KR101290848B1 - Nano CuO Added Organic Thin Film And Electronic Device Using It - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고효율의 유기 태양전지 제조를 위하여 CuO 나노 물질을 PEDOT:PSS 버퍼층에 사용한 유기태양전지 제조 방법에 관한 것이다. 현재 유기 태양전지 물질로써 주로 regioregular poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 와 phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) 의 혼합물을 이용한 유기 태양전지를 제작하고 있으며, 이는 높은 에너지 변환 효율과 안정성으로 인해 유기 태양전지 분야에서 각광 받고 있는 물질이다. 하지만 유기물 전자소자의 한계라고 할 수 있는 낮은 이동도로 인한 낮은 에너지 변환 효율은 현재까지도 개선이 필요한 실정이다. 본 발명에서는 위에서 언급한 유기 물질을 사용한 CuO 나노 물질을 버퍼층에 이용하여 기존의 공정을 그대로 이용하면서 양극 까지 이동하는 정공의 이동도를 증가시켜 광 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있는 방법을 제시한다.The present invention relates to a method for manufacturing an organic solar cell using CuO nanomaterials in a PEDOT: PSS buffer layer to produce a high efficiency organic solar cell. Currently, organic solar cell materials are being manufactured using a mixture of regioregular poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM). It is a material that is in the spotlight in the field of organic solar cells. However, low energy conversion efficiency due to low mobility, which is a limit of organic electronic devices, still needs improvement. In the present invention, by using the CuO nano-material using the above-mentioned organic material in the buffer layer, a method that can increase the light energy conversion efficiency by increasing the mobility of holes moving to the anode while using the existing process as it is.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것이며, 좀 더 상세하게는 태양전지의 활성층인 유기박막의 정공 이동도를 증가시키는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell, and more particularly, to a technique for increasing hole mobility of an organic thin film that is an active layer of a solar cell.
대체 에너지에 대한 기술 중 특히 태양전지에 대한 기대와 연구는 매우 활발하며, 태양전지의 효율증가 및 전력당 원가절감에 대한 요구는 더욱 절실해지고 있다. 태양전지를 비롯하여 전자소자에 활용되고 있는 전도성 고분자 박막인 PEDOT:PSS는 투명하고 전도성이 우수하여 여러 유기 박막 전자소자의 양극, 혹은 정공 전도층으로 주로 사용되는 유기물이다. 하지만 PEDOT:PSS 자체의 정공 전도도가 낮고 무기 박막에 비하여 상대적으로 낮은 전도도로 인한 제조상의 제약이 발생한다. Among the technologies for alternative energy, especially the expectation and research on solar cells are very active, and the demand for increasing the efficiency of solar cells and reducing the cost per power is more urgent. PEDOT: PSS, a conductive polymer thin film used in electronic devices, including solar cells, is an organic material mainly used as an anode or a hole conducting layer of various organic thin film electronic devices because of its transparency and excellent conductivity. However, PEDOT: PSS itself has low hole conductivity and manufacturing constraints due to relatively low conductivity compared to inorganic thin films.
유기 태양전지의 기본 구조는 "투명 전도막/유기 화합물/금속 전극"이라는 구조를 기본적으로 갖고 있으며, 사용되는 투명 전도막 물질로는 ITO(Indium tin oxide)가 유기 태양전지의 양극로 사용되고 알루미늄(Al)과 같은 낮은 일 함수를 갖는 금속이 음극으로 주로 사용된다. 두 전극 사이에 유기 반도체 물질이 존재하고, 상기 유기 반도체 물질은, 흡수된 태양광의 에너지를 이용하여 전자-정공 쌍을 형성하는 활성층으로 존재하게 된다. 이 활성층은 도너(donor) 물질과 액셉터(acceptor) 물질을 혼합한 용액을 주로 스핀 코팅(spin coating)하는 방법으로 적층되며, 최근에는 잉크 젯(inkjet) 방법이나 스프레이 코팅(spray coating)과 같은 방법으로 적층 되고 있다. 유기 태양전지에 빛이 입사되면 도너(donor) 물질에서 전자-정공 쌍이 형성되며, 이렇게 형성된 전자-정공 쌍은 물질의 계면에서 분리되어 정공은 애노드(anode) 쪽으로, 전자는 캐소드(cathode) 쪽으로 분리되어 전류가 생성된다. The basic structure of the organic solar cell has a structure of “transparent conductive film / organic compound / metal electrode” and ITO (Indium tin oxide) is used as the anode of the organic solar cell, and aluminum ( Metals having a low work function such as Al) are mainly used as cathodes. An organic semiconductor material is present between the two electrodes, and the organic semiconductor material is present as an active layer forming electron-hole pairs by using absorbed solar energy. The active layer is mainly deposited by spin coating a solution of a donor material and an acceptor material, and recently, such as an ink jet method or a spray coating method. It is laminated by the method. When light is incident on the organic solar cell, electron-hole pairs are formed in a donor material, and the electron-hole pairs thus formed are separated at the interface of the material, so that holes are separated toward the anode and electrons toward the cathode. Current is generated.
이때 유기 물질의 이동도가 낮아, 그에 따른 전자-정공 재결합이 일어나게 되어 생성된 전자-정공 쌍이 양쪽의 전극으로 이동하기 전에 소멸 되는 경우가 발생하여 에너지 변환 효율이 작아지는 단점이 존재한다. In this case, the mobility of the organic material is low, and thus, electron-hole recombination occurs, so that the generated electron-hole pairs disappear before moving to both electrodes, thereby reducing energy conversion efficiency.
이를 극복 하기 위하여, PEDOT:PSS 유기 박막을 정공 수송 층으로 사용하는데, 이때 사용되는 박막에 요구되는 특성으로, 높은 정공 전도도 및 85 % 이상의 투명도를 들 수 있다. In order to overcome this, the PEDOT: PSS organic thin film is used as the hole transport layer, and the characteristics required for the thin film used here include high hole conductivity and transparency of 85% or more.
이에 따라 본 발명의 목적은 태양전지의 활성층으로 사용되는 유기물인, PEDOT:PSS의 정공(홀:hole) 전도도를 증가시키면서도 높은 투명도를 유지할 수 있는 새로운 활성층 박막을 제공하고자 하는 것이다. 또한, 저 비용으로 상기 활성층을 제작할 수 있도록 하여 고효율 저비용의 유기 태양전지를 제공하고자 하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a new active layer thin film that can maintain high transparency while increasing the hole conductivity of PEDOT: PSS, which is an organic material used as an active layer of a solar cell. In addition, the active layer to be produced at a low cost to provide a high efficiency low-cost organic solar cell.
본 발명은, 유기물인, PEDOT:PSS에 무기물인 CuO 나노 물질을 첨가하여 높은 투명도를 갖으면서 높은 정공 이동도를 갖는 유-무기 복합 박막을 형성하여, 상기 목적을 달성할 수 있게 한다. The present invention, by adding an organic material, CuO nanomaterials of inorganic matter to PEDOT: PSS to form an organic-inorganic composite thin film having a high hole mobility while having a high transparency, it is possible to achieve the above object.
즉, 본 발명은, 애노드/활성층/캐소드를 구비하는 전자소자에 있어서, 상기 애노드와 활성층 사이에 적층되는 전도성 유기 박막으로서,That is, the present invention, in the electronic device having an anode / active layer / cathode, as a conductive organic thin film laminated between the anode and the active layer,
CuO 나노 물질을 PEDOT:PSS 수용액에 혼합하고, 상기 CuO 나노 물질을 PEDOT:PSS 수용액에 무작위적으로 분포하도록 분산시켜 제조한 혼합물을, 상기 애노드 상에 스핀 캐스팅하여 박막으로 적층하고, 상기 박막을 열처리하여, 상기 박막의 정공 수송율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법을 제공할 수 있다.A mixture prepared by mixing CuO nanomaterials in a PEDOT: PSS aqueous solution and dispersing the CuO nanomaterials in a PEDOT: PSS aqueous solution at random is stacked on a thin film by spin casting on the anode to heat-treat the thin film. By providing a hole transport rate of the thin film, a method of manufacturing a conductive organic thin film can be provided.
또한, 본 발명은, 상기 전도성 유기 박막의 제조 방법에 있어서, 상기 CuO 나노 물질은 CuO 나노파우더(nanopowder), CuO 나노 파티클(nanoparticle), CuO 나노로드(nanorod), CuO 나노와이어(nanowire)를 포함한 직경 50 nm 이하의 물질 중 하나 이상으로 구성되고, 상기 박막의 열처리 온도는 100 내지 150 ℃로 하는 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법을 제공할 수 있다. In addition, the present invention, in the manufacturing method of the conductive organic thin film, the CuO nanomaterials include CuO nanopowder (nanopowder), CuO nanoparticles (nanoparticle), CuO nanorods (nanorod), CuO nanowires (nanowire) Comprising one or more of the material of 50 nm or less in diameter, the heat treatment temperature of the thin film may provide a method for producing a conductive organic thin film, characterized in that 100 to 150 ℃.
또한, 본 발명은, 상기 전도성 유기 박막의 제조 방법에 있어서, Moreover, this invention is a manufacturing method of the said conductive organic thin film,
상기 CuO 나노 물질은, 증류수(DI water), 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로포름(chloroform), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 이소프로판올(isopropanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamid) 중 하나 이상의 용매에 혼합되는 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법을 제공할 수 있다. The CuO nanomaterial is distilled water (DI water), chlorobenzene (chlorobenzene), chloroform (chloroform), methanol (methanol), ethanol (ethanol), isopropanol (isopropanol), 2-methoxyethanol (2-methoxyethanol), dimethyl It is possible to provide a method for producing a conductive organic thin film, characterized in that it is mixed with one or more solvents of formamide (dimethylformamid).
또한, 본 발명은, 상기 전도성 유기 박막의 제조 방법에 있어서, Moreover, this invention is a manufacturing method of the said conductive organic thin film,
전도성 유기 박막 제작을 위한 용액 제조시 PEDOT:PSS 용액과 CuO 나노 물질의 용액의 부피비가 1:X (X = 0.001~0.1) 인 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법을 제공할 수 있다.When manufacturing a solution for manufacturing a conductive organic thin film, a volume ratio of a solution of a PEDOT: PSS solution and a CuO nanomaterial may be provided at a ratio of 1: X (X = 0.001 to 0.1).
또한, 본 발명은, 상기 전도성 유기 박막의 제조 방법에 있어서, Moreover, this invention is a manufacturing method of the said conductive organic thin film,
CuO 나노 물질을 PEDOT:PSS 수용액에 균일하게 분산 시키기 위하여 초음파(Ultrasonic) 처리를 1~5 시간 동안 하는 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법을 제공할 수 있다.In order to uniformly disperse the CuO nanomaterials in an aqueous PEDOT: PSS solution, a method of manufacturing a conductive organic thin film may be provided by performing an ultrasonic treatment for 1 to 5 hours.
또한, 본 발명은, 상기 전도성 유기 박막의 제조 방법에 있어서, Moreover, this invention is a manufacturing method of the said conductive organic thin film,
CuO 나노 물질을 PEDOT:PSS 수용액에 균일하게 분산시키기 위하여 CuO 나노 물질과 PEDOT:PSS 수용액의 혼합물을 상온 ~ 100 ℃ 사이에서 교반(stirring) 처리하는 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법을 제공할 수 있다.In order to uniformly disperse the CuO nanomaterials in the PEDOT: PSS aqueous solution, a mixture of the CuO nanomaterials and the PEDOT: PSS aqueous solution is stirred between room temperature and 100 ° C. to provide a method for producing a conductive organic thin film. Can be.
또한, 본 발명은, 상기 전도성 유기 박막의 제조 방법에 있어서, Moreover, this invention is a manufacturing method of the said conductive organic thin film,
상기 교반(stirring) 처리를 1~5 시간 동안 하는 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법을 제공할 수 있다.It is possible to provide a method for producing a conductive organic thin film, characterized in that for performing the stirring (stirring) for 1 to 5 hours.
또한, 본 발명은, Further, according to the present invention,
직경이 50 nm 이하인 CuO 나노 물질을 PEDOT:PSS 수용액에 PEDOT:PSS 용액과 CuO 나노 물질의 용액의 부피비가 1:X (X = 0.001~0.1)로 혼합하고, 상기 CuO 나노 물질을 PEDOT:PSS 수용액에 무작위적으로 분포하도록 분산시켜 제조한 혼합물을 ITO 투명전극/유리기판 위에 스핀 캐스팅하여 박막으로 적층하고, 100 내지 150 ℃로 열처리하여, 박막의 일 함수를 감소시켜 정공 수송율을 향상시킨 전도성 유기 박막을 버퍼층으로 하고,CuO nanomaterials having a diameter of 50 nm or less are mixed in a PEDOT: PSS aqueous solution with a volume ratio of PEDOT: PSS solution and a solution of CuO nanomaterials in a ratio of 1: X (X = 0.001 to 0.1), and the CuO nanomaterials are mixed with a PEDOT: PSS aqueous solution. The mixture prepared by dispersing in a random distribution on the ITO transparent electrode / glass substrate and spin cast on a thin film, heat-treated at 100 to 150 ℃, reduced the work function of the thin film to improve the hole transport rate Thin film as a buffer layer,
P3HT:PCBM이 혼합된 클로로벤젠 용액을 스핀 캐스팅 방법을 이용하여 상기 버퍼층 상에 적층 하고 100 내지 120 ℃의 온도에서 열처리하여 활성층을 형성하고,P3HT: PCBM mixed chlorobenzene solution was laminated on the buffer layer by spin casting method and heat treated at a temperature of 100 to 120 ℃ to form an active layer,
알루미늄(Al) 또는 Al/LiF를 전극으로 증착하여 제작되는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지를 제공할 수 있다.
An organic thin film solar cell may be provided by depositing aluminum (Al) or Al / LiF as an electrode.
본 발명에 따르면, 낮은 정공 이동도를 갖는 PEDOT:PSS 박막의 단점을 극복하기 위하여 CuO 나노 물질을 박막 내에 첨가함으로써 높은 정공 전도도를 갖는 유-무기 복합 박막을 제작하여 높은 투과도와 우수한 정공 전도도를 제공할 수 있다. 이를 통하여 유기 태양전지의 효율 향상에 기여할 수 있다.According to the present invention, in order to overcome the disadvantages of the PEDOT: PSS thin film having a low hole mobility, by adding a CuO nanomaterial into the thin film to produce an organic-inorganic composite thin film having a high hole conductivity to provide a high transmittance and excellent hole conductivity can do. This can contribute to the improvement of the efficiency of the organic solar cell.
또한, 본 발명에 따른 전도성 유기 박막의 제조 방법 및 이를 이용한 유기 태양전지 제조 방법은 현재 유기 태양전지 분야에서 많이 연구되고 있는 P3HT, 및 PCBM 기반의 유기 태양전지를 제작함에 있어, 광 변환 효율을 증가시키기 위한 방법으로 사용되고 있는 PEDOT:PSS 버퍼 층의 특성 향상 및 이를 이용한 다양한 유기 전자 소자 제작에 응용될 수 있다. In addition, the method of manufacturing a conductive organic thin film and the method of manufacturing an organic solar cell using the same according to the present invention increase the light conversion efficiency in manufacturing P3HT and PCBM-based organic solar cells, which are currently studied in the field of organic solar cells. It can be applied to improve the characteristics of the PEDOT: PSS buffer layer that is used as a method for making and to fabricate various organic electronic devices using the same.
도 1은 본 실시예에 의한 CuO 나노 물질이 포함된 유기 태양전지의 물질에 따른 에너지 밴드 다이어그램 (energy band diagram)을 나타낸 것이다.
도 2은 본 실시예에 의한 CuO 나노 물질이 함유된 유기 태양전지의 제작 방법을 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 따라 제작된 유기 태양전지의 구성도이다.
도 4는 본 실시예에 의한 CuO 나노 물질이 포함된 전도성 유기 박막의 광 흡수도와 전기 전도도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 실시예에 의한 CuO 나노 물질이 포함된 유기 태양전지의 전기적 특성과 CuO 나노 물질이 포함되지 않은 유기 태양전지의 농도별 전기적 특성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 실시예에 따라 제작한 유기 태양전지를 구성하는 전도성 유기 박막의 일 함수가 CuO 나노 물질이 포함됨에 따라 달라지는 것을 보여주는 실측 그래프이다.
도 7은 본 실시예에서 CuO 나노 물질을 용매에 용해시켜 전도성 유기 박막을 제작함에 있어, CuO 나노 물질의 함량에 따라 유기 태양전지의 전기적 특성이 달라지는 것을 실측한 그래프이다. FIG. 1 shows an energy band diagram according to a material of an organic solar cell including CuO nanomaterials according to the present embodiment.
Figure 2 shows a method of manufacturing an organic solar cell containing a CuO nanomaterial according to the present embodiment.
3 is a block diagram of an organic solar cell manufactured according to FIG. 2.
Figure 4 shows the light absorption and electrical conductivity of the conductive organic thin film containing a CuO nano material according to this embodiment.
FIG. 5 illustrates electrical characteristics of organic solar cells including CuO nanomaterials and concentration-specific electrical characteristics of organic solar cells not containing CuO nanomaterials according to the present embodiment.
6 is a measurement graph showing that the work function of the conductive organic thin film constituting the organic solar cell manufactured according to the present embodiment is changed as the CuO nanomaterial is included.
FIG. 7 is a graph illustrating that electrical properties of an organic solar cell are changed according to the content of the CuO nanomaterial in preparing a conductive organic thin film by dissolving the CuO nanomaterial in a solvent in the present embodiment.
이하, 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
도 2에 도시된 바와 같이, 아래의 1 단계로부터 7 단계까지 수행하여, 도 3과 같은 유기태양전지를 제작한다. As shown in FIG. 2, an organic solar cell as shown in FIG. 3 is manufactured by performing
1 단계
도 2에 따라 유기 태양전지를 제작하기 위하여 ITO 투명전극/유리기판(ITO/Glass)을 포토리소그라피(photolithography) 작업을 통해 HCl : HNO3 : DI water(증류수) 용액에서 1 시간 동안 습식각(wet etching) 작업을 수행한다. 이렇게 습식각(wet etching) 작업을 통하여 선폭이 2~4 mm 내외인 직사각형의 ITO 패터닝을 형성한다.In order to fabricate an organic solar cell according to FIG. 2, an ITO transparent electrode / glass substrate (ITO / Glass) was wet-etched for 1 hour in a HCl: HNO 3 : DI water (distilled water) solution through photolithography. etching) work. Through wet etching, a rectangular ITO patterning line having a line width of about 2 to 4 mm is formed.
2 단계
유기 태양전지의 활성층을 제작하기 위하여 P3HT 및 PCBM 유기물을 준비하여 각각 15 mg/ml 내외의 농도가 되도록 클로로벤젠(chlorobenzene) 용매에 녹인 후 약 3 시간 정도 100 rpm 스피드로 교반(stirring) 한다. (상기에서 P3HT는 In order to prepare the active layer of the organic solar cell, P3HT and PCBM organic materials were prepared, dissolved in a chlorobenzene solvent at a concentration of about 15 mg / ml, respectively, and then stirred at 100 rpm for about 3 hours. (In the above P3HT is
regioregular poly(3-hexylthiophene)이고, PCBM은 phenyl-C61-butyric acid methyl ester의 약식표기이다.)regioregular poly (3-hexylthiophene) and PCBM is an abbreviation for phenyl-C61-butyric acid methyl ester.)
3 단계Step 3
유기 태양전지 활성층에 접하는 버퍼층(정공수송층으로 불리 울 수 있다)을 제작하기 위한 용액을 제조하기 위하여 직경이 50 nm 이하인 CuO 나노 물질을 PEDOT:PSS 용액에 혼합하여 1 내지 5 시간, 바람직하게는 2 시간 정도 초음파 처리를 하여 분산 시킨다. 여기서 PEDOT:PSS 용액과 CuO 나노 물질의 부피 비가 1:X (X = 0.001~0.1)가 되게 할 수 있다. To prepare a solution for producing a buffer layer (which may be referred to as a hole transport layer) in contact with an organic solar cell active layer, a CuO nanomaterial having a diameter of 50 nm or less is mixed with a PEDOT: PSS solution for 1 to 5 hours, preferably 2 Disperse by sonication for about an hour. Here, the volume ratio of the PEDOT: PSS solution and the CuO nanomaterial may be 1: X (X = 0.001 to 0.1).
상기 CuO 나노 물질은 CuO 나노파우더(nanopowder), CuO 나노 파티클(nanoparticle), CuO 나노로드(nanorod), CuO 나노와이어(nanowire)를 포함할 수 있으며, 그 입경 내지 단면 직경이 50 nm 이하인 것을 사용함이 바람직하다. 이는 제작하는 박막 두께를 50 nm 정도로 하는 것이 좋기 때문에 그에 따라 나노 물질의 입도를 제한하는 것이다. 또한, 상기 CuO 나노 물질을, 증류수(DI water), 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로포름(chloroform), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 이소프로판올(isopropanol), 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamid) 중 하나 이상의 용매에 5 내지 30 mg/ml의 농도로 용해시켜 CuO 나노 물질 용액을 제조하고, 이를 PEDOT:PSS 용액과 혼합 및 분산할 수도 있으며, 이 경우도 PEDOT:PSS 용액과 CuO 나노 물질의 부피 비가 1:X (X = 0.001~0.1)가 되게 한다. The CuO nanomaterials may include CuO nanopowders, CuO nanoparticles, CuO nanorods, CuO nanowires, and the particle diameters to cross-sectional diameters of 50 nm or less may be used. desirable. This is because the thickness of the thin film to be manufactured is preferably about 50 nm to limit the particle size of the nanomaterial accordingly. In addition, the CuO nanomaterial is distilled water (DI water), chlorobenzene (chlorobenzene), chloroform (chloroform), methanol (methanol), ethanol (ethanol), isopropanol (isopropanol), 2-methoxyethanol (2-methoxyethanol) , Dissolved in one or more solvents of dimethylformamide at a concentration of 5 to 30 mg / ml to prepare a CuO nanomaterial solution, and may be mixed and dispersed with a PEDOT: PSS solution, in this case also PEDOT: PSS The volume ratio of the solution to the CuO nanomaterial is 1: X (X = 0.001 to 0.1).
4 단계Step 4
3 단계에서 만들어진 PEDOT:PSS 용액과 CuO 나노 물질의 혼합물을 다시 상온 ~ 100 ℃ 사이에서 1~5 시간, 바람직하게는 1 시간 정도 1000 rpm 내외의 속도로 교반(stirring)하여 CuO 나노 물질이 균일한 분포로 혼합되게 한다.The mixture of the PEDOT: PSS solution and the CuO nanomaterial prepared in step 3 was again stirred at a speed of about 1000 rpm for 1 to 5 hours, preferably 1 hour, between room temperature and 100 ° C, so that the CuO nanomaterial was uniform. Allow to mix into distribution.
5 단계Step 5
준비된 패터닝이 형성된 ITO/유리(ITO/Glass) 기판 위에 버퍼층(정공 수송층)으로 CuO 나노 입자를 포함하고 있는 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)를 4000 rpm 정도의 속도로 30 초 정도 스핀 캐스팅(spin casting)하여 약 30 nm 두께의 박막을 적층 한 후 150 ℃ 내외의 온도에서 10 분 정도 열처리한다.4000 rpm of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) containing CuO nanoparticles as a buffer layer (hole transport layer) on the prepared patterned ITO / glass (ITO / Glass) substrate After spin casting for about 30 seconds, the thin film having a thickness of about 30 nm is laminated and heat-treated at a temperature of about 150 ° C. for 10 minutes.
6 단계6 steps
PEDOT:PSS 및 PEDOT:PSS:CuO 박막을 증착한 ITO 기판을 무습, 무산소 분위기의 글러브 박스로 이동한 후 P3HT:PCBM이 혼합된 클로로벤젠 용액을 스핀 캐스팅 방법을 이용하여 1500 rpm 내외로 30 초 정도 적층 하고 120 ℃ 정도의 온도에서 열처리를 수행한다.After moving the ITO substrate on which PEDOT: PSS and PEDOT: PSS: CuO thin films were deposited to a moisture-free, oxygen-free glove box, the chlorobenzene solution mixed with P3HT: PCBM was spin-casted at around 1500 rpm for about 30 seconds. Lamination and heat treatment at a temperature of about 120 ℃.
7 단계7 steps
유기태양전지의 활성층까지 증착한 샘플을 캐소드(cathode) 증착을 위하여 증발원 증착장치(thermal evaporator) 안으로 이동시켜 알루미늄(Al) 혹은 Al/LiF를 전극으로 증착한다. 이때 두께는 Al 150 nm, LiF 2 nm 이하로 증착하며, 전극 증착이 끝난 후 다시 무습, 무산소 분위기의 글러브 박스에서 120 ℃ 정도에서 10 분 정도 후 열처리를 수행한다.Samples deposited up to the active layer of the organic solar cell are transferred into a thermal evaporator for cathode deposition to deposit aluminum (Al) or Al / LiF as electrodes. At this time, the thickness is deposited to
상기와 같이 제작비용을 낮추면서도, 정공 수송율을 크게 높여, 활성층에서 생성된 전자-정공 쌍은 재결합으로 소멸하는 비율을 낮춰 고효율 저비용의 유기태양전지를 제작할 수 있다. While lowering the manufacturing cost as described above, it is possible to manufacture a highly efficient low-cost organic solar cell by greatly increasing the hole transport rate, the electron-hole pair generated in the active layer is reduced by the recombination disappears.
이하. CuO 나노 물질의 농도를 변인으로 한 시험예 및 그에 대한 분석을 제공한다. Below. Test examples based on the concentration of CuO nanomaterials and their analysis are provided.
<시험예><Test Example>
상술한 방법대로 유기태양전지를 제작하되, PEDOT:PSS 용액에 대한 CuO 나노 물질의 농도를 0.5 %, 1 %, 1.5 %, 2 %로 만든 후 각 농도에 따른 유기태양전지의 투과도와 전압-전류 특성을 측정하여 CuO 나노 물질의 농도로부터 일어나는 임계적 특성을 분석하였다. The organic solar cell was manufactured as described above, but the concentration of CuO nanomaterials in the PEDOT: PSS solution was 0.5%, 1%, 1.5%, and 2%. The properties were measured to analyze critical properties resulting from the concentration of CuO nanomaterials.
또한, CuO 나노 물질을 상술한 용매에 용해시켜 PEDOT:PSS 용액에 혼합하여 전도성 고분자 유기 박막을 제작한 유기태양전지의 전압-전류 특성을 측정하였다.
In addition, the voltage-current characteristics of the organic solar cell, in which the CuO nanomaterial was dissolved in the above-described solvent and mixed in a PEDOT: PSS solution to prepare a conductive polymer organic thin film, was measured.
원인 분석Cause Analysis
도 2에 따라 CuO 나노 물질이 PEDOT:PSS 버퍼층에 함유된 유기 태양전지를 제작할 경우 나타나는 에너지 다이어그램이 도 1에 제시되어 있다. CuO 나노 물질은 유기 태양전지의 버퍼층에 PEDOT:PSS와 혼합된 형태로 존재하며, 이때 빛에 의해 여기 된 정공을 애노드(anode)로 전달해 주는 역할을 하게 된다. 이때 PEDOT:PSS 층에 무작위로 분포되어 있는 CuO 나노 물질에 의하여 박막 전체의 일 함수값이 감소하여 활성층에서 생성된 정공을 양극까지 전도하는데 기여하는 것이다. 도 6은, 표면 분석기(surface analyzer)에 의한 분석결과로, PEDOT:PSS 용액만으로 만든 전도성 고분자 유기 박막의 일 함수가 5.08 eV 정도임에 비해, CuO 나노 물질이 첨가된 PEDOT:PSS를 사용한 전도성 고분자 유기 박막의 일 함수가 4.89 eV 정도로 낮아짐을 확인할 수 있다.
According to FIG. 2, an energy diagram of the organic solar cell in which the CuO nanomaterial is included in the PEDOT: PSS buffer layer is shown in FIG. 1. CuO nanomaterial is present in the organic solar cell buffer layer in the form of a mixture with PEDOT: PSS, and serves to deliver holes excited by light to the anode (anode). In this case, the CuO nanomaterial randomly distributed in the PEDOT: PSS layer reduces the work function value of the entire thin film, thereby contributing to conducting holes generated in the active layer to the anode. 6 is a result of analysis by a surface analyzer (surface analyzer), while the work function of the conductive polymer organic thin film made of the PEDOT: PSS solution is about 5.08 eV, compared to the conductive polymer using the PEDOT: PSS to which the CuO nanomaterial is added It can be seen that the work function of the organic thin film is lowered to about 4.89 eV.
결과 분석Results analysis
도 4 및 도 5에 CuO 나노 물질이 함유된 PEDOT:PSS 박막의 광 흡수 특성 및 전기적 특성이 나타나 있다. CuO 나노 물질을 함유한 PEDOT:PSS 박막의 경우 CuO 나노 물질이 1 % 이하의 농도이면, 순수한 PEDOT:PSS 박막과 같이 광학적 특성이 크게 변하지 않고 전기적은 향상되며, 1 % 초과 농도일 경우 광학적 특성이 떨어지는 것을 알 수 있다.4 and 5 show light absorption and electrical characteristics of the PEDOT: PSS thin film containing CuO nanomaterials. For PEDOT: PSS thin films containing CuO nanomaterials, when the CuO nanomaterials have a concentration of 1% or less, the optical properties are not significantly changed and the electrical properties are improved when the concentration is greater than 1%, as in pure PEDOT: PSS thin films. You can see it falling.
또한, CuO 나노 물질을 상술한 용매에 용해시켜, PEDOT:PSS 용액에 혼합하여 전도성 고분자 유기 박막을 제작한 유기 태양전지의 전기적 특성을 CuO 나노 물질과 용매의 농도별 추이를 측정한 그래프를 도 7에 나타내었다. CuO 나노 물질과 용매의 농도를 2.5 mg/ml, 5 mg/ml, 10 mg/ml, 15 mg/ml, 20 mg/ml으로 변화시킨 것으로, 전기적 특성이 농도 증가에 따라 향상됨을 알 수 있다. In addition, the graph of the electrical characteristics of the organic solar cell prepared by dissolving the CuO nanomaterials in the above-described solvent, mixed with a PEDOT: PSS solution to produce a conductive polymer organic thin film is measured by the concentration of the CuO nanomaterials and the solvent Figure 7 Shown in By changing the concentration of the CuO nanomaterials and the solvent to 2.5 mg / ml, 5 mg / ml, 10 mg / ml, 15 mg / ml, 20 mg / ml, it can be seen that the electrical properties improve with increasing concentration.
따라서 광학적 특성이 저하되지 않으면서 동시에 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 CuO 나노 물질의 농도는 1 % 정도임을 알 수 있다.
Therefore, it can be seen that the concentration of CuO nanomaterials that can improve the electrical properties at the same time without deteriorating the optical properties is about 1%.
또한, 상기 CuO 나노 물질이 함유된 PEDOT:PSS로 제작한 전도성 고분자 유기 박막은 정공수송율을 높인 것이므로, 같은 원리로 유기태양전지 외에도 유기발광소자에도 적용될 수 있다.
In addition, since the conductive polymer organic thin film made of PEDOT: PSS containing the CuO nanomaterial is to increase the hole transport rate, it may be applied to the organic light emitting device in addition to the organic solar cell.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.The rights of the present invention are not limited to the embodiments described above, but are defined by the claims, and those skilled in the art can make various modifications and adaptations within the scope of the claims. It is self-evident.
도면 부호 없음No reference
Claims (2)
CuO 나노 물질을 PEDOT:PSS 수용액에 혼합하고, 상기 CuO 나노 물질을 PEDOT:PSS 수용액에 무작위적으로 분포하도록 분산시켜 제조한 혼합물을, 상기 애노드 상에 박막으로 적층하고, 상기 박막을 열처리하여, 상기 박막의 정공 수송율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 전도성 유기 박막의 제조 방법.
In an electronic device having an anode / active layer / cathode, as an electrically conductive organic thin film laminated between the anode and the active layer,
A mixture prepared by mixing CuO nanomaterials in a PEDOT: PSS aqueous solution and dispersing the CuO nanomaterials in a PEDOT: PSS aqueous solution at random is laminated on a thin film on the anode, and heat treatment of the thin film, The manufacturing method of the conductive organic thin film characterized by the improved hole transport rate of the thin film.
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|---|
| C.C.Oey et al., Nanocomposite hole injection layer for organic device applications', Thin Solid Films, Vol.492, pp.253-258, 2005.12.31. * |
| C.C.Oey et al., Nanocomposite hole injection layer for organic device applications’, Thin Solid Films, Vol.492, pp.253-258, 2005.12.31. |
| Insun Yoo et al., ‘The effect of a buffer layer on the potovoltaic properties of solar cells with P3OT:fullerene composites’, Synthetic Metals, Vol.153, pp.97-100, 2005.12.31.공개 |
| Insun Yoo et al., 'The effect of a buffer layer on the potovoltaic properties of solar cells with P3OT:fullerene composites', Synthetic Metals, Vol.153, pp.97-100, 2005.12.31.공개 * |
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