KR101143477B1

KR101143477B1 - 유기 태양전지 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101143477B1
Application number: KR1020110008711A
Authority: KR
Inventors: 정상현; 강호관; 이재진; 신현범
Original assignee: (재)나노소자특화팹센터
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-05-22
Anticipated expiration: 2031-01-28

Abstract

전자 수용층과 전자 도너층의 계면 면적을 증가시켜 높은 에너지 변환효율을 가지는 유기 태양전지 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 유기 태양전지는 상면에 규칙적인 패턴이 형성된 양극; 상기 양극 상에 형성되고 상기 양극의 패턴 모양을 따라 상면에 규칙적인 패턴이 형성된 전자 수용층; 상기 전자 수용층 상에 형성된 전자 도너층; 및 상기 전자 도너층 상에 형성된 음극을 포함한다.

Description

유기 태양전지 및 그 제조 방법 {Organic solar cell and method of fabricating the same}

본 발명은 유기 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 패턴화된 pn 접합을 형성하여 효율을 개선한 유기 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

태양전지는 태양광 에너지를 직접 전기로 변환시키는 광전 변환 소자로, 사용되는 재료에 따라 크게 실리콘 태양전지, 유기 태양전지로 분류될 수 있다. 실리콘 태양전지는 고가이며, 매장량에 제한이 있어 본격적인 태양광 에너지 응용에 제한을 받고 있는 것에 반해, 유기 태양전지는 저렴한 비용과 특별한 진공 설비가 필요로 하지 않는 제조공정상의 용이성으로 인해 제조 단가 낮아서 생산성이 매우 좋다. 그리고, 저온 공정으로 인해 유리 기판이나 플렉시블(flexible) 기판에 사용가능하며, 이에 따라 굽힘 가능한 소자의 제작 가능성 등의 장점을 바탕으로 최근 관심이 집중되고 있다.

도 1은 일반적인 유기 태양전지의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 유기 태양전지(1)는 투명 기판(10) 상에 양극(20)인 투명 전극이 형성되어 있고, 양극(20) 위에 전자 수용층(30) 및 전자 도너층(40)이 순차 형성되어 있다. 전자 도너층(40) 위에는 음극(50)인 금속 전극이 형성되어 있다.

이러한 유기 태양전지(1)의 전자 수용층(30)에서 빛을 흡수하기 위해서는 100nm 이상의 두께를 가져야 하는데, 전자 수용층(30)에서 생성된 엑시톤(exciton : 전자-정공 쌍)의 확산 거리(diffusion distance)는 약 10nm이다. 그러므로 전자-정공의 분리율(separation rate)이 감소하여 효율이 감소하는 문제가 있다.

그리고, 이중층(bilayer) 구조를 가지는 벌크-이종 접합(bulk-hetero junction)에서도 전자 수용층과 전자 도너층이 격리(isolation)되어 있고 계면 면적이 작아서 효율이 낮아지는 단점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전자 수용층과 전자 도너층의 계면 면적을 증가시켜 높은 에너지 변환효율을 가지는 유기 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 상면에 규칙적인 패턴이 형성된 양극; 상기 양극 상에 형성되고 상기 양극의 패턴 모양을 따라 상면에 규칙적인 패턴이 형성된 전자 수용층; 상기 전자 수용층 상에 형성된 전자 도너층; 및 상기 전자 도너층 상에 형성된 음극을 포함한다. 이로써 본 발명에 따른 유기 태양전지는 패턴화된 pn 접합을 포함하게 되어 전자 수용층과 전자 도너층의 계면 면적이 증가된다.

이러한 유기 태양전지에 있어서, 상기 전자 도너층은 상기 전자 수용층의 패턴 모양을 따라 상면에 규칙적인 패턴이 형성되어 있을 수 있다. 상기 양극과 전자 수용층의 상기 패턴은 2개의 단으로 이루어진 복수의 기둥을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 기둥은 높이가 b이고 윗면 길이가 3a인 하단과 높이와 윗면 길이가 a인 상단으로 이루어지고 인접한 기둥 사이의 거리는 a이며, 이 때 a는 10~100nm, b는 20~200nm일 수 있다.

본 발명에 따른 유기 태양전지 제조 방법에서는 상면에 규칙적인 패턴이 형성된 양극을 투명 기판 상에 형성한다. 상기 양극의 패턴 모양을 따라 상면에 규칙적인 패턴이 형성된 전자 수용층을 상기 양극 상에 형성한다. 전자 도너층과 음극을 상기 전자 수용층 상에 순차적으로 형성한다.

상면에 규칙적인 패턴이 형성된 양극을 투명 기판 상에 형성하는 단계는 투명 기판 상에 투명 전극 물질을 도포하여 양극을 형성하는 단계 및 상기 양극 상면에 사진 식각 또는 나노 임프린트에 의해 규칙적인 패턴을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 전자 도너층과 전자 수용층 계면, 즉 pn 접합에 규칙적인 패턴을 추가하여 전자 수용층과 전자 도너층의 계면 면적을 증가시킴으로써 태양전지 효율을 높일 수 있다.

전자 도너층과 전자 수용층 계면 사이에 형성되는 패턴은 양극 상면에 형성되는 3차원 패턴에 의해 형성되는 100nm 이하급 3차원 구조의 패턴으로서, 이러한 패턴을 1차원 또는 2차원 배열로 규칙적으로 배열하여 전자 도너층과 전자 수용층 계면의 표면적을 높이고 엑시톤(전자-정공 쌍)의 확산을 용이하게 하고 분리를 증가시켜 엑시톤의 재결합(recombination)을 줄여서 유기 태양전지의 효율을 높인다.

따라서, 본 발명에 의하면 고효율 유기 태양전지를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 제조 방법이 간단하고 저렴한 비용으로 높은 효율을 가지는 태양전지를 제공함으로써 환경친화적이고, 재생가능한 에너지원을 활용할 수 있는 유기 태양전지 제조에 응용할 수 있다.

도 1은 일반적인 유기 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유기 태양전지의 단면도이다.
도 3은 도 2의 A 부분 확대도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유기 태양전지 제조 방법을 설명하기 위한 공정별 도면이다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.

도 2는 본 발명에 따른 유기 태양전지의 단면도이고, 도 3은 도 2의 A 부분 확대도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 유기 태양전지(100)는 투명 기판(110) 상에 양극(120), 전자 수용층(130), 전자 도너층(140) 및 음극(150)을 포함한다.

투명 기판(110)은 유리 기판 또는 굽힘 가능한 고분자 기판일 수 있다. 굽힘 가능한 고분자 기판은 높은 화학적 안정성, 기계적 강도 및 투명도를 가지는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에테르이미드(PEI) 중에서 선택될 수 있다.

이러한 투명 기판(110) 상에 형성된 양극(120)은 상면에 규칙적인 패턴(123)이 형성되어 있다. 이러한 패턴(123)은 사진 식각 또는 나노 임프린트 방법에 의해 형성할 수 있으며 후술하는 제조 방법에서 상세히 설명한다. 양극(120) 물질은 인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO) 등의 투명산화물, 전도성 고분자, 탄소나노튜브 박막, 그라펜(graphene) 박막, 그라펜 산화물(graphene oxide) 박막, 금속이 결합된 탄소나노튜브 박막 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택된 투명 전극 물질을 투명 기판(110) 상에 도포하여 형성된다.

양극(120) 상에 형성된 전자 수용층(130)도 양극(120)의 패턴(123) 모양을 따라 상면에 규칙적인 패턴(133)이 형성되어 있다. 전자 수용층(130) 물질은 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM], (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester, C70-PCBM], 풀러렌(fullerene, C60), (6,6)-티에닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르[(6,6)-thienyl-C61-butyric acid methyl ester; ThCBM], 탄소나노튜브 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있다. 이러한 물질은 양극(120) 상에 컨퍼멀(conformal)하게 도포되는 특성을 가지고 있어 패턴(133)을 일부러 형성하지 않아도 양극(120)의 패턴(123) 모양을 따라 자연적으로 패턴(133)이 형성된다.

전자 수용층(130) 상면에 규칙적인 패턴(133)이 형성되어 있기 때문에 전자 수용층(130)과 그 위에 형성되는 전자 도너층(140) 사이의 계면은 기존의 평평한 모양이 아니라 굴곡진 모양이 된다. 이로써 본 발명에 따른 유기 태양전지(100)는 패턴화된 pn 접합을 포함하게 된다. 전자 도너층(140)은 도시한 바와 같이 전자 수용층(130)의 패턴(133) 모양을 따라 상면에 규칙적인 패턴(143)이 형성되어 있을 수도 있고 패턴(143) 없이 평평한 상면을 가질 수도 있다.

전자 도너층(140) 물질은 폴리-3-헥실티오펜[poly-3-hexylthiophene, P3HT], 폴리-3-폴리-3-옥틸티오펜[poly-3-octylthiophene, P3OT], 폴리파라페닐렌비닐렌[poly-p-phenylenevinylene, PPV], 폴리(디옥틸플루오렌)[poly(9,9'-dioctylfluorene)], 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)[poly(2-methoxy,5-(2-ethyle-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, MEH-PPV], 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌비닐렌[poly(2-methyl,5-(3',7'-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene, MDMO-PPV] 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있다.

전자 도너층(140) 상에 형성된 음극(150) 물질은 금속으로 선택될 수 있다.

도 3을 참조하면, 양극(120)과 전자 수용층(130)의 패턴(123, 133)은 각각 2개의 단(121, 122, 131, 132)으로 이루어진 복수의 기둥을 포함한다. 기둥은 정방형, 원형, 직방형, 또는 임의의 다른 형상의 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2와 3은 정방형을 가진 기둥의 단면도를 도시하고, 이 때, 기둥은 높이가 b이고 윗면 길이가 3a인 하단(121, 131)과 높이와 윗면 길이가 a인 상단(122, 132)으로 이루어지고 인접한 기둥 사이의 거리는 a이며, 이 때 a는 10~100nm, b는 20~200nm일 수 있다.

따라서, 전자 도너층(140)과 전자 수용층(130) 계면 사이에 형성되는 패턴(133)은 100nm 이하급 3차원 구조의 패턴으로서, 이러한 패턴을 1차원 또는 2차원 배열로 규칙적으로 배열하여 전자 도너층(140)과 전자 수용층(130) 계면의 표면적을 높이고 엑시톤(전자-정공 쌍)의 확산을 용이하게 하고 분리를 증가시켜 엑시톤의 재결합을 줄여서 유기 태양전지의 효율을 높일 수 있으며 이러한 패턴은 양극(120) 상면에 형성한 패턴(123)으로부터 유래하는 것이 특징이다.

도 4는 본 발명에 따른 유기 태양전지 제조 방법을 설명하기 위한 공정별 도면이다. 진공 증착을 필요로 하지 않고, 스핀코팅이나 딥 코팅(dip-coating), 닥터 블레이딩(doctor blading) 등과 같은 용액 공정으로 제작이 가능하여 제작비용이나 공정의 용이성 면에서 큰 장점을 가지고 있다.

도 4를 참조하면, (a)를 참조하여 투명 기판(110) 상에 앞에 설명한 바와 같은 투명 전극 물질을 도포하여 양극(120)을 형성한다. 그런 다음, (b)를 참조하여 양극(120) 상면에 사진 식각 또는 나노 임프린트에 의해 규칙적인 패턴(123)을 형성한다. 패턴(123)의 모양은 도 3을 참조하여 설명한 바와 같다.

잘 알려진 바와 같이 사진 식각 방법은 양극(120) 위에 적절한 마스크를 형성한 후 마스크에 의해 덮이지 않은 부분을 식각 가스 등으로 제거하여 식각하고 마스크를 제거하여 패턴(123)을 형성하는 방법이다. 100nm 이하급 3차원 구조를 형성하기 위하여 적절한 파장의 포토 리소그라피 혹은 전자빔 리소그라피를 이용할 수 있다.

나노 임프린트 방법은 금속, 금속산화물, 세라믹, 반도체 등으로 된 몰드를 준비하여 양극(120)에 접촉시켜 패턴(123)을 전사하는 방법이다. 투명 기판(110) 하부에 열을 가하여 양극(120)을 유동시키고, 패턴 구조를 가지는 몰드를 양극(120) 상부에 위치시킨 다음, 몰드의 상부에 압력을 가하여 양극(120) 상면에 패턴(123)을 형성하거나, 양극(120) 물질이 굳기 전에 패턴 구조를 가지는 몰드를 양극(120) 상부에 올려놓아 모세관 현상을 이용하여 양극(120) 상면에 패턴(123)을 형성하는 방법이 가능하다.

다음 (c)를 참조하여, 양극(120) 상에 전자 수용층(130)을 형성한다. 앞서 설명한 전자 수용층(130) 물질은 양극(120) 상에 컨퍼멀하게 도포되는 특성을 가지고 있어 양극(120)의 패턴(123) 모양을 따라 전자 수용층(130) 상면에 패턴(133)이 자연적으로 형성된다.

양극(120)과 전자 수용층(130) 사이에 정공전달층을 추가로 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 정공전달층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리스티렌설포네이트[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrenesulfonate], 폴리아닐린(polyaniline), 구리 프탈로시아닌(copper phthalo cyanine, CuPC), 폴리티오페닐렌비닐렌(polyhiophenylenevinylene), 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-p-phenylenevinylene), 폴리메틸페닐실란[poly(methyl phenyl silane)] 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있는 정공전달 물질을 도포하여 형성한다.

계속하여 (d)를 참조하여 전자 도너층(140)을 형성하고 (e)를 참조하여 음극(150)을 형성한다. 전자 도너층(140)은 패턴(143)을 가질 수도 있으나 평평한 상면을 가질 수도 있다. 이것은 스핀-온 기술, 접촉 평탄화 등을 포함한 방법에 의해 달성될 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다. 그리고, 블랭킷 에칭, 화학적 기계적 연마(polishing)/평탄화 등의 방법도 이용될 수 있다.

전자 도너층(140)과 음극(150) 사이에도 전자전달층을 추가로 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 전자전달층은 리튬플로라이드(lithium flouride, LiF), 칼슘(calcium), 리튬(lithium), 티타늄산화물(titanium oxide) 및 이들의 혼합물로 구성된 군에서 선택될 수 있는 전자전달 물질을 도포하여 형성한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims

상면에 규칙적인 패턴이 형성된 양극;
상기 양극 상에 형성되고 상기 양극의 패턴 모양을 따라 상면에 규칙적인 패턴이 형성된 전자 수용층;
상기 전자 수용층 상에 형성된 전자 도너층; 및
상기 전자 도너층 상에 형성된 음극을 포함하는 유기 태양전지.
제1항에 있어서, 상기 전자 도너층은 상기 전자 수용층의 패턴 모양을 따라 상면에 규칙적인 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
제1항에 있어서, 상기 양극과 전자 수용층의 상기 패턴은 2개의 단으로 이루어진 복수의 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
제3항에 있어서, 상기 기둥은 높이가 b이고 윗면 길이가 3a인 하단과 높이와 윗면 길이가 a인 상단으로 이루어지고 인접한 기둥 사이의 거리는 a이며, 이 때 a는 10~100nm, b는 20~200nm인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.
(a) 상면에 규칙적인 패턴이 형성된 양극을 투명 기판 상에 형성하는 단계;
(b) 상기 양극의 패턴 모양을 따라 상면에 규칙적인 패턴이 형성된 전자 수용층을 상기 양극 상에 형성하는 단계;
(c) 전자 도너층을 상기 전자 수용층 상에 형성하는 단계; 및
(d) 상기 전자 도너층 상에 음극을 형성하는 단계를 포함하는 유기 태양전지 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 전자 도너층은 상기 전자 수용층의 패턴 모양을 따라 상면에 규칙적인 패턴이 형성되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 양극과 전자 수용층의 상기 패턴은 2개의 단으로 이루어진 복수의 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 기둥은 높이가 b이고 윗면 길이가 3a인 하단과 높이와 윗면 길이가 a인 상단으로 이루어지고 인접한 기둥 사이의 거리는 a이며, 이 때 a는 10~100nm, b는 20~200nm인 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 (a) 단계는
투명 기판 상에 투명 전극 물질을 도포하여 양극을 형성하는 단계; 및
상기 양극 상면에 사진 식각 또는 나노 임프린트에 의해 규칙적인 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지 제조 방법.