KR101060229B1 - 양자점 덴드리머를 이용한 광전변환소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양자점 덴드리머를 이용한 광전변환소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광활성층으로 다수의 양자점들이 3차원적으로 결합하여 이루어진 양자점 덴드리머를 포함하는 광전변환소자에 관한 것으로, 양자점 덴드리머를 포함함으로써 우수한 광전변환효율을 나타낸다.
광전변환소자, 양자점 덴드리머, 태양전지, 포토다이오드

Description

양자점 덴드리머를 이용한 광전변환소자{PHOTOELECTRIC TRANSFOMATION DEVICE USING QUANTUM DOT DENDRIMERS}
본 발명은 양자점 덴드리머를 이용한 광전변환소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 양자점이 3차원적으로 결합하여 균일한 기하학적 형태를 갖는 집합체인 양자점 덴드리머를 광활성체로 사용하는 광전변환소자에 관한 것이다.
태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환소자는 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 더해가고 있다.
이러한 광전변환소자로 종래에는 단결정 또는 다결정의 실리콘 태양전지가 많이 사용되어 왔으나, 실리콘 태양전지는 제조비용이 높고 플렉서블 기판에는 적용할 수 없는 등의 문제점이 있어, 최근 이러한 단점을 해결하는 대안으로 광활성체 또는 전도성 고분자 등을 이용하는 유기박막 태양전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그러나 이와 같은 장점에도 불구하고 이러한 유기박막 태양전지는 전력변환 효율과 수명이 낮아서 실용적 응용에는 한계가 있다. 따라서 광전변환소자의 전력변환 효율을 개선하기 위한 방법 또는 시스템의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 광전변환효율이 우수한 광전변환소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 광전변환효율이 우수한 유기박막 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 광전변환효율이 우수한 포토다이오드를 제공하는 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 광활성층을 포함하는 광전변환소자에 있어서, 상기 광활성층이 다수의 양자점들이 3차원적으로 결합하여 이루어진 양자점 덴드리머를 포함하는 광전변환소자에 관한 것이다. 상기 양자점 덴드리머는 구형, 다면체형, 타원형 또는 원통형의 형상일 수 있으며, 상기 양자점 덴드리머의 직경은 10nm 내지 1μm 일 수 있다. 상기 양자점 덴드리머는 12족-16족, 13족-15족, 14족-16족 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 양자점을 포함할 수 있다. 상기 양자점 덴드리머는 표면에 소수성의 알킬기가 흡착되어 있어 소수성을 나타낼 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은 기판, 상기 기판 상부의 제 1 전극, 유기고분자층, 광활성층 및 제 2 전극을 순차적으로 포함하고, 상기 광활성층은 다수의 양자점들이 3차원적으로 결합하여 이루어진 양자점 덴드리머를 포함하는 유기박막 태양전지에 관한 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양상은 기판, 상기 기판 상부의 제 1 전극, 광활성층 및 제 2 전극을 순차적으로 포함하고, 상기 광활성층은 다수의 양자점들이 3차원적으로 결합하여 이루어진 양자점 덴드리머를 포함하며, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 투명전극인 포토다이오드에 관한 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양상은 기판, 상기 기판 상부에 일정 간격으로 이격된 제 1 전극과 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이의 광활성층을 포함하고, 상기 광활성층은 다수의 양자점들이 3차원적으로 결합하여 이루어진 양자점 덴드리머를 포함하며, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 불투명전극인 포토다이오드에 관한 것이다.
본 발명에서 사용되는 양자점 덴드리머는 집적화된 양자점의 특성을 지님으로써, 본 발명의 광전변환소자는 우수한 광전변환효율을 나타내고, 제조가 용이하며 가볍고 플렉서블 소자로도 구현이 가능하여 휴대용으로도 용도 전개가 가능하다.
이하, 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 구현예는 광활성층을 포함하는 광전변환소자에 있어서, 상기 광활성층이 다수의 양자점들이 3차원적으로 결합하여 이루어진 양자점 덴드리머를 포함하는 광전변환소자에 관계한다.
광전변환소자는 태양으로부터 생성된 빛 에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 소자로서, 광전변환소자에 빛을 비추게 되면 빛에너지(광자)에 의해 광활성층에서 전자와 정공이 생겨나게 된다. 특히, D-A 구조의 유기박막 태양전지의 경우, 전자주개(D)와 전자받개(A)로 각각 유기고분자, 나노무기물이 사용되며, 상기 전자주개는 빛을 받아 전자를 형성하고, 형성된 전자는 전자주개와 전자받개의 에너지 준위 차이로 인해 전자받개로 이동하게 되며, 정공의 경우에는 이와 반대로 전자주개쪽으로 정공이 이동하게 된다. 이와 같이 형성된 전자와 정공이 양 전극으로 분리되어 전류가 흐르게 된다. 이러한 광전변환소자의 효율은 빛의 흡수에 의해 여기된 전자와 정공이 재결합하여 손실되지 않고 얼마나 효과적으로 소자 내부에서 외부회로 쪽으로 보내어지는가에 의존된다. 본 발명에 사용되는 양자점 덴드리머는 양자점과 양자점이 연결되어 있어서 양자점 간의 전자 이동의 횟수가 줄어 전자가 이동 과정 중에 손실될 가능성을 줄여줄 수 있다. 또한 양자점 덴드리머는 수 나노 미터 크기의 양자점들이 연결되어 있으므로 단일 양자점에 비해 전자와 정공의 분리가 잘 일어나 전류를 더 효율적으로 생성시키기 때문에 광전변환소자에 이용 시 높은 효율을 제공할 수 있다.
본 발명에서 "양자점 덴드리머(quantum dot dendrimer)"라는 용어는 수 개에서 수 만개 사이의 1nm 내지 100nm 크기를 갖는 양자점들이 3차원적으로 결합하여 균일한 기하학적 형태를 갖는 집합체를 의미한다.
본 발명의 구현예들에 의한 양자점 덴드리머는 구형, 다면체형, 타원형 또는 원통형일 수 있다. 상기 양자점 덴드리머의 직경은 10nm 내지 1μm 인 것이 바람직하며, 상기 범위의 직경을 갖는 양자점 덴드리머는 일정한 크기와 모양의 덴드리머 구조를 가지며, 이 덴드리머는 용매 속에 잘 분산되어 존재할 수 있다. 상기 양자점 덴드리머는 표면에 소수성의 알킬기가 흡착될 수 있어 소수성의 성질을 가지게 되어 헥센, 톨루엔, 클로로포름과 같은 용매에 분산이 잘 될 수 있다.
상기 양자점 덴드리머를 구성하는 양자점은 12족-16족, 13족-15족, 14족-16족 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 구체적으로, 상기 양자점은 상기 12족-16족 화합물은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, ZnO, CdO, HgO 등의 이원소 화합물 또는 CdSeS, CdSeTe, CdSTe, CdZnS, CdZnSe, CdSSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, HgZnS, HgZnSe, CdZnO, CdHgO, ZnHgO, ZnSeO, ZnTeO, ZnSO, CdSeO, CdTeO, CdSO, HgSeO, HgTeO, HgSO 등의 삼원소 화합물 또는 CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe, CdZnSeO, CdZnTeO, CdZnSO, CdHgSeO, CdHgTeO, CdHgSO, ZnHgSeO, ZnHgTeO, ZnHgSO 등의 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질일 수 있다.
상기 13족-15족 화합물은 GaP, GaAs, GaSb, GaN, AlP, AlAs, AlSb, AlN, InP, InAs, InSb, InN 등의 이원소 화합물 또는 GaPAs, GaPSb, GaPN, GaAsN, GaSbN, AlPAs, AlPSb, AlPN, AlAsN, AlSbN, InPAs, InPSb, InPN, InAsN, InSbN, AlGaP, AlGaAs, AlGaSb, AlGaN, AlAsN, AlSbN, InGaP, InGaAs, InGaSb, InGaN, InAsN, InSbN, AlInP, AlInAs, AlInSb, AlInN, AlAsN, AlSbN, AlPN 등의 삼원소 화합물 또는 GaAlPAs, GaAlPSb, GaInPAs, GaInAlAs, GaAlPN, GaAlAsN, GaAlSbN, GaInPN, GaInAsN, GaInAlN, GaSbPN, GaAsPN, GaAsSbN, GaInPSb, GaInPN, GaInSbN, GaPSbN, InAlPAs, InAlPN, InPAsN, InAlSbN, InPSbN, InAsSbN, InAlPSb 등의 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질일 수 있다.
상기 14족-16족 화합물은 SnO2, SnS2, SnSe2, SnTe2, PbS, PbSe, PbTe, GeO2, GeS2, GeSe2, GeTe2 등의 이원소 화합물 또는 SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe, SnOS, SnOSe, SnOTe, GeOS, GeOSe, GeOTe 등의 삼원소 화합물 또는 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe 등의 사원소 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 예로 들 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
상기 양자점 덴드리머는 이종 금속 원소로 도핑될 수 있으며, 상기 이종 금속 원소는 니켈, 구리, 아연, 금, 은, 백금, 이리듐, 스칸듐, 타이타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프란슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 광활성층은 전도성 고분자-양자점 덴드리머 블렌드층일 수 있거나, 양자점 덴드리머 단독으로 구성될 수도 있다. 상기 전도성 고분자는 P3HT(폴리-3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리(1-메톡 시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌, 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌 및 폴리피리딘 폴리(3-옥틸티오펜), 폴리(2,5-비스(3-알킬티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)](poly[2,5-bis(3-alkylthiophene-2-yl)thieno[3,2-b] thiophene)]), 폴리(2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-사이클로펜타[2,1-b;3,4-b']-디티오펜-alt-4,7-(2,1,3-벤젠티아디아졸)](poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethlyhexyl)- 4H-cyclopenta[2,1- b;3,4-b']-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), 폴리[5,7,-비스(4-데카닐-2-티에닐)티에노[3,4-b]디아티아졸-티오펜-2,5)] (poly[5,7-bis(4-decanyl-2 -thienyl)thieno[3,4-b]diathiazole-thiophene-2,5)]), 폴리[2,5-(7,7-디옥틸)-사이클로펜타디티오펜](poly[2,5-(7,7-dioctyl)- cyclopentadithiophene]), 폴리(트리아릴아민), 폴리(티에닐렌 비닐렌)(poly(thienylene vinylene)), 폴리[2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-1,4-페닐렌비닐렌](poly[2-methoxy-5-(3',7'- dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene]), 폴리[2-메톡시,5-(2'-에틸-헥실옥시)-p-페닐렌비닐렌)](poly[2-methoxy, 5-(2'-ethyl-hexyloxy)-p- phenylenevinylene)]) 및 폴리[2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-p-페닐렌비닐렌)](poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxy)-p- phenylenevinylene])으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질일 수 있다.
본 발명의 구현예들에 사용가능한 상기 양자점 덴드리머는
반응 용기에 제 1 전구체, 계면활성제 및 용매를 혼합하여 불활성 기체 환경 하에서 가열하는 단계; 및
상기 혼합물에 제 2 전구체를 첨가하여 가열하여 양자점들을 합성하면서 덴드리머 구조로 응집시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 합성될 수 있으며;
상기 제 1 전구체와 계면활성제의 몰비는 1:100 내지 1000:1이며, 상기 가열 단계 및 응집 단계의 반응온도는 100 내지 400℃이다.
상기 제 1 전구체와 계면활성제의 몰비는 바람직하게는 1 : 1 내지 400 : 1이며, 보다 바람직하게는 1 : 1 내지 100 : 1이 좋다. 이는 계면활성제의 상대적 양이 제한됨에 따라 양자점 덴드리머의 크기 및 모양이 결정될 수 있기 때문이다.
상기 양자점 덴드리머는 상기와 같이 두 개의 전구체를 따로 투입하여 합성될 수도 있으나, 초기부터 반응 용기에 제 1 전구체, 제 2 전구체, 계면활성제 및 용매를 모두 혼합하여 불활성 기체 환경 하에서 가열함으로써 합성될 수도 있다.
상기 양자점 덴드리머의 합성방법은 상기 혼합물을 불활성 기체 환경 하에서 가열하기 전에 상기 혼합물을 진공에서 가열하는 단계를 추가로 포함하여 산소나 수분 등의 불순물을 제거하여 양자점 덴드리머의 광학적, 전기적 성질 등을 향상시킬 수 있다.
일례로 반응 용기에 양자점 전구체 중 하나인 제 1 전구체와 계면활성제 및 용매를 혼합한 뒤 진공 환경하에서 30 내지 300℃로 가열한 다음, 이를 불활성 기체, 예를 들어 질소 또는 아르곤 등의 환경에서 100 내지 400℃로 가열한 뒤에 나머지 양자점 전구체인 제 2 전구체를 첨가하여 100 내지 400℃로 가열함으로써 양 자점들을 합성하면서 합성된 양자점들을 덴드리머 구조로 응집시켜 양자점 덴드리머를 합성할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 구현예들에 사용가능한 양자점 덴드리머의 합성방법은 1nm 내지 100nm 크기의 양자점의 고온 열 분해 법에 의한 합성 방법과 유사하나 양자점 표면을 안정화하는 계면활성제의 양자점 전구체에 대한 비율을 극히 감소시킴으로써, 양자점 표면에 계면활성제에 의해 안정화되지 않은 높은 표면 에너지를 가지는 표면들을 유도하여 양자점들이 생성된 직후 빠른 시간에 스스로 3차원적으로 결합하여 정렬하게 함으로써 양자점 덴드리머를 합성하게 된다. 이에 따르면, 수 십 내지 수 천 nm 크기의 양자점 덴드리머를 균일하게 합성할 수 있다.
이는 합성과정에 사용하는 제 1 전구체에 비해 계면활성제의 비율을 감소시킴으로써 불안정한 표면의 양자점들간의 자발적인 뭉침 과정을 이용하는 것이다. 즉, 불충분한 계면활성제가 함유된 고온의 용매 속에 양자점 전구체를 빠르게 삽입하여 과포화시켜 1nm 내지 100nm 크기의 양자점들을 형성하고, 형성된 양자점들은 불충분한 계면활성제에 의하여 표면이 충분히 안정화되지 못하였으므로 자발적으로 뭉치면서 표면 에너지를 감소시킨다.
이때 양자점의 결정구조에 기인한 양자점들간의 뭉침 현상의 방향성으로 인해 덴드리머들은 사면체 구조, 육면체 등의 다양한 다면체 구조를 생성할 수 있으며, 열역학적으로 안정한 구형의 양자점 덴드리머를 생성할 수도 있다. 본 발명의 구현예들에 의해 합성된 양자점 덴드리머는 약 10nm 내지 1μm의 크기를 가질 수 있다.
이러한 양자점 덴드리머의 합성에 있어 주된 조절 인자는 양자점 전구체와 계면활성제의 비율과 반응온도이다. 상기 조건을 조절함으로써 다양한 크기 및 그에 따라 다양한 광학적 성질을 가지는 균일한 양자점 덴드리머를 합성할 수 있다.
상기 제 1 전구체에는 12족, 13족 및 14족 중 어느 하나 이상의 물질의 전구체가 있으며, 구체적으로 카드뮴 아세테이트 이수화물(cadmium acetate dihydrate), 디메틸 카드뮴(dimethyl cadmium), 디에틸 카드뮴(diethyl cadmium), 카드뮴 아세테이트(Cadmium acetate), 카드뮴 아세틸아세토네이트(Cadmium acetylacetonate), 카드뮴 아세틸아세토네이트 수화물(Cadmium acetylacetonate hydrate), 카드뮴 아이오다이드(Cadmium iodide), 카드뮴 브로마이드(Cadmium bromide), 카드뮴 클로라이드(Cadmium chloride), 카드뮴 클로라이드 수화물(Cadmium chloride hydrate), 카드뮴 플루오라이드(Cadmium fluoride), 카드뮴 카보네이트(Cadmium carbonate), 카드뮴 나이트레이트(Cadmium nitrate), 카드뮴 나이트레이트 사수화물(Cadmium nitrate tetrahydrate), 카드뮴 옥사이드(Cadmium oxide), 카드뮴 퍼클로레이트(Cadmium perchlorate), 카드뮴 퍼클로레이트 육수화물(Cadmium perchlorate hexahydrate), 카드뮴 포스파이드(Cadmium phosphide), 카드뮴 설페이트(Cadmium sulfate), 카드뮴 나프탈레이트 (Cadmium naphthenate), 카드뮴 스테레이트(Cadmium stearate), 디메틸 아연(dimethyl zinc), 디에틸 아연(diethyl zinc), 아연 아세테이트(Zinc acetate), 아연 아세테이트 이수화물(Zinc acetate dihydrate), 아연 아세틸아세토네이트(Zinc acetylacetonate), 아연 아세틸아세토네이트 수화물(Zinc acetylacetonate hydrate), 아연 아이오다이드(Zinc iodide), 아연 브로마이드(Zinc bromide), 아연 클로라이드(Zinc chloride), 아연 플루오라이드(Zinc fluoride), 아연 플루오라이드 사수화물(Zinc fluoride tetrahydrate), 아연 카보네이트(Zinc carbonate), 아연 시아나이드(Zinc cyanide), 아연 나이트레이트(Zinc nitrate), 아연 나이트레이트 육수화물(Zinc nitrate hexahydrate), 아연 옥사이드(Zinc oxide), 아연 퍼옥사이드(Zinc peroxide), 아연 퍼클로레이트(Zinc perchlorate), 아연 퍼클로레이트 육수화물(Zinc perchlorate hexahydrate), 아연 설페이트(Zinc sulfate), 디페닐 아연(Diphenyl zinc), 아연 나프탈레이트 (Zinc naphthenate), 아연 스테레이트(Zinc stearate), 수은 아세테이트(Mercury acetate), 수은 아이오다이드(Mercury iodide), 수은 브로마이드(Mercury bromide), 수은 클로라이드(Mercury chloride), 수은 플루오라이드(Mercury fluoride), 수은 시아나이드(Mercury cyanide), 수은 나이트레이트(Mercury nitrate), 수은 나이트레이트 일수화물(Mercury nitrate monohydrate), 수은 옥사이드(Mercury oxide), 수은 퍼클로레이트(Mercury perchlorate), 수은 퍼클로레이트 사수화물(Mercury perchlorate tetrahydrate), 수은 퍼클로레이트 삼수화물(Mercury perchlorate trihydrate), 수은 설페이트(Mercury sulfate), 디메틸 수은(Dimethyl mercury), 디에틸 수은(Diethyl mercury), 디페닐 수은(Diphenyl mercury), 수은 설페이트 (Mercury sulfate), 수은 트리플로로메텐설포네이트(Mercury trifluoromethanesulfonate), 메틸 수은 클로라이드(Methylmercury chloride), 메틸 수은 아이오다이드(Methylmercury iodide), 페닐 수은 아세테이트(Phenylmercury acetate), 페닐 수은 클로라이드(Phenylmercury chloride), 알루미늄 아세테이트(Alumium acetate), 알루미늄 아이오다이드(Alumium iodide), 알루미늄 브로마이드(Alumium bromide), 알루미늄 클로라이드(Alumium chloride), 알루미늄 클로라이드 육수화물(Alumium chloride hexahydrate), 알루미늄 플루오라이드(Alumium fluoride), 알루미늄 나이트레이트(Alumium nitrate), 알루미늄 옥사이드(Alumium oxide), 알루미늄 퍼클로레이트(Alumium perchlorate), 알루미늄 카바이드(Alumium carbide), 알루미늄 스테레이트(Alumium stearate), 알루미늄 설페이트(Alumium sulfate), 디-i-부틸알루미늄 클로라이드(Di-i-butylalumium chloride), 디에틸알루미늄 클로라이드(Diethylalumium chloride), 트리-i-부틸알루미늄(Tri-i-butylaluminum), 트리에틸알루미늄(Triethylalumium), 트리에틸(트리-sec-부톡시)디알루미늄(Triethyl(tri-sec-butoxy)dialuminum), 트리메틸 알루미늄(Trimethylalumium), 갈륨 아세틸아세토네이트(Gallium acetylacetonate), 갈륨 클로라이드(Gallium chloride), 갈륨 플루오라이드(Gallium fluoride), 갈륨 플루오라이드 삼수화물(Gallium fluoride trihydrate), 갈륨 옥사이드(Gallium oxide), 갈륨 나이트레이트(Gallium nitrate), 갈륨 나이트레이트 수화물(Gallium nitrate hydrate), 갈륨 설페이트(Gallium sulfate), 갈륨 아이오다이드(Gallium iodide), 트리에틸 갈륨(Triethyl gallium), 트리메틸 갈륨(Trimethyl gallium), 인듐 클로라이드(Indium chloride), 인듐 클로라이드 사수화물(Indium chloride tetrahydrate), 인듐 옥사이드(Indium oxide), 인듐 나이트레이트(Indium nitrate), 인듐 나이트레이트 수화물(Indium nitrate hydrate), 인듐 설페이트(Indium sulfate), 인듐 설페이트 수화물(Indium sulfate hydrate), 인듐 아세테이트(Indium acetate), 인듐 아세틸아세토네이트(Indium acetylacetonate), 인듐 브로마이드(Indium bromide), 인듐 플로라이드(Indium fluoride), 인듐 플로라이드 삼수화물(Indium fluoride trihydrate), 트리메틸 인듐(Trimethyl indium), 납 아세테이트(Lead acetate), 납 아세테이트 삼수화물(Lead acetate trihydrate), 납 브로마이드(Lead bromide), 납 클로라이드(Lead chloride), 납 플루오라이드(Lead fluoride), 납 옥사이드(Lead oxide), 납 퍼클로레이트(Lead perchlorate), 납 나이트레이트(Lead nitrate), 납 설페이트(Lead sulfate), 납 카보네이트(Lead carbonate), 납 아세틸아세토네이트(Lead acethylacetonate), 납 시트레이트(Lead citrate), 납 플로라이드(Lead fluoride), 납 나프탈레네이트(Lead naphthenate), 주석 아세테이트(Tin acetate), 주석 비스아세틸아세토네이트(Tin bisacetylacetonate), 주석 브로마이드(Tin bromide), 주석 클로라이드(Tin chloride), 주석 클로라이드 이수화물(Tin chloride dihydrate), 주석 클로라이드 오수화물(Tin chloride pentahydrate), 주석 플루오라이드(Tin fluoride), 주석 옥사이드(Tin oxide), 주석 설페이트(Tin sulfate), 주석 아이오다이드(Tin iodide), 디페닐 주석 디클로라이드(Diphenytin dichloride), 게르마늄 테트라클로라이드(Germanium tetrachloride), 게르마늄 옥사이드(Germanium oxide), 게르마늄 에톡사이드(Germanium ethoxide), 게르마늄 브로마이드(Germanium bromide), 게르마늄 아이오다이드(Germanium iodide), 테트라메틸 게르마늄(Tetramethyl germanium), 트리메틸 게르마늄 클로라이드(Trimethyl germanium chloride), 트리메틸 게르마늄 브로마이드(Trimethyl germanium bromide) 및 트리에틸 게르마늄 클로라이드(Triethyl germanium chloride)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 계면활성제에는 스테아르산(stearic acid), 올레인 산(oleic acid), 미리스트 산(Myristic acid), 팔미트산(palmitic acid), 헥실 포스포늄산(hexyl phosphonicacid), n-옥틸 포스포늄산(n-octyl phosphonicacid), 테트라데실 포스포늄산(tetradecyl phosphonicacid), 옥타데실포스포늄산(octadecyl phosphonic acid), n-옥틸 아민(n-octyl amine), 도데실 아민(dodecy amine), 옥타데실 아민(octadecyl amine), 헥사데실아민(hexadecyl amine), 트리옥틸아민(Trioctyl amine), 트리 n-옥틸 포스핀(Tri n-octyl phosphine), 트리 n-부틸 포스핀(Tri n-butyl phosphine) 및 트리-n-옥틸포스핀 옥사이드(tri-n-octylphosphine oxide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 예로 들 수 있다.
상기 용매는 트리-n-옥틸포스핀 옥사이드(tri-n-octylphosphine oxide), 헥사데칸(hexadecane), 1-헥사데신(1-hexadecene), 옥타데칸(octadecane), 1-옥타데센(1-Octadecene), 헵타데칸(heptaecane), 1-헵타데신(1-heptadecene), 노나데칸(nonadecane) 및 트리 n-옥틸 포스핀(Tri n-octyl phosphine)으로 이루어진 군에서 선택된 것을 예로 들 수 있다.
상기 제 2 전구체로는 16족 또는 15족 물질의 전구체를 사용할 수 있으며, 구체적으로 상기 제 2 전구체는 트리-n-옥틸포스핀 셀레나이드(tri-n-octylphosphine selenide), 트리-n-부틸포스핀 셀레나이드(tri-n-butylphosphine selenide), 디에틸 디셀레나이드(Diethyl diselenide), 디메틸 셀레나이드(Dimethyl selenide), 비스(트리메틸 실리) 셀레나이드(bis(trimethylsilyl)selenide), 셀렌-트리페닐포스핀(Se-TPP), 트리-n-옥틸포스핀 텔루라이드(tri-n-octylphosphine telluride), 트리-n-부틸포스핀 텔루라이드(tri-n-butylphosphine telluride), 비스(트리메틸 실리) 텔루라이드(bis(trimethylsilyl) telluride), 텔루르-트리페닐포스핀(Te-TPP), 설퍼-트리옥틸포스핀(S-TOP), 설퍼-트리부틸포스핀(S-TBP), 설퍼-트리페닐포스핀(S-TPP), 설퍼-트리옥틸아민(S-TOA), 비스(트리메틸 실리) 설파이드(bis(trimethylsilyl) sulfide), 트리메틸실릴 설퍼(trimethylsilyl sulfur), 황화 암모늄, 황화 나트륨, 트리메틸실릴 포스핀(trimethylsilyl phosphine) 및 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 트리옥틸포스핀, 트리페닐포스핀, 트리시클로헥실포스핀, 트리스(하이드로프로필)포스핀(Tris(hydroxypropyl)phoshine), 디-tert-부틸메틸포스핀(Di-tert-butylphosphine)을 포함하는 알킬 포스핀(alkyl phosphine), 아르세닉 옥사이드 (Arsenic oxide), 아르세닉 클로라이드(Arsenic chloride), 아르세닉 설페이트(Arsenic sulfate), 아르세닉 브로마이드(Arsenic bromide), 아르세닉 아이오다이드(Arsenic iodide), 테트라페닐아르소늄 클로라이드(Tetraphenylarsonium cholide), 트리에틸 아르신(Triethyl arsine), 트리메틸 아르신(Trimethyl arsine) 및 트리스(트리메틸실리)아르신(Tris(trimethylsilyl) arsine)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
2 주기 원소의 전구체로 산소의 경우, O2 기체를 전구체로 사용하며, 질소를포함하는 GaN 의 경우, 질소 전구체로 갈륨 나이트레이트(gallium nitrate) 또는 갈륨 나이트레이트 수화물(gallium nitrate hydrate)을 사용하며, 이 때 상기 전구체들은 제 1 전구체(Ga) 와 제 2 전구체(N)를 따로 첨가하지 않고 하나의 전구체, 예를 들어, 칼륨 나이트레이트(Gallium nitrate)를 용매와 함께 첨가하여 가열하여 양자점 덴드리머를 합성할 수 있으며, InN의 경우, 질소 전구체로 인듐 나이트레이트 (indium nitrate) 또는 인듐 나이트레이트 수화물(indium nitrate hydrate)을 사용하며, AlN의 경우 알루미늄 나이트레이트(aluminum nitrate) 또는 알루미늄 나이트레이트 수화물(aluminum nitrate hydrate), 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride) 분말을 사용할 수 있다.
추가로, 양자점 전구체들인 제 1 전구체와 제 2 전구체의 비율에 따라서도 양자점 덴드리머의 크기를 조절할 수 있다. 상기 제 1 전구체와 제 2 전구체의 몰 비는 1:100 내지 100:1인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 구현예들에 따른 양자점 덴드리머는 제 1 전구체, 제 2 전구체 이외에도 제 3 전구체 및 제 4 전구체를 추가로 첨가하여 삼원소 화합물 또는 사원소 화합물로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 전구체들은 한번에 혼합되어도 무방하며, 단계적으로 일부를 가열한 뒤, 이어서 나머지를 첨가하여 합성할 수도 있다. 예를 들어 InGaNP의 경우, Ga, In, N 전구체로 인듐 나이트레이트와 갈륨 나이트레이트를 삽입하고 포스핀 전구체를 상기 Ga, In, N 전구체와 함께 삽입하거나 Ga, In, N 전구체를 용매와 함께 먼저 가열 후 포스핀 전구체를 삽입하여 합성할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 사용가능한 양자점 덴드리머는 집적화된 양자점의 특 성을 가지며, 동시에 용매에 잘 분산될 수 있는 뛰어난 분산성을 지니고 있다. 즉, 집적화된 양자점 구조를 가지므로 빛의 흡수를 극대화할 수 있으며, 양자점 덴드리머를 구성하는 각각의 양자점 내부의 여기자(exciton)들의 덴드리머 내부에서의 이동성이 뛰어나다. 구체적으로, 상기 양자점 덴드리머는 수 나노미터 크기의 양자점들이 3차원으로 집적화된 구조를 가짐으로써 단위면적당 빛의 흡수가 단일 양자점에 비해 우수하며, 양자점 덴드리머를 구성하는 각각의 단일 양자점들 간에 네트워크를 이루고 있어 양자점 내부의 여기자들의 존재 확률분포가 수 nm의 양자점에 국한되지 않고 수 십 nm의 양자점 덴드리머 구조에 어느 정도 넓게 퍼져있는 특성을 가지며, 이들 양자점 내에 형성된 전하(전자, 정공)들이 양자점과 양자점 사이를 쉽게 이동함으로써 광전소자로 사용하는 데에 유용하게 활용될 수 있다.
본 발명의 구현예들에 의한 광전변환소자로는 광전관, 포토다이오드, 포토트랜지스터, 광전도소자, 광전지 또는 태양전지가 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
기존의 양자점을 활용하는 소자의 경우, 각각의 양자점 사이에서의 제한된 전자나 정공의 이동성이 전력 생산 효율을 극대화하지 못하는 부분 중 하나로 알려져 있었다. 그러나, 본 발명의 구현예들에 의한 양자점 덴드리머는 생성된 전자나 정공들이 수 십 또는 수 천 nm 크기의 덴드리머 내에서 에너지 장벽이나 에너지 우물에 의한 손실 없이 효율적으로 이동이 가능하다. 또한 양자점 덴드리머의 구조적 특성에 기인하는 넓은 체적 대비 표면적으로 인하여 소자 내에서 다른 여기자로 의 전자 또는 정공의 이동에도 유리하다. 상기 양자점 덴드리머는 수 십 내지 수 천 개의 단일 양자점들이 집적되어 있으므로 광 여기 시 단위면적당 전자와 정공의 생성이 효율적이라는 이점을 가지고 있어 고효율의 소자에 적합하다.
본 발명의 일구현예는 기판, 상기 기판 상부의 제 1 전극, 유기고분자층, 광활성층 및 제 2 전극을 순차적으로 포함하고, 상기 광활성층이 다수의 양자점들이 3차원적으로 결합하여 이루어진 양자점 덴드리머를 포함하는 유기박막 태양전지에 관계한다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 의한 광전변환소자의 개략단면도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일구현예에 따른 광전변환소자는 기판(1) 위에 제 1 전극(2), 상기 제 1 전극(2) 위에 위치하는 유기고분자층(3), 상기 유기고분자층(3) 위에 위치하는 광활성층(4) 및 상기 광활성층(4) 위에 위치하는 제 2 전극(5)을 포함한다.
상기 기판(1)은 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 제한없이 사용가능하며, 석영 및 유리 기판과 같은 투명 무기 기판이거나 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), AS 수지, ABS 수지로 구성되는 군에서 선택되는 투명 플라스틱 기판일 수 있다.
상기 제 1 전극(2)은 상기 기판(1)을 통과한 빛이 광활성층(4)에 도달하는 경로가 되므로 높은 투명도를 갖는 물질이 바람직하며, 이로는 인듐틴 옥사이드(ITO), 금, 은, 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광활성층(4)에서 분리된 정공은 상기 유기고분자층(3)을 통하여 제 1전극(2)에 도달한다. 일반적으로 상기 유기고분자층(3)을 정공주입층이라고도 부른다.
상기 유기고분자층(3)은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린:CSA, 펜타센, Cu-PC(구리 프탈로시아닌), P3HT(폴리-3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌, 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌 및 폴리피리딘으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 사용될 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
이러한 유기 고분자 물질은 스프레잉, 스핀 코팅, 딥핑, 프린팅, 스퍼터링 등의 방법을 이용하여 제 1 전극(2) 위에 코팅될 수 있다.
상기 광활성층(4)은 전자공여체 역할을 하는 것으로, 양자점 덴드리머를 포함할 수 있으며, 전도성 고분자와 양자점 덴드리머의 블렌드층일 수 있다. 상기 전도성 고분자는 P3HT(폴리-3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌, 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌 및 폴리피리딘 폴리(3-옥틸티오펜), 폴리(2,5-비스(3-알킬티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)](poly[2,5-bis(3-alkylthiophene-2-yl)thieno[3,2-b] thiophene)]), 폴리(2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-사이클로펜타[2,1-b;3,4-b']-디티오펜-alt-4,7-(2,1,3-벤젠티아디아졸)](poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethlyhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), 폴리[5,7,-비스(4-데카닐-2-티에닐)티에노[3,4-b]디아티아졸-티오펜-2,5)](poly[5,7-bis(4-decanyl-2-thienyl)thieno[3,4-b]diathiazole-thiophene-2,5)]), 폴리[2,5-(7,7-디옥틸)-사이클로펜타디티오펜](poly[2,5-(7,7-dioctyl)-cyclopentadithiophene]), 폴리(트리아릴아민), 폴리(티에닐렌 비닐렌)(poly(thienylene vinylene)), 폴리[2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-1,4-페닐렌비닐렌](poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene]), 폴리[2-메톡시,5-(2'-에틸-헥실옥시)-p-페닐렌비닐렌)](poly[2-methoxy, 5-(2'-ethyl-hexyloxy)-p-phenylenevinylene)]) 및 폴리[2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-p-페닐렌비닐렌)](poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxy)-p-phenylenevinylene])으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.
상기 광활성층(4) 역시 일반적인 코팅 방법, 예를 들어, 스핀 코팅, 스프레잉, 딥핑, 프린팅, 스퍼터링 등의 방법을 이용하여 코팅될 수 있으며, 그 두께는 50 nm 내지 1 μm인 것이 바람직하다. 두께가 너무 얇을 경우, 광활성층에서 빛을 충분히 흡수하지 못하며, 두께가 너무 두꺼울 경우, 광활성층에서 생성된 전자와 정공이 전극까지 충분히 이동하지 못한다. 따라서 광활성층의 두께는 양자점 덴드리머의 1배 내지 3배 정도가 적절하다.
상기 광활성층(4)의 이종접합 계면에서 발생된 전자는 제 2 전극(5)에 도달한다. 본 발명의 구현예들에서 상기 제 2 전극(5) 물질로는 낮은 일함수의 물질, 예를 들어, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속, 또는 이들의 합금을 포함하나 반드시 이들로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 구현예는 기판, 상기 기판 상부의 제 1 전극, 광활성층 및 제 2 전극을 순차적으로 포함하고, 상기 광활성층은 다수의 양자점들이 3차원적으로 결합하여 이루어진 양자점 덴드리머를 포함하며, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 투명전극인 포토다이오드에 관계하며,
본 발명의 또 다른 구현예는 기판, 상기 기판 상부에 일정 간격으로 이격된 제 1 전극과 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 광활성층을 포함하고, 상기 광활성층은 다수의 양자점들이 3차원적으로 결합하여 이루어진 양자점 덴드리머를 포함하며, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 불투명전극인 포토다이오드에 관계한다.
도 2 는 본 발명의 일구현예에 의한 포토다이오드의 개략단면도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 일구현예에 따른 광전변환소자인 포토다이오드는 기판(21) 위에 제 1 전극(22), 상기 제 1 전극(22) 위에 위치하는 광활성층(24) 및 상기 광활성층(24) 위에 위치하는 제 2 전극(25)을 포함한다. 이 경우, 상기 제 1 전극(22) 및 제 2 전극(25)는 투명 전극인 것이 바람직하다.
상기 기판(21)은 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 제한없이 사용가능하며, 석영 및 유리 기판과 같은 투명 무기 기판이거나 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), AS 수지, ABS 수지로 구성되는 군에서 선택되는 투명 플라스틱 기판일 수 있다.
상기 제 1 전극(22)는 상기 기판(21)을 통과한 빛이 광활성층(24)에 도달하는 경로가 되므로 높은 투명도를 갖는 물질이 바람직하며, 이에는 인듐틴 옥사이드(ITO), 금, 은, 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광활성층(24)은 전자공여체 역할을 하는 양자점 덴드리머가 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 구현예에 의한 포토다이오드의 개략단면도이다. 도 3을 참고하면, 본 발명의 다른 구현예에 따른 포토다이오드는 기판(31), 상기 기판(31) 상부에 일정 간격으로 이격된 제 1 전극(32)과 제 2 전극(34), 및 상기 제 1 전극(32)과 제 2 전극(35) 사이에 위치하는 광활성층(34)를 포함한다. 이때, 상기 제 1 전극(32) 및 제 2 전극(35)은 금, 구리, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속, 또는 이들의 합금을 포함하나 반드시 이들로 한정되는 것은 아니다.
이하, 하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 이들은 단지 예시를 위한 것으로, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
제조예 1 : CdSe 양자점 덴드리머 합성
반응용기에 카드뮴 아세테이트 이수화물(cadmium acetate dihydrate) 0.532g, 트리-n-옥틸포스핀 옥사이드(tri-n-octylphosphine oxide) 6g 및 스테아르산(steric aicd) 0.071g을 첨가하여 질소 환경에서 120℃의 온도로 가열하였다(카드뮴 전구체와 스테아르산의 몰비 = 카드뮴 전구체 몰수(2mmol) : 스테아르산의 몰수(0.25mmol) = 8 : 1).
여기에 1.25 M 농도의 트리-n-옥틸포스핀 셀레나이드(tri-n-octylphosphine selenide) 0.4mL와 트리옥틸포스핀(trioctylphosphine) 0.6mL을 삽입(Cd:Se = 2mmol : 0.5mmol = 4 : 1)하여 270℃의 온도에서 5분 동안 가열하여 CdSe 양자점 덴드리머를 수득하였다.
제조예 2 : CdSe 양자점 합성
CdSe 양자점의 카드뮴 전구체 물질로서 카드뮴 아세테이트(cadmium acetate）133ｍｇ과 올레인 산(oleic acid) 0.5mL를 100℃ 진공환경에서 1시간 동안 교반가열하였다. 셀레늄 전구체 물질로 트리옥틸포스핀 4mL에 셀레늄(Selenium) 158mg을 넣고 질소환경에서 교반가열하였다. 이 카드뮴과 셀레늄 전구체 물질을 트리옥틸포스핀 4mL에 분산시킨 후, 300℃의 질소 환경의 15g의 트리옥틸포스핀 옥사이드와 3g의 헥사데실아민 용액에 주입한 뒤 약 5분 동안 교반가열하여 5nm 크기의 단일 CdSe 양자점들을 합성하였다.
실시예 1
제조예 1에서 수득된 30mg의 CdSe 양자점 덴드리머를 20mL의 피리딘(pyridine) 용액에 분산시킨 후 110℃, 질소 환경 하에서 24 시간 동안 환류반응으로 CdSe 양자점 덴드리머의 표면을 피리딘으로 치환시킨 후, 헥센을 이용한 정제 과정으로 여분의 유기분자를 제거하여 순수한 피리딘 치환된 양자점을 수득하였다.
피리딘으로 치환된 16mg의 CdSe 양자점 덴드리머를 4mg의 폴리-3-헥실티오펜(P3HT)(poly(3-hexylthiophene))을 0.2mL의 클로로벤젠에 녹여 CdSe 양자점 덴드리머와 P3HT의 혼합용액을 제조하였다.
1.5 cm X 1.5 cm 크기의 SiO2 기판 상부에 ITO(Indium tin oxide)를 150nm 두께로 스퍼터링으로 증착한 뒤, 상기 ITO 표면에 PEDOT:PSS[Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)]를 회전도포법으로 4000rpm, 1분 동안 40nm의 박막을 형성한 뒤, 이를 오븐에서 120℃, 20분 이상 건조하였다. 이어서, PEDOT:PSS 박막층 위에 미리 준비해둔 CdSe 양자점 덴드리머와 P3HT의 혼합용액을 1000rpm의 속도로 2분간 스핀코팅하여 100nm 두께의 박막을 형성한 후, 질소 환경하에서 150℃, 90분간 열처리하여 광활성층을 형성하였다. 광활성층 위에 진공 열 증착을 통해 100nm 두께의 알루미늄을 증착하여 유기박막 태양전지를 제작하였다.
비교예 1
실시예 1에서 CdSe 양자점 덴드리머 대신에 제조예 2에서 제조된 CdSe 양자점을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 유기박막 태양전지를 제조하였다.
실험예
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 유기박막 태양전지의 효율을 측정하기 위하여, 1000W Oriel Solar Simulator 장비를 사용하여 유기박막 태양전지에 빛을 주었을 때 keithley 4200 장비를 사용하여 전류-전압 특성을 측정하였다. 실험에 사용한 광원은 크세논(Xe)이었으며, 빛의 세기를 일반적인 태양 빛의 세기인 AM(Air Mass) 1.5, 100mW/cm2가 되도록 하였다. 측정된 전류-전압 곡선을 도 4에 도시하였다. 측정된 전류-전압 곡선으로부터 계산된 광전류밀도(Isc), 개방전압(Voc) 및 충진계수(fill factor, FF)를 하기 식에 대입하여 광전변환효율(ηe)을 계산하였다.
ηe = (Voc · Isc · FF)/ Pinc
상기 식에서, Pinc 는 100mW/cm2를 나타낸다.
도 4를 참조하면, CdSe 양자점을 사용한 비교예 1의 경우에는 0.19%의 광전변환효율을 얻은 반면에, 동일한 조건에서 CdSe 양자점 덴드리머를 사용한 실시예 1의 경우에는 0.89%의 광전변환효율을 가짐을 확인할 수 있다. 상기 실험예의 결과로부터, 본 발명의 양자점 덴드리머를 포함하는 광전변환소자는 수 나노미터 크기의 양자점들이 3차원으로 집적화된 구조를 가짐으로써 단위면적당 빛의 흡수가 단일 양자점에 비해 우수하고, 양자점과 양자점이 연결되어 있어서 양자점 간의 전자 이동의 횟수가 줄어 전자가 이동 과정 중에 손실될 가능성을 줄일 수 있으며, 수 나노 미터 크기의 양자점들이 연결되어 있어 단일 양자점에 비해 전자와 정공의 분리가 잘 일어나 전류를 더 효율적으로 생성시킬 수 있으므로 광전변환효율이 우수한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 본 발명에 대해서 상세하게 설명하였으나, 이들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 의한 유기박막 태양전지의 단면개략도이며,
도 2는 본 발명의 일구현예에 의한 포토다이오드의 단면개략도이며,
도 3은 본 발명의 일구현예에 의한 포토다이오드의 단면개략도이며,
도 4는 실시예 1에서 제조된 유기박막 태양전지의 전류-전압 곡선 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 21, 31: 기판
2, 22, 32: 제 1 전극
3: 유기고분자층
4, 24, 34: 광활성층
5, 25, 35: 제 2 전극

Claims (15)

  1. 광활성층을 포함하는 광전변환소자에 있어서,
    상기 광활성층은 다수의 양자점들이 3차원적으로 자발적 뭉침현상(self-assembly)에 의해 형성된 양자점 덴드리머를 포함하고 상기 양자점 덴드리머는 구형, 다면체형, 타원형 또는 원통형의 형상인 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양자점 덴드리머는 1nm 내지 100nm 크기의 양자점들을 기본 구성 물질로 포함하며, 이들 단위 크기의 양자점들이 자발적 뭉침과정을 거쳐 응집체를 이루는 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 양자점 덴드리머의 직경은 10nm 내지 1μm인 것을 특징으로 하며, 상기 양자점 덴드리머의 직경은 양자점 덴드리머를 구성하는 단위 양자점의 크기 및 개수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양자점 덴드리머는 12족-16족, 13족-15족, 14족-16족 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 양자점은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, ZnO, CdO, HgO, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, CdZnS, CdZnSe, CdSSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, HgZnS, HgZnSe, CdZnO, CdHgO, ZnHgO, ZnSeO, ZnTeO, ZnSO, CdSeO, CdTeO, CdSO, HgSeO, HgTeO, HgSO, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe, CdZnSeO, CdZnTeO, CdZnSO, CdHgSeO, CdHgTeO, CdHgSO, ZnHgSeO, ZnHgTeO, ZnHgSO, GaP, GaAs, GaSb, GaN, AlP, AlAs, AlSb, AlN, InP, InAs, InSb, InN, GaPAs, GaPSb, GaPN, GaAsN, GaSbN, AlPAs, AlPSb, AlPN, AlAsN, AlSbN, InPAs, InPSb, AlGaP, AlGaAs, AlGaSb, InPN, InAsN, InSbN, InGaP, InGaAs, InGaSb, InGaN, InAsN, InSbN, AlInP, AlInAs, AlInSb, AlGaN, AlAsN, AlSbN, AlInN, AlAsN, AlSbN, AlPN, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInPAs, GaInAlAs, GaAlPN, GaAlAsN, GaAlSbN, GaInPN, GaInAsN, GaInAlN, GaSbPN, GaAsPN, GaAsSbN, GaInPSb, GaInPN, GaInSbN, GaPSbN, InAlPAs, InAlPN, InPAsN, InAlSbN, InPSbN, InAsSbN, InAlPSb, SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe, GeS, GeSe, GeTe, SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe, SnPbSSe, SnPbSeTe 및 SnPbSTe로 이루어진 군에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 광전변환소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 양자점 덴드리머는 이종 금속 원소로 도핑된 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이종 금속 원소는 니켈, 구리, 아연, 금, 은, 백금, 이리듐, 스칸듐, 타이타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프란슘 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 광전변환소자.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 광활성층은 전도성 고분자-양자점 덴드리머 블렌드층인 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전도성 고분자는 P3HT(폴리-3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌, 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌 및 폴리피리딘 폴리(3-옥틸티오펜), 폴리(2,5-비스(3-알킬티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜)](poly[2,5-bis(3-alkylthiophene-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene)]), 폴리(2,6-(4,4-비스-(2-에틸헥실)-4H-사이클로펜타[2,1-b;3,4-b']-디티오펜-alt-4,7- (2,1,3-벤젠티아디아졸)](poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethlyhexyl)-4H-cyclopenta[2,1- b;3,4-b']-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), 폴리[5,7,-비스(4-데카닐-2-티에닐)티에노[3,4-b]디아티아졸-티오펜-2,5)](poly[5,7-bis(4-decanyl-2 -thienyl)thieno[3,4-b]diathiazole-thiophene-2,5)]), 폴리[2,5-(7,7-디옥틸)-사이클로펜타디티오펜](poly[2,5-(7,7-dioctyl)-cyclopentadithiophene]), 폴리(트리아릴아민), 폴리(티에닐렌 비닐렌)(poly(thienylene vinylene)), 폴리[2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-1,4-페닐렌비닐렌](poly[2-methoxy-5-(3',7'- dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene]), 폴리[2-메톡시,5-(2'-에틸-헥실옥시)-p-페닐렌비닐렌)](poly[2-methoxy, 5-(2'-ethyl-hexyloxy)-p- phenylenevinylene)]) 및 폴리[2-메톡시-5-(3',7'-디메틸옥틸옥시)-p-페닐렌비닐렌)](poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxy)-p-phenylenevinylene])으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
  11. 제1항 내지 제7항, 제9항 및 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 광전변환소자는 광전관, 포토다이오드, 포토트랜지스터, 광전도소자, 광전지 및 태양전지로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 광전변환소자.
  12. 기판, 상기 기판 상부의 제 1 전극, 유기고분자층, 광활성층 및 제 2 전극을 순차적으로 포함하고, 상기 광활성층은 다수의 양자점들이 3차원적으로 자발적 뭉침현상에 의해 형성된 양자점 덴드리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 유기고분자층은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린:CSA, 펜타센, Cu-PC(구리 프탈로시아닌), P3HT(폴리-3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌, 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌 및 폴리피리딘으로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유기박막 태양전지.
  14. 기판, 상기 기판 상부의 제 1 전극, 광활성층 및 제 2 전극을 순차적으로 포함하고, 상기 광활성층은 다수의 양자점들이 3차원적으로 자발적 뭉침현상에 의해 형성된 양자점 덴드리머를 포함하며, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 투명전극인 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
  15. 기판, 상기 기판 상부에 일정 간격으로 이격된 제 1 전극과 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이의 광활성층을 포함하고, 상기 광활성층은 다수의 양자점들이 3차원적으로 자발적 뭉침현상에 의해 형성된 양자점 덴드리머를 포함하며, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 불투명전극인 것을 특징으로 하는 포토다이오드.
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