KR101048350B1 - 이종접합 나노입자 제조방법, 이종접합 나노입자를 이용한 태양 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

이종접합 나노입자 제조방법, 이종접합 나노입자를 이용한 태양 전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

이종접합 나노입자 제조방법, 이종접합 나노입자를 이용한 태양 전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 이종접합 나노입자 제조방법은, 제1 금속의 염을 DMF(N,N-Dimethylformamide)에 용해하여 제1 용액을 제조하는 단계, 상기 제1 용액을 가열한 후 냉각하는 동안 상기 제1 용액 안에 상기 제1 금속의 화합물 나노입자를 형성하여 p형 나노입자를 형성하는 단계, 상기 제1 금속과는 다른 제2 금속의 염을 DMF에 용해하여 제2 용액을 제조하는 단계, 상기 제2 용액을 가열한 후 냉각하는 동안 상기 제2 용액 안에 상기 제2 금속의 화합물 나노입자를 형성하여 n형 나노입자를 형성하는 단계, 상기 p형 나노입자가 형성된 상기 제1 용액과 상기 n형 나노입자가 형성된 상기 제2 용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계, 및 상기 혼합 용액으로부터 DMF를 제거하는 동안 상기 p형 나노입자와 상기 n형 나노입자를 접합시켜 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

이종접합 나노입자 제조방법, 이종접합 나노입자를 이용한 태양 전지 및 그 제조방법{Method for fabricating hybrid heterostructure composites of nanoparticles, solar cell using hybrid heterostructure composites of nanoparticles and fabrication method thereof}
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 나노입자를 이용한 태양 전지에 관한 것이다.
최근 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신 재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양광발전에 대한 연구개발이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다.
태양 전지는 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 전환시키는 반도체 소자이다. 태양 전지는 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘을 사용하여 p-n 접합 구조로 제작하는 것이 일반적인 것으로서, 그 기본구조는 일반적인 p-n 접합 다이오드와 유사하다.
전기적 성질이 서로 다른 p형의 반도체와 n형의 반도체를 접합시킨 구조를 갖는 태양 전지에 태양광이 조사되면 광에너지에 의한 전자-정공쌍(electron-hole pair)이 생겨나고, 전자와 정공이 이동하여 n형 반도체층과 p형 반도체층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광발전 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다.
상세하게는, 외부에서 빛이 태양 전지에 입사되었을 때 p-n 접합부의 p형 반도체의 가전자대(valence band) 전자는 입사된 광에너지에 의해 전도대(conduction band)로 여기된다. 이렇게 여기된 전자는 p-n 접합부 내부에 한 개의 전자-정공쌍을 생성하게 된다. 상기 전자-정공쌍 중 전자와 정공은 각각 p-n 접합부 사이에 존재하는 전기장에 의해 n형 및 p형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다.
이러한 실리콘 소재의 태양 전지는 다른 소재에 비해 높은 광발전 효율을 나타내기 때문에 일찍부터 상업화가 이루어졌음에도 불구하고, 태양 전지를 제조하는 데 고가의 실리콘을 사용함으로써 태양 전지의 가격이 상승하여 현재까지 한정된 분야에만 사용하고 있다. 그리고, 단결정 실리콘 기반의 태양 전지는 고가의 공정 장비와 실리콘 결정 성장 장비를 사용함으로 저렴하게 태양 전지를 생산하는 것이 불가능하다. 단결정에 비해 가격이 저렴한 다결정 실리콘 기반의 태양 전지는 실리콘 결정 사이의 불연속적인 결정면의 존재로 인해 발전 효율이 감소되는 문제점이 있다. 비정질 실리콘 기반의 태양 전지는 생산 가격이 저렴하고 대량 생산이 용이하다는 장점이 있지만 발전 효율이 너무 낮고 장시간 사용할 경우 소자가 열화되어 광발전 효율이 감소하는 등의 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 실리콘 기반의 태양 전지를 대신하여 유기물을 이용한 태양 전지 및 나노 와이어나 나노입자와 같은 나노 구조를 이용한 태양 전지가 연구되고 있다. 유기물을 이용한 태양 전지는 저가의 재료를 사용하여 소자의 생산 단가를 낮출 수 있는 장점이 있으나, 현재까지 광발전 효율이 매우 낮아 상업화까지에는 많은 시간이 필요하다는 문제가 있다.
나노 와이어를 이용한 태양 전지는 낮은 생산 비용과 높은 광발전 효율을 기대할 수 있으나, 도핑을 통한 인위적인 n형 및 p형 반도체를 형성하는 것이 용이하지 않아 p-n 접합을 형성하는 것이 어렵기 때문에 여러 가지 공정이 필요하게 되어 오히려 생산 비용이 증가하면서 가격이 상승하는 문제가 있다. 그리고, 나노입자를 이용한 태양 전지는 n형 및 p형 반도체 중 한 종류의 나노입자만을 사용하여 p-n 접합이 없는 태양 전지를 제작해야 하므로 전자 수송층 및 정공 수송층이 존재하지 않아 광발전 효율이 낮다는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 간단한 공정으로 p-n 접합 구조를 갖는 이종접합 나노입자 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 실리콘 기반의 태양 전지를 대신하여 소자의 생산 단가를 낮출 수 있으면서 광발전 효율이 높은 태양 전지 및 그러한 태양 전지를 보다 간단하고 저렴한 방법으로 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이종접합 나노입자 제조방법은, 제1 금속의 염을 DMF(N,N-Dimethylformamide)에 용해하여 제1 용액을 제조하는 단계, 상기 제1 용액을 가열한 후 냉각하는 동안 상기 제1 용액 안에 상기 제1 금속의 화합물 나노입자를 형성하여 p형 나노입자를 형성하는 단계, 상기 제1 금속과는 다른 제2 금속의 염을 DMF에 용해하여 제2 용액을 제조하는 단계, 상기 제2 용액을 가열한 후 냉각하는 동안 상기 제2 용액 안에 상기 제2 금속의 화합물 나노입자를 형성하여 n형 나노입자를 형성하는 단계, 상기 p형 나노입자가 형성된 상기 제1 용액과 상기 n형 나노입자가 형성된 상기 제2 용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계, 및 상기 혼합 용액으로부터 DMF를 제거하는 동안 상기 p형 나노입자와 상기 n형 나노입자를 접합시켜 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자를 형성하는 단계를 포함한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 태양 전지는 기판, 상기 기판 상에 형성된 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 형성되며, p형 나노입자와 n형 나노입자가 접합되어 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자가 분산된 전도성 고분자로 이루어진 활성층, 및 상기 활성층 상에 형성된 상부 전극을 포함한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 태양 전지 제조방법에서는 상기 구조의 태양 전지를 제조하되, 본 발명에 따른 이종접합 나노입자 제조방법을 이용하여 활성층을 형성함에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 공정 과정이 간단하면서도 광학적 효율을 높일 수 있는 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자를 간단하고 저렴한 방법으로 형성할 수가 있다. n형 나노입자와 p형 나노입자를 동일한 공정을 통해 형성할 수 있기 때문에 다양한 재료의 나노입자를 추가 공정없이 형성할 수 있다.
이러한 이종접합 나노입자를 이용하여 제조되는 태양 전지는, 이종접합 나노입자가 전력 생산층과 전자 수송층 및 정공 수송층 역할을 동시에 하기 때문에 별도의 전자 수송층을 제작할 필요가 없게 되어 태양 전지의 구조가 매우 간단하게 된다. 그리고, 단위 부피당 표면 면적이 큰 나노입자를 사용하기 때문에 기존의 박막 구조에 비해 높은 광발전 효율을 기대할 수 있으며 형성한 n형 및 p형 나노입자를 접합함에 있어 각각의 나노입자를 전도성 고분자 안에 분산시킨 후 전도성 고분자를 스핀 코팅하는 과정에서 서로 응집하여 나노입자들끼리 접합을 이루기 때문에 접합 과정이 매우 간단하다.
따라서, 이러한 태양 전지는 스핀 코팅과 같은 손쉬운 방법으로 박막 형태로 형성하는 것이 가능하고, 태양 전지의 구조가 간단하므로 저렴한 비용으로 고효율의 태양 전지를 제조할 수 있게 된다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이 다.
도 1은 본 발명에 따른 이종접합 나노입자 제조방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행과정을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이종접합 나노입자 제조방법은 우선, 제1 금속의 염을 DMF(N,N-Dimethylformamide)에 용해하여 제1 용액을 제조하는 단계(단계 S1)부터 시작한다. 상기 제1 금속은 Cu, In 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 상기 제1 금속의 염은 아세트산염 또는 질산염일 수 있다. 이러한 염은 가격이 싸며, 유독성이 적고, 상온에서 화학적으로 안정한 상태를 유지할 수 있다. 뿐만 아니라 일반적으로 알콜류인 용매에 잘 용해되어 제조할 나노입자의 제어가 용이하다. 예컨대 제1 금속이 Cu인 경우에는 제1 금속의 염으로서 아세트산 구리 일수화물(copper acetate monohydrate, [(CH3COO)2Cu·H2O])을 선택할 수가 있다.
이러한 제1 금속의 염과 DMF의 혼합은, 제1 금속의 염이 DMF 양보다 적게 하는 것이 바람직하다. 제1 금속의 염이 적을수록 나노입자가 작게 형성되면서 균일성이 향상된다. 그리고, 제1 용액의 제조시, 초음파 교반기 등을 이용해 충분히 교반하는 것이 바람직하다.
그런 다음, 상기 제1 용액을 가열한 후 냉각하는 동안 상기 제1 용액 안에 상기 제1 금속의 화합물 나노입자를 형성하여 p형 나노입자를 형성한다(단계 S2). 이 때, 상기 제1 용액을 100℃ 정도의 상대적으로 높지 않은 온도로 가열한 후 급속하게 냉각시키지 않고 천천히 냉각시킨다. 바람직하게는 단계적으로 온도를 낮추 어가며 냉각시킨다.
상기 제1 금속의 화합물 나노입자는 금속 산화물로 이루어짐이 바람직하다. 금속 산화물은 CuO, (In, Ti)2O3, In2O3 및 TiO2 중 어느 하나일 수 있다.
그리고 S1 단계 내지 S2 단계와는 별도의 과정으로, 상기 제1 금속과는 다른 제2 금속의 염을 DMF에 용해하여 제2 용액을 제조한다(단계 S3). 상기 제2 금속은 Zn, Ba, Bi, B, Ca, Ce, Cr, Fe, Ga, Li, Co, Mg, Mn, Nb, Pb, Sb, Sn, Sr, Ta, V, W 및 Zr 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 상기 제2 금속의 염 또한 아세트산염 또는 질산염일 수 있다. 예컨대 제2 금속으로 Zn을 선택한 경우에는 제2 금속의 염으로서 아세트산 아연 이수화물(zinc acetate dihydrate, [(CH3COO)2Zn·2H2O]), 질산 아연 육수화물(zinc nitrate hexahydrate, [Zn(NO3)·6H2O]) 등을 선택할 수가 있다.
이러한 제2 금속의 염과 DMF의 혼합도, 제2 금속의 염이 DMF 양보다 적게 하는 것이 바람직하다. 제2 금속의 염이 적을수록 나노입자가 작게 형성되면서 균일성이 향상된다. 그리고, 제2 용액의 제조시, 초음파 교반기 등을 이용해 충분히 교반하는 것이 바람직하다.
상기 제2 용액을 가열한 후 냉각하는 동안 상기 제2 용액 안에 상기 제2 금속의 화합물 나노입자를 형성하여 n형 나노입자를 형성한다(단계 S4). 이 때, 상기 제2 용액을 100℃ 정도의 상대적으로 높지 않은 온도로 가열한 후 급속하게 냉각시키지 않고 천천히 냉각시킨다. 바람직하게는 단계적으로 온도를 낮추어가며 냉각시 킨다.
상기 제2 금속의 화합물 나노입자는 금속 산화물로 이루어짐이 바람직하다. 금속 산화물은 ZnO, Bi2O3, B2O3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, LiCoO2, MgO, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, Ta2O5, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중 어느 하나일 수 있다.
다음으로, S2 단계에서 형성한 상기 p형 나노입자가 형성된 상기 제1 용액과 S4 단계에서 형성한 상기 n형 나노입자가 형성된 상기 제2 용액을 혼합시켜 혼합용액을 제조한다(단계 S5).
상기 혼합 용액으로부터 DMF를 제거하는 동안 상기 p형 나노입자와 상기 n형 나노입자를 접합시켜 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자를 형성한다(단계 S6).
예를 들면, 상기 혼합 용액을 기판에 스핀 코팅하여 막을 형성한 후, 막을 건조시켜 DMF를 제거하게 되면 상기 p형 나노입자와 상기 n형 나노입자가 서로 부착되면서 p-n 접합을 이루게 된다. 도 2는 p형 나노입자(143)와 n형 나노입자(144)가 접합된 이종접합 나노입자(142)의 개요도이다. 예컨대 p형 나노입자인 CuO 나노입자와 n형 나노입자인 ZnO 나노입자가 접합되어 p-n 접합을 이루고 있는 구조를 갖는다.
단순히 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자를 회수하는 것에 의해 나노 크기의 복합재료를 얻을 수 있으며, 볼 밀, 트리플 롤러(triple roller), 초음파 파쇄기, 비드 밀(bead mill), 모터 밀(motor mill), 아토마이저(atomizer) 및 초고압 분쇄기(ultimizer) 등을 이용하는 별도의 분쇄 단계를 요하지 않는다.
그리고, 이러한 복합재료를 기판 상에 고정하기 위해, 또는 전자적인 소자로 제조하기 위해 필요한 물질을 상기 혼합 용액에 추가의 용액 형태로 첨가할 수 있다. 예컨대 전도성 고분자, 절연성 고분자 등의 고분자 용액을 첨가한 후에 스핀 코팅 후 건조시키면 이러한 고분자 안에 상기의 이종접합 나노입자가 분산되어 있는 형태의 막 또한 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 방법으로 얻은 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자는 간단한 공정을 통해 n형의 특성을 가진 나노입자와 p형의 특성을 가진 나노입자의 접합을 형성할 수 있으며, 형성된 p-n 접합을 통해 태양 전지의 광발전층으로 사용할 수 있는 등, 기판 위에 남아 있는 나노입자 형태로서 반도체 전자소자인 메모리, 디스플레이용 투명한 박막트랜지스터 및 태양 전지 등에 응용이 가능하다. 뿐만 아니라, 회수된 나노입자 자체를 소결 등의 원료로 이용할 수도 있고, 회수된 나노입자를 분산시킨 용액은 다양한 표면 위에 직접적으로 코팅이 가능하다.
이와 같이, 용해와 열처리와 같은 간단한 공정만을 이용하여 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자로 된 나노입자 복합재료의 제조가 가능하므로, 공정변수의 복잡함에 따른 제반 문제가 발생하지 않고, 고가의 장비가 필요없게 되어 비용이 적게 소요된다. 그리고 생산 비용의 크게 줄어들게 된다. 또한, 100 ℃ 정도의 저온 열처리만이 수행되므로, 고온 열처리시 발생할 수 있는 문제점이 발생할 여지가 없게 된다.
(나노입자 복합재료 제조예)
(CH3COO)2Cu·H2O 및 (CH3COO)2Zn·2H2O를 초음파 교반기를 사용하여 DMF 용액에 각각 용해시킨다. (CH3COO)2Cu·H2O 0.1 g : DMF 100 mL의 비율, CH3COO)2Zn·2H2O 1 g : DMF 100 mL의 비율로 섞는다. 그 후 105℃에서 5시간 동안 열을 가한 후, 80, 60, 40℃의 순으로 서서히 온도를 낮춘다. 이 과정에서 DMF 용액 안에는 각각 CuO 나노입자 및 ZnO 나노입자가 형성된다. 결정성이 좋은 나노입자를 얻기 위해서는 냉각시 온도의 정확한 제어가 필요하다.
ZnO 및 CuO 나노입자가 형성되어 있는 두 개의 DMF 용액 5 mL를 PVK(poly-N-vinylcarbazole) 용액 안에 0.5 wt% 비율로 섞은 후, 초음파 교반기를 사용하여 10분 정도 고르게 혼합시킨다. 기판 위에 이를 스핀 코팅한 후 열을 가해 용매를 제거하면, 이 과정에서 PVK 박막 안에 ZnO 나노입자와 CuO 나노입자는 도 3과 같이 서로 응집되어 접합을 이루게 된다. 도 3은 상기 제조예에 따라 제조한 나노입자 복합재료의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
또한 도 4와 같이 물성 조성 그래프(EDS)를 통해 PVK 안에 ZnO 나노입자와 CuO 나노입자가 접합되어 형성되었음을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 태양 전지에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 태양 전지(100)는 기판(110)과 기판(110) 상에 순차 형성된 하부 전극(120), 정공 수송층(130), 활성층(140) 및 상부 전극(150)을 구비한다. 정공 수송층(130)은 생략될 수 있다.
기판(110)은 Al2O3, 유리(glass), 석영(quartz) 등의 투명한 무기물 기판을 사용하거나, 폴리에틸렌테레프탈레이트(줄여서 PET, 다른 말로 폴리테레프탈산에틸렌), 폴리카보네이트(다른 말로 폴리탄산에스테르), 폴리이미드(polyimide : PI), 폴리에틸렌나프탈레이트, PVC, PVP, PE 또는 폴리에테르설폰(PES)과 같은 투명한 유기물 기판을 사용할 수 있다. 유기물 기판을 사용하는 경우에는 구부림이 가능한 태양전지를 제조할 수 있다.
하부 전극(120)은 기판(110) 상에 형성되며, 탄소 나노튜브, ITO(indium-tin oxide), Al-도프트(doped) ZnO(AZO), Ga-도프트 ZnO(GZO) 및 Mg-도프트 ZnO(MZO) 중 어느 하나와 같은 투명 전극으로 형성될 수 있다.
정공 수송층(130)은 하부 전극(120) 상에 형성되며, PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxy-thiophene)-poly(styrene sulfonate))와 같은 물질로 이루어질 수 있다. 정공 수송층(130)은 태양광이 조사될 때 활성층(140)에서 생성되는 정공을 수송하는 역할을 한다.
활성층(140)은 정공 수송층(130) 상에 형성되며, p형 나노입자와 n형 나노입자가 접합되어 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자(142)가 분산된 전도성 고분자(141)로 이루어진다. 이종접합 나노입자(142)는 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 p형 나노입자인 CuO 나노입자와 n형 나노입자인 ZnO 나노입자가 접합되어 p-n 접합을 이루고 있는 구조를 가질 수 있으며, 앞서 상술한 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 상기 p형 나노입자 또는 n형 나노입자의 종류는 앞에서 언급한 바와 같 고, 전도성 고분자(141)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 PVK일 수 있다.
이종접합 나노입자(142)는 그 안에서의 p-n 접합에서 빛을 받아 전기를 생산하는 새로운 구조의 태양 전지를 가능케 한다. 단위 부피당 면적이 큰 나노입자를 사용하므로, 본 발명에 따른 태양 전지(100)는 기본의 박막 구조에 비해 높은 광발전 효율을 기대할 수 있다. n형 나노입자와 p형 나노입자는 서로 다른 원료를 사용함에도 불구하고 동일한 공정을 통해 나노입자를 형성할 수 있기 때문에 다양한 재료의 나노입자를 추가 공정없이 형성할 수 있으며, 저온에서의 열처리만을 통해 나노입자를 형성하므로 고가의 장비가 불필요하다. 형성한 n형 및 p형 나노입자를 접합함에 있어 각각의 나노입자를 고분자 안에 분산시킨 후 고분자를 스핀 코팅하는 과정에서 서로 응집하여 나노입자들끼리 접합을 이루기 때문에 접합 과정이 매우 간단하다. 또한 나노입자들은 1:1이 아닌 다수의 나노입자들이 뭉쳐서 접합을 이루기 때문에 단위 부피당 높은 p-n 접합 면적을 얻을 수 있다.
상부 전극(150)은 활성층(140) 상에 형성되며, Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, TI, Zr, Hf, Cd 및 Pd 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
하부 전극(120)과 상부 전극(150)은 다양한 형태로 구성될 수 있는데, 소정의 방향으로 길게 뻗은 직선형일 수 있다. 하부 전극(120)과 상부 전극(150)이 소정의 방향으로 길게 뻗은 직선형인 경우, 하부 전극(120)과 상부 전극(150)은 서로 교차하게 형성될 수 있다. 도 5에는 하부 전극(120)이 지면에 평행한 방향으로 길게 뻗은 직선형이고, 상부 전극(150)은 그에 수직으로 교차하도록 지면에 수직인 방향으로 길게 뻗은 직선형인 것으로 도시하였다.
이와 같이, 이종접합 나노입자(142)가 이용된 태양 전지(100)는 이종접합 나노입자(142)에 구비된 p-n 접합에서 전자와 정공을 생성함과 동시에 n형 나노입자는 전자 수송층의 역할을 하고, p형 나노입자는 정공 수송층의 역할을 하게 된다. 따라서 이종접합 나노입자(142)가 이용된 태양 전지(100)는 별도의 전자 수송층이 필요없게 되어 태양 전지(100)의 구조가 간단하게 된다.
이러한 태양 전지를 제조하는 방법은 다음과 같은 공정 순서를 따를 수 있다.
기판(110) 표면의 먼지, 기름기 등의 불순물을 제거하기 위해 TCE(trichloroethylene) 용액으로 세정한 후 탈 이온수(de-ionized water)를 사용하여 세척하여 준비한다. 그런 다음, 스퍼터링법을 사용하여 하부 전극(120)을 형성한다. 투명 전극인 하부 전극(120)의 형성 방법은 스퍼터링법을 이용할 수 있다.
다음으로 하부 전극(120) 상에 정공 수송층(130)을 형성한다. 정공 수송층(130)은 정공을 수송하는 박막으로서 PEDOT:PSS로 이루어질 수 있다. 이 때 PEDOT:PSS 정공 수송층(130)은 스핀 코팅을 통해 형성할 수 있다.
계속하여 정공 수송층(130) 상에 활성층(140)을 형성한다.
이 때, 상술한 바와 같은 이종접합 나노입자 제조방법을 따르게 되며, 특히 이종접합 나노입자 제조방법 중 p형 나노입자가 형성된 제1 용액과 n형 나노입자가 형성된 제2 용액에 전도성 고분자를 혼합하여 혼합 용액을 제조한 다음, 이를 기판(110) 상에 스핀 코팅하는 단계를 포함하게 된다. 그 후 스핀 코팅된 혼합 용액으로부터 DMF를 제거하는 동안 p형 나노입자와 n형 나노입자를 접합시켜 p-n 접합 을 이루는 이종접합 나노입자(142)를 전도성 고분자(141) 안에 형성하면서 활성층(140)을 형성할 수 있게 된다. 이와 같이 본 발명에서는 스핀 코팅과 같이 용매를 통한 공정을 사용하기 때문에 소자의 제작 방법이 간단하고 저렴해진다.
다음, 활성층(140) 위에 금속 전극인 상부 전극(150)을 열증착법으로 형성한다.
이렇게 본 발명에 따른 태양 전지 제조방법에서는 스핀 코팅을 통해 박막으로 형성할 수 있기 때문에, 화학기상증착법(CVD)과 같은 고가의 증착 방식을 이용하지 않아도 되고 공정이 매우 간단하다. 따라서, 공정 비용의 절감과 공정 과정의 단축을 통해 태양 전지의 생산 비용을 줄일 수 있으며 제작된 태양 전지의 재현성과 신뢰성을 높일 수 있다. 이와 같이, 활성층을 스핀 코팅과 같은 손쉬운 방법으로 박막 형태로 형성하는 것이 가능하고, 태양 전지의 구조가 간단하므로 저렴한 비용으로 고효율의 태양 전지를 제조할 수 있게 된다.
(태양전지 제조예)
유리 기판 위에 하부 전극으로서 ITO 전극을 스퍼터링법으로 형성한다. 그리고 스핀 코팅을 통해 ITO 전극 상에 정공 수송층으로서 PEDOT:PSS 박막을 증착한다.
계속하여 PEDOT:PSS 박막 상에 활성층을 형성한다. 이 때, 상술한 바와 같은 이종접합 나노입자 제조예를 따르며, 먼저 (CH3COO)2Cu·H2O 및 (CH3COO)2Zn·2H2O를 초음파 교반기를 사용하여 DMF 용액에 각각 용해시킨다. (CH3COO)2Cu·H2O 0.1 g : DMF 100 mL의 비율, CH3COO)2Zn·2H2O 1 g : DMF 100 mL의 비율로 섞는다. 그 후 105℃에서 5시간 동안 열을 가한 후, 80, 60, 40℃의 순으로 서서히 온도를 낮추어 DFM 용액 안에 각각 CuO 나노입자 및 ZnO 나노입자를 형성한다.
다음, ZnO 및 CuO 나노입자가 형성되어 있는 두 개의 DMF 용액 5 mL를 PVK 용액 안에 0.5 wt% 비율로 섞은 후, 초음파 교반기를 사용하여 10분 정도 고르게 혼합시킨다.
PEDOT:PSS 박막 상에 이 혼합 용액을 1000 ~ 2000 rpm의 속도로 10 ~ 20초 동안 스핀 코팅하여 올린 후, 30분 동안 열을 가해 DMF를 증발시켜 박막으로 형성한다. 이 과정에서 PVK 박막 안에 ZnO 나노입자와 CuO 나노입자는 서로 응집되어 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자를 형성한다. 이와 같이 본 발명에서는 스핀 코팅과 같이 용매를 통한 공정을 사용하기 때문에 소자의 제작 방법이 간단하고 저렴해진다.
다음, 활성층 위에 상부 전극으로서 Al 전극을 열증착법으로 형성한다.
도 5에서 제시한 태양 전지의 동작은 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따라 제작한 태양 전지의 에너지 대역도이다. 도 6과 같이 빛이 태양 전지에 입사하면 입사광은 광발전층인 ZnO 나노입자와 CuO 나노입자가 상호 결합한 이종접합 나노입자로 들어간다. 빛은 ZnO와 CuO 나노입자의 p-n 접합에서 흡수된다. p-n 접합에서는 빛에너지에 의해 전자-정공쌍이 형성하게 된다. p-n 접합에서 형성한 전자는 전자 수송층의 역할을 하는 ZnO 나노입자를 통해 Al 전 극까지 이동하며, 정공은 정공 수송층의 역할을 하는 CuO 나노입자 및 PEDOT:PSS 층을 따라 ITO 전극까지 이동한다. 전극까지 전송된 전자 및 정공으로부터 전류가 발생하여 태양 전지는 전기를 생산하게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 이종접합 나노입자 제조방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행과정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 이종접합 나노입자의 개요도이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 이종접합 나노입자의 투과 전자현미경상이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 이종접합 나노입자의 물성 조성 그래프(EDS)이다.
도 5는 본 발명에 따른 태양 전지에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따라 제작한 태양 전지의 에너지 대역도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...태양 전지 110...기판 120...하부 전극
130...정공 수송층 140...활성층 141...전도성 고분자
142...이종접합 나노입자 143...p형 나노입자144...n형 나노입자
150...상부 전극

Claims (11)

  1. 제1 금속의 염을 DMF(N,N-Dimethylformamide)에 용해하여 제1 용액을 제조하는 단계;
    상기 제1 용액을 가열한 후 냉각하는 동안 상기 제1 용액 안에 상기 제1 금속의 화합물 나노입자를 형성하여 p형 나노입자를 형성하는 단계;
    상기 제1 금속과는 다른 제2 금속의 염을 DMF에 용해하여 제2 용액을 제조하는 단계;
    상기 제2 용액을 가열한 후 냉각하는 동안 상기 제2 용액 안에 상기 제2 금속의 화합물 나노입자를 형성하여 n형 나노입자를 형성하는 단계;
    상기 p형 나노입자가 형성된 상기 제1 용액과 상기 n형 나노입자가 형성된 상기 제2 용액을 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 혼합 용액으로부터 DMF를 제거하는 동안 상기 p형 나노입자와 상기 n형 나노입자를 접합시켜 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자를 형성하는 단계를 포함하는 이종접합 나노입자 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속은 Cu, In 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상이고, 상기 제2 금속은 Zn, Ba, Bi, B, Ca, Ce, Cr, Fe, Ga, Li, Co, Mg, Mn, Nb, Pb, Sb, Sn, Sr, Ta, V, W 및 Zr 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이종접합 나노입자 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속의 화합물 나노입자를 형성하는 단계는 상기 제1 용액을 100℃ 이상으로 가열한 후 온도를 단계적으로 낮추어 냉각하고, 상기 제2 금속의 화합물 나노입자를 형성하는 단계는 상기 제2 용액을 100℃ 이상으로 가열한 후 온도를 단계적으로 낮추어 냉각하는 것을 특징으로 하는 이종접합 나노입자 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 금속의 화합물 나노입자 및 제2 금속의 화합물 나노입자는 금속 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 이종접합 나노입자 제조방법.
  5. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 형성되며, p형 나노입자와 n형 나노입자가 접합되어 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자가 분산된 전도성 고분자로 이루어진 활성층; 및
    상기 활성층 상에 형성된 상부 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 p형 나노입자는 CuO, (In, Ti)2O3, In2O3 및 TiO2 중 어느 하나이고, 상기 n형 나노입자는 ZnO, Bi2O3, B2O3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, LiCoO2, MgO, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, Ta2O5, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극 상에 p형 나노입자와 n형 나노입자가 접합되어 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자가 분산된 전도성 고분자로 이루어진 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 활성층을 형성하는 단계는,
    제1 금속의 염을 DMF(N,N-Dimethylformamide)에 용해하여 제1 용액을 제조하는 단계;
    상기 제1 용액을 가열한 후 냉각하는 동안 상기 제1 용액 안에 상기 제1 금속의 화합물 나노입자를 형성하여 p형 나노입자를 형성하는 단계;
    상기 제1 금속과는 다른 제2 금속의 염을 DMF에 용해하여 제2 용액을 제조하는 단계;
    상기 제2 용액을 가열한 후 냉각하는 동안 상기 제2 용액 안에 상기 제2 금속의 화합물 나노입자를 형성하여 n형 나노입자를 형성하는 단계;
    상기 p형 나노입자가 형성된 상기 제1 용액과 상기 n형 나노입자가 형성된 상기 제2 용액과 전도성 고분자를 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계;
    상기 혼합 용액을 상기 기판 상에 위에 스핀 코팅하는 단계; 및
    상기 스핀 코팅된 혼합 용액으로부터 DMF를 제거하는 동안 상기 p형 나노입자와 상기 n형 나노입자를 접합시켜 p-n 접합을 이루는 이종접합 나노입자를 상기 전도성 고분자 안에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 금속은 Cu, In 및 Ti 중에서 선택된 1종 이상이고, 상기 제2 금속은 Zn, Ba, Bi, B, Ca, Ce, Cr, Fe, Ga, Li, Co, Mg, Mn, Nb, Pb, Sb, Sn, Sr, Ta, V, W 및 Zr 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제1 금속의 화합물 나노입자를 형성하는 단계는 상기 제1 용액을 100℃ 이상으로 가열한 후 온도를 단계적으로 낮추어 냉각하고, 상기 제2 금속의 화합물 나노입자를 형성하는 단계는 상기 제2 용액을 100℃ 이상으로 가열한 후 온도를 단계적으로 낮추어 냉각하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1 금속의 화합물 나노입자 및 제2 금속의 화합물 나노입자는 금속 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조방법.
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