KR20190112974A - Flexible organic solar cells and manufacturing method of thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 플렉서블 유기 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 상온에서 제조가 가능하고, 종래의 유기 태양전지에 비하여 효율이 향상된 플렉서블 유기 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a flexible organic solar cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a flexible organic solar cell and a method for manufacturing the same, which can be manufactured at room temperature and have improved efficiency compared to a conventional organic solar cell.
유기 태양전지(OSC)는 경량화 및 플렉서블한 특성을 갖고 있으며, 낮은 비용으로 제조가 가능하여, 최근 주목받고 있는 기술이다. 또한, 롤투롤(roll-to-roll) 또는 프린팅 공정과 같은 효율적인 제조 공정으로 인하여, 넓은 면적의 플렉서블 기판을 포함하는 유기 태양전지의 제조가 용이해졌다.Organic solar cells (OSCs) are lightweight and flexible, and can be manufactured at low cost. In addition, an efficient manufacturing process such as a roll-to-roll or printing process has facilitated the manufacture of an organic solar cell including a flexible substrate having a large area.
플렉서블 유기 태양전지를 구성하는 투명전극은 주로 인듐주석산화물(Indium tin oxide : ITO)로 제조된다. 그러나 ITO는 취성 특성으로 인하여 잘 부러지기 때문에 플렉서블한 유기 태양전지의 전극으로 활용되는데 어려움이 있다.The transparent electrode constituting the flexible organic solar cell is mainly made of indium tin oxide (ITO). However, since ITO is brittle due to brittleness, it is difficult to be used as an electrode of a flexible organic solar cell.
ITO를 대체하기 위한 소재로는, 전도성 폴리머, 탄소나노튜브(CNT), 은 나노와이어, 그래핀 등이 있다. 그래핀은 높은 광 투과도와 신축성, 전기 전도성이 우수하기 때문에 투명전극을 위한 재료로 적합하다. Materials for replacing ITO include conductive polymers, carbon nanotubes (CNTs), silver nanowires, and graphene. Graphene is suitable as a material for transparent electrodes because of its high light transmittance, elasticity and excellent electrical conductivity.
그래핀에 코팅되어 전자수송층(ETL)의 역할을 하는 산화아연(ZnO) 나노입자(ZnO-NPs)는 플렉서블 유기 태양전지에 적합한 재료 중 하나이다. 산화아연 나노입자는 높은 투명성과 우수한 전자 이동성을 갖고, 간단한 합성 프로토콜로 제조가 가능하다.Zinc oxide (ZnO) nanoparticles (ZnO-NPs), which are coated on graphene and serve as an electron transport layer (ETL), are one of the materials suitable for flexible organic solar cells. Zinc oxide nanoparticles have high transparency and excellent electron mobility and can be prepared by a simple synthesis protocol.
졸-겔 방법으로 합성된 산화아연을 포함하는 전자수송층의 경우, 산화아연이 헥사고날 우르츠광(hexagonal wurtzite) 결정 구조를 갖도록 200 ℃ 이상의 고온에서 사후어닐링(post-annealing)처리가 필요한 문제점이 있다.In the electron transport layer including zinc oxide synthesized by the sol-gel method, there is a problem that post-annealing treatment is required at a high temperature of 200 ° C. or more so that zinc oxide has a hexagonal wurtzite crystal structure. .
한국등록특허 제10-1310058호는 역구조 유기 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자층 증착법에 의해 형성된 금속 산화물 박막을 전자수송층으로 포함하는 역구조 유기 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.Korean Patent No. 10-1310058 relates to an inverted organic solar cell and a method for manufacturing the same. More specifically, an inverted organic solar cell and a method for manufacturing the same, including a metal oxide thin film formed by atomic layer deposition as an electron transport layer It is about.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 그래핀에 산화아연 나노입자를 스핀코팅(spin-coating)한 이후 열처리를 하지 않고 전자수송층을 제조하여, 상온 공정이 가능한 플렉서블 유기 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was devised to solve the above problems, and the flexible organic solar cell capable of room temperature process by manufacturing an electron transport layer without spin-treating the zinc oxide nanoparticles on graphene and heat treatment; It is an object to provide a method for producing the same.
본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 유기 태양전지 제조 방법은 기판의 상면에 그래핀을 적층하는 단계, 상기 그래핀의 상면에 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 스핀코팅하는 단계, 상기 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 진공처리하는 전자수송층 제조 단계 및 상기 전자수송층의 상면을 고분자 및 풀러린(Fullerene)을 포함하는 용액으로 코팅하는 광활성층 제조 단계를 포함할 수 있다.In the flexible organic solar cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the step of laminating graphene on the upper surface of the substrate, spin coating a solution containing zinc oxide nanoparticles on the upper surface of the graphene, the zinc oxide nano An electron transport layer manufacturing step of vacuuming the solution containing the particles and the photoactive layer manufacturing step of coating the upper surface of the electron transport layer with a solution containing a polymer and fullerene (Fullerene).
상기 기판은, 유리 또는 PET(polyethylene terephthalate)를 포함할 수 있다.The substrate may include glass or polyethylene terephthalate (PET).
상기 산화아연 나노입자를 포함하는 용액은, 클로로포름 용매 및 메탄올 용매를 더 포함하는 혼합용액일 수 있다.The solution containing the zinc oxide nanoparticles may be a mixed solution further comprising a chloroform solvent and a methanol solvent.
상기 고분자 및 풀러린(Fullerene)을 포함하는 용액은, poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b‘]-dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]-thieno[3,4-b]thiophenediyl]](PTB7) 및 [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)를 포함할 수 있다.The solution containing the polymer and fullerene (Fullerene) is, poly [[4,8-bis [(2-ethylhexyl) oxy] benzo [1,2-b: 4,5-b ']-dithiophene-2,6 -diyl] [3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl) carbonyl] -thieno [3,4-b] thiophenediyl]] (PTB7) and [6,6] -phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC 71 BM).
상기 고분자 및 풀러린(Fullerene)을 포함하는 용액은, 클로로벤젠(chlorobenzene) 및 1,8-diiodooctane을 더 포함할 수 있다.The solution containing the polymer and fullerene (Fullerene), may further include chlorobenzene (chlorobenzene) and 1,8-diiodooctane.
상기 고분자 및 풀러린(Fullerene)을 포함하는 용액은, poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b’]dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-(3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2,6-diyl)](PTB7-Th) 및 [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)를 포함할 수 있다.The solution containing the polymer and fullerene (Fullerene), poly [4,8-bis (5- (2-ethylhexyl) thiophen-2-yl) benzo [1,2-b; 4,5-b '] dithiophene -2,6-diyl-alt- (4- (2-ethylhexyl)-(3-fluorothieno [3,4-b] thiophene-)-2-carboxylate-2,6-diyl)] (PTB7-Th) and [6,6] -phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC 71 BM).
상기 고분자 및 풀러린(Fullerene)을 포함하는 용액은, 클로로벤젠(chlorobenzene) 및 1,8-diiodooctane을 더 포함할 수 있다.The solution containing the polymer and fullerene (Fullerene), may further include chlorobenzene (chlorobenzene) and 1,8-diiodooctane.
상기 그래핀 전극 제조 방법은, 상기 전자수송층 제조 단계 이전에, 기판의 상면에 그래핀 시트를 적층하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The graphene electrode manufacturing method, prior to the electron transport layer manufacturing step, the step of laminating a graphene sheet on the upper surface of the substrate; may further include a.
상기 광활성층 제조 단계 이후에, 상기 광활성층의 상면에 MoO3 및 Ag를 포함하는 전극을 증착하는 단계;를 더 포함할 수 있다.After the photoactive layer manufacturing step, the step of depositing an electrode containing MoO 3 and Ag on the upper surface of the photoactive layer; may further comprise a.
상기 전자수송층은 상기 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 열처리하지 않고 제조될 수 있다.The electron transport layer may be prepared without heat treatment of the solution containing the zinc oxide nanoparticles.
본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 유기 태양전지는 기판의 상면에 적층된 그래핀; 상기 그래핀의 상면에 적층된 산화아연 나노입자를 포함하는 전자수송층; 및 상기 전자수송층의 상면에 적층된 광활성층;을 포함할 수 있다.Flexible organic solar cell according to an embodiment of the present invention is graphene laminated on the upper surface of the substrate; An electron transport layer including zinc oxide nanoparticles stacked on an upper surface of the graphene; And a photoactive layer laminated on the upper surface of the electron transport layer.
상기 기판은 유리 또는 PET(polyethylene terephthalate)를 포함할 수 있다.The substrate may include glass or polyethylene terephthalate (PET).
상기 전자수송층은 열처리되지 않은 산화아연 나노입자로 이루어진 필름을 포함할 수 있다.The electron transport layer may include a film made of zinc oxide nanoparticles that are not heat treated.
상기 광활성층은, poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b‘]-dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]-thieno[3,4-b]thiophenediyl]](PTB7) 및 [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)를 포함할 수 있다.The photoactive layer is poly [[4,8-bis [(2-ethylhexyl) oxy] benzo [1,2-b: 4,5-b ']-dithiophene-2,6-diyl] [3-fluoro- 2-[(2-ethylhexyl) carbonyl] -thieno [3,4-b] thiophenediyl]] (PTB7) and [6,6] -phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC 71 BM) .
상기 광활성층은, poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b’]dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-(3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2,6-diyl)](PTB7-Th) 및 [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)를 포함할 수 있다.The photoactive layer is poly [4,8-bis (5- (2-ethylhexyl) thiophen-2-yl) benzo [1,2-b; 4,5-b '] dithiophene-2,6-diyl-alt -(4- (2-ethylhexyl)-(3-fluorothieno [3,4-b] thiophene-)-2-carboxylate-2,6-diyl)] (PTB7-Th) and [6,6] -phenyl- C71-butyric acid methyl ester (PC 71 BM).
상기 광활성층의 상면에 MoO3 및 Ag를 포함하는 전극을 더 포함할 수 있다.An upper surface of the photoactive layer may further include an electrode including MoO 3 and Ag.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지는 상온에서 제조가 가능하고, 플렉서블한 특성을 가질 수 있다.The organic solar cell according to the exemplary embodiment of the present invention may be manufactured at room temperature and may have flexible characteristics.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 전극 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 산화아연 나노입자 표면의 화학조성 및 결정화도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 산화아연 나노입자의 표면 모폴로지(morphology)를 나타내는 전자주사현미경(SEM) 및 원자력간 현미경(AFM) 이미지이다.
도 4는 산화아연 나노입자의 광학적 및 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 그래핀을 포함하는 유기 태양전지에 대한 이미지 및 ITO 또는 그래핀을 포함하는 유기 태양전지에 대한 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.1 is a flow chart showing a graphene electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the chemical composition and crystallinity of the surface of zinc oxide nanoparticles.
FIG. 3 is an electron scanning microscope (SEM) and interatomic microscope (AFM) image showing surface morphology of zinc oxide nanoparticles.
4 is a graph showing the optical and electrical properties of the zinc oxide nanoparticles.
FIG. 5 is a graph showing an image of an organic solar cell including graphene and a result of measuring characteristics of an organic solar cell including ITO or graphene.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 플렉서블 유기 태양전지 및 이의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, a flexible organic solar cell and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the drawings, similar reference numerals are used for similar elements. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown in an enlarged scale than actual for clarity of the invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described on the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, by which the present invention is not limited and the present invention is defined only by the scope of the claims to be described later.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 유기 태양전지 제조 방법을 나타내는 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a flexible organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
이하 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 플렉서블 유기 태양전지 제조 방법을 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a flexible organic solar cell according to the present invention will be described with reference to FIG. 1.
본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 유기 태양전지 제조 방법은 그래핀의 기판의 상면에 그래핀을 적층하는 단계(110), 상기 그래핀의 상면에 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 스핀코팅(spin-coating)하는 단계(120), 상기 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 진공처리하는 전자수송층 제조 단계(130) 및 상기 전자수송층의 상면을 고분자 및 풀러린(Fullerene)을 포함하는 용액으로 코팅하는 광활성층 제조 단계(140)를 포함할 수 있다.In the flexible organic solar cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the step of laminating the graphene on the upper surface of the substrate of
실시예 1. 어닐링(annealing)되지 않은 산화아연 나노입자(ZnO-Nanoparticle-Annealing Free, ZnO-NP-AF)를 포함하는 그래핀 전극Example 1 Graphene Electrodes Including Unannealed Zinc Oxide Nanoparticles (ZnO-Nanoparticle-Annealing Free, ZnO-NP-AF)
그래핀은 화학증착(chemical vapor deposition, CVD) 공정을 통하여 구리 호일의 상면에 합성될 수 있다. 여기서 구리 호일의 두께는 25 ㎛가 바람직할 수 있다.Graphene may be synthesized on the upper surface of the copper foil through a chemical vapor deposition (CVD) process. The thickness of the copper foil here may be preferably 25 μm.
먼저 구리 호일을 CVD 챔버 내부에 넣고, 수소 가스 분위기에서 30분 동안 1000 ℃로 어닐링한다. 이후, 그래핀 성장을 위하여 30분 동안 CVD 챔버 내부로 메탄 가스를 주입시키고, 챔버 내부의 온도를 20 내지 30 ℃까지 냉각시킨다. The copper foil is first placed inside a CVD chamber and annealed at 1000 ° C. for 30 minutes in a hydrogen gas atmosphere. Thereafter, methane gas is injected into the CVD chamber for 30 minutes for graphene growth, and the temperature inside the chamber is cooled to 20 to 30 ° C.
구리 호일의 상면에 성장된 그래핀 시트 상면에 폴리메타크릴산 메틸(Poly(methyl methacrylate), PMMA) 지지층이 적층된다. 이때, PMMA 지지층과 그래핀 시트가 서로 맞닿도록 적층되며, 그래핀 시트에 PMMA가 적층된 이후에 구리 호일을 제거한다.A poly (methyl methacrylate) (PMMA) support layer is stacked on the graphene sheet grown on the copper foil. At this time, the PMMA support layer and the graphene sheet are laminated to abut each other, and after the PMMA is laminated on the graphene sheet to remove the copper foil.
PMMA 지지층이 적층된 그래핀 시트는 전극을 제조하기 위하여 이용되는 기판의 상면에 적층된다. 이때, 기판과 그래핀 시트가 서로 맞닿도록 적층되며, 기판에 그래핀 시트가 적층된 이후에 PMMA 지지층은 아세톤으로 제거된다.The graphene sheet on which the PMMA support layer is laminated is laminated on the upper surface of the substrate used to manufacture the electrode. At this time, the substrate and the graphene sheet are laminated to abut each other, and after the graphene sheet is laminated on the substrate, the PMMA support layer is removed with acetone.
여기서, 플렉서블 유기 태양전지를 제조하기 위하여 이용되는 기판은 유리 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET)일 수 있다.Here, the substrate used to manufacture the flexible organic solar cell may be glass or polyethylene terephthalate (PET).
기판에 적층되는 그래핀 시트는 적어도 한 층 이상일 수 있다.The graphene sheet laminated to the substrate may be at least one layer.
기판에 적층된 그래핀 시트의 상면을 산화아연 나노입자로 코팅함으로써 전자수송층을 제조할 수 있다. 산화아연 나노입자를 그래핀 시트에 코팅시키기 위하여, 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 그래핀 시트의 상면에 스핀코팅시킨다. 구체적으로 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 1분 동안 2000 rpm으로 그래핀 시트의 상면에 스핀코팅시킬 수 있다. 여기서 산화아연 나노입자를 포함하는 용액은 산화아연 나노입자와 클로로포름 용매, 메탄올 용매가 혼합된 혼합 용액일 수 있다. 그래핀 시트의 상면에 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 스핀코팅시킨 이후, 진공처리하여 용액을 구성하고 있는 용매를 제거한다. 용매가 제거되면 그래핀 시트의 상면에 산화아연 나노입자를 포함하는 필름이 형성된다. 산화아연 나노입자를 포함하는 필름은 그래핀 전극에서 전자수송층 역할을 할 수 있다. The electron transport layer may be prepared by coating the upper surface of the graphene sheet laminated on the substrate with zinc oxide nanoparticles. In order to coat the zinc oxide nanoparticles on the graphene sheet, a solution containing the zinc oxide nanoparticles is spin coated on the graphene sheet. Specifically, the solution containing the zinc oxide nanoparticles may be spin coated on the top surface of the graphene sheet at 2000 rpm for 1 minute. Here, the solution containing zinc oxide nanoparticles may be a mixed solution in which zinc oxide nanoparticles, a chloroform solvent, and a methanol solvent are mixed. After spin-coating a solution containing zinc oxide nanoparticles on the upper surface of the graphene sheet, the solvent constituting the solution is removed by vacuum treatment. When the solvent is removed, a film containing zinc oxide nanoparticles is formed on the graphene sheet. The film containing zinc oxide nanoparticles may serve as an electron transport layer in the graphene electrode.
종래의 유기 태양전지를 구성하는 전자수송층은, 금속 산화물을 포함하는 용액을 스핀코팅하고, 이를 열처리함으로써 전자수송층의 구조를 형성시키고 결정성을 향상시키는 과정이 필수로 수행되어야 제조될 수 있다. 이와 달리, 본 발명의 플렉서블 유기 태양전지 제조 방법에 따른 전자수송층은 플렉서블 유기 태양전지를 구성하는 전자수송층을 열처리하지 않고, 상온에서 제조할 수 있다.The electron transport layer constituting the conventional organic solar cell can be manufactured only by spin coating a solution containing a metal oxide and heat treatment to form a structure of the electron transport layer and to improve crystallinity. Alternatively, the electron transport layer according to the flexible organic solar cell manufacturing method of the present invention can be produced at room temperature without heat treatment of the electron transport layer constituting the flexible organic solar cell.
poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b’]-dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]-thieno[3,4-b]thiophenediyl]](PTB7), poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b’]dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-(3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2,6-diyl)](PTB7-Th) 및 [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)은 클로로벤젠(chlorobenzene) 및 1,8-diiodooctane을 포함하는 용액에 혼합되어 전자수송층의 상면에 도포될 수 있다. 전자수송층의 상면에 도포된 용액은 광활성층을 형성할 수 있다.poly [[4,8-bis [(2-ethylhexyl) oxy] benzo [1,2-b: 4,5-b ']-dithiophene-2,6-diyl] [3-fluoro-2-[(2 -ethylhexyl) carbonyl] -thieno [3,4-b] thiophenediyl]] (PTB7), poly [4,8-bis (5- (2-ethylhexyl) thiophen-2-yl) benzo [1,2-b; 4,5-b '] dithiophene-2,6-diyl-alt- (4- (2-ethylhexyl)-(3-fluorothieno [3,4-b] thiophene-)-2-carboxylate-2,6-diyl )] (PTB7-Th) and [6,6] -phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC 71 BM) were mixed in a solution containing chlorobenzene and 1,8-diiodooctane to form an upper surface of the electron transport layer. It can be applied to. The solution applied to the upper surface of the electron transport layer may form a photoactive layer.
여기서, 혼합되는 고분자들의 농도는 PTB7 12mg/mL, PTB7-Th 12mg/mL 및 PC71BM 40mg/mL일 수 있다.Here, the concentration of the polymer to be mixed may be PTB7 12mg / mL, PTB7-Th 12mg / mL and PC 71 BM 40mg / mL.
또한, 광활성층을 형성하기 위해 이용되는 용액은, 클로로벤젠 및 1,8-diiodooctane을 97 대 3 vol%, PTB7 및 PC71BM을 2 대 1 vol%로 포함하거나, 클로로벤젠 및 1,8-diiodooctane을 97 대 3 vol%, PTB7-Th 및 PC71BM을 2 대 1 vol%로 포함할 수 있다.In addition, the solution used to form the photoactive layer comprises chlorobenzene and 1,8-diiodooctane in 97 to 3 vol%, PTB7 and PC 71 BM in 2 to 1 vol%, or chlorobenzene and 1,8- diiodooctane may comprise 97 to 3 vol%, PTB7-Th and PC 71 BM 2 to 1 vol%.
광활성층의 상면에는 MoO3 및 Ag를 진공증착(thermally evaporated)하여 전극을 형성시킬 수 있다. 제조된 전극은 20 nm의 MoO3 및 100 nm의 Ag를 포함할 수 있다.On the upper surface of the photoactive layer, MoO 3 and Ag may be thermally evaporated to form an electrode. The prepared electrode may comprise 20 nm of MoO 3 and 100 nm of Ag.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 상부 전극과 하부 전극이 오버랩되어 정의된 유기 태양전지의 영역은 4.2 mm2이다.An area of the organic solar cell defined by overlapping an upper electrode and a lower electrode manufactured according to an embodiment of the present invention is 4.2 mm 2 .
본 발명의 실시예 1과 같이, 그래핀 시트의 상면에 산화아연 나노입자를 균일하게 코팅시키면, 그래핀에 n-도핑이 이루어진다. n-도핑된 그래핀은 광활성층에서 그래핀 전극으로의 전하 이동을 촉진시킬 수 있다. As in Example 1 of the present invention, when zinc oxide nanoparticles are uniformly coated on the upper surface of the graphene sheet, n-doping is performed on the graphene. n-doped graphene may promote charge transfer from the photoactive layer to the graphene electrode.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 그래핀 전극을 포함하는 유기 태양전지의 광전변환효율(PCE)이 향상된다.Therefore, the photoelectric conversion efficiency (PCE) of the organic solar cell including the graphene electrode manufactured according to the embodiment of the present invention is improved.
비교예 1. 어닐링된 산화아연 나노입자(ZnO-Nanoparticle-Annealing, ZnO-NP-A)를 포함하는 그래핀 전극Comparative Example 1. Graphene electrode comprising annealed zinc oxide nanoparticles (ZnO-Nanoparticle-Annealing, ZnO-NP-A)
비교예 1. 어닐링된 산화아연 나노입자를 포함하는 그래핀 전극은 본 발명의 실시예 1. 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 포함하는 그래핀 전극의 제조 방법에서 전자수송층을 제조하는 단계만 달리하여 제조될 수 있다.Comparative Example 1. The graphene electrode including the annealed zinc oxide nanoparticles is different from the steps of preparing the electron transport layer in the method of manufacturing the graphene electrode including the annealed zinc oxide nanoparticles of Example 1. Can be prepared.
그래핀 시트는 실시예 1.과 동일하게 제조된다. Graphene sheets are prepared in the same manner as in Example 1.
전자수송층은 그래핀 시트의 상면에 산화아연 나노입자를 포함하는 필름을 형성시킴으로써 제조될 수 있다. The electron transport layer may be prepared by forming a film including zinc oxide nanoparticles on the top surface of the graphene sheet.
그러나 실시예 1.에서 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 그래핀 시트의 상면에 분사한 이후, 진공처리한 것과 달리 비교예 1.은 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 그래핀 시트의 상면에 분사한 이후, 어닐링하여 산화아연 나노입자를 포함하는 필름을 형성시킨다.However, after spraying the solution containing the zinc oxide nanoparticles on the top surface of the graphene sheet in Example 1. Unlike the vacuum treatment, Comparative Example 1. The solution containing the zinc oxide nanoparticles on the upper surface of the graphene sheet After spraying, the film is annealed to form a film including zinc oxide nanoparticles.
구체적으로 그래핀 시트의 상면에 분포된 산화아연 나노입자를 포함하는 용액은, 대기 분위기에서 10분 동안 100 ℃로 어닐링될 수 있다.Specifically, the solution containing zinc oxide nanoparticles distributed on the upper surface of the graphene sheet may be annealed at 100 ° C. for 10 minutes in an air atmosphere.
전자수송층이 제조된 이후, 광활성층 및 광활성층의 상면에 형성되는 전극은 실시예 1.과 동일하게 제조된다.After the electron transport layer is manufactured, the photoactive layer and the electrode formed on the upper surface of the photoactive layer are prepared in the same manner as in Example 1.
도 2는 산화아연 나노입자 표면의 화학조성 및 결정화도를 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the chemical composition and crystallinity of the surface of zinc oxide nanoparticles.
합성된 산화아연 나노입자 표면의 화학조성 및 결정화도를 분석하기 위하여 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 및 X-선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD)을 이용할 수 있다. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and X-ray diffraction (XRD) may be used to analyze the chemical composition and crystallinity of the synthesized zinc oxide nanoparticle surface.
어닐링되지 않은 산화아연 나노입자(ZnO-NP-AF)에 대한 O 1s XPS 스펙트럼(210) 및 어닐링된 산화아연 나노입자(ZnO-NP-A)에 대한 O 1s XPS 스펙트럼(220)를 보면, 각각 3개의 가우시안 피크(Gaussian peak)를 확인할 수 있다.Looking at the
어닐링되지 않은 산화아연 나노입자의 529.5 eV 결합에너지 및 어닐링된 산화아연 나노입자의 529.8 eV 결합에너지에서 나타나는 첫 번째 피크는 산화아연 나노입자 매트릭스의 아연과 산소 결합에 존재하는 O2- 이온을 의미한다.The first peak in the 529.5 eV binding energy of the annealed zinc oxide nanoparticles and the 529.8 eV binding energy of the annealed zinc oxide nanoparticles refers to O 2 ions present in the zinc and oxygen bonds of the zinc oxide nanoparticle matrix. .
XPS 스펙트럼에서 관찰되는 두 번째 피크는 산소 결여 영역(deficient region)의 O2- 이온을 의미한다. 두 번째 피크는 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자의 결합에너지 531.0 eV, 어닐링된 산화아연 나노입자의 결합에너지 531.3 eV에서 나타난다.The second peak observed in the XPS spectrum refers to O 2- ions in the oxygen deficient region. The second peak occurs at 531.0 eV of the annealed zinc oxide nanoparticles and 531.3 eV of the annealed zinc oxide nanoparticles.
XPS 스펙트럼에서 관찰되는 세 번째 피크는 일반적으로 산화아연 나노입자 표면의 화학 흡착된 산소 또는 OH를 의미한다. 세 번째 피크는 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자의 결합에너지 532.2 eV, 어닐링된 산화아연 나노입자의 결합에너지 532.4 eV에서 나타난다.The third peak observed in the XPS spectrum generally refers to chemisorbed oxygen or OH on the zinc oxide nanoparticle surface. The third peak appears at the binding energy of 532.2 eV of unannealed zinc oxide nanoparticles and 532.4 eV of annealed zinc oxide nanoparticles.
어닐링된 산화아연 나노입자의 Zn 2p에 대한 XPS 스펙트럼(240)은 어닐링된 산화아연 나노입자의 Zn2+ 2p3/2 및 2p1/2 피크 각각에 대한 1022 eV 및 1045 eV의 결합 에너지를 의미하는 두 개의 피크를 나타낸다.
어닐링되지 않은 산화아연 나노입자의 Zn 2p에 대한 XPS 스펙트럼(230)의 두 피크는 1021 eV 및 1044 eV의 결합에너지를 의미한다. 즉, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자의 결합 에너지는 어닐링된 산화아연 나노입자의 결합에너지보다 더 낮은 것을 알 수 있다.The two peaks in the
결합에너지가 낮은 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 구성하는 아연과 산소의 결합은 어닐링된 산화아연 나노입자를 구성하는 아연과 산소의 결합보다 강하다. 또한, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자의 산소 결함은 어닐링된 산화아연 나노입자의 산소 결함보다 적다.The bond between zinc and oxygen constituting the low annealed zinc oxide nanoparticles is stronger than the bond between zinc and oxygen constituting the annealed zinc oxide nanoparticles. In addition, the oxygen defect of the annealed zinc oxide nanoparticles is less than that of the annealed zinc oxide nanoparticles.
아래의 표를 참조하면, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자 및 어닐링된 산화아연 나노입자에 대하여 계산된 Zn/O의 원자비는 각각 1.29 및 1.88인 것을 알 수 있다. 이는, 산소 결함이 적은 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자 필름의 원자 화학 양론이 향상됨을 의미한다. Referring to the table below, it can be seen that the atomic ratios of Zn / O calculated for the annealed zinc oxide nanoparticles and the annealed zinc oxide nanoparticles are 1.29 and 1.88, respectively. This means that the atomic stoichiometry of the annealed zinc oxide nanoparticle film with low oxygen defects is improved.
atomic ratioZn / O
atomic ratio
어닐링된 산화아연 나노입자에 대한 XRD 패턴(260)은 순수한 산화아연에서 나타나는 헥사고날 우르자이트(hexagonal wurtzite) 결정 구조와 일치한다.The
어닐링되지 않은 산화아연 나노입자에 대한 XRD 패턴(250)은 어닐링된 산화아연 나노입자에 대한 XRD 패턴(260)과 유사하다. 즉, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자의 XRD 패턴도 헥사고날 우르자이트 결정 구조를 갖는 것을 의미한다.
이를 통하여, 산화아연 나노입자의 결정 특성 및 결정화도에 미칠 수 있는 어닐링 공정에 대한 영향은 적으며, 어닐링 여부에 상관없이 산화아연 나노입자는 동일한 결정 구조를 나타낼 수 있음을 알 수 있다.Through this, it can be seen that the effect on the annealing process that can affect the crystallinity and crystallinity of the zinc oxide nanoparticles is small, it can be seen that the zinc oxide nanoparticles can exhibit the same crystal structure regardless of whether or not annealing.
아래의 표는, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자와 어닐링된 산화아연 나노입자에 대한 XRD 패턴의 피크가 나타나는 범위를 정리한 것이다.The table below summarizes the ranges in which the peaks of the XRD patterns for the annealed zinc oxide nanoparticles and the annealed zinc oxide nanoparticles appear.
아래의 표를 참조하면, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자와 어닐링된 산화아연 나노입자의 결정 구조가 동일함을 알 수 있다.Referring to the table below, it can be seen that the crystal structures of the annealed zinc oxide nanoparticles and the annealed zinc oxide nanoparticles are the same.
ZnO-NP-AF 2θ (degree)
ZnO-NP-AF
ZnO-NP-A2θ (degree)
ZnO-NP-A
도 3은 산화아연 나노입자의 표면 모폴로지(morphology)를 나타내는 전자주사현미경(SEM) 및 원자력간 현미경(AFM) 이미지이다.FIG. 3 is an electron scanning microscope (SEM) and interatomic microscope (AFM) image showing surface morphology of zinc oxide nanoparticles.
일반적으로, CVD를 통하여 성장된 그래핀은 계면의 에너지 차이로 인하여, 그래핀의 표면에 유기 물질이 불균일하게 분포된다.In general, graphene grown through CVD has an uneven distribution of organic materials on the surface of graphene due to the difference in the energy of the interface.
그래핀의 표면에 분포된 산화아연 나노입자의 표면 형상에 대한 SEM(scanning electron microscope) 이미지(310, 320, 330)를 참조하면, 클로로포름, 메탄올 및 산화아연 나노입자를 혼합시킨 혼합물을 그래핀의 표면에 도포시킨 경우, 그래핀의 표면에 산화아연 나노입자가 균일하게 분포될 수 있음을 알 수 있다. 구체적으로 산화아연 나노입자는 어닐링되지 않거나 어닐링된 경우 모두 균일하게 그래핀의 표면에 분포된다.Referring to scanning electron microscope (SEM)
이는, 클로로포름과 메탄올 용매가 상대적으로 낮은 표면 장력을 갖기 때문이다. 클로로포름과 메탄올 용매의 표면 장력은 각각 27.5 dyn/cm 및 22.7 dyn/cm이다. 산화아연 나노입자는 62.2 mJ/m2의 표면 에너지를 가지며, 어닐링되지 않거나 어닐링되었을 때 모두 핀홀이 형성되지 않는다. This is because chloroform and methanol solvent have a relatively low surface tension. The surface tensions of chloroform and methanol solvent are 27.5 dyn / cm and 22.7 dyn / cm, respectively. Zinc oxide nanoparticles have a surface energy of 62.2 mJ / m 2 , and neither pinholes are formed when annealed or annealed.
그래핀의 표면에 분포된 산화아연 나노입자의 표면 형상에 대한 AFM(atomic force microscopy) 이미지(340, 350, 360)를 참조하면, 일반적으로, 어닐링 공정의 유무에 상관없이 그래핀의 표면에 형성된 산화아연 나노입자 필름은 균일하게 형성됨을 알 수 있다.Referring to atomic force microscopy (AFM) images (340, 350, 360) of the surface shape of zinc oxide nanoparticles distributed on the surface of graphene, it is generally formed on the surface of graphene with or without an annealing process. It can be seen that the zinc oxide nanoparticle film is uniformly formed.
어닐링된 산화아연 나노입자가 코팅된 그래핀 시트의 거칠기는 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자가 코팅된 그래핀 시트 표면 거칠기보다 거칠다. 구체적으로 산화아연 나노입자가 코팅되지 않은 그래핀 시트 표면의 거칠기는 0.85 nm이며, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자가 코팅된 그래핀 시트 표면의 거칠기는 2.50 nm이고, 어닐링된 산화아연 나노입자가 코팅된 그래핀 시트 표면의 거칠기는 2.79 nm이다. The roughness of the graphene sheet coated with the annealed zinc oxide nanoparticles is rougher than the surface roughness of the graphene sheet coated with the annealed zinc oxide nanoparticles. Specifically, the surface roughness of the graphene sheet not coated with zinc oxide nanoparticles was 0.85 nm, the surface roughness of the graphene sheet coated with unannealed zinc oxide nanoparticles was 2.50 nm, and coated with annealed zinc oxide nanoparticles. The roughness of the graphene sheet surface is 2.79 nm.
어닐링되지 않은 산화아연 나노입자의 평균 입자 크기는 30 nm이고, 산화아연 나노입자를 포함하는 필름의 평균 두께는 50 nm이다.The average particle size of the unannealed zinc oxide nanoparticles is 30 nm and the average thickness of the film comprising zinc oxide nanoparticles is 50 nm.
어닐링된 산화아연 나노입자가 코팅된 그래핀 시트 표면이 거친 이유는, 어닐링 공정에 의하여 산화아연 나노입자들끼리 유착 또는 응집되기 때문이다. The reason why the surface of the graphene sheet coated with the annealed zinc oxide nanoparticles is rough is because the zinc oxide nanoparticles are adhered or aggregated by the annealing process.
산화아연 나노입자가 코팅된 그래핀 시트의 거칠기에 따라서, 산화아연 나노입자와 광활성층 사이의 계면에서 트랩 사이트 밀도가 달라진다. 트랩 사이트 밀도가 달라지면, 유기 태양전지의 성능도 달라진다.Depending on the roughness of the graphene sheet coated with zinc oxide nanoparticles, the trap site density varies at the interface between the zinc oxide nanoparticles and the photoactive layer. Different trap site densities also change the performance of organic solar cells.
어닐링된 산화아연 나노입자가 코팅된 그래핀 시트는 트랩 사이트 밀도가 높아지기 때문에 유기 태양전지의 성능을 저하시킨다.Graphene sheets coated with annealed zinc oxide nanoparticles degrade organic solar cells because of the higher trap site density.
도 4는 산화아연 나노입자의 광학적 및 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing the optical and electrical properties of the zinc oxide nanoparticles.
타우(Tauc) 관계로 계산된 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 포함하는 필름과 어닐링된 산화아연 나노입자를 포함하는 필름의 광학 밴드갭(band gap)은 3.17 eV이다.The optical band gap of the film comprising annealed zinc oxide nanoparticles and the film comprising annealed zinc oxide nanoparticles calculated in the Tauc relationship is 3.17 eV.
밴드갭의 값은 (αhν)1/2 대 (hν)의 그래프(plot)를 통하여 얻어진 직선의 절편으로부터 얻어진다. 여기서 α는 흡수 계수이다.The value of the bandgap is obtained from the intercept of the straight line obtained through a plot of (αhν) 1/2 versus (hν). Where α is the absorption coefficient.
산화아연 나노입자의 흡수 스펙트럼 및 타우 그래프를 나타내는 그래프(410)를 참조하면, 두 가지 유형의 산화아연 나노입자가 유사한 광학 특성을 나타냄을 알 수 있다.Referring to graph 410, which shows absorption spectra and tau graphs of zinc oxide nanoparticles, it can be seen that the two types of zinc oxide nanoparticles exhibit similar optical properties.
그래핀 및 그래핀의 표면에 적층된 산화아연 나노입자에 대한 전기적 에너지 상태를 광방출 분광법(ultraviolet photoemission spectroscopy, UPS)으로 분석한 결과를 나타내는 그래프(420)를 참조하면, 그래핀의 상면에 적층된 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 포함하는 필름 및 어닐링된 산화아연 나노입자를 포함하는 필름의 결합 에너지는 컷오프 영역 및 온셋 영역에서도 원래의 그래핀의 결합 에너지보다 높은 것을 알 수 있다. Referring to the
따라서, 그래핀의 일함수는, 원래의 그래핀의 일함수 값 4.27 eV에서 그래핀에 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자가 적층되면 일함수 값이 4.03 eV로 변하고, 그래핀에 어닐링된 산화아연 나노입자가 적층되면 일함수 값이 4.01 eV로 변한다.Accordingly, the work function of graphene is that when the zinc oxide nanoparticles which are not annealed on graphene are laminated at the work function value of 4.27 eV of the original graphene, the work function is changed to 4.03 eV, and the zinc oxide nano annealed on graphene When the particles are stacked, the work function value changes to 4.01 eV.
이는, 그래핀이 산화아연 나노입자에 의하여 효과적으로 n-형 도핑되었음을 의미한다.This means that graphene was effectively n-type doped by zinc oxide nanoparticles.
그래핀의 일함수가 그래핀에 적층된 산화아연 나노입자의 어닐링 여부에 따라 차이를 보이며 변하는 것은 산화아연 나노입자를 포함하는 필름의 두께 때문이다. 즉, 어닐링된 산화아연 나노입자가 그래핀에 적층되면, 표면의 거칠기가 거칠고, 필름의 두께가 두껍게 형성되기 때문에 일함수가 비교적 큰 폭으로 감소한다. 반대로, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자가 그래핀에 적층되면, 표면의 거칠기가 낮고, 필름의 두께가 얇게 형성되기 때문에 일함수가 비교적 적은 폭으로 감소한다. The work function of graphene is different depending on whether the zinc oxide nanoparticles laminated on the graphene are annealed or changed because of the thickness of the film containing the zinc oxide nanoparticles. That is, when the annealed zinc oxide nanoparticles are laminated on the graphene, the work function is relatively large because the surface roughness and the film thickness are formed thick. On the contrary, when the annealed zinc oxide nanoparticles are laminated to graphene, the work function decreases to a relatively small width because the surface roughness is low and the film thickness is formed thin.
이와 유사하게, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 포함하는 필름의 두께를 달리하여 그래핀에 적층시키면 필름의 두께에 따라 일함수가 달라진다. 구체적으로, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 포함하는 필름의 두께가 50 nm일 경우, 일함수는 4.03 eV이고, 필름의 두께가 35 nm인 경우, 일함수는 4.12 eV이다.Similarly, when the thickness of the film including the zinc oxide nanoparticles that are not annealed is laminated on the graphene, the work function varies depending on the thickness of the film. Specifically, the work function is 4.03 eV when the thickness of the film including the unannealed zinc oxide nanoparticles is 50 nm, and the work function is 4.12 eV when the thickness of the film is 35 nm.
산화아연 나노입자의 일함수는 어닐링 여부에 관계 없이 모두 3.68 eV이다. The work function of the zinc oxide nanoparticles is 3.68 eV, whether or not annealed.
즉, 그래핀에 코팅되는 산화아연 나노입자를 포함하는 필름의 두께가 그래핀의 일함수에 영향을 미치는 요인이라는 의미이다.In other words, the thickness of the film containing the zinc oxide nanoparticles coated on the graphene is a factor that affects the work function of the graphene.
이에 따라, 산화아연 나노입자의 어닐링 여부에 따라, 그래핀에 코팅되는 산화아연 나노입자 필름의 두께가 달라지고, 이를 포함하는 유기 태양전지의 성능이 달라짐을 알 수 있다. Accordingly, it can be seen that the thickness of the zinc oxide nanoparticle film coated on the graphene varies depending on whether the zinc oxide nanoparticles are annealed, and the performance of the organic solar cell including the same varies.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지를 위한 그래핀 전극은 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 포함한다. 유기 태양전지를 구성하는 그래핀의 상면에 적층된 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 포함하는 필름은 전자수송층 역할을 한다. 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자는 스핀코팅으로 그래핀의 상면에 도포되고, 진공처리를 통해 필름을 형성한다. 이렇게 형성된 필름은 어닐링을 통해 형성된 필름보다 표면의 거칠기가 낮고, 두께가 얇다. 이에 따라, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자 필름을 포함하는 그래핀의 일함수가 어닐링된 산화아연 나노입자 필름을 포함하는 그래핀의 일함수 보다 크다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 어닐링된 산화아연 나노입자를 포함하는 유기 태양전지의 성능이 향상된다.The graphene electrode for an organic solar cell according to an embodiment of the present invention includes unannealed zinc oxide nanoparticles. The film including unannealed zinc oxide nanoparticles stacked on the top surface of graphene constituting the organic solar cell serves as an electron transport layer. Unannealed zinc oxide nanoparticles are applied to the top surface of the graphene by spin coating, to form a film through vacuum treatment. The film thus formed has a lower surface roughness and a smaller thickness than the film formed through annealing. Accordingly, the work function of graphene comprising an annealed zinc oxide nanoparticle film is greater than the work function of graphene comprising an annealed zinc oxide nanoparticle film. That is, the performance of the organic solar cell including the annealed zinc oxide nanoparticles prepared according to one embodiment of the present invention is improved.
그래핀의 도핑 거동은 그래핀 전계 효과 트랜지스터(GFET)의 전달 특성으로 정의될 수 있다.The doping behavior of graphene can be defined as the transfer characteristics of graphene field effect transistors (GFETs).
원래의 그래핀 또는 그래핀에 적층된 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자로 이루어진 GFET에 대한 저항-전압 그래프(430)를 참조하면, 원래의 그래핀으로 이루어진 GFET의 디랙 포인트(Dirac point)(전하중립점)는 49 V의 게이트 바이어스에 위치한다. 이는, 일반적으로 전이 과정에 의해 발생하는 전형적인 그래핀의 p형 거동이다.Referring to the resistance-
어닐링되지 않은 산화아연 나노입자가 적층된 그래핀은, 디랙 포인트가 49 V에서 -57 V로 크게 이동한다. 이는, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자가 적층된 그래핀이 n-형 도핑되었기 때문에 발생하는 현상이다. 그래핀에서 일어난 도핑 효과는 라만 스펙트럼으로 확인할 수 있다.Graphene, on which unannealed zinc oxide nanoparticles are stacked, has a large shift point of 49 V to -57 V. This is a phenomenon that occurs because the graphene on which the annealed zinc oxide nanoparticles are stacked is n-type doped. The doping effect on graphene can be confirmed by Raman spectra.
원래의 그래핀, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자가 적층된 그래핀 및 어닐링된 산화아연 나노입자가 적층된 그래핀에 대한 라만 스펙트럼(440)을 참조하면, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 포함하는 필름 및 및 어닐링된 산화아연 나노입자를 포함하는 필름의 G 밴드는 원래의 그래핀보다 상향이동됨을 확인할 수 있다. 이는 그래핀에 전자 도핑이 이루어졌음을 의미한다. 또한, 2D/G 피크에 대한 낮은 강도도 그래핀에 도핑이 이루어졌음을 의미한다.Referring to
산화아연 나노입자에 의하여 그래핀의 일함수가 감소하면, 요구되는 옴 접촉(ohmic contact)이 유발되고, 광활성층에서 그래핀 전극으로의 전자 전달에 대한 계면 에너지 장벽을 낮출 수 있다.Decreasing the work function of graphene by the zinc oxide nanoparticles causes the desired ohmic contact and lowers the interfacial energy barrier to electron transfer from the photoactive layer to the graphene electrode.
도 5는 그래핀을 포함하는 유기 태양전지에 대한 이미지 및 ITO 또는 그래핀을 포함하는 유기 태양전지에 대한 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing an image of an organic solar cell including graphene and a result of measuring characteristics of an organic solar cell including ITO or graphene.
먼저 유기 태양전지에서 산화아연나노입자를 포함하는 전하수송층에 대한 성능을 평가하기 위하여 poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b‘]-dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]-thieno[3,4-b]thiophenediyl]] (PTB7) 및 [6,6]-phenyl-71-butyric acid methyl ester (PC71BM)를 이용하여 각각 벌크 헤테로 접합 광활성층에 대한 도너(donor) 및 어셉터(acceptor)를 제조한다. 이후, 광활성층의 상면에 전극으로써, 20 nm 두께의 MoO3 및 100 nm 두께의 Ag를 진공증착시킴으로써 유기 태양전지(510)를 제조한다.First, in order to evaluate the performance of the charge transport layer containing zinc oxide nanoparticles in organic solar cells, poly [[4,8-bis [(2-ethylhexyl) oxy] benzo [1,2-b: 4,5-b '] -dithiophene-2,6-diyl] [3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl) carbonyl] -thieno [3,4-b] thiophenediyl]] (PTB7) and [6,6] -phenyl- Donors and acceptors for bulk heterojunction photoactive layers, respectively, were prepared using 71-butyric acid methyl ester (PC71BM). Thereafter, as an electrode on the upper surface of the photoactive layer, 20 nm thick MoO 3 and 100 nm thick Ag are vacuum-deposited to manufacture an organic
CVD로 제조된 그래핀 시트를 세 개의 층으로 적층시켜 투명전극을 제조한다. 여기서 그래핀 시트의 평균 저항은 305±17 Ω sq-1이고, 평균 투과율은 92.9%이다. Graphene sheets prepared by CVD were laminated in three layers to prepare transparent electrodes. Here the average resistance of the graphene sheet is 305 ± 17 Ω sq -1 , the average transmittance is 92.9%.
그래핀 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 시트에 적층된 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 포함하는 유기 태양전지에 대한 전류 밀도-전압(J-V) 특성(530)은 100 mW/cm2의 조사량에서 AM 1.5G를 시뮬레이트한 조건에서 측정된다.The current density-voltage (JV)
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 유기 태양전지에 대한 광전지 파라미터는 아래의 표에 정리한다.Photovoltaic cell parameters for organic solar cells manufactured according to one embodiment of the present invention are summarized in the table below.
[mA/cm2]J sc
[mA / cm 2 ]
(15.73 ± 0.19)15.92
(15.73 ± 0.19)
(0.71 ± 0.01)0.72
(0.71 ± 0.01)
(70.1 ± 1.5)71.6
(70.1 ± 1.5)
(7.85 ± 0.36)8.21
(7.85 ± 0.36)
(14.96 ± 0.29)15.25
(14.96 ± 0.29)
(0.70 ± 0.02)0.72
(0.70 ± 0.02)
(63.4 ± 4.1)67.5
(63.4 ± 4.1)
(6.65 ± 0.72)7.37
(6.65 ± 0.72)
그래핀을 기반으로 하고 PTB7:PC71BM을 포함하는 유기 태양전지는 15.25 mA/cm2 의 단락 전류 밀도(Jsc), 0.72 V의 개방회로 전압(Voc) 및 67.5%의 필 팩터(FF)에서 7.37%의 광전변환효율(PCE)을 나타낸다. 이는, ITO을 기반하고 PTB7:PC71BM을 포함하는 유기 태양전지가 나타내는 광전변환효율(8.21%)의 90%에 해당하는 수치이다. Organic solar cells based on graphene and containing PTB7: PC 71 BM have a short-circuit current density (J sc ) of 15.25 mA / cm 2 , an open circuit voltage (V oc ) of 0.72 V and a fill factor (FF) of 67.5% ) Shows 7.37% photoelectric conversion efficiency (PCE). This is 90% of the photoelectric conversion efficiency (8.21%) of an organic solar cell based on ITO and including PTB7: PC 71 BM.
이는, 그래핀의 시트 저항이 ITO 시트 저항보다 높기 때문에, 그래핀 기반의 유기 태양전지의 단락 전류 밀도와 필 팩터가 비교적 감소한 것이다. 단락 전류 밀도 값은 외부 양자 효율(EQE)에도 영향을 미친다.This is because the sheet resistance of graphene is higher than that of ITO sheet, so that the short-circuit current density and the fill factor of the graphene-based organic solar cell are relatively reduced. Short-circuit current density values also affect external quantum efficiency (EQE).
PTB7:PC71BM을 포함하는 그래핀 또는 ITO 기반의 유기 태양전지의 외부 양자 효율을 나타내는 그래프(540)를 참조하면, 단락 전류 밀도가 낮은 그래핀 기반의 유기 태양전지의 외부 양자 효율이 ITO 기반의 유기 태양전지보다 낮은 것을 확인할 수 있다.Referring to a
ITO 기반의 유기 태양전지의 외부 양자 효율이 높은 것은, 동일한 480 내지 600 nm의 파장 범위에서 ITO 기반의 유기 태양전지의 투과도가 그래핀 기반의 유기 태양전지의 투과도보다 높기 때문이다.The external quantum efficiency of the ITO based organic solar cell is high because the transmittance of the ITO based organic solar cell is higher than that of the graphene based organic solar cell in the same wavelength range of 480 to 600 nm.
비교예 2. 어닐링되지 않거나, 어닐링된 산화아연 나노입자를 포함하는 ITO 전극Comparative Example 2 ITO Electrode Comprising Unannealed or Annealed Zinc Oxide Nanoparticles
추가적으로, 본 발명의 실시예 1. 및 비교에 2.에서 산화아연 나노입자가 적층되는 시트를 그래핀이 아닌 ITO로 변경하여 유기 태양전지를 위한 전극을 제조한다.In addition, in Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention, the sheet in which the zinc oxide nanoparticles are stacked is changed to ITO instead of graphene to prepare an electrode for an organic solar cell.
550 nm 파장대 기준 광투과율은 3층으로 적층된 그래핀의 경우 92.9%, ITO 전극의 경우 94.7%, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자의 경우 97.3%이고, 어닐링된 산화아연 나노입자의 경우 97.1%이다. 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자와 어닐링된 산화아연 나노입자의 광 투과율은 전 파장대에서 유사하다.The light transmittance at the 550 nm wavelength band is 92.9% for graphene stacked in three layers, 94.7% for ITO electrodes, 97.3% for unannealed zinc oxide nanoparticles, and 97.1% for annealed zinc oxide nanoparticles. . The light transmittances of the annealed zinc oxide nanoparticles and the annealed zinc oxide nanoparticles are similar in all wavelengths.
어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 포함하는 유기 태양전지는 어닐링된 산화아연 나노입자를 포함하는 유기 태양전지에 비해 ITO 전극에서 광전변환효율이 소폭 높으며, 산화아연 나노입자를 포함하는 유기 태양전지는 종래의 결정성 산화아연 필름을 형성하기 위하여 고온에서 어닐링된 졸-겔 산화아연을 포함하는 유기 태양전지에 비하여 우수한 성능을 보인다.The organic solar cell including the annealed zinc oxide nanoparticles has a slightly higher photoelectric conversion efficiency at the ITO electrode than the organic solar cell including the annealed zinc oxide nanoparticles. Compared with the organic solar cell including the sol-gel zinc oxide annealed at a high temperature to form a crystalline zinc oxide film of the.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 기반의 유기 태양전지의 성능을 더욱 향상시키기 위하여 낮은 밴드갭 특성을 갖는 고분자 도너를 이용할 수 있다. 여기서 고분자 도너는, poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b’]dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-(3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2,6-diyl)] (PTB7-Th)일 수 있다.In order to further improve the performance of the graphene-based organic solar cell according to an embodiment of the present invention, a polymer donor having low bandgap characteristics may be used. Wherein the polymer donor is poly [4,8-bis (5- (2-ethylhexyl) thiophen-2-yl) benzo [1,2-b; 4,5-b '] dithiophene-2,6-diyl-alt -(4- (2-ethylhexyl)-(3-fluorothieno [3,4-b] thiophene-)-2-carboxylate-2,6-diyl)] (PTB7-Th).
유리 또는 PET를 포함하는 기판에 형성된 ITO 또는 그래핀 기반의 유기 태양전지에 대한 J-V 그래프(550)를 참조하면, 단락 전류 밀도가 16.26 mA/cm2, 개방회로 전압이 0.76 V 및 필 팩터가 66.4%일 때, 유리 기판에 형성된 그래핀 기반의 유기 태양전지의 광전변환효율은 8.16%이다. 이는, ITO 기반의 유기 태양전지의 광전변환효율(9.13%)의 90%에 해당되는 수치이다.Referring to the
PET 기판에 형성된 그래핀 기반의 유연한 유기 태양전지도 7.41%의 높은 광전변환효율을 나타낸다.Graphene-based flexible organic solar cells formed on PET substrates have a high photoelectric conversion efficiency of 7.41%.
PET 기판에 형성된 그래핀 또는 ITO 기반의 유연한 유기 태양전지의 굽힘 안정성을 나타내는 그래프(560)를 참조하면, 100회의 굽힘 사이클을 진행한 이후, 초기의 유연한 그래핀 기반의 유기 태양전지의 성능은 초기 효율의 80% 이상으로 유지되지만, 유연한 ITO 기반의 유기 태양전지는 20회의 굽힘 사이클을 진행한 이후, 성능이 30% 미만으로 저하됨을 알 수 있다.Referring to the
여기서 굽힘 반경은 3 mm로 하여 굽힘 안정성을 측정한다.Here, bending radius is 3 mm and bending stability is measured.
즉, 굽힘 안정성 테스트를 통하여 유연한 유기 태양전지를 제조할 때, ITO 시트보다는 그래핀 시트를 이용하는 것이 적절함을 알 수 있다.That is, it can be seen that it is appropriate to use a graphene sheet rather than an ITO sheet when manufacturing a flexible organic solar cell through the bending stability test.
어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 포함하는 유기 태양전지의 성능이 우수한 이유는, 유기 태양전지를 제조할 때, 어닐링 공정을 이용하지 않았기 때문이다. 종래의 유기 태양전지를 위한 그래핀 전극을 제조하는 방법은 본 발명에 따른 유기 태양전지를 위한 그래핀 전극 제조 방법과 달리, 산화아연 나노입자를 어닐링하는 공정을 포함한다. 산화아연 나노입자를 어닐링하는 동안, 기판이 열에 의하여 손상되기 때문에 유기 태양전지의 성능이 저하되는 문제가 발생한다.The reason why the performance of the organic solar cell including the zinc oxide nanoparticles which have not been annealed is excellent is that the annealing process was not used when manufacturing the organic solar cell. Conventional method for producing a graphene electrode for an organic solar cell, unlike the method for producing a graphene electrode for an organic solar cell according to the present invention, includes a step of annealing the zinc oxide nanoparticles. During the annealing of the zinc oxide nanoparticles, the substrate is damaged by heat, causing a problem of deterioration of the performance of the organic solar cell.
본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 전극 제조 방법과 같이 어닐링 공정을 포함하지 않으면, 기판의 손상을 막을 수 있다. 또한, 유연한 기기를 제조하기에 적절할 수 있다.If the annealing process is not included in the graphene electrode manufacturing method according to the exemplary embodiment of the present invention, damage to the substrate may be prevented. It may also be suitable for manufacturing flexible devices.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전자수송층을 포함하는 유기 태양전지는 역구조(inverted) 형태일 수 있다. 어닐링 유무에 따른 산화아연 나노입자는 산소 공백 상태(vacancy state)와 그래핀에 적층된 산화아연 나노입자 필름 표면의 거칠기에 영향을 미치고, 이에 따라 유기 태양전지의 성능을 변화시킬 수 있다.The organic solar cell including the electron transport layer manufactured according to an embodiment of the present invention may have an inverted form. Zinc oxide nanoparticles with or without annealing affect the oxygen vacancies and the roughness of the surface of the zinc oxide nanoparticles deposited on graphene, thereby changing the performance of the organic solar cell.
본 발명의 일 실시예에 따라 산화아연 나노입자를 그래핀의 상면에 적층한 이후, 진공처리하여 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자 필름을 제조하면, 표면의 거칠기가 낮고, 균일하고 얇은 필름을 제조할 수 있다. 이에 따라, 그래핀의 광 투과율이 높고, 유연한 유기 태양전지를 제조할 수 있다. 더불어, 열처리로 인하여 기판이 변형되는 문제가 발생되지 않으면서, 그래핀을 n-형 도핑시킴으로써 유기 태양전지의 광전변환효율이 더욱 향상된다.After the zinc oxide nanoparticles are laminated on the upper surface of graphene according to an embodiment of the present invention, when the zinc oxide nanoparticle film is annealed by vacuum treatment, the surface roughness is low and a uniform and thin film can be produced. Can be. Accordingly, the light transmittance of graphene is high and a flexible organic solar cell can be manufactured. In addition, the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell is further improved by n-type doping of graphene without causing a problem of deformation of the substrate due to heat treatment.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 전극은 PTB7 또는 PTB7-Th으로 이루어진 광활성층을 포함하고 있어 유기 태양전지의 성능은 월등히 향상될 수 있다. 구체적으로 PTB7을 포함하는 유기 태양전지의 광전변환효율은 7.37%이고, PTB7-Th를 포함하는 유기 태양전지의 광전변환효율은 8.16%이다.In addition, the graphene electrode according to an embodiment of the present invention includes a photoactive layer made of PTB7 or PTB7-Th, the performance of the organic solar cell can be significantly improved. Specifically, the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell including PTB7 is 7.37%, the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell containing PTB7-Th is 8.16%.
또한, 그래핀의 플렉서블한 기계적 특성과 산화아연 나노입자를 어닐링시키지 않는 공정의 장점을 이용하여, 그래핀을 포함하는 플렉서블 유기 태양전지를 PET 기판에 제조할 수 있다. PET 기판은 유리 기판과 달리 낮은 온도에서도 변형되기 때문에, 종래의 유기 태양전지를 위한 전극 제조 방법에 이용되는 것은 적절하지 않다. 구체적으로 PET는 70 내지 80 ℃에서 변헝될 수 있고, 유리는 유리 전이 온도에서 변형될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 그래핀 전극 제조 방법은 어닐링 공정이 필요하지 않기 때문에 PET 기판 및 유리 기판 모두에 적용이 가능하다.In addition, by using the advantages of the flexible mechanical properties of the graphene and the process of not annealing the zinc oxide nanoparticles, it is possible to manufacture a flexible organic solar cell containing graphene on a PET substrate. Since PET substrates deform even at low temperatures unlike glass substrates, they are not suitable for use in electrode manufacturing methods for conventional organic solar cells. Specifically PET can be modified at 70-80 ° C. and glass can be deformed at glass transition temperature. That is, the graphene electrode manufacturing method according to the present invention can be applied to both the PET substrate and the glass substrate because the annealing process is not required.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 유기 태양전지는 간단한 공정 및 낮은 비용으로 제조가 가능하고, 플렉서블한 웨어러블 광전자 장치를 제조하는데 응용될 수 있다.The organic solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention can be manufactured in a simple process and low cost, and can be applied to manufacture a flexible wearable optoelectronic device.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.The description of the presented embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention should not be limited to the embodiments set forth herein but should be construed in the broadest scope consistent with the principles and novel features set forth herein.
210: 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자(ZnO-NP-AF)에 대한 O 1s XPS 스펙트럼
220: 어닐링된 산화아연 나노입자(ZnO-NP-A)에 대한 O 1s XPS 스펙트럼
230: 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자에 대한 Zn 2p XPS 스펙트럼
240: 어닐링된 산화아연 나노입자에 대한 Zn 2p XPS 스펙트럼
250: 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자에 대한 XRD 패턴
260: 어닐링된 산화아연 나노입자에 대한 XRD 패턴
310: 그래핀에 적층된 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자에 대한 SEM 이미지
320: 그래핀에 적층된 어닐링된 산화아연 나노입자에 대한 SEM 이미지
330: 그래핀에 대한 SEM 이미지
340: 그래핀에 적층된 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자에 대한 AFM 이미지
350: 그래핀에 적층된 어닐링된 산화아연 나노입자에 대한 AFM 이미지
360: 그래핀에 대한 AFM 이미지
410: 산화아연 나노입자에 대한 흡수 스펙트럼 및 타우 그래프(Tauc plots)를 나타내는 그래프
420: 그래핀 및 그래핀의 표면에 적층된 산화아연 나노입자에 대한 전기적 에너지 상태를 광방출 분광법(UPS)로 분석한 결과를 나타내는 그래프
430: 원래의 그래핀 또는 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자가 적층된 그래핀으로 이루어진 GFET에 대한 저항-전압 그래프
440: 원래의 그래핀, 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자가 적층된 그래핀 및 어닐링된 산화아연 나노입자가 적층된 그래핀에 대한 라만 스펙트럼
510: 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 역구조 유기 태양전지
520: 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 역구조 유기 태양전지에 대한 에너지 레벨 다이아그램
530: 그래핀 또는 ITO 기반의 어닐링되지 않은 산화아연 나노입자를 포함하는 유기 태양전지에 대한 전류 밀도에 대한 전압(J-V) 특성
540: PTB7:PC71BM을 포함하는 그래핀 또는 ITO 기반의 유기 태양전지의 외부 양자 효율(EQE)을 나타내는 그래프
550: 유리 또는 PET를 포함하는 기판에 형성된 ITO 또는 그래핀 기반의 유기 태양전지에 대한 J-V 그래프
560: PET 기판에 형성된 그래핀 또는 ITO 기반의 유연한 유기 태양전지의 굽힘 안정성을 나타내는 그래프210: O 1s XPS spectrum for unannealed zinc oxide nanoparticles (ZnO-NP-AF)
220: O 1s XPS spectrum for annealed zinc oxide nanoparticles (ZnO-NP-A)
230:
240:
250: XRD pattern for unannealed zinc oxide nanoparticles
260: XRD pattern for annealed zinc oxide nanoparticles
310: SEM image of unannealed zinc oxide nanoparticles deposited on graphene
320: SEM image of annealed zinc oxide nanoparticles deposited on graphene
330: SEM image of graphene
340: AFM image of unannealed zinc oxide nanoparticles deposited on graphene
350: AFM image of annealed zinc oxide nanoparticles deposited on graphene
360: AFM image for graphene
410: Graph showing absorption spectra and Tauc plots for zinc oxide nanoparticles
420: Graph showing the results of analyzing the electrical energy state of the graphene and the zinc oxide nanoparticles deposited on the surface of the graphene by light emission spectroscopy (UPS)
430: Resistance-voltage graph for a GFET consisting of graphene laminated with original graphene or unannealed zinc oxide nanoparticles
440: Raman spectra for original graphene, graphene stacked with annealed zinc oxide nanoparticles and graphene stacked with annealed zinc oxide nanoparticles
510: Inverse organic solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention
520: Energy level diagram for an inversely structured organic solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
530: Voltage (JV) characteristics for current density for organic solar cells containing graphene or ITO based unannealed zinc oxide nanoparticles
540: PTB7: Graph showing external quantum efficiency (EQE) of graphene or ITO based organic solar cell containing PC 71 BM
550: JV graph of ITO or graphene based organic solar cell formed on a substrate containing glass or PET
560: Graph showing the bending stability of the graphene or ITO-based flexible organic solar cell formed on the PET substrate
Claims (16)
상기 그래핀의 상면에 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 스핀코팅하는 단계;
상기 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 진공처리하는 전자수송층 제조 단계; 및
상기 전자수송층의 상면을 고분자 및 풀러린(Fullerene)을 포함하는 용액으로 코팅하는 광활성층 제조 단계;를 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지 제조 방법.Stacking graphene on an upper surface of the substrate;
Spin-coating a solution containing zinc oxide nanoparticles on the top surface of the graphene;
An electron transport layer manufacturing step of vacuum treating the solution containing the zinc oxide nanoparticles; And
A photoactive layer manufacturing step of coating the upper surface of the electron transport layer with a solution containing a polymer and fullerene (Fullerene); comprising;
Flexible organic solar cell manufacturing method.
상기 기판은,
유리 또는 PET(polyethylene terephthalate)를 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지 제조 방법.The method of claim 1,
The substrate,
Comprising glass or polyethylene terephthalate (PET),
Flexible organic solar cell manufacturing method.
상기 산화아연 나노입자를 포함하는 용액은,
클로로포름 용매 및 메탄올 용매을 더 포함하는 혼합용액인,
플렉서블 유기 태양전지 제조 방법.The method of claim 1,
The solution containing the zinc oxide nanoparticles,
Is a mixed solution further comprising a chloroform solvent and a methanol solvent,
Flexible organic solar cell manufacturing method.
상기 고분자 및 풀러린(Fullerene)을 포함하는 용액은,
poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b‘]-dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]-thieno[3,4-b]thiophenediyl]](PTB7) 및 [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)를 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지 제조 방법.The method of claim 1,
The solution containing the polymer and fullerene (Fullerene),
poly [[4,8-bis [(2-ethylhexyl) oxy] benzo [1,2-b: 4,5-b ']-dithiophene-2,6-diyl] [3-fluoro-2-[(2 -ethylhexyl) carbonyl] -thieno [3,4-b] thiophenediyl]] (PTB7) and [6,6] -phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC 71 BM)
Flexible organic solar cell manufacturing method.
상기 고분자 및 풀러린(Fullerene)을 포함하는 용액은,
클로로벤젠(chlorobenzene) 및 1,8-diiodooctane을 더 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지 제조 방법.The method of claim 4, wherein
The solution containing the polymer and fullerene (Fullerene),
Further comprising chlorobenzene and 1,8-diiodooctane,
Flexible organic solar cell manufacturing method.
상기 고분자 및 풀러린(Fullerene)을 포함하는 용액은,
poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b’]dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-(3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2,6-diyl)](PTB7-Th) 및 [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)를 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지 제조 방법.The method of claim 1,
The solution containing the polymer and fullerene (Fullerene),
poly [4,8-bis (5- (2-ethylhexyl) thiophen-2-yl) benzo [1,2-b; 4,5-b '] dithiophene-2,6-diyl-alt- (4- ( 2-ethylhexyl)-(3-fluorothieno [3,4-b] thiophene-)-2-carboxylate-2,6-diyl)] (PTB7-Th) and [6,6] -phenyl-C71-butyric acid methyl comprising ester (PC 71 BM),
Flexible organic solar cell manufacturing method.
상기 고분자 및 풀러린(Fullerene)을 포함하는 용액은,
클로로벤젠(chlorobenzene) 및 1,8-diiodooctane을 더 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지 제조 방법.The method of claim 6,
The solution containing the polymer and fullerene (Fullerene),
Further comprising chlorobenzene and 1,8-diiodooctane,
Flexible organic solar cell manufacturing method.
상기 그래핀 전극 제조 방법은,
상기 전자수송층 제조 단계 이전에,
기판의 상면에 그래핀 시트를 적층하는 단계;를 더 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지 제조 방법.The method of claim 1,
The graphene electrode manufacturing method,
Before the electron transport layer manufacturing step,
Laminating a graphene sheet on the upper surface of the substrate; further comprising,
Flexible organic solar cell manufacturing method.
상기 광활성층 제조 단계 이후에,
상기 광활성층의 상면에 MoO3 및 Ag를 포함하는 전극을 증착하는 단계;를 더 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지 제조 방법.The method of claim 1,
After the photoactive layer manufacturing step,
Depositing an electrode including MoO 3 and Ag on the top surface of the photoactive layer;
Flexible organic solar cell manufacturing method.
상기 전자수송층은 상기 산화아연 나노입자를 포함하는 용액을 스핀 코팅한 이후, 열처리하지 않고 제조되는,
플렉서블 유기 태양전지 제조 방법.The method of claim 1,
The electron transport layer is prepared without spin treatment after spin coating a solution containing the zinc oxide nanoparticles,
Flexible organic solar cell manufacturing method.
상기 그래핀의 상면에 적층된 산화아연 나노입자를 포함하는 전자수송층; 및
상기 전자수송층의 상면에 적층된 광활성층;을 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지.Graphene stacked on an upper surface of the substrate;
An electron transport layer including zinc oxide nanoparticles stacked on an upper surface of the graphene; And
It includes; photoactive layer laminated on the upper surface of the electron transport layer,
Flexible organic solar cell.
상기 기판은 유리 또는 PET(polyethylene terephthalate)를 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지.The method of claim 11,
The substrate comprises glass or polyethylene terephthalate (PET),
Flexible organic solar cell.
상기 전자수송층은 열처리되지 않은 산화아연 나노입자로 이루어진 필름을 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지.The method of claim 11,
The electron transport layer comprises a film made of zinc oxide nanoparticles that have not been heat-treated,
Flexible organic solar cell.
상기 광활성층은,
poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b‘]-dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]-thieno[3,4-b]thiophenediyl]](PTB7) 및 [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)를 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지 제조 방법.The method of claim 11,
The photoactive layer,
poly [[4,8-bis [(2-ethylhexyl) oxy] benzo [1,2-b: 4,5-b ']-dithiophene-2,6-diyl] [3-fluoro-2-[(2 -ethylhexyl) carbonyl] -thieno [3,4-b] thiophenediyl]] (PTB7) and [6,6] -phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC 71 BM)
Flexible organic solar cell manufacturing method.
상기 광활성층은,
poly[4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b’]dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-ethylhexyl)-(3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-)-2-carboxylate-2,6-diyl)](PTB7-Th) 및 [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester(PC71BM)를 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지.The method of claim 11,
The photoactive layer,
poly [4,8-bis (5- (2-ethylhexyl) thiophen-2-yl) benzo [1,2-b; 4,5-b '] dithiophene-2,6-diyl-alt- (4- ( 2-ethylhexyl)-(3-fluorothieno [3,4-b] thiophene-)-2-carboxylate-2,6-diyl)] (PTB7-Th) and [6,6] -phenyl-C71-butyric acid methyl comprising ester (PC 71 BM),
Flexible organic solar cell.
상기 광활성층의 상면에 MoO3 및 Ag를 포함하는 전극을 더 포함하는,
플렉서블 유기 태양전지.The method of claim 11,
Further comprising an electrode containing MoO 3 and Ag on the upper surface of the photoactive layer,
Flexible organic solar cell.
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