KR20190020978A - 유기 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수 개의 단위 셀을 포함하는 유기 태양전지에 있어서, 상기 단위 셀의 하부 전극은 전자 수송층과 접하는 일면 중 일부가 노출된 영역을 구비하며, 상기 단위 셀 간 전기적 연결을 위해 상기 하부 전극의 노출된 영역 상에 금속 나노와이어층을 구비하는 유기 태양전지에 관한 것이다.
본 발명의 유기 태양전지는 단위 셀 연결시 발생하는 접촉 저항을 감소시키고 전기 전도도를 향상시켜 유기 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있어 유기 태양전지의 다양한 분야로의 적용을 가능케 한다.

Description

유기 태양전지{ORGANIC PHOTOVOLTAICS}
본 발명은 유기 태양전지에 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 태양전지는 효율 및 안정성 면에서 우수하고 현재 양산이 이루어지고 있는 태양전지의 대부분을 차지하고 있지만 현재 원자재 확보, 경량화, 유연화, 고효율화 및 저가격화 기술의 개발에 한계를 나타내고 있다.
한편, 유기 태양전지는 저분자(small molecule; 단분자로도 표현)나 고분자(polymer)의 유기 반도체 재료와 같은 유기물을 이용하기 때문에 무기 태양전지에 사용된 무기물에 비해 가격이 월등히 저렴하고 다양한 합성과 가공이 가능하여 생산성 향상이 용이하다. 또한, 여타 반도체 기술에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 용액 기반의 공정으로 진행되기 때문에 제조과정의 단순화, 고속화 및 대면적화가 가능하다. 특히, 고온처리시 문제가 될 수 있는 저가형 유리 또는 플라스틱 등 다양한 기판에 적용될 수 있는 이점을 가져 유기 태양전지에 대해 연구가 활발히 진행되고 있다.
도 1은 종래 유기 태양전지의 단위 셀 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 종래 유기 태양전지(50)는 기판(10) 상에 하부 전극(11, 21), 전자 수송층(12, 22), 광활성층(13, 23), 정공 수송층(14, 24) 및 상부 전극(15, 25)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 일반적으로, 상기 하부 전극(11, 21)은 음극이고, 상부 전극(15, 25)은 양극이다.
각각의 단위 셀은 전기적으로 연결되되, 도 1의 A 영역으로 표시된 바와 같이 셀 1(Cell 1)의 상부 전극(15)이 셀 2(Cell 2)의 하부 전극(21)과 통전되는 구조를 갖는다.
도 1과 같은 구조의 유기 태양전지(50)의 하부 전극(11, 21)은 투명 전극을, 상부 전극(15, 25)은 금속 전극을 사용한다. 이때 하부 전극(11, 21)으로는 투명성과 전기 전도성이 우수한 투명 전도성 산화물(Transparent conductive oxide; TCO)이 주로 이용된다. 그러나, 상기 투명 전도성 산화물은 소재 자체의 저항이 높으며, 상기 상부 전극(15, 25)을 구성하는 금속 재질과의 저항 차이에 의해 충분한 광전변환 효율을 얻을 수 없다. 이러한 광전변환 효율의 저하는 유기 태양전지를 대면적으로 제작하는 경우 더욱 두드러진다.
최근 건물 일체형 태양광 발전(Building integrated photovoltaic; BIPV) 시스템에 대한 관심이 높아지면서, 건물의 외벽뿐 아니라 창문을 유기 태양전지로 이용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 유기 태양전지를 건물의 외관 또는 창문으로 이용하기 위해서는 유기 태양전지의 대면적화에 따른 광전변환 효율 저하가 최소화되어야 한다.
이에 유기 태양전지의 광전변환 효율, 특히 대면적 유기 태양전지의 광전변환 효율을 개선하기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있다.
일례로, 대한민국 공개특허 제2014-0115515호는 전도성 고분자를 포함하는 제1버퍼층과 제2버퍼층 사이에 금속 나노와이어층이 삽입된 구조를 가지는 투명 전극을 구비함으로써 면저항을 낮춰 유기 태양전지의 유연성과 효율을 향상시키는 방법을 개시하고 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제2014-0146010호는 광흡수를 위한 투명 전극인 제1전극 상에 보조 전극을 포함하여 광흡수 효율을 높이고 저항을 낮춰 유기 태양전지의 광변환 효율을 높일 수 있음을 개시하고 있다.
이들 특허들은 투명 전극이 갖는 높은 저항으로 인한 문제를 어느 정도 개선하였으나, 그 효과가 충분치 않고 재질 또는 구조를 변경하거나 추가함으로 인하여 유기 태양전지의 성능 저하를 야기할 수 있으며, 많은 시간과 비용이 요구된다. 따라서 우수한 광전변환 효율을 나타내며, 대면적화에 따른 효율 저하를 최소화한 유기 태양전지의 개발이 더욱 필요한 실정이다.
대한민국 공개특허 제2014-0115515호(2014.10.01), 다층 투명 전극 및 이를 사용한 유기 태양전지 대한민국 공개특허 제2014-0146010호(2014.12.24), 유기태양전지 및 이의 제조방법
이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과, 단위 셀 간의 연결 부위에 금속 나노와이어층을 도입하는 경우 접촉 저항이 감소하여 유기 태양전지의 광전변환 효율을 높일 수 있음을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
이에 본 발명의 목적은 우수한 광전변환 효율을 갖는 유기 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복수 개의 단위 셀을 포함하는 유기 태양전지에 있어서, 상기 단위 셀의 하부 전극은 전자 수송층과 접하는 일면 중 일부가 노출된 영역을 구비하며, 상기 단위 셀 간 전기적 연결을 위해 상기 하부 전극의 노출된 영역 상에 금속 나노와이어층을 구비하는 유기 태양전지를 제공한다.
상기 금속 나노와이어층은 금속 나노와이어의 3차원 네크워크 구조를 포함한다.
상기 금속 나노와이어층은 금, 은, 백금, 구리, 니켈, 철, 티타늄, 알루미늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 코발트, 주석, 아연 및 몰리브덴으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함한다.
이때 상기 금속 나노와이어층의 두께는 10 내지 40 ㎚이며, 폭은 0.5 내지 2 ㎜이다.
상기 하부 전극은 전기 전도성 산화물; 전기 전도성 질화물; 금속; 전도성 고분자 및 탄소재로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함한다.
상기 단위 셀은 하부 전극, 전자 수송층, 광활성층, 정공 수송층 및 상부 전극을 포함한다.
본 발명에 따른 유기 태양전지는 단위 셀 간 연결 부위에 금속 나노와이어층을 도입함에 따라 접촉 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 전기 전도도가 개선되어 유기 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있으며, 유기 태양전지의 대면적화에 따른 광전변환 효율 감소를 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 유기 태양전지는 용액 공정을 통해 제조되므로, 롤투롤 인쇄방식에 적합하며, 이는 소형의 유기 태양전지뿐만 아니라 대면적의 유기 태양전지의 생산을 가능케 한다.
도 1은 종래 유기 태양전지의 단위 셀 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 태양전지의 단위 셀 구조를 나타낸 단면도이다.
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.
일반적으로 유기 태양전지는 기판 상에 각각의 단위 셀이 소정의 패턴으로 여러 개가 배열되어 하나의 단위를 이루게 되며, 이와 같이 여러 개의 셀이 모여서 이루어진 하나의 단위를 모듈(module)이라고 부른다. 따라서 유기 태양전지에서 하나의 모듈은 그 자체로 분리될 수 있으며, 이러한 모듈은 각각 하나의 유기태양전지를 구성할 수 있다. 이때 각 단위 셀은 약 0.8V의 전압 특성을 가지며, 상기 단위 셀끼리 전기적으로 연결하여 이들의 개수 및 배치를 조절하여 최종 얻어지는 유기 태양전지의 출력 전압을 조절한다.
각 단위 셀 간의 전기적 연결은 도 1에 나타낸 바와 같이 통상 상부 전극의 연장을 통해 이루어진다. 이때 상부 전극으로는 금속 페이스트를, 하부 전극에 투명 전도성 산화물을 각각 이용하여 형성하고 있다. 그러나, 하부 전극을 구성하는 투명 전도성 산화물이 상부 전극을 이루는 금속과 비교하여 저항이 높아 접촉 저항(contact resistance)이 크게 걸리기 때문에 유기 태양전지의 전류 손실이 발생하며, 결과적으로는 유기 태양전지의 광전변환 효율이 저하된다.
이를 방지하기 위해 투명 전극을 두껍게 형성하거나 고온의 열처리 공정을 수행하지만, 전극의 두께를 증가시키는 경우 유기 태양전지의 유연성이 저하되며 굽힘이나 휨 변형에 의해 전극 표면 또는 내부에 크랙(crack)이 쉽게 발생하여 신뢰성이 저하된다. 한편, 고온 열처리를 하는 경우 열처리 과정에서 플라스틱 소재의 기판이 열화되어 고품위의 투명 전극을 제작할 수 없다는 문제가 있다. 이에 더해서, 상기 유기 태양전지를 대면적으로 제작할 경우 투명 전극의 저항 증가로 인한 전류 손실 및 광전변환 효율의 하락이 더욱 크게 발생하기 때문에 상용화에 어려움이 있다.
이에 본 발명에서는 유기 태양전지의 단위 셀 간 접촉 저항을 낮추기 위해 셀 간 연결부위에 금속 나노와이어층이 형성된 유기 태양전지를 제시한다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 태양전지의 단위 셀 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 태양전지(500)의 단위 셀은 기판(100) 상에 하부 전극(101, 201)이 위치하고, 그 상부로 전자 수송층(102, 202), 광활성층(103, 203), 정공 수송층(104, 204) 및 상부 전극(105, 205)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
각각의 단위 셀(Cell 1, Cell 2)은 기판(100) 상에 소정 거리 이격하여 형성된다. 종래 단위 셀 사이의 전기적 연결은 도 1에 나타낸 바와 같이 통상 상부 전극의 연장을 통해 이루어지나, 본 발명의 경우 상기 단위 셀은 금속 나노와이어층(301)을 통해 전기적 연결이 이루어진다.
상기 단위 셀의 하부 전극은 전자 수송층과 접하는 일면 중 일부, 즉 전자 수송층이 형성되지 않은 영역이 노출된다. 본 발명의 경우 상기 하부 전극의 노출된 영역 상에 도 2의 B 영역으로 표시한 바와 같이 금속 나노와이어층(301)을 도입하여 보조 전극으로서 작용한다. 구체적으로, 본 발명의 금속 나노와이어층(301)은 상기 셀 1의 상부 전극(105)과 셀 2의 하부 전극(201)의 재질 차이로 인해 발생하는 접촉 저항을 줄여 손실되는 전류를 최소화하며 이를 통해 유기 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 유기 태양전지를 대면적으로 제작시 상기 금속 나노와이어층(301)을 통해 이웃하는 단위 셀 사이를 전기적으로 연결하는 경우 상부 전극과 하부 전극 사이의 저항 차이로 인한 전류 손실을 줄여 유기 태양전지의 광전변환 효율 개선에 보다 효과적이다. 이때 상기 금속 나노와이어층(301)은 단위 셀 간 연결 부위에 형성되기 때문에 유기 태양전지의 광투과도에도 전혀 영향을 주지 않는다는 이점을 가진다. 이에 더해서, 상기 금속 나노와이어층(301)에 포함된 금속 나노와이어를 통해 전류 경로(current path)의 확보가 용이해져 단위 셀 간 높은 전기 전도도 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 금속 나노와이어층(301)의 금속 나노와이어는 적어도 한 지점 이상이 다른 금속 나노와이어와 규칙 또는 불규척으로 교차되어 서로 연결된 3차원 네트워크 구조를 이루고 있기 때문에 전자의 이동이 보다 원활해짐에 따라 유기 태양전지의 광전변환효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 금속 나노와이어층(301)은 단위 셀 간 저항을 낮추기 위해 전기 전도도가 높은 금속 재질을 포함한다. 일례로, 상기 금속 나노와이어층(301)은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 코발트(Co), 주석(Sn), 아연(Zn) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 금속 나노와이어층(301)의 재질은 특별히 한정하지는 않으나 유기 태양전지의 성능 향상을 위해 상부 전극과 동일한 것이 바람직하다. 보다 바람직하기로, 상기 금속 나노와이어층(301)은 은 나노와이어를 사용할 수 있다.
상기 금속 나노와이어의 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 금속 나노와이어의 장축 평균 길이는, 1 ㎛ 이상, 바람직하게는 5 ㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 이상, 예를 들면, 1 내지 1000 ㎛, 구체적으로는 5 내지 100 ㎛이다. 상기 금속 나노와이어의 길이가, 1 ㎛ 미만이면, 나노와이어 사이에 접합점이 감소되어 저항이 증가할 우려가 있다. 또한, 상기 금속 나노와이어의 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 유기 태양전지의 광 투과성 및 시인성에 악영향을 줄 수 있다.
상기 금속 나노와이어층(301)은 단위 셀의 하부 전극(201) 중 노출된 영역 상에 형성되되, 이웃한 단위 셀의 상부 전극(105)와 전기적으로 연결되도록 형성한다. 필요한 경우 상기 금속 나노와이어층(301)은 2층 이상의 다층 구조를 가질 수 있으며, 2종 이상의 금속을 혼합한 합금 또는 혼합물 형태로도 사용이 가능하다.
상기 금속 나노와이어층(301)의 두께는 10 내지 40 ㎚, 바람직하게는 20 내지 30 ㎚일 수 있다. 상기 금속 나노와이어층(301)의 두께가 상기 범위 미만인 경우 접촉 저항 효과를 얻을 수 없으며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 저항은 감소되지만 유기 태양전지의 내구성, 신뢰성이 저하될 수 있다.
상기 금속 나노와이어층(301)의 폭은 0.5 내지 2 mm, 바람직하게는 1 내지 1.5 mm일 수 있다. 상기 금속 나노와이어층(301)의 폭이 상기 범위 미만인 경우 충분한 접촉 면적이 확보되지 않아 목적한 효과를 얻을 수 없으며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 유기 태양전지의 광투과도의 저하를 발생시킬 수 있다.
한편, 도 2에서 제시하는 본 발명의 일 구현예에 따른 유기 태양전지(500)의 단위 셀의 다른 구성은 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바를 따른다.
기판(100)은 투명성을 갖는 것이라면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있다.
일례로 상기 기판(100)은 석영 또는 유리와 같은 투명 무기 기판이거나, 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 기판을 사용할 수 있다. 이중에서 유연하면서도 높은 화학적 안정성, 기계적 강도 및 광투과도를 가지는 필름 형태의 투명 플라스틱 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기판(100)은 약 400 내지 750 ㎚의 가시광 파장에서 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 광투과도를 갖는 것이 좋다.
상기 기판(100)의 두께는 특별히 한정되지 않으며 사용 용도에 따라 적절히 결정될 수 있는데 일례로 1 내지 500 ㎛일 수 있다.
하부 전극(101, 201)은 음극으로, 전술한 기판(100) 상에 형성된다.
상기 하부 전극(101, 201)은 기판(100)을 통과한 빛이 광활성층(103, 203)에 도달할 수 있도록 하는 경로가 되므로 높은 광투과도를 가지고 약 약 4.5 eV 이상의 높은 일함수와 낮은 저항을 갖는 전도성 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 하부 전극(101, 201)을 구성하는 재질로는 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide; ITO), 인듐 아연 산화물(Indium Zinc Oxide; IZO), 인듐 갈륨 아연 산화물(Indium Gallium Zinc Oxide; IGZO), 인듐 주석 아연 산화물(Indium Tin Zinc Oxide; ITZO), 갈륨도핑 산화아연(Ga-doped Zinc Oxide; GZO), 알루미늄도핑 산화아연(Al-doped Zinc Oxide; AZO), 불소도핑 산화주석(F-doped Tin Oxide; FTO), 아연 주석 산화물(Zinc Tin Oxide; ZTO), 인듐 갈륨 산화물(Indium Gallium Oxide; IGO), 안티몬 주석 산화물 (Antimony Tin Oxide; ATO), 산화아연(ZnO), 산화인듐(In2O3), 산화주석(SnO2), 산화텅스텐(WO3), 산화바나듐(V2O5), 산화몰리브덴(MoO3) 및 산화텔루륨(TeO2)을 포함하는 전기 전도성 산화물; 질화티타늄(TiN), 질화크롬(CrN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN) 및 질화알루미늄인듐갈륨(AlInGaN)을 포함하는 전기 전도성 질화물; 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 코발트(Co), 주석(Sn), 아연(Zn) 및 몰리브덴(Mo)을 포함하는 금속; 폴리(3-메틸티오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)티오펜], 폴리피롤, 폴리아닐린 등의 전도성 고분자 및 그래핀(graphene) 박막, 그래핀 산화물(graphene oxide) 박막, 탄소나노튜브 박막 등의 탄소재로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 전기 전도성 산화물 및 전기 전도성 질화물은 높은 광투과도를 갖는다는 이점이 있으며, 금속은 전기 전도도가 우수하다는 이점이 있고, 상기 전도성 고분자 및 탄소재는 유연 특성이 우수하다는 이점이 있다. 따라서, 상기 하부 전극(101, 201)은 전술한 재질 각각을 사용하거나 산화물/금속/산화물, 금속이 결합된 탄소나노튜브 박막과 같이 이들을 조합한 형태로도 사용이 가능하다.
상기 하부 전극(101, 201)의 두께는 10 내지 3000 ㎚일 수 있다.
전자 수송층(102, 202)은 전술한 하부 전극(101,201) 상에 위치하며, 전자의 수송 능력을 높여 유기 태양전지(500)의 효율을 높이는 역할을 한다. 또한, 외부로부터 유입된 산소와 수분을 차단하여 광활성층(104,204)에 영향을 주는 것을 방지할 수 있다.
상기 전자 수송층(102, 202)은 금속산화물과 유기물로 형성될 수 있으며, 상기 금속산화물은 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 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속산화물 박막층은 밴드갭이 넓고 반도체적 성질을 가지고 있는 산화아연(ZnO)으로 이루어질 수 있으며, 유기물은 PEI(polyethyleneimine), PEIE(ethoxylatedpolyethylenimine)등일 수 있다.
또한, 상기 전자 수송층(102, 202)에 포함되는 금속산화물은 평균 입경이 10 ㎚ 이하이고, 구체적으로 1 내지 8 ㎚이고, 더욱 구체적으로 3 내지 7 ㎚일 수 있다.
상기 전자 수송층(102, 202)의 두께는 1 내지 100 ㎚일 수 있으며, 이와 같이 규정된 두께 범위를 벗어날 경우 전자의 수송 능력이 저하될 수 있다.
광활성층(103, 203)은 전술한 전자 수송층(102, 202) 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.
구체적으로 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.
상기 전자수용체는 풀러렌(fullerene, C60), C70, C76, C78, C80, C82, C84등의 풀러렌 유도체, CdS, CdSe, CdTe 및 ZnSe으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 전자수용체는 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르((6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM), (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르((6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester; C70-PCBM), (6,6)-티에닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르((6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM) 및 탄소나노튜브로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
이때 상기 광활성층(103, 203)은 정공수용체로서 P3HT와 전자수용체로서 PCBM의 혼합물을 포함하는 것이 더욱 바람직하고, 이때 상기 P3HT와 PCBM의 혼합 중량 비율은 1:0.1 내지 1:2일 수 있다.
상기 광활성층(103, 203)의 두께는 10 내지 1000 ㎚, 구체적으로는 100 내지 500 ㎚일 수 있다. 상기 광활성층(103, 203)의 두께가 상기 범위 미만인 경우 태양빛을 충분히 흡수할 수가 없어, 광전류가 낮아져 효율 저하가 예상되며, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 여기된 전자와 정공이 전극으로 이동할 수 없어 효율 저하 문제가 발생할 수 있다.
정공 수송층(104, 204)은 전술한 광활성층(103, 203) 상에 위치하며, 후술하는 상부 전극(105, 205)으로의 원활한 정공 이동을 도모하는 역할을 한다. 또한, 상기 전자 수송층(104, 204)와 동일하게 산소, 수분, 불순물 등의 단위 셀 내부로 유입을 방지한다.
상기 정공 수송층(104, 204)은 정공의 생성 및 전달을 위해 사용되며, 고분자; 유기 화합물; 무기물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 가능하다.
구체적으로, 정공 수송을 위한 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(PSS), 폴리아닐린, 프탈로시아닌, 펜타센, 폴리디페닐 아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, 구리 프탈로시아닌(Cu-PC) 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(T-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴) 디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 정공전달물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 상기 PEDOT와 PSS의 혼합물을 포함할 수 있다.
또한, 정공 수송을 위한 유기 화합물은 NPB(4,4´-bis(N-phenyl-1-naphthylamino)biphenyl, 4,4´-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐아미노]바이페닐); TPD(N,N´-Bis(3-methylphenyl)-N,N´-diphenylbenzidine, N,N´-비스(3-메틸페닐)-N,N´-디페닐벤지딘), MTDATA(4,4´,4˝-Tris[phenyl(m-tolyl)amino]triphenylamine, 4,4´,4˝-트리스[(3-메틸페닐)페닐아미노]트라이페닐아민), TAPC(4,4´-Cyclohexylidenebis[N,N-bis(4-methylphenyl)benzenamine], 4,4´-사이클로헥실리덴 비스[N,N-비스(4-메틸페닐)벤젠아밀]), TCTA(Tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine, 트리스(4-카바조일-9-일페닐)아민), CBP(4,4´-Bis(N-carbazolyl)-1,1´-biphenyl, 4,4´-비스(N-카바졸릴)-1,1´-바이페닐), Alq3, mCP(9,9´-(1,3-Phenylene)bis-9H-carbazol, 9,9´-(1,3-페닐렌)비스-9H-카바졸) 및 2-TNATA(4,4´,4˝-Tris[2-naphthyl(phenyl)amino]triphenylamine, 4,4´,4˝-트리스(N-(2-나프틸)-N-페닐아미노)트리페닐아민) 중 적어도 1종을 사용할 수 있다.
또한, 정공 수송을 위한 무기물은 MoO3, MoO2, WO3, V2O5, ReO3, NiO, Mo(tfd)3, HAT-CN(Hexaazatriphenylenehexacarbonitrile, 헥사아자트리페닐렌 헥사카르보니트릴) 및 F4-TCNQ(7,7,8,8-Tetracyano-2,3,5,6-tetrafluoroquinodimethane, 7,7,8,8-테트라시아노-2,3,5,6-테트라플루오로퀴노디메탄)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 가능하고, 바람직하기로 MoO3를 사용한다.
상기 정공 수송층(104, 204)의 두께는 200 내지 800 ㎚, 바람직하게는 300 내지 500 ㎚일 수 있다.
상부 전극(105, 205)은 양극으로, 전술한 정공 수송층(104, 204) 상에 형성된다.
상기 상부 전극(105, 205)은 낮은 일함수를 갖는 통상의 금속을 포함한다.
일례로, 상기 상부 전극(105, 205)으로는 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 망간(Mn) 등의 금속 입자; 또는 상기 금속원소를 포함하는 전구체, 예를 들면 질산은(AgNO3), Cu(HAFC)2(Cu(hexafluoroacetylacetonate)2,), Cu(HAFC)(1,5-Cyclooctanediene), Cu(HAFC)(1,5-Dimethylcyclooctanediene), Cu(HAFC)(4-Methyl-1-pentene), Cu(HAFC)(Vinylcyclohexane), Cu(HAFC)(DMB), Cu(TMHD)2(Cu(tetramethylheptanedionate)2), DMAH(dimethylaluminum hydride), TMEDA(tetramethylethylenediamine), DMEAA(dimethylethylamine alane, NMe2Et·AlH3), TMA(trimethylaluminum), TEA(triethylaluminum), TBA(triisobutylaluminum), TDMAT(tetra(dimethylamino)titanium), TDEAT(tetra(dimethylamino)titanium) 등 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 상부 전극(105, 205)은 상기 금속 나노와이어층(301)과 동일한 재질을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 상부 전극(105, 205)의 두께는 10 내지 5000 ㎚일 수 있다.
추가로, 본 발명의 유기 태양전지(500)는 하부 전극(101, 201)과 상기 광활성층(103, 203) 사이(전자 수송층을 제외할 경우), 하부 전극(101, 201)과 전자 수송층(102, 202) 사이, 또는 전자 수송층(102, 202)과 광활성층(103, 203) 사이에 금속산화물 박막층(미도시)을 포함할 수 있다.
상기 금속산화물 박막층은 부전극으로서 전자의 이동 속도를 증가시켜 유기 태양전지(500)의 작동을 가능하게 하고, 외부로부터 침투하는 산소와 수분을 차단하여 상기 광활성층(103,203)에 포함된 고분자가 산소와 수분에 의하여 열화되는 것을 방지하여 유기 태양전지(500)의 수명을 향상시킬 수 있다.
상기 금속산화물 박막층은 두께가 10 내지 500 ㎚, 바람직하게 20 내지 300 ㎚, 더욱 바람직하게 20 내지 200 ㎚일 수 있다. 상기 금속산화물 박막층의 두께가 상기 범위 내인 경우 전자의 이동 속도를 향상시키면서도 외부로부터 산소와 수분이 침투하여 광활성층(103, 203) 및 정공 수송층(104, 204)에 영향을 주는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 금속산화물 박막층에 포함되는 금속산화물은 평균 입경이 10 ㎚ 이하이고, 바람직하게 1 내지 8 ㎚이고, 더욱 바람직하게 3 내지 7 ㎚일 수 있다.
상기 금속산화물은 티타늄(Ti), 아연(Zn), 규소(Si), 망간(Mn), 스트론듐(Sr), 인듐(In), 바륨(Ba), 칼륨(K), 나이오븀(Nb), 철(Fe), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 비스무트(Bi), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 세륨(Ce), 백금(Pt), 은(Ag), 로듐(Rh) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속의 산화물일 수 있으며, 바람직하게 산화아연(ZnO)일 수 있다. 상기 산화아연은 밴드갭이 넓고 반도체적 성질을 가지고 있어, 상기 하부 전극(101, 201)과 함께 사용하는 경우 전자의 이동을 더욱 향상시킬 수 있다.
전술한 바의 본 발명에 따른 유기 태양전지는 공지된 바의 방법에 따라 제조가 가능하다.
본 발명의 유기 태양전지(500)의 제조 방법은 기판(100)을 롤투롤 방식으로 이송시키면서 코팅 용액으로 코팅하여 박막층을 형성하는 단계를 포함한다. 이때 상기 박막층은 전자 수송층(102, 202), 광활성층(103, 203), 정공 수송층(104, 204) 및 금속 나노와이어층(301)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있으며, 상기 코팅 용액은 상기한 박막층 형성용 조성물 및 용매를 포함한다. 이하 본 설명에서는 하부 전극(101, 201)은 음극이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 유기 태양전지(500)의 제조방법은 기판(100) 상에 하부 전극(101, 201)을 형성하는 단계; 상기 하부 전극(101, 201)의 일면 중 일부에 전자 수송층(102, 202)을 형성하는 단계; 상기 전자 수송층(102, 202) 상에 광활성층(103, 203)을 형성하는 단계; 상기 광활성층(103. 203) 상에 정공 수송층(104, 204)을 형성하는 단계; 및 상기 정공 수송층(104, 204) 상에 상부 전극(105, 205)을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 상부 전극(105, 205)을 형성하기 이전에 상기 하부 전극(101, 201)의 노출된 영역에 금속 나노와이어층(301)을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일 구현예에서는 상기 금속 나노와이어층(301)을 형성하는 단계를 하부 전극(101, 201)을 형성하는 단계 직후에 수행하나, 필요한 경우 그 순서를 달리할 수 있다. 상기 금속 나노와이어층(301)을 형성하는 단계는 하부 전극(101, 201)을 형성하는 단계 직후, 전자 수송층(102, 202)을 형성하는 단계 직후, 광활성층(103, 203)을 형성하는 단계 직후 또는 정공 수송층(104, 204)을 형성하는 단계 직후에 이루어질 수 있다.
우선, 기판(100)을 준비하고 상기 기판(100) 상에 하부 전극(101, 201)으로 음극을 형성한다.
준비된 기판(100) 상에 음극은 통상의 방법에 따라 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 음극은 기판(100)의 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 기판에 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 기판의 표면을 전처리할 수도 있다.
이어서 상기 하부 전극(101, 201)의 일면 중 노출된 영역, 즉 박막층이 형성되지 않으며, 이웃하는 셀의 상부 전극(105)과 접촉하는 영역에 금속 나노와이어층(301)을 형성한다.
상기 금속 나노와이어층(301)은 전술한 금속 나노와이어가 용매 상에 분산되어 있는 금속 나노와이어층 형성용 조성물을 도포하는 습식 용액 공정에 의해 형성된다. 일례로, 상기 도포는 슬롯다이 코팅, 스핀 코팅, 그라비어 코팅, 바(bar) 코팅, 메이어 바(Meyer bar) 코팅, 스프레잉, 딥 코팅, 콤마 코팅, 커튼 코팅, 닥터 블레이딩 등의 통상의 코팅 방법에 의해 실시될 수 있으며, 구체적으로는 슬롯다이 코팅 또는 스핀 코팅이 수행될 수 있다.
특히, 상기 금속 나노와이어층(301)은 습식 코팅 방법을 통해 형성되기 때문에 롤투롤 공정에 적용이 가능할 뿐만 아니라 박막층과 동일한 공정으로 진행되기 때문에 제조과정의 단순화, 고속화가 가능하다는 이점을 가진다.
상기 금속 나노와이어층 형성용 조성물에 사용되는 용매로는 증류수, 탄소수 1 내지 5의 저가 알콜, 디메틸포름아미드 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 통상의 금속 나노와이어 분산액 제조에 사용되는 용매이면 적용이 가능하다.
상기 금속 나노와이어층 형성용 조성물은 전술한 금속 나노와이어 및 용매 이외에 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 금속 나노와이어층 형성용 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.
공정성을 고려하여 상기 금속 나노와이어층 형성용 조성물은 적절한 점도를 갖는 것이 바람직하다. 일례로, 상기 금속 나노와이어층 형성용 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 금속 나노와이어층 형성용 조성물이 적절한 점도를 갖도록 하는 것이 바람직하다.
이어서 상기 하부 전극(101,201)이 형성된 기판을 롤투롤 방식으로 이송시키면서 금속 나노와이어층(301)이 형성되지 않은 일면 상에 코팅 용액을 도포하여 박막층을 형성하는 단계를 포함한다. 이때 상기 박막층은 전자 수송층(102, 202), 광활성층(103, 203) 및 정공 수송층(104, 204)이다.
상기 코팅 용액은 각 박막층에 포함되는 물질 및 용매를 포함한다.
구체적으로 상기 코팅 용액은 전자 수송층(102, 202) 형성용 조성물, 광활성층(103, 203) 형성용 조성물 및 정공 수송층(104, 204) 형성용 조성물일 수 있다.
이하, 각각의 박막층을 형성하는 단계를 상세히 설명한다.
다음으로, 하부 전극(101, 201) 상에 전자 수송층(102, 202) 형성용 조성물을 이용하여 전자 수송층(102, 202)을 형성할 수 있다.
상기 전자 수송층(102, 202) 형성용 조성물은 전술한 금속산화물을 용매에 용해시켜 제조하며 이를 도포하여 도막을 형성한다.
상기 용매는 금속산화물을 용해시키거나 분산시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있으며, 예를 들어, 물, 2-에틸헥산올, 2-부톡시헥산올, n-프로필알코올, 이소프로필알코올, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 및 디프로필렌글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
상기 용매는 상기 전자 수송층(102, 202) 형성용 조성물 중 잔부의 양으로 포함될 수 있으며, 구체적으로는 상기 전자 수송층(102, 202) 형성용 조성물 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.
상기 도포는 슬롯다이 코팅, 스핀 코팅, 그라비어 코팅, 바(bar) 코팅, 메이어 바(Meyer bar) 코팅, 스프레잉, 딥 코팅, 콤마 코팅, 커튼 코팅, 닥터 블레이딩 등의 통상의 코팅 방법에 의해 실시될 수 있으며, 구체적으로는 슬롯다이 코팅 또는 스핀 코팅이 수행될 수 있다.
상기 전자 수송층(102, 202) 형성용 조성물로 도막을 형성한 이후, 코팅된 기판(100)에 대해 건조 또는 열처리하는 후처리 공정이 선택적으로 실시될 수 있다. 상기 건조는 50 내지 400 ℃, 구체적으로는 70 내지 200 ℃에서 1 내지 30분 동안 열풍건조, NIR 건조, 또는 UV 건조를 통하여 실시될 수 있다.
다음으로, 전자 수송층(102, 202) 상에 광활성층(103, 203) 형성용 조성물을 이용하여 광활성층(103, 203)을 형성할 수 있다.
상기 광활성층(103, 203) 형성용 조성물은 전술한 정공수용체와 전자수용체를 용매에 용해시켜 제조하며 이를 도포하여 도막을 형성한다.
상기 용매는 전자수용체와 정공수용체를 용해시키거나 분산시킬 수 있는 것이 라면 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, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로포름, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 트리클로로벤젠, 사이클로헥산, 사이클로펜타논, 사이클로헥사논, 디옥산, 터피네올, 메틸에텔케톤 등의 유기 용매, 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 상기 전자 수송층(102,202) 형성용 조성물 제조시 대상 물질의 종류에 따라 상기한 용매 중에서 적절히 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 도포는 슬롯다이 코팅, 스핀 코팅, 그라비어 코팅, 바(bar) 코팅, 메이어 바(Meyer bar) 코팅, 스프레잉, 딥 코팅, 콤마 코팅, 커튼 코팅, 닥터 블레이딩 등의 통상의 코팅 방법에 의해 실시될 수 있으며, 구체적으로는 슬롯다이 코팅 또는 스핀 코팅이 수행될 수 있다.
상기 광활성층(103, 203) 형성용 조성물로 도막을 형성한 이후, 코팅된 기판(100)에 대해 건조 또는 열처리하는 후처리 공정이 선택적으로 실시될 수 있다. 상기 건조는 50 내지 400 ℃, 구체적으로는 70 내지 200 ℃에서 1 내지 30분 동안 열풍건조, NIR 건조, 또는 UV 건조를 통하여 실시될 수 있다.
일례로, 광활성층(103, 203)의 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.
다음으로, 상기 광활성층(103, 203) 상에 정공 수송층(104, 204) 형성용 조성물을 이용하여 정공 수송층(104, 204)을 형성한다.
상기 정공 수송층(104, 204) 형성용 조성물은 전술한 정공 수송 물질을 용매에 용해시켜 제조하며 이를 도포하여 도막을 형성한다.
상기 정공 수송층(104, 204) 형성용 조성물에 포함되는 용매는 정공 수송 물질을 균일하게 혼합하고 분산시키기 위해 사용되며 해당 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있다.
바람직하기로, 상기 용매로는 물; 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 이소부탄올 등의 알코올 용매; 디에틸에테르, 디프로필에테르, 디부틸에테르, 부틸에틸에테르, 테트라하이드로퓨란 등의 에테르 용매; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르 등의 알콜 에테르 용매; 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤 용매; N-메틸-2-피릴리디논, 2-피릴리디논, N-메틸포름아미드, N,N-디메틸포름아미드 등의 아미드 용매; 디메틸술폭사이드, 디에틸술폭사이드등의 술폭사이드 용매; 디에틸술폰, 테트라메틸렌 술폰등의 술폰 용매; 아세토니트릴, 벤조니트릴등의 니트릴 용매; 알킬아민, 사이클릭아민, 아로마틱아민 등의 아민 용매; 메틸부티레이트, 에틸부티레이트, 프로필프로피오네이트 등의 에스테르 용매; 에틸 아세테이트, 부틸아세테이트 등의 카르복실산 에스테르 용매; 벤젠, 에틸벤젠, 클로로벤젠, 톨루엔, 자일렌 등의 방향족 탄화수소 용매; 헥산, 헵탄, 시클로헥산 등의 지방족 탄화수소 용매; 클로로포름, 테트라클로로에틸렌, 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄과 같은 할로겐화된 탄화수소 용매; 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸카보네이트, 디부틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 디부틸카보네이트, 니트로메탄, 니트로벤젠 등의 유기 용매;로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 그 이상의 혼합 용매가 사용될 수 있다.
상기 용매는 상기 정공 수송층(104, 204) 형성용 조성물 중 잔부의 양으로 포함될 수 있으며, 구체적으로는 상기 정공 수송층(104,204) 형성용 조성물 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.
상기 도포는 슬롯다이 코팅, 스핀 코팅, 그라비어 코팅, 바(bar) 코팅, 메이어 바(Meyer bar) 코팅, 스프레잉, 딥 코팅, 콤마 코팅, 커튼 코팅, 닥터 블레이딩 등의 통상의 코팅 방법에 의해 실시될 수 있으며, 구체적으로는 슬롯다이 코팅 또는 스핀 코팅이 수행될 수 있다.
상기 정공 수송층(104,204) 형성용 조성물로 도막을 형성한 이후, 코팅된 기판(100)에 대해 건조 또는 열처리하는 후처리 공정이 선택적으로 실시될 수 있다. 상기 건조는 50 내지 400 ℃, 구체적으로는 70 내지 200 ℃에서 1 내지 30분 동안 열풍건조, NIR 건조, 또는 UV 건조를 통하여 실시될 수 있다.
다음으로, 상기 상기 정공 수송층(104, 204) 상에 상부 전극(105, 205)으로 양극을 형성한다.
상기 양극 형성용 조성물은 전술한 상부 전극의 재질을 포함하는 페이스트이며, 이를 인쇄 방법을 이용하여 소정의 패턴 형태로 형성한다.
본 발명에서 인쇄 방법은 통상적으로 사용되는 다양한 인쇄 공정이 적용될 수 있다. 예를 들어 상기 인쇄는 잉크젯 인쇄, 에어로졸젯 인쇄, EHD젯 인쇄, 그라비아 인쇄, 그라비어 오프셋(Gravure-offset) 인쇄, 임프린팅, 플렉소 인쇄 또는 스크린 인쇄 중 어느 하나의 방법이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 스크린 인쇄이다.
상기 인쇄 공정을 수행한 후, 당분야에서 통상적으로 사용되는 건조 및 소성 방법에 따라 소성될 수 있으며, 바람직하게는 질소, 산소 또는 아르곤 열풍 단독, MIR(Middle Infra-Red) 램프, 또는 열풍과 MIR 램프를 동시에 사용하여 건조 및 소성될 수 있다.
상기한 단계를 거쳐 본 발명에 따른 유기 태양전지(500)를 제작한다.
이때 기판(100) 상에 각층의 적층은 롤투롤 방식으로 진행될 수 있다.
구체적으로, 기판(100)을 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 개별층의 코팅 및 건조 속도에 따라 최적화하여 사용할 수 있다.
이러한 롤투롤 장비를 이용한 공정은 유기 태양전지의 대량 생산이 용이하고, 연속 공정이 가능하다는 이점과 함께 대면적의 기판에도 용이하게 적용이 가능함에 따라 그 크기에 상관없이 소형에서부터 대형의 유기 태양전지를 제작할 수 있다.
또한, 상기 단계를 거쳐 제조된 유기 태양전지는 단위 셀 사이에 도입된 금속 나노와이어층을 통해 통전됨에 따라 접촉 저항이 감소되어 손실 전류를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 전류 흐름이 개선되어 우수한 광전변환 효율을 나타내는 유기 태양전지를 구현할 수 있다.
이러한 유기 태양전지는 건물 외장재, 예를 들어 외벽, 지붕, 창문뿐만 아니라 의류, 포장지, 벽지, 자동차 유리 등 다양한 분야에 적용 가능하다.
본 발명에 따른 유기 태양전지는 단위 셀 사이를 금속 나노와이어층을 통해 연결함으로써 손실 전류를 감소시켜 우수한 수명 및 성능을 나타내며, 제조 공정을 단순화하여 유기 태양전지의 대량 및 대면적 생산이 가능하기 때문에 건물 외장재, 예를 들어 외벽, 지붕, 창문 뿐만 아니라 패션 아웃도어 용품, 포장지, 벽지, 자동차 유리 등 다양한 분야에 적용 가능하다.
10,100: 기판 11,21,101,201: 하부 전극
12,22,102,202: 전자 수송층 13,23,103,203: 광활성층
14,24,104,204: 정공 수송층 15,25, 105, 205: 상부 전극
301: 금속 나노와이어층 50,500: 유기 태양전지

Claims (7)

  1. 복수 개의 단위 셀을 포함하는 유기 태양전지에 있어서,
    상기 단위 셀의 하부 전극은 전자 수송층과 접하는 일면 중 일부가 노출된 영역을 구비하며,
    상기 단위 셀 간 전기적 연결을 위해 상기 하부 전극의 노출된 영역 상에 금속 나노와이어층을 구비하는 유기 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노와이어층은 금속 나노와이어의 3차원 네트워크 구조를 포함하는, 유기 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노와이어층은 금, 은, 백금, 구리, 니켈, 철, 티타늄, 알루미늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 코발트, 주석, 아연 및 몰리브덴으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 유기 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노와이어층의 두께는 10 내지 40 ㎚인 유기 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노와이어층의 폭은 0.5 내지 2 ㎜인 유기 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전극은 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 인듐 갈륨 아연 산화물, 인듐 주석 아연 산화물, 갈륨도핑 산화아연, 알루미늄도핑 산화아연, 불소도핑 산화주석, 아연 주석 산화물, 인듐 갈륨 산화물, 안티몬 주석 산화물, 산화아연, 산화인듐, 산화주석, 산화텅스텐, 산화바나듐, 산화몰리브덴 및 산화텔루륨을 포함하는 전기 전도성 산화물; 질화티타늄, 질화크롬, 질화인듐갈륨, 질화갈륨, 질화인듐, 질화알루미늄갈륨 및 질화알루미늄인듐갈륨을 포함하는 전기 전도성 질화물; 금, 은, 백금, 구리, 니켈, 철, 티타늄, 알루미늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 코발트, 주석, 아연 및 몰리브덴을 포함하는 금속; 전도성 고분자 및 탄소재로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 유기 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀은 하부 전극, 전자 수송층, 광활성층, 정공 수송층 및 상부 전극을 포함하는 유기 태양전지.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200491951Y1 (ko) 2020-01-29 2020-07-08 이경보 원형 샌드위치 사포

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110311043B (zh) * 2019-06-28 2020-06-23 河南大学 一种Sb-二氧化锡纳米前驱体、利用其作为电子传输层制备钙钛矿太阳能电池的方法
KR20220148824A (ko) * 2020-02-04 2022-11-07 유비쿼터스 에너지 인코포레이티드 유기 광전지 장치용 복합 전하 수송층
CN112864328B (zh) * 2021-01-28 2022-09-02 广西大学 一种Ag/C60/P3HT/n-GaN/In平面型异质结材料及其制备方法
TWI817705B (zh) * 2022-09-06 2023-10-01 行政院原子能委員會核能研究所 一種有機太陽能模組及其製造方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140115515A (ko) 2013-03-20 2014-10-01 경희대학교 산학협력단 다층 투명 전극 및 이를 사용한 유기 태양전지
KR20140146010A (ko) 2013-06-14 2014-12-24 주식회사 엘지화학 유기태양전지 및 이의 제조방법

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010282997A (ja) * 2009-06-02 2010-12-16 Seiko Epson Corp 太陽電池、太陽電池の製造方法
JP2011023622A (ja) * 2009-07-17 2011-02-03 Seiko Epson Corp 太陽電池、太陽電池の製造方法
KR101575976B1 (ko) * 2014-08-19 2015-12-10 아주대학교산학협력단 유기태양전지 및 유기태양전지의 제조 방법
KR20160080614A (ko) * 2014-12-30 2016-07-08 코오롱인더스트리 주식회사 유기 태양 전지의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 유기 태양 전지
JP2016152307A (ja) * 2015-02-17 2016-08-22 出光興産株式会社 有機太陽電池モジュールおよびその製造方法、並びに電子機器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140115515A (ko) 2013-03-20 2014-10-01 경희대학교 산학협력단 다층 투명 전극 및 이를 사용한 유기 태양전지
KR20140146010A (ko) 2013-06-14 2014-12-24 주식회사 엘지화학 유기태양전지 및 이의 제조방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200491951Y1 (ko) 2020-01-29 2020-07-08 이경보 원형 샌드위치 사포

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