KR101368816B1 - Organic solar cell and preparing method of the same - Google Patents
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Abstract
서로 대향 배치되는 투명 전극과 금속 전극; 및 상기 투명 전극과 상기 금속 전극 사이에 위치하는 광전변환층을 포함하며, 상기 광전변환층은 전자 공여체 (electron donor)와 전자 수용체 (electron acceptor)의 블렌드 (blend) 내에 분산된 금속 나노입자를 포함하는 것인, 유기태양전지, 및 그의 제조방법이 개시된다.A transparent electrode and a metal electrode disposed to face each other; And a photoelectric conversion layer positioned between the transparent electrode and the metal electrode, wherein the photoelectric conversion layer includes metal nanoparticles dispersed in a blend of an electron donor and an electron acceptor. That is, an organic solar cell, and a method of manufacturing the same are disclosed.
Description
본원은, 유기태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 금속 나노입자가 분산되어 있는 광전변환층을 포함하는 유기태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
The present application relates to an organic solar cell and a method of manufacturing the same, and to an organic solar cell including a photoelectric conversion layer in which metal nanoparticles are dispersed, and a method of manufacturing the same.
태양전지는 반도체 원리를 기반으로 하는 소자로서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있는 특성을 가지고 있다. 사용된 물질에 따라 실리콘 태양전지와 유기태양전지로 분류가 가능하며, 실리콘 태양전지는 제작 및 공정 단가가 고가이기 때문에 거대 장치산업으로 알려져 있으며, 실리콘의 매장량 또한 제한적이기 때문에 장차 일반적인 응용에 제약을 받고 있다. 반면, 유기태양전지는 소자 제작 시 사용되는 비용이 실리콘 태양전지에 비해 현저히 낮을 뿐 아니라, 고가의 특별한 진공 장비 등이 필요하지 않아 제작공정의 용이성, 대면적화, 그리고 상온 공정이 가능하기 때문에 굽힘이나 휨이 가능한 소자제작이 가능하게 된다. 위와 같은 장점 및 장래성 때문에 현재 전 세계적으로 수많은 연구소, 학교, 기업체 등에서 활발히 연구가 진행되고 있다.A solar cell is a device based on the semiconductor principle, and has a characteristic of converting solar energy into electrical energy. Depending on the materials used, it can be classified into silicon solar cell and organic solar cell.Silicone solar cell is known as a big device industry because of its high manufacturing and process cost.Since silicon reserves are limited, it is limited to general application in the future. I am getting it. On the other hand, organic solar cells are not only significantly lower than silicon solar cells, but do not require expensive special vacuum equipment, so they are easy to fabricate, large area, and room temperature. It is possible to fabricate a device that can bend. Due to the above advantages and prospects, research is being actively conducted in numerous research institutes, schools, and corporations around the world.
유기태양전지의 효율을 높이기 위해서 태양광 흡수영역을 늘릴 수 있는 새로운 전도성 고분자 물질의 개발 및 효율적인 소자구조의 고안 등이 연구되어 왔는데, 특히 유기태양전지의 광전변환층을 이루고 있는 전자 공여체 (electron donor) 와 전자 수용체 (electron acceptor) 간 적절한 배합(blend)을 사용한 벌크 이종접합 (bulk heterojunction, BHJ) 구조가 태양전지의 광전변환층 내에서 전자-정공 전하를 생성할 수 있는 계면의 면적 (interfacial contact area)이 넓기 때문에 가장 우수한 구조로 알려져 있다. 상대적으로 전자 공여체 (하부) 층과 전자 수용체 (상부) 층 만으로 이루어진 이중층 (bilayer) 구조가 있는데, 이는 두 층 간의 계면적이 벌크 이종접합 구조에 비해 작고 접합계면이 늘어나는 단점이 존재하여 광전변환층 내부에서 전자-정공의 전하 생성이 벌크 이종접합 구조에 비해 낮아져 태양전지의 효율이 떨어지는 단점이 있다.In order to increase the efficiency of organic solar cells, researches have been made on the development of new conductive polymer materials capable of increasing the solar absorption region and the design of efficient device structures. In particular, electron donors forming the photoelectric conversion layer of organic solar cells Bulk heterojunction (BHJ) structure using an appropriate blend between the electron acceptor and the electron acceptor allows the interfacial contact to generate electron-hole charges in the photovoltaic layer of the solar cell. It is known as the best structure because of its large area. There is a bilayer structure consisting of only the electron donor (bottom) layer and the electron acceptor (top) layer, which has a disadvantage that the interfacial area between the two layers is smaller than that of the bulk heterojunction structure and the bonding interface is increased. In the electron-hole charge generation is lower than the bulk heterojunction structure has a disadvantage in that the efficiency of the solar cell is reduced.
태양 빛을 받은 벌크 이종접합 구조는 광전변환층 내의 전자 공여체에서 형성된 전자와 정공 쌍인 여기자 (exciton)가 이동할 수 있는 확산거리가 광전변환층 안에서 10 nm 수준 밖에 되지 않기 때문에, 보통 이 거리 이내에서 전자 공여체와 전자 수용체의 계면까지 도달하지 못할 경우 다시 재결합 (recombination) 되어 소멸하는 문제가 존재한다. 따라서 이러한 재결합현상을 극복하고, 효율적인 전자 공여체/전자 수용체 구조를 제작하기 위해서는 광전변환층 내에서의 광 흡수량을 증가시킬 수 있는 새로운 물질의 합성 및 증가 방안에 대한 연구, 전자 공여체/전자 수용체 혼합물간 조성 변화, 스핀코팅시 공정조건의 최적화, 열처리 (annealing) 환경변화, 용매조건 최적화 등이 요구된다. The bulk heterojunction structure, which receives solar light, usually has electrons within this distance because the diffusion distance between the electrons formed in the electron donor in the photoconversion layer and the exciton, the hole pair, can travel only 10 nm in the photoconversion layer. If the interface between the donor and the electron acceptor is not reached, there is a problem of recombination and extinction. Therefore, in order to overcome this recombination phenomenon and to manufacture an efficient electron donor / electron acceptor structure, a study on the synthesis and increase of new materials that can increase the amount of light absorption in the photoelectric conversion layer, and between the electron donor / electron acceptor mixture Changes in composition, optimization of process conditions during spin coating, change of annealing environment, and optimization of solvent conditions are required.
태양전지의 구동상 전자 공여체와 전자 수용체의 계면에서 전자와 정공으로 분리된 후에 두 전하는 각각 음전극인 투명 전극과 양전극인 금속 전극으로 이동하게 된다. 일반적인 전자 공여체/전자 수용체 구조는 보통 바다-섬 (sea and island) 형태로 상이 분리되어 있는데, 태양전지의 원활한 구동을 위해서는 광전변환층 내부가 동시-연속 (co-continuous) 구조를 가져 전자 공여체는 음전극과 연결이 되어야 하고, 전자 수용체는 양전극과 닿아 있어야 한다. After being separated into electrons and holes at the interface between the electron donor and the electron acceptor in the solar cell, the two charges move to the transparent electrode, which is the negative electrode, and the metal electrode, which is the positive electrode, respectively. In general, the electron donor / electron acceptor structure is usually divided into phases in the form of a sea and island. For the smooth operation of the solar cell, the electron donor has a co-continuous structure inside the photoelectric conversion layer. The negative electrode must be connected, and the electron acceptor must be in contact with the positive electrode.
예를 들어, 태양전지의 투명 전극에 30 nm 이하의 사이즈를 갖는 금속 나노 막대 (nano-rod)를 열화 변형 (thermally transformed) 방법으로 적층 (layer-by-layer deposition) 시켜 효율적인 전하 이동 (charge transfer) 및 효율을 높이는 방법도 제안되었다 [J. H. Lee., Org. Electron. 10:416-420, 2009]. 그러나, 상기 종래 방법은 금속 나노입자를 태양전지의 투명 전극에 도입하는 과정의 어려움이 존재하며, 고온 증착 공정이 필수적이기 때문에 비용상의 문제가 심각하며, 작은 금속막대의 경우 및 한가지 고분자 물질의 경우로 국한되어 있다.For example, efficient charge transfer is possible by layer-by-layer deposition of metal nanorods having a size of 30 nm or less on a transparent electrode of a solar cell by thermally transformed methods. ) And a method of increasing the efficiency [J. H. Lee., Org. Electron. 10: 416-420, 2009. However, the conventional method has a difficulty in introducing the metal nanoparticles into the transparent electrode of the solar cell, the cost problem is serious because the high temperature deposition process is essential, the case of a small metal rod and one polymer material It is limited to
이와 같이 유기태양전지의 효율을 결정하는 변수는 굉장히 많지만, 기본적으로 유기태양전지의 효율을 높이기 위해서는 광전변환층 내의 광흡수 양을 처음부터 늘려주어 생성되는 전하의 양을 증가시키거나, 생성된 전하를 각 전극까지 효율적으로 이동시키는 것이 중요하다.
As such, there are many variables that determine the efficiency of the organic solar cell, but basically, in order to increase the efficiency of the organic solar cell, the amount of charge generated is increased by increasing the amount of light absorption in the photoelectric conversion layer from the beginning or the generated charge. It is important to efficiently move N to each electrode.
본원은, 서로 대향 배치되는 투명 전극과 금속 전극; 및 상기 투명 전극과 상기 금속 전극 사이에 위치하는 광전변환층을 포함하며, 상기 광전변환층은 전자 공여체 (electron donor)와 전자 수용체 (electron acceptor)의 블렌드 (blend) 내에 분산된 금속 나노입자를 포함하는 것인, 유기태양전지를 제공하고자 한다.The present application, a transparent electrode and a metal electrode disposed opposite each other; And a photoelectric conversion layer positioned between the transparent electrode and the metal electrode, wherein the photoelectric conversion layer includes metal nanoparticles dispersed in a blend of an electron donor and an electron acceptor. That is, to provide an organic solar cell.
또한, 본원은, 투명 기판 상에 투명 전극을 형성하는 단계; 상기 투명 전극 상에 광전변환층을 형성하는 단계; 및 상기 광전변환층 상에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 광전변환층은 전자 공여체와 전자 수용체를 포함하는 용액에 금속 나노입자를 혼합하여 분산시켜 제조되는 것인, 유기태양전지의 제조방법을 제공하고자 한다.In addition, the present invention, forming a transparent electrode on a transparent substrate; Forming a photoelectric conversion layer on the transparent electrode; And forming a metal electrode on the photoelectric conversion layer, wherein the photoelectric conversion layer is prepared by mixing and dispersing metal nanoparticles in a solution including an electron donor and an electron acceptor. To provide a method.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 과제로 제한되지 않으며, 기술되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the problem to be solved by the present application is not limited to the problem described above, another problem that is not described will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본원의 제 1 측면은, 서로 대향 배치되는 투명 전극과 금속 전극; 및 상기 투명 전극과 상기 금속 전극 사이에 위치하는 광전변환층을 포함하며, 상기 광전변환층은 전자 공여체 (electron donor)와 전자 수용체 (electron acceptor)의 블렌드 (blend) 내에 분산된 금속 나노입자를 포함하는 것인, 유기태양전지를 제공할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The first aspect of the present application, a transparent electrode and a metal electrode disposed opposite each other; And a photoelectric conversion layer positioned between the transparent electrode and the metal electrode, wherein the photoelectric conversion layer includes metal nanoparticles dispersed in a blend of an electron donor and an electron acceptor. That is, to provide an organic solar cell, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전자 공여체 (electron donor)는 전도성 유기 고분자를 포함하고, 상기 전자 수용체 (electron acceptor)는 풀러렌 (fullerene)계 화합물, 페릴렌계 화합물 또는 반도체성 나노입자를 포함하는 것이며, 상기 전도성 유기 고분자와 상기 풀러렌계 화합물, 상기 페릴렌계 화합물 또는 반도체성 나노입자는 벌크 이종접합 (bulk heterojunction = BHJ)을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the electron donor includes a conductive organic polymer, and the electron acceptor includes a fullerene compound, a perylene compound, or semiconductor nanoparticles. The conductive organic polymer and the fullerene-based compound, the perylene-based compound, or the semiconducting nanoparticle may form a bulk heterojunction (BHJ), but are not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 유기 고분자는 비결정성 (amorphous) 유기 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the conductive organic polymer may include an amorphous organic polymer, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 철(Fe), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the metal nanoparticles are gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), aluminum (Al), copper (Cu), nickel (Ni), zinc ( Zn), iron (Fe), and may include a metal selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자의 직경이 약 30 nm 내지 약 90 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the diameter of the metal nanoparticle may be about 30 nm to about 90 nm, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 유기 고분자는, 폴리-3-헥실티오펜 (poly-3-hexylthiophene = P3HT), 폴리(N-9"-헵타-데카닐-2,7-카바졸-알트-5,5-(4',7'-디-2-티에닐-2',1',3')-벤조타이아다이아졸) {poly(N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3')-benzothiadiazole) = PCDTBT}, 폴리[(4, 4'-비스(2-에틸헥실)디티에노[3,2-b:2',3'-d]실롤)-2,6-디일-알트-(4,7-비스(2-티에닐)-2,1,3-벤조타이다이아졸)-5,5'-디일 {poly[(4, 4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-2,6-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5'-diyl = Si-PCPDTBT}, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the conductive organic polymer is poly-3-hexylthiophene (poly-3-hexylthiophene = P3HT), poly (N-9 "-hepta-decanyl-2,7-carbazole- Alt-5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3')-benzothiadiazole) {poly (N-9 "-hepta-decanyl-2, 7-carbazole-alt-5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3')-benzothiadiazole) = PCDTBT}, poly [(4,4'-bis (2 -Ethylhexyl) dithieno [3,2-b: 2 ', 3'-d] silol) -2,6-diyl-alt- (4,7-bis (2-thienyl) -2,1, 3-benzotaidiazole) -5,5'-diyl {poly [(4,4'-bis (2-ethylhexyl) dithieno [3,2-b: 2 ', 3'-d] silole) -2, 6-diyl-alt- (4,7-bis (2-thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole) -5,5'-diyl = Si-PCPDTBT}, and combinations thereof It may include, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 풀러렌계 화합물은 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester = PC60BM], (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester = PC70BM], (6,6)-페닐-C77-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C77-butyric acid methyl ester = PC76BM], (6,6)-페닐-C79-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C79-butyric acid methyl ester = PC78BM], (6,6)-페닐-C81-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C81-butyric acid methyl ester = PC80BM], (6,6)-페닐-C83-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C83-butyric acid methyl ester = PC82BM], (6,6)-페닐-C85-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C85-butyric acid methyl ester = PC84BM], 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the invention, the fullerene compound is (6,6) -phenyl -C 61 - butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester = PC 60 BM] , (6,6) -phenyl -C 71 - butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 71 -butyric acid methyl ester = PC 70 BM], (6,6) - phenyl -C 77 - Butyric acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 77 -butyric acid methyl ester = PC 76 BM], (6,6) -phenyl-C 79 -butyric acid methyl ester [(6,6)- phenyl-C 79 -butyric acid methyl ester = PC 78 BM], (6,6) - phenyl -C 81 - butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 81 -butyric acid methyl ester = PC 80 BM], (6,6) - phenyl -C 83 - butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 83 -butyric acid methyl ester = PC 82 BM], (6,6) - phenyl -C 85-butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 85 -butyric acid methyl ester = PC 84 BM], and, but could be to include those selected from the group consisting of the combinations thereof, whereby the It is not.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자는 상기 광전변환층의 총중량에 대하여 20 중량% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the metal nanoparticle may be 20 wt% or less with respect to the total weight of the photoelectric conversion layer, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자는 상기 광전변환층의 총중량에 대하여 5 중량% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the metal nanoparticle may be 5 wt% or less with respect to the total weight of the photoelectric conversion layer, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자는 옥타헤드론 (octahedron) 금(Au) 나노입자 (nanoparticle) 또는 트런케이티드 옥타헤드론 (truncated octahedron) 금(Au) 나노입자 (nanoparticle)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present disclosure, the metal nanoparticles include octahedron gold (Au) nanoparticles or truncated octahedron gold (Au) nanoparticles. It may be, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자는 은(Ag) 나노입자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal nanoparticles may include silver (Ag) nanoparticles, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 투명 전극과 상기 광전변환층 사이에 형성된 정공 수송층과, 상기 투명 전극과 상기 광전변환층 사이에 형성된 전자 수송층을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, a hole transport layer formed between the transparent electrode and the photoelectric conversion layer, and may further include an electron transport layer formed between the transparent electrode and the photoelectric conversion layer, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광전변환층은 약 10 nm 내지 약 200 nm 두께의 박막 형태를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
According to one embodiment of the present application, the photoelectric conversion layer may be in the form of a thin film having a thickness of about 10 nm to about 200 nm, but is not limited thereto.
본원의 제 2 측면은, 투명 기판 상에 투명 전극을 형성하는 단계; 상기 투명 전극 상에 광전변환층을 형성하는 단계; 및 상기 광전변환층 상에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 광전변환층은 전자 공여체와 전자 수용체를 포함하는 용액에 금속 나노입자를 혼합하여 분산시켜 제조되는 것인, 상기 본원의 제 1 측면에 따른 유기태양전지의 제조방법을 제공한다.A second aspect of the present invention, forming a transparent electrode on a transparent substrate; Forming a photoelectric conversion layer on the transparent electrode; And forming a metal electrode on the photoelectric conversion layer, wherein the photoelectric conversion layer is prepared by mixing and dispersing metal nanoparticles in a solution including an electron donor and an electron acceptor. It provides a method of manufacturing an organic solar cell according to the side.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전자 공여체와 전자 수용체를 포함하는 용액은 용매로서 상기 전자 공여체와 전자 수용체를 모두 용해할 수 있는 것이면 특별히 제한이 없으며, 예를 들어, 클로로벤젠 (chlorobenzene), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), 클로로포름(chloroform) , 아세톤(acetone), 아세토니트릴(acetonitrile), 디메틸 아세트아미드(dimethylacetamide; DMAc), 디메틸 포름아미드(dimethyl formamide; DMF), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxise; DMSO), 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone), 메틸 n-프로필 케톤(methyl n-propyl ketone), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone; NMP), 프로필렌 카보네이트(propylene carbornate), 니트로메탄(nitromethane), 설포란(sulforane), 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 및 헥사메틸포스포아미드(hexamethylphophoramide; HMP)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the solution including the electron donor and the electron acceptor is not particularly limited as long as it can dissolve both the electron donor and the electron acceptor as a solvent, for example, chlorobenzene, 1 1,2-dichlorobenzene, chloroform, acetone, acetonitrile, dimethylacetamide (DMAc), dimethyl formamide (DMF), dimethyl sulfoxide Dimethyl sulfoxise (DMSO), methyl ethyl ketone, methyl n-propyl ketone, N-methylpyrrolidone (NMP), propylene carbonate (propylene carbornate) It may include one or more selected from the group consisting of nitromethane, sulforane, ethylene glycol and hexamethylphophoramide (HMP). But is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전자 공여체 (electron donor)는 전도성 유기 고분자를 포함하고, 상기 전자 수용체 (electron acceptor)는 풀러렌 (fullerene)계 화합물, 페릴렌계 화합물 또는 반도체성 나노입자를 포함하는 것이며, 상기 전도성 유기 고분자와 상기 풀러렌계 화합물, 페릴렌계 화합물 또는 반도체성 나노입자는 벌크 이종접합 (bulk heterojunction = BHJ)을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the electron donor includes a conductive organic polymer, and the electron acceptor includes a fullerene compound, a perylene compound, or semiconductor nanoparticles. In some embodiments, the conductive organic polymer and the fullerene-based compound, the perylene-based compound, or the semiconductor nanoparticle may form a bulk heterojunction (BHJ), but are not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 유기 고분자는 비결정성 (amorphous) 유기 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the conductive organic polymer may include an amorphous organic polymer, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 금속 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 철(Fe), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention, the metal nanoparticles are gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), aluminum (Al), copper (Cu), nickel (Ni), zinc (Zn) ), Iron (Fe), and combinations thereof may include metal selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 금속 나노입자의 직경이 약 30 내지 약 90 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the diameter of the metal nanoparticle may be about 30 to about 90 nm, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 유기 고분자는 폴리-3-헥실티오펜 (poly-3-hexylthiophene = P3HT), 폴리(N-9"-헵타-데카닐-2,7-카바졸-알트-5,5-(4',7'-디-2-티에닐-2',1',3')-벤조타이아다이아졸) {poly(N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3')-benzothiadiazole) = PCDTBT}, 폴리[(4, 4'-비스(2-에틸헥실)디티에노[3,2-b:2',3'-d]실롤)-2,6-디일-알트-(4,7-비스(2-티에닐)-2,1,3-벤조타이다이아졸)-5,5'-디일 {poly[(4, 4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-2,6-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5'-diyl = Si-PCPDTBT}, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the conductive organic polymer is poly-3-hexylthiophene (poly-3-hexylthiophene = P3HT), poly (N-9 "-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt -5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3')-benzothiadiazole) {poly (N-9 "-hepta-decanyl-2,7 -carbazole-alt-5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3')-benzothiadiazole) = PCDTBT}, poly [(4,4'-bis (2- Ethylhexyl) dithieno [3,2-b: 2 ', 3'-d] silol) -2,6-diyl-alt- (4,7-bis (2-thienyl) -2,1,3 -Benzotadiazole) -5,5'-diyl {poly [(4,4'-bis (2-ethylhexyl) dithieno [3,2-b: 2 ', 3'-d] silole) -2,6 -diyl-alt- (4,7-bis (2-thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole) -5,5'-diyl = Si-PCPDTBT}, and combinations thereof It may be included, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 풀러렌계 화합물은 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester = PC60BM], (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester = PC70BM], (6,6)-페닐-C77-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C77-butyric acid methyl ester = PC76BM], (6,6)-페닐-C79-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C79-butyric acid methyl ester = PC78BM], (6,6)-페닐-C81-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C81-butyric acid methyl ester = PC80BM], (6,6)-페닐-C83-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C83-butyric acid methyl ester = PC82BM], (6,6)-페닐-C85-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C85-butyric acid methyl ester = PC84BM], 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the invention, the fullerene compound is (6,6) -phenyl -C 61 - butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester = PC 60 BM] , (6,6) -phenyl-C 71 -butyric acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C71-butyric acid methyl ester = PC 70 BM], (6,6) -phenyl-C 77 -buty Ricacid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 77 -butyric acid methyl ester = PC 76 BM], (6,6) -phenyl-C 79 -butyric acid methyl ester [(6,6) -phenyl -C 79 -butyric acid methyl ester = PC 78 BM], (6,6) - phenyl -C 81 - butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 81 -butyric acid methyl ester = PC 80 BM ], (6,6) -phenyl -C 83 - butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 83 -butyric acid methyl ester = PC 82 BM], (6,6) - 85 phenyl -C -butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 85 -butyric acid methyl ester = PC 84 BM], and, but could be to include those selected from the group consisting of the combinations thereof, limited to It is not.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자는 상기 광전변환층의 총중량에 대하여 약 20 중량% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the metal nanoparticle may be about 20 wt% or less with respect to the total weight of the photoelectric conversion layer, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자는 상기 광전변환층의 총중량에 대하여 약 5 중량% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the metal nanoparticle may be about 5 wt% or less with respect to the total weight of the photoelectric conversion layer, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자는 옥타헤드론 (octahedron) 금(Au) 나노입자 (nanoparticle) 또는 트런케이티드 옥타헤드론 (truncated octahedron) 금(Au) 나노입자 (nanoparticle)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present disclosure, the metal nanoparticles include octahedron gold (Au) nanoparticles or truncated octahedron gold (Au) nanoparticles. It may be, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노입자는 은(Ag) 나노입자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal nanoparticles may include silver (Ag) nanoparticles, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 투명 전극과 상기 광전변환층 사이에 형성된 정공 수송층과, 상기 투명 전극과 상기 광전변환층 사이에 형성된 전자 수송층을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, a hole transport layer formed between the transparent electrode and the photoelectric conversion layer, and may further include an electron transport layer formed between the transparent electrode and the photoelectric conversion layer, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광전변환층은 약 10 nm 내지 약 200 nm 두께의 박막 형태를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
According to one embodiment of the present application, the photoelectric conversion layer may be in the form of a thin film having a thickness of about 10 nm to about 200 nm, but is not limited thereto.
본원에 의하여, 금속 나노입자가 함유된 광전변환층을 포함하는 유기태양전지는, 상기 금속 나노입자에 의하여 하기의 효과를 가질 수 있다.According to the present application, an organic solar cell including a photoelectric conversion layer containing metal nanoparticles may have the following effects by the metal nanoparticles.
구체적으로, 상기 금속 나노입자가 광전변환층 내에서 빛을 반사하거나 산란시켜, 빛의 이동경로를 증가시키고, 이는 광전변환층의 자외선 및 가시광선 흡수의 증가를 야기시킨다. 또한, 상기 금속 나노입자는 표면 플라즈몬 효과를 가지고 있다. 게다가, 상기 금속 나노입자가 광전변환층에 포함되게 되면, 전자 및 정공 전달 특성을 향상시킬 수 있고, 결과적으로 양 전극으로의 전기전도도가 증가한다. 또한, 상기 금속 나노입자가 약 30 nm 내지 약 90 nm인 수십 nm 크기를 가지게 되면, 10 nm 금속 나노입자에 비해, 산란효과가 증가하고 광전변환층과 금속입자간 계면의 면적이 줄어들어, 보다 우수한 전하 전달 특성이 나타날 수 있다. 즉, 외부 양자 효율 (External quantum efficiency)이 증가한다. 결과적으로, 금속 나노입자가 광전변환층에 함유되면, 유기태양전지의 효율이 증가한다. Specifically, the metal nanoparticles reflect or scatter light in the photoelectric conversion layer, thereby increasing the light path, which causes an increase in ultraviolet and visible light absorption of the photoelectric conversion layer. In addition, the metal nanoparticles have a surface plasmon effect. In addition, when the metal nanoparticles are included in the photoelectric conversion layer, the electron and hole transport characteristics may be improved, and as a result, the electrical conductivity to both electrodes is increased. In addition, when the metal nanoparticles have a size of several tens of nm, which is about 30 nm to about 90 nm, the scattering effect is increased and the area of the interface between the photoelectric conversion layer and the metal particles is reduced, compared to 10 nm metal nanoparticles. Charge transfer characteristics may appear. In other words, the external quantum efficiency is increased. As a result, when the metal nanoparticles are contained in the photoelectric conversion layer, the efficiency of the organic solar cell increases.
또한 본원은, 광전변환층에 사용되는 전자 공여체인 결정형 P3HT 유기 고분자 및 낮은 밴드갭(Low band gap)을 가지는 Si-PCPDTBT 유기 고분자와 비결정형 유기 고분자인 PCDTBT에 각각 상기 본원에 따른 금속 나노입자를 도입하여 유기태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 고온의 후열처리(포스트 어닐링)가 필요한 상기 P3HT 결정형 유기 고분자를 사용한 유기태양전지와 비교하여, 상기 비결정형 유기 고분자인 PCDTBT를 이용한 경우 고온의 후열처리가 필요 없게 되어, 유기태양전지의 제조 공정이 간단해지고 소모 비용이 감소되며 효율 또한 향상될 수 있다.
In addition, the present application, the metal nanoparticles according to the present application to the crystalline P3HT organic polymer which is an electron donor used in the photoelectric conversion layer and the Si-PCPDTBT organic polymer having a low band gap and PCDTBT which is an amorphous organic polymer, respectively The efficiency of the organic solar cell can be improved by introducing. In addition, in comparison with the organic solar cell using the P3HT crystalline organic polymer that requires a high temperature post-heat treatment (post annealing), when using the PCDTBT which is the amorphous organic polymer, a high temperature post-heat treatment is not necessary, thereby manufacturing an organic solar cell. The process can be simplified, the consumption costs can be reduced, and the efficiency can be improved.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 유기태양전지의 개략도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 있어서 유기태양전지의 제조방법이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 있어서 금속 나노입자로서 사용된 트런케이티드 옥타헤드론 구조의 금 나노입자의 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 있어서 금속 나노입자로서 사용된 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자의 EDAX (Energy Dispersive Ananysis of X-ray) 분석 그래프이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 있어서 금속 나노입자로서 사용된 금 나노입자 제조 시 합성 시간에 따른 UV/Vis-흡수 스펙트럼이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 있어서 금속 나노입자로서 사용된 (a) 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자의 UV/Vis-흡수 스펙트럼과 용액에 분산되어 있는 금 나노입자 사진, 및 (b) P3HT/PC70BM 및 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자가 5 중량% 함유된 P3HT/PC70BM 의 UV/Vis-흡수 스펙트럼이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 있어서 (a) 합성된 옥타헤드론 금 나노입자의 주사전자현미경 사진과 원심분리된 금 나노입자 용액, (b) 용액에 분산되어 있는 금 나노입자 사진과 UV/Vis-흡수 스펙트럼이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 트런케이티드 금 나노입자가 5 중량% 함량으로 함유된 광전변환층의 주사전자현미경 사진과 트런케이티드 금 나노입자의 다면체 구조이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 있어서 사용된 전자 공여체로서 PCDTBT, Si-PCPDTBT 및 P3HT와, 전자 수용체로서 사용된 PC70BM (PCBM) 의 구조를 나타낸다.
도 10은 본원의 일 실시예에 있어서 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자가 5 중량% 함유된 유기태양전지와 상기 금 나노입자를 함유하지 않은 유기태양전지의 IPCE 분석이며, 전자 공여체 물질이 (a) P3HT, (b) PCDTBT, 및 (c) Si-PCPDTBT이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 있어서 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자를 5 중량% 함유하는 유기태양전지 및 상기 금 나노입자를 함유하지 않는 유기태양전지의 전류 밀도(J)-전압(V) 그래프이며, 전자 공여체 물질이 (a) PCDTBT 및 (b) Si-PCPDTBT이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 있어서 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자 (T-Octa)를 각각 0 중량%, 1 중량%, 5 중량%, 10 중량%, 및 20 중량% 함유하고, P3HT/PC70BM을 포함하는 광전변환층을 이용하여 제조된 유기태양전지의 전류 밀도(J)-전압(V) 그래프이다.
도 13은 본원의 일 실시예에 있어서 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자를 5 중량% 함유하는 유기태양전지 및 상기 금 나노입자를 함유하지 않는 유기태양전지의 전류 밀도(J)-전압(V) 그래프이며, 전자 공여체 물질이 (a) P3HT, (b) PCDTBT, 및 (c) Si-PCPDTBT이다.
도 14는 본원의 일 실시예에 있어서 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자를 5 중량% 함유하는 유기태양전지 및 상기 금 나노입자를 함유하지 않는 유기태양전지의 확산 반사율 (Reflectance)-파장 (λ) 그래프이다.
도 15는 본원의 일 실시예에 있어서, (a) P3HT/PC70BM을 포함하는 광전변환층에 평균 크기가 10 nm 이하인 금 나노입자를 함유한 유기태양전지의 에너지 밴드 다이어그램, (b) P3HT/PC70BM을 포함하는 광전변환층에 평균 크기가 70 nm인 금 나노입자를 함유한 유기태양전지의 에너지 밴드 다이어그램, (c) UPS 스펙트럼, (d) 각 성분의 에너지 밴드이다.
도 16은 본원의 일 실시예에 있어서 ITO / PEDOT:PSS / 전자 공여체 / PC70BM / TiOx / Al로 이루어진 유기태양전지의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 17은 본원의 일 실시예에 있어서 두께, 금 나노입자 함유, 및 광전변환층 재료에 따라 달라지는 유기태양전지 효율 그래프이다.
도 18은 본원의 일 실시예에 있어서 폴리올을 포함하는 분산매에서 NaBH4에 의해 제조된 은 나노입자의 주사전자현미경 사진이며, 폴리올이 (a) 에틸렌 글리콜 (ethylene glycol, EG), (b) 1,2-프로판디올 (1,2-propanediol, PrD), (c) 1,4-부탄디올 (1,4-butanediol, BD), (d) 1,5-펜탄디올 (1,5-pentanediol, PtD)인 경우이다.
도 19는 본원의 일 실시예에 있어서 폴리올이 인 분산매에서 제조된 은 나노입자의 주사전자현미경 사진과 입자 크기 분포를 나타낸 것이며, 폴리올이 (a) 에틸렌 글리콜 (ethylene glycol, EG), (b) 1,2-프로판디올 (1,2-propanediol, PrD), (c) 1,4-부탄디올 (1,4-butanediol, BD), (d) 1,5-펜탄디올 (1,5-pentanediol, PtD)인 경우이다.
도 20은 본원의 일 구현예에 있어서 PCDTBT와 PC70BM의 화학 구조, 유기태양전지의 개략도, 및 폴리올 공정을 사용함에 의해 다양한 크기로 합성된 은 나노입자의 주사전자현미경 사진들이다.
도 21은 본원의 일 실시예에 있어서 UV/Vis 스펙트럼이며, 각 그래프의 대상은 (a) 30 nm, 40 nm, 및 60 nm 직경의 은 나노입자, (b) 40 nm 직경의 은 나노입자를 1% 함유하거나 상기 은 나노입자를 함유하지 않은 PCDTBT/PC70BM을 포함하는 광전변환층에 해당한다.
도 22는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 유기태양전지용 광전변환층의 표면을 AFM으로 관찰한 사진이며, 좌측 상단은 PCDTBT/PC70BM을 포함하는 광전변환층, 우측 상단은 40 nm 직경의 은 나노입자를 1 중량% 함유한 광전변환층, 좌측 하단은 40 nm 직경의 은 나노입자를 1 중량% 함유한 광전변환층의 저해상도 사진, 및 우측 하단은 40 nm 직경의 은 나노입자를 1 중량% 함유한 광전변환층의 고해상도 사진이다.
도 23은 본원의 일 실시예에 있어서, 40 nm 직경의 은 나노입자를 1 중량% 함유한 유기태양전지 및 상기 은 나노입자를 함유하지 않은 유기태양전지의 (a) 전류 밀도(J)-전압(V) 그래프, (b) 40 nm 직경의 은 나노입자를 1 중량% 함유한 광전변환층의 파장별 EQE 향상 및 EQE 스펙트럼, (c) UPS 스펙트럼, (d) 에너지 다이어그램이다.1 is a schematic diagram of an organic solar cell according to an embodiment of the present disclosure.
Figure 2 is a method of manufacturing an organic solar cell in one embodiment of the present application.
3 is a scanning electron micrograph of gold nanoparticles of the truncated octaheadron structure used as metal nanoparticles in one embodiment of the present application.
FIG. 4 is a graph of EDAX (Energy Dispersive Ananysis of X-ray) analysis of truncated octaheadron gold nanoparticles used as metal nanoparticles in one embodiment of the present application.
Figure 5 is a UV / Vis-absorption spectrum according to the synthesis time in the production of gold nanoparticles used as metal nanoparticles in one embodiment of the present application.
FIG. 6 shows (a) UV / Vis-absorption spectra of truncated octahedron gold nanoparticles used as metal nanoparticles in one embodiment of the present application and photographs of gold nanoparticles dispersed in solution, and (b) P3HT / PC 70 BM and teureon K is suited octa head Ron gold nanoparticles containing 5% of P3HT / UV / Vis- of PC 70 BM absorption spectrum wt.
7 is (a) a scanning electron micrograph of synthesized octahedron gold nanoparticles and a gold nanoparticle solution centrifuged, (b) a gold nanoparticle picture and UV / Vis-absorption spectrum.
8 is a scanning electron micrograph of a photoelectric conversion layer containing a 5 wt% content of truncated gold nanoparticles according to an embodiment of the present application and a polyhedral structure of the truncated gold nanoparticles.
9 shows the structure of PCDTBT, Si-PCPDTBT and P3HT as electron donors used in one embodiment of the present application, and PC 70 BM (PCBM) used as electron acceptors.
FIG. 10 is an IPCE analysis of an organic solar cell containing 5 wt% of the truncated octaheadron gold nanoparticles and an organic solar cell not containing the gold nanoparticles according to an embodiment of the present disclosure, and an electron donor material ( a) P3HT, (b) PCDTBT, and (c) Si-PCPDTBT.
FIG. 11 is a graph showing the current density (J) -voltage (V) of an organic solar cell containing 5 wt% of the truncated octaheadron gold nanoparticles and an organic solar cell not containing the gold nanoparticles according to one embodiment of the present disclosure. ) And the electron donor material is (a) PCDTBT and (b) Si-PCPDTBT.
FIG. 12 contains 0 wt%, 1 wt%, 5 wt%, 10 wt%, and 20 wt% of truncated octahedron gold nanoparticles (T-Octa), respectively, in one embodiment of the present application, P3HT It is a current density (J) -voltage (V) graph of an organic solar cell manufactured using a photoelectric conversion layer including / PC 70 BM.
FIG. 13 shows the current density (J) -voltage (V) of an organic solar cell containing 5 wt% of the truncated octaheadron gold nanoparticles and an organic solar cell not containing the gold nanoparticles according to one embodiment of the present disclosure. ) And the electron donor material is (a) P3HT, (b) PCDTBT, and (c) Si-PCPDTBT.
FIG. 14 is a diffuse reflectance-wavelength (λ) of an organic solar cell containing 5 wt% of the truncated octaheadron gold nanoparticles and an organic solar cell not containing the gold nanoparticles according to one embodiment of the present invention. ) Graph.
FIG. 15 is an energy band diagram of an organic solar cell including (a) gold nanoparticles having an average size of 10 nm or less in a photoelectric conversion layer including P3HT / PC 70 BM, and (b) P3HT. Energy band diagram of an organic solar cell containing gold nanoparticles with an average size of 70 nm in a photoelectric conversion layer containing / PC 70 BM, (c) UPS spectrum, and (d) energy band of each component.
FIG. 16 is an energy band diagram of an organic solar cell including ITO / PEDOT: PSS / electron donor / PC 70 BM / TiOx / Al in an embodiment of the present disclosure.
FIG. 17 is a graph illustrating organic solar cell efficiency depending on thickness, gold nanoparticle content, and photoelectric conversion layer material according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
FIG. 18 is a scanning electron micrograph of silver nanoparticles prepared by NaBH 4 in a dispersion medium containing a polyol according to one embodiment of the present disclosure, wherein the polyol is (a) ethylene glycol (EG), (b) 1 , 2-propanediol (1,2-propanediol, PrD), (c) 1,4-butanediol (1,4-butanediol, BD), (d) 1,5-pentanediol (1,5-pentanediol, PtD ).
FIG. 19 illustrates a scanning electron micrograph and particle size distribution of silver nanoparticles prepared in a polyol-phosphorus dispersion medium according to one embodiment of the present application, wherein the polyol is (a) ethylene glycol (EG), (b) 1,2-propanediol (1,2-propanediol, PrD), (c) 1,4-butanediol (1,4-butanediol, BD), (d) 1,5-pentanediol (1,5-pentanediol, PtD).
FIG. 20 is a scanning electron micrograph of silver nanoparticles synthesized in various sizes by using the chemical structure of PCDTBT and PC 70 BM, schematic diagram of organic solar cell, and polyol process in one embodiment of the present application.
FIG. 21 is a UV / Vis spectrum in one embodiment of the present application, and the subject of each graph is (a) 30 nm, 40 nm, and 60 nm diameter silver nanoparticles, and (b) 40 nm diameter silver nanoparticles. Corresponding to the photoelectric conversion layer containing PCDTBT / PC 70 BM containing 1% or does not contain the silver nanoparticles.
22 is an AFM photograph of the surface of the photovoltaic layer for an organic solar cell manufactured according to an embodiment of the present application, the upper left side of the photoelectric conversion layer containing PCDTBT / PC 70 BM, the upper right side of the 40 nm diameter A photoelectric conversion layer containing 1% by weight of silver nanoparticles, the lower left is a low-resolution photograph of the photoelectric conversion layer containing 1% by weight of silver nanoparticles having a 40 nm diameter, and the lower right side has 1 weight of silver nanoparticles having a 40 nm diameter It is a high resolution photograph of a photoelectric conversion layer containing%.
FIG. 23 shows (a) current density (J) -voltage of an organic solar cell containing 1 wt% of silver nanoparticles having a diameter of 40 nm and an organic solar cell not containing the silver nanoparticles according to one embodiment of the present application. (V) graph, (b) EQE enhancement and EQE spectrum for each wavelength of a photoelectric conversion layer containing 1 wt% of silver nanoparticles of 40 nm diameter, (c) UPS spectrum, and (d) energy diagram.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, the same reference numbers are used throughout the specification to refer to the same or like parts.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not limited to a case where it is "directly connected" but also includes the case where it is "electrically connected" do.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is " on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when an element is referred to as "including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.The terms "about "," substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are intended to be taken to mean the approximation of the manufacturing and material tolerances inherent in the stated sense, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure. The word " step (or step) "or" step "used to the extent that it is used throughout the specification does not mean" step for.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
Throughout this specification, the term " combination (s) thereof " included in the expression of the machine form means a mixture or combination of one or more elements selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the form of a marker, Quot; means at least one selected from the group consisting of the above-mentioned elements.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본원의 일 구현예에 따른 유기태양전지는 서로 대향 배치되는 투명 전극(110)과 금속 전극(150); 및 상기 투명 전극(110)과 상기 금속 전극(150) 사이에 위치하는 광전변환층(130)을 포함하며, 상기 광전변환층은 전자 공여체 (electron donor)와 전자 수용체 (electron acceptor)의 블렌드 (blend) 내에 분산된 금속 나노입자를 포함하는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.As shown in FIG. 1, an organic solar cell according to an exemplary embodiment of the present disclosure includes a
도 1에서, 상기 투명 전극(110)은 유리 또는 플라스틱 투명 기재 상에 형성된 투명 전도성 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 투명 전도성 금속 산화물은 낮은 일함수를 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 인듐틴산화물(indium tin oxide, ITO), 플루오르틴산화물(fluorine tin oxide, FTO), 인듐아연산화물(indium zinc oxide, IZO), ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3) 등의 투명한 전도성 금속의 산화물을 함유하여, 광이 입사될 수 있다. 상기 투명전극 형성물질로서 보다 바람직하게는 전도성, 투명성 및 내열성이 우수한 SnO2 또는 비용면에서 저렴한 ITO를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 상기 투명 전극(110)으로서, ITO 유리 기판 (Indium tin oxide glass substrate) 또는 FTO 유리 기판 (Fluorine-doped tin oxide glass substrate)을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In FIG. 1, the
상기 플라스틱 기판으로서, 폴리에테르설폰 (polyethersulfone = PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate = PET), 폴리에틸렌나프탈레이트 (polyethylenenaphthalate = PEN), 폴리이미드 (polyimide = PI), 폴리에테르에테르케톤 (polyetheretherketone = PEEK), 폴리노보넨 (polynorbonene = PNR), 폴리카보네이트 (polycarbonate = PC), 폴리아릴레이트 (polyarylate = PAR), 폴리에테르이미드 (polyetherimide = PEI), 폴리아미드이미드 (polyamideimide = PAI), 폴리아미드 (polyamide = PA), 및 폴리페닐렌설파이드 (polyphenylene sulfide = PPS)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.As the plastic substrate, polyethersulfone (polyethersulfone = PES), polyethylene terephthalate (polyethyleneterephthalate = PET), polyethylenenaphthalate (polyethylenenaphthalate = PEN), polyimide (polyimide = PI), polyetheretherketone (PEEK), Polynorbonene (polynorbonene = PNR), polycarbonate (polycarbonate = PC), polyarylate (polyarylate = PAR), polyetherimide = PEI, polyamideimide = PAI, polyamide (polyamide = PA ), And polyphenylene sulfide (PPS) may be used, but is not limited thereto.
상기 광전변환층(130)은 상기 전자 공여체와 상기 전자 수용체의 블렌드 내에 분산된 금속 나노입자를 포함하며, 상기 전자 공여체와 상기 전자 수용체가 무작위 (random)로 혼합되어 형성되는 벌크 이종접합 (bulk heterojunction, BHJ)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The
상기 전자 공여체는 전도성 유기 고분자를 포함하며, 예를 들어, 폴리-3-헥실티오펜 (poly-3-hexylthiophene = P3HT), 폴리(N-9"-헵타-데카닐-2,7-카바졸-알트-5,5-(4',7'-디-2-티에닐-2',1',3')-벤조타이아다이아졸) {poly(N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3')-benzothiadiazole) = PCDTBT}, 폴리[(4, 4'-비스(2-에틸헥실)디티에노[3,2-b:2',3'-d]실롤)-2,6-디일-알트-(4,7-비스(2-티에닐)-2,1,3-벤조타이다이아졸)-5,5'-디일 {poly[(4, 4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-2,6-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5'-diyl = Si-PCPDTBT}, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 유기 고분자는 비결정성 (amorphous) 유기 고분자를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 상기 비결정성 전도성 유기 고분자는 PCDTBT, 또는 Si-PCPDTBT를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The electron donor comprises a conductive organic polymer, for example poly-3-hexylthiophene (P3HT), poly (N-9 "-hepta-decanyl-2,7-carbazole -Alt-5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3')-benzothiadiazole) {poly (N-9 "-hepta-decanyl-2 , 7-carbazole-alt-5,5- (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3')-benzothiadiazole) = PCDTBT}, poly [(4,4'-bis ( 2-ethylhexyl) dithieno [3,2-b: 2 ', 3'-d] silol) -2,6-diyl-alt- (4,7-bis (2-thienyl) -2,1 , 3-benzotaidiazole) -5,5'-diyl {poly [(4, 4'-bis (2-ethylhexyl) dithieno [3,2-b: 2 ', 3'-d] silole) -2 , 6-diyl-alt- (4,7-bis (2-thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole) -5,5'-diyl = Si-PCPDTBT}, and combinations thereof It includes, but is not limited to. In one embodiment, the conductive organic polymer may include an amorphous organic polymer, but is not limited thereto. For example, the amorphous conductive organic polymer may include PCDTBT or Si-PCPDTBT, but is not limited thereto.
상기 전자 수용체는, 풀러렌 (fullerene)계 화합물, 페릴렌계 화합물 또는 반도체성 나노입자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 풀러렌계 화합물은 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester = PC60BM], (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester = PC70BM], (6,6)-페닐-C77-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C77-butyric acid methyl ester = PC76BM], (6,6)-페닐-C79-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C79-butyric acid methyl ester = PC78BM], (6,6)-페닐-C81-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C81-butyric acid methyl ester = PC80BM], (6,6)-페닐-C83-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C83-butyric acid methyl ester = PC82BM], (6,6)-페닐-C85-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C85-butyric acid methyl ester = PC84BM], 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 반도체성 나노입자는 CdTe, CdTe 등과 같은 반도체성 나노입자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The electron acceptor may include, but is not limited to, a fullerene-based compound, a perylene-based compound, or semiconducting nanoparticles. The fullerene-based compound (6,6) -phenyl -C 61 - butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester =
상기 금속 나노입자는, 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 철(Fe), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 구현예에 있어서, 상기 금속 나노입자는 옥타헤드론 (octahedron) 금(Au) 나노입자 (nanoparticle) 또는 트런케이티드 옥타헤드론 (truncated octahedron) 금(Au) 나노입자 (nanoparticle)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 구현예에 있어서, 상기 금속 나노입자는 은(Ag) 나노입자를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The metal nanoparticles are, for example, gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), aluminum (Al), copper (Cu), nickel (Ni), zinc (Zn), Iron (Fe), and may be a metal selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto. In one embodiment, the metal nanoparticles may include octahedron gold (Au) nanoparticles or truncated octahedron gold (Au) nanoparticles. However, the present invention is not limited thereto. In another embodiment, the metal nanoparticles may include silver (Ag) nanoparticles, but is not limited thereto.
상기 금속 나노입자의 직경은 약 30 nm 내지 약 90 nm, 약 30 nm 내지 약 80 nm, 약 30 nm 내지 약 70 nm, 약 40 nm 내지 약 90 nm, 약 40 nm 내지 약 80 nm, 약 40 nm 내지 70 nm, 약 50 nm 내지 약 90 nm, 약 50 nm 내지 약 80 nm, 또는 약 50 nm 내지 70 nm 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속 나노입자의 크기가 상기 범위보다 작은 경우 산란 효과 등이 적어 이를 이용하여 제조된 유기태양전지의 효율의 향상 정도가 상대적으로 적게 나타난다. 상기 금속 나노입자의 크기가 약 30 nm 내지 약 90 nm 정도 될 경우, 유기태양전지의 활성층에서 산란효과가 입자가 작은 경우에 비해 우수하다. 그리고, 또한 이것은, 상기 금속 나노입자의 크기가 약 30 nm 내지 약 90 nm 정도 되는 경우가 약 10 nm 미만의 입자 크기의 경우에 비해 활성층과 나노입자들 간의 접촉 표면적이 감소하기 때문이다. 예를 들어, 상기 크기 범위를 가지는 금 나노입자의 경우 우수한 정공 전도도(hole conductor)를 가지며, 상기 크기 범위를 가지는 은 나노입자의 경우 우수한 전자 전도도(electron conductor)를 가질 수 있어, 이러한 금속 나노입자가 활성층에 도입된 태양전지의 경우 향상된 전하 이동 특성 (charge transporting property)을 가져오게 되어 광전변환 효율이 증가하게 된다. 이러한 효과는 후술하는 본원에 따른 실시예들에 있어서 UPS 측정 결과 및 상기 태양전지 내부의 시리즈 저항의 감소와 광전류 값의 증가의 분석 결과 등으로부터 알 수 있다 The diameter of the metal nanoparticles is about 30 nm to about 90 nm, about 30 nm to about 80 nm, about 30 nm to about 70 nm, about 40 nm to about 90 nm, about 40 nm to about 80 nm, about 40 nm To 70 nm, about 50 nm to about 90 nm, about 50 nm to about 80 nm, or about 50 nm to 70 nm, but is not limited thereto. When the size of the metal nanoparticles is smaller than the above range, the scattering effect is less and the degree of improvement of the efficiency of the organic solar cell manufactured using the same is relatively low. When the size of the metal nanoparticles is about 30 nm to about 90 nm, the scattering effect in the active layer of the organic solar cell is superior to the case where the particles are small. And this is also because the contact surface area between the active layer and the nanoparticles is reduced when the size of the metal nanoparticles is about 30 nm to about 90 nm compared to the case of particle sizes of less than about 10 nm. For example, gold nanoparticles having the size range may have excellent hole conductor, and silver nanoparticles having the size range may have excellent electron conductor, such metal nanoparticles. In the case of the solar cell introduced into the active layer has an improved charge transporting property (charge transporting property) is increased the photoelectric conversion efficiency. This effect can be seen from the UPS measurement results and the analysis results of the decrease in the series resistance and the increase of the photocurrent value in the solar cell in the embodiments according to the present application described below.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속 나노입자로서 금 나노입자를 광전변환층에 첨가한 경우의 금 나노입자의 평균 직경이 약 70 nm일 때, 상기 유기태양전지의 효율 향상이 가장 현저하게 나타나지만, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present application, when the average diameter of the gold nanoparticles when the gold nanoparticles are added to the photoelectric conversion layer as the metal nanoparticles is about 70 nm, the efficiency improvement of the organic solar cell appears most remarkably However, the present invention is not limited thereto.
본원의 다른 구현예에 있어서, 상기 금속 나노입자로서 은 나노입자를 광전변환층에 첨가한 경우의 은 나노입자의 직경이 약 40 nm일 때, 상기 유기태양전지의 효율 향상이 가장 현저하게 나타나지만, 이에 제한되는 것은 아니다.In another embodiment of the present application, when the silver nanoparticles are about 40 nm in diameter when the silver nanoparticles are added to the photoelectric conversion layer as the metal nanoparticles, the efficiency improvement of the organic solar cell is most remarkable. It is not limited to this.
상기 금속 나노입자의 함량은 상기 전자 공여체와 상기 전자 수용체의 총중량에 대하여 약 20 중량% 이하, 약 15 중량% 이하, 약 10 중량% 이하, 또는 5 중량% 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The amount of the metal nanoparticle may be about 20 wt% or less, about 15 wt% or less, about 10 wt% or less, or 5 wt% or less based on the total weight of the electron donor and the electron acceptor, but is not limited thereto.
상기 유기태양전지는 상기 투명 전극(110)과 상기 광전변환층(130) 사이에 형성된 정공 수송층(120)과, 상기 광전변환층(130)과 상기 금속 전극(150) 사이에 형성된 전자 수송층(140)을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The organic solar cell includes a
상기 정공 수송층(120)은 고분자 분산액을 이용하여 스핀코팅, 딥코팅, 랭미어-블로짓, 스크린프린팅, 또는 잉크젯프린팅 등을 통해 형성할 수 있다. 상기 정공수송층(120)의 재료로서, 당업계에 알려진 물질들을 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트) {poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(strene sulfonate) = PEDOT:PSS}와 같은 고분자 물질을 포함하는 분산액을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 정공 수송층(120)은 몰리브덴 옥사이드, 티타늄 옥사이드, 텅스텐 옥사이드, 또는 아연 옥사이드를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The
상기 전자 수송층(140)은 금속전구체 졸(혹은 용액)을 이용하여 스핀코팅, 딥코팅, 스크린프린팅, 잉크젯프린팅, 또는 스프레이 등의 방법으로 형성할 수 있다. 상기 정공 수송층(120)은 티타늄 옥사이드(TiOx), 텅스텐 옥사이드(WOx), 산화 아연(ZnOx), 산화 철(FeOx), 산화 구리(CuOx), 산화 지르코늄(ZrOx), 산화 크롬(CrOx), 산화 바나듐(VOx), 산화 망간(MnOx), 산화 코발트(CoOx), 산화 니켈(NiOx), 산화 주석(SnOx), 산화 이리듐(IrOx) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The
상기 금속 전극(150)은 열증착, 화학기상증착법 (chemical vapor deposition), 물리기상증착법 (physical vapor deposition), 또는 스퍼터링법 (sputtering) 등을 사용하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 금속 전극(150)은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 텅스텐(W), 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하여 사용할 수 있다.The
상기 유기태양전지는 상기 투명 전극(110)을 광원방향으로, 상기 금속 전극(150)을 광원의 반대 방향으로 위치시키면, 광원으로부터 오는 빛을 전기로 변환할 수 있다. 이 때, 상기 광전변환층(130)에 포함된 금속 나노입자가 빛을 산란 또는 반사시켜 빛의 이동 경로를 증가시키게 되고, 상기 광전변환층(130)의 전기전도도를 증가시키며, 생성된 전자-홀의 이동을 증대시키는 등에 의해, 광전변환 효율이 증가할 수 있다.In the organic solar cell, when the
상기 광전변환층은 약 10 nm 내지 약 400 nm, 약 10 nm 내지 약 350 nm, 약 10 nm 내지 약 300 nm, 약 10 nm 내지 약 250 nm, 약 10 nm 내지 약 200 nm, 약 10 nm 내지 약 150 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 30 nm 내지 약 400 nm, 약 30 nm 내지 약 350 nm, 약 30 nm 내지 약 300 nm, 약 30 nm 내지 약 250 nm, 약 30 nm 내지 약 200 nm, 약 30 nm 내지 약 150 nm, 약 30 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 400 nm, 약 50 nm 내지 약 350 nm, 약 50 nm 내지 약 300 nm, 약 50 nm 내지 약 250 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 150 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm , 약 80 nm 내지 약 400 nm, 약 80 nm 내지 약 350 nm, 약 80 nm 내지 약 300 nm, 약 80 nm 내지 약 250 nm, 약 80 nm 내지 약 200 nm, 약 80 nm 내지 약 150 nm, 약 100 nm 내지 약 400 nm, 약 100 nm 내지 약 350 nm, 약 100 nm 내지 약 300 nm, 약 100 nm 내지 약 250 nm, 약 100 nm 내지 약 200 nm, 약 100 nm 내지 약 150 nm 두께의 박막 형태를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 예시적 구현예들에 있어서, 상기 광전변환층의 두께는 약 50 nm내지 약 400 nm일 수 있으며, P3HT/PCBM의 경우 약 50 nm 내지 약 400 nm, PCDTBT/PCBM의 경우 약 50 내지 약 300 nm, Si-PCPDTBT/PCBM의 경우 약 50 nm 내지 약 300 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The photoelectric conversion layer is about 10 nm to about 400 nm, about 10 nm to about 350 nm, about 10 nm to about 300 nm, about 10 nm to about 250 nm, about 10 nm to about 200 nm, about 10 nm to about 150 nm, about 10 nm to about 100 nm, about 30 nm to about 400 nm, about 30 nm to about 350 nm, about 30 nm to about 300 nm, about 30 nm to about 250 nm, about 30 nm to about 200 nm , About 30 nm to about 150 nm, about 30 nm to about 100 nm, about 50 nm to about 400 nm, about 50 nm to about 350 nm, about 50 nm to about 300 nm, about 50 nm to about 250 nm, about 50 nm to about 200 nm, about 50 nm to about 150 nm, about 50 nm to about 100 nm, about 80 nm to about 400 nm, about 80 nm to about 350 nm, about 80 nm to about 300 nm, about 80 nm To about 250 nm, about 80 nm to about 200 nm, about 80 nm to about 150 nm, about 100 nm to about 400 nm, about 100 nm to about 350 nm, about 100 nm to about 300 nm, about 100 nm to about 250 nm, about 100 nm to about 200 nm, about 100 nm to about 150 nm thick Be one having a film form, but is not limited to this. In exemplary embodiments of the present disclosure, the thickness of the photoelectric conversion layer may be about 50 nm to about 400 nm, about 50 nm to about 400 nm for P3HT / PCBM, and about 50 to about 400 nm for PCDTBT / PCBM. 300 nm, in the case of Si-PCPDTBT / PCBM may be about 50 nm to about 300 nm, but is not limited thereto.
상기 본원의 일 구현예에 따른 유기태양전지는 광전변환층의 낮은 이동도로 인해, 빌트-인 포텐셜(built-in potential)과 광발전된 캐리어(photogenerated carrier)의 재결합(recombination)간의 경쟁으로 인해, 필름 두께가 제한된다. 즉, 광전변환층의 두께가 증가하는 것과 비례하여 광전변환효율이 증가하지 않는다. 왜냐하면 광전변환층 내에서 빛에 의해 여기되어 생성되는 전자 또는 정공을 포함하는 캐리어의 재결합 현상이 증가하여, 캐리어의 이동이 제한되기 때문이다.
In the organic solar cell according to the embodiment of the present application, due to the low mobility of the photoelectric conversion layer, due to the competition between the built-in potential (built-in potential) and the recombination of the photogenerated carrier (film), The thickness is limited. That is, the photoelectric conversion efficiency does not increase in proportion to the increase in the thickness of the photoelectric conversion layer. This is because a recombination phenomenon of a carrier including electrons or holes generated by being excited by light in the photoelectric conversion layer is increased, thereby restricting the movement of the carrier.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 본원에 따른 유기태양전지는 하기의 단계를 포함하여 제조될 수 있다:In one embodiment of the present application, the organic solar cell according to the present application may be prepared including the following steps:
투명 기판 상에 투명 전극을 형성하는 단계(S1);Forming a transparent electrode on the transparent substrate (S1);
상기 투명 전극 상에 광전변환층을 형성하는 단계(S2); 및Forming a photoelectric conversion layer on the transparent electrode (S2); And
상기 광전변환층 상에 금속 전극을 형성하는 단계(S3).Forming a metal electrode on the photoelectric conversion layer (S3).
상기 광전변환층은 전자 공여체와 전자 수용체를 포함하는 용액에 금속 나노입자를 혼합하여 분산시켜 제조되는 것이나, 이에 한정되지는 않는다.The photoelectric conversion layer is prepared by mixing and dispersing metal nanoparticles in a solution containing an electron donor and an electron acceptor, but is not limited thereto.
먼저, 투명 기판 상에 투명 전극을 형성한다(S1). 상기 투명 기판은 앞서 설명한 바와 같다. 상기 투명 전극 상에 앞서 설명한 바와 같은 투명 전도성 금속 산화물을 증착 또는 코팅 등의 통상의 박막 형성 방법에 의해 투명 전극을 형성하거나, 투명 전극이 유기 기판 상에 형성되어 있는 기존의 ITO 또는 FTO 투명 기재를 사용할 수 있다.First, a transparent electrode is formed on a transparent substrate (S1). The transparent substrate is as described above. The transparent electrode may be formed on the transparent electrode by a conventional thin film forming method such as depositing or coating a transparent conductive metal oxide as described above, or by using an existing ITO or FTO transparent substrate having a transparent electrode formed on an organic substrate. Can be used.
이어서, 상기 투명 전극 상에 광전변환층을 형성한다(S2). 상기 광전변환층은 전자 공여체 및 전자 수용체를 포함하는 용액에 금속 나노입자를 첨가하여 형성된 용액을 상기 투명 전극 상에 도포 후 건조하여 형성할 수 있다. 상기 용액은 용매를 추가로 포함할 수 있다. 상기 전자 공여체, 전자 수용체 및 금속 나노입자는 앞서 설명한 바와 동일하다.Subsequently, a photoelectric conversion layer is formed on the transparent electrode (S2). The photoelectric conversion layer may be formed by applying a solution formed by adding metal nanoparticles to a solution including an electron donor and an electron acceptor on the transparent electrode and then drying it. The solution may further comprise a solvent. The electron donor, electron acceptor and metal nanoparticles are the same as described above.
상기 전자 공여체와 전자 수용체를 포함하는 상기 용액은 상기 용매로서 클로로벤젠 (chlorobenzene), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), 클로로포름(chloroform) , 아세톤(acetone), 아세토니트릴(acetonitrile), 디메틸 아세트아미드(dimethylacetamide; DMAc), 디메틸 포름아미드(dimethyl formamide; DMF), 디메틸 설폭사이드(dimetheyl sulfoxise; DMSO), 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone), 메틸 n-프로필 케톤(methyl n-propyl ketone), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone; NMP), 프로필렌 카보네이트(propylene carbornate), 니트로메탄(nitromethane), 설포란(sulforane), 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 및 헥사메틸포스포아미드(hexamethylphophoramide; HMP)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이나, 이에 제한되지는 않는다.The solution containing the electron donor and the electron acceptor is chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, chloroform, acetone, acetonitrile as the solvent. , Dimethylacetamide (DMAc), dimethyl formamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), methyl ethyl ketone, methyl n-propyl ketone ), N-methylpyrrolidone (NMP), propylene carbonate (propylene carbornate), nitromethane (nitromethane), sulfolane (sulforane), ethylene glycol and hexamethylphosphoramide (hexamethylphophoramide; HMP), but not limited to one or more selected from the group consisting of.
상기 도포 공정은 조성물의 점성과 조성물의 구성 요소에 따라 딥코팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드를 이용한 코팅, 그라비아 코팅, 스크린 코팅, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이나, 이에 제한되지는 않는다.The application process includes one or more selected from the group consisting of dip coating, spray coating, doctor blade coating, gravure coating, screen coating, and combinations thereof, depending on the viscosity of the composition and the components of the composition, It is not limited to this.
상기 도포 공정 이후에, 필요한 경우, 추가적인 건조 공정이나 열처리 공정을 할 수 있다. 상기 건조 공정 또는 상기 열처리 공정은 열풍 오븐 또는 전기로 등에서 실시될 수 있으며, 건조시 온도는 약 60℃ 내지 약 150℃, 열처리시 온도는 약 80℃ 내지 약 200℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.After the coating step, if necessary, an additional drying step or heat treatment step may be performed. The drying process or the heat treatment process may be carried out in a hot air oven or an electric furnace, the drying temperature may be about 60 ℃ to about 150 ℃, the heat treatment temperature may be about 80 ℃ to about 200 ℃, but is not limited thereto. no.
이어서, 상기 광전변환층 상에 금속 전극을 형성한다(S3). 상기 금속 전극은 열증착법, 화학기상증착법 (chemical vapor deposition), 물리기상증착법 (physical vapor deposition), 또는 스퍼터링법 (sputtering) 등을 사용하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 금속 전극은 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 텅스텐(W), 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하여 사용할 수 있다.Subsequently, a metal electrode is formed on the photoelectric conversion layer (S3). The metal electrode may be formed using thermal deposition, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, or sputtering, but is not limited thereto. In addition, the metal electrode may be aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), copper (Cu), tungsten (W), iron (Fe), nickel (Ni). , Zinc (Zn), and combinations thereof may be used, including those selected from the group.
또한, 상기 본원에 따른 유기태양전지는 상기 투명 전극과 상기 광전변환층 사이에 형성된 정공 수송층과, 상기 광전변환층과 상기 금속 전극 사이에 형성된 전자 수송층을 추가 포함할 수 있다.In addition, the organic solar cell according to the present application may further include a hole transport layer formed between the transparent electrode and the photoelectric conversion layer, and an electron transport layer formed between the photoelectric conversion layer and the metal electrode.
상기 정공 수송층의 형성은 상기 S1과 S2 사이에 수행될 수 있다. 상기 정공 수송층은 앞서 설명한 바와 동일하다.Formation of the hole transport layer may be performed between the S1 and S2. The hole transport layer is the same as described above.
상기 전자 수송층의 형성은 상기 S2와 S3 사이에 수행될 수 있다. 상기 전자 수송층은 앞서 설명한 바와 동일하다.Formation of the electron transport layer may be performed between the S2 and S3. The electron transport layer is the same as described above.
상기와 같은 제조방법에 의해 유기태양전지의 제조(S4)를 할 수 있다.The organic solar cell can be manufactured (S4) by the above production method.
상기 본원의 일 구현예에 따른 유기태양전지에 대하여 기술된 내용은 모두 상기 본원의 일 구현예에 따른 유기태양전지의 제조 방법에 적용될 수 있다.
All of the contents described for the organic solar cell according to the exemplary embodiment of the present application may be applied to the method of manufacturing the organic solar cell according to the exemplary embodiment of the present application.
이하에서는 실시예를 이용하여 본원에 대하여 좀더 자세히 설명한다. 그러나, 본원이 이들 실시예에 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present application will be described in more detail with reference to Examples. However, the present application is not limited to these examples.
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실시예Example
]]
<< 실시예Example 1> 금 나노입자의 제조 1> Preparation of Gold Nanoparticles
본 실시예에 있어서 금 나노입자로서 트런케이티드 옥타헤드론 (truncated octahedron) 금 나노입자를 하기와 같이 제조하였다. 50 ml 용량의 바이알 (vial)에 94.2 mM의 HAuCl4·3H2O 수용액 0.09 ml와 DMF에 1.46 mM의 농도로 녹은 PVP 용액 7.5 ml 를 넣고, DMF 2.61 ml와 탈이온수 1.8 ml를 첨가하여 혼합액을 수득하였다. 상기 혼합액이 담긴 상기 바이알에 마그네틱 스터링 바(magnetic stirring bar)를 넣고 밀봉한 후, 상기 바이알을 오일 배스에 넣고 100℃에서 2 시간 동안 스터링시키며 열을 가했다. 이어서, 상기 바이알에 물과 에탄올을 첨가하여 재분산하고 12,000 rpm으로 원심분리하여 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자를 침전시키며 남아있는 PVP를 제거하는 것을 5회 이상 반복하였다.In this example, truncated octahedron gold nanoparticles were prepared as gold nanoparticles as follows. To a 50 ml vial, add 0.09 ml of 94.2 mM HAuCl 4 · 3H 2 O aqueous solution and 7.5 ml of dissolved PVP solution at 1.46 mM to DMF, add 2.61 ml of DMF and 1.8 ml of deionized water to add a mixture. Obtained. A magnetic stirring bar was added to the vial containing the mixed solution and sealed, and the vial was put in an oil bath and stirred at 100 ° C. for 2 hours, followed by heating. Subsequently, water and ethanol were added to the vial, redispersed and centrifuged at 12,000 rpm to precipitate the truncated octahedron gold nanoparticles and remove the remaining PVP at least five times.
도 3은 본 실시예에 있어서 제조된 트런케이티드 옥타헤드론 구조의 금 나노입자의 주사전자현미경 사진이다. 상기 도 2에서 상기 금 나노입자의 평균 입경이 약 70 nm이며, 다면체 구조가 트런케이티드 옥타헤드론인 것을 알 수 있다.Figure 3 is a scanning electron micrograph of the gold nanoparticles of the truncated octaheadron structure prepared in this embodiment. In FIG. 2, the average particle diameter of the gold nanoparticles is about 70 nm, and the polyhedron structure is a truncated octahedron.
도 4는 본 실시예에 있어서 제조된 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자의 EDAX (Energy Dispersive Ananysis of X-ray) 분석 그래프이다. 상기 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자를 실리콘 기재 상에 위치시키고, EDAX 분석을 하였을 때, 상기 금 나노입자가 순수한 금으로 이루어져있다는 것을 알 수 있었다.Figure 4 is a graph of the EDAX (Energy Dispersive Ananysis of X-ray) analysis of the truncated octaheadron gold nanoparticles prepared in this example. When the truncated octaheadron gold nanoparticles were placed on a silicon substrate and subjected to EDAX analysis, it was found that the gold nanoparticles consisted of pure gold.
도 5는 본 실시예에 있어서 제조된 금 나노입자 제조 시 합성 시간에 따른 UV/Vis-흡수 스펙트럼이다. 금 나노입자 제조시 반응시간에 따라 금 나노입자의 형상이 달라지며, 도 5의 내부에 도시된 다면체 구조들은, 좌로부터, 트런케이티드 옥타헤드론 (truncated octahedron), 롬빅큐보옥타헤드론 (rhombicuboctahedron), 롬빅도데카헤드론 (rhombic dodecahedron), 옥타헤드론 (octahedron), 큐보옥타헤드론 (cuboctahedron), 및 큐보옥타헤드론 (cuboctahedron)이다. 금 나노입자의 형상 및 크기에 따라, 흡수하는 빛의 파장 스펙트럼이 각각 다르며, 가장 좌측의 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자의 흡수 파장 스펙트럼은 파란색 선으로 표시되어 있고, 넓은 파장 영역에 걸쳐 가장 강한 빛 흡수능력을 가진 것으로 판단된다.5 is a UV / Vis-absorption spectrum according to synthesis time when preparing gold nanoparticles prepared in the present example. The shape of the gold nanoparticles varies depending on the reaction time during the preparation of the gold nanoparticles, and the polyhedral structures shown in FIG. ), Rhombic dodecahedron, octahedron, cuboctahedron, and cuboctahedron. Depending on the shape and size of the gold nanoparticles, the wavelength spectrum of the absorbing light is different, and the absorption wavelength spectrum of the leftmost truncated octaheadron gold nanoparticles is represented by a blue line, It is believed to have strong light absorption ability.
도 6은 본 실시예에 있어서 제조된 (a) 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자의 UV/Vis-흡수 스펙트럼과 용액에 분산되어 있는 금 나노입자 사진, 및 (b) P3HT/PC70BM및 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자가 5 중량% 함유된 P3HT/PC70BM 의 UV/Vis-흡수 스펙트럼이다. 도 6 (a)에서 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자(T-Octa Au)를 함유하는 분산액이 담긴 바이알 사진이 있으며, 상기 T-Octa Au의 최대 흡수 피크는 약 550 nm이다. 또한, 가시광선 영역에서, T-Octa Au가 5 중량% 함유된 P3HT/PC70BM 광전변환층(붉은색 선)의 광흡수 스펙트럼이 T-Octa Au가 첨가되지 않은 광전변환층(검은색 선)의 광흡수 스펙트럼에 비해 더 높은 세기 (intensity; Y축)를 갖는다는 것을 알 수 있었다.FIG. 6 is a UV / Vis-absorption spectrum of (a) truncated octahedron gold nanoparticles prepared in this example and photographs of gold nanoparticles dispersed in solution, and (b) P3HT / PC 70 BM; UV / Vis-absorption spectrum of P3HT / PC 70 BM containing 5% by weight of truncated octahedron gold nanoparticles. In Figure 6 (a) is a vial photograph containing a dispersion containing the truncated octaheadron gold nanoparticles (T-Octa Au), the maximum absorption peak of the T-Octa Au is about 550 nm. Also, in the visible region, the light absorption spectrum of the P3HT / PC 70 BM photoelectric conversion layer (red line) containing 5% by weight of T-Octa Au is not shown in the photoelectric conversion layer (black line) without T-Octa Au. It can be seen that it has a higher intensity (Y-axis) compared to the light absorption spectrum of).
도 7은 본 실시예에 있어서 (a) 합성된 옥타헤드론 금 나노입자의 주사전자현미경 사진과 원심분리된 금 나노입자 용액, (b) 용액에 분산되어 있는 금 나노입자 사진과 UV/Vis-흡수 스펙트럼이다. 옥타헤드론 금 나노입자(Octa Au)의 최대 흡수 피크가 약 603 nm에서 나타나고 있다.
FIG. 7 shows (a) a scanning electron micrograph of synthesized octahedron gold nanoparticles, a gold nanoparticle solution centrifuged, and (b) a gold nanoparticle photograph and UV / Vis- dispersed in a solution. Absorption spectrum. The maximum absorption peak of octahedron gold nanoparticles (Octa Au) is shown at about 603 nm.
<< 실시예Example 2> 금 나노입자를 함유하는 유기태양전지 2> Organic Solar Cells Containing Gold Nanoparticles
투명 전극인 인듐주석 산화물(indiumtinoxide, ITO)이 도포된 유리 기판을 아세톤과 알코올 등으로 초음파 세척기를 이용하여 세척하고, UV-처리장치를 이용하여, 기판 표면을 하이드록시기로 개질하여 표면을 친수성으로 개질하였다. PEDOT:PSS(Bayer 사)를 스핀코팅 방법으로 도포시킨 다음, 140℃에서 10분간 건조시켜 용매를 완전히 제거하여 상기 투명 전극 상에 정공 수송층을 형성시켰다.The glass substrate coated with indium tin oxide (ITO), which is a transparent electrode, is washed with an acetone and alcohol using an ultrasonic cleaner, and the surface of the substrate is hydrophilic by modifying the surface of the substrate with a hydroxyl group using a UV-treatment device. Modified. PEDOT: PSS (Bayer) was applied by spin coating, followed by drying at 140 ° C. for 10 minutes to completely remove the solvent to form a hole transport layer on the transparent electrode.
전자 공여체/전자 수용체 물질은 하기 세 가지가 사용되었다. PCDTBT/PC70BM인 경우, PCDTBT 7 mg, 및 PC70BM 28 mg을 1,2-디클로벤젠/클로로벤젠(3:1) 1 ml에 용해하여 혼합액을 제조하였다. The following three electron donor / electron acceptor materials were used. In the case of PCDTBT / PC 70 BM, 7 mg of PCDTBT, and 28 mg of PC 70 BM were dissolved in 1 ml of 1,2-dichlorobenzene / chlorobenzene (3: 1) to prepare a mixed solution.
P3HT/PC70BM인 경우, P3HT 25 mg 및 PC70BM 15 mg을 클로로벤젠(dicholrobenzene) 1 ml에 용해하여 혼합액을 제조하였다.In the case of P3HT / PC 70 BM, 25 mg of P3HT and 15 mg of PC 70 BM were dissolved in 1 ml of chlorobenzene to prepare a mixed solution.
Si-PCPDTBT/PC70BM인 경우, Si-PCPDTBT 7 mg 및 PC70BM 14 mg을 1,2-디클로로벤젠 1 ml에 용해하여 혼합액을 제조하였다. In the case of Si-PCPDTBT / PC 70 BM, 7 mg of Si-PCPDTBT and 14 mg of PC 70 BM were dissolved in 1 ml of 1,2-dichlorobenzene to prepare a mixed solution.
상기 전자 공여체/전자 수용체 물질 혼합 용액에 약 70 nm의 금 (Au) 입자를 세가지 종류의 전자 공여체/전자 수용체 물질(P3HT/PC70BM, PCDTBT/PC70BM, Si-PCPDTBT/PC70BM)에 0 중량% (비교예), 1 중량%, 5 중량%, 10 중량%, 및 20 중량%로 각각 혼합하고 분산시켜 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 질소가 충진된 글로브 박스내 에서 스핀코팅으로 상기 정공 수송층 상에 도포한 후 용매를 완전히 증발시켜 광전변환층을 형성하였다.Three kinds of electron donor / electron acceptor materials (P3HT / PC 70 BM, PCDTBT / PC 70 BM, Si-PCPDTBT / PC 70 BM) were added to the electron donor / electron acceptor material solution with about 70 nm of gold (Au) particles. The mixture was prepared by mixing and dispersing in 0 wt% (comparative), 1 wt%, 5 wt%, 10 wt%, and 20 wt%, respectively. The mixture was applied onto the hole transport layer by spin coating in a glove box filled with nitrogen, and then the solvent was completely evaporated to form a photoelectric conversion layer.
이어서, 상기 광전변환층 상에 전자 수송층인 타이타늄옥사이드 (TiOx) 층을 10 nm 미만으로 도포하고, 상기 전자 수송층 상에 금속 전극을 열증착 방법을 이용하여 100 nm 두께의 알루미늄 박막을 형성하여, 유기태양전지를 제조하였다.
Subsequently, a titanium oxide (TiO x ) layer, which is an electron transporting layer, is applied on the photoelectric conversion layer to less than 10 nm, and an aluminum thin film having a thickness of 100 nm is formed on the electron transporting layer using a thermal deposition method. An organic solar cell was prepared.
실험을 위한 장치 및 측정 방법들Apparatus and Measurement Methods for Experiments
광-전류 밀도(J-V) 곡선은 Keithley사의 2400 모델의 소스 측정 장치 및 1.5 AM 조건의 Air mass사의 솔라 시뮬레이터를 사용하여 측정하였다. 금 또는 은 나노입자의 이미지의 측정은 FEI사의 Sirion XL 30 모델의 주사전자현미경을 사용하였으며, 가속 전압은 10 kV 내지 20 kV였다. 유기태양전지의 IPCE는 Newport사의 300 W의 제논 램프와 Newport사의 Cornerstone 260 모델의 모노크로메터로부터 구해진 여기 파장의 함수로써 측정하였다. Photo-current density (J-V) curves were measured using Keithley's 2400 model source measuring device and Air mass's solar simulator at 1.5 AM. The image of gold or silver nanoparticles was measured using a scanning electron microscope of
자외선 광전자 분광분석장치(UPS)를 사용한 측정에 있어서, UPS 측정 챔버는 Kratos Ultra Spectrometer사의 hemispherical electron energy analyzer와 함께 사용되었으며, 압력은 1×10-9 Torr로 유지되었다. UPS 측정은 HeI (hv = 21.2 eV) 소스를 사용하여 진행되었다. UPS 측정 동안, 분석기를 위한 샘플과 2차 에지의 분리를 위해 사용된 샘플 바이어스는 -9 V였다.
In the measurement using an ultraviolet photoelectron spectroscopy device (UPS), the UPS measurement chamber was used with a hemispherical electron energy analyzer from Kratos Ultra Spectrometer and the pressure was maintained at 1 × 10 −9 Torr. UPS measurement is HeI ( hv = 21.2 eV) source. During UPS measurements, the sample bias used for separation of the sample and secondary edges for the analyzer was -9 V.
5 wt% 비율의 금 나노입자를 포함한 유기태양전지의 광전변환층의 경우, 증가된 광흡수 양은 UV흡수(UV-absorption) 증가 및 빛 산란(light scattering) 효과, 그리고 증가된 EQE(external quantum efficiency)로 확인할 수 있었다. 이와 별도로, 광전변환층에서 금속 나노입자의 비율을 1wt% 미만으로 할 경우에는 비교예의 결과와 유사하였으며, 20wt% 이상의 경우 전체적인 태양전지의 효율이 감소되는 결과를 보여, 금속 나노입자가 광전변환층에서 차지하는 비율이 성능증가에 큰 영향을 준다고 볼 수 있다. 5wt% 금 나노입자가 포함된 광전변환층은 물질에 따라 그리고 광전변환층의 두께에 따라 달라지는 결과를 보였다. 도면 8과 같이 금 나노입자가 포함된 광전변환층의 표면을 주사전자현미경을 사용하여 관찰하여 수득한 이미지를 관찰해 보면, 금 나노입자가 광전변환층의 영역에 고르게 분포함을 확인할 수 있었다. In the photovoltaic layer of an organic solar cell containing 5 wt% gold nanoparticles, the increased amount of light absorption increases the UV-absorption and light scattering effects, and the increased external quantum efficiency. Was confirmed. Separately, when the ratio of the metal nanoparticles in the photoelectric conversion layer was less than 1wt%, the results were similar to those of the comparative example, and in the case of 20wt% or more, the overall efficiency of the solar cell was reduced. It can be said that the ratio occupied by has a big influence on the performance increase. The photoelectric conversion layer containing 5wt% gold nanoparticles showed the results depending on the material and the thickness of the photoelectric conversion layer. Observing the image obtained by observing the surface of the photoelectric conversion layer containing gold nanoparticles as shown in Figure 8 using a scanning electron microscope, it was confirmed that the gold nanoparticles are evenly distributed in the region of the photoelectric conversion layer.
특히 비교적 큰 금 나노입자를 도입한 광활성 층의 경우, UPS의 결과를 포함하는 도 15d에서 볼 수 있듯, 금(Au) 나노입자를 포함하는 광전변환층은 우수한 정공 전달 특성을 보이는데, 왜냐하면, 비교적 큰 금속 나노입자가 작은 금속 나노입자에 비해 유기태양전지의 광전변환층과 금속입자간 줄어든 계면에 의해 보다 우수한 전하 전달 특성을 보일 수 있기 때문이다.
Particularly in the case of photoactive layers incorporating relatively large gold nanoparticles, the photoelectric conversion layer containing gold (Au) nanoparticles shows good hole transport properties, as can be seen in FIG. This is because the large metal nanoparticles may exhibit better charge transfer characteristics due to the reduced interface between the photovoltaic layer and the metal particles of the organic solar cell than the small metal nanoparticles.
<< 비교예Comparative Example 1> 1>
비교예 1의 유기태양전지의 제조는 기본적으로 상기 실시예 2와 대부분 동일하나, 유기태양전지의 광전변환층의 구성 성분에 있어서, 전자 공여체/전자 수용체에 10 nm미만의 사이즈를 갖는 금 (Au) 나노입자를 세 가지 전자 공여체/전자수용체 (P3HT/PC70BM, PCDTBT/PC70BM, Si-PCPDTBT/PC70BM)에 최적 비율(5 중량%)로 혼합하여 분산시킨 점에서 차이가 있다.
Fabrication of the organic solar cell of Comparative Example 1 is basically the same as that of Example 2, but in the components of the photoelectric conversion layer of the organic solar cell, gold having a size of less than 10 nm in the electron donor / electron acceptor (Au ) Nanoparticles are mixed and dispersed in three electron donor / electron acceptors (P3HT / PC 70 BM, PCDTBT / PC 70 BM, Si-PCPDTBT / PC 70 BM) at the optimum ratio (5% by weight). .
<< 비교예Comparative Example 2> 2>
비교예 2의 유기태양전지의 제조는 기본적으로 상기 실시예 2와 동일하나, 유기태양전지의 광전변환층의 구성 성분에 있어서, 금 나노입자를 첨가하지 않고 상기 전자 공여체/전자 수용체만을 사용하였다.
Fabrication of the organic solar cell of Comparative Example 2 was basically the same as that of Example 2, but in the constituent components of the photoelectric conversion layer of the organic solar cell, only the electron donor / electron acceptor was used without adding gold nanoparticles.
하기 표 1에서, 실시예 2, 비교예 1, 및 비교예 2의 태양전지의 에너지변환효율(%), 단락전류밀도(mA/cm2), 개방회로전압(V), Fill factor을 나타냈다.
In Table 1 below, the energy conversion efficiency (%), short circuit current density (mA / cm 2 ), open circuit voltage (V), and fill factor of the solar cells of Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 are shown.
(70(70
nmnm
AuAu
NPsNPs
))
(~10(~ 10
nmnm
AuAu
NPsNPs
))
((
RefRef
. .
CellCell
))
상기 광전변환층에 금 나노입자가 첨가된 유기태양전지에 특성에 대하여 하기 도 8 내지 도 17을 이용하여 더욱 자세히 설명된다.The characteristics of the organic solar cell to which gold nanoparticles are added to the photoelectric conversion layer will be described in more detail with reference to FIGS. 8 to 17.
도 8은 상기 실시예에서 사용된 트런케이티드 금 나노입자가 5 중량% 함량으로 함유된 광전변환층(P3HT/PC70BM)의 주사전자현미경 사진과 트런케이티드 금 나노입자의 다면체 구조이다. 상기 금 나노입자가 상기 광전변환층에 매우 균일하고 밀도있게 분산되어 있음을 알 수 있다.FIG. 8 is a scanning electron micrograph of a photoelectric conversion layer (P3HT / PC 70 BM) containing 5 wt% of the truncated gold nanoparticles used in the embodiment and a polyhedral structure of the truncated gold nanoparticles. It can be seen that the gold nanoparticles are dispersed very uniformly and densely in the photoelectric conversion layer.
도 9는 상기 실시예에서 사용된 전자 공여체로서 PCDTBT, Si-PCPDTBT 및 P3HT와, 전자 수용체로서 사용된 PC70BM (PCBM)의 구조를 나타낸다. PCDTBT는 높은 개방-회로 전압에 연결된 5.5 eV의 HOMO 에너지와 깊이 연관되어 있는 것으로 보인다. 상기 P3HT와 Si-PCPDTB는 결정성을 가지며, 상기 PCDTBT는 비결정성을 가지는 물질이다. 한편, 상기 Si-PCPDTBT는 낮은 밴드갭(Low band gap)을 가지는 물질로서, 약 300 nm ~ 800 nm 파장을 흡수하는 상기 PCDTBT와 P3HT와 비교하여, 약 1,100 nm 근처 영역의 파장을 흡수할 수 있는 물질이다. 9 shows the structure of PCDTBT, Si-PCPDTBT and P3HT as electron donors used in the above examples, and PC 70 BM (PCBM) used as electron acceptors. PCDTBT appears to be deeply related to the HOMO energy of 5.5 eV coupled to the high open-circuit voltage. The P3HT and Si-PCPDTB have crystallinity, and the PCDTBT is amorphous. On the other hand, the Si-PCPDTBT is a material having a low band gap, and compared with the PCDTBT and P3HT, which absorbs a wavelength of about 300 nm to 800 nm, it can absorb a wavelength of about 1,100 nm region It is a substance.
도 10은 상기 실시예에서 사용된 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자가 5 중량% 함유된 유기태양전지와 상기 금 나노입자를 함유하지 않은 유기태양전지의 IPCE 분석이며, 전자 공여체 물질이 (a) P3HT, (b) PCDTBT, 및 (c) Si-PCPDTBT이다. 상기 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자를 함유하는 광전변환층 셀의 입사 광자-대-전류 효율 (incident photon-to-current efficient, IPCE) 스펙트럼 결과에서, 금 나노입자로부터의 개별적인 효율적인 빛 산란 및 향상된 전하 이송 향상이 있다.FIG. 10 is an IPCE analysis of an organic solar cell containing 5 wt% of the truncated octaheadron gold nanoparticles used in the above example and an organic solar cell not containing the gold nanoparticles. ) P3HT, (b) PCDTBT, and (c) Si-PCPDTBT. In the incident photon-to-current efficient (IPCE) spectral results of the photovoltaic layer cell containing the truncated octahedron gold nanoparticles, individual efficient light scattering from the gold nanoparticles and There is an improved charge transfer enhancement.
도 11은 상기 실시예에서 사용된 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자를 5 중량% 함유한 유기태양전지 및 금 나노입자를 함유하지 않는 유기태양전지의 전류 밀도(J)-전압(V) 그래프이며, 전자 공여체 물질이 (a) PCDTBT 및 (b) Si-PCPDTBT이다. (a)의 경우, PCDTBT 및 PC70BM을 함유하는 층의 두께는 약 120 nm이며, (b)의 경우, Si-PCPDTBT 및 PC70BM을 함유하는 층의 두께는 약 150 nm이다.11 is a graph of current density (J) -voltage (V) of an organic solar cell containing 5 wt% of the truncated octaheadron gold nanoparticles used in the above example and an organic solar cell containing no gold nanoparticles. Electron donor materials are (a) PCDTBT and (b) Si-PCPDTBT. For (a) the thickness of the layer containing PCDTBT and PC 70 BM is about 120 nm, and for (b) the thickness of the layer containing Si-PCPDTBT and PC 70 BM is about 150 nm.
도 12는 상기 실시예에서 사용된 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자 (T-Octa)를 각각 0 중량%, 1 중량%, 5 중량%, 10 중량%, 및 20 중량% 함유하고, P3HT/PC70BM을 포함하는 광전변환층을 이용하여 제조된 유기태양전지의 전류 밀도(J)-전압(V) 그래프이다. 상기 0 중량%의 경우는 기준(Ref(BHJ))과 동일하다. 상기 전류 밀도-전압 그래프의 결과, T-Octa가 5 중량% 내지 10 중량%가 함유된 광전변환층의 광전변환 성능이 가장 우수할 것으로 판단된다.FIG. 12 contains 0 wt%, 1 wt%, 5 wt%, 10 wt%, and 20 wt% of the truncated octahedron gold nanoparticles (T-Octa) used in the above examples, respectively. It is a current density (J) -voltage (V) graph of an organic solar cell manufactured using a photoelectric conversion layer including PC 70 BM. In the case of the above 0% by weight, it is the same as the reference Ref (BHJ). As a result of the current density-voltage graph, it is determined that the photoelectric conversion performance of the photoelectric conversion layer containing 5 wt% to 10 wt% of T-Octa is the best.
도 13은 상기 실시예에서 사용된 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자를 5 중량% 함유하거나 상기 금 나노입자를 함유하지 않은 유기태양전지의 전류 밀도(J)-전압(V) 그래프이며, 전자 공여체 물질이 (a) P3HT, (b) PCDTBT, 및 (c) Si-PCPDTBT이다. 증가한 J는 금 나노입자에 의한 다수의 빛 산란 때문에 광전변환층에서 많은 빛이 수확되었음을 보인다. 상기 실시예에 따른 유기태양전지에 있어서, 광 흡수는 직접적으로 알루미늄 캐소드가 투명하지 않기 때문에 결정될 수 없다. 그러므로, 널리 퍼진 반사 스펙트럼을 측정하여 하기 도 13에 도시하였다.FIG. 13 is a current density (J) -voltage (V) graph of an organic solar cell containing 5 wt% of the truncated octaheadron gold nanoparticles used in the above example or no containing gold nanoparticles, and FIG. Donor materials are (a) P3HT, (b) PCDTBT, and (c) Si-PCPDTBT. The increased J shows that much light has been harvested in the photoelectric conversion layer due to the large number of light scattering by the gold nanoparticles. In the organic solar cell according to the embodiment, the light absorption cannot be directly determined because the aluminum cathode is not transparent. Therefore, the prevailing reflection spectrum was measured and shown in FIG.
도 14는 본 실시예에 있어서 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자를 5 중량% 함유하거나 상기 금 나노입자를 함유하지 않은 유기태양전지의 확산 반사율 (Reflectance)-파장 (λ) 그래프이다. 금 나노입자가 들어갔거나 그렇지 않은 P3HT/PC70BM 장치에서의 널리 퍼진 반사 스펙트럼을 보였다. 금 나노입자가 들어간 장치의 제일 낮은 반사도가 입사 광의 강한 흡수를 시사한다.FIG. 14 is a diffraction reflectance-wavelength (λ) graph of an organic solar cell containing 5 wt% of the truncated octaheadron gold nanoparticles or no gold nanoparticles in the present embodiment. It showed widespread reflection spectra on P3HT / PC 70 BM devices with or without gold nanoparticles. The lowest reflectivity of devices containing gold nanoparticles suggests strong absorption of incident light.
상기 실시예에서 사용된 금 나노입자는 일 함수가 5.1 eV를 가지는 것으로 예측되었고(P3HT의 에너지 HOMO 에너지 레벨인 5.2 eV에 가까움), 그러므로 홀 방출을 위한 작은 에너지 배리어의 결과로 나타났다.The gold nanoparticles used in this example were predicted to have a work function of 5.1 eV (close to 5.2 eV, the energy HOMO energy level of P3HT), and thus resulted in a small energy barrier for hole emission.
도 15는 상기 실시예에 있어서, (a) P3HT/PC70BM을 포함하는 광전변환층에 평균 크기가 10 nm 이하인 금 나노입자를 함유한 유기태양전지의 에너지 밴드 다이어그램, (b) P3HT/PC70BM을 포함하는 광전변환층에 평균 크기가 70 nm인 금 나노입자를 함유한 유기태양전지의 에너지 밴드 다이어그램, (c) UPS 스펙트럼, (d) 각 성분의 에너지 밴드이다.15 is an energy band diagram of an organic solar cell containing (a) gold nanoparticles having an average size of 10 nm or less in a photoelectric conversion layer including P3HT / PC 70 BM in the above embodiment, (b) P3HT / PC An energy band diagram of an organic solar cell containing 70 nm gold nanoparticles having an average size of 70 nm in a photoelectric conversion layer containing 70 BM, (c) UPS spectrum, and (d) energy band of each component.
도 15a 및 도 15b에 도시된 바와 같이, 홀이 계면을 따라서 이동하기 때문에 상대적으로 크기가 작은 금 나노입자를 함유하는 시스템보다 큰 금 나노입자를 함유하는 시스템의 계면이 더 작아서, 병렬 저항을 감소시킬수 있다.As shown in FIGS. 15A and 15B, because the holes move along the interface, the interface of the system containing the large gold nanoparticles is smaller than that of the system containing the relatively small gold nanoparticles, thereby reducing the parallel resistance. You can.
자외선 광전자 분광분석기 (ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS)가 금 나노입자가 혼합된 층의 에너지 레벨을 측정하려고 사용되었다.Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) was used to measure the energy levels of layers mixed with gold nanoparticles.
도 15c는 상기 실시예에 있어서 UPS 스펙트럼이며, 1) ITO, 2) P3HT/PC70BM을 포함하는 광전변환층, 및 3) 평균 크기가 70 nm인 금 나노입자를 함유한 광전변환층이다. 기준 기재로써 사용한 ITO (까만색), 광전변환층 재료인 P3HT/PC70BM (파란색), 및 금 나노입자를 함유한 P3HT/PC70BM (빨간색)의 UPS 결과를 보였다.FIG. 15C is a UPS spectrum in the above embodiment, which is a photoelectric conversion layer containing 1) ITO, 2) a photoelectric conversion layer containing P3HT / PC 70 BM, and 3) gold nanoparticles with an average size of 70 nm. UPS results of ITO (black) used as a reference substrate, P3HT / PC 70 BM (blue) as the photoelectric conversion layer material, and P3HT / PC 70 BM (red) containing gold nanoparticles were shown.
도 15d는 상기 실시예에 있어서 에너지 다이어그램이며, P3HT/PC70BM, 금 나노입자를 함유한 P3HT/PC70BM, 및 ITO이다.Figure 15d is a diagram of energy and, P3HT / PC 70 BM, P3HT / PC containing the gold nano-particles 70 BM, and ITO in the above embodiment.
도 15c 및 도 15d에서, 2차 전자 차단 영역의 조사는 진공에너지 레벨(EVAC)에서의 시프트 (shift)의 추출을 가능케 한다; EVAC 시프트는 계면 쌍극자 (interfacial dipole)의 강도 (magnitude)를 위해 측정되었다. 혼합된 층의 증착은 높은 바인딩 에너지 쪽으로 시프트 되었다. 혼합물 HOMO 에너지 레벨 (EHOMO)은 작은 결합 에너지 영역 (0 내지 3 eV)을 사용하여 결정되었다. 홀 주입 배리어 (Φh)는 EHOMO와 제로 결합 에너지(ITO 기재의 일 함수에 관계됨)간의 에너지 차이이다. P3HT/PC70BM의 홀 주입 배리어 Φh =0.45 eV 였다. 그러므로, 금 나노입자의 도입은 Φh 를 0.1 eV 감소시킨다. 이 작은 Φh 는 P3HT에서 ITO 전극으로의 HOMO 에너지로부터 캐스케이드 홀 변환 (cascade hole transfer)을 가할 수 있다; 효율적인 홀 추출은 전자/홀 재결합의 가능성을 줄일 수 있으므로, VOC의 증가 결과가 나타났다.In FIGS. 15C and 15D, irradiation of the secondary electron blocking region allows extraction of a shift in the vacuum energy level E VAC ; E VAC shift was measured for the magnitude of the interfacial dipole. Deposition of the mixed layer was shifted towards high binding energy. The mixture HOMO energy level (E HOMO ) was determined using a small binding energy region (0-3 eV). The hole injection barrier Φ h is the energy difference between E HOMO and zero binding energy (related to the work function of the ITO substrate). The hole injection barrier Φ h of P3HT / PC 70 BM was 0.45 eV. Therefore, the introduction of gold nanoparticles reduces Φ h by 0.1 eV. This small Φ h can apply cascade hole transfer from HOMO energy from P3HT to the ITO electrode; Efficient hole extraction can reduce the likelihood of electron / hole recombination, resulting in an increase in V OC .
도 15a 내지 도 15d에서, 향상된 FF와 검은색의 I-V 특성을 관찰하고 검증하였다. 검은색의 금 나노입자를 함유하는 장치의 전류가 분로 저항 (shunt resistance)이 상당히 크게 증가됨을 보이므로, 짧은-회로 전류 (short-circuit current)에서의 결과가 기준 장치 (reference device)의 그것보다 더 거대하다. 감소된 누설 전류가 장치 성능을 향상시키는 데 있어서 핵심적인 요소임을 시사한다. 또한, 금 나노입자가 첨가되지 않은 PCDTBT/PC70BM 장치의 병렬 저항이 1.86 Ωcm2이었다가 금이 첨가되면 1.49 Ωcm2이 되었고, Si-PCPDTBT/PC70BM 장치의 병렬 저항이 2.54 Ωcm2이었다가 금이 첨가되면 2.18 Ωcm2이 되었다. 감소된 병렬 저항으로, PCDTBT/PC70BM에서 FF가 0.64 에서 0.65로, Si-PCPDTBT/PC70BM에서 0.63 에서 0.64로 증가했다.In FIGS. 15A-15D, enhanced FF and black IV characteristics were observed and verified. Since the current of the device containing black gold nanoparticles shows a significant increase in shunt resistance, the result at the short-circuit current is higher than that of the reference device. More huge Reduced leakage current is a key factor in improving device performance. In addition, the parallel resistance of the PCDTBT / PC 70 BM device without the gold nanoparticles was 1.86 Ωcm 2 , and when the gold was added, the parallel resistance was 1.49 Ωcm 2 , and the parallel resistance of the Si-PCPDTBT / PC 70 BM device was 2.54 Ωcm 2 . When gold was added, it became 2.18 cm 2 . To the reduced parallel resistance, PCDTBT / from a PC 70 BM FF is at 0.64 0.65, Si-PCPDTBT / from the PC 70 BM increased from 0.63 to 0.64.
도 16은 상기 실시예에 있어서 ITO / PEDOT:PSS / 전자 공여체 / PC70BM / TiOx / Al로 이루어진 유기태양전지의 에너지 밴드 다이어그램이다. 상기 전자 공여체가 P3HT, Si-PCPDTBT, 및 PCDTBT인 경우를 각각 다른 색으로 도시하였다. 상기 전자 공여체가 P3HT인 유기태양전지는 3.3 eV와 5.2 eV 사이의 밴드갭을, Si-PCPDTBT인 유기태양전지는 3.31 eV와 4.8 eV 사이의 밴드갭을, 및 PCDTBT인 유기태양전지는 3.6 eV와 5.5 eV 사이의 밴드갭을 갖는다.FIG. 16 is an energy band diagram of an organic solar cell including ITO / PEDOT: PSS / electron donor / PC 70 BM / TiOx / Al in the above embodiment. The case where the electron donors are P3HT, Si-PCPDTBT, and PCDTBT is shown in different colors. The organic solar cell having the electron donor P3HT has a band gap between 3.3 eV and 5.2 eV, the organic solar cell having Si-PCPDTBT has a band gap between 3.31 eV and 4.8 eV, and the organic solar cell having PCDTBT has 3.6 eV and It has a bandgap between 5.5 eV.
도 17은 상기 실시예에 있어서 두께, 금 나노입자 함유, 및 광전변환층 재료에 따라 달라지는 유기태양전지 효율 그래프이다. 도 17에 있어서, 검은색의 P3HT/PC70BM 광전변환층을 가지는 유기태양전지의 효율이 최고가 되는 두께는 약 220 nm이며, 그 때의 효율이 약 3.7% 였으나, 5 중량%의 금 나노입자가 첨가되자 효율이 약 4.4%로 향상되었다. 붉은색의 PCDTBT/PC70BM 광전변환층을 가지는 유기태양전지의 효율이 최고가 되는 두께는 약 90 nm이며, 그 때의 효율이 약 6.1% 였으나, 5 중량%의 금 나노입자가 첨가되자 효율이 약 6.6%로 향상되었다. 파란색의 Si-PCPDTBT/PC70BM 광전변환층을 가지는 유기태양전지의 효율이 최고가 되는 두께는 약 120 nm이며, 그 때의 효율이 약 4.2% 였으나, 5 중량%의 금 나노입자가 첨가되자 효율이 4.7%로 향상되었다.FIG. 17 is a graph showing organic solar cell efficiency depending on thickness, gold nanoparticle content, and photoelectric conversion layer material in the above embodiment. In FIG. 17, the maximum thickness of the organic solar cell having the black P3HT / PC 70 BM photoelectric conversion layer was about 220 nm, and the efficiency at that time was about 3.7%. The addition increased to about 4.4%. The maximum thickness of the organic solar cell with the red PCDTBT / PC 70 BM photoelectric conversion layer was about 90 nm, and the efficiency was about 6.1%. However, when the 5 wt% gold nanoparticles were added, the efficiency was It improved to about 6.6%. The maximum thickness of the organic solar cell having a blue Si-PCPDTBT / PC 70 BM photoelectric conversion layer was about 120 nm, and the efficiency at that time was about 4.2%, but when 5 wt% gold nanoparticles were added, This improved to 4.7%.
상기 실시예에 따른 유기태양전지에 있어서, 비교적 큰 크기(70 nm)를 가진 금 나노입자의 P3HT/PC70BM, PCDTBT/PC70BM, Si-PCPDTBT/PC70BM를 포함하는 광전변환층으로의 도입은 여러가지 긍정적인 효과를 나타냈다. 트런케이티드 옥타헤드론 구조를 가지는 금 나노입자는 용액 화학 방법에 의해 합성되었다. 금 나노입자의 최적 농도는 약 5 중량% 정도이며, 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자가 광전변환층에 첨가되었을 때, J, FF, 및 IPCE가 증가했다. 이러한 향상 결과들은 금 나노입자가 광전변환층에 존재하게 되어, 빛이 산란되게 되고, 이에 따라 광전변환층에서의 빛 흡수가 증가한 것에 의한 결과이다. 그러나 플라즈몬에 의해 가해진 빛 농도는 특정 파장에서 관찰되지 않았다. 게다가, 향상된 전하 전달 결과가 병렬 저항을 낮추었다. 본원에 따른 상기 광전변환층을 포함하는 유기태양전지에 있어서, 광전변환층에 금 나노입자가 포함되어 최대로 향상되는 PCE 수치는 다음과 같다. 광전변환층이 P3HT/PC70BM인 경우, 상기 광전변환층에 금 나노입자를 포함하지 않았을 때에는 3.5%였지만, 상기 금 나노입자를 포함하게 되면, 4.4%를 기록했다. 광전변환층이 PCDTBT/PC70BM인 경우, 상기 광전변환층에 금 나노입자를 포함하지 않았을 때에는 5.8%였지만, 상기 금 나노입자를 포함하게 되면, 6.5%를 기록했다. 광전변환층이 Si-PCPDTBT/PC70BM인 경우, 상기 광전변환층에 금 나노입자를 포함하지 않았을 때에는 3.9%였지만, 상기 금 나노입자를 포함하게 되면, 4.5%를 기록했다. PCD 수치의 향상은 금 나노입자의 크기에 좌우되며, 광전변환층에 있어서의 금 나노입자의 최적함량이 존재하는 것으로 보인다.In the organic solar cell according to the embodiment, a photoelectric conversion layer comprising a P3HT / PC 70 BM, PCDTBT / PC 70 BM, Si-PCPDTBT / PC 70 BM of gold nanoparticles having a relatively large size (70 nm) The introduction of has had several positive effects. Gold nanoparticles with a truncated octahedron structure were synthesized by solution chemistry. The optimum concentration of gold nanoparticles was about 5% by weight, and when the truncated octaheadron gold nanoparticles were added to the photoelectric conversion layer, J, FF, and IPCE increased. These improvement results are due to the presence of gold nanoparticles in the photoelectric conversion layer, the light is scattered, thereby increasing the light absorption in the photoelectric conversion layer. However, the light concentration exerted by plasmons was not observed at certain wavelengths. In addition, the improved charge transfer results lowered the parallel resistance. In the organic solar cell including the photoelectric conversion layer according to the present application, gold nanoparticles are included in the photoelectric conversion layer to maximize the PCE value as follows. When the photoelectric conversion layer was P3HT / PC 70 BM, it was 3.5% when no gold nanoparticles were included in the photoelectric conversion layer, but 4.4% was recorded when the gold nanoparticles were included. When the photoelectric conversion layer was PCDTBT / PC 70 BM, it was 5.8% when no gold nanoparticles were included in the photoelectric conversion layer, but 6.5% was recorded when the gold nanoparticles were included. When the photoelectric conversion layer was Si-PCPDTBT / PC 70 BM, it was 3.9% when no gold nanoparticles were included in the photoelectric conversion layer, but when the gold nanoparticles were included, 4.5% was recorded. The improvement of the PCD value depends on the size of the gold nanoparticles, and there seems to be an optimum content of the gold nanoparticles in the photoelectric conversion layer.
옥타헤드론 금 나노입자의 플라즈몬 공명은 603 nm에서, 트런케이티드 옥타헤드론 금 나노입자의 플라즈몬 공명은 530 nm에서 나타났다. 70 nm 크기의 옥타헤드랄 금 나노입자를 이용한 유기태양전지와 트런케이티드 옥타헤드랄 금 나노입자를 이용한 유기태양전지는 PCE의 향상 경향이 비슷했으며, 폭 넓은 밴드 응답도 비슷했다. 폭이 좁은 밴드의 플라즈몬 응답으로부터, 로컬 필드 향상은 지배적인 매커니즘이 아니다. 다중 산란은 광전변환층에서의 긴 광 경로로 이어지고, PCE의 향상을 나타냈다.
The plasmon resonance of the octahedron gold nanoparticles was 603 nm and the plasmon resonance of the truncated octahedron gold nanoparticles was 530 nm. Organic solar cells using 70 nm octahedral gold nanoparticles and organic solar cells using truncated octahedral gold nanoparticles showed similar trends in PCE enhancement and broad band response. From the plasmon response of narrow bands, local field enhancement is not a dominant mechanism. Multiple scattering led to a long light path in the photoelectric conversion layer, indicating an improvement in PCE.
<< 실시예Example 3> 은 나노입자의 제조 3> Preparation of Silver Nanoparticles
AgNO3가 94 mM 농도로 용해된 수용액을 3.0 ml, 폴리비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolydone, PVP)이 147 mM 농도로 녹은 수용액을 3.0 ml, 폴리올 (polyol)을 6 ml를 바이알에 넣고 혼합한 후, 1 시간 동안 140℃의 열을 가했다. AgNO3는 은 나노입자의 전구체로서, PVP는 계면활성제로서 사용하였다. 은 나노입자의 크기를 제어하는 것은, 1,2-프로판디올 (1,2-propanediol, PrD), 1,4-부탄디올 (1,4-butanediol, BD), 및 1,5-펜탄디올 (1,5-pentanediol, PtD)의 세 가지 종류의 폴리올을 사용하였다. 가장 작은 나노입자는 가장 점도가 높은 분산매 (medium)에서 합성되었다. 폴리올의 점도는 탄화수소 사슬이 길어짐에 따라서, PrD < BD < PtD 순으로 증가하였다. 합성된 나노입자의 크기는 PrD (60 nm) > BD (40 nm) > PtD (30 nm) 순으로 감소한다. 합성된 은 나노입자는 합성된 용액에 물과 에탄올을 첨가하고 원심분리하여 수득하였다.3.0 ml of an aqueous solution of AgNO 3 dissolved in 94 mM concentration, 3.0 ml of an aqueous solution of polyvinylpyrrolydone (PVP) dissolved in 147 mM concentration, and 6 ml of polyol were mixed in a vial, Heat of 140 ° C. was applied for 1 hour. AgNO 3 was used as a precursor of silver nanoparticles and PVP was used as a surfactant. Controlling the size of the silver nanoparticles includes 1,2-propanediol (1,2-propanediol, PrD), 1,4-butanediol (1,4-butanediol, BD), and 1,5-pentanediol (1 Three kinds of polyols were used, 5-pentanediol and PtD). The smallest nanoparticles were synthesized in the most viscous medium. The viscosity of the polyols increased in order of PrD <BD <PtD as the hydrocarbon chain became longer. The size of the synthesized nanoparticles decreases in the order of PrD (60 nm)> BD (40 nm)> PtD (30 nm). The synthesized silver nanoparticles were obtained by adding water and ethanol to the synthesized solution and centrifuging.
도 18은 본 실시예에 있어서 폴리올을 포함하는 분산매에서 NaBH4에 의해 제조된 은 나노입자의 주사전자현미경 사진이며, 폴리올이 (a) 에틸렌 글리콜 (ethylene glycol, EG), (b) 1,2-프로판디올 (1,2-propanediol, PrD), (c) 1,4-부탄디올 (1,4-butanediol, BD), (d) 1,5-펜탄디올 (1,5-pentanediol, PtD)인 경우이다. (a), (b), (c), 및 (d)의 경우에 있어서, 각각의 입자의 크기가 20±9 nm, 17±5 nm, 12±3 nm, 5±1 nm였다.FIG. 18 is a scanning electron micrograph of silver nanoparticles prepared by NaBH 4 in a dispersion medium containing polyol in this embodiment, wherein the polyol is (a) ethylene glycol (EG), (b) 1,2 Propanediol (1,2-propanediol, PrD), (c) 1,4-butanediol (1,4-butanediol, BD), (d) 1,5-pentanediol (1,5-pentanediol, PtD) If it is. In the case of (a), (b), (c), and (d), the size of each particle was 20 ± 9 nm, 17 ± 5 nm, 12 ± 3 nm, 5 ± 1 nm.
도 19는 본 실시예에 있어서 폴리올이 인 분산매에서 제조된 은 나노입자의 주사전자현미경 사진과 입자 크기 분포를 나타낸 것이며, 폴리올이 (a) 에틸렌 글리콜 (ethylene glycol, EG), (b) 1,2-프로판디올 (1,2-propanediol, PrD), (c) 1,4-부탄디올 (1,4-butanediol, BD), (d) 1,5-펜탄디올 (1,5-pentanediol, PtD)인 경우이다. (a), (b), (c), 및 (d)의 경우에 있어서, 각각의 입자의 크기가 144±50 nm, 61±20 nm, 42±11 nm, 30±5 nm였다.
FIG. 19 shows a scanning electron micrograph and particle size distribution of silver nanoparticles prepared in a dispersion medium of polyol in the present embodiment, wherein the polyol is (a) ethylene glycol (EG), (b) 1, 2-propanediol (1,2-propanediol, PrD), (c) 1,4-butanediol (1,4-butanediol, BD), (d) 1,5-pentanediol (1,5-pentanediol, PtD) If In the case of (a), (b), (c), and (d), the size of each particle was 144 ± 50 nm, 61 ± 20 nm, 42 ± 11 nm, 30 ± 5 nm.
<< 실시예Example 4> 은 나노입자를 함유하는 유기태양전지 4> Organic Solar Cells Containing Silver Nanoparticles
PCDTBT/PC70BM과 은 나노입자를 혼합하는 것에 기반한 유기태양전지가 도 28에서 보여졌다. 세척공정에 의해 ITO 기재의 불순물들을 제거하였다. ITO 기재를 UV에 15분간 노출하여 표면을 개질한 다음, 정공 수송층인 PEDOT:PSS를 35 nm 두께로 ITO 기재 상에 스핀코팅한 후, 140℃로 10 분간 열처리했다. 상기 PEDOT:PSS 상에, 혼합액을 스핀코팅하여 광전변환층을 80 nm 두께로 형성하는데, 상기 혼합액의 조성은 1,2-디클로로벤젠/클로로벤젠이 3:1로 섞인 혼합 용매에 PCDTBT/PC70BM이 1:4의 비율로 녹은 것에 각각 0.2 wt%, 1 wt%, 및 2 wt%의 은 나노입자를 첨가한 것이다. 이어서, 상기 기재를 글로브 박스에서 10 분간 80℃로 건조하였다. 상기 PCDTBT/PC70BM 광전변환층 상에 전자 수송층인 TiOx를 5000 rpm으로 40 초 동안 스핀코팅하여 10 nm 두께가 되도록 하고, 알루미늄 전극을 4.0 Ⅹ 10-6 Torr 의 압력하에 열 증착법 (thermal evaporation)에 의해 100 nm 두께로 형성하였다.
An organic solar cell based on mixing PCDTBT / PC 70 BM and silver nanoparticles is shown in FIG. 28. ITO-based impurities were removed by the washing process. After exposing the ITO substrate to UV for 15 minutes to modify the surface, the hole transport layer PEDOT: PSS was spin-coated on the ITO substrate to a thickness of 35 nm and then heat-treated at 140 ° C. for 10 minutes. On the PEDOT: PSS, the liquid mixture is spin coated to form a photoelectric conversion layer having a thickness of 80 nm. The composition of the liquid mixture is PCDTBT / PC 70 in a mixed solvent of 1,2-dichlorobenzene / chlorobenzene mixed at 3: 1. 0.2 wt%, 1 wt%, and 2 wt% of silver nanoparticles were added to the BM melted at a ratio of 1: 4. The substrate was then dried at 80 ° C. for 10 minutes in a glove box. On the PCDTBT / PC 70 BM photoelectric conversion layer, TiOx, an electron transporting layer, was spin-coated at 5000 rpm for 40 seconds to have a thickness of 10 nm, and the aluminum electrode was thermally evaporated under a pressure of 4.0 Ⅹ 10 -6 Torr. Formed to a thickness of 100 nm.
실험을 위한 장치 및 측정 방법들Apparatus and Measurement Methods for Experiments
상기 형성된 유기태양전지의 광-전류 밀도(J-V) 곡선은 Keithley사의 236 모델의 소스 측정 장치 및 1.5 AM 조건의 Air Mass사의 솔라 시뮬레이터를 사용하여 1000 W/m2의 강도에서 측정하였다. 상기 유기태양전지 면적의 정확성을 확보하기 위하여 9.84 mm2 면적의 아퍼쳐(aperture)가 상기 유기태양전지의 상부에 사용되었다. 표면 형상은 AFM (Veeco, USA; D3100) 과 주사전자현미경 ( FEI사의 Sirion XL 30모델)을 이용하여 분석되었다.
The photo-current density (JV) curve of the formed organic solar cell was measured at an intensity of 1000 W / m 2 using a source measuring device of Keithley's 236 model and a solar simulator manufactured by Air Mass at 1.5 AM. In order to secure the accuracy of the organic solar cell area, an aperture of 9.84 mm 2 was used on the top of the organic solar cell. Surface morphology was analyzed using AFM (Veeco, USA; D3100) and scanning electron microscope (
도 20은 본 실시예에 있어서 사용된 PCDTBT와 PC70BM의 화학 구조, 유기태양전지의 개략도, 및 폴리올 공정을 사용함에 의해 다양한 크기로 합성된 은 나노입자의 주사전자현미경 사진들이다. 상기 유기태양전지는 ITO 투명 전극, 상기 투명 전극 상의 PEDOT:PSS 정공 수송층, 상기 정공 수송층 상의 PCDTBT/PC70BM 및 은 나노입자를 함유하는 광전변환층, 상기 광전변환층 상의 TiOx 전자 수송층, 및 상기 전자 수송층 상의 알루미늄 금속 전극 순으로 형성되었다. 도 20의 우측에는 상부로부터 평균 크기가 각각 약 30 nm, 약 40 nm, 및 약 50 nm인 은 나노입자의 주사전자현미경 사진들이 도시되었다.20 are scanning electron micrographs of silver nanoparticles synthesized in various sizes by using the chemical structure of PCDTBT and PC 70 BM used in this example, a schematic diagram of an organic solar cell, and a polyol process. The organic solar cell includes an ITO transparent electrode, a PEDOT: PSS hole transport layer on the transparent electrode, a photoelectric conversion layer containing PCDTBT / PC 70 BM and silver nanoparticles on the hole transport layer, a TiOx electron transport layer on the photoelectric conversion layer, and the It was formed in the order of the aluminum metal electrode on the electron transport layer. 20 shows scanning electron micrographs of silver nanoparticles having an average size of about 30 nm, about 40 nm, and about 50 nm from the top, respectively.
도 21은 본 실시예에 있어서 UV/Vis 스펙트럼 분석 결과이며, 각 그래프의 대상은 (a) 30 nm, 40 nm, 및 60 nm 직경의 은 나노입자, (b) 40 nm 직경의 은 나노입자를 1% 함유하거나 상기 은 나노입자를 함유하지 않은 PCDTBT/PC70BM을 포함하는 광전변환층에 해당한다. 약 60 nm 크기의 은 나노입자의 UV/Vis 스펙트럼이 가장 넓은 영역을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 약 40 nm 크기의 은 나노입자를 함유하는 광전변환층이 상기 은 나노입자를 함유하지 않은 광전변환층 보다 광 흡수 강도가 더 높은 것으로 나타났다. 또한, 도 21b의 내부에 도시된 것은, 광전변환층 내부에 함유된 은 나노입자들이 클러스터를 형성하여 빛을 산란 또는 반사시키는 것의 개략도이다.FIG. 21 shows the results of UV / Vis spectra analysis in this example, wherein the targets of the graphs are (a) silver nanoparticles having a diameter of 30 nm, 40 nm, and 60 nm, and (b) silver nanoparticles having a diameter of 40 nm. Corresponding to the photoelectric conversion layer containing PCDTBT / PC 70 BM containing 1% or does not contain the silver nanoparticles. The UV / Vis spectrum of silver nanoparticles with a size of about 60 nm was found to occupy the largest area. It was shown that the photoelectric conversion layer containing silver nanoparticles having a size of about 40 nm has a higher light absorption intensity than the photoelectric conversion layer containing no silver nanoparticles. Also shown in FIG. 21B is a schematic diagram of silver nanoparticles contained in the photoelectric conversion layer forming clusters to scatter or reflect light.
도 22는 본원의 일 실시예에 따라 제조된 유기태양전지용 광전변환층의 표면을 AFM으로 관찰한 사진이며, 좌측 상단은 PCDTBT/PC70BM을 포함하는 광전변환층, 우측 상단은 40 nm 직경의 은 나노입자를 1 중량% 함유한 광전변환층, 좌측 하단은 40 nm 직경의 은 나노입자를 1 중량% 함유한 광전변환층의 저해상도 사진, 및 우측 하단은 40 nm 직경의 은 나노입자를 1 중량% 함유한 광전변환층의 고해상도 사진이다.22 is an AFM photograph of the surface of the photovoltaic layer for an organic solar cell manufactured according to an embodiment of the present application, the upper left side of the photoelectric conversion layer containing PCDTBT / PC 70 BM, the upper right side of the 40 nm diameter A photoelectric conversion layer containing 1% by weight of silver nanoparticles, the lower left is a low-resolution photograph of the photoelectric conversion layer containing 1% by weight of silver nanoparticles having a 40 nm diameter, and the lower right side has 1 weight of silver nanoparticles having a 40 nm diameter It is a high resolution photograph of a photoelectric conversion layer containing%.
도 23은 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 30 nm, 40 nm, 50 nm 직경의 은 나노입자를 1 중량% 함유한 유기태양전지 및 상기 은 나노입자를 함유하지 않은 유기태양전지 각각의 (a) 전류 밀도(J)-전압(V) 그래프, (b) 40 nm 직경의 은 나노입자를 1 중량% 함유한 광전변환층의 파장별 EQE 향상 및 EQE 스펙트럼, (c) UPS 스펙트럼, (d) 에너지 다이어그램이다. 도 23a에 있어서, 그 대상은 PCDTBT/PC70BM을 포함하는 광전변환층, 상기 광전변환층에 30 nm 직경의 은 나노입자를 함유한 것, 상기 광전변환층에 40 nm 직경의 은 나노입자를 함유한 것, 및 상기 광전변환층에 60 nm 직경의 은 나노입자를 함유한 것이다. 전류 밀도가 음의 방향으로 가장 큰 것이 40 nm 직경의 은나노입자를 함유하는 광전변환층으로 나타났다. 도 23b는 은 나노입자 클러스터가 광전변환층 내부에 형성된 것의 EQE 향상을 나타내었다. 도 23c에 있어서, 결합 에너지 (binding energy)의 강도가 은 나노입자 클러스터를 함유하는 샘플에서 더 크게 나타났다. 도 23d에 있어서, Evac는 진공 레벨 (vacuum level), EF는 페르미 레벨 (Fermi level), Δ는 계면 쌍극자 (interfacial dipole), 및 Φh는 홀 주입 장벽 (hole injection barrier)을 의미한다. 에너지 밴드 이론에 의해서, 광전변환층에서 빛에 의해 여기된 전자 및 정공은 상기 도 34에 도시된 에너지 밴드 차이를 건너 최종적으로 ITO 투명 전극과 알루미늄 금속 전극 간에 전압차를 생성할 수 있으며, 광전변환층이 은 나노입자 클러스터를 함유하는 것은, LUMO가 높아지는 결과를 불러와, 홀 주입 장벽의 변화를 가져오게 되었다.FIG. 23 illustrates an organic solar cell including 1 wt% of silver nanoparticles having a diameter of 30 nm, 40 nm, and 50 nm, and an organic solar cell not containing the silver nanoparticles, respectively, according to an embodiment of the present disclosure. ) Current density (J) -voltage (V) graph, (b) EQE enhancement and EQE spectrum for each wavelength of a photoelectric conversion layer containing 1 wt% of silver nanoparticles of 40 nm diameter, (c) UPS spectrum, (d) Energy diagram. In FIG. 23A, the object is a photoelectric conversion layer containing PCDTBT / PC 70 BM, containing 30 nm diameter silver nanoparticles in the photoelectric conversion layer, and 40 nm diameter silver nanoparticles in the photoelectric conversion layer. And silver nanoparticles having a diameter of 60 nm in the photoelectric conversion layer. The largest current density in the negative direction was found to be a photoelectric conversion layer containing 40 nm diameter silver nanoparticles. FIG. 23B shows the EQE improvement of the silver nanoparticle clusters formed inside the photoelectric conversion layer. In FIG. 23C, the strength of the binding energy was greater in the sample containing silver nanoparticle clusters. In FIG. 23D, E vac denotes a vacuum level, E F denotes a Fermi level, Δ denotes an interfacial dipole, and Φ h denotes a hole injection barrier. According to the energy band theory, electrons and holes excited by light in the photoelectric conversion layer may cross the energy band difference shown in FIG. 34 and finally generate a voltage difference between the ITO transparent electrode and the aluminum metal electrode, and photoelectric conversion The inclusion of silver nanoparticle clusters in the layer results in a higher LUMO, resulting in a change in the hole injection barrier.
결론적으로, PCDTBT/PC70BM 은 나노입자 클러스터를 함유하는 광전변환층을 포함하는 유기태양전지에 있어서, 여러 긍정적인 효과가 나타났다. 은 나노입자는 다양한 크기로 용액 폴리올 화학 공정에 의해서 합성되었으며, 상기 공정은 반응 물질과 반응 조건의 조절을 통해 실시되었다. 광전변환층을 스핀캐스팅할 때, 은 나노입자들이 뭉쳐 클러스터를 형성하였다. 은 나노입자 클러스터는 유기태양전지의 전압(V), 전류(J), FF, 및 EQE를 향상시켰다. 이러한 결과들은 향상된 광 흡수로부터 비롯되었다. 향상된 전하 전달은 J값의 증가와 저항의 감소로 나타났다. 마지막으로, 40 nm 크기의 은 나노입자로 이루어진 클러스터가 광전변환층에 1 중량% 포함되게 되면, 상기 광전변환층을 포함하는 유기태양전지의 광전 변환 효율이 6.3%에서 7.1%로 증가하였다.
In conclusion, PCDTBT / PC 70 BM has several positive effects in the organic solar cell including the photoelectric conversion layer containing the nanoparticle cluster. Silver nanoparticles were synthesized by solution polyol chemistry processes in various sizes, which were carried out by controlling the reactants and reaction conditions. When spincasting the photoelectric conversion layer, silver nanoparticles aggregated to form clusters. Silver nanoparticle clusters improve the voltage (V), current (J), FF, and EQE of organic solar cells. These results result from improved light absorption. Improved charge transfer resulted in an increase in J value and a decrease in resistance. Finally, when the 1 nm by weight of the cluster consisting of 40 nm silver nanoparticles are included in the photoelectric conversion layer, the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell including the photoelectric conversion layer increased from 6.3% to 7.1%.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.
110: 투명 전극
120: 정공 수송층
130: 광전변환층
140: 전자 수송층
150: 금속 전극110: transparent electrode
120: hole transport layer
130: photoelectric conversion layer
140: electron transport layer
150: metal electrode
Claims (15)
상기 투명 전극과 상기 금속 전극 사이에 위치하는 광전변환층을 포함하며,
상기 광전변환층은 전자 공여체 (electron donor)와 전자 수용체 (electron acceptor)의 블렌드 (blend) 내에 분산된 금속 나노입자를 포함하고,
상기 금속 나노입자는 상기 광전변환층의 총중량에 대하여 2 중량% 초과 내지 20 중량% 이하를 포함함으로써, 광흡수 양을 늘려 생성되는 전하의 양을 증가시키고 향상된 전하 이동 특성을 가져오게 되어 유기태양전지의 효율을 증가시키는 것인,
유기태양전지.
A transparent electrode and a metal electrode disposed to face each other; And
It includes a photoelectric conversion layer positioned between the transparent electrode and the metal electrode,
The photoelectric conversion layer includes metal nanoparticles dispersed in a blend of an electron donor and an electron acceptor,
The metal nanoparticles contain more than 2% by weight to 20% by weight with respect to the total weight of the photoelectric conversion layer, thereby increasing the amount of light generated by increasing the amount of light absorption and bringing improved charge transfer characteristics. To increase the efficiency of,
Organic solar cell.
상기 전자 공여체 (electron donor)는 전도성 유기 고분자를 포함하고,
상기 전자 수용체 (electron acceptor)는 풀러렌 (fullerene)계 화합물, 페릴렌계 화합물 또는 반도체성 나노입자를 포함하는 것이며,
상기 전도성 유기 고분자와 상기 풀러렌계 화합물은 벌크 이종접합 (bulk heterojunction = BHJ)을 형성하는 것인, 유기태양전지.
The method of claim 1,
The electron donor comprises a conductive organic polymer,
The electron acceptor includes a fullerene compound, a perylene compound, or semiconducting nanoparticles,
The conductive organic polymer and the fullerene-based compound is to form a bulk heterojunction (bulk heterojunction = BHJ), an organic solar cell.
상기 전도성 유기 고분자는 비결정성 (amorphous) 유기 고분자를 포함하는 것인, 유기태양전지.
3. The method of claim 2,
The conductive organic polymer is an organic solar cell comprising an amorphous organic polymer.
상기 금속 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn), 철(Fe), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 포함하는 것인, 유기태양전지.
The method of claim 1,
The metal nanoparticles are gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), aluminum (Al), copper (Cu), nickel (Ni), zinc (Zn), iron (Fe), And metals selected from the group consisting of combinations thereof.
상기 금속 나노입자의 직경이 30 nm 내지 90 nm인, 유기태양전지.
The method of claim 1,
An organic solar cell having a diameter of the metal nanoparticles of 30 nm to 90 nm.
상기 전도성 유기 고분자는 폴리-3-헥실티오펜 (poly-3-hexylthiophene = P3HT), 폴리(N-9"-헵타-데카닐-2,7-카바졸-알트-5,5-(4',7'-디-2-티에닐-2',1',3')-벤조타이아다이아졸) {poly(N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3')-benzothiadiazole) = PCDTBT}, 폴리[(4, 4'-비스(2-에틸헥실)디티에노[3,2-b:2',3'-d]실롤)-2,6-디일-알트-(4,7-비스(2-티에닐)-2,1,3-벤조타이다이아졸)-5,5'-디일 {poly[(4, 4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-2,6-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5'-diyl = Si-PCPDTBT}, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 유기태양전지.
3. The method of claim 2,
The conductive organic polymer was poly-3-hexylthiophene (poly-3-hexylthiophene = P3HT), poly (N-9 "-hepta-decanyl-2,7-carbazole-al-5,5- (4 '). , 7'-di-2-thienyl-2 ', 1', 3 ')-benzothiadiazole) {poly (N-9 "-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5 -(4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3')-benzothiadiazole) = PCDTBT}, poly [(4,4'-bis (2-ethylhexyl) dithieno [3 , 2-b: 2 ', 3'-d] silol) -2,6-diyl-alt- (4,7-bis (2-thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole) -5 , 5'-diyl {poly [(4, 4'-bis (2-ethylhexyl) dithieno [3,2-b: 2 ', 3'-d] silole) -2,6-diyl-alt- (4, 7-bis (2-thienyl) -2,1,3-benzothiadiazole) -5,5'-diyl = Si-PCPDTBT}, and an organic solar cell comprising one selected from the group consisting of combinations thereof. .
상기 풀러렌계 화합물은 (6,6)-페닐-C61-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester = PC60BM], (6,6)-페닐-C71-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C71-butyric acid methyl ester = PC70BM], (6,6)-페닐-C77-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C77-butyric acid methyl ester = PC76BM], (6,6)-페닐-C79-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C79-butyric acid methyl ester = PC78BM], (6,6)-페닐-C81-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C81-butyric acid methyl ester = PC80BM], (6,6)-페닐-C83-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C83-butyric acid methyl ester = PC82BM], (6,6)-페닐-C85-부티릭에시드 메틸에스테르 [(6,6)-phenyl-C85-butyric acid methyl ester = PC84BM], 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 유기태양전지.
3. The method of claim 2,
The fullerene-based compound (6,6) -phenyl -C 61 - butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester = PC 60 BM], (6,6) - phenyl -C 71 -butyric acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 71 -butyric acid methyl ester = PC 70 BM], (6,6) -phenyl-C 77 -butyric acid methyl ester [(6 , 6) -phenyl-C 77 -butyric acid methyl ester = PC 76 BM], (6,6) - phenyl -C 79 - butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 79 -butyric acid methyl ester = PC 78 BM], ( 6,6) - phenyl -C 81 - butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 81 -butyric acid methyl ester = PC 80 BM], (6,6) -phenyl -C 83 - butyric rigs Acid methyl ester [(6,6) -phenyl-C 83 -butyric acid methyl ester = PC 82 BM], (6,6) - 85 -C-phenyl-butyric rigs Acid methyl ester [ (6,6) -phenyl-C 85 -butyric acid methyl ester = PC 84 BM], and combinations thereof.
상기 금속 나노입자는 옥타헤드론 (octahedron) 금(Au) 나노입자 (nanoparticle) 또는 트런케이티드 옥타헤드론 (truncated octahedron) 금(Au) 나노입자 (nanoparticle)를 포함하는 것인, 유기태양전지.
The method of claim 1,
The metal nanoparticles include octahedron gold (Au) nanoparticles (nanoparticle) or truncated octahedron gold (Au) nanoparticles (nanoparticle), the organic solar cell.
상기 금속 나노입자는 은(Ag) 나노입자를 포함하는 것인, 유기태양전지.
The method of claim 1,
The metal nanoparticles will include silver (Ag) nanoparticles, organic solar cells.
상기 투명 전극과 상기 광전변환층 사이에 형성된 정공 수송층과, 상기 광전변환층과 상기 금속 전극 사이에 형성된 전자 수송층을 추가 포함하는, 유기태양전지.
The method of claim 1,
An organic solar cell further comprising a hole transport layer formed between the transparent electrode and the photoelectric conversion layer, and an electron transport layer formed between the photoelectric conversion layer and the metal electrode.
상기 광전변환층은 10 nm 내지 200 nm 두께의 박막 형태를 가지는 것인, 유기태양전지.
The method of claim 1,
The photovoltaic layer is an organic solar cell having a thin film form of 10 nm to 200 nm thickness.
상기 투명 전극 상에 광전변환층을 형성하는 단계; 및,
상기 광전변환층 상에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 광전변환층은 전자 공여체와 전자 수용체를 포함하는 용액에 금속 나노입자를 혼합하여 분산시켜 제조되고,
상기 금속 나노입자는 상기 광전변환층의 총중량에 대하여 2 중량% 초과 내지 20 중량% 이하를 포함하는 것이고,
상기 광전변환층에 함유된 상기 금속 나노입자로 인하여 광흡수 양을 늘려 생성되는 전하의 양을 증가시키고, 향상된 전하 이동 특성을 가져오게 되어 유기태양전지의 효율을 증가시키는 것인,
제 1 항 내지 제 7 항 및 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 유기태양전지의 제조방법.
Forming a transparent electrode on the transparent substrate;
Forming a photoelectric conversion layer on the transparent electrode; And
Forming a metal electrode on the photoelectric conversion layer;
The photoelectric conversion layer is prepared by mixing and dispersing metal nanoparticles in a solution containing an electron donor and an electron acceptor,
The metal nanoparticles are more than 2% to 20% by weight based on the total weight of the photoelectric conversion layer,
Due to the metal nanoparticles contained in the photoelectric conversion layer to increase the amount of light generated by increasing the amount of light absorption, and to bring improved charge transfer characteristics to increase the efficiency of the organic solar cell,
The method of manufacturing an organic solar cell according to any one of claims 1 to 7 and 10 to 13.
상기 전자 공여체와 전자 수용체를 포함하는 용액은 용매로서 클로로벤젠 (chlorobenzene), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), 클로로포름(chloroform) , 아세톤(acetone), 아세토니트릴(acetonitrile), 디메틸 아세트아미드(dimethylacetamide; DMAc), 디메틸 포름아미드(dimethyl formamide; DMF), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxise; DMSO), 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone), 메틸 n-프로필 케톤(methyl n-propyl ketone), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone; NMP), 프로필렌 카보네이트(propylene carbornate), 니트로메탄(nitromethane), 설포란(sulforane), 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 및 헥사메틸포스포아미드(hexamethylphophoramide; HMP)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 유기태양전지의 제조방법.
15. The method of claim 14,
The solution containing the electron donor and the electron acceptor is chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, chloroform, acetone, acetonitrile, dimethyl as a solvent. Dimethylacetamide (DMAc), dimethyl formamide (DMF), dimethyl sulfoxise (DMSO), methyl ethyl ketone, methyl n-propyl ketone, N-methylpyrrolidone (NMP), propylene carbonate (propylene carbornate), nitromethane, sulfolane, sulforane, ethylene glycol and hexamethylphophoramide (HMP) Comprising one or more selected from the group consisting of, Organic solar cell manufacturing method.
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JP2009158730A (en) | 2007-12-27 | 2009-07-16 | Hitachi Ltd | Organic thin film solar cell and fabrication method of same |
KR100986159B1 (en) | 2008-12-22 | 2010-10-07 | 한국기계연구원 | Organic solar cell enhancing energy conversion efficiency and method for preparing the same |
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- 2011-10-19 KR KR1020110107040A patent/KR101368816B1/en active IP Right Grant
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