KR101189664B1 - Organic solar cell using high conductive buffer layer and low work function metal buffer layer, and fabrictaing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1 전극과 제2 전극 사이에 고전도성 버퍼층을 도입하고 광전변환층과 제2 전극사이에는 일함수가 낮은 금속물질 버퍼층을 도입한 유기 태양전지(Organic photovoltaic cells; OPVs) 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판, 제1 전극, 버퍼층, 광전변환층, 저 일함수 금속 버퍼층 및 제2 전극의 구조를 포함하는 유기 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention provides organic photovoltaic cells (OPVs) having a highly conductive buffer layer between a first electrode and a second electrode and a metal material buffer layer having a low work function between a photoelectric conversion layer and a second electrode. The present invention relates to a method, and more particularly, to an organic solar cell including a structure of a substrate, a first electrode, a buffer layer, a photoelectric conversion layer, a low work function metal buffer layer, and a second electrode.
Description
본 발명은 제1 전극과 제2 전극 사이에 고전도성 버퍼층을 도입하고 광전변환층과 제2 전극사이에 일함수가 낮은 금속물질 버퍼층을 도입한 유기 태양전지(Organic photovoltaic cells; OPVs) 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판, 제1 전극, 버퍼층, 광전변환층, 저 일함수 금속 버퍼층 및 제2 전극의 구조를 포함하는 유기 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to organic photovoltaic cells (OPVs) having a high conductivity buffer layer between a first electrode and a second electrode, and a metal material buffer layer having a low work function between a photoelectric conversion layer and a second electrode, and fabrication thereof. The present invention relates to a method, and more particularly, to an organic solar cell including a structure of a substrate, a first electrode, a buffer layer, a photoelectric conversion layer, a low work function metal buffer layer, and a second electrode.
유기박막 태양전지 기술은 고분자 혹은 저분자 유기반도체를 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 환경친화형 신발전기술로, 유기물의 가장 큰 장점인 저렴한 비용과 제조공정의 용이성을 바탕으로 박막형 소자, 대면적 소자, 롤루롤(roll-to-roll) 방법 등에 의한 플렉시블(flexible) 소자 등 초저가, 다양도의 대량생산 특성을 모두 갖춘 차세대 태양전지이다.Organic thin film solar cell technology is an environmentally friendly footwear technology that converts solar energy into electrical energy using polymers or low molecular organic semiconductors.It is based on the low cost and ease of manufacturing process, which is the biggest advantage of organic materials. It is a next generation solar cell having both ultra low cost and various mass production characteristics such as an area device and a flexible device by a roll-to-roll method.
통상적으로, 유기태양전지는 전자공여체(electron donor)와 전자수여체(electron acceptor) 물질의 접합구조로 이루어져 있으며, 이러한 광전변환층에 빛이 입사되면 전자공여체에서 전자와 정공쌍이 여기되고 전자가 전자수용체로 이동함으로써 전자와 정공의 분리가 일어난다. 따라서, 빛에 의해 생성된 캐리어들은 전자-정공으로 분리되는 현상을 거쳐 외부회로로 이동하여 전력을 생산하게 된다.In general, an organic solar cell is composed of a junction structure of an electron donor and an electron acceptor material. When light is incident on the photoelectric conversion layer, electrons and hole pairs are excited in the electron donor, and electrons are electrons. By moving to the receptor, separation of electrons and holes occurs. Therefore, the carriers generated by light move to an external circuit through electron-hole separation to produce power.
최근에는 값이 싸면서도 유연기판에 적용할 수 있는 벌크 헤테로정션 유기태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 예를 들어, 미국특허 제5,454,880호는, 전자공여체로 공액구조를 가지는 전도성 고분자와 전자수용체로 풀러렌(fullerene; C60)을 구성층으로 형성하여 이들 계면에서 빛에 의해 유도된 신속한 전자이동에 따른 전하분리를 통하여 기전력을 발생시키는 방법을 제안하였다. 그러나, 이 경우 전자공여체와 전자수용체의 계면에서만 전하분리가 일어나므로 풀러렌이 전도성 고분자 내에 균일하게 분산될 필요가 있다.Recently, interest in bulk heterojunction organic solar cells, which can be applied to flexible substrates with low cost, is increasing. For example, U. S. Patent No. 5,454, 880 describes the formation of a conductive polymer having a conjugated structure as an electron donor and a fullerene (C 60 ) as an electron acceptor, resulting in rapid electron migration induced by light at these interfaces. A method of generating electromotive force through charge separation has been proposed. However, in this case, since charge separation occurs only at the interface between the electron donor and the electron acceptor, the fullerene needs to be uniformly dispersed in the conductive polymer.
또한, 미국 공개특허 제2006-0011233호에는 전자공여체로서 폴리-3-헥시티오펜(poly-3-hexylthiophene); P3HT)과, 전자수용체로 [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; PCBM)을 사용하고, 스핀코팅법으로 광전변환층이 도입된 유기태양전지를 개시하였지만, 이들의 에너지 변환 효율은 높지 않았다.U.S. Patent Application Publication No. 2006-0011233 also discloses poly-3-hexylthiophene as an electron donor; P3HT) and, as electron acceptor, [6,6] -phenyl -C 61 - butyric acid methyl ester ([6,6] -phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester; PCBM use), and the photoelectric by spin coating An organic solar cell in which a conversion layer is introduced is disclosed, but their energy conversion efficiency is not high.
이를 해결하기 위한 방법으로 전도도를 향상시킨 버퍼층을 도입을 통한 효율증대에 관한 연구가 진행 중에 있으며, 대한민국 공개특허 제10-2007-0108040호에 서는 유기태양전지의 버퍼층에 글리세롤이 포함된 G-PEDOT;PSS를 도입하여 소자의 효율을 높이려도 시도하였으나, 여전히 낮은 에너지 변환 효율을 나타내었다.In order to solve this problem, research on increasing efficiency through the introduction of a buffer layer having improved conductivity is being conducted. In Korean Patent Application Publication No. 10-2007-0108040, G-PEDOT including glycerol in a buffer layer of an organic solar cell is disclosed. Although attempts have been made to increase the efficiency of devices by introducing PSS, they still exhibit low energy conversion efficiency.
또한, 금속 전극의 일함수를 조절하여 광전변환층에서 분리된 전자를 외부회로로 효과적으로 이동시킴으로써 에너지 변환효율을 증가 시키려는 연구도 진행되고 있다. V. D. Mihailetchi 등은 금속전극으로 LiF/Al, Au, Ag 및 Pd 등을 적용하여 에너지 변환효율을 증가시키려 하였지만, 그 효과가 크지 않았다(V. D. Mihailetch et al., Appl. Phys. lett. v.85, pp.970, 2004). In addition, research is being conducted to increase energy conversion efficiency by effectively controlling the work function of the metal electrode to move electrons separated from the photoelectric conversion layer to an external circuit. VD Mihailetchi et al. Tried to increase the energy conversion efficiency by applying LiF / Al, Au, Ag and Pd as metal electrodes, but the effect was not large (VD Mihailetch et. al ., Appl. Phys. lett. v.85, pp. 970, 2004).
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소함과 동시에 높은 에너지 변환효율을 보이는 유기 태양전지를 제공하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 고전도성 버퍼층을 도입하여 전류밀도를 증가시키고, 생성된 전자를 외부회로로 쉽게 이동시킬 수 있는 낮은 일함수를 가지는 금속 버퍼층을 도입함으로써 에너지 변환 효율이 우수한 유기태양전지를 제공하는데 있다.Therefore, the present invention is to solve the above problems and at the same time to provide an organic solar cell showing a high energy conversion efficiency, the main object of the present invention is to introduce a high conductivity buffer layer to increase the current density, The present invention provides an organic solar cell having excellent energy conversion efficiency by introducing a metal buffer layer having a low work function that can be easily moved to an external circuit.
또한, 본 발명의 다른 목적은 고전도성 버퍼층 및 저 일함수 금속 버퍼층을 도입한 유기 태양전지의 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an organic solar cell incorporating a high conductivity buffer layer and a low work function metal buffer layer.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1 전극과 제2 전극 사이에 고전도성 버퍼층과 광전변환층을 포함하며, 광전변환층과 제2 전극 사이에 저 일함수 금속 버퍼층을 포함하는 기판, 제1 전극, 버퍼층, 광전변환층, 저 일함수 금속 버퍼층 및 제2 전극의 구조를 갖는 유기 태양전지를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a substrate comprising a high conductivity buffer layer and a photoelectric conversion layer between the first electrode and the second electrode, and a low work function metal buffer layer between the photoelectric conversion layer and the second electrode, An organic solar cell having a structure of a first electrode, a buffer layer, a photoelectric conversion layer, a low work function metal buffer layer, and a second electrode is provided.
또한, 본 발명은 (1) 기판 위에 제1 전극을 형성하는 단계; (2) 상기 제1 전극 위에 버퍼층을 형성하는 단계; (3) 상기 버퍼층 위에 광전변환층을 형성하는 단계; 및 (4) 상기 광전변환층과 제2 전극 사이에 저 일함수 금속 버퍼층을 형성하는 단계;를 포함하는 유기 태양전지의 제조방법을 제공한다. In addition, the present invention (1) forming a first electrode on the substrate; (2) forming a buffer layer on the first electrode; (3) forming a photoelectric conversion layer on the buffer layer; And (4) forming a low work function metal buffer layer between the photoelectric conversion layer and the second electrode.
본 발명에 따른 유기 태양전지는 고전도성의 버퍼층을 포함하고 있기 때문에 전류밀도가 향상으로 인한 에너지 변환효율을 증대시킬 수 있으며, 낮은 일함수를 가지는 금속 버퍼층을 도입함으로써 생성된 전자를 외부회로로 빠르게 이동시킬 수 있어 추가의 다른 층의 도입 없이 높은 에너지 변환효율을 나타내는 유기 태양전지를 제공하는 효과가 있다.Since the organic solar cell according to the present invention includes a highly conductive buffer layer, it is possible to increase the energy conversion efficiency due to the improvement of the current density. There is an effect to provide an organic solar cell that can be moved to exhibit high energy conversion efficiency without introducing additional layers.
또한, 본 발명의 제조방법은 비교적 간단한 공정으로 버퍼층의 형성이 가능하므로 대면적, 고효율의 태양전지를 보다 저렴한 가격으로 제작할 수 있다.In addition, the manufacturing method of the present invention can form a buffer layer in a relatively simple process it is possible to manufacture a large area, high efficiency solar cell at a lower price.
도 1은 본 발명의 유기 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유기 태양전지의 전류밀도-전압 특성을 나타낸 그래프이다.1 is a view schematically showing the structure of an organic solar cell of the present invention.
2 is a graph showing the current density-voltage characteristics of the organic solar cell according to the embodiment of the present invention.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 유기 태양전지의 개략적인 구조를 나타낸 것으로, 본 발명의 유기 태양전지는 하부부터 기판(110), 제1 전극(120), 버퍼층(130), 광전변환층(140), 저 일함수 금속 버퍼층(150) 및 제2 전극(160)이 적층된 구조를 갖는다.1 illustrates a schematic structure of an organic solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention. The organic solar cell of the present invention has a
본 발명에 있어서, 상기 기판(110)은 유리, 석영, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyetheylene naphtaelate, PEN), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리스틸렌(polystylene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), AS 수지(acrylonitrile styrene copolymer), ABS 수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 트리아세틸 셀룰로오스(triacetyl cellulose, TAC) 등이 사용 가능하며, 또한 이에 한정되지 않고 다양한 소재의 기판을 사용될 수도 있다.In the present invention, the
상기 제1 전극(120)은 애노드의 기능을 하는 부분으로, 투명전극 물질이 상기 기판(110)의 일면에 도포되거나 필름 형태로 코팅된 것이 바람직하며, 상기 투명전극 물질은 후술하는 제2 전극(160)에 비해 일함수가 큰 물질로서 투명성 및 도전성을 가지는 물질인 인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO), 금, 은, 플로린이 도핑된 주석산화물(fluorine doped tin oxide, FTO), 알루미늄이 도핑된 산화아연(aluminium doped zink oxide, AZO), 인듐 산화아연(indium zink oxide), 안티모니 주석산화물(antimony tin oxide, ATO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 등에서 선택되는 것이 바람직하다. The
상기 버퍼층(130)은 제1 전극 위에 전도성 고분자를 물, 양성자성 용매, 비양성자성 극성용매, 및 비양성자성 비극성용매 중에서 선택되는 1종 이상의 용매와 일정한 비율로 혼합한 후 여과하여 코팅하고, 이를 30~290℃의 온도범위에서 열처리(어닐링)함으로써 형성된다. The
상기 버퍼층(130)을 구성하는 전도성 고분자는 폴리에틸렌디옥시티오펜, 폴리스틸렌설포네이트, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하고, 양성자성 용매는 알코올, n-부틸 아세테이트(n-butyl acetate), 디옥산(dioxane), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 2-메톡시 에탄올(2-methoxy ethanol), 펜탄(pentane) 또는 트리플루오르 아세트산(trifluoroacetic acid) 등에서 선택되는 것이 바람직하며, 비양성자성 극성용매는 아세톤(acetone), 아세토니트릴(acetonitrile), 디메틸 아세트아미드(dimethyl acetamide, DMAc), 디메틸 포름아미드(dimethyl formamide, DMF), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), 메틸 n-프로필 케톤(methyl n-propyl ketone), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone, NMP), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 니트로메탄(nitromethane), 설포란(sulforane), 또는 헥사메틸포스포아미드(hexamethylphosphoramide, HMP) 등에서 선택되는 것이 바람직하고, 비양자성 비극성용매는 n-부틸 클로라이드(n-butyl chloride), 카본 테트라 클로라이드(carbon tetra chloride), 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로포름(chloroform), 클로로헥산(chlorohexane), 클로로펜탄(chloropentane), 데카하이드로 나프탈렌(decahydro naphthalene), o-디클로로벤젠(o-dichlorobenzene), 글라임(glyme), 헵탄(heptane), 헥사데칸(hexadecane), 헥산(hexane), 메틸-t-부틸 에테르(methyl-t-butyl ether), 메틸 이소부틸 케톤(methyl isobutyl ketone), 메틸렌 클로라이드(methylene chloride), 피리딘(pyridine), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF), 톨루엔(toluene), 1,2,4-트리클로로벤젠(1,2,4-trichlorobenzene), 트리클로로에틸렌(trichloroethylene), 트리클로로트리플루오로에탄(trichlorotrifluoroethane) 등에서 선택되는 것이 바람직하다.The conductive polymer constituting the
이때, 상기 전도성 고분자와 용매는 각각 0.5~30중량% 및 70~99.5중량%의 비율로 혼합되며, 이렇게 혼합된 용액은 기판 상에 10~150㎚의 두께로 코팅되는 것이 바람직하다.In this case, the conductive polymer and the solvent are mixed at a ratio of 0.5 to 30% by weight and 70 to 99.5% by weight, respectively, and the mixed solution is preferably coated with a thickness of 10 to 150nm on the substrate.
상기 광전변환층(140)은 전자공여체와 전자수여체가 혼합된 것을 유기용매에 용해하여 형성되는데, 바람직하게는 전자공여체로 폴리-3-헥실티오펜(P3HT), C-T 타입 고분자 또는 그의 유도체와 전자수여체로 [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르(PC60BM) 또는 [6,6]-페닐-C71-부틸산 메틸에스테르(PC70BM) 중에서 선택된다. The
이때, 전자공여체와 전자수여체는 1 : 0.5 내지 2의 중량비로 배합되는 것이 바람직하며, 스핀코팅 등의 방법으로 60~120㎚의 두께로 코팅되는 것이 좋다.At this time, the electron donor and the electron acceptor are preferably blended in a weight ratio of 1: 0.5 to 2, and may be coated with a thickness of 60 to 120 nm by a method such as spin coating.
상기 저 일함수 금속 버퍼층(150)에 적용되는 저 일함수 금속 물질로는, 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 나트륨(Na), 세슘(Cs), 리튬(Li) 등이 있으며, 이중 칼슘(Ca) 및 바륨(Ba)을 사용하는 것이 좋고, 5×10-7torr 이하의 진공도를 보이는 열층착기에서 증착되는 것이 바람직하다. Examples of the low work function metal material applied to the low work function
또한, 상기 제2 전극(160)은 불화리튬/알루미늄, 칼슘/알루미늄, 불화바륨/알루미늄, 알루미늄, 금, 은, 마그네슘:은, 리튬:알루미늄 중에서 선택되며, 광전변환층(150)이 도입된 상태에서 5×10-7torr 이하의 진공도를 보이는 열층착기에서 증착되는 것이 바람직하다.In addition, the
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 유기 태양전지는, (1) 기판 위에 제1 전극을 형성하는 단계; (2) 상기 제1 전극 위에 버퍼층을 형성하는 단계; (3) 상기 버퍼층 위에 광전변환층을 형성하는 단계; 및 (4) 상기 광전변환층과 제2 전극 사이에 저 일함수 금속 버퍼층을 형성하는 단계;를 포함하여 제조할 수 있다.The organic solar cell of the present invention having the above configuration comprises the steps of: (1) forming a first electrode on a substrate; (2) forming a buffer layer on the first electrode; (3) forming a photoelectric conversion layer on the buffer layer; And (4) forming a low work function metal buffer layer between the photoelectric conversion layer and the second electrode.
상기 제1 전극(120)은 스퍼터링, E-빔(E-beam), 열증착, 스핀코팅, 스프린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법 등을 이용해 투명전극 물질을 상기 기판(110)의 일면에 도포하거나 필름 형태로 코팅하여 형성한다. 상기 제1 전극(120)은 애노드의 기능을 하는 부분으로, 후술하는 제2 전극(150)에 비해 일함수가 큰 물질로서 투명성 및 도전성을 가지는 물질이 사용할 수 있는데, 예컨대, 인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO), 금, 은, 플로린이 도핑된 주석산화물(fluorine doped tin oxide, FTO), 알루미늄이 도핑된 산화아연(aluminium doped zink oxide, AZO), 인듐 산화아연(indium zink oxide), 안티모니 주석산화물(antimony tin oxide, ATO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 등이 있으며, 바람직하게는 ITO를 사용하는 것이 좋다.The
본 발명의 일 실시예에서는 패터닝 된 ITO 기판을 사용하되, 상기 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로판올(IPA)을 사용하여 순차적으로 세정한 다음 수분제거를 위해 가열판(hot plate)에서 100~150℃, 1~30분, 바람직하게는 110℃에서 10분간 건조하고, 기판의 완전히 세정되면 기판 표면을 친수성을 개질하여 사용하였다.In an embodiment of the present invention, a patterned ITO substrate is used, and the substrate is sequentially cleaned using a detergent, acetone, and isopropanol (IPA), and then 100 to 150 ° C. on a hot plate for removing moisture. After drying at ˜30 minutes, preferably at 110 ° C. for 10 minutes, the substrate surface was modified with hydrophilicity when the substrate was thoroughly cleaned.
상기와 같은 표면 개질을 통해 접합표면전위를 정공주입층의 표면 전위에 적합한 수준으로 유지할 수 있으며, 개질 시 ITO 기판 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상된다.Through the surface modification as described above, the bonding surface potential can be maintained at a level suitable for the surface potential of the hole injection layer, and when the modification is performed, the formation of the polymer thin film on the ITO substrate is facilitated and the quality of the thin film is improved.
이를 위한 전처리 기술로는 ⅰ) 평행평판형 방전을 이용한 표면 산화법, ⅱ) 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 및 ⅲ) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 표면을 산화하는 방법 등이 있으며, 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한 가지를 선택하게 되는데, 어느 방법을 이용하던지 공통적으로 기판 표면의 산소 이탈을 방지하고 수분 및 유기물의 잔류를 최대한 억제하여야 전처리의 실질적인 효과를 기대할 수 있다.Pretreatment techniques for this purpose include: i) surface oxidation using parallel planar discharge, ii) oxidizing the surface through ozone generated using UV ultraviolet light in a vacuum state, and iii) oxygen radicals generated by plasma. There is a method of oxidizing the surface, and one of the above methods is selected according to the state of the substrate, which is commonly used to prevent oxygen escape from the surface of the substrate and to suppress the residual of moisture and organic matter as much as possible. You can expect a substantial effect.
본 발명의 일 실시예에서는 ⅱ) UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용하였으며, 초음파 세정 후 패턴된 ITO 기판을 가열판에서 베이킹(baking)하여 잘 건조시킨 다음 챔버에 투입하고 UV 램프를 작동시켜 산소가스가 UV광과 반응하여 발생하는 오존에 의해 패턴된 ITO 기판을 세정하였다.In an embodiment of the present invention, ii) a method of oxidizing a surface through ozone generated by using UV was used. After ultrasonic cleaning, the patterned ITO substrate was baked on a heating plate, dried well, and then placed in a chamber. The UV lamp was operated to clean the ITO substrate patterned by ozone generated by oxygen gas reacting with UV light.
그러나, 본 발명에서의 패턴된 ITO 기판의 표면 개질 방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무관하다.However, the surface modification method of the patterned ITO substrate in this invention does not need to be specifically limited, Any method as long as it is a method of oxidizing a substrate is irrelevant.
상기와 같이 전처리한 제1 전극(120)의 상부에는 버퍼층(130)이 스핀코팅 또는 딥 코팅 등의 방법을 이용해 도입되는데, 상기 버퍼층(130)은 전도성 고분자를 물, 양성자성 용매, 비양성자성 극성용매, 및 비양성자성 비극성용매 중에서 선택되는 1종 이상의 용매에 용해시켜 전극 위에 코팅하여 형성한다. The
구체적으로, 상기 버퍼층(130)은 전도성 고분자와 용매를 각각 0.5~30중량% 및 70~99.5중량%, 바람직하게는 1~10중량% 및 90~99중량%의 범위로 혼합하여 제조한다.Specifically, the
또한, 상기 전도성 고분자와 용매의 균질한 혼합을 위해 블랜딩을 실시할 수 있는데, 10분~48시간, 바람직하게는 1~6시간 실시하고, 균일한 박막을 얻기 위해 5㎛ PTFE 실린지 필터를 이용하여 필터링 후 10~150㎚, 바람직하게는 20~60㎚ 두께로 코팅한다.In addition, blending may be performed for homogeneous mixing of the conductive polymer and the solvent, and may be performed for 10 minutes to 48 hours, preferably 1 to 6 hours, using a 5 μm PTFE syringe filter to obtain a uniform thin film. After filtering by 10 to 150nm, preferably 20 to 60nm thick coating.
상기에서 전도성 고분자는 폴리에틸렌디옥시티오펜, 폴리스틸렌설포네이트, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(4-스틸렌설포네이트)[PEDOT:PSS] 고분자 및 이들의 유도체인 것이 좋다. 또한, 상기 양성자성 용매는 탄소 또는 질소와 수소가 결합된 구조, 예를 들면, -NH, -COOH, 및 -OH기 등을 포함하는 양성자성 용매인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 알코올, n-부틸 아세테이트(n-butyl acetate), 디옥산(dioxane), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 2-메톡시 에탄올(2-methoxy ethanol), 펜탄(pentane) 또는 트리플루오르 아세트산(trifluoroacetic acid) 등에서 선택되는 것이 좋으며; 상기 비양성자성 극성용매는 아세톤(acetone), 아세토니트릴(acetonitrile), 디메틸 아세트아미드(dimethyl acetamide, DMAc), 디메틸 포름아미드(dimethyl formamide, DMF), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), 메틸 n-프로필 케톤(methyl n-propyl ketone), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone, NMP), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 니트로메탄(nitromethane), 설포란(sulforane), 또는 헥사메틸포스포아미드(hexamethylphosphoramide, HMP) 등에서 선택되는 것이 바람직하고; 상기 비양자성 비극성용매는 n-부틸 클로라이드(n-butyl chloride), 카본 테트라 클로라이드(carbon tetra chloride), 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로포름(chloroform), 클로로헥산(chlorohexane), 클로로펜탄(chloropentane), 데카하이드로 나프탈렌(decahydro naphthalene), o-디클로로벤젠(o-dichlorobenzene), 글라임(glyme), 헵탄(heptane), 헥사데칸(hexadecane), 헥산(hexane), 메틸-t-부틸 에테르(methyl-t-butyl ether), 메틸 이소부틸 케톤(methyl isobutyl ketone), 메틸렌 클로라이드(methylene chloride), 피리딘(pyridine), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, TMF), 톨루엔(toluene), 1,2,4-트리클로로벤젠(1,2,4-trichlorobenzene), 트리클로로에틸렌(trichloroethylene), 트리클로로트리플루오로에탄(trichlorotrifluoroethane) 등에서 선택되는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)과 폴리(4-스틸렌설포네이트)[PSS]가 1 : 2.5 내지 1 : 20의 중량비로 물, IPA, 메탄올 또는 에탄올에 1.0 내지 3.0wt%로 함유되는 것이 좋다. The conductive polymer is preferably at least one selected from the group consisting of polyethylenedioxythiophene, polystyrenesulfonate, polyacetylene, polypyrrole, polythiophene, polyaniline, and the like, and more preferably poly (3,4-ethylenedioxane). Citofene) / poly (4-styrenesulfonate) [PEDOT: PSS] polymer and derivatives thereof. In addition, the protic solvent is preferably a protic solvent containing a structure in which carbon or nitrogen and hydrogen are bonded, for example, -NH, -COOH, and -OH group, more preferably alcohol, n N-butyl acetate, dioxane, ethyl acetate, 2-methoxy ethanol, pentane or trifluoroacetic acid Is good; The aprotic polar solvent is acetone, acetonitrile, dimethyl acetamide (DMAc), dimethyl formamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), methylethyl Ketone (methyl ethyl ketone), methyl n-propyl ketone, N-methylpyrrolidone (NMP), propylene carbonate, nitromethane, sulfolane ( sulforane) or hexamethylphosphoramide (HMP) and the like; The aprotic non-polar solvent is n-butyl chloride, n-butyl chloride, carbon tetra chloride, chlorobenzene, chloroform, chloroform, chlorohexane, chloropentane, deca Decahydro naphthalene, o-dichlorobenzene, glyme, heptane, hexadecane, hexane, methyl-t-butyl ether butyl ether, methyl isobutyl ketone, methylene chloride, pyridine, tetrahydrofuran (TMF), toluene, 1,2,4-trichlorobenzene ( It is preferably selected from 1,2,4-trichlorobenzene, trichloroethylene, trichlorotrifluoroethane and the like. Most preferably, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and poly (4-styrenesulfonate) [PSS] are added to water, IPA, methanol or ethanol at a weight ratio of 1: 2.5 to 1:20. It is good to contain from 1.0 to 3.0wt%.
본 발명의 일 실시예에서는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)[PEDOT]과 폴리(4-스틸렌설포네이트)[PSS]가 1 : 2.5 내지 20의 중량비로 물, IPA, 에탄올 또는 메탄올에 1.0 내지 3.0중량%로 함유된 혼합액을 버퍼층으로 사용하였다.In one embodiment of the present invention, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) [PEDOT] and poly (4-styrenesulfonate) [PSS] are added to water, IPA, ethanol or methanol in a weight ratio of 1: 2.5 to 20. A mixed solution containing 1.0 to 3.0% by weight was used as a buffer layer.
또한, 코팅된 박막은 열처리(어닐링)를 실시한다. 이때 코팅막의 열처리 온도는 양성자성 용매, 비양자성 극성용매 및 비양자성 비극성용매의 끓는점 이하의 범위 내인 것이 좋은데, 바람직하게는 30~290℃의 온도 범위에서 실시하는 것이 좋다. 열처리 온도가 상기 온도 범위 미만일 경우, 용매가 완전히 건조되지 않아 박막의 물성이 저하되고, 상기 온도 범위를 초과하여 건조시키는 경우에는 용매가 급격히 증발해 버리므로 전기전도도의 증가에 기여할 수 없기 때문이다.In addition, the coated thin film is subjected to heat treatment (annealing). At this time, the heat treatment temperature of the coating film is preferably in the range below the boiling point of the protic solvent, aprotic polar solvent and aprotic nonpolar solvent, preferably in the temperature range of 30 ~ 290 ℃. This is because when the heat treatment temperature is less than the above temperature range, the solvent is not completely dried and the physical properties of the thin film are lowered. When the heat treatment temperature is exceeded, the solvent is rapidly evaporated, and thus it cannot contribute to an increase in the electrical conductivity.
건조 시 각 용매의 끓는점 이하의 온도에서는 온도가 높을수록 PEDOT의 용해도가 증가함과 동시에 극성용매의 움직임이 활발해지기 때문에 극성용매가 PEDOT:PSS 사슬 내에 더욱 균일하게 끼어들어갈 수 있으며, 이들 용매에 의해 스크린효과가 증대되는 것으로 판단된다. 그러나, 각 극성용매의 끓는점 부근에서는 극성용매들이 매우 급격하게 증발하므로 전기전도도의 증가에 기여할 수 없다.At the temperature below the boiling point of each solvent, the higher the temperature, the higher the solubility of PEDOT and the more active the polar solvent is. Therefore, the polar solvent can be more uniformly intercalated in the PEDOT: PSS chain. The screen effect seems to increase. However, since the polar solvents evaporate very rapidly near the boiling point of each polar solvent, it cannot contribute to an increase in electrical conductivity.
상기 버퍼층(130)의 상부에는 광전변환층(140)을 형성한다. 상기 광전변환층(140)은 전자공여체와 전자수여체가 혼합된 것을 유기용매에 용해시켜 형성시키며, 본 발명에서는 전자공여체로 폴리-3-헥실티오펜(P3HT), C-T 타입 고분자 또는 그의 유도체를 사용할 수 있으며, 전자수여체로는 [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르(PC61BM), [6,6]-페닐-C71-부틸산 메틸에스테르(PC71BM)를 사용할 수 있다. The
이때, 전자공여체와 전자수여체는 1 : 0.5 내지 2의 중량비로, 바람직하게는 1 : 0.6 내지 1.0의 중량비로 혼합하는 것이 좋고, 상기 비율로 혼합한 전자공여체와 전자수여체는 유기용매, 바람직하게는 2가지 이상의 끓는점이 다른 유기용매에 용해시켜 스핀코팅 등의 방법으로 60~120㎚ 두께로 형성하는 것이 좋다. In this case, the electron donor and the electron acceptor may be mixed in a weight ratio of 1: 0.5 to 2, preferably in a weight ratio of 1: 0.6 to 1.0, and the electron donor and the electron acceptor mixed in the above ratio are organic solvents, preferably Preferably, at least two boiling points are dissolved in different organic solvents and formed to a thickness of 60 to 120 nm by a method such as spin coating.
본 발명에 있어서, 상기 광전변환층(140)의 코팅방법은 스핀코팅 외에 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이 등의 방법을 응용할 수 있으며, 상기 전자 수용체로는 PCC61BM를 포함하여 C70, C76, C78, C80, C82, C84, 등의 다른 풀러렌 유도체를 사용할 수도 있다. In the present invention, the coating method of the
또한, 코팅된 광전변환층(140)은 전도성 고분자의 결정성을 높이기 위해 80~160℃, 바람직하게는 90~140℃에서 박막을 어닐링(annealing)하는 것이 좋다.In addition, the coated
저 일함수 금속 버퍼층(150)에 적용되는 저 일함수 금속 물질로는 칼슘, 바륨, 나트륨, 세슘, 리튬 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 칼슘 또는 바륨을 5×10-7torr 이하의 진공도를 보이는 열층착기에서 증착되는 것이 바람직하다. As the low work function metal material to be applied to the low work function
또한, 상기 제2 전극(160)은 불화리튬/알루미늄, 칼슘/알루미늄, 불화바륨/알루미늄, 알루미늄, 금, 은, 마그네슘:은, 리튬:알루미늄 중에서 선택되며, 광전변환층(150)이 도입된 상태에서 5×10-7torr 이하의 진공도를 보이는 열층착기에서 증착되는 것이 바람직하다.
In addition, the
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.
실시예 1. 패턴된 ITO 기판 세정Example 1. Patterned ITO Substrate Cleaning
패턴된 ITO glass(면저항 ~15Ω/sq.; Samsung Corning, 한국) 기판의 표면을 세정하기 위하여, 세정제(Alconox, Aldrich, USA), 아세톤, 이소프로판올(IPA)를 순차적으로 각각 20분씩 초음파 세정을 실시한 후 질소로 물기를 완전히 불어내고, 가열판에서 110℃로 10분간 건조하여 수분을 완전히 제거한 후, UVO 세정기(UVO cleaner, Ahtech LTS. 한국)에서 10분간 표면을 친수성으로 개질하였다.
In order to clean the surface of the patterned ITO glass (surface resistance ˜15 μs / sq .; Samsung Corning, Korea) substrate, ultrasonic cleaning was performed sequentially for 20 minutes for each of cleaning agents (Alconox, Aldrich, USA), acetone, and isopropanol (IPA). After the water was completely blown with nitrogen, dried at 110 ° C for 10 minutes on a heating plate to completely remove the moisture, and the surface was hydrophilicly modified for 10 minutes in a UVO cleaner (UVO cleaner, Ahtech LTS. Korea).
실시예 2. 버퍼층의 제조(1)Example 2 Preparation of Buffer Layer (1)
폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)[PEDOT]와 폴리(4-스틸렌설포네이트)[PSS]의 비율이 1 : 6(w/w)이며, 물 또는 알코올류에 1.3 내지 1.7중량% 혼합되어 있는 PEDOT:PSS용액(Clevios TM P AI4083, Clevious, Germany)을 세정하여 친수성의 표면으로 개질한 ITO 기판, 즉 전처리 된 제1 전극 위에 약 40㎚ 두께로 스핀코팅한 후, 120℃ 가열판에서 20분간 열처리하여 버퍼층을 제조하였다.
The ratio of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) [PEDOT] and poly (4-styrenesulfonate) [PSS] is 1: 6 (w / w), and 1.3 to 1.7% by weight of water or alcohols are mixed. PEDOT: PSS solution (Clevios TM P AI4083, Clevious, Germany) was cleaned and spin-coated to about 40 nm on an ITO substrate modified to a hydrophilic surface, that is, a pre-treated first electrode, and then Heat treatment for minutes to prepare a buffer layer.
실시예 3. 버퍼층의 제조(2)Example 3 Preparation of Buffer Layer (2)
폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)[PEDOT]와 폴리(4-스틸렌설포네이트)[PSS]의 비율이 1 : 2.5(w/w)이며, 물 또는 알코올류에 1.0 내지 1.3% 혼합되어 있는 PEDOT:PSS용액(Clevios TM PH500, Clevious, Germany)을 세정하여 친수성의 표면으로 개질한 ITO 기판 위에 50㎚ 두께로 스핀코팅 후, 120℃ 가열판에서 20분간 열처리하여 버퍼층을 제조하였다.
The ratio of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) [PEDOT] and poly (4-styrenesulfonate) [PSS] is 1: 2.5 (w / w), and 1.0 to 1.3% is mixed with water or alcohols. The PEDOT: PSS solution (Clevios ™ PH500, Clevious, Germany) was washed, spin-coated to a thickness of 50 nm on an ITO substrate modified with a hydrophilic surface, and heat-treated at 120 ° C. for 20 minutes to prepare a buffer layer.
실시예 4. 고 전도성 버퍼층의 제조(3)Example 4 Preparation of Highly Conductive Buffer Layer (3)
폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)[PEDOT]와 폴리(4-스틸렌설포네이트)[PSS]의 비율이 1 : 2.5(w/w)이며, 물 또는 알코올류에 1.0 내지 1.3% 혼합되어 있는 PEDOT:PSS용액(Clevios TM PH500, Clevious, Germany)에 DMSO를 5중량% 첨가한 혼합용액을 세정하여 친수성으로 표면을 개질한 ITO 기판 위에 50㎚ 두께로 스핀코팅 후, 120℃ 가열판에서 20분간 열처리하여 버퍼층을 제조하였다.
The ratio of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) [PEDOT] and poly (4-styrenesulfonate) [PSS] is 1: 2.5 (w / w), and 1.0 to 1.3% is mixed with water or alcohols. PEDOT: PSS solution (Clevios TM PH500, Clevious, Germany) was washed with a mixed solution of 5% by weight of DMSO and spin-coated to 50nm thickness on the hydrophilic surface-modified ITO substrate, followed by 20 minutes on a 120 ℃ heating plate. Heat treatment to prepare a buffer layer.
실시예 5. 광전변환층의 제조(1)Example 5 Preparation of Photoelectric Conversion Layer (1)
폴리-3-헥실티오펜(P3HT)과 [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르(PCBM)를 1 : 0.8의 중량비로 혼합하여 클로로벤젠에 1.5중량%의 농도로 용해시킨 것을 상기 실시예 2의 버퍼층이 도입된 ITO 기판에 스핀코팅하고, 120℃의 가열판에서 10분간 열처리 하여 100㎚ 두께의 광전변환층을 제조하였다.
Poly-3-hexylthiophene (P3HT) and [6,6] -phenyl-C 61 -butyl acid methyl ester (PCBM) were mixed in a weight ratio of 1: 0.8 and dissolved in chlorobenzene at a concentration of 1.5% by weight. A 100 nm thick photoelectric conversion layer was prepared by spin coating the ITO substrate into which the buffer layer of Example 2 was introduced and heat-treated for 10 minutes on a 120 ° C. heating plate.
실시예 6. 광전변환층의 제조(2)Example 6 Preparation of Photoelectric Conversion Layer (2)
폴리-3-헥실티오펜(P3HT)과 [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르(PCBM)를 1 : 0.8의 중량비로 혼합하여 클로로벤젠에 1.5중량%의 농도로 용해시킨 것을 상기 실시예 3의 버퍼층이 도입된 ITO 기판에 스핀코팅하고, 120℃의 가열판에서 10분간 열처리 하여 100㎚ 두께의 광전변환층을 제조하였다.
Poly-3-hexylthiophene (P3HT) and [6,6] -phenyl-C 61 -butyl acid methyl ester (PCBM) were mixed in a weight ratio of 1: 0.8 and dissolved in chlorobenzene at a concentration of 1.5% by weight. A 100 nm thick photoelectric conversion layer was prepared by spin coating the ITO substrate into which the buffer layer of Example 3 was introduced and heat-treating for 10 minutes on a 120 ° C. heating plate.
실시예 7. 광전변환층의 제조(3)Example 7 Preparation of Photoelectric Conversion Layer (3)
폴리-3-헥실티오펜(P3HT)과 [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르(PCBM)를 1 : 0.8의 중량비로 혼합하여 클로로벤젠에 1.5중량%의 농도로 용해시킨 것을 상기 실시예 4의 고 전도성 버퍼층이 도입된 ITO 기판에 스핀코팅하고, 120℃의 가열판에서 10분간 열처리 하여 100㎚ 두께의 광전변환층을 제조하였다.
Poly-3-hexylthiophene (P3HT) and [6,6] -phenyl-C 61 -butyl acid methyl ester (PCBM) were mixed in a weight ratio of 1: 0.8 and dissolved in chlorobenzene at a concentration of 1.5% by weight. A 100 nm thick photoelectric conversion layer was prepared by spin coating the ITO substrate into which the highly conductive buffer layer of Example 4 was introduced and heat-treated for 10 minutes on a 120 ° C. heating plate.
실시예Example 8. 유기 태양전지의 제작(1) 8. Fabrication of Organic Solar Cells (1)
광전변환층이 도입된 실시예 5의 ITO 기판을 5×10-7torr 이하의 진공도를 보이는 열층착기에서 저 일함수 금속 버퍼층으로 사용될 칼슘(Ca)을 0.5Å/s의 속도로 30㎚, 알루미늄(Al)을 5Å/s의 속도로 100㎚ 증착하여 칼슘(Ca)/알루미늄(Al) 구조를 갖는 유기 태양전지를 제작하였다.The ITO substrate of Example 5, in which the photoelectric conversion layer was introduced, was used as a low work function metal buffer layer in a heat depositor showing a vacuum degree of 5 × 10 −7 torr or less at a rate of 0.5 nm / s at 30 nm and aluminum An organic solar cell having a calcium (Ca) / aluminum (Al) structure was fabricated by depositing (Al) at 100 nm at a rate of 5 mA / s.
상기와 같이 제작된 유기 태양전지는 수분과 산소에 의한 분해를 방지하기 위하여 수분 및 산소 흡습제를 봉지유리 안쪽 면에 도입한 후, 자외선 경화제를 이용하여 봉지하였다.
The organic solar cell manufactured as described above was introduced with a moisture and oxygen absorbent to the inner surface of the encapsulating glass in order to prevent decomposition by moisture and oxygen, and then encapsulated using an ultraviolet curing agent.
실시예Example 9. 유기 태양전지의 제작(2) 9. Fabrication of Organic Solar Cell (2)
광전변환층이 도입된 실시예 5의 ITO 기판을 사용하여 상기 실시예 8과 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제작하되, 저 일함수 금속 버퍼층으로 사용될 바륨(Ba)을 5Å/s의 속도로 2㎚, 알루미늄(Al)을 5Å/s의 속도로 100㎚ 증착하여 바륨(Ba)/알루미늄(Al)의 구조를 갖는 유기 태양전지를 제작하였다.
An organic solar cell was fabricated in the same manner as in Example 8, using the ITO substrate of Example 5 having the photoelectric conversion layer incorporated therein, with 2 nm of barium (Ba) being used as the low work function metal buffer layer at a rate of 5 mA / s. , 100 nm of aluminum (Al) was deposited at a rate of 5 kW / s to fabricate an organic solar cell having a structure of barium (Ba) / aluminum (Al).
실시예Example 10. 유기 태양전지의 제작(3) 10. Fabrication of Organic Solar Cells (3)
광전변환층이 도입된 실시예 7의 ITO 기판을 사용하고 상기 실시예 9와 동일한 방법으로 저 일함수 금속(바륨) 버퍼층을 증착하여 유기 태양전지를 제작하였다.
An organic solar cell was manufactured by depositing a low work function metal (barium) buffer layer using the ITO substrate of Example 7 having the photoelectric conversion layer introduced therein and using the same method as Example 9.
실시예Example 11. 유기 태양전지의 제작(4) 11. Fabrication of Organic Solar Cells (4)
광전변환층이 도입된 실시예 8의 ITO 기판을 사용하고 상기 실시예 9와 동일한 방법으로 저 일함수 금속(바륨) 버퍼층을 증착하여 유기 태양전지를 제작하였다.
An organic solar cell was manufactured by depositing a low work function metal (barium) buffer layer in the same manner as in Example 9 using the ITO substrate of Example 8 having the photoelectric conversion layer introduced therein.
실험예Experimental Example . 유기 태양전기의 전기광학적 특성 평가. Evaluation of Electro-optical Properties of Organic Solar Cells
상기 실시예 8 내지 11에서 제조한 유기 태양전지의 전기광학적 특성 평가를 위해, 전류-전압밀도는 키슬리 2400 소스미터와 태양광 모의실험장치(Oriel 150W solar simulator)를 사용하여 표준조건(AM 1.5(Air Mass 1.5 Grobal), 100㎽/㎠, 25℃)에서 측정하였다.In order to evaluate the electro-optical characteristics of the organic solar cells prepared in Examples 8 to 11, the current-voltage density was measured under a standard condition (AM 1.5) using a Keithley 2400 source meter and an Oriel 150W solar simulator. (Air Mass 1.5 Grobal), 100 μs / cm 2, 25 ° C.).
도 2는 본 발명에 따라 제작된 유기 태양전지의 전류밀도-전압(J-V) 특성을 나타낸 그래프이며, 상기 실시예 8 내지 11에서 제작된 유기 태양전지에 대한 Jsc, Voc, FF 및 계산된 에너지 변환효율과 같은 광학적 특성을 하기 표 1에 명시하였다.2 is a graph showing the current density-voltage (JV) characteristics of the organic solar cell fabricated according to the present invention, Jsc, Voc, FF and the calculated energy conversion for the organic solar cell fabricated in Examples 8 to 11 Optical properties such as efficiency are listed in Table 1 below.
Jsc(㎃/㎠)Tube short circuit current density
Jsc (㎃ / ㎠)
Voc(V)Photo-opening voltage
Voc (V)
FF(%)Fill factor
FF (%)
변환효율(%)energy
Conversion efficiency (%)
단, 상기에서 Fill Factor는 최대 전력점에서 전압값(Vmax)×전류밀도(Jmax)/(Voc×Jsc)이며, 에너지 변환효율은 FF×(Jsc×Voc)/Pin, Pin = 100[㎽/㎠] 으로 계산하였다.
However, the Fill Factor is the voltage value (Vmax) × current density (Jmax) / (Voc × Jsc) at the maximum power point, the energy conversion efficiency is FF × (Jsc × Voc) / Pin, Pin = 100 [= / Cm 2].
그 결과, 통상적으로 사용되는 버퍼층과 저 일함수 금속 버퍼층인 바륨을 모두 적용한 유기 태양전지(실시예 9)가 칼슘을 저 일함수 금속 버퍼층으로 사용한 유기 태양전지(실시예 8)와 비교하여 광단락 전류밀도, 광개방전압, Fill factor 및 에너지 변환효율값이 모두 높았다. 이는 바륨의 일함수(~2.7eV)가 칼슘(~2.9eV)에 비해 낮아서 광활성층에서 분리된 전자를 보다 용이하게 외부 회로로 이동시킬 수 있기 때문이다.As a result, the organic solar cell (Example 9) to which both a commonly used buffer layer and barium, which is a low work function metal buffer layer, was applied, compared with an organic solar cell (Example 8) using calcium as a low work function metal buffer layer. The current density, photoopening voltage, fill factor and energy conversion efficiency were all high. This is because the work function of barium (˜2.7 eV) is lower than that of calcium (˜2.9 eV), so that electrons separated from the photoactive layer can be more easily moved to an external circuit.
또한, 개질된 PEDOT:PSS를 버퍼층으로 도입한 유기 태양전지(실시예 10)는 향상된 전도도로 인하여 광전변환층에서 분리된 정공을 빠르게 외부 회로로 전달하여 정공과 전자의 재결합 확률을 낮추어 광단락 전류밀도를 향상시켰으며, 이로 인해 에너지 변환효율 또한 증가시킨 것으로 확인되었다.In addition, the organic solar cell (Example 10) in which the modified PEDOT: PSS is introduced as a buffer layer has a high conductivity, thereby rapidly transferring holes separated from the photoelectric conversion layer to an external circuit, thereby reducing the probability of recombination of holes and electrons, thereby reducing photo short circuit current. The density was improved, which also increased the energy conversion efficiency.
또한, 개질된 PEDOT:PSS에 DMSO를 5wt%로 첨가한 버퍼층을 도입한 유기 태양전지(실시예 11)의 경우, DMSO를 첨가하지 않은 태양전지보다 향상된 전도도로 인하여 전류밀도가 향상됨과 동시에 에너지 변환효율도 증가하였다.
In addition, in the case of an organic solar cell (Example 11) having a modified PEDOT: PSS buffer layer containing 5 wt% of DMSO, the current density is improved and energy is converted at the same time due to the improved conductivity compared to the solar cell without DMSO. Efficiency also increased.
이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. As described above, specific portions of the contents of the present invention have been described in detail, and for those skilled in the art, these specific techniques are merely preferred embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereto. Will be obvious. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.
110: 기판 120: 제1 전극
130: 버퍼층 140: 광전변환층
150: 저 일함수 금속 버퍼층 160: 제2 전극110: substrate 120: first electrode
130: buffer layer 140: photoelectric conversion layer
150: low work function metal buffer layer 160: second electrode
Claims (11)
상기 전도성 고분자 버퍼층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)[PEDOT]과 폴리(4-스틸렌설포네이트)[PSS]를 1:2.5 내지 20의 중량비로 물, IPA, 메탄올 또는 에탄올에 1.0 내지 3.0중량%로 첨가한 것을 기판 위에 스핀코팅 후 열처리(어닐링)한 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method of claim 1,
The conductive polymer buffer layer comprises poly (3,4-ethylenedioxythiophene) [PEDOT] and poly (4-styrenesulfonate) [PSS] in a weight ratio of 1: 2.5 to 20 in water, IPA, methanol or ethanol from 1.0 to An organic solar cell comprising heat treatment (annealing) after spin coating a substrate added at 3.0 wt%.
상기 열처리(어닐링)는 100 내지 150℃에서 10 내지 30분간 실시하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지. The method of claim 2,
The heat treatment (annealing) is an organic solar cell, characterized in that performed for 10 to 30 minutes at 100 to 150 ℃.
(2) 상기 (1)단계에 의해 형성된 제1전극 위에 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)[PEDOT]과 폴리(4-스틸렌설포네이트)[PSS]를 1 : 2.5 내지 20의 중량비로 물, IPA, 메탄올 또는 에탄올을 1.0 내지 3.0중량%로 첨가한 것을 스핀코팅 후 열처리(어닐링)하여 전도성 고분자 버퍼층을 형성하는 단계;
(3) 상기 (2)단계에 의해 형성된 전도성 고분자 버퍼층 위에 광전변환층을 형성하는 단계;
(4) 상기 (3)단계에 의해 형성된 광전변환층 위에 칼슘(Ca) 또는 바륨(Ba)으로 구성되는 저 일함수 금속 버퍼층을 형성하는 단계; 및
(5) 상기 (4)단계에 의해 형성된 저 일함수 금속 버퍼층 위에 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하는 유기태양전지 제조방법. (1) forming a first electrode on the substrate;
(2) Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) [PEDOT] and poly (4-styrenesulfonate) [PSS] on the first electrode formed by step (1) above at a weight ratio of 1: 2.5 to 20. Spin-coating to which water, IPA, methanol or ethanol is added in an amount of 1.0 to 3.0% by weight, followed by heat treatment (annealing) to form a conductive polymer buffer layer;
(3) forming a photoelectric conversion layer on the conductive polymer buffer layer formed by step (2);
(4) forming a low work function metal buffer layer composed of calcium (Ca) or barium (Ba) on the photoelectric conversion layer formed by step (3); And
(5) forming a second electrode on the low work function metal buffer layer formed by step (4).
상기 (2)단계에서 열처리(어닐링)는 100 내지 150℃에서 10 내지 30분간 실시하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.The method of claim 4, wherein
Heat treatment (annealing) in the step (2) is an organic solar cell manufacturing method, characterized in that carried out for 10 to 30 minutes at 100 to 150 ℃.
상기 (4)단계에서 칼슘(Ca) 또는 바륨(Ba)을 진공도가 5×10-7torr 이하인 열증착기에서 증착하여 저 일함수 금속 버퍼층을 형성하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지 제조방법.
The method of claim 4, wherein
In step (4), calcium (Ca) or barium (Ba) is deposited in a thermal evaporator having a vacuum degree of 5 × 10 -7 torr or less to form a low work function metal buffer layer, characterized in that the organic solar cell manufacturing method.
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