KR20190129584A - 유기박막태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
전력변환효율이 우수한 유기박막태양전지 및 그의 제조방법이 제안된다. 본 발명에 따른 유기박막태양전지는 기판; 기판 상의 제1전극층; 제1전극층 상의 표면플라즈마공명현상이 나타나는 금속나노패턴층; 금속나노패턴층 상의 광활성층; 및 광활성층 상의 제2전극층;을 포함한다.
Description
본 발명은 유기박막태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 전력변환효율이 우수한 유기박막태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치이다. 최근 들어 정보 전자산업의 급속한 발전과 함께 차세대 전기전자 소자로서 다양한 유연성(flexible) 소자가 주목을 받고 있으며, 그에 따라 태양전지도 그러한 소자의 유연성을 충족시키도록 요구되고 있다.
유기박막 태양전지는 유연성 소자의 유연성을 충족시킬 수 있으며, 무기계 태양전지에 비해 소재 비용의 대폭적인 절감이 가능한 장점을 갖는다. 또한, 유기태양전지는 그 재료가 되는 유기물의 손쉬운 가공성으로 인하여 스핀 코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯, 미세접촉 프린팅법 등을 통하여 저가의 대면적 소자 제작이 가능한 장점을 갖는다.
유기태양전지는 실리콘 태양전지나 연료감응형 태양전지와 같은 유사 에너지 소자와 비교하여 낮은 전력변환 효율을 나타낸다. 유기태양전지는 흡광 효율(light absorption efficiency)과 내부양자효율(Internal Quantum Efficiency)이 서로 trade off 관계인 것을 이유로 광활성층의 전력변환효율을 증가시키기 어렵기 때문이다. 유기태양전지는 낮은 캐리어 이동도에 의해, 광활성층의 두께가 증가하면 내부양자효율이 감소한다. 따라서, 흡광효율이 증가되어도 전력변환효율은 감소될 수 있는 것이다.
이에 따라, 광활성층의 두께는 한계를 갖게 되고, 얇은 박막의 광활성층의 흡광효율이 낮아 전력변환효율도 낮아진다. 그러므로, 동일한 두께의 광활성층에서 흡광효율을 증가시켜 유기태양전지의 전력변환효율을 증가시기는 연구개발이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 전력변환효율이 우수한 유기박막태양전지 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유기박막태양전지는 기판; 기판 상의 제1전극층; 제1전극층 상의 표면플라즈마공명현상이 나타나는 금속나노패턴층; 금속나노패턴층 상의 광활성층; 및 광활성층 상의 제2전극층;을 포함한다.
금속나노패턴층은 백금, 금, 은 및 팔라듐 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
금속나노패턴층은 패턴크기가 1nm 내지 10nm일 수 있다.
금속나노패턴층은 금속나노라인구조체 및 금속나노닷구조체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유기박막태양전지는 기판 및 제1전극층 사이에 금속나노패턴층을 형성하기 위한 패턴형성층;을 더 포함할 수 있다.
제1전극층은 패턴형성층의 형상과 동일한 형상일 수 있다.
패턴형성층은 나노요철표면구조를 포함하여, 제1전극층 상에 나노요철표면구조를 형성하고, 금속나노패턴층은 나노요철표면구조의 요부 및 철부에 각각 형성된 금속나노구조체일 수 있다.
본 발명에 따른 유기박막태양전지는 전력변환효율이 금속나노구조체의 크기 및 금속나노구조체의 피치 중 적어도 하나에 의존하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 상에 요철을 포함하는 패턴형성층을 형성하는 단계; 패턴형성층 상에 제1전극층을 형성하는 단계; 제1전극층 상에 표면플라즈마공명현상이 나타나는 금속나노패턴층을 형성하는 단계; 금속나노패턴층 상에 광활성층을 형성하는 단계; 및 광활성층 상에 제2전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 유기박막태양전지 제조방법이 제공된다.
금속나노패턴층을 형성하는 단계는, 요철이 형성된 제1전극층 상에 요철형상의 금속층을 형성하는 단계; 및 금속층이 열처리로 디웨팅되어 요철형상에 따라 금속라인구조체 또는 금속닷구조체로 변환되는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 기판; 기판 상의 제1전극층; 제1전극층 상의 제1금속나노패턴층; 제1금속나노패턴층 상의 광활성층; 광활성층 상의 제2금속나노패턴층; 및 제2금속나노패턴층 상의 제2전극층;을 포함하는 유기박막태양전지가 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 기판 상에 제1전극층, 전자수송층, 금속나노패턴층, 광활성층, 정공수송층, 및 제2전극층을 포함하는 유기박막태양전지로서, 제1전극층과 전자수송층 사이, 광활성층과 정공수송층 사이 및 정공수송층과 제2전극층 사이 중 적어도 어느 한 위치에 금속나노패턴층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기박막태양전지가 제공된다.
본 발명의 실시예들에 따르면 유기박막태양전지의 광활성층에 나노구조의 금속패턴을 추가하여 표면플라즈마공명현상이 발생하도록 하므로 이에 의한 전력변환효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유기박막태양전지의 단면도이고, 도 2는 도 1의 유기박막태양전지에서 기판, 제1전극층 및 금속나노패턴층만을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기박막태양전지에서 기판, 제1전극층 및 금속나노패턴층만을 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지에서 기판, 제1전극층 및 금속나노패턴층만을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지의 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지 제조방법에서 금속나노패턴층의 제조공정의 설명에 제공되는 도면들이고, 도 9 및 도 10은 본 발명에 따라 제조된 금속나노패턴층의 광학이미지이며, 도 11은 금속나노패턴층의 전류밀도를 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지의 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따라 제조된 제조된 유기박막태양전지의 전력변환효율의 산출결과이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기박막태양전지에서 기판, 제1전극층 및 금속나노패턴층만을 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지에서 기판, 제1전극층 및 금속나노패턴층만을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지의 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지 제조방법에서 금속나노패턴층의 제조공정의 설명에 제공되는 도면들이고, 도 9 및 도 10은 본 발명에 따라 제조된 금속나노패턴층의 광학이미지이며, 도 11은 금속나노패턴층의 전류밀도를 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지의 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따라 제조된 제조된 유기박막태양전지의 전력변환효율의 산출결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유기박막태양전지의 단면도이고, 도 2는 도 1의 유기박막태양전지에서 기판, 제1전극층 및 금속나노패턴층만을 도시한 사시도이다. 본 발명에 따른 유기박막태양전지(100)는 기판(110); 기판(110) 상의 제1전극층(120); 제1전극층(120) 상의 표면플라즈마공명현상이 나타나는 금속나노패턴층(130); 금속나노패턴층(130) 상의 광활성층(140); 및 광활성층(140) 상의 제2전극층(150);을 포함한다.
유기박막태양전지(100)는 태양광이 기판(110) 측으로 입사되고, 광활성층(140)에서 광전변환이 이루어져 발전을 수행한다. 따라서, 유기박막태양전지(100)에 사용될 수 있는 기판은 투명한 기판인 것이 바람직한데, 기판(110)은 400 내지 750 ㎚의 가시광선 파장 영역에서 적어도 70 % 이상의 투과율을 갖는 것이 바람직하다.
기판(110)은 유리기판이나 플라스틱 기판일 수 있다. 기판(110)이 플라스틱기판인 경우, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리에틸렌설폰(PES), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리이미드(PI), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 아몰포스 폴리에틸렌테레프탈레이트(APET), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리에틸렌테레프탈레이트글리세롤(PETG), 폴리사이클로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCTG), 변성트리아세틸셀룰로스(TAC), 사이클로올레핀폴리머(COP), 사이클로올레핀코폴리머(COC), 디사이클로펜타디엔폴리머(DCPD), 사이클로펜타디엔폴리머(CPD), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리다이메틸실론세인(PDMS), 실리콘 수지, 불소 수지 및 변성 에폭시 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 플라스틱 기판일 수 있다.
유기박막태양전지(100)는 노말(normal) 구조 또는 인버티드(inverted) 구조일 수 있는데, 노말구조 또는 인버티드 구조는 양의 전극층 및 음의 전극층의 위치에 따라 달라진다.
제1전극층(120) 및 제2전극층(150)은 생성된 전기를 외부로 전달하기 위한 구성으로서, 제1전극층(120) 및 제2전극층(150)은 구조에 따라 애노드 또는 캐소드일 수 있다.
제1전극층(120)은 입사하는 태양광을 투과시켜 광활성층(140)에 전달하여야 하므로 투명하며 전도성을 나타내는 것이 바람직하다. 제1전극층(120)은 예를 들어, 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO), 산화인듐아연(Indium Zinc Oxide; IZO), 산화인듐갈륨아연(Indium Gallium Zinc Oxide; IGZO), 산화인듐주석아연(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), 산화아연주석(Zinc Tin Oxide; ZTO), 산화인듐갈륨(Indium Gallium Oxide; IGO), 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.
제2전극층(150)은 태양광이 투과될 필요가 없으므로 투명하거나 또는 불투명할 수 있다. 제2전극층(150)은 낮은 일함수를 갖는 금속으로 구현될 수 있는데, 예를 들면, 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 망간(Mn) 등의 금속을 포함할 수 있다.
제1전극층(120) 및 제2전극층(150) 사이에 위치하는 광활성층(140)은 정공수용체(hole acceptor)와 전자수용체(electron acceptor)가 혼합되어 존재하는 BHJ(bulk heterojunction) 구조 또는 이중층(bilayer) 타입일 수 있다.
정공수용체는 전기 전도성 고분자 또는 유기 저분자 반도체 물질 등과 같은 유기 반도체로서, 전기전도성 고분자는 폴리티오펜(polythiphene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리플루오렌(polyfulorene), 폴리피롤(polypyrrole), 이들의 공중합체 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 유기 저분자 반도체 물질은 펜타센(pentacene), 안트라센(anthracene), 테트라센(tetracene), 퍼릴렌(perylene), 올리고티오펜(oligothiphene), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
전자수용체는 풀러렌(fullerene, C60), C70, C76, C78, C80, C82, C84 등의 풀러렌 유도체, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe, (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM], (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드메틸에스테르[(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], 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 유기박막태양전지(100)는 제1전극층(120) 및 광활성층(140) 사이에 금속나노패턴층(130)을 포함한다. 유기박막태양전지(100)의 낮은 전력변환효율을 증가시키기 위해서 광활성층(140)내에 입사한 광의 경로를 증가시킬 수 있는데, 본 발명에서는 금속나노패턴층(130)을 이용하여 광경로를 증가시킨다. 금속나노패턴층(130)은 표면플라즈마공명(surface plasmon resonance)현상을 나타내므로 광활성층(140)내의 광을 가두어, 광경로를 증가시킬 수 있다.
금속나노패턴층(130)은 백금, 금, 은 또는 팔라듐과 같은 금속의 나노구조체가 이루는 패턴으로서, 패턴크기가 1nm 내지 10nm일 수 있다.
금속나노패턴층(130)은 금속의 나노구조체로서, 금속나노라인구조체 및 금속나노닷구조체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 도 2는 도 1의 유기박막태양전지에서 기판, 제1전극층 및 금속나노패턴층만을 도시한 사시도이다. 도 2를 참조하면, 금속나노패턴층(130)은 금속닷이 패턴화되어 형성된 층이다. 금속입자가 불균일하게 배열되거나 국부적으로 금속입자가 뭉쳐져 존재하는 경우에는 표면플라즈마공명현상으로 인한 전력변환효율 증가 효과가 낮을 수 있는데, 본 발명에서와 같이 금속나노구조체가 균일하게 패턴화되어 위치하는 경우에는 표면플라즈마공명현상이 효과적으로 발생하여 전력변환효율 증가효과를 최대화할 수 있다.
금속나노패턴층(130)은 금속닷 뿐만 아니라, 나노크기의 금속구조체라면 어떤 형상이든 사용가능하다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기박막태양전지에서 기판, 제1전극층 및 금속나노패턴층만을 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지에서 기판, 제1전극층 및 금속나노패턴층만을 도시한 사시도이다.
도 3에서는 제1전극층(120) 상에 라인형상의 금속나노라인패턴(132)이 균일하게 형성되어 있고, 도 4에는 금속닷 형상의 금속나노닷패턴(131) 및 금속나노라인패턴(132)이 교번하여 형성되어 금속나노패턴층(130)을 이루고 있다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지의 단면도이다. 본 실시예의 유기박막태양전지(100)는 기판(110) 및 제1전극층(120) 사이에 금속나노패턴층(130)을 형성하기 위한 패턴형성층(160);을 더 포함할 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 유기박막태양전지(100)는 기판 상에 요철을 포함하는 패턴형성층을 형성하는 단계; 패턴형성층 상에 제1전극층을 형성하는 단계; 제1전극층 상에 표면플라즈마공명현상이 나타나는 금속나노패턴층을 형성하는 단계; 금속나노패턴층 상에 광활성층을 형성하는 단계; 및 광활성층 상에 제2전극층을 형성하는 단계;를 수행햐여 제조될 수 있다.
도 5에서, 패턴형성층(160)은 나노요철표면구조로 형성되어 있다. 이에 따라 패턴형성층(160)의 상부에 형성된 제1전극층(120)은 패턴형성층(160)과 동일하게 요철구조를 갖는 형상으로 형성되어 있다. 이에 따라, 금속나노패턴층(130)은 제1전극층(120)의 요부 및 철부에 각각 형성되어 있는 금속나노닷패턴을 포함한다. 즉, 제1전극층(120)의 철부에는 제1금속나노닷패턴(133)이, 요부에는 제2금속나노닷패턴(134)이 위치하여 서로 높이가 다른 위치에서 금속나노닷 패턴이 하나의 금속나노패턴층(130)을 형성하고 있다.
이러한 패턴형성층(160)을 이용한 금속나노패턴층(130)의 형성방법은 금속의 디웨팅(dewetting) 특성을 이용하여 수행될 수 있다. 도 6 내지 도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지 제조방법에서 금속나노패턴층의 제조공정의 설명에 제공되는 도면들이고, 도 9 및 도 10은 본 발명에 따라 제조된 금속나노패턴층의 광학이미지이며, 도 11은 금속나노패턴층의 전류밀도를 도시한 그래프이다.
제1전극층(120)은 패턴형성층(160)에 의해 나노요철표면구조(121)가 형성되어 있다(도 6). 이 후, 금속나노패턴층(130)을 형성하기 위하여 제1전극층(120)의 표면에 금속층(135)을 형성한다(도 7). 금속층(135)은 금속을 제1전극층(120) 상에 증착시켜 형성할 수 있다.
금속층(135)이 형성되면, 금속층(135)이 형성된 기판을 열처리한다. 금속층(135)은 열처리로 인하여 금속닷(130)으로 변환된다. 금속층(135)이 도 7과 같이 캐비티(120) 내부 및 기판의 상면 모두에 형성된 경우, 금속닷(130)은 나노요철표면구조(121)의 요부 및 철부 모두에 형성될 수 있다. 열처리는 금속에 따라 온도 및 조건이 상이할 수 있는데, 열처리는 금속층(135)이 금속닷(130)으로 변환될 수 있는 온도로 수행되는 것이 바람직하다.
금속층(135)이 금속닷(130)으로 변환될 수 있는 것은 금속층(135)이 열처리로 인하여 디웨팅(dewetting)될 수 있기 때문이다. 디웨팅은 금속에서 발생하는 현상으로 금속층이 고온에 노출되는 경우 서로 엉기게 되는 현상이다. 이러한 디웨팅현상은 본 발명에서와 같이 제1전극층(120)에 나노요철표면구조(121)가 형성된 경우, 나노요철표면구조(121)를 기준으로 하여 시작되고, 나노요철표면구조(121)의 개구부에서 기판 표면으로 금속들이 엉겨 금속닷(130)이 형성된다(도 8). 따라서 금속닷(130)의 크기는 금속층(135)의 두께에 따라 달라지고, 나노요철표면구조(121)가 형성하는 3차원 나노패턴의 피치에 따라 달라질 수 있다.
도 9에는 직경 430nm, 피치 1.0μm의 몰드를 PDMS를 이용하여 제작하였고, 몰드 상에 금속디웨팅 공정을 통해 금속나노구조를 형성한 샘플의 광학이미지가 나타나 있고, 도 11은 제작된 샘플의 금속나노패턴층의 전류밀도를 도시한 그래프이다.
샘플의 금속나노패턴층에서는 특정 파장의 흡수율이 증가하는 특성이 나타났으며, 파장의 위치는 패턴의 크기를 조절함으로써 조절할 수 있고, 흡수 증가 정도는 패턴의 피치를 조절함으로써 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 유기박막태양전지는 전력변환효율이 금속나노구조체의 크기 및 금속나노구조체의 피치 중 적어도 하나에 의존하는 것일 수 있다.
도 10에는 도 9와 달리 라인형상의 금속나노구조를 형성한 샘플의 광학이미지가 나타나있다. 도 9의 샘플은 패턴형성층이 격자구조인 경우에 각각의 격자에 금속닷구조가 형성되었고, 도 10의 경우 패턴형성층이 라인구조인 경우에 패턴형성층의 라인구조에 따라 제1전극층도 라인패턴이 형성되고, 금속나노구조체도 라인형상으로 형성되었기 때문이다.
도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지의 단면도이다. 본 실시예에 따르면, 유기박막태양전지(100)는 기판(110); 기판(110) 상의 제1전극층(120); 제1전극층(120) 상의 제1금속나노패턴층(130-1); 제1금속나노패턴층(130-1) 상의 광활성층(140); 광활성층(140) 상의 제2금속나노패턴층(130-2); 및 제2금속나노패턴층(130-2) 상의 제2전극층(150);을 포함한다.
본 발명의 유기박막태양전지(100)는 광활성층(140)과 제1전극층(120) 및 제2전극층(150) 사이에 각각 금속나노패턴층(130-1, 130-2)을 포함하여 금속나노패턴층의 표면플라즈몬공명효과를 광활성층(140)에 최대한 반영할 수 있어서 전력변환효율증가를 최대화할 수 있다.
도 13은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유기박막태양전지의 단면도이다. 본 실시예에 따른 유기박막태양전지(100)는 기판(110) 상에 제1전극층(120), 전자수송층(170), 금속나노패턴층(130-1), 광활성층(140), 정공수송층(180), 및 제2전극층(150)을 포함한다. 이 때, 유기박막태양전지(100)는 금속나노패턴층(130-1)을 하나 이상 포함하여, 제1전극층(120)과 전자수송층(170) 사이, 광활성층(140)과 정공수송층(180) 사이 및 정공수송층(180)과 제2전극층(150) 사이 중 적어도 어느 한 위치에 금속나노패턴층(130-2, 130-3, 130-4)을 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 유기박막태양전지(100)는 전자수송층(170) 및 정공수송층(180)을 더 포함한다. 전자수송층(170)은 광활성층(140)에서 생성된 전자가 인접한 제1전극층(120)으로 용이하게 전달되도록 한다. 전자수송층(170)은 예를 들어, 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)(aluminium tris(8-hydroxyquinoline), Alq3), 리튬플로라이드(LiF), 리튬착체(8-hydroxy-quinolinatolithium, Liq), 비공액 고분자, 비공액 고분자 전해질 또는 공액 고분자 전해질 등을 사용할 수 있다.
정공수송층(180)은 광활성층(140)에서 생성된 정공을 인접한 제2전극층(150)으로 이동시키는 것을 보조한다. 정공수송층(180)은 예를 들어, 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 및 이들의 유도체로부터 선택되는 1종 이상의 정공전달물질을 포함할 수 있다.
도 14는 본 발명에 따라 제조된 제조된 유기박막태양전지의 전력변환효율의 산출결과이다. 금속나노패턴층이 없는 유기박막태양전지, 금나노패턴층이 10nm인 유기박막태양전지 및 금나노패턴층이 30nm인 유기박막태양전지의 전력변환효율을 측정하였다.
도 14의 표를 참조하면, 10nm의 금나노패턴층을 증착한 후 패터닝하여 이를 포함하는 유기박막태양전지의 경우, 기존 약 8%의 효율을 나타내던 소자가 11 내지 12%의 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 금속나노패턴층을 이용하여 유기박막태양전지의 전력변환효율을 높일 수 있음을 확인할 수 있었다. 다만, 30nm 의 금나노패턴층을 포함하는 유기박막태양전지의 경우 3.5 내지 5% 수준으로 효율이 저하됨을 확인하였다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 유기박막태양전지
110: 기판
120: 제1전극층
130: 금속나노패턴층
131: 금속나노닷패턴
132: 금속나노라인패턴
140: 광활성층
150: 제2전극층
160: 패턴형성층
170: 전자수송층
180: 정공수송층
110: 기판
120: 제1전극층
130: 금속나노패턴층
131: 금속나노닷패턴
132: 금속나노라인패턴
140: 광활성층
150: 제2전극층
160: 패턴형성층
170: 전자수송층
180: 정공수송층
Claims (12)
- 기판;
기판 상의 제1전극층;
제1전극층 상의 표면플라즈마공명현상이 나타나는 금속나노패턴층;
금속나노패턴층 상의 광활성층; 및
광활성층 상의 제2전극층;을 포함하는 유기박막태양전지. - 청구항 1에 있어서,
금속나노패턴층은 백금, 금, 은 및 팔라듐 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기박막태양전지. - 청구항 1에 있어서,
금속나노패턴층은 패턴크기가 1nm 내지 10nm인 것을 특징으로 하는 유기박막태양전지. - 청구항 1에 있어서,
금속나노패턴층은 금속나노라인구조체 및 금속나노닷구조체 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기박막태양전지. - 청구항 1에 있어서,
기판 및 제1전극층 사이에 금속나노패턴층을 형성하기 위한 패턴형성층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기박막태양전지. - 청구항 5에 있어서,
제1전극층은 패턴형성층의 형상과 동일한 형상인 것을 특징으로 하는 유기박막태양전지. - 청구항 5에 있어서,
패턴형성층은 나노요철표면구조를 포함하여, 제1전극층 상에 나노요철표면구조를 형성하고, 금속나노패턴층은 나노요철표면구조의 요부 및 철부에 각각 형성된 금속나노구조체인 것을 특징으로 하는 유기박막태양전지. - 청구항 1에 있어서,
전력변환효율이 금속나노구조체의 크기 및 금속나노구조체의 피치 중 적어도 하나에 의존하는 것을 특징으로 하는 유기박막태양전지. - 기판 상에 요철을 포함하는 패턴형성층을 형성하는 단계;
패턴형성층 상에 제1전극층을 형성하는 단계;
제1전극층 상에 표면플라즈마공명현상이 나타나는 금속나노패턴층을 형성하는 단계;
금속나노패턴층 상에 광활성층을 형성하는 단계; 및
광활성층 상에 제2전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 유기박막태양전지 제조방법. - 청구항 9에 있어서,
금속나노패턴층을 형성하는 단계는,
요철이 형성된 제1전극층 상에 요철형상의 금속층을 형성하는 단계; 및
금속층이 열처리로 디웨팅되어 요철형상에 따라 금속라인구조체 또는 금속닷구조체로 변환되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기박막태양전지 제조방법. - 기판;
기판 상의 제1전극층;
제1전극층 상의 제1금속나노패턴층;
제1금속나노패턴층 상의 광활성층;
광활성층 상의 제2금속나노패턴층; 및
제2금속나노패턴층 상의 제2전극층;을 포함하는 유기박막태양전지. - 기판 상에 제1전극층, 전자수송층, 금속나노패턴층, 광활성층, 정공수송층, 및 제2전극층을 포함하는 유기박막태양전지로서,
제1전극층과 전자수송층 사이, 광활성층과 정공수송층 사이 및 정공수송층과 제2전극층 사이 중 적어도 어느 한 위치에 금속나노패턴층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기박막태양전지.
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|---|---|---|---|---|
| KR20100068777A (ko) * | 2008-12-15 | 2010-06-24 | 한국기계연구원 | 표면 플라즈몬 공명 구조를 갖는 유기 발광 표시장치 및 이의 제조 방법 |
| JP2011517105A (ja) * | 2008-04-08 | 2011-05-26 | エフオーエム・インスティテュート・フォー・アトミック・アンド・モルキュラー・フィジックス | 表面プラズモン共鳴生成ナノ構造を有する太陽光電池 |
| KR20170049691A (ko) * | 2015-10-27 | 2017-05-11 | 한국생산기술연구원 | 투명 전자 디바이스 및 그 제조 방법 |
| KR20180015104A (ko) * | 2017-12-19 | 2018-02-12 | 이화여자대학교 산학협력단 | 규칙적인 배열을 갖는 금속 나노구조체를 포함하는 유기 태양전지, 및 그의 제조 방법 |
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2018
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