WO2014200312A1 - 유기태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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WO2014200312A1
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electrode
layer
solar cell
organic solar
auxiliary electrode
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이행근
성지현
이재철
최정민
장송림
이승헌
장성호
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주식회사 엘지화학
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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 specification relates to an organic solar cell and a method of manufacturing the same.
  • Solar cells are semiconductor devices that convert sunlight into electricity using a photovoltaic effect.
  • Solar cells using inorganic semiconductor materials such as silicon or compound semiconductors are already commercially available.
  • organic solar cells using organic materials such as polymer resins have also been studied.
  • the light conversion efficiency of an organic solar cell converts incident light into electrical energy.
  • the incident light excites an organic material in the photoactive layer to form an exciton in which electrons and holes are unstablely coupled. It refers to the efficiency in which electrons and holes move to the electrode through the donor layer and the accept layer, respectively, and are converted to electrical energy.
  • an organic solar cell material it can be roughly divided into a p-type organic semiconductor material which is a donor and an n- type organic semiconductor material which is an acceptor.
  • the p-type organic semiconductor material is separated into holes and electrons at the junction with the n-type organic semiconductor material when the excitons generated by the absorption of light are formed to provide electrons well. It is a donor to be.
  • the n-type organic semiconductor material refers to a material that can be reduced to an acceptor to accept electrons well.
  • Various donor and acceptor materials have been reported, but it is difficult to expect an efficiency of 3% or more except for P3HT / PCBM or PCPDTBT / PCBM.
  • organic solar cells have lower efficiency than inorganic solar cells.
  • charge mobility compared to inorganic solar cells.
  • the charge recombination decreases and the electric field decreases, thereby increasing the recombination of charges, thereby improving efficiency.
  • the efficiency drop caused by an increase in the resistance of the transparent electrode is large.
  • an optical module, metal nanoparticles, and the like, or a new module structure for minimizing electrode resistance has been proposed.
  • the present specification provides an organic solar cell and a method of manufacturing the same that can increase light conversion efficiency.
  • first electrode A first electrode; A second electrode provided to face the first electrode; One or more organic material layers including a photoactive layer provided between the first electrode and the second electrode; And an auxiliary electrode provided in contact with the first electrode.
  • the auxiliary electrode provides an organic solar cell in which the area of the surface close to the first or second electrode to which the incident light reaches is smaller than the area of the surface opposite thereto.
  • the present disclosure provides a method of manufacturing the organic solar cell. Specifically, preparing a substrate; Forming a first electrode on the substrate; Forming an auxiliary electrode on the first electrode; Forming at least one organic material layer including a photoactive layer on the auxiliary electrode; And forming a second electrode on the organic material layer, wherein the areas of the upper and lower surfaces of the auxiliary electrode are different from each other.
  • the organic solar cell of the present specification has a high light absorption efficiency by increasing the amount of light reaching the photoactive layer.
  • the organic solar cell of the present specification enables reabsorption of light, and thus has high light absorption efficiency.
  • the organic solar cell of the present specification can implement a high charge rate when manufacturing a large area device by lowering the resistance of the electrode.
  • 1 to 3 illustrate the shape of the auxiliary electrode in the organic solar cell according to the exemplary embodiment of the present specification.
  • FIG. 6 illustrates a method of manufacturing an organic solar cell according to one embodiment of the present specification.
  • FIG. 7 is an optical micrograph immediately after PR patterning by the method of Preparation Example 1.
  • FIG. 8 is a SEM cross-sectional photograph immediately after PR patterning and Cu / Al etching by the method of Preparation Example 1.
  • FIG. 8 is a SEM cross-sectional photograph immediately after PR patterning and Cu / Al etching by the method of Preparation Example 1.
  • One embodiment of the present specification includes a first electrode; A second electrode provided to face the first electrode; One or more organic material layers including a photoactive layer provided between the first electrode and the second electrode; And an auxiliary electrode provided in contact with the first electrode.
  • the auxiliary electrode provides an organic solar cell in which the area of the surface close to the first or second electrode to which the incident light reaches is smaller than the area of the surface opposite thereto.
  • the present inventors developed an organic solar cell capable of increasing the light absorption efficiency by introducing an auxiliary electrode and adjusting the shape of the auxiliary electrode to solve the resistance value of the high transparent electrode.
  • the first electrode of the organic solar cell may be a transparent electrode for light absorption.
  • the transparent electrode has a high transmittance but low electrical conductivity. Therefore, according to the exemplary embodiment of the present specification, an auxiliary electrode having high conductivity may be used on the transparent electrode to compensate for the low electrical conductivity of the transparent electrode.
  • the auxiliary electrode may be made of a metal material for high electrical conductivity, so that the area of the surface close to the electrode reaching the incident light may be reduced in order to reduce the problem that light transmittance is impaired. It can form smaller than the area of the opposing surface.
  • the auxiliary electrode may have an area smaller than that of an opposing surface that is in contact with the first electrode.
  • the first electrode may be a transparent electrode, and may mean a case where light is incident on the transparent electrode.
  • FIG. 1 illustrates a shape of an auxiliary electrode in an organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification.
  • FIG. 1 illustrates the auxiliary electrode 301 provided on the first electrode 201 provided on the substrate 101. 1 shows a cross section in the case where an auxiliary electrode is formed on a first electrode made of ITO, and light is transmitted.
  • an arrow means incident light.
  • FIG. 1 since the area of the auxiliary electrode where light is incident is small, more light may pass through the first electrode, and the incident light may be reflected on the side of the auxiliary electrode to be reabsorbed by the photoactive layer. I can see.
  • FIG. 1 illustrates only the effect when light is incident on the first electrode in the vertical direction, the same effect may also be obtained when light is incident on the incident direction instead of vertically.
  • light that is not absorbed by the photoactive layer and reflected from the second electrode may be reflected back by the auxiliary electrode to be absorbed by the photoactive layer.
  • FIG. 4 illustrates an example of an organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification. Specifically, FIG. 4 illustrates an organic solar system in which a first electrode 201, an auxiliary electrode 301, a hole transport layer 401, a photoactive layer 501, and a second electrode 501 are sequentially provided on a substrate 101. The battery is shown. 4 shows the shape of the cross section of the auxiliary electrode when light is incident on the first electrode.
  • the auxiliary electrode in the organic solar cell, incident light reaches the second electrode, and the auxiliary electrode may have a larger area than an opposite surface of the surface in contact with the first electrode.
  • This may be an organic solar cell having a reverse structure in which the second electrode is a transparent electrode. That is, when light is incident on the second electrode of the organic solar cell, the auxiliary electrode may have a larger area of the surface in contact with the first electrode than an area of the surface opposite thereto. In this case, excess light that is not absorbed by the photoactive layer through the second electrode may be reflected and reabsorbed by the auxiliary electrode. Specifically, the amount of light exiting to the first electrode due to the auxiliary electrode may be reduced, and light may be absorbed again to increase light absorption efficiency.
  • FIG. 5 illustrates an example of an organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification.
  • FIG. 5 illustrates an organic solar system in which a first electrode 201, an auxiliary electrode 301, a hole transport layer 401, a photoactive layer 501, and a second electrode 501 are sequentially provided on a substrate 101.
  • the battery is shown.
  • 5 illustrates the shape of a cross section of the auxiliary electrode when light is incident on the second electrode. That is, in FIG. 5, the area where the light is reflected by the auxiliary electrode is larger than the area where the extra light passing through the second electrode and the photoactive layer passes through the first electrode, and thus the extra light reflected by the auxiliary electrode. It can be reabsorbed into the photoactive layer.
  • the organic solar cell direct light is incident on the second electrode, and extra light that is not absorbed by the photoactive layer is reflected by the auxiliary electrode provided on the first electrode and is photoactive. May be reabsorbed into the layer. In this case, since the reflected light, which is less efficient in light, may be absorbed auxiliary, the efficiency of the organic solar cell may be further increased.
  • the vertical cross section of the auxiliary electrode may be a trapezoidal shape.
  • the vertical cross section means a cross section perpendicular to the wide surface of the first electrode as the horizontal plane.
  • the ratio of the line widths of the upper and lower surfaces of the auxiliary electrode may be 1: 1.3 to 1: 2, or 1.3: 1 to 3: 1.
  • the "lower surface” may mean one surface of the auxiliary electrode that is closest to the first or second electrode to which the incident light reaches, and the “upper surface” may mean one surface of the auxiliary electrode opposite to the “lower surface” of the auxiliary electrode. It may mean. Alternatively, the “lower surface” may mean one surface of the auxiliary electrode positioned closest to the first electrode.
  • the auxiliary electrode may be a metal electrode.
  • the auxiliary electrode may generally use all metals. Specifically, it may include aluminum, copper, and / or silver having good conductivity.
  • the auxiliary electrode may use a molybdenum / aluminum / molybdenum layer when aluminum is used for adhesion to the transparent electrode and stability in a photo process. More specifically, the auxiliary electrode may include silver.
  • the auxiliary electrode may be provided in a mesh structure.
  • the mesh structure may be a mesh structure, and the mesh may have a polygonal shape including a triangle, a quadrangle, and a honeycomb.
  • the auxiliary electrode may be formed of two or more layers.
  • each layer of the auxiliary electrode may have an area of a surface close to the first or second electrode to which incident light reaches is smaller than an area of the surface opposite thereto.
  • the two or more auxiliary electrodes may have an area of a surface closest to the first or second electrode to which incident light reaches is smaller than an area of a surface farthest away from the second or second electrode.
  • FIGS. 2 and 3 illustrate the shape of the auxiliary electrode in the organic solar cell according to the exemplary embodiment of the present specification.
  • FIG. 2 illustrates the auxiliary electrode 301 provided on the first electrode 201 provided on the substrate 101.
  • FIG. 2 illustrates an auxiliary electrode composed of two layers when light is incident on the first electrode ITO. That is, when the auxiliary electrode is formed as shown in Figure 2, the amount of light can be incident through the first electrode increases, and the incident light is reflected, it is possible to reabsorb the light.
  • FIG. 3 illustrates the auxiliary electrode 301 provided on the first electrode 201 provided on the substrate 101.
  • FIG. 3 may increase the incident amount of light when entering the first electrode ITO, and may reabsorb due to reflection of the incident light.
  • FIG. 3 even when light is incident on the second electrode, similarly, a large amount of light may be reflected and reabsorbed.
  • the vertical cross section of each layer of the auxiliary electrode may be independently square, rectangular or trapezoidal.
  • each layer of the auxiliary electrode may be composed of different materials.
  • the auxiliary electrode in contact with the first electrode may be formed of copper, and the auxiliary electrode stacked thereon may be formed of silver.
  • the first or second electrode reaching the incident light may be a transparent electrode.
  • the first electrode may be a transparent electrode.
  • both the first and second electrodes may be transparent electrodes.
  • transparent may mean that transmittance of visible light is 30% or more. Specifically, “transparent” in this specification may mean that transmittance of visible light is 50% or more.
  • the first electrode may be a transparent electrode
  • the second electrode may be a metal electrode
  • the second electrode may be a metal electrode of 1 nm or more and 20 nm or less, and may be a transparent metal electrode.
  • the organic solar cell may further include a substrate, and the first electrode may be provided on the substrate.
  • the substrate according to the present disclosure may be a glass substrate or a transparent plastic substrate having excellent transparency, surface smoothness, ease of handling, and waterproofness, or a substrate having a light extraction layer formed therein, but is not limited thereto.
  • the substrate used is not limited.
  • the transparent electrode may be a transparent and excellent conductive material, but is not limited thereto.
  • Metals such as vanadium, chromium, copper, zinc and gold or alloys thereof;
  • Metal oxides such as zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO); ZnO: Al or SNO 2 : combination of a metal and an oxide such as Sb;
  • Conductive polymers such as poly (3-methylthiophene), poly [3,4- (ethylene-1,2-dioxy) thiophene] (PEDOT), polypyrrole and polyaniline, and the like, but are not limited thereto.
  • the transparent electrode may be a metal oxide / metal / metal oxide such as MOO 3 / Ag / MoO 3 , graphene, carbon nanotubes, metal nanoparticles and metal wires, metal meshes, and the like. It may comprise two or more complexes of.
  • the transparent electrode may be a transparent conductive oxide layer.
  • the transparent conductive oxide layer is in addition to glass and quartz plate, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthelate (PEN), polyperopylene (PP), polyimide (PI), polycarbornate (PC), polystyrene (PS), polyoxyethlene (POM) Doped with a conductive material on a flexible and transparent substrate such as a plastic, including an AS resin (acrylonitrile styrene copolymer), ABS resin (acrylonitrile butadiene styrene copolymer), triacetyl cellulose (TAC), and polyarylate (PAR).
  • AS resin acrylonitrile styrene copolymer
  • ABS resin acrylonitrile butadiene styrene copolymer
  • TAC triacetyl cellulose
  • PAR polyarylate
  • the transparent conductive oxide layer is indium tin oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (FTO), aluminum doped zinc oxide (AZO), indium zinc oxide (IZO), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3, antimony tin oxide (ATO), and the like, and more specifically, ITO.
  • the method of forming the transparent electrode is not particularly limited, but is applied to one surface of the substrate or coated in a film form using, for example, sputtering, E-beam, thermal evaporation, spin coating, screen printing, ink jet printing, doctor blade or gravure printing. It can be formed by.
  • the transparent electrode When the transparent electrode is formed on the substrate, it may be subjected to cleaning, water removal, and hydrophilic modification.
  • the patterned ITO substrate is sequentially cleaned with a detergent, acetone, isopropyl alcohol (IPA), and then dried in a heating plate for 1 to 30 minutes at 100 to 150 ° C., preferably at 120 ° C. for 10 minutes to remove moisture.
  • IPA isopropyl alcohol
  • the surface of the substrate is modified to be hydrophilic.
  • the bonding surface potential can be maintained at a level suitable for the surface potential of the photoactive layer.
  • it is easy to form the polymer thin film on the transparent electrode during modification the quality of the thin film may be improved.
  • Pretreatment techniques for the transparent electrode include a) surface oxidation using parallel plate discharge, b) oxidation of the surface through ozone generated using UV ultraviolet light in a vacuum state, and c) oxygen generated by plasma. And oxidation using radicals.
  • One of the above methods can be selected depending on the state of the transparent electrode or the substrate. However, whichever method is used, it is desirable to prevent oxygen escape from the surface of the transparent electrode or the substrate and to minimize the residual of moisture and organic matter. At this time, the substantial effect of the pretreatment can be maximized.
  • a method of oxidizing a surface through ozone generated using UV may be used.
  • the patterned ITO substrate is baked on a hot plate and dried well, then put into a chamber, and a UV lamp is activated to cause oxygen gas to react with UV light.
  • the patterned ITO substrate can be cleaned.
  • the surface modification method of the patterned ITO substrate in this specification does not need to be specifically limited, Any method may be used as long as it is a method of oxidizing a substrate.
  • the metal electrode may be a metal having a small work function, but is not limited thereto.
  • metals such as magnesium, calcium, sodium, potassium, titanium, indium, yttrium, lithium, gadolinium, aluminum, silver, tin and lead or alloys thereof; LiF / Al, LiO 2 / Al, LiF / Fe, Al: Li, Al: BaF 2 , Al: BaF 2 It may be a material of a multi-layer structure such as, but is not limited thereto.
  • the metal electrode may include silver (Ag), aluminum (Al), platinum (Pt), platinum (Pt), tungsten (W), copper (Cu), and molybdenum ( Mo), gold (Au), nickel (Ni) and palladium (Pd) may include one or two or more selected from the group consisting of. More specifically, the metal electrode may be silver (Ag).
  • the substrate may include one or more selected from the group consisting of glass, a polymer material, and a metal.
  • the substrate may be a transparent substrate.
  • the transparent substrate may be soda ash glass or transparent plastic, but is not limited thereto.
  • the substrate may be a flexible substrate.
  • the substrate may be a flexible substrate including a polymer material.
  • the substrate may be a plastic substrate.
  • the polymer material is polyimide (PI), polycarbonate (PC), polyethersulfone (PES), polyetheretherketone (PEEK), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene Terephthalate (PET), polyvinyl chloride (PVC), polyethylene (PE), ethylene copolymer, polypropylene (PP), propylene copolymer, poly (4-methyl-1-pentene) (TPX), polyarylate ( PAR), polyacetal (POM), polyphenylene oxide (PPO), polysulfone (PSF), polyphenylene sulfide (PPS), polyvinylidene chloride (PVDC), polyvinyl acetate (PVAC), polyvinyl alcohol ( PVAL), polyvinyl acetal, polystyrene (PS), AS resin, ABS resin, polymethyl methacrylate (PMMA), fluorine resin, phenol resin (PF), melamine resin (MF), urea resin (UF
  • the first electrode may be an anode, and the second electrode may be a cathode.
  • the first electrode may be a cathode, and the second electrode may be an anode.
  • the organic solar cell may have an inverted structure.
  • the inverted structure means that the first electrode provided on the substrate is a cathode.
  • the organic solar cell may have a normal structure.
  • the normal structure means that the first electrode provided on the substrate is an anode.
  • the organic solar cell may further include a buffer layer of a second electrode provided between the photoactive layer and the second electrode.
  • the buffer layer of the second electrode may be positioned between the metal electrode and the photoactive layer, and the buffer layer controls the interfacial energy between the metal electrode and the photoactive layer to facilitate smooth charge flow. Can be induced.
  • the buffer layer of the second electrode may include a conductive polymer and / or a metal oxide.
  • the conductive polymer may be a conjugated polymer material, a dielectric polymer, graphene carbon nanotubes and a composite thereof.
  • the conjugated polymer material is PEN (poly [(9,9-bis (30- (N, N-dimethylamino) propyl) -2,7-fluorene) -alt-2,7- (9,9-dioctylfluorene )]) And FPQ-Br (poly [9,9'-bis [6 ''-(N, N, N-trimethylammonium) hexyl] fluorene-co-alt-phenylene] dibromide).
  • the dielectric polymer may be polyethylenimine (PEI), polyethylenimine ethoxylated (PEIE), or the like.
  • the conductive polymer may include one or two or more selected from the group consisting of phthalocyanine derivatives, naphthalocyanine derivatives, aromatic amine compounds, polyethylenedioxythiophene (PEDOT: PSS) and polyaniline.
  • the metal oxide included in the buffer layer of the second electrode may include V 2 O 5 , and / or MoO 3 .
  • the photoactive layer may have a bilayer structure including an n-type organic compound layer and a p-type organic compound layer.
  • the photoactive layer may be a bulk heterojunction structure including an electron donor material and an electron acceptor material.
  • the photoactive layer having the two-layer thin film structure may be formed of two layers, a p-type semiconductor thin film and an n-type semiconductor thin film, as a p-n junction type photoactive unit.
  • the photoactive layer of the bulk heterogeneous structure may be blended with an n-type semiconductor and a p-type semiconductor as a photoactive unit.
  • the photoactive layer of the present specification forms an exciton in which a p-type semiconductor is paired with electrons and holes by photo excitation, and the exciton is separated into electrons and holes at the p-n junction.
  • the separated electrons and holes move to the n-type semiconductor thin film and the p-type semiconductor thin film, respectively, and they are collected by the first electrode and the second electrode, respectively, so that they can be used as electrical energy from the outside.
  • the photoactive layer includes an electron donor material and an electron acceptor material as a photoactive material.
  • the photoactive material may mean the electron donor material and the electron acceptor material.
  • the photoactive layer forms excitons in which the electron donor material pairs electrons and holes by photoexcitation, and the excitons are separated into electrons and holes at the interface of the electron donor / electron acceptor.
  • the separated electrons and holes move to the electron donor material and the electron acceptor material, respectively, and are collected by the first electrode and the second electrode, respectively, so that they can be used as electrical energy from the outside.
  • the mass ratio of the electron donor material and the electron acceptor material may be 1:10 to 10: 1.
  • the mass ratio of the electron acceptor material and the electron donor material of the present specification may be 1: 0.5 to 1: 5.
  • an electron donor material and an electron accepting material may form a bulk heterojunction (BHJ).
  • the photoactive layer of the present specification may be annealed at 30 to 300 ° C. for 1 second to 24 hours to maximize properties after the electron donating material and the electron accepting material are mixed.
  • the photoactive layer may include at least one electron donor material and at least one electron acceptor material.
  • the photoactive layer may include at least two kinds of electron donor materials and at least one kind of electron acceptor material.
  • the photoactive layer may include at least one electron donor material and at least two electron acceptor materials.
  • the electron donor material includes at least one electron donor; Or a polymer of at least one kind of electron acceptor and at least one kind of electron donor.
  • the electron donor may include at least one kind of electron donor.
  • the electron donor material may include a polymer of at least one kind of electron acceptor and at least one kind of electron donor.
  • the electron donor material includes at least one monomer having the following structure, including a poly (phenylene vinylene) (PPV) -based polymer or a poly (3-hexylthiophene) (P3HT) -based polymer. It may be a copolymer.
  • PPV poly (phenylene vinylene)
  • P3HT poly (3-hexylthiophene)
  • n is an integer from 1 to 1,000
  • Rm is hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group; A substituted or unsubstituted cycloalkyl group; Substituted or unsubstituted alkoxy group; Substituted or unsubstituted alkenyl group; Substituted or unsubstituted aromatic or aliphatic heterocyclic group containing one or more of N, O, S atoms, or substituted or unsubstituted aryl group.
  • the electron donor materials are preferably materials having a small band gap so as to absorb the entire visible ray of sunlight, and a polymer compound is general, but is not limited thereto.
  • the electron donor material and the electron acceptor material are mixed in a ratio (w / w) of 1:10 to 10: 1. After the electron donor material and the electron acceptor material are mixed, they may be annealed at 30 to 300 ° C. for 1 second to 24 hours in order to maximize properties.
  • the thickness of the photoactive layer may be 10 nm to 1,000 nm.
  • the organic material layer may include a light emitting layer and a hole injection layer; Hole transport layer; Hole blocking layer; A charge generating layer; Electron blocking layer; Electron transport layer; And an electron injection layer may further include one or two or more selected from the group consisting of electron injection layers.
  • the charge generating layer is a layer in which holes and electrons are generated when a voltage is applied.
  • the hole transport layer and / or electron transport layer material plays a role of efficiently transferring electrons and holes separated in the photoactive layer to the electrode, and the material is not particularly limited.
  • the hole transport layer material may be PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly (styrenesulfonic acid)), molybdenum oxide (MoO x ); Vanadium oxide (V 2 O 5 ); Nickel oxide (NiO); Tungsten oxide (WO x ), and the like, but is not limited thereto.
  • PSS Poly (3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly (styrenesulfonic acid)
  • MoO x molybdenum oxide
  • V 2 O 5 Vanadium oxide
  • NiO Nickel oxide
  • WO x Tungsten oxide
  • the electron transport layer material may be electron-extracting metal oxides, specifically, a metal complex of 8-hydroxyquinoline; Complexes including Alq 3 ; Metal complexes including Liq; LiF; Ca; Titanium oxide (TiO x ); Zinc oxide (ZnO); And cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), and the like, but is not limited thereto.
  • metal oxides specifically, a metal complex of 8-hydroxyquinoline; Complexes including Alq 3 ; Metal complexes including Liq; LiF; Ca; Titanium oxide (TiO x ); Zinc oxide (ZnO); And cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), and the like, but is not limited thereto.
  • the photoactive layer may be formed by dissolving a photoactive material, such as an electron donor and / or an electron acceptor, in an organic solvent and then spin coating, dip coating, screen printing, spray coating, doctor blade, brush painting, or the like. It is not limited to the method.
  • a photoactive material such as an electron donor and / or an electron acceptor
  • One embodiment of the present specification provides a method of manufacturing the organic solar cell. Specifically, preparing a substrate; Forming a first electrode on the substrate; Forming an auxiliary electrode on the first electrode; Forming at least one organic material layer including a photoactive layer on the auxiliary electrode; And forming a second electrode on the organic material layer, wherein the areas of the upper and lower surfaces of the auxiliary electrode are different from each other.
  • the forming of the auxiliary electrode may use an etching method using a transfer method or an etching solution.
  • the etching method may include forming a metal layer on the first electrode, forming an etch protective layer on the metal layer, and then etching the metal layer with an etchant.
  • the metal layer may be two or more metal layers, and the two or more metal layers may have different etching rates with respect to the etchant.
  • FIG. 6 illustrates a cross section of a step of forming an auxiliary electrode made of two or more metal layers, according to one embodiment of the present specification. 6 illustrates forming a first metal layer 701 and a second metal layer 702 on the first electrode 201, and (a) forming an etch protection layer 801 on the second metal layer 702. , (b) after etching using the etchant, and (c) shows the process of peeling off the etching protective layer 801.
  • the method of manufacturing an organic solar cell may include preparing a substrate, forming an anode on the substrate, and forming a hole transport layer on the anode, on the hole transport layer.
  • the method may include forming a photoactive layer, forming an electron transport layer on the photoactive layer, and forming a cathode on the electron transport layer.
  • the method of manufacturing an organic solar cell may include preparing a substrate, forming a cathode on the substrate, forming an electron transport layer on the cathode, and the electron transport layer. Forming a photoactive layer on the photoactive layer, forming a hole transport layer on the photoactive layer, and forming an anode on the hole transport layer.
  • the organic solar cell of the present specification can be produced, for example, by sequentially laminating an anode, a photoactive layer and a cathode on a substrate.
  • the organic solar cell according to the present invention uses a metal vapor deposition (PVD) method, such as sputtering or e-beam evaporation, to form a metal or conductive metal oxide or an alloy thereof on a substrate.
  • PVD metal vapor deposition
  • It can be prepared by depositing an anode to form an organic layer on the organic material layer by vacuum deposition or solution coating, and then depositing a material that can be used as a cathode thereon.
  • the organic layer of each layer is a solvent process (e.g., roll to roll, spin coating, dip coating, casting, roll court, flow) rather than a deposition method using various monomolecular or polymer materials. It can be prepared by a method such as coating, doctor blading, screen printing, inkjet printing, gravure printing, offset printing, spray coating or thermal transfer.
  • solvent process e.g., roll to roll, spin coating, dip coating, casting, roll court, flow
  • It can be prepared by a method such as coating, doctor blading, screen printing, inkjet printing, gravure printing, offset printing, spray coating or thermal transfer.
  • the organic material layer of each layer, vacuum deposition, sputtering, plasma, ion plating can be produced by a method such as dry film forming method.
  • an anode deposition step, a photoactive layer stacking step, a photoactive layer alignment step, a photoactive layer heat treatment step may include a cathode deposition step.
  • the photoactive layer stacking step may be disposed in a complex thin film structure, that is, bulk hetero junction, in which a solution containing an electron donor material and an electron acceptor material is sprayed and deposited on an upper side of the anode.
  • the electron acceptor material may be a mixed solution of a composite polymer material dissolved in an organic solvent.
  • a hexagonal mesh pattern was formed. After etching for 9 seconds at 45 °C using a phosphoric acid / nitric acid / acetic acid-based etching solution, the shape was observed by an optical microscope and the cross section was observed by a scanning electron microscope (SEM). Thereafter, the novolak photoresist was removed using an organic amine-based stripper to prepare a transparent electrode having an ITO / reverse taper metal auxiliary electrode.
  • PR novolak-based positive photoresist
  • FIG. 7 is an optical photomicrograph immediately after PR patterning by the method of Preparation Example 1
  • Figure 8 is a SEM cross-sectional photo immediately after PR patterning and Cu / Al etching by the method of Preparation Example 1.
  • ITO since ITO remains unetched and Cu has a faster etching rate than Al in the same etchant, Al is located under the PR while maintaining a line width of about 7 ⁇ m, whereas Cu has a fast etching rate. Further etching below Al reveals a very narrow line width.
  • the PEDOT: PSS solution was coated on a transparent electrode having a metal auxiliary electrode having a line width ratio of 1: 2 between the lower surface and the upper surface manufactured by the same method as Preparation Example 1, and then heat-treated at 140 ° C. for 15 minutes.
  • the P3HT: PCBM solution mixed at a ratio of 1: 0.7 on the PEDOT: PSS to form a photoactive layer of about 220 nm
  • an Al electrode was deposited on the photoactive layer at 1 ⁇ 10 ⁇ 7 torr and then heated at 150 ° C. 10 minutes after the heat treatment to produce an organic solar cell.
  • An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, without forming an auxiliary electrode.
  • An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a metal electrode having a 1: 1 ratio of the line width of the lower surface and the upper surface of the auxiliary electrode was provided.
  • V oc denotes an open voltage
  • J sc denotes a short circuit current
  • FF denotes a fill factor
  • PCE denotes an energy conversion efficiency.
  • the open-circuit and short-circuit currents are the X- and Y-axis intercepts in the four quadrants of the voltage-current density curve, respectively. The higher these two values, the higher the efficiency of the solar cell.
  • the fill factor is the area of the rectangle drawn inside the curve divided by the product of the short circuit current and the open voltage. By dividing these three values by the intensity of the emitted light, the energy conversion efficiency can be obtained, and higher values are preferable.
  • the organic solar cell according to the exemplary embodiment of the present specification implements better performance than when the auxiliary electrode is absent or the upper and lower line widths of the auxiliary electrode are the same.
  • An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, and as the area of the photoactive layer was widened, the decrease in resistance and increase in light absorption due to the auxiliary electrode having a line width ratio of 1: 2 between the lower surface and the upper surface of the auxiliary electrode were observed. It was.
  • An organic solar cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1, and as the area of the photoactive layer was increased, the resistance decrease and the light absorption increase of the device without the auxiliary electrode were observed.
  • the organic solar cell was manufactured in the same manner as in Comparative Example 2, while the area of the photoactive layer was increased, and the resistance and the light absorption increased due to the auxiliary electrode due to the auxiliary electrode having a 1: 1 ratio of the line width of the lower surface and the upper surface of the auxiliary electrode. The properties were observed.

Abstract

본 발명은 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층; 및 상기 제1 전극 상에 접하여 구비된 보조 전극을 포함하고, 상기 보조 전극은 입사광이 도달하는 제1 또는 제2 전극에 가까운 면의 면적이 이에 대향하는 면의 면적보다 작은 것인 유기태양전지를 제공한다.

Description

유기태양전지 및 이의 제조방법
본 명세서는 2013년 6월 14일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2013-0068553 호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 유기태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
급등하는 에너지 소비량과 에너지원의 한정적인 매장량으로 인하여, 연료비의 급등과 에너지원의 고갈의 문제는 더 이상 방관할 수 없는 상태에 이르렀다. 또한 이와 더불어서 이산화탄소 배출에 대한 각국의 규제가 더욱 강화되고 있다. 이러한 문제점들에 대한 대책으로서 청정하고 자원고갈의 문제가 없는 태양력, 풍력, 수력 등의 재생 가능하고 무한에 가까운 자연에너지에 대한 연구가 더욱 활발히 이루어지고 있다. 특히 장소, 위치 등에 크게 제약이 없는 태양력을 이용하기 위한 연구가 크게 각광을 받고 있다.
태양력을 에너지원으로서 이용하는 방법 중, 현재 가장 활발한 연구가 이루어지고 있는 것은 태양전지이다. 태양전지는 광전효과(photovoltaic effect)를 이용하여 태양광을 전기로 변환시키는 반도체 소자로, 실리콘 또는 화합물 반도체 등의 무기 반도체 재료를 이용한 태양전지는 이미 시판되어 사용되고 있다. 또한 최근에는 고분자 수지 등의 유기물을 이용한 유기태양전지도 연구되고 있다.
유기태양전지의 광변환효율은 입사된 광을 전기에너지로 변환하는 것으로, 입사된 광이 광활성층 내의 유기 물질을 여기시켜 전자와 정공이 불안정하게 결합된 형태인 엑시톤(exciton)을 형성하고, 이 전자와 정공이 각각 도너(donor)층과 억셉트(accept)층을 통과하여 전극까지 이동하여 전기에너지로 전환되는 효율을 말한다.
유기태양전지용 재료로서는 크게 도너인 p-형 유기반도체 재료와 억셉터인 n-형 유기반도체 재료로 구분될 수 있다. p-형 유기반도체 재료는 빛이 흡수되어 생성된 엑시톤(exciton)이 형성되면 n-형 유기 반도체 재료와의 접합부(junction)에서 정공(hole)과 전자(electron)으로 분리되어 전자를 잘 제공할 수 있는 도너이다. n-형 유기반도체 재료는 억셉터로 환원되어 전자를 잘 받아들일 수 있는 재료를 말한다. 다양한 도너 및 억셉터 재료들이 보고되고 있으나, P3HT/PCBM 또는 PCPDTBT/PCBM 등을 제외하고는 3 % 이상의 효율을 기대하기 어려운 실정이다.
유기 태양전지가 무기 태양전지에 비해 낮은 효율을 갖는 이유 중의 하나는 무기 태양전지에 비해 매우 낮은 전하 이동도를 가지고 있기 때문이다. 예를 들어 광흡수를 증가시키기 위해 광활성층의 두께를 두껍게 하는 경우 전하 이동도의 저하 및 전기장의 감소로 인해 전하의 재결합이 증가해 효율을 개선하는데 한계가 있으며, 모듈 구현을 위해 대면적의 셀을 제작할 경우 투명 전극의 저항 증가로 인한 효율의 효율 하락(Cell to module loss)이 크게 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 옵티칼 스페이서(optical spacer), 금속 나노 입자등을 사용하거나 전극 저항을 최소화 할 수 있는 새로운 모듈 구조 등이 제안된 바 있다.
[선행기술문헌]
Adv. Mater. 2006, 18, 572-576
Appl. Phys. Lett. 93, 073307 (2008)
Solar Energy Materials & Solar Cells 101 (2012) 289-294
본 명세서는 광변환 효율을 높일 수 있는 유기태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 명세서는 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층; 및 상기 제1 전극 상에 접하여 구비된 보조 전극을 포함하고,
상기 보조 전극은 입사광이 도달하는 제1 또는 제2 전극에 가까운 면의 면적이 이에 대향하는 면의 면적보다 작은 것인 유기태양전지를 제공한다.
또한, 본 명세서는 상기 유기태양전지의 제조방법을 제공한다. 구체적으로, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 보조 전극을 형성하는 단계; 상기 보조 전극 상에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및 상기 유기물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 보조 전극의 상면 및 하면의 면적이 서로 상이한 것인 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 유기태양전지는 광활성층에 도달하는 빛의 양을 많게 하여 높은 광흡수 효율을 갖는다.
또한, 본 명세서의 유기태양전지는 빛의 재흡수를 가능하게 하여, 높은 광흡수 효율을 갖는다.
또한, 본 명세서의 유기태양전지는 전극의 저항을 낮추어 대면적 소자 제작 시 높은 충전율의 구현이 가능하다.
도 1 내지 도 3은 본 명세서의 일 구현예에 따른 유기태양전지에서, 보조 전극의 형태를 예시한 것이다.
도 4 및 도 5는 본 명세서의 일 구현예에 따른 유기태양전지의 일 예를 도시한 것이다.
도 6은 본 명세서의 일 구현예에 따른 유기태양전지의 제조방법을 도시한 것이다.
도 7은 제조예 1의 방법으로 PR 패터닝을 한 직후의 광학 현미경 사진이다.
도 8는 제조예 1의 방법으로 PR 패터닝과 Cu/Al 식각을 한 직후의 SEM 단면 사진이다.
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.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서의 일 구현예는 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층; 및 상기 제1 전극 상에 접하여 구비된 보조 전극을 포함하고,
상기 보조 전극은 입사광이 도달하는 제1 또는 제2 전극에 가까운 면의 면적이 이에 대향하는 면의 면적보다 작은 것인 유기태양전지를 제공한다.
본 발명자들은 높은 투명 전극의 저항값을 해결하고자 보조 전극을 도입하고, 보조 전극의 형상을 조절하여 광흡수 효율을 증대시킬 수 있는 유기태양전지를 개발하였다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 유기태양전지의 제1 전극은 광흡수를 위한 투명 전극일 수 있다. 다만, 상기 투명 전극은 투과도는 높은 반면, 전기 전도도가 낮은 문제가 있다. 그러므로, 본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 투명 전극의 낮은 전기 전도도를 보상하기 위하여 투명 전극 상에 전도성이 높은 보조 전극을 사용할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 보조 전극은 높은 전기 전도도를 위하여 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 이로 인하여 빛의 투과도가 저해되는 문제를 감소시키기 위하여 입사광이 도달하는 전극에 가까운 면의 면적이 이에 대향하는 면의 면적보다 작게 형성할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 유기태양전지는 상기 제1 전극으로 입사광이 도달하고, 상기 보조 전극은 상기 제1 전극에 접하는 면의 면적이 대향하는 면의 면적보다 작은 것일 수 있다. 이 경우, 상기 제1 전극은 투명 전극이고, 상기 투명 전극으로 빛이 입사하는 경우를 의미할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 구현예에 따른 유기태양전지에서, 보조 전극의 형태를 예시한 것이다. 구체적으로, 도 1은 기판(101) 상에 구비된 제1 전극(201) 상에 구비된 보조 전극(301)을 나타낸 것이다. 도 1은 ITO로 이루어진 제1 전극 상에 보조 전극이 형성되고, 빛이 투과하는 경우의 단면을 도시한 것이다. 도 1에서 화살표는 입사하는 빛을 의미하는 것이다. 나아가, 도 1에서 빛이 입사하는 보조전극의 면적이 작으므로 더 많은 빛이 제1 전극을 통과할 수 있음을 알 수 있고, 입사된 빛이 보조 전극의 측면에 반사되어 광활성층에 재흡수될 수 있는 것을 알 수 있다. 도 1은 빛이 제1 전극에 수직방향으로 입사하는 경우의 효과만을 예시한 것이지만, 빛이 수직이 아닌 입사 방향으로 입사하는 경우도 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성층에 흡수되지 못하고 제 2 전극으로부터 반사되어 나오는 빛이 보조 전극에 의해 재반사되어 광활성층에 흡수될 수 있다.
도 4는 본 명세서의 일 구현예에 따른 유기 태양전지의 일 예를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 4는 기판(101) 상에 제1 전극(201), 보조 전극(301), 정공수송층(401), 광활성층(501), 제2 전극(501)이 순차적으로 구비된 유기태양전지를 도시한 것이다. 도 4는 빛이 제1 전극으로 입사하는 경우의 보조 전극의 단면의 형태를 도시한 것이다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 유기태양전지는 상기 제2 전극으로 입사광이 도달하고, 상기 보조 전극은 상기 제1 전극에 접하는 면의 면적이 대향하는 면의 면적보다 큰 것일 수 있다. 이는 상기 제2 전극이 투명 전극인 역방향 구조의 유기태양전지일 수 있다. 즉, 상기 유기태양전지의 제2 전극으로 빛이 입사하는 경우, 상기 보조 전극은 제1 전극과 접하는 면의 면적이 이에 대향하는 면의 면적보다 넓을 수 있다. 이 경우, 제2 전극을 투과하여 광활성층에서 흡수되지 못한 여분의 빛이 상기 보조 전극에 반사되어 재흡수될 수 있다. 구체적으로, 상기 보조 전극으로 인하여 제1 전극으로 빠져나가는 빛의 양을 줄이고, 빛을 재흡수하여 광흡수 효율을 높일 수 있다.
도 5는 본 명세서의 일 구현예에 따른 유기 태양전지의 일 예를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 5는 기판(101) 상에 제1 전극(201), 보조 전극(301), 정공수송층(401), 광활성층(501), 제2 전극(501)이 순차적으로 구비된 유기태양전지를 도시한 것이다. 도 5는 빛이 제2 전극으로 입사하는 경우의 보조 전극의 단면의 형태를 도시한 것이다. 즉, 도 5는 제2 전극 및 광활성층을 통과한 여분의 빛이 제1 전극을 통하여 빠져나가는 면적에 비하여 보조 전극에 의해 빛이 반사되는 면적이 넓으므로, 보조 전극에 의하여 반사된 여분의 빛이 광활성층으로 재흡수 될 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 유기태양전지는 직사광이 제2 전극으로 빛이 입사하고, 광활성층에 흡수되지 못한 여분의 빛이 제1 전극 상에 구비된 보조 전극에 반사되어 광활성층으로 재흡수될 수 있다. 이 경우, 빛의 효율성이 떨어지는 반사광을 보조적으로 흡수할 수 있으므로, 유기태양전지의 효율이 보다 상승할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 보조 전극의 수직 단면은 사다리꼴 형상인 것일 수 있다. 상기 수직 단면이라 함은 제1 전극의 넓은 면을 수평면으로 하여, 이에 수직인 단면을 의미하는 것이다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 보조 전극은 상면과 하면의 선폭의 비가 1:1.3 내지 1:2, 또는 1.3:1 내지 3:1인 것일 수 있다.
상기 "하면"은 입사광이 도달하는 제1 또는 제2 전극에 가장 가까운 상기 보조 전극의 일 면을 의미할 수 있고, 상기 "상면"은 상기 보조 전극의 "하면"에 대향하는 보조전극의 일 면을 의미할 수 있다. 또는, 상기 "하면"은 상기 제1 전극에 가장 가까이 위치하는 상기 보조전극의 일 면을 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 보조 전극은 금속 전극일 수 있다. 구체적으로, 상기 보조 전극은 일반적으로 모든 금속을 사용할 수 있다. 구체적으로 전도도가 좋은 알루미늄, 구리 및/또는 은을 포함할 수 있다. 상기 보조 전극은 투명 전극과의 부착력 및 포토공정에서 안정성을 위하여 알루미늄을 사용할 경우, 몰리브데늄/알루미늄/몰리브데늄 층을 사용할 수도 있다. 보다 구체적으로, 상기 보조 전극은 은을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 보조 전극은 메쉬 구조로 구비된 것일 수 있다. 상기 메쉬 구조는 그물망 구조일 수 있으며, 상기 메쉬의 형태는 삼각형, 사각형, 벌집형태를 비롯한 다각형의 모양일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 보조 전극은 2층 이상으로 이루어진 것일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 보조 전극의 각 층은 입사광이 도달하는 제1 또는 제2 전극에 가까운 면의 면적이 이에 대향하는 면의 면적보다 작은 것일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 2층 이상의 보조 전극은 입사광이 도달하는 제1 또는 제2 전극에 가장 가까운 면의 면적이 이에 대향하는 가장 멀리 떨어진 면의 면적보다 작은 것일 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 명세서의 일 구현예에 따른 유기태양전지에서, 보조 전극의 형태를 예시한 것이다.
구체적으로, 도 2는 기판(101) 상에 구비된 제1 전극(201) 상에 구비된 보조 전극(301)을 나타낸 것이다. 도 2는 제1 전극인 ITO로 빛이 입사하는 경우, 2층으로 이루어진 보조 전극을 도시한 것이다. 즉, 도 2와 같이 보조 전극이 형성되는 경우, 빛이 제1 전극을 통하여 입사할 수 있는 양이 많아지며, 입사된 빛이 반사됨으로써 빛의 재흡수가 가능하다.
구체적으로, 도 3은 기판(101) 상에 구비된 제1 전극(201) 상에 구비된 보조 전극(301)을 나타낸 것이다. 도 3은 제1 전극인 ITO로 들어오는 경우, 빛의 입사량을 늘릴 수 있으며, 입사한 빛의 반사로 인한 재흡수가 가능하다. 나아가, 도 3과 같은 경우, 빛이 제2 전극으로 입사하는 경우에도 마찬가지로 많은 양의 빛을 반사시켜 재흡수할 수 있는 이점이 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 보조 전극의 각 층의 수직 단면은 각각 독립적으로, 정사각형, 직사각형 또는 사다리꼴인 것일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 보조 전극의 각 층은 서로 다른 물질로 구성된 것일 수 있다. 구체적으로, 제1 전극에 접하는 보조 전극은 구리로 형성되고, 그 위에 적층된 보조 전극은 은으로 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 입사광이 도달하는 제1 또는 제2 전극은 투명 전극일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 전극은 투명 전극일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 및 제2 전극은 모두 투명 전극일 수 있다.
본 명세서에서 "투명"이란 가시광선의 투과도가 30 % 이상인 것을 의미할 수 있다, 구체적으로, 본 명세서에서 "투명"이란 가시광선의 투과도가 50 % 이상인 것을 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 전극은 투명 전극이고, 상기 제2 전극은 금속 전극일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 제2 전극은 1 ㎚ 이상 20 ㎚ 이하의 금속 전극일 수 있으며, 투명 금속 전극일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 유기태양전지는 기판을 더 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 기판 상에 구비될 수 있다.
본 명세서에 따른 상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판 또는 내부에 광추출층이 형성되어 있는 기판이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 유기태양전지에 통상적으로 사용되는 기판이면 제한되지 않는다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 투명 전극은 투명하고 전도성이 우수한 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 바나듐, 크롬, 구리, 아연, 금과 같은 금속 또는 이들의 합금; 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐주석 산화물(ITO), 인듐아연 산화물(IZO)과 같은 금속 산화물; ZnO:Al 또는 SNO2 : Sb와 같은 금속과 산화물의 조합; 폴리(3-메틸티오펜), 폴리[3,4-(에틸렌-1,2-디옥시)티오펜](PEDOT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 투명 전극은 MOO3/Ag/MoO3와 같은 금속산화물/금속/금속산화물, 그라펜, 탄소나노튜브, 금속 나노 입자 및 금속 와이어, 금속 메쉬 및 이들의 2개이상의 복합체를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 투명 전극은 투명 전도성 산화물층일 수 있다. 구체적으로, 상기 투명 전도성 산화물층은 유리 및 석영판 이외에 PET (polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polyperopylene), PI(polyimide), PC(polycarbornate), PS(polystylene), POM(polyoxyethlene), AS 수지 (acrylonitrile styrene copolymer), ABS 수지 (acrylonitrile butadiene styrene copolymer), TAC(Triacetyl cellulose) 및 PAR(polyarylate) 등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 기판 상에 도전성을 갖는 물질이 도핑된 것이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 투명 전도성 산화물층은 ITO(indium tin oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), AZO(aluminium doped zinc oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 ATO(antimony tin oxide) 등이 될 수 있으며, 보다 더 구체적으로 ITO일 수 있다.
상기 투명 전극의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 스퍼터링, E-빔, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 기판의 일면에 도포되거나 필름형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
상기 투명 전극을 기판 상에 형성하는 경우, 이는 세정, 수분제거 및 친수성 개질 과정을 거칠 수 있다.
예컨대, 패터닝된 ITO 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로필 알코올(IPA)로 순차적으로 세정한 다음, 수분 제거를 위해 가열판에서 100~150℃에서 1~30분간, 바람직하게는 120℃에서 10분간 건조하고, 기판이 완전히 세정되면 기판 표면을 친수성으로 개질한다.
상기와 같은 표면 개질을 통해 접합 표면 전위를 광활성층의 표면 전위에 적합한 수준으로 유지할 수 있다. 또한, 개질 시 투명 전극 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상될 수도 있다.
투명 전극의 위한 전 처리 기술로는 a) 평행 평판형 방전을 이용한 표면 산화법, b) 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 및 c) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 산화하는 방법 등이 있다.
투명 전극 또는 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한가지를 선택할 수 있다. 다만, 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 투명 전극 또는 기판 표면의 산소이탈을 방지하고 수분 및 유기물의 잔류를 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 이 때, 전 처리의 실질적인 효과를 극대화할 수 있다.
구체적인 예로서, UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용할 수 있다. 이 때, 초음파 세정 후 패터닝된 ITO 기판을 가열판(hot plate)에서 베이킹(baking)하여 잘 건조시킨 다음, 챔버에 투입하고, UV 램프를 작용시켜 산소 가스가 UV 광과 반응하여 발생하는 오존에 의하여 패터닝된 ITO 기판을 세정할 수 있다.
그러나, 본 명세서에 있어서의 패터닝된 ITO 기판의 표면 개질 방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무방하다.
상기 금속 전극은 일함수가 작은 금속이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 가돌리늄, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속 또는 이들의 합금; LiF/Al, LiO2/Al, LiF/Fe, Al:Li, Al:BaF2, Al:BaF2:Ba와 같은 다층 구조의 물질이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 금(Au), 니켈(Ni) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다. 보다 더 구체적으로, 상기 금속 전극은 은(Ag)일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 유리, 고분자 물질 및 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 투명기판일 수 있다. 구체적으로, 상기 투명기판은 소다회유리 또는 투명 플라스틱이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 플렉서블 기판일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 고분자 물질을 포함하는 플렉서블 기판일 수 있다. 구체적으로, 상기 기판은 플라스틱 재질의 기판일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 물질은 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌(PP), 프로필렌 공중합체, 폴리(4-메틸-1-펜텐)(TPX), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리아세탈(POM), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리설폰(PSF), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리초산비닐(PVAC), 폴리비닐알콜(PVAL), 폴리비닐아세탈, 폴리스티렌(PS), AS수지, ABS수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 불소수지, 페놀수지(PF), 멜라민수지(MF), 우레아수지(UF), 불포화폴리에스테르(UP), 에폭시수지(EP), 디알릴프탈레이트수지(DAP), 폴리우레탄(PUR), 폴리아미드(PA), 실리콘수지(SI) 또는 이들의 혼합물 및 화합물을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2 전극은 캐소드일 수 있다. 또한, 상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 제2 전극은 애노드일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 유기태양전지는 인버티드 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 인버티드 구조는 기판 상에 구비된 제1 전극이 캐소드인 것을 의미한다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 유기태양전지는 노말 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 노말 구조는 기판 상에 구비된 제1 전극이 애노드인 것을 의미한다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 유기태양전지는 상기 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 구비된 제2 전극의 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 제2 전극의 버퍼층은 금속 전극과 광활성층 사이에 위치할 수 있으며, 상기 버퍼층은 금속 전극과 광활성층 사이의 계면에너지를 제어하여 원활한 전하 흐름을 유도할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 제2 전극의 버퍼층은 전도성 고분자 및/또는 금속산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전도성 고분자는 공액 고분자 물질, 유전체 고분자, 그라핀 탄소나노튜브 및 이들의 복합체 등이 가능하다. 구체적으로, 상기 공액 고분자 물질은 PEN(poly[(9,9-bis(30-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)]) 및 FPQ-Br(poly[9,9'-bis[6''-(N,N,N-trimethylammonium)hexyl]fluorene-co-alt-phenylene] dibromide) 등이 될 수 있다. 또한, 상기 유전체 고분자는 PEI(Polyethylenimine) 및 PEIE(polyethylenimine ethoxylated) 등이 될 수 있다. 또한, 상기 전도성 고분자는 프탈로시아닌 유도체, 나프탈로시아닌 유도체, 방향족 아민 화합물, 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT:PSS) 및 폴리아닐린(Polyaniline)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 제2 전극의 버퍼층에 포함되는 상기 금속 산화물은 V2O5, 및/또는 MoO3을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성층은 n형 유기물층 및 p형 유기물층을 포함하는 이층 박막(bilayer) 구조일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하는 벌크헤테로정션 구조일 수 있다.
상기 이층 박막 구조의 광활성층은 p-n 접합형 광활성 단위로서 p형 반도체 박막과 n형 반도체 박막의 두 개층으로 이루어질 수 있다. 또한, 벌크헤테로전션 구조의 광활성층은 광활성 단위로서 n형 반도체와 p형 반도체가 블렌드될 수 있다.
본 명세서의 상기 광활성층은 광 여기에 의하여 p형 반도체가 전자와 정공이 쌍을 이룬 엑시톤(exciton)을 형성하고, 상기 엑시톤이 p-n 접합부에서 전자와 정공으로 분리된다. 분리된 전자와 정공은 n형 반도체 박막 및 p형 반도체 박막으로 각각 이동하고 이들이 각각 제1 전극과 제2 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
본 명세서의 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 광활성 물질로서, 전자주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함한다. 본 명세서에서 광활성 물질은 상기 전자주개 물질 및 상기 전자받개 물질을 의미할 수 있다.
상기 광활성층은 광 여기에 의하여 상기 전자주개 물질이 전자와 정공이 쌍을 이룬 엑시톤(exciton)을 형성하고, 상기 엑시톤이 전자주개/전자받개의 계면에서 전자와 정공으로 분리된다. 분리된 전자와 정공은 전자주개 물질 및 전자받개 물질로 각각 이동하고 이들이 각각 제1 전극과 제2 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비는 1:10 내지 10:1일 수 있다. 구체적으로 본 명세서의 상기 전자받개 물질과 전자주개 물질의 질량비는 1: 0.5 내지 1: 5일 수 있다.
본 명세서의 상기 광활성층은 전자공여 물질 및 전자수용 물질이 BHJ(bulk heterojunction)을 형성할 수 있다. 본 명세서의 상기 광활성층은 상기 전자공여 물질 및 전자수용 물질이 혼합된 후에 특성을 최대화시키기 위하여 30 내지 300 ℃에서 1초 내지 24시간 동안 어닐링할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성층은 적어도 1종의 전자주개 물질 및 적어도 1종의 전자받개 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성층은 적어도 2종의 전자주개 물질 및 적어도 1종의 전자받개 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성층은 적어도 1종의 전자주개 물질 및 적어도 2종의 전자받개 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 전자주개 물질은 적어도 한 종의 전자 공여체; 또는 적어도 한 종의 전자 수용체와 적어도 한 종의 전자 공여체의 중합체를 포함할 수 있다. 상기 전자 공여물질은 적어도 한 종의 전자 공여체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전자주개 물질은 적어도 한 종의 전자 수용체와 적어도 한 종의 전자 공여체의 중합체를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 전자주개 물질은 PPV(poly (phenylene vinylene))계 고분자 또는 P3HT(poly(3-hexylthiophene))계 고분자를 비롯하여 하기와 같은 구조의 단량체를 적어도 1 종 이상 포함하는 공중합체가 될 수 있다.
Figure PCTKR2014005225-appb-I000001
상기 화합물에 있어서,
n은 1 내지 1,000의 정수이고,
Rm은 수소, 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 방향족 또는 지방족의 헤테로 고리기, 또는 치환 또는 비치환된 아릴기이다.
상기 전자주개물질들은 태양광의 가시광선 전 영역을 흡수할 수 있도록 밴드갭이 작은 물질들이 바람직하며, 고분자 화합물이 일반적이나, 이들에만 한정하는 것은 아니다.
상기 전자주개 물질 및 상기 전자 받개 물질은 1:10 내지 10:1의 비율(w/w)로 혼합된다. 상기 전자주개 물질 및 전자 받개 물질이 혼합된 후에 특성을 최대화 시키기 위해서 30 내지 300 ℃에서 1초 내지 24시간 어닐링할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성층의 두께는 10 nm 내지 1,000 nm 일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 유기물층은 발광층과 정공 주입층; 정공 수송층; 정공 차단층; 전하 발생층; 전자 차단층; 전자 수송층; 및 전자 주입층으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 전하 발생층(Charge Generating layer)은 전압을 걸면 정공과 전자가 발생하는 층을 말한다.
상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 광활성층에서 분리된 전자와 정공을 전극으로 효율적으로 전달시키는 역할을 담당하며, 물질을 특별히 제한하지는 않는다.
상기 정공수송층 물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenediocythiophene) doped with poly(styrenesulfonic acid)), 몰리브데늄 산화물(MoOx); 바나듐 산화물(V2O5); 니켈 산화물(NiO); 및 텅스텐 산화물(WOx) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전자수송층 물질은 전자추출금속 산화물(electron-extracting metal oxides)이 될 수 있으며, 구체적으로 8-히드록시퀴놀린의 금속착물; Alq3를 포함한 착물; Liq를 포함한 금속착물; LiF; Ca; 티타늄 산화물(TiOx); 아연 산화물(ZnO); 및 세슘 카보네이트(Cs2CO3) 등이 될 수 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
광활성층은 전자공여체 및/또는 전자수용체와 같은 광활성 물질을 유기용매에 용해시킨 후 용액을 스핀 코팅, 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 브러쉬 페인팅 등의 방법으로 형성할 수 있으나, 이들 방법에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 구현예는 상기 유기태양전지의 제조방법을 제공한다. 구체적으로, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 보조 전극을 형성하는 단계; 상기 보조 전극 상에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및 상기 유기물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 보조 전극의 상면 및 하면의 면적이 서로 상이한 것인 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 보조 전극을 형성하는 단계는 전사법 또는 식각액을 이용한 식각법을 이용할 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 식각법은 상기 제1 전극상에 금속층을 형성하고, 상기 금속층 상에 식각 보호층을 형성한 후, 식각액으로 상기 금속층을 식각하는 것을 포함하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 금속층은 2 이상의 금속층이고, 상기 2 이상의 금속층은 각각 식각액에 대한 식각 속도가 상이할 수 있다.
도 6은 본 명세서의 일 구현예에 따른, 2이상의 금속층으로 이루어진 보조 전극을 형성하는 단계의 단면을 도시한 것이다. 구체적으로, 도 6은 제1 전극(201) 상에 제1 금속층(701) 및 제2 금속층(702)을 형성하고, (a) 제2 금속층(702) 상에 식각 보호층(801) 형성하고, (b) 식각액을 이용하여 식각한 후, (c) 식각 보호층(801)을 박리하는 과정을 도시한 것이다.
본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 유기태양전지의 제조방법은 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 상에 애노드를 형성하는 단계, 상기 애노드 상에 정공수송층을 형성하는 단계, 상기 정공수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계, 상기 광활성층 상에 전자수송층을 형성하는 단계 및 상기 전자수송층 상에 캐소드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 구현예에 따르면, 상기 유기태양전지의 제조방법은 기판을 준비하는 단계, 상기 기판의 상부에 캐소드를 형성하는 단계, 상기 캐소드 상에 전자수송층을 형성하는 단계, 상기 전자수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계, 상기 광활성층 상에 정공수송층을 형성하는 단계 및 상기 정공수송층 상에 애노드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서의 유기 태양 전지는 예컨대 기판 상에 애노드, 광활성층 및 캐소드를 순차적으로 적층시킴으로써 제조할 수 있다.
예컨대, 본 발명에 따른 유기 태양 전지는 스퍼터링(sputtering)이나 전자빔 증발(e-beam evaporation)과 같은 PVD(physical vapor deposition) 방법을 이용하여, 기판 상에 금속 또는 전도성을 가지는 금속 산화물 또는 이들의 합금을 증착시켜 애노드을 형성하고, 그 위에 유기물층을 진공증착 내지는 용액 도포법으로 유기물층을 형성한 후, 그 위에 캐소드으로 사용할 수 있는 물질을 증착시킴으로써 제조될 수 있다.
상기 각 층의 유기물층은 다양한 단분자 내지는 고분자 소재를 사용하여 증착법이 아닌 용매 공정(solvent process), 예컨대 롤투롤(roll to roll), 스핀 코팅, 딥 코팅, 캐스팅, 롤코트(roll court), 플로우 코팅(flow coating), 닥터 블레이딩, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 인쇄, 오프셋 인쇄, 스프레이 코팅 또는 열 전사법 등의 방법에 의하여 제조할 수 있다.
상기 각 층의 유기물층, 진공증착, 스퍼터링, 플라즈마, 이온도금 등의 건식 성막법 등의 방법에 의하여 제조할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 애노드 증착 단계, 광활성층 적층 단계, 광활성층 정렬 단계, 광활성층 열처리 단계, 캐소드 증착 단계를 포함할 수 있다.
상기 광활성층 적층 단계는 양극의 상측에 전자주개 물질, 전자 받개 물질을 혼합한 용액을 분사하여 증착하는 복합 박막 구조 즉, 벌크 헤테로 정션으로 배치할 수 있다.
상기 전자 받개 물질은 유기 용매에 복합 고분자 물질을 녹인 혼합액을 사용할 수 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[제조예 1]
유리 상에 ITO 150 nm, Cu 200 nm, Al 30 nm이 순차적으로 증착된 glass/ITO/Cu/Al 기판 상에 노볼락 계열의 포지티브 포토레지스트(PR)를 이용한 포토리소그라피 방법으로 선폭 약 7 ㎛의 육각형 메시 패턴을 형성하였다. 이후 인산/질산/초산 계열의 식각액을 이용하여 섭씨 45 ℃에서 9 초간 식각한 뒤 광학 현미경으로 형상을 관찰하고 주사전자현미경(SEM)으로 단면을 관찰하였다. 이후 유기 아민 계열의 스트리퍼를 이용하여 노볼락 포토레지스트를 제거하여 ITO/역테이퍼 금속 보조 전극이 구비된 투명 전극을 제조하였다.
도 7은 제조예 1의 방법으로 PR 패터닝을 한 직후의 광학 현미경 사진이고, 도 8는 제조예 1의 방법으로 PR 패터닝과 Cu/Al 식각을 한 직후의 SEM 단면 사진이다. 도 8를 보면, ITO는 식각되지 않고 남아있으며, 동일한 식각액에서 Al보다 Cu의 식각속도가 빠르기 때문에, Al은 PR의 선폭인 약 7 ㎛를 유지하면서 PR 하부에 위치한 반면, Cu는 식각속도가 빨라 Al 하부에서 추가로 더 식각되어 선폭이 매우 좁아졌음을 알 수 있다.
[실시예 1]
상기 제조예 1과 같은 방법으로 제조된 하면과 상면의 선폭의 비가 1:2인 금속 보조 전극이 구비된 투명 전극 상에 PEDOT:PSS 용액을 코팅한 후 140 ℃에서 15분간 열처리하였다. 상기 PEDOT:PSS 상에 1:0.7의 비율로 섞은 P3HT:PCBM 용액을 코팅해 약 220 nm 의 광활성층을 형성한 후 상기 광활성층 상에 1 × 10-7 torr 에서 Al 전극을 증착하고 150 ℃ 에서 10분간 후 열처리하여 유기태양전지를 제작하였다.
[실시예 2]
상기 제조예 1과 같은 방법으로 제조된 하면과 상면의 선폭의 비가 1:3인 금속 보조 전극이 구비된 투명 전극 상에 PEDOT:PSS 용액을 코팅한 후 140 ℃에서 15분간 열처리하였다. 상기 PEDOT:PSS 상에 1:0.7의 비율로 섞은 P3HT:PCBM 용액을 코팅해 약 220 nm 의 광활성층을 형성한 후 상기 광활성층 상에 1 × 10-7 torr 에서 Al 전극을 증착하고 150 ℃ 에서 10분간 후 열처리하여 유기태양전지를 제작하였다.
[비교예 1]
보조 전극을 형성하지 않고, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 유기태양전지를 제작하였다.
[비교예 2]
보조 전극의 하면과 상면의 선폭의 비가 1:1인 금속 전극이 구비된 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 유기태양전지를 제작하였다.
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에 따른 유기태양전지의 물성을 측정하여 하기 표 1에 정리하였다.
표 1
하면:상면의 보조 전극 선폭비 Voc(V) Jsc(mA/cm2) FF PCE(%)
비교예 1 0.62 9.41 0.51 2.99
비교예 2 1:1 0.62 9.22 0.56 3.20
실시예 1 1:2 0.62 10.12 0.57 3.60
실시예 2 1:3 0.62 10.2 0.55 3.48
본 명세서에서 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)를, PCE는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류는 각각 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축과 Y축 절편이며, 이 두 값이 높을수록 태양전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한, 충전율(Fill factor)는 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 넓이를 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세 가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다.
표 1에서 알 수 있듯이, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 보조전극이 없는 경우 또는 보조전극의 상하면의 선폭이 동일한 경우보다 우수한 성능을 구현함을 알 수 있다.
[실시예 3]
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였고, 광활성층의 면적을 넓혀가면서, 보조 전극의 하면과 상면의 선폭의 비가 1:2인 보조전극으로 인한 저항 감소 및 광흡수 증가 특성을 관찰하였다.
실시예 3에 따른 유기태양전지의 물성은 하기 표 2와 같다.
표 2
실시예 3 광활성층 면적(mm2) Voc(V) Jsc(mA/cm2) FF PCE(%)
43.6 0.62 10.12 0.57 3.60
194 0.62 8.79 0.45 2.45
287 0.62 7.4 0.43 1.97
[비교예 3]
비교예 1과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였고, 광활성층의 면적을 넓혀가면서, 보조 전극이 없는 소자의 저항 감소 및 광흡수 증가 특성을 관찰하였다.
비교예 3에 따른 유기태양전지의 물성은 하기 표 3와 같다.
표 3
비교예 3 광활성층 면적(mm2) Voc(V) Jsc(mA/cm2) FF PCE(%)
43.6 0.62 9.05 0.52 2.94
194 0.62 7.99 0.29 1.43
287 0.62 6.53 0.26 1.07
비교예 2와 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였고, 광활성층의 면적을 넓혀가면서, 보조 전극의 하면과 상면의 선폭의 비가 1:1인 보조전극으로 인한 보조전극으로 인한 저항 감소 및 광흡수 증가 특성을 관찰하였다.
비교예 4에 따른 유기태양전지의 물성은 하기 표 4와 같다.
표 4
비교예 4 광활성층 면적(mm2) Voc(V) Jsc(mA/cm2) FF PCE(%)
43.6 0.62 9.22 0.56 3.20
194 0.62 8.05 0.40 2.10
287 0.62 7.01 0.37 1.61
상기 표 2 내지 4의 결과에서 광활성층의 면적이 넓어지는 경우, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기태양전지는 광 재흡수 효과로 인해 전류 밀도가 상승해 효율이 더 높은 것을 알 수 있다.
[부호의 설명]
101: 기판
201: 제1 전극
301: 보조 전극
401: 정공수송층
501: 광활성층
601: 제2 전극
701: 제1 금속층
702: 제2 금속층
801: 식각 보호층

Claims (20)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층; 및
    상기 제1 전극 상에 접하여 구비된 보조 전극을 포함하고,
    상기 보조 전극은 입사광이 도달하는 제1 또는 제2 전극에 가까운 면의 면적이 이에 대향하는 면의 면적보다 작은 것인 유기태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극으로 입사광이 도달하고,
    상기 보조 전극은 상기 제1 전극에 접하는 면의 면적이 대향하는 면의 면적보다 작은 것인 유기태양전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 전극으로 입사광이 도달하고,
    상기 보조 전극은 상기 제1 전극에 접하는 면의 면적이 대향하는 면의 면적보다 큰 것인 유기태양전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 입사광이 도달하는 제1 또는 제2 전극은 투명 전극인 것인 유기태양전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 전극의 수직 단면은 사다리꼴 형상인 것인 유기태양전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 전극은 상면과 하면의 선폭의 비가 1:1.3 내지 1:3, 또는 1.3:1 내지 3:1인 것인 유기태양전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 전극은 금속 전극인 것인 유기태양전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 전극은 메쉬 구조로 구비되는 것인 유기태양전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 전극은 2층 이상으로 이루어진 것인 유기태양전지.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 보조 전극의 각 층은 입사광이 도달하는 제1 또는 제2 전극에 가까운 면의 면적이 이에 대향하는 면의 면적보다 작은 것인 유기태양전지.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 2층 이상의 보조 전극은 입사광이 도달하는 제1 또는 제2 전극에 가장 가까운 면의 면적이 이에 대향하는 가장 멀리 떨어진 면의 면적보다 작은 것인 유기태양전지.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 보조 전극의 각 층은 서로 다른 물질로 구성된 것인 유기태양전지.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 보조 전극의 각 층의 수직 단면은 각각 독립적으로, 정사각형, 직사각형 또는 사다리꼴인 것인 유기태양전지.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 광활성층은 n형 유기물층 및 p형 유기물층을 포함하는 이층 박막(bilayer) 구조인 것인 유기태양전지.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 광활성층은 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함하는 벌크헤테로정션 구조인 것인 유기태양전지.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 유기물층은 발광층과 정공 주입층; 정공 수송층; 정공 차단층; 전하 발생층; 전자 차단층; 전자 수송층; 및 전자 주입층으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 더 포함하는 것인 유기태양전지.
  17. 청구항 1 내지 16 중 어느 한 항의 유기태양전지의 제조방법에 있어서,
    기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 보조 전극을 형성하는 단계;
    상기 보조 전극 상에 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 형성하는 단계; 및
    상기 유기물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 보조 전극의 상면 및 하면의 면적이 서로 상이한 것인 유기태양전지의 제조방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 보조 전극을 형성하는 단계는 전사법 또는 식각액을 이용한 식각법을 이용하는 것인 유기태양전지의 제조방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 식각법은 상기 제1 전극상에 금속층을 형성하고, 상기 금속층 상에 식각 보호층을 형성한 후, 식각액으로 상기 금속층을 식각하는 것을 포함하는 것인 유기태양전지의 제조방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 금속층은 2 이상의 금속층이고, 상기 2 이상의 금속층은 각각 식각액에 대한 식각 속도가 상이한 것인 유기태양전지의 제조방법.
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