KR20190083813A - 유기 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20190083813A KR1020180001712A KR20180001712A KR20190083813A KR 20190083813 A KR20190083813 A KR 20190083813A KR 1020180001712 A KR1020180001712 A KR 1020180001712A KR 20180001712 A KR20180001712 A KR 20180001712A KR 20190083813 A KR20190083813 A KR 20190083813A
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Abstract

본 발명은 향상된 광전 변환 효율을 갖는 유기 태양전지에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 투명전극; 상기 투명전극 상에 위치하는 유기 정공전달층; 상기 유기정공전달층 상에 위치하는 유기 광활성층; 상기 유기 광활성층 상에 위치하는 대전극; 및 상기 투명전극과 접하여 위치하며 상기 유기 정공전달층을 관통하며 상기 유기 광활성층에 함입된 플라즈모닉 금속 나노입자;를 포함한다.

Description

유기 태양전지 및 이의 제조방법{Organic Solar Cell and the Fabrication Method Thereof}
본 발명은 유기 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 향상된 광전 변환 효율을 갖는 유기 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 크게 실리콘 기반 태양전지, III-V족 반도체 기반 박막 태양전지, 염료(양자점) 감응형 태양전지 및 유기물을 이용한 유기 태양전지로 나뉠 수 있다. 이중에서도 유기물을 이용한 유기 태양전지의 경우, 다른 태양전지에 비해, 값싼 공정비용과 롤투롤 공정을 통한 대량 생산이 가능하여 상업성이 우수하고, 가벼운 소자 무게 및 블렉서블 특성등에 의해 차세대 태양전지로 크게 주목받고 있다.
그러나 유기 태양전지의 경우 다른 태양전지에 비해 광전변환효율(PCE; power conversion efficiency)이 낮아, 실질적인 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 이는 주로 유기물의 낮은 전하 이동도 및 엑시톤의 확산 및 분리효율에 의한 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 새로운 물질을 개발하거나, 결정성을 향상시키거나, 버퍼층을 추가하여 에너지 장벽을 낮추는 등 다양한 연구가 수행되고 있다.
한편, 플라즈모닉 효과를 이용하여 유기 태양전지의 효율을 향상시키고자 하는 연구가 이루어지고 있으며, 대한민국 등록특허 제1695260호와 같이 버퍼층 또는 유기 광활성층에 금속 나노클러스터를 분산시키는 기술등이 제안된 바 있다. 아직까지 유기 태양전지에서 표면 플라즈몬을 갖는 플라즈모닉 금속에 의한 효율 증강 원인이 명확히 밝혀지지 않았으나, 플라즈모닉을 이용한 광전효율이 활성층내 70nm 이상의 금속 나노입자 크기에서 감소되는 것이 증명된 후, 플라즈모닉 금속 나노입자의 강화된 국소장에 의한 빛 가둠이 최대화되는 나노클러스터 내지 50nm 이하의 극미세 금속 나노구조를 이용한 효율 향상이 주로 연구되고 있는 것이 현실이다. 그러나, 이러한 극미세 나노구조는 산란 효과를 감소시키며, 유기 태양전지의 가장 큰 장점인 가격 경쟁력 및 대량 생산성을 저해하는 문제점이 있고, 또한, 금속 나노입자와 유기 반도체 물질간의 표면 특성차가 커 금속 나노입자의 응집이 발생하는 등 공정상 어려움이 있다.
대한민국 등록특허 제1695260호
본 발명은 상대적으로 조대한 금속 나노입자가 구비됨에도 향상된 광전변환효율을 갖는 유기 태양전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 향상된 광전변환효율을 가지면서도 간단한 도포공정에 의해 대량생산 가능한 유기 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 유기 태양전지는 투명전극; 상기 투명전극 상에 위치하는 유기 정공전달층; 상기 유기정공전달층 상에 위치하는 유기 광활성층; 상기 유기 광활성층 상에 위치하는 대전극; 및 상기 투명전극과 접하여 위치하며 상기 유기 정공전달층을 관통하며 상기 유기 광활성층에 함입된 플라즈모닉 금속 나노입자;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지에 있어, 상기 플라즈모닉 금속 나노입자의 직경은 70nm 초과일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지에 있어, 상기 금속 나노입자의 직경은 80nm 내지 90nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지에 있어, 상기 플라즈모닉 금속 나노입자는 하기 식 1 및 식 2를 만족할 수 있다.
(식 1)
T(ht) < D(NP)
식 1에서 T(ht)는 유기 정공전달층의 두께이며, D(NP)는 금속 나노입자의 직경이다.
(식 2)
0.4 T(act) ≤ D(NP)-T(ht) ≤ 0.5 T(act)
식 2에서, T(ht) 및 D(NP)는 식1의 정의와 동일하며, T(act)는 유기 광활성층의 두께이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지에 있어, 상기 금속 나노입자의 표면은 상기 투명전극과 직접 접촉하는 제1영역, 상기 유기정공전달층과 직접 접촉하는 제2영역 및 상기 유기 광활성층과 직접 접촉하는 제3영역으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지에 있어, 상기 금속 나노입자는 금, 백금, 은, 팔라듐, 알루미늄, 구리, 니켈, 아연 및 크롬에서 하나 이상 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지에 있어, 상기 금속 나노입자는 구형; 잘린 구형; 또는 팔면체나 잘린 팔면체를 포함하는 다면체;일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지에 있어, 상기 광활성층은 전자주게와 전자받게가 혼합된 벌크 이종접합 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지에 있어, 상기 투명전극의 단위 면적당 금속 나노입자 수인 금속 나노입자 밀도는 1 x 107 내지 1 x 109 개/cm2일 수 있다.
본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법은 a) 투명 전극 상 70nm를 초과하는 직경을 갖는 금속 나노입자를 도포하는 단계; b) 금속 나노입자가 도포된 투명 전극 상 하기 식 1 및 식 2를 만족하도록, 유기 정공전달층 및 유기 광활성층을 순차적으로 형성하는 단계; 및 c) 유기 광활성층 상부로 대전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
(식 1)
T(ht) < D(NP)
식 1에서 T(ht)는 유기 정공전달층의 두께이며, D(NP)는 금속 나노입자의 직경이다.
(식 2)
0.4 T(act) ≤ D(NP)-T(ht) ≤ 0.5 T(act)
식 2에서, T(ht) 및 D(NP)는 식1의 정의와 동일하며, T(act)는 유기 광활성층의 두께이다.
본 발명에 따른 유기 태양전지는 70nm를 초과하는 상대적으로 조대한 금속 나노입자를 이용함에도, 광전변환효율이 현저하게 향상되는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 투명 전극 측에 유기 정공전달층이 위치하는 순수한 유기물 기반 유기 태양전지의 광전변환효율을 현저하게 향상시킬 수 있으며, 이와 함께, 유기 정공전달층-유기 광활성층 및 유기 정공전달층을 관통하는 금속 나노입자의 구조를 가짐에 따라, 유기 태양전지의 플렉서블 특성이 훼손을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 유기 태양전지는, 제조 및 구입이 상대적으로 용이하고 저렴한 조대의 나노입자를 투명 전극 상에 단순 도포한 후, 종래의 용액 도포에 기반한 유기 태양전지의 제조 공정을 고도의 변형 없이 사용하여 제조될 수 있음에 따라, 나노입자와 태양전지를 이루는 유기물간의 표면 특성 차에 의한 응집으로부터 자유로우며, 종래 유기 태양전지가 갖는 저비용, 간단한 공정에 의한 대량생산의 장점이 그대로 유지되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지의 단면을 도시한 일 단면도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 구조에서, FDTD(finite difference time domain) calculation를 이용한, 금속 나노입자의 크기에 따른 광흡수율을 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 구조에서, FDTD(finite difference time domain) calculation을 이용한, 금속 나노입자의 국소 전자기장이 생성되는 영역 및 크기(색으로 도시)를 도시한 도면이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지에서, 측정된 일함수를 기반으로 도시한 에너지 밴드 다이어그램이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 유기 태양전지를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 유기 태양전지는 투명전극; 투명전극 상에 위치하는 유기 정공전달층; 유기정공전달층 상에 위치하는 유기 광활성층; 유기 광활성층 상에 위치하는 대전극; 및 투명전극과 접하여 위치하며 유기 정공전달층을 관통하며 유기 광활성층에 함입된 플라즈모닉 금속 나노입자를 포함한다.
즉, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 투명전극과 접하여 위치하는 플라즈모닉 금속 나노입자가 유기정공전달층을 관통하며 금속 나노입자의 상부 영역이 유기 광활성층에 함입(embedded)된 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 금속 나노입자의 표면은 투명전극과 직접 접촉하는 제1영역, 유기 정공전달층과 직접 접촉하는 제2영역 및 유기 광활성층과 직접 접촉하는 제3영역을 포함할 수 있으며, 나아가, 금속 나노입자의 표면은 제1영역, 제2영역 및 제3영역으로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 금속 나노입자가 직접적으로 유기 광활성층과 접하며 금속 나노입자의 상부 영역이 유기 광활성층에 함입되어 있는 구조를 가짐에 따라, 광활성층에서 금속 나노입자에 의한 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR; localized surface plasmon resonance)이 직접적으로 발생하며, LSPR에 의한 강한 국소 전자기장에 의한 광흡수율 증가 및 엑시톤 수명 증가 효과를 얻을 수 있으며, 광활성층 내부에서의 광의 직접적인 산란 (scattering) 효과에 의해 입사광의 포집 (Light Trapping)이 향상되어 증폭 효과 또한 얻을 수 있다.
이와 함께, 금속 나노입자가 직접적으로 유기 정공전달층과 접하며, 유기 정공전달층을 관통하는 구조임에 따라, 유기 정공전달층에서 금속 나노입자에 의해 발생하는 LSPR에 의해서도 광활성층의 광흡수율을 증가시킬 수 있다. 종래 유기 정공전달층에 금속 나노입자를 함입시킨 경우, 유기 정공전달층에서 광활성층으로 원거리장 효과(far-field effect) 빛 산란을 야기함에 따라, 금속 나노입자의 위치(거리)에 따라 민감하게 광흡수율 증진 효과가 영향을 받았다. 그러나, 본 발명의 경우, 금속 나노입자가 유기 정공전달층을 관통하는 구조임에 따라, 유기 정공전달층 및 유기 정공전달층과 유기 광활성층의 계면에서 유기 광활성층까지 연속적으로 국소 전자기장이 형성됨과 동시에 원가리장 효과 또한 야기할 수 있음에 따라, 매우 효과적이고 안정적으로 광흡수율을 증가시킬 수 있다.
이러한 광흡수율 증진과 함께, 금속 나노입자가 직접적으로 유기 정공전달층과 접하며 유기 정공전달층을 관통하는 구조에 의해, 광활성층, 구체적으로 전자주게(electron donor)와 유기 정공전달층의 HOMO(highest occupied molecular orbital)간 에너지 준위(energy level) 차가 감소되며 광활성층에서 생성되는 광 전하의 수집(collection) 효율이 증가할 수 있다.
또한, 금속 나노입자가 투명 전극과 접하고 유기 정공전달층을 관통하며 유기 정공전달층 상부(유기 정공전달층과 유기 광활성층 계면의 상부)에 위치하는 금속 나노입자 영역이 유기 광활성층에 함입되어 있는 구조는, 태양전지의 직렬 저항(Rs), 즉, 전극 자체의 저항 및 전극과 물질간의 계면 저항을 크게 낮출 수 있어 유리하며, 이와 함께 갈래 저항(Rsh)을 증가시켜 누설 전류 및 재결합에 의한 소멸 전류를 방지할 수 있어 유리하다.
나아가, 알려진 바와 같이, 금속 나노입자의 크기가 커질수록 증강되는 광의 파장이 장파장으로 이동하며 증강되는 파장 범위가 넓어진다. 그러나, 유기 태양전지의 경우, 엑시톤의 확산거리가 수 내지 수십 나노미터로 짧아, 광활성층이 벌크 이종접합 구조를 갖는다 하더라도 그 두께가 100nm 내외로 제약되는 것이 현실이다. 이러한 현실에서, 광이 수광되는 방향에 위치하는 정공전달층에 금속 나노입자가 함입되는 경우 금속 나노입자에 의한 광의 전방 산란에 의해 오히려 광 효율이 낮아질 위험이 있으며, 광활성층에 금속 나노입자를 함입하는 경우, LSPR의 최대화에 따른 입자 크기 제한 및 광활성층의 두께 제약에 따라, 통상 10 내지 60nm의 나노입자를 사용하는 것이 통상적이다.
그러나, 본 발명에 따른 유기 태양전지의 경우, 금속 나노입자가 투명 전극과 접한 상태에서 유기 정공전달층을 관통하며 유기 광활성층에 함입된 구조를 가짐에 따라, 국소장 및 광의 산란에 의한 빛가둠 효과 뿐만 아니라, 원거리장 효과, 전하 수집율 증가 효과, 직렬 저항(Rs) 감소 및 갈래 저항(Rsh) 증가 효과를 모두 얻을 수 있음에 따라, 600 내지 800nm, 구체적으로는 700 내지 800nm의 장파장 광의 흡수율을 증진시킬 수 있는 조대한 크기, 구체적으로 70nm를 초과하는 크기(직경), 보다 구체적으로 80 내지 90nm의 크기(직경)를 가질 수 있다. 나아가, 식 2를 기반으로 후술하는 바와 같이, 금속 나노입자의 크기가 80 내지 90nm이며, 식 2를 만족하는 경우, 유기 광활성층에서의 플라즈모닉 공명이 최대화되어, 국소장 및 광의 산란에 의한 빛가둠 효과에 의한 광전 변환 효율을 최대로 증가시킬 수 있다.
이와 함께, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 다른 플라즈모닉 기반 유기 태양전지 대비 우수한 상업성을 갖는다. 구체적으로, 70nm를 초과하는 금속 나노입자의 크기, 보다 구체적으로 80 내지 90nm인 조대한 금속 나노입자의 크기는 제조 및 구입이 상대적으로 용이하고 저렴하여, 플라즈모닉 효과를 이용함에도 유기 태양전지의 단가 상승을 크게 억제할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 금속 나노입자가 투명 전극과 접한 상태에서 유기 정공전달층을 관통하며 유기 광활성층에 함입된 구조를 가짐에 따라, 단지 조대의 나노입자를 투명 전극 상에 단순 도포한 후, 종래의 용액 도포에 기반한 유기 태양전지의 제조 공정을 고도의 변형 없이 사용하여 제조될 수 있음에 따라, 별도의 나노입자 개질 공정이 불필요하며, 나노입자와 태양전지를 이루는 유기물간의 표면 특성 차에 의한 응집(나노입자의 응집)으로부터 자유로우며, 종래 유기 태양전지가 갖는 저비용, 간단한 공정에 의한 대량생산의 장점이 그대로 유지되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지의 단면을 도시한 일 예로, 도 1에 도시한 일 예와 같이, 유기 태양전지는 투명 전극(100), 유기 정공전달층(200), 유기 광활성층(300) 및 대전극(400)이 순차적으로 적층된 적층체 및 투명전극(100)과 접하여 위치하며 유기 정공전달층(200)을 관통하며 유기 광활성층(300)에 함입된 플라즈모닉 금속 나노입자(500)를 포함할 수 있다. 이때, 투명 전극(100) 하부에 투명 기판(600)이 더 구비될 수 있음은 물론이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 유기 정공전달층(200)의 두께를 T(ht)로 하고, 금속 나노입자(500)의 직경을 D(NP)로 하고, 유기 광활성층(300)의 두께를 T(act)로 할 때, 금속 나노입자(500)가 유기 정공전달층(200)을 관통함에 따라, 금속 나노입자(500)와 유기 정공전달층(200)은 하기 식 1을 만족할 수 있다.
(식 1)
T(ht) < D(NP)
또한, 유리하게, 식 1의 조건 및 금속 나노입자의 크기가 70nm 초과, 보다 유리하게는 80 내지 90nm인 조건을 만족함과 동시에, 금속 나노입자(500), 유기 정공전달층(200) 및 유기 광활성층(300)은 하기 식 2를 만족하는 것이 좋다.
(식 2)
0.4 T(act) ≤ D(NP)-T(ht) ≤ 0.5 T(act)
식 2의 조건은 금속 나노입자에서 가장 강한 국소 전자기장이 형성되는 영역의 대부분이 유기 광활성층(300) 내부에 위치할 수 있는 조건이다.
즉, 식 2는 원거리장 효과, 전하 수집율 증가 효과, 장파장(700 내지 800nm) 흡수율 증가, 직렬 저항(Rs) 감소 및 갈래 저항(Rsh) 증가 효과를 가지면서도 유기 광활성층(300) 내부에서 국소장 및 광의 산란에 의한 빛가둠 효과가 최대화될 수 있는 조건이다.
상술한 바와 같이, 식 1의 조건 및 금속 나노입자의 크기가 70nm 초과, 보다 유리하게는 80 내지 90nm인 조건을 만족함과 동시에, 식 2를 만족하는 것이 좋다. 이는, 금속 나노입자가 90nm를 초과하는 경우, 나노입자의 조대한 크기에 의해 LSPR 파장을 700 내지 800nm의 장파장 영역에 매치(match)시킬 수 있으나, 금속 나노입자의 표면 플라즈몬 공명에 의한 국소 전자기장 자체가 크게 약화되고 실제 유기 광활성층에 함유되는 유기 전자주게와 전자받게 물질의 절대량이 감소함과 동시에, 투명 기판을 통해 유입되는 광이 나노입자에 의해 난반사되며 소실될 위험이 커져, 오히려 금속 나노입자를 함유하지 않는 경우보다도 광전변환효율이 낮아질 위험이 있다.
유리하게, 투명전극의 단위 면적당 금속 나노입자 수인 금속 나노입자 밀도는 1 x 107 내지 1 x 109 개/cm2일 수 있다. 이러한 금속 나노입자의 밀도는 상술한 금속 나노입자에 의한 빛가둠 효과, 원거리장 효과, 전하 수집율 증가 효과, 장파장 흡수율 증가, 직렬 저항(Rs) 감소 및 갈래 저항(Rsh) 증가 효과에 의한 광전변환효율 증가 효과가 안정적이며 최대로 얻어지면서도, 실질적으로 두께가 제약되는 광활성층에서 과도한 금속 나노입자에 의해 유기 물질(전자주게 및 전자받게)의 함량이 감소하는 것을 방지할 수 있는 밀도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지에 있어, 투명 전극(100)은 높은 투명도 및 우수한 전기전도도를 갖는 물질이면 사용 가능하며, 태양전지 분야에서 광이 유입되는 측의 전극인 전면전극으로 사용되는 물질이면 무방하다. 구체적인 일 예로, 주석도핑 산화인듐(ITO: tin-doped indium oxide), 불소도핑 산화주석(FTO: fluorine-doped tin oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 투명산화물; 전도성 고분자; 그래핀(graphene), 산화 그래핀(graphene oxide), 탄소나노튜브와 같은 전도성 나노구조체의 네트워크에 기반한 전극일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1에 도시한 일 예와 같이, 투명 전극 하부에는 투명 기판(600)이 더 구비될 수 있다. 투명 기판(600)은 투명성을 갖는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 석영 또는 유리와 같은 투명 무기 기판; 또는 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 어느 하나의 투명 플라스틱 기판;등일 수 있다. 이때, 투명 플라스틱 기판은 플렉서블(flexible) 유기 태양전지에 보다 유리하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지에 있어, 플라즈모닉 금속 나노입자(500)의 플라즈모닉 금속은 광과의 상호작용에 의해 표면 플라즈몬이 발생하는 금속일 수 있다. 구체적인 일 예로, 금, 백금, 은, 팔라듐, 알루미늄, 구리, 니켈, 아연, 크롬 또는 이들의 혼합물 또는 이들의 합금등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 표면 플라즈몬이 발생하는 금속이면 무방하다.
금속 나노입자는 구형, 잘린 구형, 팔면체나 잘린 팔면체(truncated octahedral)를 포함하는 다면체일 수 있다. 금속 나노입자가 잘린 구형인 경우 나노입자의 직경은 나노입자의 잘린 면을 바닥면으로 하여 바닥면으로부터 수직 방향(바닥면에 수직 방향)으로의 최대 길이를 의미할 수 있다. 또한, 금속 나노입자가 팔면체나 잘린 팔면체인 경우, 나노입자의 직경은 다면체의 일 면을 바닥면으로 하여 바닥면으로부터 수직 방향(바닥면에 수직 방향)으로의 최대 길이를 의미할 수 있다. 또한, 금속 나노입자가 잘린 구형인 경우 잘린면이 투명 전극과 접하여 위치할 수 있다. 즉, 금속 나노입자는 투명 전극과 잘린면을 통해 면접촉할 수 있다.
광활성층은 전자주게(electron donor)와 전자받게(electron acceptor)가 혼합된 벌크 이종접합(BHJ; bulk heterojunction) 구조일 수 있다. 전자주게와 전자받게는 당업계에 알려진 물질들을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다. 일 예로, 전자주게는 폴리티오펜(polythiphene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리플루오렌(polyfulorene), 폴리피롤(polypyrrole) 또는 이들의 공중합체 또는 이들의 조합인 전도성 고분자이거나, 펜타센(pentacene), 안트라센(anthracene), 테트라센(tetracene), 퍼릴렌(perylene), 올리고티오펜(oligothiphene) 또는 이들의 유도체 또는 이들의 조합인 저분자 유기 반도체일 수 있다. 일 예로, 전자받게는 풀러렌, 풀러렌 유도체, 페릴렌, 페릴렌 유도체 또는 이들의 조합일 수 있다. 구체적인 일 예로, 전자주게는 P3HT(poly-3-hexylthiophene, PCDTBT(poly(N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3')-benzothiadiazole), Si-PCPDTBT(poly[(4, 4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-2,6-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5'-diyl), P3OT(poly-3-octylthiophene), PPV(poly-p-phenylenevinylene), 폴리(디옥틸플루오렌)(poly(9,9'-dioctylfluorene)), MEH-PPV(poly(2-methoxy,5-(2-ethyle-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene), MDMOPPV(poly(2-methyl,5-(3',7'-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene), PBDTTT(poly[4,8-bis-substituted-benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-4-substituted-thieno[3,4-b]thiophene-2,6-diyl), PBDTTT-E(Poly[(4,8-bis-(2-ethylhexyloxy)-benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene)-2,6-diyl-alt-((2-ethylhexyl)-thieno(3,4-b)thiophene-4-carboxylate))2,6diyl)]), PBDTTT-C(Poly[(4,8-bis-(2-ethylhexyloxy)-benzo[1,2-b;4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexanoyl)-thieno[3,4-b]thiophene))-2,6-diyl]), PBDTTT-CF(Poly[(4,8-bis-(2-ethylhexyloxy)-benzo(1,2-b:4,5-b′)dithiophene)-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexanoyl)-thieno[3,4-b]thiophene-)-2-6-diyl)]) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 일 예로, 전자받게는 PC60BM((6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC70BM((6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester), PC76BM((6,6)-phenyl-C77-butyric acid methyl ester), PC78BM((6,6)-phenyl-C79-butyric acid methyl ester), PC80BM((6,6)-phenyl-C81-butyric acid methyl ester), PC82BM((6,6)-phenyl-C83-butyric acid methyl ester), PC84BM((6,6)-phenyl-C85-butyric acid methyl ester) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 구체적인 전자주게게와 전자받게의 쌍으로 PBDTTT-C와 PC60BM등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 유기 광활성층은 전자받게와 전자주게를 1(전자받게) : 1 내지 3(전자주게)의 중량비로 함유할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유기 광활성층의 두께는 50 내지 200nm일 수 있으며, 식 2를 만족할 때 구체적인 유기 광활성층의 두께는 100 내지 140nm일 수 있다. 또한 유기 정공전달층의 두께는 10 내지 100nm일 수 있으며, 식 2를 만족할 때 구체적으로 30nm 내지 60nm일 수 있다. 100 내지 140nm의 유기 광활성층의 두께는 종래 벌크 이종접합 구조의 광활성층 대비 상대적으로 두꺼운 두께이다. 이러한 상대적으로 두꺼운 유기 광활성층의 두께에도 불구하고, 70nm 초과, 유리하게는 80nm 내지 90nm의 금속 나노입자가 유기 정공전달층을 관통하고 식 2를 만족하며 유기 광활성층에 부분 함입된 구조에 의해, 태양전지의 광전변환효율이 향상될 수 있다.
유기 정공전달층(200)은 유기 태양전지에서 정공의 원활한 이동을 위해 통상적으로 구비되는 유기 정공전달물질이면 무방하다. 구체적인 일 예로, 정공전달층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(스티렌설포네이트)(PSS), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)(PEDOT: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, 보다 실질적인 일 예로, PEDOT:PSS를 포함할 수 있다.
대전극(400)은 일함수가 낮은 전도성 물질로, 통상의 유기 태양전지에서 전자를 수집(collection)하기 위해 사용되는 전극물질이면 족하다. 구체적인 일 예로, 대전극(400)은 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 알루미늄, 은, 주석, 납, 스테인레스 스틸, 구리, 텅스텐 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있으나, 본 발명이 대전극의 물질에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.
본 발명은 상술한 유기 태양전지의 제조방법을 포함한다. 본 발명에 따른 유기 태양전지의 제조방법에서, 제조되는 유기 태양전지의 구조, 투명전극 물질, 대전극 물질, 금속 나노입자의 크기, 밀도 및 형상, 유기 정공전달층의 물질 및 두께, 광활성층의 물질, 구조 및 두께등은 앞서 유기 태양전지에서 상술한 바와 유사 내지 동일하다. 이에 따라, 후술하는 유기 태양전지의 제조방법은 앞서 유기 태양전지에서 상술한 모든 내용을 포함한다.
상세하게, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 a) 투명 전극 상 70nm를 초과하는 직경을 갖는 금속 나노입자를 도포하는 단계; b) 금속 나노입자가 도포된 투명 전극 상 하기 식 1 및 식 2를 만족하도록, 유기 정공전달층 및 유기 광활성층을 순차적으로 형성하는 단계; 및 c) 유기 광활성층 상부로 대전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
(식 1)
T(ht) < D(NP)
식 1에서 T(ht)는 유기 정공전달층의 두께이며, D(NP)는 금속 나노입자의 직경이다,
(식 2)
0.4 T(act) ≤ D(NP)-T(ht) ≤ 0.5 T(act)
식 2에서, T(ht) 및 D(NP)는 식1의 정의와 동일하며, T(act)는 유기 광활성층의 두께이다.
투명 전극은 투명 기판 상 증착 또는 코팅 등의 통상의 박막 형성 방법을 이용하여 앞서 설명한 바와 같은 투명 전도성 금속 산화물의 막을 형성하여 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
금속 나노입자의 도포는 스핀코팅(spin-coating), 딥코팅(dip-coating), 리프팅업(lifting up), 전기영동 코팅(electrophoretic deposition)등을 이용하여 금속 나노입자가 분산된 분산액을 투명 전극 상 도포한 후 분산매를 휘발 제거함으로써 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 금속 나노입자의 도포 후 금속 나노입자가 분산 위치하는 투명 전극을 열처리하는 단계가 더 수행될 수 있다. 열처리는 금속 나노입자의 고정 또는 금속 나노입자의 재 형상화를 위한 것일 수 있으며, 금속 나노입자의 고정을 위한 경우 100 내지 200℃의 온도에서 열처리가 수행될 수 있다. 금속 나노입자의 재 형상화를 위해서는, 금속 나노입자를 이루는 금속의 융점(Tm; melting point)을 기준으로 0.3Tm 내지 0.8Tm의 온도, 구체적으로는 300 내지 800℃의 온도로 수초 내지 수분간 급속 열처리(Rapid Thermal Process)할 수 있다. 이러한 급속 열처리 공정에 의해 구형 금속 나노입자는 잘려진 구형으로 변형될 수 있으며, 잘린면에 의해 투명 전극과 면접촉하는 잘린 구형의 금속 나노입자로 변형될 수 있다. 이러한 잘린 구형의 금속 나노입자는 구형 금속 나노입자 대비 직렬 저항의 감소 및 투명전극을 통해 활성층으로 유입되는 광(태양광)의 반사에 의한 손실을 최소화할 수 있어 보다 유리하다.
금속 나노입자의 도포가 수행된 후, 금속 나노입자가 위치하는 투명 전극에 식 1을 만족하도록 유기 정공전달물질이 용매에 용해된 정공전달용액을 도포하고 건조하여 유기 정공전달층을 제조할 수 있다. 정공전달용액의 도포 공정은 스핀코팅, 딥코팅, 스프레이 코팅등을 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 정공전달용액의 용매는 에탄올, 메탄올, 프로판올, 이소프로필알코올, 부탄올, 펜탄, 톨루엔, 벤젠, 디에틸에테르, 메틸부틸에테르등을 사용할 수 있으며, 도포 및 건조가 수행된 후 80℃ 내지 약 200℃의 온도로 추가적인 베이킹(baking) 공정이 더 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 정공전달층이 형성된 투명전극 상 전자주게와 전자받게가 용매에 용해된 광활성용액을 도포 및 건조하여 광활성층을 형성할 수 있다. 광활성용액의 용매로 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠, 클로로포름, 아세톤, 아세토니트릴, 디메틸 아세트아미드, 디메틸 포름아미드, 디메틸 설폭사이드, 메틸 에틸 케톤, 메틸 n-프로필 케톤, N-메틸피롤리돈, 프로필렌 카보네이트, 니트로메탄, 설포란, 에틸렌글리콜, 헥사메틸포스포아미드 또는 이들의 혼합용매등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 광활성용액의 도포 또한, 스핀 코팅, 딥코팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 그라비아 코팅, 스크린 코팅, 또는 이들의 조합등을 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 광활성층 상에 금속 전극인 대전극을 형성하는 단계가 수행될 수 있으며, 금속 전극은 열증착법, 화학기상증착법 (chemical vapor deposition), 물리기상증착법 (physical vapor deposition), 또는 스퍼터링법 (sputtering) 등을 사용하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 유기 태양전지를 포함한다.
본 발명의 우수함을 실험적으로 보이기 위해, 71 내지 103nm의 평균 크기(직경)를 갖는 금 나노입자를 이용하고, PEDOT:PSS를 유기 정공전달물질로, PDBTTT-C : PC60BM를 광활성층 물질로 하여 유기태양전지를 제조하였다.
상세하게, 인듐 주석 산화물(ITO)이 코팅된 유리에 평균 직경이 71nm, 80nm, 87nm 또는 103nm인 금 나노입자가 이소프로필알코올에 분산된 분산액(금 나노입자 : 이소프로필알코올(IPA) = 1 : 2 v/v%)을 1500 rpm으로 20초동안 3회 반복하여 스핀 코팅한 후 150℃에서 10분동안 베이킹(baking)하여 투명 전극에 금 나노입자를 분산 위치시킨 후, PEDOT:PSS 용액(CELVIOS P : IPA = 1:2 v/v%)을 5000rpm으로 40초동안 스핀 코팅하고 150℃에서 10분동안 베이킹하여 40nm 두께의 정공전달층(PEDOT:PSS)을 형성한 후, PDBTTT-C 및 PC60BM 용액(10mg/ml PDBTTT-C, 20mg/ml PC60BM, 디클로로벤젠 용매)을 800rpm으로 40초간 스핀 코팅하여 100nm의 광활성층(PDBTTT-C : PC60BM 벌크 이종접합 구조)을 제조하였으며, 이후 광활성층 상에 LiF/Al을 증착하여 대전극을 형성하였다. 이때, 비교를 위해, ITO 코팅된 유리에 금 나노입자를 도포하지 않고, ITO상 40nm의 정공전달층(PEDOT:PSS), 100nm의 광활성층(PDBTTT-C : PC60BM 벌크 이종접합 구조) 및 LiF/Al 대전극을 형성하여 기준 유기태양전지를 제조하였다. 도 2는 금 나노입자가 도포된 투명 전극을 관찰한 주사전자현미경 관찰 사진이다. 주사전자현미경 관찰을 통해, 투명 전극상 금 나노입자의 밀도가 약 3 x 108 개/cm2임을 확인하였으며, 입자간 뭉침 없이 균일하게 분산 분포함을 확인하였다.
도 3은 도 1과 같은 유기 태양전지 구조에서 광활성층의 파장별 광흡수율 및 파장 평균(spectral average) 광흡수율을 FDTD(finite difference time domain) calculation한 결과를 도시한 도면이다. 상세하게, 도 3(a)는 평균 직경이 60nm, 80nm 또는 100nm인 금 나노입자, 40nm의 정공전달층(PEDOT:PSS) 및 100nm의 광활성층(PDBTTT-C : PC60BM)에서, 광활성층의 파장별 광흡수율을 도시한 도면이며, 도 3(b)는 평균 직경이 50nm, 60nm, 70nm, 80nm, 90nm, 100nm, 또는 110nm인 금 나노입자, 40nm의 정공전달층(PEDOT:PSS) 및 100nm의 광활성층(PDBTTT-C : PC60BM)에서, 광활성층의 평균(spectral average) 광흡수율을 도시한 도면이다. 도 3(a) 및 도 3(b)에서 without Au-NP는 금 나노입자가 도입되지 않은 기준 유기태양전지(40nm의 정공전달층(PEDOT:PSS) 및 100nm의 광활성층(PDBTTT-C : PC60BM))의 결과를 의미하며, Diameter는 금 나노입자의 평균 직경을 의미한다. FDTD calculation시 광흡수율은 금 나노입자를 중심으로 한 200x200x100nm3의 영역에서 금 나노입자의 부피를 제외한 광활성층 영역에서 계산되었다.
도 4는 ITO상 평균 직경이 50nm, 60nm, 70nm, 80nm, 90nm, 100nm, 또는 110nm인 금 나노입자, 40nm의 정공전달층(PEDOT:PSS) 및 100nm의 광활성층(PDBTTT-C : PC60BM)에서, 도 3과 같은 FDTD(finite difference time domain) calculation을 이용한 국소전자기장의 크기를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4에서 알 수 있듯이, 금 나노입자가 80nm 이상의 크기에서 약 650nm 영역에서의 흡수율 증가와 함께, 약 750nm 영역에서 새로운 흡수 피크가 나타남을 알 수 있다. 그러나, 100nm 이상의 크기에서는 80nm와 유사한 형태의 흡수 피크를 갖되, 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 자체가 전반적으로 약해지면서 평균 광흡수율이 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, 국소 전자기장이 정공전달층과 광흡수층의 계면을 기준으로 그 상부(광흡수층 영역)에서 가장 크게 강화되는 것을 알 수 있으며, 나노입자의 크기가 작아짐에 따라 강한 국소 전자기장 형성 영역이 정공전달층과 광흡수층의 계면 하부에 위치하며 국소장에 의한 빛가둠 효과가 크게 감소되는 것을 알 수 있다.
도 5는 실 제조된 유기태양전지에서, 자외선 전자 분광법(UPS; Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)을 이용하여 측정된 정공전달층의 일함수(work function)를 에너지 밴드 다이어그램으로 도시한 도면이다. 상세하게, 도 5에서 ITO/PEDOT:PSS+AuNP는 87nm의 금 나노입자가 정공전달층(40nm)을 관통하는 구조에서 측정된 일함수(eV)이며, ITO/PEDOT:PSS는 레퍼런스 태양전지에서 정공전달층에서 측정된 일함수(eV)를 의미한다. 도 5에서 알 수 있듯이 금 나노입자가 정공전달층을 관통하며 정공전달물질이 나노입자 하부 영역을 둘러싼 구조를 가짐에 따라, 일함수가 4.49eV에서 4.88eV로 크게 낮아지며, 전자주게와 정공전달층 간의 에너지 레벨 차가 감소되며 정공이 투명전극(ITO) 측으로 원활히 모이게 됨을 알 수 있다.
인공태양장치와 소스-미터를 사용하여, 1.5G의 조건으로, 제조된 유기 태양전지 및 레퍼런스 태양전지에서 전류-전압특성을 측정하여 포화전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc), 필팩터(FF) 및 광전변환효율(PCE)을 표 1에 정리 도시하였다. 표 1에서 Au-NPs size는 제조된 유기 태양전지의 금 나노입자 평균 크기를 의미하며, reference는 레퍼런스 유기 태양전지를 의미한다.
(표 1)
Figure pat00001
표 1에서 알 수 있듯이, 70nm를 초과하는 플라즈모닉 금속 나노입자에 의해 광전변환효율의 향상이 이루어짐을 알 수 있으며, 특히, 70nm를 초과하며, 식 1 및 식 2를 만족하는 80nm 및 87nm의 경우 현저하게 우수한 광전변환효율의 향상이 이루어짐을 알 수 있다.
또한, Voc 근처와 0.1V 근처에서 I-V 곡선에서의 접선의 기울기를 통해, 87nm의 금 나노입자가 구비된 태양전지와 레퍼런스 태양전지의 직렬 저항(Rs)과 갈래 저항(Rsh)을 산출하여 표 2에 정리 도시하였다.
(표 2)
Figure pat00002
표 2에서 알 수 있듯이, 금 나노입자가 구비된 태양전지의 경우 직렬 저항이 3.50Ωcm2으로 레퍼런스 태양전지의 4.86Ωcm2보다 30%가량 감소된 값을 가졌으며, 갈래 저항의 경우 레퍼런스 태양전지의 6.95x103Ωcm2의 약 280배에 이르는 1.92x104Ωcm2의 현저히 증가된 값을 가짐을 확인하였다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 투명전극;
    상기 투명전극 상에 위치하는 유기 정공전달층;
    상기 유기정공전달층 상에 위치하는 유기 광활성층;
    상기 유기 광활성층 상에 위치하는 대전극; 및
    상기 투명전극과 접하여 위치하며 상기 유기 정공전달층을 관통하며 상기 유기 광활성층에 함입된 플라즈모닉 금속 나노입자;
    를 포함하는 유기 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈모닉 금속 나노입자의 직경은 70nm 초과인 유기 태양전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 금속 나노입자의 직경은 80nm 내지 90nm인 유기 태양전지.
  4. 제 2항에 있어서,
    하기 식 1 및 식 2를 만족하는 유기 태양전지.
    (식 1)
    T(ht) < D(NP)
    (식 1에서 T(ht)는 유기 정공전달층의 두께이며, D(NP)는 금속 나노입자의 직경이다)
    (식 2)
    0.4 T(act) ≤ D(NP)-T(ht) ≤ 0.5 T(act)
    (식 2에서, T(ht) 및 D(NP)는 식1의 정의와 동일하며, T(act)는 유기 광활성층의 두께이다)
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 나노입자의 표면은 상기 투명전극과 직접 접촉하는 제1영역, 상기 유기정공전달층과 직접 접촉하는 제2영역 및 상기 유기 광활성층과 직접 접촉하는 제3영역으로 이루어진 유기 태양전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 금, 백금, 은, 팔라듐, 알루미늄, 구리, 니켈, 아연 및 크롬에서 하나 이상 선택되는 유기 태양전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 구형; 잘린 구형; 또는 팔면체나 잘린 팔면체를 포함하는 다면체;인 유기 태양전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 광활성층은 전자주게(electron donor)와 전자받게(electron acceptor)가 혼합된 벌크 이종접합 구조인 유기 태양전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 투명전극의 단위 면적당 금속 나노입자 수인 금속 나노입자 밀도는 1 x 107 내지 1 x 109 개/cm2인 유기 태양전지.
  10. a) 투명 전극 상 70nm를 초과하는 직경을 갖는 금속 나노입자를 도포하는 단계;
    b) 금속 나노입자가 도포된 투명 전극 상 하기 식 1 및 식 2를 만족하도록, 유기 정공전달층 및 유기 광활성층을 순차적으로 형성하는 단계;
    c) 유기 광활성층 상부로 대전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법.
    (식 1)
    T(ht) < D(NP)
    (식 1에서 T(ht)는 유기 정공전달층의 두께이며, D(NP)는 금속 나노입자의 직경이다)
    (식 2)
    0.4 T(act) ≤ D(NP)-T(ht) ≤ 0.5 T(act)
    (식 2에서, T(ht) 및 D(NP)는 식1의 정의와 동일하며, T(act)는 유기 광활성층의 두께이다)
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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