KR101982767B1

KR101982767B1 - 태양 전지 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101982767B1
Application number: KR1020120125683A
Authority: KR
Inventors: 인수강; 조길원; 최용석; 조새벽; 김흥규; 심명선
Original assignee: 삼성전자주식회사; 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2019-05-28
Anticipated expiration: 2032-11-07
Also published as: KR20130137514A

Abstract

제1 전극, 상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 전자 공여체 및 전자 수용체를 포함하는 광 활성층, 그리고 상기 제1 전극과 상기 광 활성층 사이에 위치하는 부분 산화된 금속 박막을 포함하는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

태양 전지 및 그 제조 방법{SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.

태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광 활성층에서 태양 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.

태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양 전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 전자-정공 쌍을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다.

일 구현예는 효율을 개선할 수 있는 태양 전지를 제공한다.

다른 구현예는 상기 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.

일 구현예에 따르면, 제1 전극, 상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 전자 공여체 및 전자 수용체를 포함하는 광 활성층, 그리고 상기 제1 전극과 상기 광 활성층 사이에 위치하는 부분 산화된 금속 박막을 포함하는 태양 전지를 제공한다.

상기 부분 산화된 금속 박막은 비산화된 금속의 일 함수와 완전 산화된 금속의 일 함수 사이의 일 함수를 가질 수 있다.

상기 부분 산화된 금속 박막의 일 함수와 상기 제1 전극의 일 함수의 차이는 약 0.2eV 내지 0.95eV일 수 있고, 상기 부분 산화된 금속 박막의 일 함수와 상기 전자 공여체의 HOMO 레벨의 차이는 약 0.05eV 내지 1.0eV일 수 있다.

상기 부분 산화된 금속 박막의 일 함수와 상기 제1 전극의 일 함수의 차이는 약 0.4eV 내지 0.8eV일 수 있고, 상기 부분 산화된 금속 박막의 일 함수와 상기 전자 공여체의 HOMO 레벨의 차이는 약 0.1eV 내지 0.75eV일 수 있다.

상기 전자 공여체는 약 5.4 내지 6.0eV의 HOMO 레벨을 가질 수 있다.

상기 부분 산화된 금속은 약 5.2 내지 5.8eV의 일 함수를 가질 수 있다.

상기 부분 산화된 금속은 약 5.4 내지 5.6eV의 일 함수를 가질 수 있다.

상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 금속은 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 이리듐(Ir), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 로듐(Rh) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 금속은 티타늄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상기 부분 산화된 금속 박막은 약 10nm 이하의 두께를 가질 수 있다.

다른 구현예에 따르면, 제1 전극을 형성하는 단계, 금속 박막을 형성하는 단계, 상기 금속 박막을 일부 산화시켜 부분 산화된 금속 박막을 형성하는 단계, 전자 공여체 및 전자 수용체를 포함하는 광 활성층을 형성하는 단계, 그리고 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.

상기 금속 박막을 일부 산화시키는 단계는 약 200℃ 내지 600℃에서 산소 함유 기체를 공급하여 어닐링할 수 있다.

상기 금속 박막을 일부 산화시키는 단계는 산소 기체(O₂) 및 오존 기체(O₃) 중 적어도 하나를 약 10 내지 200sccm 유량으로 공급하여 약 1분 내지 30분 동안 어닐링할 수 있다.

상기 부분 산화된 금속 박막은 비산화된 금속 박막의 일 함수와 완전 산화된 금속의 일 함수 사이의 일 함수를 가질 수 있다.

광 활성층의 에너지 레벨에 맞추어 중간층의 일 함수를 조절함으로써 전하 이동성을 높일 수 있다. 특히 비교적 높은 에너지 레벨을 가지는 전자 공여체를 사용하는 경우에도 상기 전자 공여체의 에너지 레벨에 맞추어 중간층의 일 함수를 용이하게 제어함으로써 개방전압(open circuit voltage)을 높이면서도 전하 이동도를 높여 궁극적으로 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.

도 1은 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 2는 실험예 1에 따른 부분 산화된 몰리브덴 박막의 어닐링 시간에 따른 일 함수 변화를 보여주는 그래프이고,
도 3은 실험예 2에 따른 부분 산화된 몰리브덴 박막의 어닐링 온도에 따른 일 함수 변화를 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

일 구현예에 따른 태양 전지에 대하여 도면을 참고하여 설명한다.

도 1은 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.

도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 태양 전지(100)는 기판(도시하지 않음), 제1 전극(10), 제1 전극(10)과 마주하는 제2 전극(20), 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 광 활성층(30), 그리고 제1 전극(10)과 광 활성층(30) 사이에 위치하는 부분 산화된 금속 박막(40)을 포함한다.

기판은 제1 전극(10) 또는 제2 전극(20) 측에 위치할 수 있으며, 투광성 물질로 만들어질 수 있다. 상기 투광성 물질은 예컨대 유리와 같은 무기 물질 또는 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기 물질을 포함할 수 있다.

제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)일 수 있다. 제1 전극(10) 및 제2 전극(20) 중 하나는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 도핑된 산화아연 (indium doped ZnO, IZO), 산화주석(SnO₂), 알루미늄 도핑된 산화아연(aluminum doped ZnO, AZO), 갈륨 도핑된 산화아연(gallium doped ZnO, GZO) 따위의 투명 도전체로 만들어질 수 있고, 다른 하나는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 리튬(Li) 등의 불투명 도전체로 만들어질 수 있다.

광 활성층(30)은 n형 반도체 물질로 만들어진 전자 수용체와 p형 반도체 물질로 만들어진 전자 공여체를 포함하는 광 활성물질로 만들어질 수 있다.

상기 전자 수용체와 상기 전자 공여체는 예컨대 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조를 이룰 수 있다. 상기 벌크 이종접합 구조인 경우, 광 활성층(30)에 흡수된 빛에 의해 여기된 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 확산을 통해 전자 수용체와 전자 공여체의 계면에 도달하면 그 계면을 이루는 두 물질의 전자 친화도 차이에 의하여 전자와 정공으로 분리되고, 전자는 전자 수용체를 통해 캐소드로 이동하고 정공은 전자 공여체를 통해 애노드로 이동하여 광 전류(photocurrent)를 발생시킨다.

상기 광 활성물질은 예컨대 폴리아닐린; 폴리피롤; 폴리티오펜; 폴리(p-페닐렌비닐렌); 벤조디티오펜(benzodithiophene); 티에노티오펜(thienothiophene); MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene); MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene); 펜타센; 페릴렌(perylene); 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜); 폴리((4,8-비스(옥틸옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((도데실옥시)카르보닐)티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(octyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((dodecyloxy)carbonyl)thieno(3,4-b)thiophenediyl)-3,6-diyl), PTB1); 폴리((4,8-비스(2-에틸헥실옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((2-에틸헥실옥시)카르보닐)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(2-ethylhexyloxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((2-ethylhexyloxy)carbonyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophenediyl)-3,6-diyl)), PTB7); 프탈로시아닌(phthalocyanine); 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc); 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine); 트리아릴아민(triarylamine); 벤지딘(bezidine); 피라졸린(pyrazoline); 스티릴아민(styrylamine); 하이드라존(hydrazone); 카바졸(carbazole); 티오펜(thiophene); 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT); 피롤(pyrrole); 페난트렌(phenanthrene); 테트라센(tetracence); 나프탈렌(naphthalene); 루브렌(rubrene); 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA); Alq₃ _; 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM과 같은 플러렌 유도체들; CdS, CdTe, CdSe, ZnO 등과 같은 무기 반도체; 이들의 유도체 및 이들의 공중합체에서 선택되는 적어도 2종을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

여기서 에너지 레벨이 상이한 2종 이상의 광 활성물질이 벌크 이종접합을 형성할 때, LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨이 상대적으로 낮은 물질이 전자 수용체로 사용되고, LUMO 레벨이 상대적으로 높은 물질이 전자 공여체로 사용될 수 있다.

예컨대 상기 전자 수용체는 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM과 같은 플러렌 유도체일 수 있다.

예컨대 상기 전자 공여체는 비교적 높은 HOMO 레벨을 가지는 고분자일 수 있으며, 예컨대 약 5.4 내지 6.0eV의 HOMO 레벨을 가지는 고분자, 그 중에서도 약 5.5 내지 6.0eV의 HOMO 레벨을 가지는 고분자일 수 있다. 이와 같이 비교적 높은 HOMO 레벨을 가지는 고분자를 전자 공여체로 사용함으로써 개방전압을 높여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.

이러한 고분자로는 예컨대 카바졸계 화합물, 플루오렌계 화합물, 할로겐화 축합된 티오펜(halogenated fused thiophene), 디테에노[3,2-b:2',3'-d]실롤(dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)계 화합물 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

부분 산화된 금속 박막(40)은 제1 전극(10)과 광 활성층(30) 사이에 위치하며 광 활성층(30)과 제1 전극(10) 사이의 전하 이동성을 높이는 중간층(interlayer)으로서 역할을 할 수 있다. 도면에서는 부분 산화된 금속 박막(40)이 제1 전극(10)과 광 활성층(30) 사이에 위치하는 것만 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 제1 전극(10)과 광 활성층(30) 사이 및 제2 전극(20)과 광 활성층 (30) 사이에 모두 위치할 수 있다.

여기서 부분 산화된 금속 박막(40)은 완전 산화된 금속 박막(fully oxidized metal thin film)과 달리, 박막 내에 금속 부분과 금속 산화물 부분을 함께 포함하는 것을 의미한다.

부분 산화된 금속 박막(40)은 비산화된 금속(non-oxidized metal)의 일 함수와 완전 산화된 금속의 일 함수 사이의 일 함수를 가질 수 있다.

상기 완전 산화된 금속은 상기 비산화된 금속보다 높은 일 함수를 가질 수 있으며, 상기 비산화된 금속을 산화함에 따라 일 함수를 높일 수 있다. 따라서 금속의 산화 정도를 조절하여 원하는 일 함수를 가지는 부분 산화된 금속 박막(40)을 형성할 수 있다.

부분 산화된 금속 박막(40)은 제1 전극(10)의 일 함수와 광 활성층(30)을 이루는 전자 공여체 또는 전자 수용체의 에너지 레벨 사이의 일 함수를 가지도록 제어될 수 있다.

제1 전극(10)이 애노드인 경우, 부분 산화된 금속 박막(40)은 제1 전극(10)의 일 함수와 광 활성층(30)을 이루는 전자 공여체의 HOMO 레벨 사이의 일 함수를 가지도록 제어될 수 있다.

이 때 부분 산화된 금속 박막(40)의 일 함수는 제1 전극(10)의 일 함수 및 상기 전자 공여체의 HOMO 레벨과 소정 범위의 차이를 가질 수 있다. 예컨대 부분 산화된 금속 박막(40)과 제1 전극(10)의 일 함수의 차이는 약 0.2eV 내지 약 0.95eV일 수 있으며, 부분 산화된 금속 박막(40)의 일 함수와 상기 전자 공여체의 HOMO 레벨의 차이는 약 0.05eV 내지 1.0eV 일 수 있다. 그 중에서도 부분 산화된 금속 박막(40)과 하부 전극(10)의 일 함수의 차이는 약 0.4eV 내지 약 0.8eV일 수 있으며, 부분 산화된 금속 박막(40)의 일 함수와 상기 전자 공여체의 HOMO 레벨의 차이는 약 0.1eV 내지 약 0.75eV 일 수 있다.

상기 범위의 에너지 레벨 차이를 가짐으로써 광 활성층(30)에서 생성된 정공이 부분 산화된 금속 박막(40)을 통과하여 제1 전극(10)으로 이동할 때 에너지 장벽을 줄여 전하 이동성을 높일 수 있다. 또한 상기 범위의 에너지 레벨 차이를 가짐으로써 광 활성층(30)에서 생성된 전자가 부분 산화된 금속 박막(40)을 통하여 애노드 측으로 이동하는 것을 차단함으로써 재결합에 의해 정공이 소실되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.

특히 전술한 바와 같이 상기 전자 공여체가 비교적 높은 HOMO 레벨을 가지는 고분자인 경우, 상기 에너지 레벨 차이를 가지기 위하여 중간층의 일 함수 또한 조절될 필요가 있다. 예컨대 상기 전자 공여체가 약 5.4 내지 6.0eV의 HOMO 레벨을 가지는 고분자인 경우, 부분 산화된 금속 박막(40)은 약 5.2 내지 5.8eV의 일 함수를 가지도록 조절될 수 있다. 상기 범위 내에서 부분 산화된 금속 박막(40)은 약 5.4 내지 5.6eV의 일 함수를 가지도록 조절될 수 있다.

이에 따라 비교적 높은 HOMO 레벨을 가지는 전자 공여체를 사용하는 경우에도 상기 전자 공여체의 에너지 레벨에 맞추어 중간층의 일 함수를 용이하게 제어할 수 있다. 따라서, 비교적 높은 HOMO 레벨을 가지는 전자 공여체에 의해 개방전압을 높이면서도 중간층에 의해 전하 이동도를 높임으로써 궁극적으로 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.

상기에서는 제1 전극(10)이 애노드인 경우에 대하여 설명하였지만, 제1 전극(10)이 캐소드인 경우에도 동일하게 설명될 수 있다. 이 경우 광 활성층(30)을 이루는 전자 공여체의 HOMO 레벨 대신 전자 수용체의 LUMO 레벨로 설명될 수 있다.

제1 전극(10)이 애노드인 경우, 상기 금속은 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 이리듐(Ir), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 로듐(Rh) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

제1 전극(10)이 캐소드인 경우, 상기 금속은 티타늄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

부분 산화된 금속 박막(40)은 약 10nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 그 중에서도 약 3nm 내지 10nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써 투과도를 저하시키지 않으면서도 원하는 일 함수를 가지는 중간층으로 형성될 수 있다.

이하 상기 태양 전지를 제조하는 방법에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.

일 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 제1 전극(10)을 형성하는 단계, 금속 박막을 형성하는 단계, 상기 금속 박막을 일부 산화시켜 부분 산화된 금속 박막(40)을 형성하는 단계, 전자 공여체 및 전자 수용체를 포함하는 광 활성층(30)을 형성하는 단계, 그리고 제2 전극(20)을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 제1 전극(10)을 형성하는 단계는 예컨대 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 도핑된 산화아연(IZO), 산화주석(SnO₂), 알루미늄 도핑된 산화아연(AZO), 갈륨 도핑된 산화아연(GZO) 따위의 투명 도전체 또는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 리튬(Li) 등의 불투명 도전체를 예컨대 스퍼터링 또는 증착 방법으로 단일층 또는 복수층으로 형성할 수 있다.

상기 금속 박막을 형성하는 단계는 예컨대 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 이리듐(Ir), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 로듐(Rh), 티타늄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si) 또는 이들의 조합을 예컨대 스퍼터링 또는 증착 방법으로 적층할 수 있다.

상기 금속 박막을 일부 산화시키는 단계는 상기 금속 박막을 약 10^-3 Torr 이하의 진공 분위기의 챔버에 두고 산소 함유 기체를 공급하여 어닐링할 수 있다. 이 때 어닐링 온도는 약 200 내지 600℃ 일 수 있고, 산소 함유 기체는 산소 기체(O₂), 오존 기체(O₃) 또는 이들의 혼합 기체일 수 있으며 이를 약 10 내지 200sccm의 유량으로 약 1분 내지 30분 동안 공급할 수 있다. 상기 어닐링은 상기 금속 박막이 완전히 산화되기 전에 중단할 수 있다.

상기 광 활성층(30)을 형성하는 단계는 전자 공여체 고분자와 전자 수용체 고분자의 혼합 용액을 예컨대 스핀 코팅, 잉크젯 인쇄 등과 같은 용액 공정으로 도포하고 건조할 수 있다.

상기 제2 전극(20)을 형성하는 단계는 예컨대 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 도핑된 산화아연(IZO), 산화주석(SnO₂), 알루미늄 도핑된 산화아연(AZO), 갈륨 도핑된 산화아연(GZO) 따위의 투명 도전체 또는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 리튬(Li) 등의 불투명 도전체를 예컨대 스퍼터링 또는 증착 방법으로 단일층 또는 복수층으로 형성할 수 있다.

이하 본 기재의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 기재의 일 실시예일 뿐이며, 본 기재가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

어닐링 조건에 따른 일 함수 변화 확인

실험예 1

ITO 기판 위에 스퍼터링 방법으로 9nm 두께의 몰리브덴 박막을 형성한다. 이어서 상기 ITO 기판을 진공 챔버에 두고 350℃에서 산소 기체(O₂)를 50sccm의 유량으로 공급하면서 부분 산화된 몰리브덴 박막을 형성한다. 이 때 어닐링 시간에 따른 부분 산화된 몰리브덴 박막의 일 함수 변화를 확인한다.

실험예 2

ITO 기판 위에 스퍼터링 방법으로 9nm 두께의 몰리브덴(Mo)/티타늄(Ti) 박막을 형성한다. 이어서 상기 ITO 기판을 진공 챔버에 두고 산소 기체(O₂)를 50sccm의 유량으로 5분간 공급하면서 부분 산화된 몰리브덴 박막을 형성한다. 이 때 어닐링 온도를 100℃, 200℃, 300℃, 400℃ 및 500℃로 바꾸면서, 어닐링 온도에 따른 부분 산화된 몰리브덴 박막의 일 함수 변화를 확인한다.

평가 1

도 2는 실험예 1에 따른 부분 산화된 몰리브덴 박막의 어닐링 시간에 따른 일 함수 변화를 보여주는 그래프이고, 도 3은 실험예 2에 따른 부분 산화된 몰리브덴 박막의 어닐링 온도에 따른 일 함수 변화를 보여주는 그래프이다.

도 2를 참고하면, 어닐링 시작한 후 약 10분 동안 일 함수가 점차적으로 높아지는 것을 확인할 수 있고 약 10분 후에는 일 함수의 변화가 거의 없거나 다소 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 실험예 1의 조건에서 어닐링 시간이 약 10분 이하인 경우 부분 산화된 몰리브덴 박막이 형성되어 일 함수를 조절할 수 있음을 알 수 있고 어닐링 시간이 약 10분을 초과하는 경우에는 완전 산화되어 일 함수가 거의 고정되어 있음을 알 수 있다.

도 3을 참고하면, 어닐링 온도가 높아짐에 따라 일 함수가 점차적으로 높아지는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 어닐링 온도를 조절함으로써 소정 값의 일 함수를 가지는 부분 산화된 금속 박막을 형성할 수 있음을 알 수 있다.

태양 전지의 제조

실시예 1

1mm 두께의 투명 유리기판 위에 스퍼터링 방법으로 150 nm 두께의 ITO 애노드를 형성한다. 이어서, 상기 ITO 애노드 위에 9nm 두께의 몰리브덴 박막을 스퍼터링 방법으로 형성한다. 이어서 상기 기판을 진공 챔버에 두고 350℃에서 산소 기체(O₂)를 50sccm의 유량으로 7분간 공급하여 부분 산화된 몰리브덴 박막(일 함수: 5.4eV)을 형성한다. 이어서 하기 화학식 A로 표현되는 전자 공여체(Mw = 59.9 kg/mol, HOMO 레벨: 5.5eV) 7 mg과 C71-PCBM 28 mg을 클로로벤젠(chlorobenzene) 1 ml에서 용해한 혼합물을 준비한 후 상기 부분 산화된 몰리브덴 박막 위에 스핀 코팅으로 도포하여 광 활성층을 형성한다. 이어서 상기 광 활성층 위에 80nm 두께의 알루미늄(Al) 캐소드를 형성하여 태양 전지를 제조한다.

[화학식 A]

실시예 2

상기 화학식 A로 표현되는 전자 공여체 대신 하기 화학식 B로 표현되는 전자 공여체(Mw=15.7 kg/mol)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조한다.

[화학식 B]

실시예 3

상기 화학식 A로 표현되는 전자 공여체 대신 하기 화학식 C로 표현되는 전자 공여체(Mw=386 kg/mol)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조한다.

[화학식 C]

비교예 1

부분 산화된 몰리브덴 박막을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조한다.

비교예 2

부분 산화된 몰리브덴 박막을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 태양 전지를 제조한다.

비교예 3

부분 산화된 몰리브덴 박막을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 태양 전지를 제조한다.

평가 2

실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 3에 따른 태양 전지의 물성을 평가한다.

먼저 실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 3에 따른 태양 전지의 광 전류 전압을 측정하고, 측정된 광 전류 곡선으로부터 개방 회로 전압(open-circuit voltage, Voc), 전류 밀도(short-circuit current, Jsc) 및 충진계수(fill factor, FF)를 계산한다. 또한 이로부터 태양 전지의 효율을 평가한다.

광원으로는 제논 램프(xenon lamp, Oriel, 01193)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양 조건(AM 1.5)은 표준 태양 전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si + KG 필터)를 사용하여 보정한다.

그 결과는 표 1과 같다.

	Voc (mV)	Jsc (㎃/㎠)	FF(%)	효율(%)
실시예 1	0.92	9.33	59.6	5.12
비교예 1	0.90	9.82	52.9	4.68
실시예 2	0.83	2.39	57.1	1.135
비교예 2	0.77	2.71	44.1	0.92
실시예 3	0.92	1.56	67.5	0.97
비교예 3	0.62	2.05	50.4	0.70

표 1을 참고하면, 실시예 1, 2 및 3에 따른 태양 전지는 각각 비교예 1, 2 및 3에 따른 태양 전지와 비교하여 전류 밀도가 높고 효율이 높은 것을 확인할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10: 제1 전극 20: 제2 전극
30: 광 활성층 40: 부분 산화된 금속 박막
100: 태양전지

Claims

제1 전극,
상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 전자 공여체 및 전자 수용체를 포함하는 광 활성층, 그리고
상기 제1 전극과 상기 광 활성층 사이에 위치하는 부분 산화된 금속 박막
을 포함하고,
상기 부분 산화된 금속 박막의 일 함수와 상기 제1 전극의 일 함수의 차이는 0.2eV 내지 0.95eV이고,
상기 부분 산화된 금속 박막의 일 함수와 상기 전자 공여체의 HOMO 레벨의 차이는 0.05eV 내지 1.0eV인 태양 전지
제1항에서,
상기 부분 산화된 금속 박막은 비산화된 금속의 일 함수와 완전 산화된 금속의 일 함수 사이의 일 함수를 가지는 태양 전지.
삭제
제1항에서,
상기 부분 산화된 금속 박막의 일 함수와 상기 제1 전극의 일 함수의 차이는 0.4eV 내지 0.8eV이고,
상기 부분 산화된 금속 박막의 일 함수와 상기 전자 공여체의 HOMO 레벨의 차이는 0.1eV 내지 0.75eV인 태양 전지.
제1항 또는 제4항에서,
상기 전자 공여체는 5.4 내지 6.0eV의 HOMO 레벨을 가지는 태양 전지.
제1항에서,
상기 부분 산화된 금속은 5.2 내지 5.8eV의 일 함수를 가지는 태양 전지.
제1항에서,
상기 부분 산화된 금속은 5.4 내지 5.6eV의 일 함수를 가지는 태양 전지.
제1항에서,
상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 금속은 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 이리듐(Ir), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 로듐(Rh) 또는 이들의 조합을 포함하는 태양 전지.
제1항에서,
상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 금속은 티타늄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si) 또는 이들의 조합을 포함하는 태양 전지.
제1항에서,
상기 부분 산화된 금속 박막은 10nm 이하의 두께를 가지는 태양 전지.
제1 전극을 형성하는 단계,
금속 박막을 형성하는 단계,
상기 금속 박막을 일부 산화시켜 부분 산화된 금속 박막을 형성하는 단계,
전자 공여체 및 전자 수용체를 포함하는 광 활성층을 형성하는 단계, 그리고
제2 전극을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 부분 산화된 금속 박막의 일 함수와 상기 제1 전극의 일 함수의 차이는 0.2eV 내지 0.95eV이고,
상기 부분 산화된 금속 박막의 일 함수와 상기 전자 공여체의 HOMO 레벨의 차이는 0.05eV 내지 1.0eV인
태양 전지의 제조 방법
제11항에서,
상기 금속 박막을 일부 산화시키는 단계는 200℃ 내지 600℃에서 산소 함유 기체를 공급하여 어닐링하는 태양 전지의 제조 방법.
제12항에서,
상기 금속 박막을 일부 산화시키는 단계는 산소 기체(O₂) 및 오존 기체(O₃) 중 적어도 하나를 10 내지 200sccm 유량으로 공급하여 1분 내지 30분 동안 어닐링하는 태양 전지의 제조 방법.
제11항에서,
상기 부분 산화된 금속 박막은 비산화된 금속 박막의 일 함수와 완전 산화된 금속의 일 함수 사이의 일 함수를 가지는 태양 전지의 제조 방법.
삭제
제11항에서,
상기 부분 산화된 금속은 5.2 내지 5.8eV의 일 함수를 가지는 태양 전지의 제조 방법.
제11항에서,
상기 전자 공여체는 5.4 내지 6.0eV의 HOMO 레벨을 가지는 태양 전지의 제조 방법.