KR101076700B1 - method for producing organic solar cell and organic solar cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기태양전지의 제조방법 및 유기태양전지에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 유기태양전지의 제조방법 및 유기태양전지는 광투과성을 가진 기판상에 양극(anode)을 증착하는 양극증착단계; 상기 양극의 상측에 도너(donor)층과 억셉터(acceptor)층을 포함하는 광활성층을 적층하는 광활성층 적층단계; 상기 광활성층에 정전기력을 인가하여 상기 광활성층에 포함된 고분자 물질의 측쇄사슬(side chain)을 비등방성으로 정렬하는 광활성층 정렬단계; 상기 광활성층을 열처리하는 광활성층 열처리단계; 상기 광활성층의 상측에 음극(cathode)을 증착하는 음극증착단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a method for manufacturing an organic solar cell and an organic solar cell, and a method for manufacturing an organic solar cell and an organic solar cell according to the present invention include an anode deposition step of depositing an anode on a light transmissive substrate; A photoactive layer stacking step of stacking a photoactive layer including a donor layer and an acceptor layer on the anode; A photoactive layer alignment step of anisotropically aligning side chains of the polymer material included in the photoactive layer by applying an electrostatic force to the photoactive layer; A photoactive layer heat treatment step of heat treating the photoactive layer; A cathode deposition step of depositing a cathode on the photoactive layer; Characterized in that it comprises a.

이에 의하여, 효율이 향상된 유기태양전지를 제조할 수 있는 유기태양전지의 제조방법 및 유기태양전지가 제공된다.As a result, an organic solar cell manufacturing method and an organic solar cell capable of manufacturing an organic solar cell having improved efficiency are provided.

태양전지, 유기태양전지, 고분자물질, 폴리-3-헥실티오펜, p3ht, 정전기력 Solar cell, organic solar cell, polymer material, poly-3-hexylthiophene, p3ht, electrostatic force

Description

유기태양전지의 제조방법 및 유기태양전지 {method for producing organic solar cell and organic solar cell}Method for producing organic solar cell and organic solar cell {method for producing organic solar cell and organic solar cell}

본 발명은 유기태양전지의 제조방법 및 유기태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광변환 효율이 향상된 유기태양전지와 제조하는 방법에 관한 발명이다.The present invention relates to a method for manufacturing an organic solar cell and an organic solar cell. More particularly, the present invention relates to an organic solar cell and a method for producing the organic solar cell having improved light conversion efficiency.

현재 인류는 값싸고 이용이 손쉬운 화석연료를 주에너지원으로 삼고 있다. 하지만, 감소하지 않는 소비량에 비하여 한정적인 매장량으로 인하여 연료값은 급등을 거듭하고 있으며, 그마저도 조만간 고갈될 것으로 보인다. 이러한 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출 문제에 대한 대책으로 태양에너지, 풍력, 수력등의 재생에너지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그중에도 장소, 위치, 시간등에 큰 제약이 없는 태양전지가 각광을 받고 있다.At present, mankind uses cheap and easy-to-use fossil fuel as its main energy source. However, fuel prices are skyrocketing due to limited reserves compared to non-decreased consumption, which is expected to be exhausted soon. As a countermeasure against energy depletion and carbon dioxide emission, researches on renewable energy such as solar energy, wind power, and hydropower are being actively conducted. Among them, solar cells, which have no big restrictions in place, location, time, etc., are in the spotlight.

태양전지는 광전기 효과(photovoltaic effect)에 의하여 빛을 전기로 변환시키는 반도체 소자이며, 구성물질에 따라 실리콘, 화합물 반도체와 같이 무기소재로 이루어진 무기태양전지와 유기물로 이루어진 유기태양전지로 나눌 수 있다.A solar cell is a semiconductor device that converts light into electricity by a photovoltaic effect, and may be classified into an inorganic solar cell made of an inorganic material such as silicon and a compound semiconductor and an organic solar cell made of an organic material, depending on the constituent material.

특히, 유기소재 자체의 특징인 저렴한 가격, 상온에서 용이한 가공성 및 재료의 유연성, 대면적화의 용이성등의 장점으로 인하여 유기태양전지에 많은 관심이 집중되고는 있으나, 광변환효율이 타소재를 이용하고 있는 태양전지에 비해 낮아 실용화 단계에 이르고 있지는 못하고 있다.In particular, due to the advantages of low price, easy processing at room temperature, flexibility of materials, and large area, which are characteristics of the organic material itself, much attention has been focused on organic solar cells, but the light conversion efficiency uses other materials. It is lower than the solar cell which is being used, and it is not reaching the commercialization stage.

유기태양전지의 실용화의 가능성 여부는 입사광을 전기 에너지로 변환시키는 비율인 광변환효율(efficiency)에 달려있는데, 이러한 유기태양전지의 광변환효율은 엑시톤(exciton)에서 파생되는 전자(electron) 및 정공(hole)이 도너(donor)층과 억셉터(acceptor)층을 통과하여 전극(electrode)까지 이동하는 이동 확률과 그 경로가 중요한 요소로 작용한다. 유기태양전지의 도너층과 억셉터층에 포함되는 고분자 물질의 측쇄사슬(side chain)은 성형과정에서 일정한 방향성 없이 무질서하게 뒤엉키는 것이 일반적이고, 뒤엉킨 측쇄사슬을 경로로 이동하는 전자와 정공은 전극까지 도달하는데 많은 시간이 소요되거나 도달하지도 못하는 등의 손실률이 높아져 상술한 광변환효율을 높이는데 어려움이 있었다.The practical availability of organic solar cells depends on the efficiency of light conversion, which is the ratio of converting incident light into electrical energy. The light conversion efficiency of such organic solar cells is based on electrons and holes derived from excitons. The probability that the hole moves through the donor layer and the acceptor layer to the electrode and its path are important factors. Side chains of the polymer material included in the donor layer and the acceptor layer of the organic solar cell are generally scrambled disorderly without a certain orientation during the molding process, and electrons and holes that move the entangled side chains in a path are electrodes It has been difficult to increase the above-described light conversion efficiency due to the high loss rate, such as a long time to reach or fail to reach.

종래에는 고분자 물질의 측쇄사슬을 재정렬하기 위한 방법으로 아르곤가스를 채운 밀폐공간에 고분자 물질을 넣고 유기용매를 천천히 증발시키는 방법을 이용하였으나, 만족할만한 효율상승을 보이지 못하는 문제점이 있었다.Conventionally, as a method for rearranging the side chains of the polymer material, the polymer material is put in a sealed space filled with argon gas and the organic solvent is slowly evaporated, but there is a problem in that it does not show satisfactory efficiency increase.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광변환 효율이 향상된 유기태양전지를 제조할 수 있는 유기태양전지의 제조방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing an organic solar cell capable of manufacturing an organic solar cell having improved light conversion efficiency.

또한, 정전기력을 억셉터층과 도너층에 단계별로 인가하여 정전기력의 영향을 크게 받는 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.In addition, by providing an electrostatic force step by step to the acceptor layer and the donor layer provides a method of manufacturing an organic solar cell largely affected by the electrostatic force.

또한, 성능이 향상된 유기태양전지를 제공한다.In addition, an organic solar cell having improved performance is provided.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 광투과성을 가진 기판상에 양극(anode)을 증착하는 양극증착단계; 상기 양극의 상측에 도너(donor)층과 억셉터(acceptor)층을 포함하는 광활성층을 적층하는 광활성층 적층단계; 상기 광활성층에 정전기력을 인가하여 상기 광활성층에 포함된 고분자 물질의 측쇄사슬(side chain)을 비등방성으로 정렬하는 광활성층 정렬단계; 상기 광활성층을 열처리하는 광활성층 열처리단계; 상기 광활성층의 상측에 음극(cathode)을 증착하는 음극증착단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The object is, according to the present invention, an anode deposition step of depositing an anode (anode) on a light transmissive substrate; A photoactive layer stacking step of stacking a photoactive layer including a donor layer and an acceptor layer on the anode; A photoactive layer alignment step of anisotropically aligning side chains of the polymer material included in the photoactive layer by applying an electrostatic force to the photoactive layer; A photoactive layer heat treatment step of heat treating the photoactive layer; A cathode deposition step of depositing a cathode on the photoactive layer; Characterized in that it comprises a.

또한, 광투과성을 가진 기판상에 양극을 증착하는 양극증착단계; 상기 양극의 상측에 도너층을 적층하는 제1적층단계; 상기 도너층에 정전기력을 인가하여 상기 도너층에 포함된 고분자 물질의 측쇄사슬(side chain)을 비등방성으로 정렬하는 제1정렬단계; 상기 도너층을 열처리하는 제1열처리단계; 상기 도너층의 상측에 억 셉터층을 적층하는 제2적층단계; 상기 억셉터층에 정전기력을 인가하여 상기 억셉터층에 포함된 고분자 물질의 측쇄사슬을 비등방성으로 정렬하는 제2정렬단계; 상기 억셉터층을 열처리하는 제2열처리단계; 상기 억셉터층의 상측에 음극을 증착하는 음극증착단계; 를 포함할 수 있다.In addition, an anode deposition step of depositing an anode on a substrate having a light transmission; Stacking a donor layer on the anode; A first alignment step of anisotropically aligning side chains of the polymer material included in the donor layer by applying an electrostatic force to the donor layer; A first heat treatment step of heat-treating the donor layer; Stacking an acceptor layer on the donor layer; A second alignment step of anisotropically aligning side chains of the polymer material included in the acceptor layer by applying an electrostatic force to the acceptor layer; A second heat treatment step of heat-treating the acceptor layer; A cathode deposition step of depositing a cathode on the acceptor layer; It may include.

또한, 상기 도너층에 포함된 고분자 물질은 폴리-3-헥실티오펜(P3HT)이고, 상기 억셉터층에 포함된 고분자 물질은 풀러렌(Fullerene, C60) 치환제인 PCBM([6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester)일 수 있다.In addition, the polymer material included in the donor layer is poly-3-hexylthiophene (P3HT), and the polymer material included in the acceptor layer is a fullerene (C 60 ) substituent PCBM ([6,6]-). phenyl C 61 -butyric acid methyl ester).

또한, 상기 광활성층 정렬단계는, 10℃ 내지 30℃의 온도에서 1분 내지 1시간 동안 상기 광활성층에 정전기력를 인가하는 정전기력 인가단계; 정전기력을 인가하지 않은 상태에서 상기 광활성층에 잔존하는 유기용매를 완전히 증발시키는 증발단계;를 포함할 수 있다.In addition, the photoactive layer alignment step, the electrostatic force applying step for applying an electrostatic force to the photoactive layer for 1 minute to 1 hour at a temperature of 10 ℃ to 30 ℃; And an evaporation step of completely evaporating the organic solvent remaining in the photoactive layer without applying an electrostatic force.

또한, 상기 제1정렬단계는, 10℃ 내지 30℃의 온도에서 1분 내지 1시간 동안 상기 도너층에 정전기력를 인가하는 도너층 정전기력 인가단계; 정전기력을 인가하지 않은 상태에서 상기 도너층에 잔존하는 유기용매를 완전히 증발시키는 도너층 증발단계;를 포함하고, 상기 제2정렬단계는, 10℃ 내지 30℃의 온도에서 1분 내지 1시간 동안 상기 억셉터층에 정전기력를 인가하는 억셉터층 정전기력 인가단계; 정전기력을 인가하지 않은 상태에서 상기 억셉터층에 잔존하는 유기용매를 완전히 증발시키는 억셉터층 증발단계;를 포함할 수 있다.In addition, the first alignment step, a donor layer electrostatic force applying step of applying an electrostatic force to the donor layer for 1 minute to 1 hour at a temperature of 10 ℃ to 30 ℃; And a donor layer evaporating step of completely evaporating the organic solvent remaining in the donor layer without applying an electrostatic force. An acceptor layer electrostatic force applying step of applying an electrostatic force to the acceptor layer; And an acceptor layer evaporating step of completely evaporating the organic solvent remaining in the acceptor layer without applying an electrostatic force.

또한, 상기 광활성층 열처리 단계는 5분 내지 15분 동안 상기 광활성층에 80 ℃ 내지 200℃의 열을 가할 수 있다.In addition, in the photoactive layer heat treatment step, heat of 80 ° C. to 200 ° C. may be applied to the photoactive layer for 5 minutes to 15 minutes.

또한, 상기 제1열처리단계는 5분 내지 15분 동안 상기 도너층에 80℃ 내지 200℃의 열을 가하고, 상기 제2열처리단계는 5분 내지 15분 동안 상기 억셉터층에 80℃ 내지 200℃의 열을 가할 수 있다.In addition, the first heat treatment step is a heat of 80 ℃ to 200 ℃ to the donor layer for 5 to 15 minutes, the second heat treatment step is 80 to 200 ℃ to the acceptor layer for 5 to 15 minutes Can be heated.

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본 발명에 따르면, 광변환효율이 향상된 유기태양전지를 제조할 수 있는 유기태양전지 제조방법이 제공된다.According to the present invention, an organic solar cell manufacturing method capable of manufacturing an organic solar cell having improved light conversion efficiency is provided.

또한, 억셉터층과 도너층에 각각 단계별로 정전기력을 인가하여, 고분자물질의 측쇄사슬의 정렬 확률이 높아진다.In addition, the electrostatic force is applied to the acceptor layer and the donor layer in stages, respectively, to increase the probability of alignment of the side chains of the polymer material.

또한, 도너층에 폴리-3-헥실티오펜을 포함시켜 효율이 높아지는 유기태양전지를 제조할 수 있다.In addition, an organic solar cell having high efficiency may be manufactured by including poly-3-hexylthiophene in the donor layer.

또한, 정렬단계를 정전기력을 인가하는 단계와 유기용매를 증발시키는 단계로 분리하여 고분자 물질의 측쇄사슬을 더 효율적으로 정렬할 수 있다.In addition, the alignment step may be separated into applying an electrostatic force and evaporating the organic solvent to more efficiently align the side chain of the polymer material.

또한, 열처리를 가함으로써 광활성층을 경화시킬 수 있다.In addition, the photoactive layer can be cured by applying a heat treatment.

또한, 광변환효율 및 성능이 향상되어 실용성이 있는 유기태양전지를 제공할 수 있다.In addition, the light conversion efficiency and performance can be improved to provide a practical organic solar cell.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.Prior to the description, in the various embodiments, components having the same configuration will be representatively described in the first embodiment using the same reference numerals, and in other embodiments, different configurations from the first embodiment will be described. do.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an organic solar cell according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

(제1실시예)( First Embodiment )

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유기태양전지 제조방법의 공정흐름도를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 유기태양전지 제조방법에 의하여 제조된 유기태양전지를 정면에서 본 단면도이다.1 is a flowchart illustrating a process of manufacturing an organic solar cell according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of an organic solar cell manufactured by the organic solar cell manufacturing method of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 유기태양전지 제조방법은 양극증착단계(S110)와, 광활성층 적층단계(S120), 광활성층 정렬단계(S130), 광활성층 열처리 단계(S140), 음극증착단계(S150)를 포함한다.1 and 2, the organic solar cell manufacturing method according to the first exemplary embodiment of the present invention includes an anode deposition step (S110), a photoactive layer stacking step (S120), a photoactive layer alignment step (S130), and a photoactive layer. Heat treatment step (S140), a cathode deposition step (S150).

상기 양극증착단계(S110)에서, 상기 기판(110)은 태양광이 통과할 수 있도록 유리, 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리 메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate), 폴리이미드(polyimide)등의 투명 수지 기판등과 같은 광투과율이 높은 재질으로 마련될 수 있다.In the anode deposition step (S110), the substrate 110 is a transparent resin such as glass, polycarbonate, poly methyl methacrylate, polyimide so that sunlight can pass through It may be made of a material having a high light transmittance such as a substrate.

또한 상기 양극(anode)(120)은 태양광이 투과할 수 있도록 광투과성을 가진 재질로 마련되는 것이 바람직하고, 주석도핑 산화인듐(ITO: Indium-doped Tin Oxide) 또는 불소도핑 산화주석(FTO: Fluorine-Doped Tin Oxide)등으로 마련될 수 있다.In addition, the anode 120 is preferably made of a material having a light transmittance so that sunlight can transmit, tin-doped indium-doped tin oxide (ITO) or fluorine-doped tin oxide (FTO: Fluorine-Doped Tin Oxide).

단, 기판(110)과 양극(120)의 재질이 이에 제한되는 것은 아니고 본 발명의 취지를 훼손하지 아니하는 범위내에서 자유롭게 선택될 수 있다.However, the materials of the substrate 110 and the anode 120 are not limited thereto, and may be freely selected within a range that does not impair the gist of the present invention.

양극(120)은 기판(110)의 상측에 스퍼터링(sputtering)법 등에 의하여 코팅되는 방식으로 증착된다.The anode 120 is deposited in such a manner as to be coated on the upper side of the substrate 110 by a sputtering method or the like.

상기 광활성층 적층단계(S120)는 도너(donor)층과 억셉터(acceptor)층을 포함하는 광활성층(130)을 적층하는 단계이다.The photoactive layer stacking step (S120) is a step of stacking the photoactive layer 130 including a donor layer and an acceptor layer.

양극(120)의 상측에 스핀코팅 방식에 의하여 도너(donor)층(131)을 적층한다. 도너층(131)은 본 실시예에서는 낮은 밴드 갭(band gap)을 가지는 복합 고분자 물질인 폴리-3-헥실티오펜(P3HT)을 유기용매에 녹여 사용된다. 다만, 도너층(131)에 포함되는 물질이 이에 제한되는 것은 아니고 광흡수 파장범위과 태양광 스펙트럼과 잘 맞는 동시에 강한 광흡수도를 가지고, 전하의 이동도등 전기적 물성이 우수한 고분자 물질이 사용될 수 있다.A donor layer 131 is stacked on the anode 120 by spin coating. In the present embodiment, the donor layer 131 is used by dissolving poly-3-hexylthiophene (P3HT), a composite polymer material having a low band gap, in an organic solvent. However, the material included in the donor layer 131 is not limited thereto, and may be a polymer material having a strong light absorbency at the same time as the light absorption wavelength range and the solar spectrum, and excellent electrical properties such as charge mobility. .

도너층(131)의 상측에 스핀코팅 방식에 의하여 억셉터(acceptor)층(132)을 적층한다. 억셉터층(132)은 본 실시예에서는 유기용매에 복합 고분자 물질을 녹인 혼합액이 사용된다. 본 실시예에서 억셉터층(132)에 포함되는 고분자 물질은 유기용매에 잘 녹도록 설계된 풀러렌(Fullerene, C60) 치환제인 PCBM([6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester)이 사용된다. 다만, 억셉터층(132)에 포함되는 물질이 이에 제한되는 것은 아니고 가시광 영역에서 광흡수가 적고, 전자 친화도가 도너층 에 포함된 고분자 물질보다 큰 물질로서 본 발명의 취지를 훼손하지 아니하는 범위 내에서 다른 고분자 물질이 사용될 수 있다.An acceptor layer 132 is stacked on the donor layer 131 by spin coating. In the present embodiment, the acceptor layer 132 uses a mixed solution of a composite polymer material dissolved in an organic solvent. In the present embodiment, the polymer material included in the acceptor layer 132 is a PCBM ([6,6] -phenyl C 61 -butyric acid methyl ester) which is a fullerene (C 60 ) substituent designed to be well dissolved in an organic solvent. Used. However, the material included in the acceptor layer 132 is not limited thereto, and light absorption in the visible light region is low, and the electron affinity is greater than that of the polymer material included in the donor layer. Other polymeric materials can be used within the scope.

양극(120)의 상측에 도너층(131)과 억셉터층(132)의 순차적인 적층으로 인하여 광활성층(130)은 복층적인 구조인 이중층(bi-layer)구조로 배치된다. 다만, 광활성층(130)의 구조는 이중층 구조에 한정되는 것은 아니고 , 도너층과 억셉터층에 포함되는 고분자 물질을 혼합한 용액을 양극의 상측에 분사하여 증착하는 복합박막구조(BHJ : bulk-heterojunction)가 될 수 있다.Due to the sequential stacking of the donor layer 131 and the acceptor layer 132 on the upper side of the anode 120, the photoactive layer 130 is arranged in a bi-layer structure, which is a multilayer structure. However, the structure of the photoactive layer 130 is not limited to a double layer structure, and a composite thin film structure (BHJ: bulk-) is formed by spraying a solution of a polymer material included in a donor layer and an acceptor layer onto the anode. heterojunction).

상기 광활성층 정렬단계(S130)는 정전기력 인가단계(S131)와 증발단계(S132)를 포함한다.The photoactive layer alignment step S130 includes an electrostatic force application step S131 and an evaporation step S132.

상기 정전기력 인가단계(S131)에서는 정전기력을 광활성층(130)에 10분 내지 30분동안 인가한다.In the electrostatic force applying step (S131), the electrostatic force is applied to the photoactive layer 130 for 10 to 30 minutes.

일반적으로 도너층(131)과 억셉터층(132)에 포함된 고분자 물질은 주쇄사슬(main chain)과 측쇄사슬(side chain)이 조합된 구조로 형성되어 있으며, 이와 같은 고분자 물질의 성형은 자외선 경화 방식 내지는 열 경화 방식에 의해 이루어지므로, 경화과정에서 측쇄사슬(side chain)이 불규칙적으로 엉키게 된다. 따라서, 고분자 물질의 측쇄사슬을 이동 경로로 하는 전자와 정공이, 복잡하게 형성된 측쇄사슬을 따라서 이동하는 경우에는 양극 또는 음극까지 도달하지 못하는 등 손실이 커져 높은 효율을 가진 유기태양전지를 구현하기 어렵다. 그러나 정전기력을 인가하면 고분자 물질 내부 측쇄사슬의 각도가 변화하여 동일한 방향으로 등방성 구조를 갖는 형태로 정렬되므로, 고분자 물질로 형성된 도너층 또는 억셉터층의 측쇄사 슬 경로를 따라 이동하는 전하 또는 정공의 이동 경로 및 이동 시간이 짧아진다. In general, the polymer material included in the donor layer 131 and the acceptor layer 132 has a structure in which a main chain and a side chain are combined. Since it is made by a curing method or a thermal curing method, side chains are irregularly entangled during the curing process. Therefore, when electrons and holes that move the side chain of the polymer material along the complicated side chain chain do not reach the positive electrode or the negative electrode, it is difficult to realize an organic solar cell having high efficiency due to a large loss. . However, when the electrostatic force is applied, the angle of the internal side chains of the polymer material changes and is aligned in a form having an isotropic structure in the same direction. Therefore, the charge or hole moves along the side chain path of the donor layer or acceptor layer formed of the polymer material. The travel path and travel time are shortened.

도 3a는 정전기력을 인가하기 전의 폴리-3-헥실티오펜의 주쇄사슬(main chain)(40)과 측쇄사슬(side chain)(50)을 도시한 것이고, 도 3b는 정전기력을 인가한 후의 폴리-3-헥실티오펜의 주쇄사슬(main chain)과 측쇄사슬(side chain)을 도시한 것이다.FIG. 3A shows the main chain 40 and the side chain 50 of poly-3-hexylthiophene before applying electrostatic force, and FIG. 3B shows poly- after applying electrostatic force. The main and side chains of 3-hexylthiophene are shown.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 정전기력을 인가하기 전에는 측쇄사슬(50)은 일정한 방향성 없이 엉켜있고, 정전기력을 인가한 후의 측쇄사슬(50)은 모두 같은 방향으로 일정하게 정렬된다.3A and 3B, the side chains 50 are entangled without constant direction before applying the electrostatic force, and the side chains 50 after applying the electrostatic force are all uniformly aligned in the same direction.

이러한 정전기력의 인가는 광활성층(130)내의 유기용매가 증발되지 않은 상태에서 행해지는 것이 바람직한데, 이는, 유기용매가 모두 증발되어 광활성층(130)에 포함된 고분자의 상태가 고체로 완전히 고정되거나, 점성이 커진 경우에는 정전기력의 영향에 의하여 측쇄사슬의 이동이 자유롭지 못하기 때문이다. 따라서, 유기용매가 증발되지 않고 점성이 크지 않아서 적정한 자유도를 가지고 있을 때인, 광활성층 적층단계(S120)의 직후에 정전기력을 광활성층(130)에 인가하는 것이 바람직하다. 또한, 고온에서 유기용매가 쉽게 증발되는 것을 방지하기 위하여 상온인 10℃ 내지 30℃ 에서 정전기력을 인가한다.The application of the electrostatic force is preferably performed in a state in which the organic solvent in the photoactive layer 130 is not evaporated. This is because all of the organic solvent is evaporated so that the state of the polymer contained in the photoactive layer 130 is completely fixed as a solid. If the viscosity is increased, the side chain cannot be moved freely by the influence of electrostatic force. Therefore, it is preferable to apply an electrostatic force to the photoactive layer 130 immediately after the photoactive layer stacking step (S120), when the organic solvent does not evaporate and does not have a high viscosity and thus has an appropriate degree of freedom. In addition, in order to prevent the organic solvent from easily evaporating at a high temperature, an electrostatic force is applied at a room temperature of 10 ° C to 30 ° C.

상기 증발단계(S132)에서는 정전기력의 인가를 멈추고, 광활성층(130)에 정전기력을 인가하지 않은 상태에서 광활성층(130)에 존재하는 유기용매를 완전히 증발시킨다.In the evaporation step (S132), the application of the electrostatic force is stopped, and the organic solvent present in the photoactive layer 130 is completely evaporated without applying the electrostatic force to the photoactive layer 130.

상기 열처리단계(S140)에서는 80℃ 내지 200℃에서 5분 내지 15분 동안 광활 성층(130)을 가열하여 광활성층(130)에 포함된 고분자 물질을 경화시킨다. 다만, 120℃의 온도에서 10분 동안 광활성층(130)을 가열하는 것이 바람직하다.In the heat treatment step (S140) to heat the photoactive layer 130 for 5 to 15 minutes at 80 ℃ to 200 ℃ to cure the polymer material included in the photoactive layer 130. However, it is preferable to heat the photoactive layer 130 for 10 minutes at a temperature of 120 ℃.

상기 음극증착단계(S150)에서는 광활성층(130)의 상측에 음극(cathode)(140)을 스퍼터링방식을 통하여 증착한다.In the cathode deposition step (S150), a cathode (cathode) 140 is deposited on the photoactive layer 130 by sputtering.

상기 음극(140)은 전자를 효율적으로 수집하기 위한 층으로서, 일 함수가 작은 금속, 합금, 전기 전도성 화합물 또는 이러한 물질들의 혼합물로 마련될 수 있다. 구체적으로는 유리 또는 세라믹 기판과 같은 절연기판상에 형성된 알루미늄 또는 텅스텐과 같은 도전성 박막 형태일 수도 있고, 또는 스테인리스 스틸, 구리, 알루미늄, 텅스텐, 실리콘중의 어느 하나로 이루어진 금속판 형태일 수도 있으며 이에 제한되는 것은 아니고 발명의 취지가 훼손되지 아니하는 범위내에서 자유롭게 선택될 수 있다.The cathode 140 is a layer for efficiently collecting electrons, and may be formed of a metal, an alloy, an electrically conductive compound, or a mixture of these materials having a small work function. Specifically, it may be in the form of a conductive thin film such as aluminum or tungsten formed on an insulating substrate such as a glass or ceramic substrate, or may be in the form of a metal plate made of any one of stainless steel, copper, aluminum, tungsten, and silicon. The present invention may be freely selected without departing from the spirit of the invention.

(제2실시예)( Example 2 )

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법의 공정흐름도를 도시한 것이다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an organic solar cell according to a second embodiment of the present invention.

도 2 및 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 유기태양전지의 제조방법은 양극증착단계(S110)와, 제1적층단계(S221), 제1정렬단계(S222), 제1열처리단계(S225), 제2적층단계(S231), 제2정렬단계(S232), 제2열처리단계(S235), 음극증착단계(S150)를 포함한다.2 and 4, a method of manufacturing an organic solar cell according to a second exemplary embodiment of the present invention includes a positive electrode deposition step (S110), a first stacking step (S221), a first alignment step (S222), and a first step. The heat treatment step (S225), the second lamination step (S231), the second alignment step (S232), the second heat treatment step (S235), the cathode deposition step (S150).

상기 양극증착단계(S110)는 제1실시예의 경우와 동일하다.The anode deposition step (S110) is the same as that of the first embodiment.

상기 제1적층단계(S221)에서는 양극(120)의 상측에 도너층(131)을 적층한다. In the first lamination step S221, a donor layer 131 is stacked on the anode 120.

상기 제1정렬단계(S222)는 도너층 정전기력 인가단계(S223)와 도너층 증발단계(S224)를 포함한다.The first alignment step S222 includes a donor layer electrostatic force application step S223 and a donor layer evaporation step S224.

상기 도너층 정전기력 인가단계(S223)에서는 도너층에 정전기력을 인가하여 도너층(131)에 포함된 고분자 물질의 측쇄사슬을 비등방성으로 정렬한다.In the donor layer electrostatic force applying step (S223), the side chains of the polymer material included in the donor layer 131 are anisotropically aligned by applying an electrostatic force to the donor layer.

상기 도너층 증발단계(S224)에서는 정전기력의 인가를 멈추고 정전기력이 인가되지 않은 상태에서 도너층(131)에 남아있는 유기용매를 모두 증발시킨다.In the donor layer evaporation step (S224), the application of the electrostatic force is stopped and all the organic solvent remaining in the donor layer 131 is evaporated in the state in which the electrostatic force is not applied.

상기 제1열처리단계(S225)에서는 도너층(131)을 5분 내지 15분 동안 80℃ 내지 200℃의 열처리하여 도너층(131)에 포함된 고분자 물질을 경화한다.In the first heat treatment step (S225), the donor layer 131 is heat-treated at 80 ° C. to 200 ° C. for 5 to 15 minutes to cure the polymer material included in the donor layer 131.

상기 제2적층단계(S231)에서는 도너층(131)의 상측에 억셉터층(132)을 적층한다.In the second stacking step S231, the acceptor layer 132 is stacked on the donor layer 131.

상기 제2정렬단계(S232)는 억셉터층 정전기력 인가단계(S233)와 억셉터층 증발단계(S234)를 포함한다.The second alignment step S232 includes an acceptor layer electrostatic force application step S233 and an acceptor layer evaporation step S234.

상기 억셉터층 정전기력 인가단계(S232)에서는 억셉터층(132)에 정전기력을 인가하여 억셉터층(132)에 포함된 고분자 물질의 측쇄사슬을 비등방성으로 정렬한다.In the acceptor layer electrostatic force applying step (S232), an electrostatic force is applied to the acceptor layer 132 to align anisotropic side chains of the polymer material included in the acceptor layer 132.

상기 억셉터층 증발단계(S234)에서는 정전기력의 인가를 멈추고 정전기력이 인가되지 않은 상태에서 억셉터층(132)에 남아있는 유기용매를 모두 증발시킨다.In the acceptor layer evaporation step (S234), the application of the electrostatic force is stopped and the organic solvent remaining in the acceptor layer 132 is evaporated in the state in which the electrostatic force is not applied.

상기 제2열처리단계(S235)에서는 억셉터층(132)을 열처리하여 억셉터층(132)에 포함된 고분자 물질을 경화시킨다.In the second heat treatment step (S235), the acceptor layer 132 is heat treated to cure the polymer material included in the acceptor layer 132.

상기 음극증착단계(S150)는 제1실시예와 동일하다. The cathode deposition step (S150) is the same as the first embodiment.

또한, 도너층(131)과 억셉터층(132)에 포함되는 고분자 물질은 제1실시예에서 상술한 물질과 동일한 물질이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, the polymer material included in the donor layer 131 and the acceptor layer 132 may be the same material as the material described above in the first embodiment, but is not limited thereto.

도너층(131)과 억셉터층(132)을 적층하여 동시에 정전기력을 인가한 제1실시예와는 달리, 제2실시예에서는 도너층(131)과 억셉터층(132)이 적층된후에 정렬단계(S230)와 열처리단계(S240)가 각각의 단계별로 정전기력 인가전에 먼저 적층된 도너층(131)에 포함된 유기용매가 증발하는 것을 방지할 수 있다.Unlike the first embodiment in which the donor layer 131 and the acceptor layer 132 are stacked to apply an electrostatic force at the same time, in the second embodiment, the donor layer 131 and the acceptor layer 132 are stacked and aligned. In step S230 and the heat treatment step S240, the organic solvent included in the donor layer 131 stacked before the electrostatic force application may be prevented from evaporating.

이하, 본 발명의 유기태양전지의 제작방법에 의하여 제작된 유기태양전지의 동작 및 동작원리에 대해서 설명한다.Hereinafter, the operation and operation principle of the organic solar cell produced by the method of manufacturing the organic solar cell of the present invention will be described.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 유기태양전지 제조방법으로 제조된 유기태양전지의 작동원리를 도시한 것이다.5A and 5B illustrate the operating principle of the organic solar cell manufactured by the organic solar cell manufacturing method of the present invention.

도 5a를 참조하면, 유기태양전지에 태양광을 조사하면, 광활성층내에서 태양광을 흡수하여 전자(electron)(10)-정공(hole)(20)쌍인 엑시톤(exciton)(30)이 형성되어 임의의 방향으로 확산된다. 도 5b를 참조하면, 이 엑시톤(30)은 임의의 방향으로 확산되다가 도너층(131)과 억셉터층(132)의 계면을 만나면 전자(10)와 정공(20)으로 분리된다. 즉, 도너층(131)과 억셉터층(132)의 계면에서 전자(10)는 도너층(131)으로 이동하고, 정공(20)은 억셉터층(132)에 남아 각각의 전하 상태로 분리된다. 이들은 양극(120)과 음극(140)의 일함수 차이로 형성된 내부 전기장과 전하의 농도차에 의하여 양극(120)과 음극(140)으로 이동하여 수집되며 최종적으로 외부 회로를 통해 전류의 형태로 흐른다. 유기태양전지는 이러한 광전기효과(photovoltaic effect)를 이용하여 전력을 생산한다.Referring to FIG. 5A, when the organic solar cell is irradiated with sunlight, an exciton 30, which is an electron (10) -hole (20) pair, is formed by absorbing sunlight in the photoactive layer. Diffusion in any direction. Referring to FIG. 5B, the excitons 30 diffuse in an arbitrary direction, and are separated into electrons 10 and holes 20 when they meet the interface between the donor layer 131 and the acceptor layer 132. That is, at the interface between the donor layer 131 and the acceptor layer 132, the electrons 10 move to the donor layer 131, and the holes 20 remain in the acceptor layer 132 and are separated into respective charge states. do. They are collected by moving to the anode 120 and the cathode 140 by the concentration difference between the internal electric field and the charge formed by the work function difference between the anode 120 and the cathode 140, and finally flow in the form of a current through an external circuit. . Organic solar cells use this photovoltaic effect to produce power.

도 6은 정전기력 인가의 유무에 따른 폴리-3-헥실티오펜(P3HT)이 포함되어 있는 도너층의 전자이동도 특성(mobility)을 측정한 그래프를 도시한 것이고, 표 1은 도 6의 각 실험의 조건을 표시한 것이다.FIG. 6 is a graph illustrating electron mobility characteristics of a donor layer including poly-3-hexylthiophene (P3HT) with or without electrostatic force application, and Table 1 shows each experiment of FIG. 6. The condition is shown.

약자Abbreviation 상태condition RTRT 상온유기용매건조Room temperature organic solvent drying RTHTRTHT 상온유기용매건조+열처리Room temperature organic solvent drying + heat treatment HVRTHVRT 정전기력인가+상온유기용매건조Electrostatic force + room temperature organic solvent drying HVHTHVHT 정전기력인가+상온유기용매건조+열처리Apply electrostatic force + room temperature organic solvent drying + heat treatment

도 6 및 표 1을 참조하면, RT 보다 HVRT 조건에서 폴리-3-헥실티오펜 내부의 전자 이동도 특성이 더 크게 나타나므로, 정전기력이 고분자 물질의 구조적 특성에 영향을 미침을 알 수 있다. 또한, 열처리 이후의 결과인 RTHT 와 HVHT의 조건을 비교하는 경우에도 정전기력을 인가한 HVHT 조건에서의 전자이동도 특성이 더 좋게 나타난다. 실험결과를 분석해보면, 정전기력을 인가하는 조건에서의 전자이동도 특성이 더 크게 나타남을 알 수 있다.Referring to FIG. 6 and Table 1, it can be seen that the electron mobility of poly-3-hexylthiophene in HVRT conditions is greater than that of RT, and thus the electrostatic force affects the structural properties of the polymer material. In addition, even when comparing the conditions of the RTHT and HVHT result after the heat treatment, the electron mobility characteristics in the HVHT conditions applied electrostatic force is better. Analyzing the experimental results, it can be seen that the electron mobility characteristics of the electrostatic force is greater.

따라서, 정전기력이 인가된 폴리-3-헥실티오펜의 측쇄사슬이 비등방성으로 정렬되어, 내부의 전자 이동도 특성이 향상되고, 동일한 방법에 의하는 본 발명의 유기태양전지의 제작방법에 의하여 제작된 유기태양전지는 전자와 정공이 음극과 양극에 각각 도달하는 경로가 짧아지고, 도달확률은 높아지므로 성능 및 광변환효율이 향상된다.Therefore, the side chains of the poly-3-hexylthiophene to which electrostatic force is applied are anisotropically aligned to improve the electron mobility characteristics of the poly-3-hexylthiophene. The organic solar cells have shorter paths for electrons and holes to reach the cathode and the anode, respectively, and the probability of reaching them is higher, thereby improving performance and light conversion efficiency.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, but may be embodied in various forms of embodiments within the scope of the appended claims. Without departing from the gist of the invention claimed in the claims, it is intended that any person skilled in the art to which the present invention pertains falls within the scope of the claims described in the present invention to various extents which can be modified.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 유기태양전지 제조방법의 공정흐름도이고,1 is a process flowchart of an organic solar cell manufacturing method according to a first embodiment of the present invention,

도 2는 본 발명의 유기태양전지 제조방법에 의하여 제조된 유기태양전지를 정면에서 본 단면도이고,2 is a cross-sectional view of an organic solar cell manufactured by the organic solar cell manufacturing method of the present invention,

도 3a는 정전기력을 인가하기 전의 폴리-3-헥실티오펜의 주쇄사슬(main chain)과 측쇄사슬(side chain)을 도시한 것이고,Figure 3a shows the main chain (side chain) and side chain (side chain) of the poly-3-hexylthiophene before applying the electrostatic force,

도 3b는 정전기력을 인가한 후의 폴리-3-헥실티오펜의 주쇄사슬과 측쇄사슬을 도시한 것이고,Figure 3b shows the main chain and branched chain of poly-3-hexylthiophene after applying the electrostatic force,

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 유기태양전지 제조방법의 공정흐름도이고,4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an organic solar cell according to a second embodiment of the present invention.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 유기태양전지 제조방법으로 제조된 유기태양전지의 작동원리를 도시한 것이다.5A and 5B illustrate the operating principle of the organic solar cell manufactured by the organic solar cell manufacturing method of the present invention.

도 6는 정전기력 인가여부와 도너층의 전자이동도(mobility)와의 관계를 나타내는 실험데이터를 그래프로 도시한 것이다FIG. 6 is a graph showing experimental data showing a relationship between whether electrostatic force is applied and electron mobility of a donor layer. FIG.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 전자 20 : 정공 10: electron 20: hole

30 : 엑시톤 40 : 주쇄사슬 30: exciton 40: main chain

50 : 측쇄사슬 110 : 기판 50: side chain 110: substrate

120 : 양극 130 : 광활성층120: anode 130: photoactive layer

131 : 도너층 132 : 억셉터층131: donor layer 132: acceptor layer

140 : 음극140: cathode

Claims (8)

광투과성을 가진 기판상에 양극(anode)을 증착하는 양극증착단계;An anode deposition step of depositing an anode on a light transmissive substrate; 상기 양극의 상측에 도너(donor)층과 억셉터(acceptor)층을 포함하는 광활성층을 적층하는 광활성층 적층단계;A photoactive layer stacking step of stacking a photoactive layer including a donor layer and an acceptor layer on the anode; 상기 광활성층에 정전기력을 인가하여 상기 광활성층에 포함된 고분자 물질의 측쇄사슬(side chain)을 비등방성으로 정렬하는 광활성층 정렬단계;A photoactive layer alignment step of anisotropically aligning side chains of the polymer material included in the photoactive layer by applying an electrostatic force to the photoactive layer; 상기 광활성층을 열처리하는 광활성층 열처리단계;A photoactive layer heat treatment step of heat treating the photoactive layer; 상기 광활성층의 상측에 음극(cathode)을 증착하는 음극증착단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.A cathode deposition step of depositing a cathode on the photoactive layer; Method for producing an organic solar cell comprising a. 광투과성을 가진 기판상에 양극을 증착하는 양극증착단계;An anode deposition step of depositing an anode on a light transmissive substrate; 상기 양극의 상측에 도너층을 적층하는 제1적층단계;Stacking a donor layer on the anode; 상기 도너층에 정전기력을 인가하여 상기 도너층에 포함된 고분자 물질의 측쇄사슬(side chain)을 비등방성으로 정렬하는 제1정렬단계;A first alignment step of anisotropically aligning side chains of the polymer material included in the donor layer by applying an electrostatic force to the donor layer; 상기 도너층을 열처리하는 제1열처리단계;A first heat treatment step of heat-treating the donor layer; 상기 도너층의 상측에 억셉터층을 적층하는 제2적층단계;Stacking an acceptor layer on the donor layer; 상기 억셉터층에 정전기력을 인가하여 상기 억셉터층에 포함된 고분자 물질의 측쇄사슬을 비등방성으로 정렬하는 제2정렬단계;A second alignment step of anisotropically aligning side chains of the polymer material included in the acceptor layer by applying an electrostatic force to the acceptor layer; 상기 억셉터층을 열처리하는 제2열처리단계;A second heat treatment step of heat-treating the acceptor layer; 상기 억셉터층의 상측에 음극을 증착하는 음극증착단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.A cathode deposition step of depositing a cathode on the acceptor layer; Organic solar cell manufacturing method comprising a. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 도너층에 포함된 고분자 물질은 폴리-3-헥실티오펜(P3HT)이고,The polymer material included in the donor layer is poly-3-hexylthiophene (P3HT), 상기 억셉터층에 포함된 고분자 물질은 풀러렌(Fullerene, C60) 치환제인 PCBM([6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester)인 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.The polymer material included in the acceptor layer is a fullerene (Fullerene, C 60 ) substituent PCBM ([6,6] -phenyl C 61 -butyric acid methyl ester) characterized in that the manufacturing method of the organic solar cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광활성층 정렬단계는,The photoactive layer alignment step, 10℃ 내지 30℃의 온도에서 1분 내지 1시간 동안 상기 광활성층에 정전기력를 인가하는 정전기력 인가단계;Applying an electrostatic force to the photoactive layer for 1 minute to 1 hour at a temperature of 10 ° C. to 30 ° C .; 정전기력을 인가하지 않은 상태에서 상기 광활성층에 잔존하는 유기용매를 완전히 증발시키는 증발단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.And evaporating the organic solvent remaining in the photoactive layer completely without applying electrostatic force. 제2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 제1정렬단계는,The first sorting step, 10℃ 내지 30℃의 온도에서 1분 내지 1시간 동안 상기 도너층에 정전기력를 인가하는 도너층 정전기력 인가단계;A donor layer electrostatic force applying step of applying an electrostatic force to the donor layer at a temperature of 10 ° C. to 30 ° C. for 1 minute to 1 hour; 정전기력을 인가하지 않은 상태에서 상기 도너층에 잔존하는 유기용매를 완전히 증발시키는 도너층 증발단계;를 포함하고,And a donor layer evaporating step of completely evaporating the organic solvent remaining in the donor layer without applying an electrostatic force. 상기 제2정렬단계는,The second sorting step, 10℃ 내지 30℃의 온도에서 1분 내지 1시간 동안 상기 억셉터층에 정전기력를 인가하는 억셉터층 정전기력 인가단계;An acceptor layer electrostatic force applying step of applying an electrostatic force to the acceptor layer for 1 minute to 1 hour at a temperature of 10 ° C. to 30 ° C .; 정전기력을 인가하지 않은 상태에서 상기 억셉터층에 잔존하는 유기용매를 완전히 증발시키는 억셉터층 증발단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.And an acceptor layer evaporating step of completely evaporating the organic solvent remaining in the acceptor layer without applying electrostatic force. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광활성층 열처리 단계는 5분 내지 15분 동안 상기 광활성층에 80℃ 내지 200℃의 열을 가하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.The photoactive layer heat treatment step is a method of manufacturing an organic solar cell, characterized in that for 5 to 15 minutes to heat the 80 ℃ to 200 ℃ to the photoactive layer. 제2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 제1열처리단계는 5분 내지 15분 동안 상기 도너층에 80℃ 내지 200℃의 열을 가하고,The first heat treatment step is a heat of 80 ℃ to 200 ℃ to the donor layer for 5 to 15 minutes, 상기 제2열처리단계는 5분 내지 15분 동안 상기 억셉터층에 80℃ 내지 200℃의 열을 가하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지의 제조방법.The second heat treatment step is a method of manufacturing an organic solar cell, characterized in that the heat of 80 ℃ to 200 ℃ to the acceptor layer for 5 to 15 minutes. 삭제delete
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KR100822356B1 (en) 2006-09-04 2008-04-17 광주과학기술원 Method for the fabrication of organic-based solar cells using brush printing results in the ordering of molecules

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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논문 : APPLIED PHYSICS LETTERS
논문 : PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS

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