 만약 일체형 양극(70)의 두께가 상기 범위 미만인 경우 전극의 저항이 높아 전력 손실이 늘어나 효율이 저하되며, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 투과도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 반투명 유기 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 반투명 유기 태양전지(300)는 상기 도 2의 반투명 유기 태양전지(200)에 있어서, 상기 일체형 양극(70) 상에 재귀반사층(80)을 추가로 포함한다.
상기 재귀반사층(80)은 일정한 형상을 가지는 반사 비드를 포함하여 유기 태양전지의 양극을 통해 투과되는 광을 반사시켜 광활성층(40)으로 재입사 시키므로 광전변환효율을 높일 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 반투명 유기 태양전지의 기재(10)를 통해 입사한 광(화살표)은 광활성층(40)에 일부 흡수되고 일체형 양극(70)으로 진행하는데 이때 일체형 양극(70) 상에 재귀반사층(80)을 형성함으로써 투과되는 광을 반사시켜 광활성층(40)으로 집광되기 때문에 반투명 유기 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
이때 상기 재귀반사층(80) 내 동일한 형상을 가지는 반사 비드는 단일층(monolayer), 이중층(bilayer) 또는 삼중층(tri-layer)으로 배열될 수 있으며 바람직하게는 단일층 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 반사 비드의 형상은 특별히 한정하는 것은 아니며, 일례로 구형, 타원형, 다면체, 비틀어진 구형, 비틀어진 타원형, 비틀어진 다면체 형상 등일 수 있다.
상기 재귀반사층(80)은 반사 비드로 구성될 수 있는데, 상기 반사 비드는 투명한 것으로 특별히 한정되지 않으나, 일례로 무기 비드 또는 유기 비드일 수 있다.
상기 무기 비드는 산화규소, 산화티타늄, 산화알루미늄, 산화주석, 산화인듐, ITO, 산화아연, 산화지르코늄, 산화마그네슘, 탄산칼슘, 탈크, 클레이, 소성 카올린, 소성 규산칼슘, 수화 규산칼슘, 규산알루미늄, 규산마그네슘 및 인산칼슘 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 유기 비드는 폴리올레핀계, 폴리에스테르계, 폴리아미드계, 폴리이미드계, 아크릴스티렌계, 실리콘계, 폴리스티렌계, 벤조구아나민계, 멜라민계, 폴리불화에틸렌계, 폴리메타크릴산메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리카보네이트 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 반사 비드는 굴절율이 1.7 내지 2.3로 고굴절율을 가지는 것이 바람직하다. 상기 반사 비드의 굴절율이 상기 범위에 해당하는 경우 반사체 내벽에서 초점이 형성되어 높은 초점반사율을 나타내고, 그 결과로 재귀반사도가 크다. 만약 상기 굴절율이 상기 범위를 벗어나 1.7 미만인 경우에는 초점반사율이 저하되고, 그 결과로 재귀반사도가 낮아지게 되어 바람직하지 않다.
또한, 상기 반사 비드는 평균 입경이 10 내지 100 ㎛, 바람직하게는 20 내지 50 ㎛일 수 있다. 상기 범위 내에서 반사효율이 가장 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기 재귀반사층(80)은 두께가 10 내지 300 ㎛일 수 있다. 상기 재귀반사층(80)의 두께는 기재의 종류 및 원단의 용도에 따라 달라질 수 있으나, 구체적으로는 반사 비드의 최대 입자 직경 이상이며, 반사 비드 평균 입자 직경의 3배 이하인 것이 바람직할 수 있다. 만약 상기 두께 범위 미만인 경우 재귀반사층의 두께가 반사 비드의 최대 입자 직경보다 작을 경우 도포 공정이 어렵고, 표면이 균일하지 못하며, 반대로 상기 두께 범위를 초과하는 경우 굴절율 저하의 우려가 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따른 유기 태양전지(300)의 기재(10), 음극(20), 광활성층(40) 및 일체형 양극(70)은 본 발명의 일 구현예에서 전술한 바와 같다.
도 4는 본 발명의 또다른 일 구현예 따른 반투명 유기 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 반투명 유기 태양전지(400)는 상기 도 2의 반투명 유기 태양전지(200)의 음극(20)과 광활성층(40) 사이에 금속산화물 박막층(30)을 추가로 포함한다.
상기 금속산화물 박막층(30)은 부전극으로서 전자의 이동 속도를 증가시켜 유기 태양전지의 효율을 높이는 역할을 한다. 또한, 외부로부터 유입된 산소와 수분을 차단하여 상기 광활성층(40)에 영향을 주는 것을 방지할 수 있다.
상기 금속산화물 박막층(30)은 티타늄(Ti), 아연(Zn), 규소(Si), 망간(Mn), 스트론튬(Sr), 인듐(In), 바륨(Ba), 칼륨(K), 니오븀(Nb), 철(Fe), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 비스무트(Bi), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 세륨(Ce), 백금(Pt), 은(Ag) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 산화물을 포함할 수 있다. 바람직하게 상기 금속산화물 박막층(30)은 밴드갭이 넓고 반도체적 성질을 가지고 있는 산화아연(ZnO)으로 이루어질 수 있다.
또한 상기 금속산화물 박막층(30)에 포함되는 금속산화물은 평균 입경이 10 nm 이하이고, 바람직하게 1 내지 8 nm이고, 더욱 바람직하게 3 내지 7 nm일 수 있다.
본 발명의 또다른 일 구현예에 따른 반투명 유기 태양전지(400)는 상기 일체형 양극(70) 상에 재귀반사층을 추가로 구비할 수 있으며 구체적인 내용은 전술한 바와 같다. 또한. 상기 반투명 유기 태양전지(400)의 기재(10), 음극(20), 광활성층(40) 및 일체형 양극(70)은 본 발명의 일 구현예에서 전술한 바와 같다.
또한, 본 발명은 상기 반투명 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 반투명 유기 태양전지의 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 반투명 유기 태양전지의 제조방법은 기재를 준비하는 단계; 상기 기재 상에 음극을 형성하는 단계; 상기 음극 상에 광활성층을 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 정공수송 물질 및 전도성 물질을 포함하는 일체형 양극을 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 반투명 유기 태양전지의 제조방법은 상기 일체형 양극 상에 재귀반사층을 형성하는 단계 또는 상기 음극 상에 광활성층을 형성하는 단계 이전에 금속산화물 박막층을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
우선, 기재를 준비하고 상기 기재 상에 음극을 형성하는 단계이다. 준비된 기재 상에 음극은 통상의 방법에 따라 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 음극은 기재의 일면에 음극 형성용 조성물을 열 기상 증착, 전자 빔 증착, RF 또는 마그네트론 스퍼터링, 화학적 증착 또는 이와 유사한 방법을 통해 형성할 수 있다.
이때 상기 음극의 형성에 앞서 선택적으로 기재에 대하여 O2 플라즈마 처리법, UV/오존 세척, 산 또는 알칼리 용액을 이용한 표면 세척, 질소 플라즈마 처리법 및 코로나 방전 세척으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 상기 기재의 표면을 전처리할 수도 있다.
이어서 상기 음극이 형성된 기재를 롤투롤 방식으로 이송시키면서 코팅 용액을 코팅하여 박막층을 형성하는 단계를 포함한다. 이때 상기 박막층은 광활성층, 일체형 양극, 금속산화물 박막층 및 재귀반사층이다.
상기 코팅 용액은 각 박막층에 포함되는 물질 및 용매를 포함한다. 구체적으로 상기 코팅 용액은 광활성층 형성용 조성물, 일체형 양극 조성물, 금속산화물 박막층 형성용 조성물 및 재귀반사층 형성용 조성물일 수 있다.
이때 형성하고자 하는 박막층이 광활성층일 경우 전술한 전자수용체와 정공수용체를 용매에 용해시켜 제조한 광활성층 형성용 조성물을 코팅하여 도막을 형성한다.
상기 용매는 전자수용체와 정공수용체를 용해시키거나 분산시킬 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 일례로, 상기 용매는 물; 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로필알코올, 부탄올 등의 알코올; 또는 아세톤, 펜탄, 톨루엔, 벤젠, 디에틸에테르, 메틸부틸에테르, N-메틸피롤리돈(NMP), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAC), 디메틸술폭사이드(DMSO), 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 사이클로헥산, 사이클로펜타논, 사이클로헥사논, 디옥산, 터피네올, 메틸에텔케톤 등의 유기 용매, 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 코팅 용액 제조시 대상 물질의 종류에 따라 상기한 용매 중에서 적절히 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 용매는 코팅 용액 중 잔부의 양으로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 코팅 용액 총 중량에 대하여 1 내지 95 중량%로 포함될 수 있다. 용매의 함량이 95 중량%를 초과할 경우 원하는 코팅층의 기능을 얻기 어렵고, 용매의 함량이 1 중량% 미만일 경우 균일한 두께의 박막 형성이 어렵다.
이때 형성하고자 하는 박막층이 일체형 양극일 경우 전술한 전자수송 물질, 전도성 나노와이어를 물에 용해시켜 제조한 일체형 양극 조성물을 도포하여 도막을 형성한다.
상기 일체형 양극 조성물은 전술한 전자수송 물질 및 전도성 나노와이어 외에 선택적으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 계면활성제(surfactant), 습윤제(wetting agent), 점도 조절제, 부식 방지제, 소포제, 환원제 등의 기타 첨가제가 더 포함될 수 있다.
상기 계면활성제로는 소듐 라우릴 설페이트(sodium lauryl sulfate)와 같은 음이온 계면활성제, 노닐페녹시폴리에톡시에탄올(nonyl phenoxy- polyethoxyethanol), 듀폰사(Dupont)제품의 에프에스엔(FSN)과 같은 비이온성 계면활성제, 그리고 라우릴벤질암모늄 클로라이드 등과 같은 양이온성 계면활성제나 라우릴 베타인(betaine), 코코 베타인과 같은 양쪽성 계면활성제 등이 사용될 수 있다.
상기 습윤제 또는 습윤분산제로는 폴리에틸렌글리콜, 에어프로덕트사(Air Product) 제품의 써피놀 시리즈, 데구사(Deguessa)의 테고 웨트 시리즈와 같은 화합물이 사용될 수 있다.
상기 점도 조절제로는 비와이케이(BYK)사의 비와이케이(BYK) 시리즈, 데구사(Degussa)의 글라이드 시리즈, 에프카(EFKA)사의 에프카(EFKA) 3000 시리즈나 코그니스(Cognis)사의 디에스엑스(DSX) 시리즈 등이 사용될 수 있다.
상기 환원제는 일체형 양극 조성물의 도포 후 열처리시 소성이 용이하도록 하는 것으로, 구체적으로는 히드라진, 아세틱히드라자이드, 소디움 또는 포타슘 보로하이드라이드, 트리소디움 시트레이트, 그리고 메틸디에탄올아민, 디메틸아민보란(dimethylamineborane)과 같은 아민화합물; 제1염화철, 유산철과 같은 금속 염; 수소; 요오드화 수소; 일산화탄소; 포름알데히드, 아세트알데히드와 같은 알데히드 화합물; 글루코스, 아스코빅산, 살리실산, 탄닌산(tannic acid), 피로가롤(pyrogallol), 히드로퀴논과 같은 유기 화합물 등이 사용될 수 있다.
특히, 상기와 같은 일체형 양극 조성물은 공정성을 고려하여 적절한 점도를 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는 일체형 양극 조성물은 0.1 내지 50 cps, 바람직하게는 1 내지 20 cps, 보다 바람직하게는 2 내지 15 cps의 점도를 갖는 것이 좋다. 만약, 이 범위보다 낮을 경우 소성 후 박막의 두께가 충분하지 못해 전도도 저하가 우려되며, 범위보다 높게 되면 원활하게 조성물이 토출되기 어려운 단점이 있다. 이에 따라 사용되는 구성성분들의 분자량 및 함량을 조절하여 상기 투명 전극 형성용 조성물이 적절한 점도를 갖도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 형성하고자 하는 박막층이 금속산화물 박막층 또는 재귀반사층일 경우 각각 전술한 금속산화물 또는 반사 비드를 포함한 조성물을 코팅하여 도막을 형성한다.
상기 기재에 대한 각각의 박막층 형성시, 상기 기재를 롤투롤 방식으로 이송시키는 속도는 0.01 m/min 내지 20 m/min일 수 있고, 바람직하게 0.1 m/min 내지 5 m/min 일 수 있다. 상기 이송 속도는 롤투롤 장비를 이용한 박막층의 코팅 및 건조 속도에 따라 최적화하여 사용할 수 있다.
상기 코팅은 슬롯다이 코팅, 스핀 코팅, 그라비어 코팅, 스프레잉, 스핀 코팅, 딥 코팅, 닥터 블레이딩 등의 통상의 코팅 방법에 의해 실시될 수 있으며, 바람직하게는 슬롯다이 코팅 또는 스핀 코팅이 수행될 수 있다.
상기 코팅 용액의 코팅 후, 코팅된 기재에 대해 선택적으로 건조 또는 열처리하는 후처리 공정을 실시할 수 있다. 상기 건조는 50 내지 400 ℃, 바람직하게는 70 내지 200 ℃에서 1 내지 30분 동안 열풍건조, NIR 건조, 또는 UV 건조를 통하여 실시될 수 있다. 상기 후처리 공정의 온도 및 시간은 기재의 종류 및 물성에 따라 달라질 수 있다.
일례로, 광활성층의 경우 코팅 공정 후 25 내지 150 ℃에서 5 내지 145분 동안 건조 및 열처리하는 후처리 공정을 실시할 수 있다. 상기 건조 공정과 열처리 공정의 적절한 조절에 의하여 상기 전자수용체와 상기 정공수용체 사이에 적절한 상분리를 유도할 수 있고, 상기 전자수용체의 배향을 유도할 수 있다. 상기 열처리 공정의 경우, 온도가 25 ℃ 미만인 경우 상기 전자수용체 및 상기 정공수용체의 이동도가 낮아서 열처리 효과가 미미할 수 있고, 상기 열처리 온도가 150 ℃를 초과하는 경우 상기 전자수용체의 열화로 인하여 성능이 저하될 수 있다. 또한, 상기 열처리 시간이 5분 미만인 경우 상기 전자수용체 및 상기 정공수용체의 이동도가 낮아서 열처리 효과가 미미할 수 있고, 상기 열처리 시간이 145분을 초과하는 경우 상기 전자수용체의 열화로 인하여 성능이 저하될 수 있다.
이러한 단계를 포함하는 본 발명의 반투명 유기 태양전지의 제조방법은 종래 기술과 비교하여 정공수송층과 양극을 각각 형성하는 것이 아니라 이를 일체화시켜 제조함에 따라 기존 2회 수행하던 코팅 공정을 1회만으로 수행이 가능한 이점이 있다. 또한, 다른 층들과 함께 롤투롤 연속 공정을 반투명 유기 태양전지의 제작이 가능해진다.
본 발명에 따른 반투명 유기 태양전지는 광활성층에 전자수용체로 풀러렌계 화합물을 포함하고, 정공수송 물질 및 전도성 나노와이어를 포함하는 일체형 양극을 구비함에 따라 가시광선 영역에서의 투과율이 증가하여 전체적으로 40 % 이상의 광투과도를 가져 반투명하게 구현될 수 있다. 또한, 기존의 유기 태양전지와 동등한 수준의 효율을 가지고 전체적인 전지 두께의 감소, 즉 박막화를 달성할 수 있고 연속생산이 가능하기 때문에, 반투명 유기 태양전지를 건물 외장재, 예를 들어 외벽, 지붕, 창문 뿐만 아니라 의류, 포장지, 벽지, 자동차 유리 등 다양한 분야에 적용 가능하다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 및 비교예: 유기 태양전지의 제조
[실시예 1]
ITO층이 형성된 기재 필름을 롤투롤 방식으로 이송시키면서 상기 ITO층 위에 ZnO 함유 코팅액(Zn(OAC)22H2O 247mg, KOH 126mg 및 1-부탄올(1-Butanol) 1ml를 혼합하여 제조함)을 스트라이프 형태로 스핀 코팅한 후 200 ℃에서 2분간 열처리 후 건조하여 ZnO의 40 ㎚ 두께의 금속산화물 박막층을 형성하였다. 상기 스핀 코팅시 속도(speed)는 4000rpm으로 하였다.
이어서 상기 ZnO 금속산화물 박막층 위에 광활성층 형성용 코팅용액(lisicon® SP001(머크사제) 15mg, lisicon® A-600(머크사제) 12mg 및 1,2-디클로로벤젠(Dichlorobenzene) 1ml를 혼합하여 제조함)을 스핀 코팅하고 70 ℃에서 2분간 열처리하여 171 ㎚ 두께의 광활성층을 제조하였다. 상기 스핀 스핀 코팅시 속도(speed)는 1000rpm으로 하였다.
상기 광활성층 위에 PEDOT:PSS(Orgacon ® EL-P 5010, agfa사제)와 직경이 약 30 ㎚이고 종횡비가 1000:1인 은 나노와이어를 10:1의 중량비로 포함하는 일체형 양극 형성용 조성물을 500rpm 의 속도로 스핀 코팅하고, 120 ℃에서 10분간 열처리하여 100 ㎚ 두께의 일체형 양극을 형성함으로써 유기 태양전지를 제조하였다.
[실시예 2]
광활성층 형성시 전자수용체로 PC60BM(lisicon® A-600, 머크사제) 대신 PC70BM(PV-A700, Merck)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조하였다.
[비교예 1]
광활성층을 250 ㎚ 두께로 형성하였으며 상기 광활성층 상에 일체형 양극을 형성하는 대신 PEDOT:PSS(Orgacon® EL-P 5010, agfa사제)를 포함하는 정공수송층 형성용 조성물을 스핀 코팅하고, 120 ℃에서 건조하여 두께 40 ㎚인 정공수송층을 형성한 이후, 유무기 증착기를 이용하여 상기 정공수송층 상에 두께 100 ㎚인 Ag 전극을 증착해 양극을 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조하였다.
실험예 1: 유기 태양 전지의 성능 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 유기 태양전지의 광투과도 및 광전변환효율을 측정하였고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
투과도 (%) PCE1 )(%)
550 ㎚ 380-780 ㎚
실시예 1 55.08 59.29 3.56
실시예 2 8.56 26.35 3.82
비교예 1 37.70 25.98 5.92
1) PCE: Power Conversion Efficiency, 에너지 전환 효율
상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광활성층 내 풀러렌계 화합물을 전자수용체로 포함하고 일체형 양극을 구비하는 실시예 1 및 2의 유기 태양전지는 유기 태양전지는 정공수송층과 양극을 각각 형성한 비교예 1에 비해 높은 광투과도를 나타내면서도 비등한 광전변환효율을 나타냄을 확인할 수 있었다.
특히 PC60BM을 전자수용체로 포함하는 실시예 1의 경우 가시광선 영역, 특히 550 ㎚ 에서의 광투과도 최대 6배 이상 증가함에 따라 투명성이 향상되면서도 비슷한 수준의 유기 태양전지 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
본 발명에 따른 반투명 유기 태양전지는 우수한 광투과성, 수명 및 성능을 나타내며 제조 공정을 단순화하여 반투명 유기 태양전지의 대량 생산이 가능하며 건물 외장재, 예를 들어 외벽, 지붕, 창문 뿐만 아니라 패션 아웃도어 용품, 포장지, 벽지, 자동차 유리 등 다양한 분야에 적용 가능하다.
10: 기재 20: 음극
30: 금속산화물 박막층 40: 광활성층
50: 정공수송층 60: 양극
70: 일체형 양극 70a: 정공수송 물질
70b: 전도성 나노와이어 80: 재귀반사층
100: 유기 태양전지 200, 300, 400: 반투명 유기 태양전지

Claims (15)

  1. 기재;
    상기 기재 상에 형성된 음극;
    상기 음극 상에 형성된 광활성층; 및
    상기 광활성층 상에 형성되며, 정공수송 물질 및 전도성 나노와이어를 포함하는 일체형 양극을 포함하고,
    상기 광활성층은 전자수용체로 풀러렌계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 반투명 유기 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반투명 유기 태양전지는 광투과도가 40 % 이상인 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광활성층은 두께가 10 내지 500 ㎚인 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 양극은 정공수송 물질을 포함하는 매트릭스 내에 전도성 나노와이어가 3차원 네트워크 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 양극은 두께가 50 내지 300 ㎚인 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정공수송 물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (poly(3,4-ethylenedioxythiophene; PEDOT) 및 폴리(스티렌설포네이트)(poly(styrene sulfonate); PSS)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 나노와이어는 금속계 나노와이어 및 탄소계 나노와이어로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속계 나노와이어는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 코발트(Co), 주석(Sn), 아연(Zn) 및 몰리브덴(Mo)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 탄소계 나노와이어는 탄소나노튜브, 탄소 나노섬유 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 양극 상에 재귀반사층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 재귀반사층은 반사 비드를 포함하는 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 반사 비드는 굴절율이 1.7 내지 2.3인 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 반사 비드는 평균 입경이 10 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 재귀반사층은 두께가 10 내지 300 ㎛인 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 음극과 광활성층 사이에 금속산화물 박막층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반투명 유기 태양전지.
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