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코어/쉘 금속산화물 나노입자를 이용한 효율적인 유기태양전지 및 이의 제조방법

글쓴이 : Riushop 날짜 : 2016-02-26 (금) 13:49 조회 : 2117

 

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본 발명은 코어/쉘 금속산화물 나노입자를 포함하는 효율적인 유기태양전지용 광활성층 용액의 제조방법과 광활성층 용액 및 이를 포함하는 유기태양전지와 이의 제조방법에 관한 것이다.


더욱 상세하게는 본 발명에 따른 코어/쉘 금속산화물 나노입자를 포함하는 효율적인 유기태양전지용 광활성층 용액은 코어/쉘 구조의 n형 금속 산화물이 코팅된 p형 금속나노입자를 포함하는 광활성층 용액으로써, 상기 광활성층을 사용하는 유기태양전지의 경우 별도의 p형 버퍼층을 사용하지 않고서도 종래의 유기태양전지와 비슷한 효율을 발휘할 수 있다.

 

본 발명에 따른 코어/쉘 금속산화물 나노입자를 포함하는 효율적인 유기태양전지용 광활성층 용액 및 이를 포함하는 유기태양전지를 사용함으로써 PEDOT:PSS는 대면적의 기판에 균일하게 코팅하는 것이 어려웠으나, 본 발명에 따른 광활성층 용액을 사용함으로써 p형의 금속산화물 나노입자를 광활성층에 직접 분산시켜 기존의 LbL(layer-by-layer) 형태의 유기태양전지와 유사한 효율을 나타낼 수 있으며, p 버퍼층을 별도로 증착할 필요가 없기 때문에 공정을 단순화할 수 있고, 간단한 습식공정만으로도 유기태양전지 제작이 가능함으로 비용절감의 효과가 있다.
또한 다양한 형태의 코팅방식을 통하여 적용제품을 선택할 수 있는 효과가 있다.

 

기술분야

 

본 발명은 코어/쉘 금속산화물 나노입자를 포함하는 효율적인 유기태양전지용 광활성층 용액의 제조방법과 광활성층 용액 및 이를 포함하는 유기태양전지와 이의 제조방법에 관한 것이다.

 

배경기술

 

최근 들어 고유가와 환경오염에 따른 청정 대체에너지의 필요성은 갈수록 절박해지고 있으며, 세계 각국은 이에 대한 해답으로 수소/연료전지, 태양전지, 풍력 등의 대체에너지원 개발에 국가적인 역점을 두고 있다.
이에 따라 최근 5년간 세계태양전지의 수요도 매년 35% 이상 비약적으로 증가하여 2006년 생산량 기준 2.5GW (설치량 기준 1.5GW), 150억 달러에 이르고 있으며, 10년 후에는 현재의 반도체 시장 이상의 거대 시장을 형성할 것으로 전망되고 있다.
한편 이 같은 세계 태양전지 산업의 급속한 팽창은 현재의 주된 기종인 결정질 실리콘계 태양전지의 과수요를 불러와 그에 소요되는 실리콘 재료의 심각한 공급 부족을 유발하고 있다.
따라서 이미 경제성과 재료상의 수급에 한계를 보이고 있는 무기 실리콘 재료의 문제를 극복하는 차원에서도 유기박막 태양전지의 개발은 매우 중요하다고 볼 수 있다.


유기박막 태양전지는 1986년 이스트먼 코닥의 탕(C. Tang)이 CuPc(copper pthalocyanine)와 PTCD(perylene tetracarboxylic derivative)를 이용한 이종접합 구조의 태양전지로서의 실용화 가능성을 처음 제시한 후에, 유기박막 태양전지에 대한 관심과 연구가 증폭되었다.
이들 태양전지는 초기에는 1% 전후의 효율을 보였으나, 2000년대 들어 보다 집중적인 연구들이 진행되면서 현재 최고 7.5 % 정도의 에너지 전환 효율이 발표되고 있다.
그리고 유기 반도체의 에너지 준위 및 물성을 잘 조절하면 이론적으로 10% 정도의 에너지 전환 효율도 가능하다는 최근의 예측은 유기박막 태양전지에 대한 실용화의 앞날을 밝게 하고 있다.


선진국에서는 차세대 박막 태양전지에 대한 국가차원의 지원도 아끼지 않고 있는데, 미국의‘차세대 태양 에너지 프로젝트 (Next Generation Solar Energy Projects), 유럽의 ATHLET (AdvancedThin Film Technologies for Cost Effective Photovoltaics) 프로그램’, 그리고 일본의 ‘차세대 PV 시스템을 향한 R&D (R&D for Next Generation PV Systems) 프로그램’ 들이 대표적인 예이다.
또한 실제로 유럽의 지멘스, 미국의 코나르카, 플렉스트로닉스 등의 회사들이 본 유기박막 태양전지의 발전 및 실용화 가능성에 주목하여 본격적인 개발 및 실용화 프로젝트를 이미 진행시키고 있음은 유의할 만하다.
일반적인 유기태양전지는 도 1과 같은 구조를 가지고 있다. 투명전도성기판 (ITO)위에 p형의 전도성 물질(PEDOT:PSS)를 코팅하고, 그 위에 광활성층을 코팅하고 마지막으로 LiF/Al 전극이 올라간다.
상기 광활성층은 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 생성하는 전도성 고분자인 P3HT와 생성된 전하의 분리 및 이동을 돕는 C60 유도체인 PCBM가 많이 사용되고 있다.


상기의 물질로 구성되는 광활성층을 코팅하기 위해서는 스핀코팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이딩, 딥핑 등 여러 가지 방법이 사용되고 있으나 ITO 및 LiF/Al 전극은 진공장비를 사용하여 증착된다.
대한민국 공개특허 2004-0089569호는 광전변환소자 제조방법, 광전변환소자, 전자장치제조방법, 전자장치, 금속막 형성방법 및 층구조, 및 반도체 미립자층 및 층구조에 관한 것이다.
구체적으로는 반도체 미립자로 이루어진 반도체전극과 대향전극이 되는 금속막을 구비한 광전변환소자는, ITO 등의 금속산화물의 투명전극 상에 스핀 코팅법으로 폴리에틸렌 디옥시티오펜(PEDOT)/폴리스티렌술폰산(PSS)막을 형성하여 금속산화물막에 대한 금속막의 접착성을 현저하게 향상시키고, 대향전극인 금속막의 서로 다른 형태의 금속으로 오염을 방지할 수 있다.
또한, 반도체 미립자로 이루어진 반도체전극을 저온처리에 의해 금속산화물막 상에 양호하게 형성할 수 있고, 금속산화물막의 용출을 방지하여 상기 광전변환소자를 얻을 수 있게 한다.

 

문제점

 

본 발명의 목적은 코어/쉘 금속산화물 나노입자를 포함하는 효율적인 유기태양전지용 광활성층 용액의 제조방법 및 광활성층 용액을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 광활성층 용액을 포함하는 유기태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.

 

해결과제

 

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 p형 금속나노입자에 n형 금속산화물을 코팅하여 코어/쉘 구조를 형성하는 단계(단계 1) 상기 단계 1에서 n형 금속산화물이 코팅된 코어/쉘 구조의 p형 금속나노입자를 분산용액에 분산시키는 단계 (단계 2) 및 P3HT(Poly(3-Hexylthiophene)와 PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester)의 혼합용액에 상기 단계 2에서 n형 금속산화물이 코팅된 코어/쉘 구조의 p형 금속나노입자를 분산시킨 분산용액을 첨가하는 단계 (단계 3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코어/쉘 금속산화물 나노입자를 포함하는 효율적인 유기태양전지용 광활성층 용액의 제조방법을 제공한다.
또한 n형 금속산화물이 코팅된 p형 금속나노입자를 포함하는 코어/쉘 금속산화물 나노입자를 포함하는 효율적인 유기태양전지용 광활성층 용액을 제공한다.


나아가, 상기 코어/쉘 금속산화물 나노입자를 포함하는 효율적인 유기태양전지용 광활성층을 포함하는 유기태양전지 및 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.
더 나아가, 상기 코어/쉘 금속산화물 나노입자를 포함하는 효율적인 유기태양전지용 광활성층 용액을 포함하는 전자소자를 제공한다.

 

효과

 

기존의 PEDOT:PSS는 대면적의 기판에 균일하게 코팅하는 것이 어려웠으나, 본 발명에 따른 광활성층 용액을 사용함으로써, p형의 금속산화물 나노입자를 광활성층에 직접 분산시켜 기존의 LbL (layer-by-layer) 형태의 유기태양전지와 유사한 효율을 나타낼 수 있으며, PEDOT:PSS와 같은 별도의 p 버퍼층을 증착할 필요가 없을 뿐만 아니라 간단한 습식공정만으로도 유기태양전지 제작이 가능함으로 비용절감의 효과가 있다. 또한 다양한 형태의 코팅방식을 통하여 적용제품을 선택할 수 있는 효과가 있다.

 

본고는 한국기계연구원 임동찬,이규환,정용수,임재홍,박선영,김영독의 발표자료를 요약한 것이다.


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