WO2010110590A2 - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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WO2010110590A2
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박재근
심태헌
이수환
김지헌
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한양대학교 산학협력단
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a solar cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a solar cell and a method of manufacturing the same by increasing the light absorption rate to improve the photoelectric conversion efficiency.
  • solar cells which are photovoltaic devices that convert sunlight into electrical energy, are endless and environmentally friendly, and their importance is increasing over time.
  • organic solar cells can be manufactured by spin coating, inkjet printing, roll coating, or doctor blade method, so the manufacturing process is simple, low manufacturing cost, large area can be coated, and thin film can be formed even at low temperature. It is possible to use almost all kinds of substrates such as glass substrates and plastic substrates.
  • various types of solar cells such as plastic molded products such as curved surfaces and spherical surfaces, may be manufactured without bending the substrate, and may be bent or folded to be convenient to carry. By utilizing these advantages, it is convenient to attach to clothes, bags, or portable electrical and electronic products.
  • the polymer blend thin film has high transparency to light and can be attached to a glass window of a building or a car window so that the outside can be produced while generating power, and thus may have a much higher application range than an opaque silicon solar cell.
  • organic solar cells are not suitable for practical applications due to their low power conversion efficiency and long life.
  • the power conversion efficiency of the solar cell remained at about 1% until the end of the 1990s, but in the 2000s, the performance began to be greatly improved due to the improvement of the morphology of the polymer blend structure.
  • the tandem solar cell has a characteristic of increasing the open-circuit voltage of the single-layer structure to about twice that of 0.4V.
  • tandem solar cell has a problem in that the manufacturing process is complicated because the cells are stacked, and the amount of light entering the upper cell is reduced because the device is manufactured in a stacked type. This occurs and there is a problem that the light absorption is lowered.
  • the manufacturing process is simple but can increase the light absorption to improve the photoelectric conversion efficiency.
  • the two or more electron donors each have a light absorption spectrum having one or more peak wavelengths, and preferably at least one peak wavelength is different from that of another electron donor. At this time, it is more preferable that one of the two or more electron donors has a peak wavelength in the short wavelength region, and the other electron donor has a peak wavelength in the long wavelength region. Further, it is more preferred that the two or more electron donors have different bandgap energies.
  • the photoactive layer may include a donor layer containing the two or more electron donors and an acceptor layer containing the electron acceptor.
  • the donor layer may include an interfacial layer formed between the acceptor layer and formed by blending the electron donor and the electron acceptor.
  • the photoactive layer may be formed by blending the electron donor and the electron acceptor.
  • a blocking layer may be further included between the photoactive layer and the second electrode.
  • the semiconductor device may further include a hole transport layer positioned between the first electrode and the photoactive layer, or an electron injection layer positioned between the photoactive layer and the second electrode.
  • the first electrode includes a transparent conductive oxide film
  • the second electrode includes a metal.
  • the transparent conductive oxide film is at least one selected from indium-tin oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (FTO), ZnO- (Ga2O3 or Al2O3), SnO2-Sb2O3, the metal is gold, aluminum, It is preferably made of any one material selected from copper, silver, nickel or alloys thereof, calcium / aluminum alloys, magnesium / silver alloys and aluminum / lithium alloys.
  • the electron donor may be phthalocyanine, platinum-octaethylporphyrin (PtOEP), P3HT (poly (3-hexylthiophene)), polysiloxane carbazole, polyaniline, polyethylene oxide, (poly) (1-methoxy-4- (0-dispersed 1) -2,5-phenylene-vinylene), polyindole, polycarbazole, polypyridazine, polyisothianaphthalene, polyphenylene sulfide, It is preferably at least one selected from polyvinylpyridine, polythiophene, polyfluorene, polypyridine, and derivatives thereof.
  • the said electron acceptor is a fullerene or a fullerene derivative.
  • the electron donor is a polythiophene derivative and a phthalocyanine-based material, and the electron acceptor is a fullerene derivative.
  • the solar cell manufacturing method formed with a photoactive layer between the first electrode and the second electrode, (a) forming a first electrode on the substrate; (b) forming a photoactive layer using two or more electron donors and electron acceptors on the first electrode; (c) forming a second electrode on the photoactive layer.
  • the step (b) comprises blending an electron acceptor with two or more electron donors in an organic solvent to produce a photoactive layer material, and using the blended photoactive layer material on the first electrode Spin coating the layer material.
  • the step (b) may include forming a donor layer using the two or more electron donors and forming an acceptor layer using the electron acceptor on the donor layer.
  • the two or more electron donors each have a light absorption spectrum having one or more peak wavelengths, and preferably at least one peak wavelength is different from that of another electron donor.
  • the two or more electron donors have different bandgap energies.
  • the photoreceptor can be increased by blending the electron acceptor with two or more electron donors having light absorption spectra of different peak wavelengths to form a photoactive layer. Can be improved.
  • the manufacturing process can be simplified and production costs can be reduced. Therefore, solar cell manufacturing productivity can be improved and unit cost can be reduced.
  • FIG. 1 to 4 are cross-sectional views schematically showing solar cells according to various embodiments of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • 6 is a graph showing light absorption wavelength regions of P3HT and CuPc.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating bandgap energy of P3HT, CuPc, and PCBM.
  • FIG. 8 is a graph illustrating the light absorption wavelength region of the photoactive layer blended with P3HT and PCBM and the light absorption wavelength region of the photoactive layer blended with P3HT, CuPc and PCBM.
  • 9 is a graph showing light absorption wavelength regions of P3HT, CuPc, and PtOEP.
  • FIG. 10 is a graph illustrating the light absorption wavelength region of the photoactive layer blended with P3HT and PCBM, and the light absorption wavelength region of the photoactive layer blended with PCBM and at least any one of P3HT, CuPc, and PtOEP.
  • FIG. 11 is a graph illustrating device characteristics of the solar cell illustrated in FIG. 5.
  • FIG. 12 is a graph illustrating device characteristics of the solar cell illustrated in FIG. 5, illustrating a change in Jsc and power conversion efficiency according to a change in the weight ratio of CuPc.
  • FIG. 1 to 4 is a cross-sectional view schematically showing a solar cell according to various embodiments of the present invention
  • Figure 5 is a view showing a solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is P3HT and CuPc
  • Fig. 7 is a graph showing the respective wavelength bands of light absorption
  • Fig. 7 shows the band gap energy of P3HT and CuPc and PCBM.
  • 9 is a graph illustrating light absorption wavelength regions of P3HT, CuPc, and PtOEP
  • FIG. 10 is a light absorption wavelength of P3HT and PCBM.
  • FIG. 11 is a graph showing the wavelength characteristics and the light absorption wavelength region of the photoactive layer blended with PCBM and at least two materials of P3HT, CuPc, and PtOEP.
  • FIG. 11 is a graph illustrating device characteristics of the solar cell illustrated in FIG. 5.
  • FIG. 12 is an element of the solar cell shown in FIG. 5. As a graph showing the magnetic properties, it is a graph showing the change of Jsc and the power conversion efficiency according to the change in the weight ratio of CuPc.
  • a solar cell includes a substrate 10, a first electrode 20, a photoactive layer 30, and a second electrode 40.
  • Layer 30 contains an electron acceptor and an electron donor.
  • the electron donor is preferably made of two or more materials having light absorption spectra of different peak wavelengths. Further, it is more preferable that one of the electron donors of two or more materials has a peak wavelength in the short wavelength region, and the other electron donor has a peak wavelength in the long wavelength region.
  • the substrate 10 is not particularly limited as long as it has transparency, and may be a transparent inorganic substrate such as quartz and glass, or polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), polystyrene (PS), poly It may be a transparent plastic substrate selected from the group consisting of propylene (PP), polyimide (PI), polyethylenesulfonate (PES), polyoxymethylene (POM), AS resin, ABS resin.
  • the substrate 10 preferably has a transmittance of at least 70% or more, preferably 80% or more in the visible light wavelength band.
  • the first electrode 20 is a path through which the light passing through the substrate 10 reaches the photoactive layer 30, a material having high transparency is preferable.
  • the first electrode 20 is a transparent conductive oxide film, and specific examples of the conductive material forming the first electrode 20 may include indium tin oxide (ITO), gold, silver, and fluorine-doped tin oxide ( FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3, and the like, but are not limited thereto.
  • ITO indium tin oxide
  • FTO fluorine-doped tin oxide
  • ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3, and the like but are not limited thereto.
  • the photoactive layer 30 is positioned on the first electrode 20.
  • the photoactive layer 30 includes an electron acceptor and two or more electron donors.
  • the band gap energy of the two or more electron donors may be different from each other.
  • the two or more electron donors each have a light absorption spectrum and have one or more peak wavelengths.
  • at least one peak wavelength may be different from the peak wavelength of the other electron donor. For example, if one electron donor has a peak wavelength in the short wavelength region (300 to 460 nm), which is an ultraviolet to blue region, the other electron donor has a long wavelength region, for example, a green region (460 to 550 nm). Or it may have a peak wavelength in the red region (600 ⁇ 750nm).
  • the electron donor may be, for example, two or more conductive polymer materials having light absorption spectra of different peak wavelengths, or materials in which at least one conductive polymer material and a conductive low molecular material are blended.
  • the polymer material means a material having a molecular weight of 10000 or more
  • the low molecular material means a material having a molecular weight of less than 10000.
  • Examples of the conductive polymer substance include P3HT (poly (3-hexylthiophene)), polysiloxane carbazole, polyaniline, polyethylene oxide, and (poly (1-methoxy-4- (0-dispersed 1) -2,5- Phenylene-vinylene), polyindole, polycarbazole, polypyridazine, polyisothianaphthalene, polyphenylene sulfide, polyvinylpyridine, polythiophene, polyfluorene, polypyridine, and derivatives thereof
  • a phthalocyanine-based material such as copper pthalocyanine (CuPc) or platinum-octaethylporphyrin (PtOEP) may be used.
  • CuPc copper pthalocyanine
  • PtOEP platinum-octaethylporphyrin
  • the two or more electron donors to be blended should be well mixed with each other, but do not react with each other. When reacted with each other to generate a new compound, it fails to play the role of the photoactive layer or the efficiency is significantly reduced.
  • the second electrode 40 is formed using a material having high reflectivity and low resistance to reabsorb light that is incident through the first electrode but is not absorbed in the photoactive layer.
  • the material of the second electrode 40 preferably includes a metal, specifically, a metal such as magnesium, calcium, sodium, potassium, titanium, indium, yttrium, lithium, aluminum, silver, tin, and lead, or these It is preferable to use an alloy of, but is not necessarily limited thereto.
  • the photoactive layer 30 may include a donor layer 31 formed by blending two or more electron donors and an acceptor layer 32 containing an electron acceptor.
  • a donor layer 31 formed by blending two or more electron donors and an acceptor layer 32 containing an electron acceptor.
  • the electron donor contained in the donor layer 31 is preferably two or more conductive low molecular materials having light absorption spectra of different peak wavelengths.
  • the conductive low molecular weight material it is preferable to use a phthalocyanine-based material such as copper pthalocyanine (CuPc), platinum-octaylporphyrin (PtOEP), or the like.
  • the acceptor layer 32 is used to receive and move electrons separated from the exciton and has a high electron affinity and a fast electron mobility. It is preferable to use C60-C70 fullerene derivative as said electron acceptor. In particular, it is more preferable to use C60.
  • the solar cell according to another embodiment of the present invention includes a hole transport layer 50 formed between the first electrode 20 and the photoactive layer 30 in the structure of the solar cell described above; A blocking layer 60 and an electron injection layer 70 formed between the photoactive layer 30 and the second electrode 40 may be included. That is, between the first electrode 20 and the second electrode 40, the hole transport layer 50 / photoactive layer 30, the photoactive layer 30 / electron injection layer 70, and the hole transport layer 50. ), The photoactive layer 30 / the electron injection layer 70, or the hole transport layer 50 / photoactive layer 30 / blocking layer 60 / the electron injection layer 70, a variety of laminated structures can be formed Can be. In addition, as shown in FIG.
  • the photoactive layer 30 may include the donor layer 31 and the acceptor layer 32 as described above, and the donor layer 31 and the acceptor layer. It may further include an interface layer 33 formed between (32).
  • the interfacial layer 33 is formed at the interface between the donor layer 31 and the acceptor layer 32 to increase the rate at which excitons generated by light absorption in the donor layer 31 are separated into holes and electrons. .
  • the interfacial layer 33 may be formed by blending an electron donor and an electron acceptor.
  • the hole transport layer 50 is preferably made of a material that can facilitate the movement of holes.
  • the conductive polymer forming the hole transport layer 50 include PEDOT (poly (3,4-ethylenedioxythiophene), PSS (poly (styrenesulfonate)), polyaniline, phthalocyanine, pentacene, polydiphenylacetylene, poly (t-butyl) diphenylacetylene, poly (trifluoromethyl) diphenylacetylene, Cu-PC (Curper Phthalocyanine) poly (bistrifluoromethyl) acetylene, polybis (T-butyldiphenyl) acetylene, poly ( Trimethylsilyl) diphenylacetylene, poly (carbazole) diphenylacetylene, polydiacetylene, polyphenylacetylene, polypyridineacetylene, polyme
  • PEDOT poly (3,4-ethylenedioxythiophene)
  • PSS
  • the blocking layer 60 prevents holes separated from the photoactive layer 30 and excitons not separated from moving to the second electrode 40 to be recombined again.
  • the blocking layer 60 may be made of a material having a high highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level, such as, for example, bathocuproine (BCP).
  • HOMO high highest occupied molecular orbital
  • the electron injection layer 70 allows electrons separated from the exciton to be well injected into the second electrode 40, and also serves to improve an interface property between the photoactive layer or blocking layer and the second electrode. Mainly use LiF, Liq and the like.
  • the solar cell according to the embodiments of the present invention contains an electron acceptor and two or more electron donors having light absorption spectra of different peak wavelengths in the photoactive layer, thereby providing a conventional solar cell, particularly a tandem structure. It has a simpler structure than a solar cell, but effectively improves light absorption. As a result, photoelectric conversion efficiency can be increased.
  • the step (b) comprises blending an electron acceptor with two or more electron donors in an organic solvent to produce a photoactive layer material, and using the blended photoactive layer material on the first electrode Spin coating the layer material.
  • the two or more electron donors each have a light absorption spectrum having at least one peak wavelength, and at least one peak wavelength is different from the peak wavelength of the other electron donor.
  • the two or more electron donors have different bandgap energies.
  • two or more light absorbing regions that can be used as electron donors blend other heterogeneous materials and materials that can be used as electron acceptors in an organic solvent.
  • an organic solvent such as chlorobenzene, benzene, chloroform or THF (Tetrahydrofuran) may be used.
  • THF Tetrahydrofuran
  • the ratio of each material is adjusted in consideration of the light absorption region. Materials that can be used as the electron donor / electron acceptor are the same as described above, so a description thereof will be omitted.
  • CuPc copper phthalocyanine
  • ZnPc zinc phthalocyanine
  • the derivative is blended for a certain time at a predetermined rate.
  • the photoactive layer material is spin coated on the first electrode and annealed in a nitrogen atmosphere to form a photoactive layer.
  • the solar cell may be manufactured by forming a second electrode on the photoactive layer.
  • step (b) may include forming a donor layer using the electron donor and forming an acceptor layer using the electron acceptor on the donor layer.
  • the method may further include forming a hole transport layer between the first electrode and the photoactive layer, and forming a blocking layer and an electron injection layer between the photoactive layer and the second electrode. Steps may be further included. This is not particularly limited in the present invention, and any method known in the art can be used without limitation. In addition, in forming each layer, spin coating is mainly performed, but various thin film forming methods are not limited thereto.
  • P3HT, CuPc, and PCBM were blended in 10 ml of chlorobenzene for at least 72 hours at a weight ratio of 2: 1: 1 respectively to prepare a photoactive layer material. In some cases, filtering may be further performed to remove unnecessary large particles after blending. Then, PEDOT-PSS, the material material of the hole transporting layer, and isopropyl alcohol (IPA) are blended at a weight ratio of 1: 2 for at least 24 hours.
  • IPA isopropyl alcohol
  • ITO or the like is formed on the substrate with the first electrode, washed with acetone or the like, and then the material material of the hole transport layer is spin-coated at 2000 rpm for 60 seconds and annealed for about 10 minutes in a nitrogen atmosphere of 140 ° C. . Then, the photoactive layer material prepared as above on the hole transport layer is spin coated at 1000 rpm for 60 seconds, and then annealed for about 10 minutes in a nitrogen atmosphere at 125 ° C.
  • a BCP bathoproine
  • LiF lithium fluoride
  • Al aluminum
  • P3HT absorbs light mainly in the 350-650 nm wavelength region, and the bandgap energy is 3.0-5.2 eV.
  • CuPc absorbs light mainly in the wavelength range of 300 to 400 nm and 550 to 800 nm, and has a bandgap energy of 3.5 to 5.2 eV.
  • FIG. 9 and 10 are graphs showing light absorption wavelength regions of P3HT, CuPc, and PtOEP, respectively, as another experimental example, and FIG. 10 is a light absorption wavelength region of the photoactive layer blended with P3HT and PCBM, and P3HT. At least two materials of Cu, Pt, and PtOEP are compared with the light absorption wavelength region of the photoactive layer blended with PCBM.
  • FIG. 10 it can be seen that the light absorption wavelength region of the photoactive layer blended with two or more electron donors and PCBM is higher than the light absorption wavelength region of the photoactive layer blended with P3HT and PCBM. Therefore, the photoelectric conversion efficiency is expected to increase.
  • the characteristics of the solar cell are evaluated using open circuit voltage (Voc), short circuit current (Jsc), fill factor (FF) and efficiency.
  • the open circuit voltage Voc is a voltage generated when light is irradiated without an external electrical load, that is, a voltage when current is 0, and the short circuit current Jsc is generated when light is irradiated by a shorted electrical contact.
  • Current is defined as the current caused by light when no voltage is applied.
  • fidelity FF is defined as the product of the current and voltage to which the current and voltage are applied and changed according to the product of the open circuit voltage Voc and the short circuit current Jsc. This fidelity FF is always 1 or less because the open circuit voltage Voc and the short circuit current Jsc are never obtained at the same time.
  • the photoelectric conversion efficiency is a value obtained by dividing the product of the open circuit voltage (Voc), the short-circuit current (Jsc) and the fidelity (FF) by the intensity of the irradiated light is defined by Equation 1 below.
  • the characteristic was measured in order to calculate the photoelectric conversion efficiency of the measurement battery. And this was compared with the conventional solar cell.
  • the results of measuring the characteristics of the measurement battery are shown in FIG. 8 and [Table 1].
  • CuPc ratio is 0 wt%, it is a conventional solar cell, and when it is 1 wt%, it is a solar cell which concerns on the experiment example of this invention.
  • the solar cell according to the embodiments of the present invention may improve the light absorption rate by containing the electron acceptor and two or more electron donors having light absorption regions of different wavelength bands in the photoactive layer, thereby increasing Jsc. As a result, the photoelectric conversion efficiency can be finally improved.

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Abstract

본 발명은 광흡수율을 증가시켜서 광전변환 효율을 향상시킨 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 태양 전지는, 기판 및 상기 기판 위에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 위에 형성되는 광활성층; 상기 광활성층 위에 형성되는 제2 전극을 포함하며, 상기 광활성층에는 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체가 함유된다.

Description

태양 전지 및 그 제조 방법
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광흡수율을 증가시켜서 광전변환 효율을 향상시킨 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환 소자인 태양 전지는 다른 에너지원과는 달리 무한하고 환경친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 더해가고 있다.
종래에는 단결정 또는 다결정의 실리콘 태양 전지가 많이 사용되어 왔으나, 실리콘 태양 전지는 제조 비용이 높고 플렉서블 기판에는 적용할 수 없는 등의 문제점이 있어, 최근 이러한 단점을 해결하는 대안으로 유기물 태양 전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
즉, 유기물 태양 전지는 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 롤 코팅 또는 닥터 블레이드 방법 등으로 제조할 수 있어서 제조 공정이 간단하여 제조 비용이 낮으며, 넓은 면적을 코팅할 수 있고, 낮은 온도에서도 박막을 형성할 수 있으며, 유리 기판을 비롯하여 플라스틱 기판 등 거의 모든 종류의 기판을 사용할 수 있다.
뿐만 아니라, 기판 형태의 제한 없이 곡면, 구면 등 플라스틱 성형품과 같은 다양한 형태의 태양 전지를 제작할 수 있고 구부리거나 접을 수도 있어서 휴대하기 편리하다. 이와 같은 장점을 활용하면 사람의 옷, 가방 등에 부착하거나 휴대용 전기, 전자 제품에 부착하여 사용하기 편리하다. 또한, 고분자 블렌드 박막은 빛에 대한 투명도가 높아서 건물의 유리창 또는 자동차의 유리창 등에 부착하여 밖을 볼 수 있게 하면서도 전력을 생산할 수 있어 불투명한 실리콘 태양 전지보다 응용 범위가 훨씬 높을 수 있다.
그러나 이와 같은 장점에도 불구하고 유기물 태양 전지는 전력변환 효율과 수명이 낮아서 실용적 응용에는 적합하지 않았다. 즉, 태양 전지의 전력변환 효율은 1990년대 말까지 약 1% 수준에 머물러 있었으나, 2000년대에 들어오면서 고분자 블렌드 구조의 모폴로지(morphology) 향상 등으로 성능이 크게 향상되기 시작했다.
한편, 탠덤(tandem) 구조의 태양 전지는 단층 구조의 개방전압을 0.4V 정도에서 두 배 가까이 증가시키는 특징이 있는데 2004년 발표된 J. Xue 등의 연구에서는, 샌드위치형의 탠덤 구조로 두 개의 전지를 ITO/CuPC/CuPC:C60/C60/PTCBI/Ag/m-MTDATA/CuPC/CuPC:C60/C60/BCP/Ag와 같이 연결하여 개방전압 1.03V, 단락전류 9.7mA/cm2, 변환효율 5.7%(AM 1.5 조건)을 얻었다.(Appl. Phys. Lett.85, 5757 (2004))
그러나, 상기 탠덤 구조의 태양 전지는 셀(cell)을 적층하는 형태이므로 그 제조 공정이 복잡하다는 문제점이 있으며, 또한 적층형으로 소자를 제조하기 때문에 상부에 위치한 셀에 들어오는 빛의 양이 적어져서 광손실이 발생하고 광흡수율이 떨어진다는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 그 제조 공정이 간단하면서도 광흡수율을 증가시켜서 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양 전지는,
기판 및 상기 기판 위에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 위에 형성되는 광활성층; 상기 광활성층 위에 형성되는 제2 전극을 포함하며, 상기 광활성층은 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체를 포함한다.
상기 2개 이상의 전자 공여체는 각각 하나 이상의 피크 파장을 갖는 광 흡수 스펙트럼을 가지며, 적어도 하나의 피크 파장은 다른 전자 공여체의 피크 파장과 서로 다른 것이 바람직하다. 이때, 상기 2개 이상의 전자 공여체 중 하나의 전자 공여체는 단파장 영역에서 피크 파장을 가지며, 다른 하나의 전자 공여체는 장파장 영역에서 피크 파장을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 2개 이상의 전자 공여체는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 것이 더욱 바람직하다.
상기 광활성층은 상기 2개 이상의 전자 공여체가 함유된 도우너층과 상기 전자 수용체가 함유된 억셉터층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 도우너층과 상기 억셉터층 사이에 형성되며, 상기 전자 공여체와 전자 수용체가 블랜딩(blending)되어 형성되는 계면층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 광활성층은 상기 전자 공여체와 전자 수용체가 블랜딩되어 형성될 수 있다.
상기 광활성층과 제2 전극 사이에 위치하는 블로킹층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극과 광활성층 사이에 위치하는 정공 이동층 또는 상기 광활성층과 제2 전극 사이에 위치하는 전자 주입층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 투명 도전 산화막을 포함하며, 상기 제2 전극을 금속을 포함한다. 이때, 상기 투명 도전 산화막은 ITO(indium-tin oxide), FTO(Fluorine doped tin oxide), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), SnO2-Sb2O3 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하며, 상기 금속은 금, 알루미늄, 구리, 은, 니켈 또는 그들의 합금, 칼슘/알루미늄 합금, 마그네슘/은 합금, 알루미늄/리튬 합금 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 전자 공여체는 프탈로시아닌(phthalo- cyanine), 플래 티늄-옥타릴포르핀린(Pt-octaethylporphyrin(PtOEP)), P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 그리고 이들의 유도체 중에서 선택된 적어도 어느 1개 이상인 것이 바람직하다.
상기 전자 수용체는 플러렌 또는 플러렌 유도체인 것이 바람직하다.
상기 전자 공여체는 폴리티오펜 유도체와 프탈로시아닌(phthalo- cyanine) 계열의 물질이고, 상기 전자 수용체는 플러렌 유도체인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법은, 제1 전극과 제2 전극 사이에 광활성층이 형성된 태양 전지 제조 방법으로서, (a) 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; (b) 상기 제1 전극 상에 2개 이상의 전자 공여체 및 전자 수용체를 이용하여 광활성층을 형성하는 단계; (c) 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 (b) 단계는, 유기 용매에 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체를 블랜딩(blending)하여 광활성층 재료를 제조하는 단계와, 상기 블랜딩된 광활성층 재료를 사용하여 상기 제1 전극 위에 상기 광활성층 재료를 스핀 코팅하는 단계를 포함한다.
상기 (b) 단계는 상기 2개 이상의 전자 공여체를 사용하여 도우너층을 형성하는 단계 및 상기 도우너층 상에 상기 전자 수용체를 사용하여 억셉터층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 2개 이상의 전자 공여체는 각각 하나 이상의 피크 파장을 갖는 광 흡수 스펙트럼을 가지며, 적어도 하나의 피크 파장은 다른 전자 공여체의 피크 파장과 서로 다른 것이 바람직하다.
상기 2개 이상의 전자 공여체는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 전자 수용체와, 서로 다른 피크 파장의 광 흡수 스펙트럼을 가지는 2개 이상의 전자 공여체를 블랜딩하여 광활성층을 형성하여 광흡수율을 증가시킬 수 있고, 그 결과 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 적층형 구조가 아닌 단층 구조로도 광손실을 최소화할 수 있으므로 그 제조 공정을 간소화시킬 수 있으며, 생산 비용을 절감시킬 수 있다. 따라서, 태양 전지 제조 생산성을 향상시키고 단가를 저감시킬 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 여러 실시예에 따른 태양 전지를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양 전지를 도시한 도이다.
도 6은 P3HT와 CuPc 각각의 광흡수 파장 영역을 도시한 그래프이다.
도 7은 P3HT와 CuPc, PCBM의 밴드갭 에너지를 도시한 도이다.
도 8은 P3HT와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역과 P3HT, CuPc, PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 9는 P3HT와 CuPc, PtOEP 각각의 광흡수 파장 영역을 도시한 그래프이다.
도 10은 P3HT와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역과, P3HT, CuPc, PtOEP 중 적어도 어느 두 물질과 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 11은 도 5에 도시된 태양 전지의 소자 특성을 도시한 그래프이다.
도 12는 도 5에 도시된 태양 전지의 소자 특성을 도시한 그래프로써, CuPc의 중량비 변화에 따른 Jsc와 전력변환 효율의 변화를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다. 또한, 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 상부에 또는 상에 있다고 표현되는 경우는 각 부분이 다른 부분의 바로 상부 또는 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 각 부분과 다른 부분의 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 여러 실시예에 따른 태양 전지를 모식적으로 도시한 단면도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양 전지를 도시한 도, 도 6은 P3HT와 CuPc 각각의 광흡수 파장 영역을 도시한 그래프, 도 7은 P3HT와 CuPc, PCBM의 밴드갭 에너지를 도시한 도, 도 8은 P3HT와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역과 P3HT, CuPc, PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역을 비교하여 도시한 그래프, 도 9는 P3HT와 CuPc, PtOEP 각각의 광흡수 파장 영역을 도시한 그래프, 도 10은 P3HT와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역과, P3HT, CuPc, PtOEP 중 적어도 어느 두 물질과 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역을 비교하여 도시한 그래프, 도 11은 도 5에 도시된 태양 전지의 소자 특성을 도시한 그래프, 도 12는 도 5에 도시된 태양 전지의 소자 특성을 도시한 그래프로써, CuPc의 중량비 변화에 따른 Jsc와 전력변환 효율의 변화를 도시한 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는, 기판(10), 제1 전극(20), 광활성층(30), 제2 전극(40)을 포함하며, 상기 광활성층(30)에는 전자 수용체와, 전자 공여체가 함유되어 있다. 여기서, 상기 전자 공여체는 서로 다른 피크 파장의 광 흡수 스펙트럼을 가지는 2가지 이상의 물질로 이루어 지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 2가지 이상의 물질로 된 전자 공여체 중 하나는 단파장 영역에서 피크 파장을 가지며, 다른 하나의 전자 공여체는 장파장 영역에서 피크 파장을 가지는 것이 더욱 바람직하다.
상기 기판(10)은 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되지 않으며 석영 및 유리와 같은 투명 무기 기판이거나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), AS수지, ABS수지로 구성되는 군에서 선택되는 투명 플라스틱 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(10)은 가시광선 파장대에서 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 투과율을 갖는것이 좋다.
상기 제1 전극(20)은 기판(10)을 통과한 빛이 광활성층(30)에 도달하는 경로가 되므로 높은 투명도를 갖는 물질이 바람직하다. 상기 제1 전극(20)은 투명 도전 산화막인 것이 바람직하며, 상기 제1전극(20)을 형성하는 전도성 물질의 구체적인 예로는, 인듐틴 옥사이드(ITO), 금, 은, 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등을 들 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 전극(20)의 상부에는 광활성층(30)이 위치한다. 상기 광활성층(30)은 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체를 포함한다. 여기서, 상기 2개 이상의 전자 공여체의 밴드갭 에너지는 서로 다를 수 있다. 따라서, 상기 2개 이상의 전자 공여체는 각각 광 흡수 스펙트럼을 가지며, 하나 이상의 피크 파장을 갖는다. 그리고, 적어도 하나의 피크 파장은 다른 전자 공여체의 피크 파장과 서로 다를 수 있다. 예를 들면, 하나의 전자 공여체가 자외선 내지 청색 영역인 단파장 영역(300 ~ 460nm)에서 피크 파장을 가진다면, 다른 하나의 전자 공여체는 460nm 이상이 장파장 영역, 예를 들면 녹색 영역(460~550nm) 또는 적색 영역(600~750nm)에서 피크 파장을 가질 수 있다.
보다 상세하게는 상기 전자 공여체는, 예를 들면, 서로 다른 피크 파장의 광 흡수 스펙트럼을 가지는 2개 이상의 전도성 고분자 물질들, 또는 적어도 하나 이상의 전도성 고분자 물질과 전도성 저분자 물질이 블랜딩된 물질인 것이 바람직하다. 여기서, 고분자 물질이란 분자량이 10000 이상인 물질을 뜻하고, 저분자 물질은 분자량이 10000 미만인 물질을 뜻한다.
상기 전도성 고분자 물질로서는, P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 그리고 이들의 유도체 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. 상기 전도성 저분자 물질로서는, 프탈로시아닌 계열의 물질, 예를 들면, 구리 프탈로시아닌(copper pthalocyanine(CuPc)), 또는 플래티늄-옥타릴포르핀린(Pt-octaethylporphyrin(PtOEP)) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전자 수용체로서는 플러렌 또는 플러렌 유도체인 것이 바람직하다.
이때, 블랜딩되는 2개 이상의 전자 공여체는 서로 혼합이 잘되되, 서로 반응하지 않는 물질이어야 한다. 서로 반응하여 새로운 화합물을 생성하면, 광활성층의 역할을 수행하지 못하거나, 효율이 현저하게 저하된다.
상기 제2 전극(40)은 상기 제1 전극을 통해 입사되었으나, 광활성층에서 흡수되지 못한 광을 재흡수하기 위해 주로 반사도가 높고 저항이 적은 물질을 사용하여 형성된다. 상기 제2전극(40) 물질로는 금속을 포함하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속, 또는 이들의 합금을 사용하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 광활성층(30)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 전자 공여체를 블랜딩하여 형성된 도우너층(31)과 전자 수용체를 함유하는 억셉터층(32)을 포함할 수 있다. 이는 저분자 태양 전지를 도시한 것으로, 상기 도우너층(31)은 광을 흡수하여 엑시톤(exciton)을 형성한다. 상기 도우너층(31)에 함유되는 전자 공여체는 서로 다른 피크 파장의 광 흡수 스펙트럼을 가지는 2가지 이상의 전도성 저분자 물질인 것이 바람직하다. 상기 전도성 저분자 물질로서는, 프탈로시아닌 계열의 물질, 예를 들면, 구리 프탈로시아닌(copper pthalocyanine(CuPc)), 또는 플래티늄-옥타릴포르핀린(Pt-octaethylporphyrin(PtOEP)) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 억셉터층(32)은 상기 엑시톤에서 분리된 전자를 수용하여 이동시키기 위한 것으로 전자 친화도가 높으며, 전자 이동도가 빠른 물질을 사용한다. 상기 전자 수용체로서는 C60 ~ C70 의 플러렌 유도체를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, C60을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지는, 전술한 태양 전지의 구조에서 제1 전극(20)과 광활성층(30) 사이에 형성된 정공 이동층(50)과, 광활성층(30)과 제2 전극(40) 사이에 형성된 블로킹층(60)과 전자 주입층(70)을 각각 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(20)과 제2 전극(40) 사이에는, 정공 이동층(50)/광활성층(30), 광활성층(30)/전자 주입층(70), 정공 이동층(50)/광활성층(30)/전자 주입층(70), 또는 정공 이동층(50)/광활성층(30)/블로킹층(60)/전자 주입층(70) 등 다양한 형태의 적층 구조가 형성될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 광활성층(30)은 전술한 바와 같은 도우너층(31)과 억셉터층(32)을 포함할 수 있으며, 또한 상기 도우너층(31)과 억셉터층(32) 사이에 형성되는 계면층(33)을 더 포함할 수 있다. 상기 계면층(33)은 도우너층(31)과 억셉터층(32)의 경계면에 형성되어 도우너층(31)에서 광흡수에 의해 생긴 엑시톤이 정공과 전자로 분리되는 비율을 증가시키는 역할을 한다. 상기 계면층(33)은 전자 공여체와 전자 수용체가 블랜딩되어 형성될 수 있다.
상기 광활성층(30)에서 분리된 정공은 상기 정공 이동층(50)을 통하여 제1 전극(20)에 도달한다. 따라서, 상기 정공 이동층(50)은 정공의 이동을 원활히 할 수 있는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 정공 이동층(50)을 형성하는 전도성 고분자로는 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), PSS(폴리(스티렌설포네이트), 폴리아닐린, 프탈로시아닌, 펜타센, 폴리디페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, Cu-PC(커퍼 프탈로시아닌) 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 유도체와 같은 전도성 고분자 등이 하나 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 PEDOT-PSS 혼합물을 사용하는 것이 좋다.
상기 블로킹층(60)은 상기 광활성층(30)에서 분리된 정공과 분리되지 않은 엑시톤들이 제2 전극(40)으로 이동하여 다시 재결합하는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 따라서, 상기 블로킹층(60)은 예를 들면 BCP(bathocuproine)와 같이 HOMO(highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 전자 주입층(70)은 엑시톤에서 분리된 전자들이 제2 전극(40)으로 잘 주입하게 하며, 또한 광활성층 또는 블로킹층과 제2 전극과의 계면 특성을 향상시키는 역할을 수행한다. 주로 LiF, Liq 등을 사용한다.
여기서, 기판(10), 제1 전극(20), 광활성층(30), 제2 전극(40), 도우너층(31), 억셉터층(32)에 대한 설명은 전술한 바와 같으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 광활성층에 전자 수용체와, 서로 다른 피크 파장의 광 흡수 스펙트럼을 가지는 2개 이상의 전자 공여체가 함유되어 종래의 태양 전지, 특히 탠덤 구조의 태양 전지보다도 간단한 구조를 가지면서도 광흡수율을 효과적으로 향상시켰으며 그 결과 광전변환 효율을 높일 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법은, (a) 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계, (b) 상기 제1 전극 상에 2개 이상의 전자 공여체 및 전자 수용체를 이용하여 광활성층을 형성하는 단계, (c) 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 (b) 단계는, 유기 용매에 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체를 블랜딩(blending)하여 광활성층 재료를 제조하는 단계와, 상기 블랜딩된 광활성층 재료를 사용하여 상기 제1 전극 위에 상기 광활성층 재료를 스핀 코팅하는 단계를 포함한다. 상기 2개 이상의 전자 공여체는 각각 하나 이상의 피크 파장을 갖는 광 흡수 스펙트럼을 가지며, 적어도 하나의 피크 파장은 다른 전자 공여체의 피크 파장과 서로 다르다. 또한, 상기 2개 이상의 전자 공여체는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는다.
광활성층 재료를 제조하기 위해, 전자 공여체로서 사용될 수 있는 2가지 이상의 광흡수 영역이 다른 이종 물질과 전자 수용체로 사용될 수 있는 물질을 유기 용매에 블랜딩한다. 상기 유기 용매는, 예를 들면, 클로로벤젠, 벤젠, 클로로포름 또는 THF(Tetrahydrofuran) 등과 같은 유기 용매를 사용할 수 있다. 이때, 블랜딩시 광흡수 영역 등을 고려하여 각각의 물질의 비율을 조절한다. 상기 전자 공여체/전자 수용체로 사용될 수 있는 물질은 전술한 바와 같으므로 이에 대한 설명은 생략한다. 예를 들면, 상기 전자 공여체로서 프탈로시아닌(phthalo- cyanine) 계열의 물질인 구리 프탈로시아닌(CuPc) 또는 아연 프탈로시아닌(ZnPc)과, 전도성 고분자 물질인 폴리티오펜 유도체 중 어느 2개 이상의 물질과 전자 수용체로서 플러렌 유도체를 소정의 비율로 일정한 시간 동안 블랜딩한다.
그 다음, 기판 위에 제1 전극을 형성한 후, 상기 제1 전극 위에 상기 광활성층 재료를 스핀 코팅하고, 질소 분위기에서 어닐링하여 광활성층을 형성한다. 상기 광활성층 위에 제2 전극을 형성하여 태양 전지를 제조할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는 상기 전자 공여체를 사용하여 도우너층을 형성하는 단계 및 상기 도우너층 상에 상기 전자 수용체를 사용하여 억셉터층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극과 광활성층을 형성하는 단계 사이에 정공 이동층을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있고, 상기 광활성층과 제2 전극을 형성하는 단계 사이에 블로킹층과 전자 주입층을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있다. 이는 본 발명에서 특별히 한정되는 것은 아니며, 종래 기술에 알려져 있는 어느 방법이나 제한없이 사용할 수 있다. 또한, 각층을 형성함에 있어서 스핀 코팅의 방법을 주로 하였으나, 이에 한정되지 않고 다양한 박막 형성 방법을 이용할 수 있다.
이하에서는 실시예를 들어 본 발명의 태양 전지 및 그 제조 방법에 관하여 더욱 상세하게 설명할 것이나 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실험예
측정용 전지 제조
P3HT, CuPc, PCBM을 각각 2 : 1 : 1의 중량비로 클로로벤젠 10ml에 최소 72시간 동안 블랜딩하여 광활성층 재료를 준비한다. 경우에 따라서, 블랜딩한 후 불필요한 거대 입자를 제거하기 위해 필터링하는 단계를 더 수행할 수 있다. 그 다음, 정공 이동층의 재료 물질인 PEDOT-PSS와 이소프로필 알콜(Isopropyl Alcohol; IPA)을 1 : 2의 중량비로 최소 24시간 동안 블랜딩한다.
그 다음, 기판 위에 제1 전극으로 ITO 등을 형성하고, 아세톤 등을 사용하여 세정한 후, 정공 이동층의 재료 물질을 60초간 2000rpm으로 스핀 코팅하고 140℃의 질소 분위기에서 약 10분 동안 어닐링한다. 그 다음, 정공 이동층 위에 상기와 같이 준비된 광활성층 재료를 60초간 1000rpm으로 스핀 코팅한 후, 125℃의 질소 분위기에서 약 10분 동안 어닐링한다. 그 다음, 스핀 코팅된 광활성층 위에 증착기를 사용하여 BCP(bathocuproine)를 12 nm 정도의 두께로 증착하여 블로킹층을 형성하고, 상기 블로킹층 위에 플루오르화 리튬(LiF)을 0.5 nm 정도의 두께로 증착한 후, 알루미늄(Al)을 80 nm 정도의 두께로 증착하여 제2 전극을 형성하여 도 5에 도시된 바와 같은 태양 전지를 제조한다.
광흡수율 변화 측정
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, P3HT는 주로 350 내지 650 nm 파장 영역에서 빛을 흡수하며, 밴드갭 에너지는 3.0 내지 5.2 eV이다. 이에 비해 CuPc는 300 내지 400 nm, 550 내지 800 nm 파장 영역에서 주로 빛을 흡수하며, 밴드갭 에너지는 3.5 내지 5.2 eV이다. 이 두 물질과 PCBM(PCBM의 밴드갭 에너지는 3.7 내지 5.9 eV)을, 'P3HT : PCBM : CuPc = 2 : 1 : 1'로 블랜딩한 후, 광흡수율을 측정한 결과, 도 8에 도시된 바와 같이 300 내지 500 nm 파장 영역과 550 내지 800 nm 파장 영역에서 광흡수율이 증가하였음을 알 수 있다. 따라서, 광흡수율이 증가하여 Jsc가 증가하고, 그에 따라 광전변환 효율(power conversion efficiency)이 증가할 것으로 예측된다.
도 9 및 도 10은 다른 실험예로써 도 9는 P3HT와 CuPc, 그리고 PtOEP 각각의 광흡수 파장 영역을 도시한 그래프이고, 도 10은 P3HT와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역과, P3HT, CuPc, PtOEP 중 적어도 어느 두 물질과 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역을 비교하여 도시한 그래프이다. 도 10에 도시된 각각의 그래프는 P3HT의 중량비를 2로 하고, 다른 물질들의 중량비는 모두 1로 하여 블랜딩한 것이다. 즉, 예를 들면, 'CuPc : PtOEP : P3HT : PCBM = 1 : 1 : 1 : 2'의 중량비로 블랜딩한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 전자 공여체와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역이 P3HT와 PCBM을 블랜딩한 광활성층의 광흡수 파장 영역보다 광흡수율이 증가함을 알 수 있다. 따라서, 광전변환 효율이 증가할 것으로 예측된다.
광전변환 효율 측정
태양 전지의 특성은 개방 회로 전압(open circuit voltage; Voc), 단락 회로 전류(short circuit current; Jsc), 충실도(fill factor; FF) 및 효율을 이용하여 평가하게 된다. 개방 회로 전압(Voc)는 외부의 전기적 부하 없이 빛이 조사되었을 때 생성되는 전압, 즉 전류가 0일 때의 전압이고, 단락 회로 전류(Jsc)는 단락된 전기 접촉으로 빛이 조사되었을 때 생성되는 전류, 즉 전압이 인가되지 않을 경우 빛에 의한 전류로 정의된다. 또한, 충실도(FF)는 전류 및 전압이 인가되고 그에 따라 변화되는 전류 및 전압의 곱을 개방 회로 전압(Voc)과 단락 회로 전류(Jsc)의 곱으로 나눈 값으로 정의된다. 이러한 충실도(FF)는 개방 회로 전압(Voc)과 단락 회로 전류(Jsc)가 절대로 동시에 얻어지지 않기 때문에 항상 1 이하이다. 그렇지만 충실도(FF)가 1에 근접할수록 태양 전지의 효율이 보다 높아지고, 충실도(FF)가 낮아질수록 저항이 증가하는 것으로 평가된다. 한편, 광전변환 효율는 개방 회로 전압(Voc), 단락 회로 전류(Jsc) 및 충실도(FF)의 곱을 조사되는 빛의 세기로 나눈 값으로 아래의 [수학식 1]로 정의된다.
[수학식 1]
η = FF*(Jsc*Voc/(조사되는 빛의 세기))
측정용 전지의 광전변환 효율을 산출하기 위해 그 특성을 측정하였다. 그리고, 이를 종래의 태양 전지와 비교하였다. 상기 측정용 전지의 특성을 측정한 결과는 도 8 및 [표 1]과 같다. 여기서, CuPc ratio가 0 wt%인 경우는 종래의 태양 전지이며, 1 wt%인 경우는 본 발명의 실험예에 따른 태양 전지이다.
[표 1]
Figure PCTKR2010001791-appb-I000001
도 11 및 [표 1]을 참조하면, CuPc ratio가 0 wt%인 경우, 즉 P3HT와 PCBM만을 블랜딩하였을 때 보다는 P3HT, CuPc, 그리고 PCBM 3가지 물질을 블랜딩하였을 때, Voc는 변함이 없으나, Jsc가 15.36 mA/cm2에서 17.90mA/cm2로 증가하였고, Pmax는 0.150에서 0.168로 변화하였으며, FF는 0.661에서 0.639로 변화하였음을 알 수 있다. 상기 값들을 [수학식 1]에 대입하여 계산할 결과, 광전변환 효율이 6.648%에서 7.469%로 증가하였음을 알 수 있다.
한편, CuPc의 중량비 변화에 따른 Jsc와 광전변환 효율(Power conversion efficiency; PCE)의 변화를 알아보기 위해, CuPc의 중량비를 0 wt%, 0.5 wt%, 1.0 wt%, 2.0 wt%로 변화시켜서 각각의 특성을 측정하고, 그에 따른 광전변환 효율을 산출하였다. CuPc의 중량비 변화에 따른 Jsc와 광전변환 효율의 변화는 도 12 및 [표 2]와 같다.
[표 2]
Figure PCTKR2010001791-appb-I000002
[표 2]을 참조하면, CuPc의 중량비가 0.5 와 1.0 wt%일 때, 한가지의 전자 공여체와 전자 수용체를 함유하는 종래의 태양 전지(CuPc 중량비가 0 wt%인 경우) 보다 향상된 결과를 얻었으며, 최적의 CuPc 중량비는 1.0 wt%임을 알 수 있다. 또한, 이를 도식화한 그래프 도 12를 참조하면, CuPc의 중량비가 0 wt%를 초과하고 약 1.5 wt% 이하인 경우, 종래 태양 전지의 효율값인 6.648% 보다 높은 전력변환 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 광활성층에 전자 수용체와, 서로 다른 파장대의 광흡수 영역을 갖는 2개 이상의 전자 공여체가 함유됨으로써 광흡수율을 향상시킬 수 있고, 그 결과 Jsc를 증가시킴에 따라 최종적으로 광전변환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

Claims (19)

  1. 기판 및 상기 기판 위에 형성되는 제1 전극;
    상기 제1 전극 위에 형성되는 광활성층;
    상기 광활성층 위에 형성되는 제2 전극을 포함하며,
    상기 광활성층은 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체를 포함하는 태양 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2개 이상의 전자 공여체는 각각 하나 이상의 피크 파장을 갖는 광 흡수 스펙트럼을 가지며, 적어도 하나의 피크 파장은 다른 전자 공여체의 피크 파장과 서로 다른 태양 전지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 2개 이상의 전자 공여체 중 하나의 전자 공여체는 단파장 영역에서 피크 파장을 가지며, 다른 하나의 전자 공여체는 장파장 영역에서 피크 파장을 갖는 태양 전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 2개 이상의 전자 공여체는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 태양 전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 광활성층은 상기 2개 이상의 전자 공여체가 함유된 도우너층과 상기 전자 수용체가 함유된 억셉터층을 포함하는 태양 전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 도우너층과 상기 억셉터층 사이에 형성되며, 상기 전자 공여체와 전자 수용체가 블랜딩(blending)되어 형성되는 계면층을 더 포함하는 태양 전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 광활성층은 상기 전자 공여체와 전자 수용체가 블랜딩되어 형성되는 태양 전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 광활성층과 제2 전극 사이에 위치하는 블로킹층을 더 포함하는 태양 전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극과 광활성층 사이에 위치하는 정공 이동층 또는 상기 광활성층과 제2 전극 사이에 위치하는 전자 주입층을 더 포함하는 태양 전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극은 투명 도전 산화막을 포함하며, 상기 제2 전극을 금속을 포함하는 태양 전지.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 투명 도전 산화막은 ITO(indium-tin oxide), FTO(Fluorine doped tin oxide), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), SnO2-Sb2O3 중에서 선택된 어느 하나 이상이며, 상기 금속은 금, 알루미늄, 구리, 은, 니켈 또는 그들의 합금, 칼슘/알루미늄 합금, 마그네슘/은 합금, 알루미늄/리튬 합금 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 태양 전지.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자 공여체는 프탈로시아닌(phthalo- cyanine), 플래 티늄-옥타릴포르핀린(Pt-octaethylporphyrin(PtOEP)), P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 그리고 이들의 유도체 중에서 선택된 적어도 어느 1개 이상인 태양 전지.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자 수용체는 플러렌 또는 플러렌 유도체인 태양 전지.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자 공여체는 폴리티오펜 유도체와 프탈로시아닌(phthalo- cyanine) 계열의 물질이고, 상기 전자 수용체는 플러렌 유도체인 태양 전지.
  15. 제1 전극과 제2 전극 사이에 광활성층이 형성된 태양 전지 제조 방법으로서,
    (a) 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    (b) 상기 제1 전극 상에 2개 이상의 전자 공여체 및 전자 수용체를 이용하여 광활성층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    유기 용매에 전자 수용체와, 2개 이상의 전자 공여체를 블랜딩(blending)하여 광활성층 재료를 제조하는 단계와,
    상기 블랜딩된 광활성층 재료를 사용하여 상기 제1 전극 위에 상기 광활성층 재료를 스핀 코팅하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 (b) 단계는 상기 2개 이상의 전자 공여체를 사용하여 도우너층을 형성하는 단계 및 상기 도우너층 상에 상기 전자 수용체를 사용하여 억셉터층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 2개 이상의 전자 공여체는 각각 하나 이상의 피크 파장을 갖는 광 흡수 스펙트럼을 가지며, 적어도 하나의 피크 파장은 다른 전자 공여체의 피크 파장과 서로 다른 태양 전지의 제조방법.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 2개 이상의 전자 공여체는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 태양전지의 제조방법.
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