KR101520784B1 - organic solar cell - Google Patents

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KR101520784B1
KR101520784B1 KR1020130152094A KR20130152094A KR101520784B1 KR 101520784 B1 KR101520784 B1 KR 101520784B1 KR 1020130152094 A KR1020130152094 A KR 1020130152094A KR 20130152094 A KR20130152094 A KR 20130152094A KR 101520784 B1 KR101520784 B1 KR 101520784B1
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solar cell
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organic solar
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KR1020130152094A
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김기철
유경훈
강정진
강희석
김태성
안치성
최후미
성기운
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한국생산기술연구원
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Abstract

The present invention relates to an organic solar cell which includes a transparent substrate, a transparent electrode layer, an active layer, and a metal electrode layer. The active layer, together with the electron donor materials and electron acceptor materials, is characterized by a double bulk hetero-structure formed by blending different-sized silicon nanoparticles with different solar cell light absorption wavelengths. In accordance with the present invention, one can increase the photoelectric conversion efficiency by absorbing the solar light from wider wavelengths as it applies different-sized silicon nanoparticles with different solar cell light absorption wavelengths to the active layer.

Description

실리콘 나노입자에 의한 양자점 효과를 결합시킨 유기 태양전지{organic solar cell}Organic solar cell combined with quantum dot effect by silicon nanoparticles {organic solar cell}

본 발명은, 유기 태양전지에 관한 것으로, 특히, 활성층에 서로 다른 크기의 실리콘 나노입자를 삽입하여 양자점(quantum dot) 효과를 결합시킨 고효율의 유기 태양전지에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an organic solar cell, and more particularly, to a high efficiency organic solar cell in which silicon nanoparticles of different sizes are inserted into an active layer to combine a quantum dot effect.

유기 태양전지란 유기 재료를 이용한 태양전지로서, 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이다.Organic solar cells are solar cells using organic materials and are devices that convert light energy into electrical energy.

도 1은 종래기술에 따른 유기 태양전지의 구조를 나타내는 도로서, 기본적으로 투명 기판(10), 상기 투명 기판(10)상에 형성된 투명 전극층(20), 상기 투명 전극층(20) 상에 형성된 활성층(30), 및 상기 활성층(30)상에 형성된 메탈 전극층(40)을 포함하여 구성된다.1 is a view showing the structure of an organic solar cell according to the prior art. Basically, a transparent substrate 10, a transparent electrode layer 20 formed on the transparent substrate 10, an active layer 20 formed on the transparent electrode layer 20, (30), and a metal electrode layer (40) formed on the active layer (30).

여기서, 활성층(30)은, 전자 주개(electron donor)물질 및 전자 받개(electron acceptor)물질을 블렌딩(blending)하여 형성된 벌크 이종 접합(BHJ : Bulk Hetero-junction)구조로 이루어지거나, 또는 투명 전극층 상에 형성된 전자 주개(electron donor)물질층과 그 위에 형성된 전자 받개(electron acceptor)물질층의 2층(Bi-layer) 구조로 이루어진다. Here, the active layer 30 may be formed of a bulk hetero-junction (BHJ) structure formed by blending an electron donor material and an electron acceptor material, (Bi-layer) structure of an electron donor material layer and an electron acceptor material layer formed on the electron donor material layer.

이러한 유기 태양전지는 태양광이 투명 기판(10)과 투명 전극층(20)을 통과한 후, 태양광이 활성층(30)의 전자 주개물질과 만나 여기된 엑시톤(exciton)이 이리 저리 돌아다니다가 전자 받개물질과 만나 전자와 정공로 분리되고, 분리된 전자는 메탈 전극층(40)을 통해 흐르고, 분리된 정공은 투명 전극층(20)을 통해 흐르게 된다. In this organic solar cell, after the sunlight passes through the transparent substrate 10 and the transparent electrode layer 20, the excitation light excited by the sunlight travels through the excited material of the active layer 30, The separated electrons flow through the metal electrode layer 40 and the separated holes flow through the transparent electrode layer 20. [

그러나, 이와 같이 종래기술에 따른 유기 태양전지는, 태양광 스펙트럼 대비 유기물의 비효율적인 광에너지 흡수대로 인해, 즉, 모든 대역의 태양광을 흡수하지 못하기 때문에 광변환 효율성이 매우 낮은 문제점을 갖고 있다. However, the organic solar cell according to the related art has a problem that the efficiency of light conversion is very low due to the inefficient absorption of the organic material to the sunlight spectrum, that is, the sunlight in all the bands can not be absorbed .

이에 따라, 유기 태양전지의 효율성을 높이기 위한 연구가 다양하게 이루어지고 있으며, 예로써, 특허문헌 1(특허공개공보 제10-2010-0109660호)에는 활성층을 P형 또는 N형의 탄소나노튜브(CNT: carbon nanotube)만으로 구성하여 광변환 효율을 향상시키고자 하였다. Accordingly, various studies have been made to increase the efficiency of an organic solar cell. For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2010-0109660), the active layer is referred to as P type or N type carbon nanotube CNT: carbon nanotube) to improve the light conversion efficiency.

[특허문헌 1] 특허공개공보 제10-2010-0109660호[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2010-0109660

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 보다 넓은 대역의 태양광을 흡수하여 광변환 효율성을 높일 수 있는 유기 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다. In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide an organic solar cell capable of absorbing a broader range of sunlight to enhance light conversion efficiency.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제1 형태에 따른 유기 태양전지는, 투명 기판, 상기 투명 기판상에 형성된 투명 전극층, 상기 투명 전극층 상에 형성된 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성된 메탈 전극층을 포함하는 유기 태양전지에 있어서, 상기 활성층은, 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질과 함께, 크기별로 태양광 흡수 파장 영역이 다른, 서로 다른 크기의 실리콘 나노입자들을 블렌딩하여 형성된 벌크 이종 접합 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, an organic solar cell according to a first aspect of the present invention includes a transparent substrate, a transparent electrode layer formed on the transparent substrate, an active layer formed on the transparent electrode layer, and a metal electrode layer formed on the active layer In the organic solar cell, the active layer is formed of a bulk heterojunction structure formed by blending silicon nanoparticles of different sizes, which are different in solar absorption wavelength region by size, together with an electron donor material and an electron acceptor material do.

이때, 상기 활성층은, 나노입자들을 크기별로 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질과 함께 블렌딩하여, 나노입자 크기가 작은 것부터 순차적으로 적층하여 형성될 수 있다.At this time, the active layer can be formed by blending nanoparticles with electron donor and electron donor materials by size, and sequentially laminating nanoparticles having a small size.

한편, 본 발명의 제2 형태에 따른 유기 태양 전지는, 투명 기판, 상기 투명 기판 상에 형성된 투명 전극층, 상기 투명 전극층 상에 형성된 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성된 메탈 전극층을 포함하는 유기 태양전지에 있어서, 상기 활성층은, 투명 전극층 상에 형성된 전자 주개 물질 층과 상기 전자 주개 물질 층 상에 형성된 전자 받개 물질 층의 2층 구조 사이에 크기별로 태양광 흡수 파장 영역이 다른, 서로 다른 크기의 실리콘 나노입자들로 이루어진 실리콘 나노입자층을 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, an organic solar cell according to a second aspect of the present invention includes an organic solar cell including a transparent substrate, a transparent electrode layer formed on the transparent substrate, an active layer formed on the transparent electrode layer, and a metal electrode layer formed on the active layer Wherein the active layer is formed between two layers of the electron donor material layer formed on the transparent electrode layer and the electron donor material layer formed on the electron donor material layer, And a silicon nanoparticle layer composed of particles.

이 때, 상기 실리콘 나노입자층은, 실리콘 나노입자가 크기별로 적층되어 형성될 수 있다. At this time, the silicon nanoparticle layer may be formed by stacking silicon nanoparticles in size.

본 발명의 제1 또는 제2 형태에 따른 유기 태양전지에 있어서, 상기 실리콘 나노입자의 크기는 2 ~ 10 nm의 범위를 갖는 것이 바람직하다.In the organic solar cell according to the first or second aspect of the present invention, it is preferable that the size of the silicon nanoparticles is in the range of 2 to 10 nm.

또한, 본 발명의 제2 형태에 따른 유기 태양전지에 있어서, 상기 실리콘 나노입자층은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 통해 적층될 수 있다. In addition, in the organic solar cell according to the second aspect of the present invention, the silicon nanoparticle layer may be laminated via PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).

또한, 본 발명의 제1 또는 제2 형태에 따른 유기 태양전지에 있어서, 상기 전자 주개 물질은, P3HT인 것이 바람직하며, 상기 전자 받개 물질은, PCBM인 것이 바람직하다. In the organic solar cell according to the first or second aspect of the present invention, it is preferable that the electron donor material is P3HT, and the electron acceptor material is PCBM.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 활성층에 크기별로 태양광 흡수 파장 영역이 다른, 서로 다른 크기의 실리콘 나노입자들을 적용함으로써, 보다 넓은 대역에서 태양광을 흡수하여 광변환 효율성을 높일 수 있다. According to the present invention, the organic solar cell according to the present invention can absorb solar light in a wider band by applying different sizes of silicon nanoparticles having different solar absorption wavelength ranges to the active layer, Efficiency can be increased.

도 1은 종래기술에 따른 유기 태양전지의 구조를 나타내는 도이다.
도 2는 본 발명의 제1 형태에 따른 유기 태양전지의 구조를 나타내는 도이다.
도 3은 본 발명의 제2 형태에 따른 유기 태양전지의 구조를 나타내는 도이다.
도 4는 본 발명의 제1 형태에 따른 유기 태양전지의 활성층에서의 실리콘 나노입자 효과를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제2 형태에 따른 유기 태양전지의 활성층에서의 실리콘 나노입자 효과를 나타내는 개념도이다.1 is a view showing the structure of an organic solar cell according to the prior art.
2 is a diagram showing the structure of an organic solar cell according to a first embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing the structure of an organic solar cell according to a second embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram showing the effect of silicon nanoparticles in the active layer of the organic solar cell according to the first embodiment of the present invention.
5 is a conceptual diagram showing the effect of silicon nanoparticles in an active layer of an organic solar cell according to a second embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 제1 형태에 따른 유기 태양전지의 구조를 나타내는 도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 형태에 따른 유기 태양전지는, 크게 투명 기판(110), 투명 기판(110))상에 형성된 투명 전극층(120), 상기 투명 전극층(120)상에 형성된 활성층(130), 및 상기 활성층(130)상에 형성된 메탈 전극층(140)을 포함한다. 이 때, 상기 활성층(130)은, 전자 주개(electron donor)물질 및 전자 받개(electron acceptor)물질과 함께, 크기별로 태양광 흡수 파장 영역이 다른, 서로 다른 크기의 실리콘 나노입자들을 블렌딩(blending)하여 형성된 벌크 이종 접합(BHJ : Bulk Hetero-junction)구조로 이루어진 것을 특징으로 한다. 2 is a diagram showing the structure of an organic solar cell according to a first embodiment of the present invention. 2, the organic solar cell according to the first embodiment of the present invention includes a transparent electrode layer 120 formed on a transparent substrate 110 and a transparent substrate 110, a transparent electrode layer 120 formed on the transparent electrode layer 120, An active layer 130 formed on the active layer 130, and a metal electrode layer 140 formed on the active layer 130. At this time, the active layer 130 may be formed by blending silicon nanoparticles of different sizes, which are different in the solar absorption wavelength region by size, together with an electron donor material and an electron acceptor material, (BHJ: Bulk Hetero-junction) structure.

바람직한 실시예로써, 상기 활성층(130)은, 나노입자들을 크기별로 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질과 함께 블렌딩하여, 나노입자 크기가 작은 것부터 순차적으로 적층하여 형성될 수 있다.As a preferred embodiment, the active layer 130 may be formed by blending nanoparticles with an electron donor material and an electron donor material by size, and sequentially laminating nanoparticles having a small nanoparticle size.

한편, 도 3은 본 발명의 제2 형태에 따른 유기 태양전지의 구조를 나타내는 도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 형태에 따른 유기 태양 전지는, 크게 투명 기판(210), 상기 투명 기판(210)상에 형성된 투명 전극층(220), 상기 투명 전극층(220)상에 형성된 활성층(230), 및 상기 활성층(230) 상에 형성된 메탈 전극층(240)을 포함한다. 이 때, 상기 활성층(230)은, 투명 전극층(220)상에 형성된 전자 주개 물질 층(231)과 전자 주개 물질 층(231) 상에 형성된 전자 받개 물질 층(233)의 2층(Bi-layer) 구조 사이에 크기별로 태양광 흡수 파장 영역이 다른, 서로 다른 크기의 실리콘 나노입자들로 이루어진 실리콘 나노입자층(235)을 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.3 is a diagram showing the structure of an organic solar cell according to a second embodiment of the present invention. 3, the organic solar cell according to the second embodiment of the present invention includes a transparent substrate 210, a transparent electrode layer 220 formed on the transparent substrate 210, a transparent electrode layer 220 formed on the transparent electrode layer 220, An active layer 230 formed on the active layer 230, and a metal electrode layer 240 formed on the active layer 230. At this time, the active layer 230 includes two layers (Bi-layer) of an electron-blocking material layer 231 formed on the transparent electrode layer 220 and an electron-blocking material layer 233 formed on the electron- ) Structure of the silicon nanoparticle layer 235 is different from that of the silicon nanoparticle layer 235 of different sizes.

바람직한 실시예로써, 실리콘 나노입자층(235)은, 실리콘 나노입자가 크기별로 적층되어 형성될 수 있다. In a preferred embodiment, the silicon nanoparticle layer 235 may be formed by stacking silicon nanoparticles in size.

상기, 투명 기판(110, 210)은 빛을 투과할 수 있는 재질로 이루어지며, 바람직하게는 유리 또는 유연성이 있는 플라스틱 재질로 이루어진다. 투명 기판은 보통 125 ㎛의 두께를 갖는다.The transparent substrates 110 and 210 are made of a material capable of transmitting light, and preferably made of glass or a flexible plastic material. The transparent substrate usually has a thickness of 125 [mu] m.

이어서, 투명 전극층(120, 220)은 빛을 투과하면서 전류(정공)를 흐를 수 있게 하는 전극(anode)으로서, 예를 들면, AZO 전극인 것이 바람직하다. 투명 전극층은 보통 100 ~ 300 nm의 두께를 갖는다.Next, the transparent electrode layers 120 and 220 are electrodes that allow current (holes) to flow while transmitting light, and are preferably AZO electrodes, for example. The transparent electrode layer usually has a thickness of 100 to 300 nm.

또한, 활성층(130, 230)은 광반응에 의해 엑시톤이 생성되고 이것이 전자와 정공으로 분리되게 하여, 분리된 전자와 정공이 각각 메탈 전극층과 투명 전극층을 통해 흐르게 하는 층을 말한다. 이와 같은 활성층(130, 230)은 기본적으로 전자 주개 물질과 전자 받개 물질을 이용하여 구성될 수 있으며, 본 발명에서는 상술한 바와 같이, 특히, 실리콘 나노입자를 더 추가하여 함께 블렌딩하여 형성하거나, 또는 실리콘 나노입자층을 더 추가 형성하는 것에 큰 특징이 있다. 이와 같은, 활성층은 보통 100 ~ 200 nm의 두께를 갖는다.In addition, the active layers 130 and 230 refer to a layer in which excitons are generated by photoreaction and are separated into electrons and holes, and separated electrons and holes flow through the metal electrode layer and the transparent electrode layer, respectively. The active layers 130 and 230 may be basically formed using an electron donor material and an electron acceptor material. In the present invention, silicon nanoparticles may be further added and blended together as described above, or alternatively, The silicon nanoparticle layer is further formed. Such an active layer usually has a thickness of 100 to 200 nm.

여기서, 전자 주개 물질로 이루어지는 층은 빛과 만나 여기된 엑시톤을 생성하는 역할을 하게 되며, 보통 도너 층(donor layer)이라고 불린다. 예로써, 전자 주개 물질은 광반응이 뛰어난 유기 재료로서 P3HT(poly 3-hexylthiophene)인 것이 바람직하다. 또한, 전자 받개 물질로 이루어지는 층은 생성된 엑시톤과 만나 전자와 정공으로 분리시키는 역할을 하게 되며, 보통 억셉터층(acceptor layer)이라고 불린다. 예로써, 전자 받개 물질은 전자친화도가 높은 재료로서 PCBM(phenyl-c61-butyric acid methyl ester)인 것이 바람직하다.Here, a layer made of an electron donor material serves to generate an excited excited light, which is usually called a donor layer. For example, it is preferable that the electron donor material is P3HT (poly 3-hexylthiophene) as an organic material having excellent photoreaction. In addition, the layer comprising the electron acceptor material functions to separate electrons and holes from the generated exciton, and is usually called an acceptor layer. For example, the electron acceptor material is preferably a PCBM (phenyl-c61-butyric acid methyl ester) material having a high electron affinity.

또한, 상기 실리콘 나노입자의 크기는 2 ~ 10 nm의 범위를 갖는 것이 바람직하다.The size of the silicon nanoparticles is preferably in the range of 2 to 10 nm.

또한, 메탈 전극층(140, 240)은 전류(전자)를 흐를 수 있게 하는 전극(cathod)으로서, 예를 들면, Al 전극인 것이 바람직하다. 메탈 전극층은 보통 200 nm의 두께를 갖는다.In addition, the metal electrode layers 140 and 240 are cathodes for allowing current (electrons) to flow, and are preferably Al electrodes, for example. The metal electrode layer usually has a thickness of 200 nm.

여기서, 투명 전극층 및 메탈 전극층은, 예를 들면 ALD(atomiclayer deposition) 기술 등을 통해 형성될 수 있다. Here, the transparent electrode layer and the metal electrode layer may be formed through an ALD (atomic layer deposition) technique or the like.

또한, 활성층은, 예를 들면 스핀 코팅(spin coating)법 및 잉크 젯 프린팅(ink-jet printing)법 등을 이용하여 형성될 수 있다.The active layer may be formed using, for example, a spin coating method or an ink-jet printing method.

앞서 언급한 바와 같이, 본 발명은 유기 태양전지 구조 중 유기 활성층의 내부에 크기가 2 ~ 10 nm인 반도체 나노입자 즉, 실리콘 나노입자(Si Nano-Particle, SiNP)를 삽입하여 나노입자에 의한 양자점 효과를 결합시킨 고효율의 유기 태양전지이다. 이 실리콘 나노입자에 의한 양자점 효과는 반도체의 입자크기가 작아짐에 따라 에너지 밴드갭(band gap)의 특성이 원래 파장보다 짧은 특정 파장대의 광에너지를 흡수하여 전자가 여기될 수 있게 되는 현상이다. 즉, 보다 작은 크기의 양자점을 사용하면 가시광선보다 짧은 파장대의 자외선을 흡수하게 되며, 보다 큰 크기의 양자점을 사용하면 가시광선보다 긴 파장대의 적외선을 흡수하게 된다. 다시 말해, 실리콘 나노입자 크기에 따라 에너지 밴드갭 조절이 가능하므로 다양한 파장영역의 빛을 흡수할 수 있게 되어, 종래 유기 태양전지의 가장 큰 문제점 중 하나인 태양광 스펙트럼 대비 유기물의 비효율적인 광에너지 흡수대를 보다 넓은 광에너지 흡수대로 바꿀 수 있다. 이렇게, 활성층 속에 반도체 나노입자들을 임베디드시킴으로써 추가적인 엑시톤(exciton)을 생성시킬 수 있다. As described above, the present invention is characterized in that semiconductor nanoparticles having a size of 2 to 10 nm, that is, Si nano-particles (SiNP) are inserted into the organic active layer of the organic solar cell structure to form quantum dots Efficiency organic solar cell. The quantum dot effect caused by the silicon nanoparticles is a phenomenon in which as the particle size of the semiconductor becomes smaller, the energy band gap absorbs light energy of a specific wavelength band shorter than the original wavelength and electrons can be excited. That is, when a quantum dot having a smaller size is used, it absorbs ultraviolet rays of a shorter wavelength band than a visible ray. When a quantum dot having a larger size is used, it absorbs infrared rays of a longer wavelength band than a visible ray. In other words, since the energy bandgap can be adjusted according to the size of the silicon nanoparticles, it is possible to absorb light in various wavelength regions, which is one of the biggest problems of conventional organic solar cells. Inefficient light energy absorption Can be changed to a larger optical energy absorption. Thus, additional excitons can be generated by embedding semiconductor nanoparticles in the active layer.

따라서, 실리콘 나노입자의 경우 그 입자 크기에 따라 태양광 흡수 파장영역이 다르기 때문에 실리콘 나노입자들을 크기에 따라 배열을 하면 보다 많은 영역대의 파장을 흡수할 수 있게 된다. 즉, 공진적 흡수 파장 영역대를 고려하여 유기 태양전지의 활성층에 서로 다른 크기의 실리콘 나노입자들을 크기별로 적층 배열하면 더 많은 빛을 흡수할 수 있게 되어, 종래의 유기 태양전지보다 높은 광변환 효율을 달성할 수 있게 된다. Therefore, in the case of silicon nanoparticles, the wavelength of the absorption region of the solar light differs according to the particle size thereof, so that the arrangement of the silicon nanoparticles according to their sizes can absorb the wavelengths of a larger region. In other words, considering the resonance absorption wavelength region, when the silicon nanoparticles having different sizes are stacked on the active layer of the organic solar cell by size, more light can be absorbed, . ≪ / RTI >

한편, 실리콘 나노입자의 생성은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정을 통해 생성할 수 있으며, 플라즈마의 파워, 공정 압력, 공정 온도, 전구 가스의 비율(SiH4, Ar, H2) 및 유량에 따라 입자 크기 및 양을 결정할 수 있다. 또한 실리콘은 에너지 밴드갭이 1.1 eV이므로 가시광선 및 자외선의 태양광 에너지를 받으면 여기된 전자들에 의해 추가적인 전류가 흐르게 되어 유기 태양전지의 효율성을 높일 수 있게 된다. Silicon nanoparticles can be produced by PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) process. Depending on the plasma power, process pressure, process temperature, ratio of precursor gas (SiH 4 , Ar, Particle size and amount can be determined. In addition, silicon has an energy band gap of 1.1 eV. As a result, when visible light and ultraviolet rays receive the solar energy, the excited electrons can flow an additional current, thereby increasing the efficiency of the organic solar cell.

상기 PECVD 공정은, 상온 공정을 통해 기판 손상을 최소화할 수 있으며, 진공 증착으로 인한 입자 산화 및 오염의 최소화가 가능하다. 또한 간단한 변수조절을 통해 입자의 크기조절이 가능하며 입자 크기에 따른 실시간 적층 증착이 가능하다.The PECVD process can minimize substrate damage through a room temperature process and minimize particle oxidation and contamination due to vacuum deposition. In addition, it is possible to adjust the size of particles by controlling simple parameters and it is possible to deposit in real time according to the particle size.

도시하지 않았으나, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 투명 전극층과 활성층 사이에 버퍼층으로서 정공 이송층(hole transport layer)을 더 형성할 수 있으며, 예로써, PEDOT:PSS의 전도성 고분자 물질로 이루어질 수 있다. 유사하게, 활성층과 메탈전극층 사이에는 전자 이송층(electron transport layer)을 더 형성할 수도 있다. 또는 활성층과 메탈전극층 사이에 빛 반사를 위한 미러층을 더 형성할 수도 있다. 상기 정공 이송층, 전자 이송층 및 미러층의 형성은 공지된 기술이므로 보다 자세한 설명은 생략하기로 한다.Although not shown, the organic solar cell according to the present invention may further include a hole transport layer as a buffer layer between the transparent electrode layer and the active layer, and may be formed of a conductive polymeric material of PEDOT: PSS, for example. Similarly, an electron transport layer may be further formed between the active layer and the metal electrode layer. Alternatively, a mirror layer for light reflection may be further formed between the active layer and the metal electrode layer. The formation of the hole transporting layer, the electron transporting layer, and the mirror layer are well known in the art and will not be described in detail.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 본 발명에 따른 유기 태양전지는 활성층에 크기별로 태양광 흡수 파장 영역이 다른, 서로 다른 크기의 실리콘 나노입자들을 적용함으로써, 보다 넓은 대역에서 태양광을 흡수하여 광변환 효율성을 높일 수 있다. According to the present invention, the organic solar cell according to the present invention can absorb solar light in a wider band by applying different sizes of silicon nanoparticles having different solar absorption wavelength ranges to the active layer, Efficiency can be increased.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 효과를 도 4 및 도 5를 통해 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 제1 형태에 따른 유기 태양전지의 활성층에서의 실리콘 나노입자 효과를 나타내는 개념도이고, 도 5는 본 발명의 제2 형태에 따른 유기 태양전지의 활성층에서의 실리콘 나노입자 효과를 나타내는 개념도이다.More specifically, effects according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. FIG. 4 is a conceptual diagram showing the effect of silicon nanoparticles in the active layer of the organic solar cell according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a graph showing the effect of silicon nanoparticles in the active layer of the organic solar cell according to the second embodiment of the present invention FIG.

도 4에 의하면, 실리콘 나노입자(Si NP)로부터 생성된 정공(hole)과 경계면에서 발생된 전자의 재결합(recombination) 및 태양광에 의한 재분해(re decomposition)를 통해 전자의 어트랙션 효과를 갖는다. 이것은 버퍼층(PEDOT:PSS층)과 같은 역할을 하게 된다. 또한 실리콘 나노입자로 인한 EHP(electron-hole pair) 농도의 증가로 광전 변환효율이 향상된다. 또한, 아이랜드(island)에서 실리콘 나노입자에 의해 EHP 생성된 전자가 억셉터 층(PCBM)을 통해 빠른 전달 효과를 갖게 된다. According to FIG. 4, electrons have an attraction effect through recombination of electrons generated at the interface with holes generated from silicon nanoparticles (Si NP) and re-decomposition by sunlight. It acts like a buffer layer (PEDOT: PSS layer). Also, photoelectric conversion efficiency is improved by increasing the concentration of EHP (electron-hole pair) due to silicon nanoparticles. In addition, electrons generated by EHP by the silicon nanoparticles on the island have a fast transfer effect through the acceptor layer (PCBM).

또한, 도 5에 의하면, 도너 층(P3HT)과 억셉터 층(PCBM) 사이에 적층된 실리콘 나노입자층의 광분해로 인해 EHP가 생성되어 EHP 농도가 증가하게 된다. 부피 대 표면적 비율이 높은 실리콘 나노입자의 특성을 활용하여 같은 면적에서 EHP 농도를 증가시킬 수 있다. 실리콘 나노입자가 존재하지 않는 부분에서는 도너 층과 억셉터 층의 경계에서 EHP를 형성하게 된다.In addition, according to FIG. 5, EHP is generated due to photolysis of the silicon nanoparticle layer stacked between the donor layer (P3HT) and the acceptor layer (PCBM), thereby increasing the EHP concentration. Using the properties of silicon nanoparticles with a high volume to surface area ratio, the EHP concentration can be increased in the same area. EHP is formed at the boundary between the donor layer and the acceptor layer at portions where no silicon nanoparticles exist.

이상에서와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 분야의 당업자이면 본 발명의 실시예를 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그러므로, 본 발명의 특허권리범위는 본 발명에 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 균등물의 범주 내에서의 실시예들은 본 발명의 특허권리범위에 속하는 것이라 하겠다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Therefore, the scope of the patent right of the present invention is not limited to the embodiments described in the present invention, and the embodiments within the scope of the equivalents which do not depart from the technical idea and scope of the present invention are within the scope of the patent right of the present invention .

10, 110, 210 : 투명기판 20, 120, 220 : 투명전극층
30, 130, 230 : 활성층 40, 140, 240 : 메탈전극층
231 : 전자주개 물질층 233 : 전자받개 물질층
235 : 실리콘 나노입자층10, 110, 210: transparent substrate 20, 120, 220: transparent electrode layer
30, 130, 230: active layer 40, 140, 240: metal electrode layer
231: Electron sponge material layer 233: Electron supporter material layer
235: Silicon nanoparticle layer

Claims (8)

투명 기판, 상기 투명 기판상에 형성된 투명 전극층, 상기 투명 전극층 상에 형성된 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성된 메탈 전극층을 포함하는 유기 태양전지에 있어서,
상기 활성층은, 전자 주개(electron donor)물질 및 전자 받개(electron acceptor)물질과 함께, 크기별로 태양광 흡수 파장 영역이 다른, 서로 다른 크기의 실리콘 나노입자들을 블렌딩(blending)하여 형성된 벌크 이종 접합(BHJ : Bulk Hetero-junction)구조로 이루어지되, 나노입자들을 크기별로 전자 주개 물질 및 전자 받개 물질과 함께 블렌딩하여, 나노입자 크기가 작은 것부터 순차적으로 적층하여 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.1. An organic solar cell comprising a transparent substrate, a transparent electrode layer formed on the transparent substrate, an active layer formed on the transparent electrode layer, and a metal electrode layer formed on the active layer,
The active layer may be formed of an electron donor material and an electron acceptor material, and may be formed by blending silicon nanoparticles having different solar absorption wavelength regions by size, BHJ (Bulk Hetero-junction) structure in which nanoparticles are blended together with an electron donor material and an electron acceptor material by size, and the nanoparticles are sequentially laminated from a small nanoparticle size. 삭제delete 투명 기판, 상기 투명 기판 상에 형성된 투명 전극층, 상기 투명 전극층 상에 형성된 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성된 메탈 전극층을 포함하는 유기 태양전지에 있어서,
상기 활성층은, 투명 전극층 상에 형성된 전자 주개(electron donor)물질 층과 상기 전자 주개 물질 층 상에 형성된 전자 받개(electron acceptor)물질 층의 2층(Bi-layer) 구조 사이에 크기별로 태양광 흡수 파장 영역이 다른, 서로 다른 크기의 실리콘 나노입자들로 이루어진 실리콘 나노입자층을 더 포함하여 형성되며,
상기 실리콘 나노입자층은, 실리콘 나노입자가 크기별로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.1. An organic solar cell comprising a transparent substrate, a transparent electrode layer formed on the transparent substrate, an active layer formed on the transparent electrode layer, and a metal electrode layer formed on the active layer,
The active layer is formed between the electron donor material layer formed on the transparent electrode layer and the bi-layer structure of the electron acceptor material layer formed on the electron blocking material layer, And a silicon nanoparticle layer made of silicon nanoparticles having different wavelength regions and having different sizes,
Wherein the silicon nanoparticle layer is formed by stacking silicon nanoparticles in size. 삭제delete 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 실리콘 나노입자의 크기는 2 ~ 10 nm의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The method according to claim 1 or 3,
And the size of the silicon nanoparticles ranges from 2 to 10 nm. 제 3 항에 있어서,
상기 실리콘 나노입자층은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 통해 적층되는 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The method of claim 3,
Wherein the silicon nanoparticle layer is laminated via PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 전자 주개 물질은, P3HT로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The method according to claim 1 or 3,
Wherein the electron donor material is P3HT. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 전자 받개 물질은, PCBM으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기 태양전지.The method according to claim 1 or 3,
Wherein the electron acceptor material is made of PCBM.
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