WO2015163658A1 - 적층형 유기태양전지 - Google Patents

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WO2015163658A1
WO2015163658A1 PCT/KR2015/003940 KR2015003940W WO2015163658A1 WO 2015163658 A1 WO2015163658 A1 WO 2015163658A1 KR 2015003940 W KR2015003940 W KR 2015003940W WO 2015163658 A1 WO2015163658 A1 WO 2015163658A1
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solar cell
organic solar
cell unit
electrode
layer
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PCT/KR2015/003940
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English (en)
French (fr)
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장송림
이재철
김진석
이행근
최두환
방지원
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주식회사 엘지화학
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    • H10K30/80—Constructional details
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    • H10K30/85—Layers having high electron mobility, e.g. electron-transporting layers or hole-blocking layers
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • 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 a stacked organic solar cell.
  • organic solar cells are expected to play a very important role in the field of renewable energy in the future.
  • Early organic solar cells led the technology development at the Heeger professor group of UCSB.
  • the monomolecular organic materials or polymer materials used have the advantage of being easy, fast and inexpensive and large area processing.
  • the organic solar cell has a device structure similar to that of the existing OLED, and has the advantage that it can be easily and simply manufactured through a solution process such as spin coating or printing and coating at room temperature.
  • a solution process such as spin coating or printing and coating at room temperature.
  • production costs can be significantly lowered. Therefore, from an industrial point of view, this feature must be an attractive element.
  • the organic solar cell has a disadvantage of low energy conversion efficiency. Therefore, efficiency improvement is very important to secure competitiveness with other solar cells at this time.
  • the present specification is to provide a stacked organic solar cell that can solve the above disadvantages.
  • An exemplary embodiment of the present specification includes a first organic solar cell unit; A second organic solar cell unit provided to face the first organic solar cell unit; And a bonding layer provided between the first organic solar cell unit and the second organic solar cell unit.
  • Each of the first organic solar cell unit and the second organic solar cell unit may include a first electrode; A second electrode provided to face the first electrode; And at least one organic material layer including a photoactive layer provided between the first electrode and the second electrode.
  • the bonding layer is provided adjacent to the first electrode of the first organic solar cell unit and the second electrode of the second organic solar cell unit,
  • the first electrode of the second organic solar cell unit provides a stacked organic solar cell that is a metal electrode of 50 nm or more.
  • a bonding layer positioned between each organic solar cell unit is transparent, and thus, a high light absorption rate may be achieved as compared to an organic solar cell having only one organic solar cell unit. Accordingly, high efficiency can be realized.
  • the stacked organic solar cell of the present specification may have a wound structure, and in this case, may efficiently absorb light in various directions to increase efficiency.
  • the organic solar cell of the present specification may shorten the production cost and increase the efficiency of the process due to a simple manufacturing process.
  • FIG. 1 illustrates an example of a stacked organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification.
  • FIG. 2 illustrates an example of an organic solar cell unit having a normal structure in a stacked organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification.
  • FIG 3 illustrates an example of an organic solar cell unit having an inverted structure in a stacked organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification.
  • phase does not mean merely being in physical contact with one layer, but rather being positioned on location. That is, the layers located on either layer may have other layers in between.
  • An exemplary embodiment of the present specification includes a first organic solar cell unit; A second organic solar cell unit provided to face the first organic solar cell unit; And a bonding layer provided between the first organic solar cell unit and the second organic solar cell unit.
  • Each of the first organic solar cell unit and the second organic solar cell unit may include a first electrode; A second electrode provided to face the first electrode; And at least one organic material layer including a photoactive layer provided between the first electrode and the second electrode.
  • the bonding layer is provided adjacent to the first electrode of the first organic solar cell unit and the second electrode of the second organic solar cell unit,
  • the first electrode of the second organic solar cell unit provides a stacked organic solar cell that is a metal electrode of 50 nm or more.
  • the thickness of the first electrode of the second organic solar cell unit may be 60 nm or more, 70 nm or more, or 80 nm or more.
  • the thickness of the first electrode of the second organic solar cell unit may be 100 nm or more, 120 nm or more, or 150 nm or more.
  • the thickness of the first electrode of the second organic solar cell unit may be 500 nm or less, 400 nm or less, or 300 nm or less.
  • the stacked organic solar cell of the present specification may be formed by bonding the two organic solar cell units using a bonding layer.
  • the bonding layer may be a transparent bonding layer or an air layer.
  • the bonding layer is an air layer or transparent layer through which light can pass, and can absorb light per unit area over two layers. That is, both the upper organic solar cell unit and the lower organic solar cell unit in contact with light may absorb light to achieve high light absorption in the same area.
  • the laminated organic solar cell of the present specification may increase efficiency by improving current value due to high light absorption per unit area.
  • FIG. 1 illustrates an example of a stacked organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification. Specifically, in the stacked organic solar cell of FIG. 1, light is incident through the second electrode of the first organic solar cell unit, and thus the light may be absorbed by the photoactive layers of the first organic solar cell unit and the second organic solar cell unit. have.
  • the first electrode of the second organic solar cell unit is a metal electrode having a thickness of 50 nm or more, and has high reflectivity and high electrical conductivity.
  • the first electrode of the second organic solar cell unit may serve to increase light absorption by reflecting light that is not incident and not absorbed into the photoactive layer.
  • the first electrode of the second organic solar cell unit increases the fill factor (FF), which is a factor of energy conversion efficiency due to high electrical conductivity, thereby enhancing the performance of the second organic solar cell unit. By doing so may serve to increase the efficiency of the stacked organic solar cell.
  • FF fill factor
  • the first electrode of the first organic solar cell may be a metal electrode of 20 nm or less, or 10 nm or less.
  • the reason for forming the first electrode of the first organic solar cell as the metal electrode of the thin film is to secure the light transmittance, but the metal electrode of the thin film has a tendency to decrease the charge rate due to the low electrical conductivity.
  • the first electrode of the second organic solar cell may be formed of a thick metal electrode of 50 nm or more, or 100 nm or more, and the first electrode of the second organic solar cell may exhibit light reflection and excellent electrical conductivity. Therefore, the first organic solar cell may serve to compensate for the reduced charging rate.
  • the second organic solar cell for compensating the charging rate in the first organic solar cell needs to apply a metal electrode having a thickness of 50 nm or more, or 100 nm or more as the first electrode.
  • each of the organic solar cell units includes a first electrode, a second electrode, and a photoactive layer, and may further include one or more organic material layers.
  • a plurality of photoactive layers and an intermediate electrode are formed between the anode and the cathode, and may be continuously processed in one process, resulting in an increase in process cost and a failure rate.
  • the stacked organic solar cell according to the present specification is manufactured by manufacturing each organic solar cell unit, and then bonded using a bonding layer, thereby lowering process costs and greatly improving a defective rate.
  • the structure of the stacked organic solar cell unit is the same.
  • the organic solar cell unit having a reverse structure and the organic solar cell unit having a forward structure cannot be used.
  • the stacked organic solar cells according to the present disclosure are bonded after manufacturing each organic solar cell unit, and the structure of one organic solar cell unit is not affected by the structure of another organic solar cell unit. have.
  • the stacked organic solar cell according to the present specification manufactures each organic solar cell unit and then bonds each other using a bonding layer, so that the manufacturing process of any one organic solar cell unit is different from that of another organic solar cell unit. There is an advantage that does not matter at all during manufacturing.
  • the first organic solar cell unit may have an inverted structure.
  • the first organic solar cell unit has an inverted structure
  • the first organic solar cell unit includes a transparent substrate between the first electrode and the bonding layer
  • the first electrode may be a cathode and the second electrode may be an anode.
  • the first organic solar cell unit has an inverted structure
  • the first organic solar cell unit includes a transparent substrate on the second electrode
  • the first electrode is an anode
  • the second electrode may be a cathode.
  • the second organic solar cell unit may have an inverted structure or a normal structure.
  • the second organic solar cell unit may include a transparent substrate between the second electrode and the bonding layer, and the first electrode may be an anode or a cathode.
  • the first organic solar cell unit and the second organic solar cell unit may have an inverted structure.
  • the first organic solar cell unit may have an inverted structure, and the second organic solar cell unit may have a normal structure.
  • FIG. 2 illustrates an example of an organic solar cell unit having a normal structure in a stacked organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification.
  • FIG. 2 illustrates a structure in which an anode is provided on a transparent substrate, and a hole transport layer, a photoactive layer, an electron transport layer, and a cathode are sequentially stacked.
  • the organic solar cell unit of the normal structure of the present specification is not limited to the structure of FIG. 2, and may be provided with an additional organic material layer, or may have a structure in which the electron transport layer and / or the hole transport layer are removed.
  • FIG. 3 illustrates an example of an organic solar cell unit having an inverted structure in a stacked organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification.
  • FIG. 3 illustrates a structure in which a cathode is provided on a transparent substrate, and an electron transport layer, a photoactive layer, a hole transport layer, and an anode are sequentially stacked.
  • the organic solar cell unit of the inverted structure of the present specification is not limited to the structure of FIG. 3, and may be provided with an additional organic material layer, or may have a structure in which the electron transport layer and / or the hole transport layer are removed.
  • organic solar cell unit of the normal structure (inverted) and the organic solar cell unit of the inverted structure of the present specification is a term commonly used in the art.
  • the reverse structure may use a metal electrode mainly composed of Ag as the second electrode.
  • the forward structure may use a metal electrode using Al as a main material as the second electrode.
  • the first organic solar cell may be an organic solar cell having a reverse structure, in which case it is possible to achieve a higher light transmittance and efficiency than when the forward structure.
  • the bonding layer may be adjacent to the anode of each organic solar cell unit.
  • the anode of one organic solar cell unit and the cathode of the other organic solar cell unit may be adjacent to each other.
  • the adjacency may mean that the bonding layer and the anode or the cathode are in physical contact.
  • the adjacent may mean a positional relationship with the electrode close to the bonding layer.
  • the adjacent may mean a positional relationship with an electrode closer to the bonding layer among the anode or the cathode of the organic solar cell unit.
  • the first and second organic solar cell units may each include a transparent substrate.
  • the first electrode or the second electrode of the first and second organic solar cell unit may be provided on the transparent substrate.
  • the bonding layer may be located between the transparent substrates of the first and second organic solar cell units.
  • the first electrode and the second electrode of the first organic solar cell unit may be a transparent electrode.
  • each of the first electrode and the second electrode of the first organic solar cell unit may be a transparent conductive oxide layer or a metal electrode having a thickness of 20 nm or less.
  • any one of the first electrode and the second electrode of the first organic solar cell unit may be a transparent conductive oxide layer, and the other may be a metal electrode having a thickness of 20 nm or less.
  • the first electrode of the first organic solar cell unit may be a metal electrode having a thickness of 20 nm or less
  • the second electrode of the second organic solar cell unit may be a transparent conductive oxide layer.
  • the second electrode of the second organic solar cell unit may be a transparent electrode.
  • the second electrode of the second organic solar cell unit may be a transparent conductive oxide layer or a metal electrode having a thickness of 20 nm or less.
  • the first electrode of the second organic solar cell unit may be a transparent conductive oxide layer.
  • the first electrode of the first organic solar cell unit may be a metal electrode having a thickness of 20 nm or less
  • the second electrode of the second organic solar cell unit may be a transparent conductive oxide layer.
  • a transparent substrate may be further included between the second organic solar cell unit and the bonding layer.
  • the first electrode and the second electrode of the first organic solar cell unit, and the second electrode of the second organic solar cell unit may be a transparent electrode.
  • the first electrode and the second electrode of the first organic solar cell unit, and the second electrode of the second organic solar cell unit are transparent electrodes, and each of the transparent electrodes is a transparent conductive oxide. Layers or metal electrodes up to 20 nm thick.
  • the first electrode of the first organic solar cell unit is a metal electrode having a thickness of 20 nm or less, and the second electrode and the second organic sun of the first organic solar cell unit.
  • the second electrode of the battery unit may be a transparent conductive oxide layer.
  • the metal electrode having a thickness of 20 nm or less may be specifically, a metal electrode having a thickness of 15 nm or less, or a metal electrode having a thickness of 12 nm or less or 10 nm or less.
  • the conductive oxide layer is ITO; IZO; IZTO; ATO; AZO; GZO; FTO; ZTO; ZnO; FZO; IGZO; WO 3 ; ZrO 3 ; V 2 O 7 ; MoO 3 ; ReO 3 ; It may include one or more selected from the group consisting of conductive PEDOT and conductive polymer.
  • the first electrode and / or the second electrode when the first electrode and / or the second electrode is a transparent conductive oxide layer, the first electrode and / or the second electrode may be formed of polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthelate (PEN), PP (polypropylene), PI (polyimide), PC (polycarbornate), PS (polystylene), POM (polyoxymethlene), AS resin (acrylonitrile styrene copolymer), ABS resin (acrylonitrile butadiene styrene copolymer) and TAC (Triacetyl cellulose), PAR ( Doped conductive material may be used on a flexible and transparent material such as plastic, including polyarylate).
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthelate
  • PP polypropylene
  • PI polyimide
  • PC polycarbornate
  • PS polystylene
  • POM polyoxymethlene
  • AS resin acrylonitrile s
  • ITO indium tin oxide
  • FTO fluorine doped tin oxide
  • AZO aluminum doped zink oxide
  • IZO indium zink oxide
  • ZnO-Ga 2 O 3 ZnO-Al 2 O 3 and antimony tin oxide (ATO)
  • ATO antimony tin oxide
  • the patterned ITO substrate is sequentially cleaned with a detergent, acetone, and isopropanol (IPA), and then water is removed. For 1 to 30 minutes at 100 °C to 250 °C, specifically for 10 minutes at 250 °C in a heating plate, it is possible to completely clean the substrate.
  • IPA isopropanol
  • 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 having a thickness of 20 nm or less is a metal; Metal nanoparticles; Core-shell particles comprising a metal; And it may be to include one or more selected from the group consisting of a metal mesh.
  • the metal electrode having a thickness of 20 nm or less may be a metal layer of 20 nm or less of transparent Ag, Al, Au, or a mixed layer of the metal. Furthermore, when the metal electrode of the present specification has a thickness of 20 nm or less, it may transmit 30% to 100% of light.
  • the metal electrode was formed in the thermal evaporator showing a vacuum degree of 5 ⁇ 10 -7 torr or less in the state in which the hole transport layer is introduced, Ag electrode is used as 10 nm It was formed to a thickness.
  • the bonding layer is an air layer; Glass; Transparent adhesive; And it may be selected from the group consisting of a transparent insulator.
  • Transparency in this specification may mean that light may be passed through. Specifically, it may mean that the light can transmit 50% to 100%. Specifically, it may mean that the light can pass 70% to 100%.
  • the air layer of the present specification may be formed by bonding the first and second organic solar cell units using an adhesive material such as an adhesive to the edges of the first and second organic solar cell units contacting the junction layer. .
  • an adhesive material such as an adhesive to the edges of the first and second organic solar cell units contacting the junction layer.
  • the part except the edge of the air layer is in a state where only air is present.
  • the air layer may refer to a bonding layer having no adhesive material in a region corresponding to the photoactive layer of the second organic solar cell unit. That is, according to the exemplary embodiment of the present specification, the air layer may mean a bonding layer provided with an adhesive material on the edge region on the second electrode of the second organic solar cell unit and bonded to the first organic solar cell unit. have.
  • the transparent bonding member and / or the transparent insulator may be a solid or liquid adhesive; Transparent double-sided tape; And transparent sealant materials.
  • the solid or liquid conjugate is a transparent acrylic adhesive; Transparent epoxy adhesives; Or a transparent PVC adhesive.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the transparent double-sided tape may be a general transparent double-sided tape including a transparent PVC-based double-sided insulating tape.
  • the transparent sealant may be a surlyn film, a bynel film, or the like, but is not limited thereto.
  • At least one of the two surfaces facing each organic solar cell unit of the bonding layer may have a bonding area with respect to the organic solar cell unit of 10% or more and 80% or less.
  • at least one of two surfaces facing the organic solar cell unit of the bonding layer has a bonding area of 10% or more and 50% or less, or 10% for the single layer organic solar cell. Or more than 40%.
  • the bonding area may mean an area of a region in which two organic solar cell units are bonded by glass, a transparent adhesive, a transparent insulator, or the like.
  • the region except for the bonding area of the bonding layer is a region that is not provided with a separate material, which has an advantage that there is no loss of light wavelength, thereby increasing the light absorption rate of the second organic solar cell unit. have.
  • the shape of the bonding surface of the bonding layer is a shape including only the border region of the bonding layer; Or a mesh shape.
  • the shape including only the edge region of the bonding layer may mean that the bonding surface is not formed in the center region of the bonding layer. Specifically, the shape including only the edge region of the bonding layer may mean that the area of the center portion where the bonding surface is not formed is 20% or more, 40% or more, or 60% or more with respect to the total area of the bonding layer. .
  • the bonding layer when the shape of the bonding layer bonding surface is a shape including only an edge region of the bonding layer, the bonding layer may be transparent or opaque.
  • the bonding layer may include a bonding surface including a region except for a region corresponding to the photoactive layer.
  • the bonding layer may partially overlap the region corresponding to the photoactive layer to form a bonding surface.
  • the shape including only the border region of the bonding surface may mean that the bonding surface is formed in the border region except for the region corresponding to the photoactive layer.
  • the mesh shape may include a pattern of closed figures of triangles, squares, hexagons, or polygons.
  • the stacked organic solar cell includes a bonding layer between two first and second organic solar cell units, and the first electrode of the first organic solar cell unit is a metal electrode. And the contacting layer. Specifically, the transparent metal electrode of the first organic solar cell unit may contact the bonding layer.
  • the metal electrode of the upper first organic solar cell unit that receives the light may be a transparent metal electrode of 20 nm or less.
  • the transparent metal electrode may absorb excess light remaining in the upper organic solar cell unit and pass the lower portion. Through this, it is possible to efficiently absorb the light of the unit area.
  • the metal electrode when the organic solar cell unit includes a metal electrode, the metal electrode may be located on a substrate.
  • the substrate may be a transparent substrate.
  • the organic solar cell when the organic solar cell unit includes a substrate, the organic solar cell may be formed in contact with the substrate of the organic solar cell unit.
  • the photoactive layer may include 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 may be a bulk heterojunction structure or a double layer junction structure.
  • the bulk heterojunction structure may be a bulk heterojunction (BHJ) junction type
  • the bilayer junction structure may be a bi-layer junction type.
  • the photoactive layers of the first and second organic solar cell units may each independently include an electron donor material and an electron acceptor material.
  • 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 donor material and the electron acceptor material may be 1: 0.5 to 1: 5.
  • the electron donor material is 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 material may include at least one kind of electron donor. Further, according to one embodiment of the present specification, 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 is thiophene-based, fluorene-based, carbazole-based, starting with MEH-PPV (poly [2-methoxy-5- (2′-ethyl-hexyloxy) -1,4-phenylene vinylene]) It may be a variety of polymer materials and monomolecular materials such as.
  • the monomolecular substance is copper (II) phthalocyanine, zinc phthalocyanine, tris [4- (5-dicynomethylidemethyl-2-thienyl) phenyl] Amine (tris [4- (5-dicyanomethylidenemethyl-2-thienyl) phenyl] amine), 2,4-bis [4- (N, N-dibenzylamino) -2,6-dihydroxyphenyl] squalane (2,4-bis [4- (N, N-dibenzylamino) -2,6-dihydroxyphenyl] squaraine), benz [b] anthracene, and pentacene It may include one or more materials.
  • the polymer material is poly 3-hexyl thiophene (P3HT: poly 3-hexyl thiophene), PCDTBT (poly [N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- (4'-) 7'-di-2-thienyl-2 ', 1', 3'-benzothiadiazole)]), PCPDTBT (poly [2,6- (4,4-bis- (2-ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2, 1-b; 3,4-b '] dithiophene) -alt-4,7- (2,1,3-benzothiadiazole)]), PFO-DBT (poly [2,7- (9,9-dioctyl-fluorene) ) -alt-5,5- (4,7-di 2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole)]), PTB7 (Poly [[4,8-bis [(2-a)
  • the electron acceptor material may be a fullerene derivative or a nonfullerene derivative.
  • the fullerene derivative may be a C60 fullerene derivative or a C70 fullerene derivative.
  • the C60 fullerene derivative or C70 fullerene derivative are each independently hydrogen; heavy hydrogen; Halogen group; Nitrile group; Nitro group; Imide group; Amide group; Hydroxyl group; Substituted or unsubstituted alkyl group; A substituted or unsubstituted cycloalkyl group; Substituted or unsubstituted alkoxy group; Substituted or unsubstituted aryloxy group; Substituted or unsubstituted alkylthioxy group; Substituted or unsubstituted arylthioxy group; Substituted or unsubstituted alkyl sulfoxy group; Substituted or unsubstituted aryl sulfoxy group; Substituted or unsubstituted alkenyl group; Substituted or unsubstituted silyl group; Substituted or unsubstituted or unsubstitute
  • the fullerene derivative may be selected from the group consisting of C76 fullerene derivative, C78 fullerene derivative, C84 fullerene derivative, and C90 fullerene derivative.
  • the C76 fullerene derivative, C78 fullerene derivative, C84 fullerene derivative and C90 fullerene derivative are each independently hydrogen; heavy hydrogen; Halogen group; Nitrile group; Nitro group; Imide group; Amide group; Hydroxyl group; Substituted or unsubstituted alkyl group; A substituted or unsubstituted cycloalkyl group; Substituted or unsubstituted alkoxy group; Substituted or unsubstituted aryloxy group; Substituted or unsubstituted alkylthioxy group; Substituted or unsubstituted arylthioxy group; Substituted or unsubstituted alkyl sulfoxy group; Substituted or unsubstituted aryl sulfoxy group; Substituted or unsubstituted alkenyl group; Substituted or unsubsti
  • the fullerene derivative has an ability to separate electron-hole pairs (exciton, electron-hole pair) and charge mobility compared to the non-fullerene derivative, which is advantageous for efficiency characteristics.
  • the nonfullerene derivative has a LUMO energy level of -2.0 to -6.0 eV. In another exemplary embodiment, the nonfullerene derivative has a LUMO energy level of -2.5 to -5.0 eV. In another exemplary embodiment, the nonfullerene derivative has an LUMO energy level of -3.5 to -4.5 eV.
  • the nonfullerene derivative may be a single molecule or a polymer that is not spherical.
  • the organic solar cell unit of the present specification includes one or more photoactive layers.
  • the photoactive layer of the organic solar cell unit 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 organic solar cell unit may be a bi-layer junction or bulk heterojunction junction, depending on the structure of the photoactive layer.
  • the bi-layer junction type includes a photoactive layer composed of two layers, an electron acceptor layer and an electron donor layer.
  • the bulk heterojunction (BHJ) junction type includes a photoactive layer in which an electron donor material and an electron acceptor material are blended.
  • the electron donor material and the electron acceptor material may form a bulk heterojunction (BHJ).
  • the photoactive layer of the present specification may be annealed for 1 second to 24 hours at 0 to 300 ° C. to maximize properties after the electron donor material and the electron acceptor material are mixed.
  • the photoactive layers of the two organic solar cell units of the present specification may include various electron donor materials and electron acceptor materials regardless of each other.
  • the photoactive materials are dissolved in an organic solvent and then the solution is introduced into the photoactive layer in a thickness ranging from 50 nm to 280 nm by spin coating or the like.
  • the photoactive layer may be applied to methods such as dip coating, screen printing, spray coating, doctor blade, brush painting.
  • the electron acceptor may include other fullerene derivatives such as C70, C76, C78, C80, C82, C84, including PC 61 BM, and the coated thin film may be heat-treated at 80 ° C. to 160 ° C. to determine the conductive polymer. It is good to increase the sex.
  • the organic material layer of the first organic solar cell unit and the second organic solar cell unit are each a hole injection layer; Hole transport layer; Interlayers; Hole blocking layer; Charge generating layer; Electron blocking layer; And one or more organic material layers selected from the group consisting of electron transport layers.
  • the electron transport layer may be electron-extracting metal oxides, specifically, titanium oxide; Zinc oxide; And cesium carbonate may be one or more selected from the group consisting of.
  • the electron transport layer of the present specification may be a cathode buffer layer.
  • the electron transport layer of the present specification is applied to one surface of the first electrode or the second electrode or coated in the form of a film by using sputtering, E-Beam, thermal deposition, spin coating, screen printing, inkjet printing, doctor blade or gravure printing method It can be formed by.
  • the hole transport layer is PEDOT: PSS; Molybdenum oxide; Vanadium oxide; Nickel oxide; And it may include one or more selected from the group consisting of tungsten oxide.
  • the hole transport layer of the present specification may be an anode buffer layer.
  • the hole transport layer may be introduced through a method such as spin coating, dip coating, inkjet printing, gravure printing, spray coating, doctor blade, bar coating, gravure coating, brush painting, and thermal deposition.
  • poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (4-styrenesulfonate) [PEDOT: PSS] is mainly used as a conductive polymer solution, and is used as a hole-extracting metal oxides material.
  • Molybdenum oxide (MoO x ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), nickel oxide (NiO), tungsten oxide (WO x ) and the like can be used.
  • the hole transport layer may be formed to a thickness of 5 to 20 nm MoO 3 through a thermal deposition system.
  • the hole transport layer and / or the electron transport layer material of the present specification may be a material that increases the probability that the generated charge is transferred to the electrode by efficiently transferring electrons and holes to the photoactive layer, but is not particularly limited.
  • the first organic solar cell unit and the second organic solar cell unit may respectively absorb light of the same or different wavelength bands.
  • different wavelength band in the present specification means that the wavelength ranges are different from each other, and this may mean a case in which the ranges of the minimum wavelength and the maximum wavelength are different, even though there are ranges in which wavelengths overlap each other. Or it may mean the case where neither wavelength of each wavelength band overlaps each other.
  • the one organic solar cell unit absorbs light having a wavelength of 300 nm to 700 nm, and the other organic solar cell unit absorbs light having a wavelength of 400 nm to 800 nm. can do.
  • the photoactive layers of the first organic solar cell unit and the second organic solar cell unit may each include a photoactive material that absorbs light of different wavelengths.
  • the first and second organic solar cell units may absorb light of different wavelength bands by adjusting the photoactive material concentration of each photoactive layer.
  • the first and second organic solar cell units may absorb light of different wavelength bands by using photoactive materials that absorb wavelengths of different wavelength bands, respectively.
  • the two organic solar cell units may adjust the mass ratio of the electron donor material and the electron acceptor material of the photoactive layer to absorb light of different wavelengths.
  • the thickness of the photoactive layer of the first organic solar cell unit and the second organic solar cell unit may be different from each other.
  • the thicknesses of the photoactive layers of the first and second organic solar cell units may be different from each other to absorb light of different wavelength bands.
  • the mass ratio of the electron donor material and the electron acceptor material of each photoactive layer may be the same or different from each other.
  • the stacked organic solar cell of the present specification may be manufactured using two mutually identical organic solar cell units and a bonding layer.
  • the organic solar cell unit may be manufactured using different organic solar cell units and a bonding layer.
  • the electron donor material of the photoactive layer of any one organic solar cell unit and The mass ratio of the electron acceptor material may be 1:10 to 10: 1, and the mass ratio of the electron donor material and the electron acceptor material of the remaining photoactive layer of the organic solar cell unit may be 1: 5 to 5: 1.
  • the concentration of the photoactive material of the first and second organic solar cell unit may be different from each other.
  • the concentration of the photoactive material of any one organic solar cell unit of the present specification is greater than 3% and 10% or less, and the concentration of the photoactive material of the remaining organic solar cell units may be 0.01% or more and 3% or less. More specifically, the concentration of the photoactive material of any one organic solar cell unit of the present specification is more than 3% and 7% or less, the concentration of the photoactive material of the remaining organic solar cell unit may be 0.01% or more and 3% or less.
  • the thickness of the photoactive layer of the first and second organic solar cell unit may be different from each other.
  • the thickness of the photoactive layer of any one organic solar cell unit of the present specification is greater than 100 nm and 500 nm or less, and the thickness of the photoactive layer of the remaining organic solar cell units may be 1 nm or more and 100 nm or less. More specifically, the thickness of the photoactive layer of any one organic solar cell unit of the present specification is greater than 100 nm and 300 nm or less, and the thickness of the photoactive layer of the remaining organic solar cell units may be 10 nm or more and 100 nm or less.
  • the concentration of the photoactive layer of any one of the organic solar cell units is greater than 3% and 10%.
  • the thickness may be greater than 100 nm and 500 nm or less, and the concentration of the remaining photoactive layer of the organic solar cell unit may be 0.01% or more and 3% or less, and the thickness may be 1 nm or more and 100 nm or less.
  • the concentration of the photoactive layer of any one of the organic solar cell unit is greater than 3% 7% or less
  • the thickness may be greater than 100 nm and 300 nm or less
  • the concentration of the remaining photoactive layer of the organic solar cell unit may be 0.01% or more and 3% or less
  • the thickness may be 10 nm or more and 100 nm or less.
  • the electron donor material and the electron acceptor material of the photoactive layers of the first and second organic solar cell units may be used as different materials.
  • the concentration and the thickness of the layer may be different from each other.
  • the light absorption of the photoactive layer of the lower organic solar cell unit may be made higher than that of the photoactive layer of the upper first organic solar cell unit that receives light, thereby increasing the light absorption of the unit area.
  • the light absorption rate of the photoactive layer of the lower organic solar cell unit is higher, extra light passing through the upper organic solar cell unit can be efficiently absorbed by the lower organic solar cell unit.
  • the upconversion layer of the present specification has the same meaning as the photochemical upconversion layer.
  • the upconversion layer of the present specification may mean a layer that converts light into a wavelength that is easy to absorb light.
  • the upconversion layer allows light to be converted to wavelengths in the region that can be better absorbed in the photoactive layer.
  • the upconversion layer when the upconversion layer is positioned between two organic solar cell units and absorbs light in one direction, the light passing through the upper organic solar cell unit receiving light is lowered.
  • the efficiency of the organic solar cell may be improved by converting the light into a wavelength of the organic solar cell unit which is easily absorbed.
  • the material of the upconversion layer is PQ 4 Pd / Rubrene (PQ 4 Pd / rubrene), PQ 4 PdNA / Rubrene (PQ 4 PdNA / rubrene), Pd (II) octaethylporphyrin / diphenylanthracene (Pd (II) octaethyl porphyrin / diphenylanthracene), [Ru (dmb) 3 ] 2+ / anthracene ([Ru (dmb) 3 ] 2+ / anthracene) and the like can be used.
  • the stacked organic solar cell may have a structure in which the first organic solar cell unit is wound to face the outside.
  • the stacked organic solar cell may be manufactured in a flexible film form, and may be rolled into a cylindrical shape to form a stacked organic solar cell having a hollow structure.
  • the stacked organic solar cell may be installed by placing it on the ground.
  • the sun at the position where the stacked organic solar cell is installed moves from east to west, it is possible to secure a portion where the incident angle of light is maximum. Therefore, while the sun is floating, there is an advantage to increase the efficiency by absorbing as much light as possible.
  • it may also have the advantage of increasing the light absorption rate, including the above-mentioned organic solar cell unit of the upper and lower.
  • a ZnO precursor solution was prepared by using a hydrolysis reaction, spin-coated the ZnO solution, and then heat-treated to remove the remaining solvent to complete the electron transporting layer.
  • the photoactive layer material in which the photoactive material and the PCBM were mixed in a weight ratio of 1: 2 was dissolved in a chlorobenzene solvent, and then spin coated on the ITO substrate into which the electron transport layer was introduced to form a photoactive layer.
  • the photoactive layer material in which the photoactive material and the PCBM were mixed in a weight ratio of 1: 2 was dissolved in a chlorobenzene solvent, and then spin coated on the ITO substrate into which the electron transport layer was introduced to form a photoactive layer.
  • the second organic solar cell unit was manufactured by depositing 100 nm of Al at a rate of 1 ⁇ / s in the thermal evaporator.
  • the reverse organic solar cell unit of Comparative Example 1 was used as the first organic solar cell unit, and the reverse organic solar cell unit of Comparative Example 2 was used as the second organic solar cell unit. Attached to the edge of the solar cell unit was bonded to produce a stacked organic solar cell of the reverse-reverse structure.
  • the reverse organic solar cell unit of Comparative Example 1 was used as the first organic solar cell unit, and the forward organic solar cell unit of Comparative Example 3 was used as the second organic solar cell unit. Attached to the edge of the solar cell unit was bonded to produce a stacked organic solar cell of the reverse-forward structure.
  • FIGS. 4 and 5 are graphs showing current density-voltage (JV) characteristics of Examples and Comparative Examples according to the present specification. Specifically, in order to measure the electro-optical properties of the organic solar cells prepared in Examples 1 and 2, Comparative Examples 1 to 3, using an ABET solar simulator under standard conditions (Air mass 1.5 Global, 100 mW / cm 2 ) Current-voltage density was measured.
  • JV current density-voltage
  • Optical short-circuit current density ( J sc ), photo-opening voltage ( V oc ), Fill Factor (FF) and energy conversion efficiency of the organic solar cells are shown in Tables 1 and 2 below.
  • Comparative Example 1 measured physical properties by allowing light to enter the substrate.
  • Comparative Example 2 measured physical properties by allowing light to enter the substrate of Comparative Example 2 after the light passed through the organic solar cell of Comparative Example 1.
  • Example 1 was bonded to the metal electrode of Comparative Example 1 and the substrate of Comparative Example 2 by an adhesive layer, and the physical properties were measured by allowing light to enter the substrate of Comparative Example 1.
  • the optical short-circuit current density of the reverse-reverse stacked organic solar cell of the embodiment is similar to the sum of the current density of each reverse organic solar cell unit, the photo-opening voltage and the fill factor is Seemed to take the median of the two. Therefore, the overall efficiency of the stacked organic solar cell was about 65% higher than the result of measuring only the organic solar cell unit.
  • Comparative Example 1 measured physical properties by allowing light to enter the substrate.
  • Comparative Example 3 measured the physical properties by allowing light to enter the substrate of Comparative Example 3 after the light passes through the organic solar cell of Comparative Example 1.
  • Example 2 was bonded to the metal electrode of Comparative Example 1 and the substrate of Comparative Example 3 by the adhesive layer, and the physical properties were measured by allowing light to enter the substrate of Comparative Example 1.
  • Example 2 shows a similar tendency to Example 1.
  • the photo short-circuit current density of the reverse-forward stacked organic solar cell of the example was similar to the sum of the current densities of each of the reverse organic solar cell unit and the forward organic solar cell unit, and the fill factor was shown to take the median of the two. Therefore, the overall efficiency of the laminated organic solar cell increased by about 50% compared to the result of measuring only the organic solar cell unit.

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 적층형 유기태양전지에 관한 것으로서, 각 유기태양전지 유닛 사이에 위치하는 접찹층이 투명하며, 제 2 유기태양전지 유닛의 제 1 전극은 50nm 두께 이상의 금속 전극인 적층형 유기 태양전지를 제시하고 있고, 상기 적층형 유기태양전지는 1개의 유기태양전지 유닛만이 있는 유기태양전지에 비하여 높은 광흡수을 및 우수한 전기 전도도를 달성할수 있다.

Description

적층형 유기태양전지
본 명세서는 2014년 4월 21일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2014-0047197 호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 적층형 유기태양전지에 관한 것이다.
현재 인류가 사용하는 화석연료의 사용량은 급격하게 증가하고 있어, 수 세기 안에 고갈의 위기에 처해있다. 또한 이로 인해, 계속하여 증가하는 이산화탄소와 다른 온실가스들의 공기 중으로의 배출은 점차 심각한 문제를 발생시키고 있다. 그에 반하여, 무공해 그린 에너지인 재생 에너지의 이용은 아직까지 전체 에너지원의 약 2% 밖에 되지 않는다. 그래서 현재 인류는 새로운 신재생 에너지원의 개발 및 연구에 크나 큰 관심을 가지고, 특히 태양광에 대한 투자 규모를 늘리고 있는 추세이다. 바람, 물, 태양 등 신재생 에너지 중에서도 가장 관심을 받고 있는 것은 태양에너지이다. 태양에너지를 이용한 태양전지는 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반 영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
이러한 측면에서 볼 때 유기태양전지는 향후 신재생 에너지 분야에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 초기 유기태양전지는 미국 UCSB의 Heeger 교수 그룹에서 주도적으로 기술 개발을 이끌었다. 사용되는 단분자 유기물질 또는 고분자 재료는 쉽고, 빠르게 저가, 대면적 공정이 가능한 장점을 가지고 있다. 또 유기태양전지는 기존 OLED와 거의 유사한 소자구조를 갖고 있으며, 상온에서 스핀코팅이나 인쇄 및 코팅 등의 용액공정을 통해 쉽고 간편하게 제작할 수 있는 장점이 있다. 특히, 플렉서블(flexible) 기판을 이용하여 롤투롤(roll to roll) 연속 인쇄공정이 가능하므로, 획기적으로 생산원가를 낮출 수도 있다. 그러므로 산업적인 측면에서 볼 때, 이러한 특징은 매력적인 요소임에 틀림이 없다.
그러나, 현재까지의 연구에서는 아직 유기태양전지는 에너지 변환 효율이 낮은 단점이 있다. 그러므로 현 시점에서 다른 태양전지와의 경쟁력을 확보하기 위해서는 효율 향상이 매우 중요하다고 할 수 있다.
[선행기술문헌]
Two-layer organic photovoltaic cell (C.W.Tang, Appl. Phys. Lett., 48, 183. (1996))
Efficiencies via Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions (G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, F. Wudl, A. J. Heeger, Science, 270, 1789. (1995))
본 명세서는 상기 단점을 해결할 수 있는 적층형 유기태양전지를 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 유기태양전지 유닛; 상기 제1 유기태양전지 유닛에 대향하여 구비된 제2 유기태양전지 유닛; 및 상기 제1 유기태양전지 유닛과 상기 제2 유기태양전지 유닛 사이에 구비된 접합층을 포함하고,
상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛은 각각 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며,
상기 접합층은 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극과 인접하여 구비되고,
상기 제2 유기태양전지 유닛의 제1 전극은 50 ㎚ 두께 이상의 금속 전극인 것인 적층형 유기태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 적층형 유기태양전지는 각 유기태양전지 유닛 사이에 위치하는 접합층이 투명하여 1개의 유기태양전지 유닛만이 있는 유기태양전지에 비하여 높은 광흡수율을 달성할 수 있으며, 이에 따라 높은 효율을 구현할 수 있다.
또한, 본 명세서의 적층형 유기태양전지는 권취된 구조일 수 있으며, 이 경우 여러 방향의 빛을 효율적으로 흡수하여 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 명세서의 유기태양전지는 간단한 제조공정으로 인하여 생산 원가의 단축, 공정의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 적층형 유기태양전지의 일 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 적층형 유기태양전지에 있어서, 정방향(normal) 구조의 유기태양전지 유닛의 일 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 적층형 유기태양전지에 있어서, 역방향(inverted) 구조의 유기태양전지 유닛의 일 예를 도시한 것이다.
도 4 및 도 5는 본 명세서에 따른 실시예 및 비교예의 전류밀도-전압(J-V) 특성을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서에서, "상"은 하나의 층 위에 물리적으로 접하여 위치하는 것만을 의미하는 것이 아니라, 위치상 위에 위치하는 것을 의미한다. 즉, 어느 하나의 층 상에 위치하는 층은 사이에 다른 층이 있을 수도 있다.
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.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 유기태양전지 유닛; 상기 제1 유기태양전지 유닛에 대향하여 구비된 제2 유기태양전지 유닛; 및 상기 제1 유기태양전지 유닛과 상기 제2 유기태양전지 유닛 사이에 구비된 접합층을 포함하고,
상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛은 각각 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며,
상기 접합층은 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극과 인접하여 구비되고,
상기 제2 유기태양전지 유닛의 제1 전극은 50 ㎚ 두께 이상의 금속 전극인 것인 적층형 유기태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제1 전극의 두께는 60 ㎚ 이상, 70 ㎚ 이상 또는 80 ㎚ 이상일 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제1 전극의 두께는 100 ㎚ 이상, 120 ㎚ 이상, 또는 150 ㎚ 이상일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제1 전극의 두께는 500 ㎚ 이하, 400 ㎚ 이하 또는 300 ㎚ 이하일 수 있다.
본 명세서의 상기 적층형 유기태양전지는 상기 2개의 유기태양전지 유닛을 접합층을 이용하여 접합하여 형성될 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 접합층은 투명 접합층 또는 공기층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 적층형 유기태양전지는 제1 유기태양전지 유닛의 제2 전극을 통하여 빛이 입사한다. 나아가, 상기 접합층은 빛이 투과될 수 있는 공기층 또는 투명층으로서, 단위 면적당 빛을 2층에 걸쳐서 흡수할 수 있다. 즉, 빛에 접하는 상부의 유기태양전지 유닛과 하부의 유기태양전지 유닛 모두 빛을 흡수하여 동일한 면적에서 높은 광흡수율을 달성할 수 있다. 본 명세서의 적층 유기태양전지는 단위 면적당 높은 광흡수율로 인하여 전류값을 향상시켜 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 적층형 유기태양전지의 일 예를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 1의 적층형 유기태양전지는 제1 유기태양전지 유닛의 제2 전극을 통하여 빛이 입사하여, 제1 유기태양전지 유닛 및 제2 유기태양전지 유닛의 광활성층에서 빛을 흡수할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제1 전극은 50 ㎚ 두께 이상의 금속 전극으로서, 반사도가 높고 전기 전도도가 높은 특징이 있다. 구체적으로, 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제1 전극은 입사되어 흡수되지 못한 빛을 광활성층으로 반사하여 광흡수율을 높이는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제1 전극은 높은 전기 전도도로 인하여 에너지 변환 효율의 한 팩터(factor)인 충전율(Fill Factor: FF)을 증가시켜 제2 유기태양전지 유닛의 성능을 높이는 역할을 하여 상기 적층형 유기태양전지의 효율을 높이는 역할을 할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지의 제1 전극은 20 ㎚ 이하, 또는 10 ㎚ 이하의 금속 전극일 수 있다. 상기 제1 유기태양전지의 제1 전극을 박막의 금속 전극으로 형성하는 이유는 광투과도를 확보하기 위함이며, 다만 박막의 금속 전극은 전기 전도도가 낮은 단점으로 인하여 충전율이 감소하는 경향이 있다. 이를 보완하기 위하여 제2 유기태양전지의 제1 전극을 50 ㎚ 이상, 또는 100 ㎚ 이상의 두꺼운 금속 전극으로 형성할 수 있으며, 상기 제2 유기태양전지의 제1 전극은 광반사 및 우수한 전기 전도도를 나타내므로 제1 유기태양전지에서 감소한 충전율을 보완할 수 있는 역할을 할 수 있다.
상기 제2 유기태양전지의 제1 전극의 두께가 50 ㎚ 이상인 경우, 금속 전극으로서의 역할을 충분히 할 수 있어, 우수한 전기 전도도를 달성할 수 있다. 예를 들어, Ag로 이루어진 금속 전극의 두께가 50 ㎚ 미만인 경우에는 금속 특성이 감소하여 전기 전도도가 감소할 수 있는 문제가 발생할 수 있다. 그러므로, 상기 제1 유기태양전지에서의 충전율을 보상하기 위한 상기 제2 유기태양전지는 50 ㎚ 이상, 또는 100 ㎚ 이상의 두께를 가지는 금속 전극을 제1 전극으로서 적용할 필요가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛 및 제2 유기태양전지 유닛은 하나의 유기태양전지 유닛만으로도 개별적인 유기태양전지로서의 작동이 가능하다. 그러므로, 상기 유기태양전지 유닛은 각각 제1 전극, 제2 전극 및 광활성층을 포함하고 있으며, 추가적으로 1층 이상의 유기물층을 더 포함할 수 있다.
일반적인 텐덤형 유기태양전지의 경우, 애노드와 캐소드 사이에 복수의 광활성층 및 중간 전극을 형성하게 되며, 하나의 공정에서 연속적으로 진행되게 되어 공정비용 상승과 불량률이 상승하게 되는 문제가 발생할 수 있다. 이에 반하여, 본 명세서에 따른 적층형 유기태양전지는 각각의 유기태양전지 유닛을 각각 제조한 후, 접합층을 이용하여 접합하게 되므로, 공정 비용을 낮추고, 불량률을 크게 개선할 수 있는 장점이 있다.
또한, 일반적인 텐덤형 유기태양전지의 경우, 각 층간의 에너지 레벨이 적절하게 조정되어야 작동이 가능하기 때문에, 적층되는 유기태양전지 유닛의 구조가 동일할 수 밖에 없는 단점이 있다. 구체적으로, 일반적인 텐덤형 유기태양전지의 경우, 역방향 구조의 유기태양전지 유닛과 정방향 구조의 유기태양전지 유닛이 될 수 없다. 하지만, 본 명세서에 따른 적층형 유기태양전지는 각각의 유기태양전지 유닛을 제조한 후 접합하는 것으로서, 어느 하나의 유기태양전지 유닛의 구조가 다른 유기태양전지 유닛의 구조에 의하여 영향을 받지 않는 장점이 있다.
나아가, 일반적인 텐덤형 유기태양전지의 경우, 어느 하나의 유기태양전지 유닛이 열처리가 필요한 물질이 적용되고, 다른 하나의 유기태양전지 유닛이 열처리를 하면 안되는 물질이 적용되는 경우에는 제조를 하지 못하게 된다. 이는 하나의 공정에서 연속적인 적층과정을 통하여 형성되는 텐덤형 유기태양전지의 특성 때문이다. 이에 반하여, 본 명세서에 따른 적층형 유기태양전지는 각각의 유기태양전지 유닛을 각각 제조한 후, 접합층을 이용하여 접합하게 되므로, 어느 하나의 유기태양전지 유닛의 제조공정이 다른 유기태양전지 유닛의 제조시 전혀 문제가 되지 않는 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛은 역방향(inverted) 구조일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛은 역방향(inverted) 구조이고, 상기 제1 유기태양전지 유닛은 상기 제1 전극과 상기 접합층 사이에 투명 기판을 포함하고, 상기 제1 전극은 캐소드이며, 상기 제2 전극은 애노드인 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛은 역방향(inverted) 구조이고, 상기 제1 유기태양전지 유닛은 상기 제2 전극 상에 투명 기판을 포함하고, 상기 제1 전극은 애노드이며, 상기 제2 전극은 캐소드인 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기태양전지 유닛은 역방향(inverted) 구조 또는 정방향(normal) 구조일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기태양전지 유닛은 상기 제2 전극과 상기 접합층 사이에 투명 기판을 포함하고, 상기 제1 전극은 애노드 또는 캐소드인 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛은 역방향(inverted) 구조일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛은 역방향(inverted) 구조이고, 상기 제2 유기태양전지 유닛은 정방향(normal) 구조일 수 있다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 적층형 유기태양전지에 있어서, 정방향(normal) 구조의 유기태양전지 유닛의 일 예를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 2는 투명 기판 상에 애노드가 구비되고, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층 및 캐소드가 순차적으로 적층된 구조를 도시하였다. 다만, 본 명세서의 정방향(normal) 구조의 유기태양전지 유닛은 도 2의 구조에 한정되는 것은 아니며, 추가의 유기물층이 구비될 수도 있고, 전자수송층 및/또는 정공수송층이 제거된 구조일 수도 있다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 적층형 유기태양전지에 있어서, 역방향(inverted) 구조의 유기태양전지 유닛의 일 예를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 3은 투명 기판 상에 캐소드가 구비되고, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 애노드가 순차적으로 적층된 구조를 도시하였다. 다만, 본 명세서의 역방향(inverted) 구조의 유기태양전지 유닛은 도 3의 구조에 한정되는 것은 아니며, 추가의 유기물층이 구비될 수도 있고, 전자수송층 및/또는 정공수송층이 제거된 구조일 수도 있다.
본 명세서의 정방향(normal) 구조의 유기태양전지 유닛 및 역방향(inverted) 구조의 유기태양전지 유닛은 당업계의 일반적으로 사용되는 용어이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 역방향 구조는 제2 전극으로서 Ag를 주재료로 하는 금속 전극을 사용할 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 정방향 구조는 제2 전극으로서 Al을 주재료로 사용하는 금속 전극을 사용할 수 있다.
Ag를 주재료로 하는 금속 전극의 경우, Al을 주재료로 하는 금속 전극에 비하여 높은 전기 전도도를 구현할 수 있다. 또한, 20 ㎚ 이하의 박막으로 형성되는 경우에 Ag를 주재료로 하는 금속 전극은 Al을 주재료로 하는 금속 전극에 비하여 높은 광투과도가 구현될 수 있다. 그러므로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지는 역방향 구조의 유기태양전지일 수 있으며, 이 경우 정방향 구조일 때보다 높은 광투과도 및 효율을 달성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 접합층은 상기 각각의 유기태양전지 유닛의 애노드와 인접할 수 있다. 또는, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 하나의 유기태양전지 유닛의 애노드와 나머지 하나의 유기태양전지 유닛의 캐소드와 인접할 수 있다.
상기 인접은 상기 접합층과 애노드 또는 캐소드가 물리적으로 접한 것을 의미할 수 있다. 또는, 상기 인접은 상기 접합층과 가까운 전극과의 위치관계를 의미할 수 있다. 구체적으로, 상기 인접은 상기 유기태양전지 유닛의 애노드 또는 캐소드 중 상기 접합층에 더 가까운 전극과의 위치관계를 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛은 각각 투명 기판을 포함할 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 투명 기판 상에 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛의 제1 전극 또는 제2 전극이 구비될 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛의 투명 기판 사이에 상기 접합층이 위치할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극 및 제2 전극은 투명 전극일 수 있다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극 및 제2 전극은 각각 투명 전도성 산화물층 또는 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나는 투명 전도성 산화물층이고, 다른 하나는 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극은 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극이고, 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극은 투명 전도성 산화물층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극은 투명 전극일 수 있다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기태양전지 유닛의 상기 제2 전극은 투명 전도성 산화물층 또는 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제1 전극은 투명 전도성 산화물층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극은 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극이고, 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극은 투명 전도성 산화물층일 수 있다. 나아가, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기태양전지 유닛과 상기 접합층 사이에 투명 기판을 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극과 제2 전극, 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극은 투명 전극인 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극과 제2 전극, 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극은 투명 전극이고, 상기 투명 전극은 각각 투명 전도성 산화물층 또는 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극은 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극이고, 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제2 전극 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극은 투명 전도성 산화물층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극은, 구체적으로, 15 ㎚ 두께 이하의 금속 전극일 수 있으며, 또는 12 ㎚ 이하 또는 10 ㎚ 두께 이하의 금속 전극일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전도성 산화물층은 ITO; IZO; IZTO; ATO; AZO; GZO; FTO; ZTO; ZnO; FZO; IGZO; WO3; ZrO3; V2O7; MoO3; ReO3; 전도성 PEDOT 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극 및/또는 상기 제2 전극이 투명 전도성 산화물층인 경우, 상기 제1 전극 및/또는 제2 전극은 유리 및 석영판 이외에 PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthelate), PP (polypropylene), PI(polyimide), PC (polycarbornate), PS (polystylene), POM (polyoxymethlene), AS 수지 (acrylonitrile styrene copolymer), ABS 수지 (acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 및 TAC (Triacetyl cellulose), PAR (polyarylate)등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질 위에 도전성을 갖는 물질이 도핑된 것이 사용될 수 있다. 구체적으로, ITO (indium tin oxide), 플루오린이 도핑된 틴 옥사이드 (fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드 (aluminium doped zink oxide, AZO), IZO (indium zink oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 ATO (antimony tin oxide) 등이 될 수 있으며, 보다 구체적으로 ITO일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극 및/또는 제2 전극을 투명 전도성 산화물층으로 형성하는 경우, 패터닝된 ITO 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로판올(IPA)로 순차적으로 세정한 다음 수분제거를 위해 가열판에서 100 ℃ 내지 250 ℃로 1 내지 30분간, 구체적으로 250 ℃에서 10분간 건조하여, 기판을 완전히 세정할 수 있다.
본 명세서의 하기 기술한 실시예에서, UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용하였으며, 초음파 세정 후 패턴된 ITO 기판을 가열판 (hot plate)에서 베이킹 (baking)하여 잘 건조시킨 다음 챔버에 투입하고 UV 램프를 작용시켜 산소 가스가 UV광과 반응하여 발생하는 오존에 의해 패턴된 ITO 기판을 세정하게 된다. 그러나, 본 명세서에 있어서의 패턴된 ITO 기판의 표면 개질방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무방하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극은 금속; 금속 나노입자; 금속을 포함하는 코어-쉘 입자; 및 금속 메쉬로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극은 20 ㎚ 이하의 투명한 Ag, Al, Au 등의 금속층 또는 상기 금속의 혼합층일 수 있다. 나아가, 본 명세서의 상기 금속 전극이 20 ㎚ 이하의 두께를 가지는 경우, 빛을 30 % 내지 100% 투과할 수 있다.
본 명세서에의 하기 기술한 실시예에서, 상기 금속 전극은 정공수송층이 도입된 상태에서 5 × 10-7 torr 이하의 진공도를 보이는 열증착기 내부에서 형성하였으며, 이때 사용한 전극 재료로는 Ag를 10 nm 두께로 형성하였다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 접합층은 공기층; 유리; 투명 접착제; 및 투명 절연체로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
본 명세에서의 투명은 빛이 통과될 수 있는 것을 의미할 수 있다. 구체적으로 빛을 50 % 내지 100 % 투과시킬 수 있는 것을 의미할 수 있다. 구체적으로, 빛을 70 % 내지 100 % 통과시킬 수 있는 것을 의미할 수 있다.
본 명세서의 상기 공기층은 상기 접합층에 접하는 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛의 가장자리에 접착체 등의 접착 물질을 이용하여 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛을 접합하여 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 공기층의 가장 자리를 제외한 부분은 공기만이 있는 상태가 된다. 상기 공기층의 경우, 투명한 기판 또는 투명한 접착제 등을 이용하여 접합층을 형성하는 경우에 비하여 광파장의 손실이 없는 이점이 있으며, 이를 통하여 상기 제2 유기태양전지 유닛의 광흡수율을 높일 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 상기 공기층은 상기 제2 유기태양전지 유닛의 광활성층에 대응하는 영역에 접착 물질이 구비되지 않은 접합층을 의미할 수 있다. 즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 공기층은 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극 상의 테두리 영역에 접착 물질이 구비되어 상기 제1 유기태양전지 유닛과 접합된 접합층을 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 투명 접합체 및/또는 투명 절연체는 고상 또는 액상 접착제; 투명 양면테이프; 및 투명 실란트(sealant) 물질로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고상 또는 액상 접합체는 투명 아크릴계 접착제; 투명 에폭시계 접착제; 또는 투명 PVC계 접착제 등이 될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 투명 양면 테이프는 투명 PVC계 양면 절연테이프를 비롯한 일반적인 투명 양면 테이프가 가능하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 투명 실란트는 설린(surlyn) 필름, 바이넬(bynel) 필름 등이 될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 접합층의 각각의 유기태양전지 유닛에 대향하는 2 개의 면 중 적어도 하나는 유기태양전지 유닛에 대한 접합 면적이 10 % 이상 80 % 이하일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 접합층의 유기태양전지 유닛에 대향하는 2 개의 면 중 적어도 하나는 상기 단층 유기태양전지에 대한 접합 면적이 10 % 이상 50 % 이하, 또는 10 % 이상 40 % 이하일 수 있다.
상기 접합 면적은 유리, 투명 접착제, 또는 투명 절연체 등으로 2개의 유기태양전지 유닛을 접합하는 영역의 면적을 의미할 수 있다. 또한, 상기 접합층의 상기 접합 면적을 제외한 영역은 별도의 물질이 구비되지 않은 영역으로서, 이는 광파장의 손실이 없는 이점이 있으며, 이를 통하여 제2 유기태양전지 유닛의 광흡수율을 높일 수 있는 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 접합층의 접합면의 형상은 상기 접합층의 테두리 영역만을 포함하는 형상; 또는 매쉬 형상일 수 있다.
상기 접합층의 테두리 영역만을 포함하는 형상은 접합층의 중심 영역에는 접합면이 형성되지 않는 것을 의미할 수 있다. 구체적으로, 상기 접합층의 테두리 영역만을 포함하는 형상은 접합면이 형성되지 않은 중심 부분의 면적이 상기 접합층의 전체 면적에 대하여 20 % 이상, 40 % 이상, 또는 60 % 이상인 것을 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 접합층 접합면의 형상이 상기 접합층의 테두리 영역만을 포함하는 형상인 경우, 상기 접합층은 투명 또는 불투명할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 접합층은 상기 광활성층에 대응하는 영역을 제외한 영역을 포함하여 접합면이 형성될 수 있다. 또는, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 접합층은 상기 광활성층에 대응하는 영역에 일부 중첩하여 접합면이 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 접합면의 테두리 영역만을 포함하는 형상은 상기 광활성층에 대응하는 영역을 제외한 테두리 영역에 접합면이 형성된 것을 의미할 수 있다.
상기 메쉬 형상은 삼각형, 사각형, 육각형, 또는 다각형의 폐쇄 도형의 패턴을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 적층형 유기태양전지는 2개의 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛 사이에 접합층을 포함하며, 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극은 금속 전극이고, 상기 접합층에 접할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 유기태양전지 유닛의 투명한 금속 전극이 접합층에 접할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 적층형 유기태양전지가 한쪽 방향으로 빛을 흡수하는 경우, 빛을 받는 상부 제1 유기태양전지 유닛의 금속 전극은 20 ㎚ 이하의 투명한 금속 전극일 수 있다. 상기 투명한 금속 전극은 상부의 유기태양전지 유닛에서 흡수하고 남은 잉여의 빛을 하부로 통과시킬 수 있다. 이를 통하여, 단위 면적의 빛을 효율적으로 흡수할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기태양전지 유닛이 금속 전극을 포함하는 경우, 상기 금속 전극은 기판 상에 위치할 수 있다. 이때, 상기 기판은 투명 기판일 수 있다. 상기 유기태양전지 유닛이 기판을 포함하는 경우, 상기 유기태양전지 유닛의 기판은 상기 접합층에 접하여 상기 유기태양전지가 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 광활성 물질로서 전자주개 물질 및 전자받개 물질을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 광활성 물질은 상기 전자주개 물질 및 상기 전자받개 물질을 의미할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 벌크 이종 접합구조 또는 이중층 접합구조일 수 있다. 상기 벌크 이종 접합 구조는 벌크 헤테로정션(BHJ: bulk heterojunction) 접합형일 수 있으며, 상기 이중층 접합구조는 바이레이어(bi-layer) 접합형일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛의 광활성층은 각각 독립적으로 전자주개 물질 및 전자받개 물질을 포함할 수 있다. 나아가, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비는 1:10 내지 10:1일 수 있다. 구체적으로, 상기 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비는 1:0.5 내지 1:5일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자주개 물질은 적어도 한 종의 전자 공여체; 또는 적어도 한 종의 전자 수용체와 적어도 한 종의 전자 공여체의 중합체를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자주개 물질은 적어도 한 종의 전자 공여체를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자주개 물질은 적어도 한 종의 전자 수용체와 적어도 한 종의 전자 공여체의 중합체를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 전자주개 물질은 MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2′-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene])를 시작으로 티오펜계, 플루오렌계, 카바졸계 등의 다양한 고분자 물질 및 단분자 물질일 수 있다.
구체적으로, 상기 단분자 물질은 구리(Ⅱ)프탈로시아닌(Copper(Ⅱ) phthalocyanine), 아연프탈로시아닌(zinc phthalocyanine), 트리스[4-(5-디사이노메틸이덴메틸-2-티에닐)페닐]아민(tris[4-(5-dicyanomethylidenemethyl-2-thienyl)phenyl]amine), 2,4-비스[4-(N,N-디벤질아미노)-2,6-디히드록시페닐]스쿠아레인(2,4-bis[4-(N,N-dibenzylamino)-2,6-dihydroxyphenyl]squaraine), 벤즈[b]안트라센(benz[b]anthracene), 및 펜타센(pentacene)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 고분자 물질은 폴리 3-헥실 티오펜 (P3HT: poly 3-hexyl thiophene), PCDTBT(poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4'-7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), PFO-DBT(poly[2,7-(9,9-dioctyl-fluorene)-alt-5,5-(4,7-di 2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole)]), PTB7(Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]]), PSiF-DBT(Poly[2,7-(9,9-dioctyl-dibenzosilole)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole])로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자받개 물질은 플러렌 유도체 또는 비플러렌 유도체일 수 있다. 구체적으로, 상기 플러렌 유도체는 C60 플러렌 유도체 또는 C70 플러렌 유도체일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 C60 플러렌 유도체 또는 C70 플러렌 유도체는 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성하는 치환기로 추가로 치환될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 플러렌 유도체는 C76 플러렌 유도체, C78 플러렌 유도체, C84 플러렌 유도체 및 C90 플러렌 유도체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 C76 플러렌 유도체, C78 플러렌 유도체, C84 플러렌 유도체 및 C90 플러렌 유도체는 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 치환 또는 비치환된 플루오레닐기; 치환 또는 비치환된 카바졸기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성하는 치환기로 추가로 치환될 수 있다.
상기 플러렌 유도체는 비 플러렌유도체에 비하여, 전자-정공 쌍(exciton, electron- hole pair)을 분리하는 능력과 전하 이동도가 우수해 효율 특성에 유리하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 비플러렌 유도체는 LUMO 에너지 준위가 -2.0 내지 -6.0 eV이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 비플러렌 유도체는 LUMO 에너지 준위가 -2.5 내지 -5.0 eV이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 비플러렌 유도체는 LUMO 에너지 준위는 -3.5 내지 -4.5 eV이다.
LUMO 에너지 준위가 상기 범위 내에서 전자의 주입이 쉽게 일어날 수 있어, 유기 태양 전지의 효율이 상승되는 이점이 있다.
특히, 상기 비플러렌 유도체의 LUMO 에너지 준위가 -3.5 내지 -4.5 eV인 경우, 전자 공여물질의 HOMO 에너지 준위와의 차이를 최대한으로 하면서 전하 분리가 가능하여, 높은 개방전압 및 전류 밀도를 형성할 수 있는 이점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 비플러렌 유도체는 구형이 아닌 단분자 또는 고분자일 수 있다.
본 명세서의 상기 유기태양전지 유닛은 1층 이상의 광활성층을 포함한다. 상기 유기태양전지 유닛의 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.
상기 유기태양전지 유닛은 광활성층의 구조에 따라 바이레이어(bi-layer) 접합형 또는 BHJ(bulk heterojunction) 접합형으로 될 수 있다. 바이레이어(bi-layer) 접합형은 전자받개층과 전자주개층의 두개의 층으로 이루어진 광활성층을 포함한다. BHJ(bulk heterojunction) 접합형은 전자주개 물질과 전자받개 물질이 블렌드된 광활성층을 포함한다.
본 명세서의 상기 광활성층은 전자주개 물질 및 전자받개 물질이 BHJ(bulk heterojunction)을 형성할 수 있다. 본 명세서의 상기 광활성층은 상기 전자주개 물질 및 전자받개 물질이 혼합된 후에 특성을 최대화시키기 위하여 0 내지 300 ℃에서 1초 내지 24시간 동안 어닐링할 수 있다.
본 명세서의 2개의 상기 유기태양전지 유닛의 광활성층은 서로 관계없이 다양한 전자주개 물질 및 전자받개 물질을 포함할 수 있다.
상기와 같은 광활성 물질들은 유기 용매에 용해시킨 후 용액을 스핀 코팅 등의 방법으로 50 nm에서 280 nm 범위의 두께로 광 활성층을 도입한다. 이때, 광 활성층은 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 브러쉬 페인팅 등의 방법을 응용할 수 있다.
또한, 상기 전자수용체는 PC61BM을 포함하여, C70, C76, C78, C80, C82, C84등의 다른 플러렌 유도체를 사용할 수도 있으며, 코팅된 박막은 80 ℃ 내지 160 ℃에서 열처리하여 전도성 고분자의 결정성을 높여주는 것이 좋다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 유기물층은 각각 정공주입층; 정공수송층; 중간층(interlayer); 정공차단층; 전하발생층; 전자차단층; 및 전자수송층으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 유기물층을 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자수송층은 전자추출금속 산화물(electron-extracting metal oxides)이 될 수 있으며, 구체적으로 티타늄 산화물; 아연 산화물; 및 세슘 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 본 명세서의 상기 전자수송층은 캐소드 버퍼층일 수 있다.
본 명세서의 상기 전자수송층은 스퍼터링, E-Beam, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 제1 전극 또는 제2 전극의 일면에 도포되거나 필름 형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 정공수송층은 PEDOT:PSS; 몰리브데늄 산화물; 바나듐 산화물; 니켈 산화물; 및 텅스텐 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 본 명세서의 상기 정공수송층은 애노드 버퍼층일 수 있다.
상기 정공수송층은 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅, 열증착 등의 방법을 통해 도입될 수 있다. 이 경우, 주로 전도성 고분자 용액으로서 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트) [PEDOT:PSS]이 사용되며, 정공추출금속 산화물(hole-extracting metal oxides) 물질로는 몰리브덴 산화물(MoOx), 바나듐 산화물(V2O5), 니켈 산화물(NiO), 텅스텐 산화물(WOx) 등을 사용할 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 정공 수송층은 MoO3를 열증착 시스템을 통해 5 내지 20 nm 의 두께로 형성될 수 있다.
본 명세서의 상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 전자와 정공을 광활성층으로 효율적으로 전달시킴으로써, 생성되는 전하가 전극으로 이동되는 확률을 높이는 물질이 될 수 있으나, 특별히 제한되지는 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛은 각각 서로 같거나 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하는 것일 수 있다.
본 명세서의 상기 "서로 다른 파장대"는 파장 범위가 서로 다른 것을 의미하며, 이는 각각의 파장대의 어느 파장이 서로 겹치는 범위가 있더라도, 최소 파장과 최대 파장의 범위가 다른 경우를 의미할 수 있다. 또는, 각각의 파장대의 어느 파장도 서로 겹치지 않는 경우를 의미할 수도 있다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 하나의 유기태양전지 유닛은 300 ㎚ 내지 700 ㎚ 파장의 빛을 흡수하고, 다른 하나의 유기태양전지 유닛은 400 ㎚ 내지 800 ㎚ 파장의 빛을 흡수할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 광활성층은 각각 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하는 광활성 물질을 포함하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛은 각각의 광활성층의 광활성 물질 농도를 조절하여 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하게 할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛은 각각 서로 다른 파장대의 파장을 흡수하는 광활성 물질을 이용하여 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하게 할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 2개의 유기태양전지 유닛은 광활성층의 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비를 조절하여, 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하게 할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 광활성층의 두께는 서로 상이한 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛의 광활성층 두께를 서로 상이하게 하여, 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하게 할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛에 있어서, 각각의 광활성층의 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비는 서로 동일하거나 서로 상이할 수 있다.
본 명세서의 상기 적층형 유기태양전지는 2개의 서로 동일한 유기태양전지 유닛과 접합층을 이용하여 제조할 수 있다. 또는 서로 다른 유기태양전지 유닛과 접합층을 이용하여 제조할 수도 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 각각의 유기태양전지 유닛의 광활성층의 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비가 서로 상이한 경우, 어느 하나의 상기 유기태양전지 유닛의 광활성층의 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비는 1:10 내지 10:1이고, 나머지 상기 유기태양전지 유닛의 광활성층의 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비는 1:5 내지 5:1 일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛의 광활성 물질의 농도가 서로 상이할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 상기 어느 하나의 유기태양전지 유닛의 광활성 물질의 농도는 3 % 초과 10 % 이하이고, 나머지 유기태양전지 유닛의 광활성 물질의 농도는 0.01 % 이상 내지 3 % 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 명세서의 상기 어느 하나의 유기태양전지 유닛의 광활성 물질의 농도는 3 % 초과 7 % 이하이고, 나머지 유기태양전지 유닛의 광활성 물질의 농도는 0.01 % 이상 3 % 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛의 광활성층 두께가 서로 상이할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 상기 어느 하나의 유기태양전지 유닛의 광활성층 두께는 100 ㎚ 초과 500 ㎚ 이하이고, 나머지 유기태양전지 유닛의 광활성층 두께는 1 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 명세서의 상기 어느 하나의 유기태양전지 유닛의 광활성층 두께는 100 ㎚ 초과 300 ㎚ 이하이고, 나머지 유기태양전지 유닛의 광활성층 두께는 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛의 광활성 물질의 농도와 두께가 서로 상이한 경우, 어느 하나의 상기 유기태양전지 유닛의 광활성층의 농도는 3 % 초과 10 % 이하, 두께는 100 ㎚ 초과 500 ㎚ 이하이고, 나머지 상기 유기태양전지 유닛의 광활성층의 농도는 0.01 % 이상 3 % 이하, 두께는 1 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 명세서의 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛의 광활성 물질의 농도와 두께가 서로 상이한 경우, 어느 하나의 상기 유기태양전지 유닛의 광활성층의 농도는 3 % 초과 7 % 이하, 두께는 100 ㎚ 초과 300 ㎚ 이하이고, 나머지 상기 유기태양전지 유닛의 광활성층의 농도는 0.01 % 이상 3 % 이하, 두께는 10 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 및 제2 유기태양전지 유닛의 광활성층의 전자주개 물질과 전자받개 물질을 각각 다른 물질로 사용할 수 있다.
즉, 상기 적층형 유기태양전지가 빛을 한쪽으로 받는 경우에, 빛을 받는 상부의 제1 유기태양전지 유닛의 광활성층과 하부의 제2 유기태양전지 유닛의 광활성층의 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비, 농도 및 층의 두께 등이 서로 상이할 수 있다. 이 경우, 빛을 받는 상부의 제1 유기태양전지 유닛의 광활성층의 빛 흡수율 보다 하부의 유기태양전지 유닛의 광활성층의 빛 흡수율을 더 높게 제작하여 단위 면적에서의 빛의 흡수율을 높일 수 있다. 하부의 유기태양전지 유닛의 광활성층의 광흡수율이 더 높은 경우, 상부 유기태양전지 유닛을 통과한 여분의 빛을 하부의 유기태양전지 유닛에서 효율적으로 흡수할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기태양전지 유닛과 상기 접합층 사이; 또는 상기 제2 유기태양전지 유닛과 상기 접합층 사이에 광화학적 업컨버전층을 더 포함할 수 있다. 본 명세서의 업컨버전층은 상기 광화학적 업컨버전층과 같은 의미이다.
본 명세서의 상기 업컨버전층은 빛을 흡수하기 용이한 파장으로 변환하는 층을 의미할 수 있다. 상기 업컨버전층에 의하여 빛은 광활성층에서 보다 잘 흡수될 수 있는 영역의 파장으로 변환될 수 있다. 본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 업컨버전층이 2개의 유기태양전지 유닛 사이에 위치하여, 한쪽 방향으로 빛을 흡수하는 경우에 빛을 받는 상부의 유기태양전지 유닛을 통과한 빛을 하부의 유기태양전지 유닛에서 흡수하기 좋은 파장의 빛으로 변환하여 상기 유기태양전지의 효율을 높일 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 업컨버전층의 물질로는 PQ4Pd/Rubrene(PQ4Pd/루브렌), PQ4PdNA/Rubrene(PQ4PdNA/루브렌), Pd(Ⅱ)octaethylporphyrin/diphenylanthracene(Pd(Ⅱ)옥타에틸포피린/디페닐안트라센), [Ru(dmb)3]2+/anthracene([Ru(dmb)3]2+/안트라센) 등을 사용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 적층형 유기태양전지는 상기 제1 유기태양전지 유닛이 외부를 향하도록 권취된 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 적층형 유기태양전지는 유연한 필름 형태로 제조가 가능하며, 이를 원통형으로 말아 속이 비어 있는 권취된 구조의 적층형 유기태양전지로 만들 수 있다. 상기 적층형 유기태양전지가 권취된 구조인 경우, 이를 지면에 세워 놓는 방식으로 설치할 수 있다. 이 경우, 상기 적층형 유기태양전지를 설치한 위치의 태양이 동쪽에서 서쪽으로 이동하는 동안, 빛의 입사각이 최대가 되는 부분을 확보할 수 있다. 따라서, 태양이 떠 있는 동안, 최대한 많은 빛을 흡수하여 효율을 높일 수 있는 이점이 있다. 나아가, 상기 언급한 상부 및 하부의 유기태양전지 유닛을 포함하여 광흡수율을 높이는 장점도 갖을 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.
[비교예 1] 역방향 구조의 유기태양전지 유닛의 제조
(1) 패턴된 ITO 기판의 세정
패턴된 ITO 글라스 (면저항: ~11.5 Ω/sq, 신안 SNP)기판의 표면을 세정하기 위하여, 세정제, 아세톤, 및 이소프로판올 (IPA)을 사용해 순차적으로 각각 20분씩 초음파 세정을 실시한 후, 질소로 물기를 완전히 불어낸 다음 가열판에서 250 ℃로 10분간 건조해 수분을 완전히 제거하였다. 패턴된 ITO 기판의 세정이 완료되면, UVO 세정기 (UVO cleaner, Ahtech LTS, 한국)에서 30분 동안 표면을 개질하였다.
(2) 전자수송층 제조
전자수송층의 경우 미리 hydrolysis 반응을 이용하여 ZnO 전구체 용액을 만들고, 이 ZnO 용액을 스핀 코팅한 후, 열처리하여 남아있는 용매를 제거하여 전자 수송층을 완성하였다.
(3) 광활성층의 제조
광활성 물질과 PCBM을 1:2의 중량비로 혼합한 광활성층 재료를 클로로벤젠 용매에 용해시킨 후, 상기의 전자수송층이 도입된 ITO 기판에 스핀 코팅하여 광활성층을 형성하였다.
(4) 정공수송층의 제조
열증착기에서 MoO3를 0.4 Å/s의 속도로 5 ~ 10 nm의 다양한 두께로 증착하여 정공수송층을 제조하였다.
(5) 역방향 구조의 유기태양전지 유닛의 제조
상기 순으로 제조 후 열증착기 내부에서 Ag를 1 Å/s의 속도로 10 nm 증착하여 역방향 구조의 유기태양전지 유닛을 제조하였다.
[비교예 2] 역방향 구조의 유기태양전지 유닛의 제조
상기 비교예 1의 (1) 내지 (4)와 동일하게 제조 후 열증착기 내부에서 Ag를 1 Å/s의 속도로 100 nm 증착하여 역방향 구조의 유기태양전지 유닛을 제조하였다.
[비교예 3] 정방향 구조의 유기태양전지 유닛의 제조
(1) 패턴된 ITO 기판의 세정
패턴된 ITO 글라스 (면저항: ~11.5 Ω/sq, 신안 SNP)기판의 표면을 세정하기 위하여, 세정제, 아세톤, 및 이소프로판올 (IPA)을 사용해 순차적으로 각각 20분씩 초음파 세정을 실시한 후, 질소로 물기를 완전히 불어낸 다음 가열판에서 250 ℃로 10분간 건조해 수분을 완전히 제거하였다. 패턴된 ITO 기판의 세정이 완료되면, UVO 세정기 (UVO cleaner, Ahtech LTS, 한국)에서 30분 동안 표면을 개질하였다.
(2) 정공수송층 제조
PEDOT 용액을 스핀 코팅한 후, 열처리하여 남아있는 용매를 제거하여 정공 수송층을 완성하였다.
(3) 광활성층의 제조
광활성 물질과 PCBM을 1:2의 중량비로 혼합한 광활성층 재료를 클로로벤젠 용매에 용해시킨 후, 상기의 전자수송층이 도입된 ITO 기판에 스핀 코팅하여 광활성층을 형성하였다.
(4) 정방향 구조의 유기태양전지 유닛의 제조
상기 순으로 제조 후 열증착기 내부에서 Al를 1 Å/s의 속도로 100 nm 증착하여 제2 유기태양전지 유닛을 제조하였다.
[실시예 1] 역방향-역방향 구조의 적층형 유기태양전지의 제조
제1 유기태양전지 유닛으로서 상기 비교예 1 의 역방향 유기태양전지 유닛을 이용하고, 제2 유기태양전지 유닛으로서 상기 비교예 2의 역방향 유기태양전지 유닛을 이용하였으며, 투명한 접착체를 상기 2개의 유기태양전지 유닛의 가장자리에 붙여 결합하여 역방향-역방향 구조의 적층형 유기태양전지를 제조하였다.
[실시예 2] 역방향-정방향 구조의 적층형 유기태양전지의 제조
제1 유기태양전지 유닛으로서 상기 비교예 1 의 역방향 유기태양전지 유닛을 이용하고, 제2 유기태양전지 유닛으로서 상기 비교예 3의 정방향 유기태양전지 유닛을 이용하였으며, 투명한 접착체를 상기 2개의 유기태양전지 유닛의 가장자리에 붙여 결합하여 역방향-정방향 구조의 적층형 유기태양전지를 제조하였다.
도 4 및 도 5는 본 명세서에 따른 실시예 및 비교예의 전류밀도-전압(J-V) 특성을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 상기 실시예 1 및 2, 비교예 1 내지 3에서 제조한 유기태양전지의 전기광학적 특성을 측정하기 위하여, ABET solar simulator를 이용해 표준 조건 (Air mass 1.5 Global, 100 mW/cm2)에서 전류-전압 밀도를 측정하였다.
상기 유기태양전지들의 광단락전류밀도(J sc), 광개방전압(V oc), 필팩터(Fill Factor; FF) 및 에너지 변환효율은 하기 표 1과 표 2에 나타내었다. 이때, Fill Factor(FF)는 최대 전력점에서 전압값(V max) × 전류밀도(J max)/(V oc × J sc), 에너지 변환효율은 FF × (J sc × V oc)/Pin, Pin = 100 [㎽/㎠]으로 계산하였다.
Sample # J sc(mA/cm2) V oc(V) FF η(%)
비교예 1 역방향 구조의 유기태양전지 유닛 8.30 0.846 45.49 3.20
비교예 2 역방향 구조의유기태양전지 유닛 3.81 0.807 57.17 1.76
실시예 1 역방향-역방향 구조의 적층형 유기태양전지 12.90 0.818 50.13 5.29
Sample # J sc(mA/cm2) V oc(V) FF η(%)
비교예 1 역방향 구조의 유기태양전지 유닛 7.32 0.830 56.24 3.42
비교예 3 정방향 구조의 유기태양전지 유닛 2.36 0.834 66.38 1.31
실시예 2 역방향-정방향 구조의 적층형 유기태양전지 10.61 0.841 57.16 5.10
표 1에서 비교예 1은 기판으로 빛이 입사하도록 하여 물성을 측정하였다. 또한, 표 1에서 비교예 2는 비교예 1의 유기태양전지를 통하여 빛이 통과한 후 비교예 2의 기판으로 빛이 입사하도록 하여 물성을 측정하였다. 또한, 표 1에서 실시예 1은 접착층으로 비교예 1의 금속 전극과 비교예 2의 기판을 접합하고, 비교예 1의 기판으로 빛이 입사하도록 하여 물성을 측정하였다.
상기 표 1과 도 4에서 알 수 있듯이, 실시예의 역방향-역방향 적층형 유기태양전지의 광단락전류밀도는 각각의 역방향 유기태양전지 유닛의 전류밀도의 합과 비슷하며, 광개방전압 및 필팩터는 이 둘의 중간값을 취하는 것을 보였다. 그래서 유기태양전지 유닛만을 측정한 결과보다 적층 유기태양전지의 전체적 효율은 약 65% 증가를 보였다.
표 2에서 비교예 1은 기판으로 빛이 입사하도록 하여 물성을 측정하였다. 또한, 표 2에서 비교예 3은 비교예 1의 유기태양전지를 통하여 빛이 통과한 후 비교예 3의 기판으로 빛이 입사하도록 하여 물성을 측정하였다. 또한, 표 2에서 실시예 2는 접착층으로 비교예 1의 금속 전극과 비교예 3의 기판을 접합하고, 비교예 1의 기판으로 빛이 입사하도록 하여 물성을 측정하였다.
상기 표 2과 도 5에서 알 수 있듯이, 실시예 2의 결과 또한 실시예 1과 유사한 경향을 보인다. 실시예의 역방향-정방향 적층형 유기태양전지의 광단락전류밀도는 각각의 역방향 유기태양전지 유닛과 정방향 유기태양전지 유닛의 전류밀도의 합과 비슷하며, 필팩터는 이 둘의 중간값을 취하는 것을 보였다. 그래서 유기태양전지 유닛만을 측정한 결과보다 적층 유기태양전지의 전체적 효율은 약 50% 증가를 보였다.

Claims (25)

  1. 제1 유기태양전지 유닛; 상기 제1 유기태양전지 유닛에 대향하여 구비된 제2 유기태양전지 유닛; 및 상기 제1 유기태양전지 유닛과 상기 제2 유기태양전지 유닛 사이에 구비된 접합층을 포함하고,
    상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛은 각각 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층을 포함하는 1층 이상의 유기물층을 포함하며,
    상기 접합층은 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극과 인접하여 구비되고,
    상기 제2 유기태양전지 유닛의 제1 전극은 50 ㎚ 두께 이상의 금속 전극인 것인 적층형 유기태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛은 역방향(inverted) 구조인 것인 적층형 유기태양전지.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛은 상기 제2 전극 상에 투명 기판을 포함하고, 상기 제1 전극은 애노드이며, 상기 제2 전극은 캐소드인 것인 적층형 유기태양전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 유기태양전지 유닛은 역방향(inverted) 구조 또는 정방향(normal) 구조인 것인 적층형 유기태양전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 유기태양전지 유닛은 상기 제2 전극과 상기 접합층 사이에 투명 기판을 포함하고, 상기 제1 전극은 애노드 또는 캐소드인 것인 적층형 유기태양전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛은 역방향(inverted) 구조인 것인 적층형 유기태양전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛은 역방향(inverted) 구조이고, 상기 제2 유기태양전지 유닛은 정방향(normal) 구조인 것인 적층형 유기태양전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극 및 제2 전극은 투명 전극인 것인 적층형 유기태양전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극은 투명 전극인 것인 적층형 유기태양전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극과 제2 전극, 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극은 투명 전극인 것인 적층형 유기태양전지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극과 제2 전극, 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극은 투명 전극이고,
    상기 투명 전극은 각각 투명 전도성 산화물층 또는 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극인 것인 적층형 유기태양전지.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나는 투명 전도성 산화물층이고, 다른 하나는 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극인 것인 적층형 유기태양전지.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극은 투명 전도성 산화물층인 것인 적층형 유기태양전지.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛의 제1 전극은 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극이고, 상기 제1 유기태양전지 유닛의 제2 전극 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 제2 전극은 투명 전도성 산화물층인 것인 적층형 유기태양전지.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 전도성 산화물층은 ITO; IZO; IZTO; ATO; AZO; GZO; FTO; ZTO; ZnO; FZO; IGZO; WO3; ZrO3; V2O7; MoO3; ReO3; 전도성 PEDOT 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 적층형 유기태양전지.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 20 ㎚ 두께 이하의 금속 전극은 금속; 금속 나노입자; 금속을 포함하는 코어-쉘 입자; 및 금속 메쉬로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 적층형 유기태양전지.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합층은 공기층; 유리; 투명 접착제; 및 투명 절연체로 이루어진 군에서 선택되는 것인 적층형 유기태양전지.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 유기물층은 각각 정공주입층; 정공수송층; 중간층(interlayer); 정공차단층; 전하발생층; 전자차단층; 및 전자수송층으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 유기물층을 더 포함하는 것인 적층형 유기태양전지.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 전자수송층은 티타늄 산화물; 아연 산화물; 및 세슘 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 적층형 유기태양전지.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 정공수송층은 PEDOT:PSS; 몰리브데늄 산화물; 바나듐 산화물; 니켈 산화물; 및 텅스텐 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 적층형 유기태양전지.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛은 각각 서로 같거나 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하는 것인 적층형 유기태양전지.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 광활성층은 각각 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하는 광활성 물질을 포함하는 것인 적층형 유기태양전지.
  23. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛 및 상기 제2 유기태양전지 유닛의 광활성층의 두께는 서로 상이한 것인 적층형 유기태양전지.
  24. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유기태양전지 유닛과 상기 접합층 사이; 또는 상기 제2 유기태양전지 유닛과 상기 접합층 사이에 광화학적 업컨버전층을 더 포함하는 것인 적층형 유기태양전지.
  25. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층형 유기태양전지는 상기 제1 유기태양전지 유닛이 외부를 향하도록 권취된 구조인 것인 적층형 유기태양전지.
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