KR101294835B1 - 양자점 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
양자점 태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양전지는 투명전극; 소정 간격을 두어 형성되는 복수개의 돌출부가 구비되는 것으로, 상기 투명전극 상에 형성되는 금속산화물층; 상기 금속산화물층 상에 형성되는 것으로, 복수개의 양자점을 포함하는 양자점층; 및 상기 양자점층 상에 형성되어 상기 투명전극과 대향하는 대향전극을 포함한다.
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양자점 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광에너지를 이용하여 전기에너지로 변환시켜주는 대표적인 광전소자인 태양전지는 결정질 및 다결정질 실리콘계를 포함하는 1세대 태양전지, 유기태양전지, 염료감응태양전지 및 화합물반도체 박막태양전지를 포함하는 2세대 태양전지, 그리고 양자점을 포함하는 3세대 태양전지로 구분될 수 있다.
이 중, 양자점 태양전지는 양자점의 소재 특성으로 인해 최근 많은 연구가 이루어지고 있다. 양자점(quantum dot)은 단일 물질이 밴드갭 이상의 파장을 전영역에서 흡수하는 특징을 가지고 있으며, 보어 반지름(bohr radius)이하의 크기로 양자구속화(quantum confinement)를 통해 낮은 밴드갭을 가지는 벌크 물질의 밴드갭을 쉽게 제어할 수 있다. 또한, 양자점은 높은 유전상수로 인해 생성된 엑시톤이 쉽게 전자와 정공으로 분리될 수 있으며, 하나의 광자(photon)가 다수의 엑시톤을 생성하는 다중여기자(MEG, multiple exciton generation)의 생성이 가능할뿐더러, 용액공정을 통해 저가 공정으로 구현 가능하다는 장점을 갖는다.
그러나 현재까지 개시된 양자점 태양전지의 경우에는 양자점 간의 결정임계 문제 등으로 인하여 발생되는 전하들이 손실 및 왜곡되는 현상때문에 광전변환효율이 상대적으로 낮다는 문제점이 있었는 바, 양자점 태양전지의 광전변환 효율을 높이기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예들에서는 보다 용이한 공정을 통하여 광전변환효율을 향상시킨 양자점 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 투명전극; 소정 간격을 두어 형성되는 복수개의 돌출부가 구비되는 것으로, 상기 투명전극 상에 형성되는 금속산화물층; 상기 금속산화물층 상에 형성되는 것으로, 복수개의 양자점을 포함하는 양자점층; 및 상기 양자점층 상에 형성되어 상기 투명전극과 대향하는 대향전극을 포함하는 양자점 태양전지가 제공될 수 있다.
이 때, 상기 금속산화물층의 돌출부 사이의 간격은 400nm 내지 1000nm일 수 있다.
또한, 상기 금속산화물층은 n-type의 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, In2O3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질이거나, 상기 물질들에 13족 또는 15족에서 선택되는 원소가 도핑된 물질 일 수 있다.
또한, 상기 양자점은 p-type의 CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, PbSe, PbS, CuO 및 PbTe로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물이거나, 상기 화합물에 13족 또는 15족에서 선택되는 원소가 도핑된 물질일 수 있다.
또한, 상기 양자점층 및 대향전극 사이에 형성되는 전이금속 산화물층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전이금속 산화물층은 WO3, MoO3, Fe2O3 , VO2 및 Cr2O3로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 투명전극 상부에 광경화성 또는 열경화성 물질을 포함하는 금속산화물 전구체 용액을 코팅하여 금속산화물층을 형성하는 1단계; 요철구조를 갖도록 패터닝된 몰드를 이용하여 나노임프린트 공정을 통해 상기 금속산화물층에 소정 간격을 두어 배치되는 복수개의 돌출부를 형성하는 2단계; 및 상기 금속산화물층 상에 복수개의 양자점을 포함하는 양자점층과 상기 투명전극과 대향하는 대향전극을 형성하는 3단계를 포함하는 양자점 태양전지 제조방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 2단계 및 3단계 사이에, 상기 금속산화물층을 300℃ 내지 500℃의 온도에서 열처리하여 상기 금속산화물층의 결정도를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속산화물층은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, In2O3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질이거나, 상기 물질들에 13족 또는 15족에서 선택되는 원소가 도핑된 물질이고, 상기 양자점은 CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, PbSe, PbS, CuO 및 PbTe로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물이거나, 상기 화합물에 13족 또는 15족에서 선택되는 원소가 도핑된 물질일 수 있다.
또한, 상기 3단계는, 상기 양자점층과 대향전극 사이에 WO3, MoO3, Fe2O3 , VO2 및 Cr2O3로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 제조되는 전이금속 산화물층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 금속산화물층에 복수개의 돌출부를 구성함으로써 금속산화물층이 평면 구조로 형성되는 경우보다 광전변환효율을 2배 이상 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 돌출부를 나노임프린트 공정을 통하여 상대적으로 용이하게 제작 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양전지를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양전지 제조방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
도 6은 도 1의 돌출부 및 돌출부 패턴의 각 부분을 표기한 도면이다.
도 7은 실시예 및 비교예의 TEM 이미지이다.
도 8은 실시예 및 비교예의 전류밀도-전압(I-V) 특성 그래프이다.
도 9는 실시예 및 비교예에서 돌출부 사이의 간격(S)에 따른 단락전류밀도 및 직렬저항을 나타내는 그래프이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양전지 제조방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
도 6은 도 1의 돌출부 및 돌출부 패턴의 각 부분을 표기한 도면이다.
도 7은 실시예 및 비교예의 TEM 이미지이다.
도 8은 실시예 및 비교예의 전류밀도-전압(I-V) 특성 그래프이다.
도 9는 실시예 및 비교예에서 돌출부 사이의 간격(S)에 따른 단락전류밀도 및 직렬저항을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양전지(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
양자점 태양전지는 구조에 따라서 쇼트키(Schottky)형, 하이브리드(hybrid)형, p-n 이종접합(heterojuction)형, 감응형(sensitized) 등으로 구분될 수 있는데, 본 발명의 일 실시예 따른 양자점 태양전지(100, 이하 양자점 태양전지)는 그 중에서 n-type의 넓은 밴드갭을 가지는 금속산화물(무기산화물)에 p-type의 양자점을 접합하여 만든 p-n 이종접합형 양자점 태양전지에 해당됨을 밝혀둔다.
도 1을 참조하면, 양자점 태양전지(100)는 기판(110) 상에 순차적으로 적층되어 형성되는 투명전극(120), 금속산화물층(130), 양자점층(140) 및 대향전극(160)을 포함한다. 이 때, 금속산화물층(130)에는 소정 간격을 두어 복수개의 돌출부(131)가 형성된다.
또한, 양자점 태양전지(100)는 양자점층(140) 및 대향전극(160) 사이에 형성되는 전이금속 산화물층(150)을 더 포함할 수 있다.
이하, 양자점 태양전지(100)의 각 구성에 대하여 설명하도록 한다.
기판(110)은 태양광이 조사되는 곳으로 통상적으로 양자점 태양전지에서 사용되는 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 유리, PET(polyethyleneterephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polypropylene), PI(polyimide), PC(polycarbonate), PS(polystylene), POM(polyoxyethlene), TAC(Triacetyl cellulose)등의 투명성 물질로 제조될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
투명전극(120)은 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), AZO(aluminum doped zinc oxide), IZO(indium zinc oxide)등의 물질로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.
한편, 도 1에서는 기판(110)과 투명전극(120)을 각각 도시하였으나 투명전극(120)이 일면에 형성되어 있는 기판(110)을 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, ITO가 코팅되어 있는 유리 기판 등을 사용가능하다.
금속산화물층(130)은 투명전극(120) 상에 형성되는 것으로 양자점층(140)에서 생성되는 캐리어 중에서 전자를 투명전극(120)으로 이동시키는 기능을 한다, 이를 위해, 금속산화물층(130)은 n-type의 넓은 밴드갭을 가지는 금속산화물(무기산화물) 또는 흡광성을 가지는 n-type의 무기반도체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 금속산화물층(130)은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, In2O3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 열거된 물질들에 13족 또는 15족에서 선택되는 원소를 도핑한 물질들 역시 금속산화물층(130)에 포함될 수 있다.
금속산화물층(130)은 상부 방향으로 돌출되어 형성되는 복수개의 돌출부(131)를 구비한다. 돌출부(131)는 p-n 접합면의 표면적을 증가시키는 기능을 하는 것으로 돌출부(131)를 구비함으로써 나타나는 효과에 대해서는 후술할 시험예에서 구체적으로 설명하도록 한다. 돌출부(131)는 금속산화물층(130) 표면의 전부 또는 일부에 형성될 수 있으며, 복수개의 돌출부(131)는 소정 간격을 두어 형성될 수 있다. 이 때, 상기 간격은 예를 들어 400nm 내지 1000nm일 수 있다.
도 1에 도시되지는 않았으나, 금속산화물층(130)은 이중층(double-layer) 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속산화물층(130)이 이중층 구조로 형성되고 이 때 상부에 위치한 금속산화물층(130)을 제1 금속산화물층이라 하고 하부에 위치한 금속산화물층(130)을 제2 금속산화물층이라고 할 때에, 상기 제1 금속산화물층에 돌출부를 형성하고, 상기 제2 금속 산화물층은 평면 구조로 형성하는 것이 가능하다.
양자점층(140)은 양자점(quantum dot)으로 이루어진 것으로 금속산화물층(130)의 상부에 형성된다. 이 때, 양자점층(140)은 금속산화물층(130)에 형성된 돌출부(131) 사이의 공간을 포함하여 형성된다.
양자점층(140)은 태양광을 흡수하여 다중캐리어(전자 및 정공)를 생성시키고, 캐리어 중에서 정공을 대향전극(160)으로 이동시키는 기능을 한다. 구체적으로는 금속산화물층(130)과 양자점층(140)의 계면에서 상기 다중캐리어가 분리되고, 전자는 금속산화물층(130)을 통해 투명전극(120)으로 이동하고 정공은 양자점층(140)을 통해 대향전극(160)으로 이동할 수 있다. 이를 위해, 양자점층(140)은 p-type의 양자점으로 형성될 수 있다.
이와 같은 상기 양자점은 2족, 12족, 13족 및 14족에서 선택되는 제1 원소와 16족의 원소에서 선택되는 제2 원소로 이루어진 화합물이거나, 13족에서 선택되는 제1 원소와 15족에서 선택되는 제2 원소로 이루어진 화합물이거나, 14족에서 선택되는 원소로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물일 수 있다.
상기 양자점의 구체적인 예로는, CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, PbSe, PbS, CuO 및 PbTe로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물이 있으며, 상기 열거된 것들로 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 열거된 물질들에 13족 또는 15족에서 선택되는 원소를 도핑한 물질들 역시 상기 양자점에 포함될 수 있다.
대향전극(160)은 도전성 물질로 이루어진 것이면 되고 특별히 한정되지는 않는다. 예를 들어, 대향전극(160)은 백금, 금, 알루미늄, 은, 티타늄, 크롬, 니켈 등을 이용하여 형성할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 대향전극(160)은 절연성 물질이라 하더라도 투명전극(120)과 마주보는 층에 도전층이 형성되어 있으면 사용 가능하다.
전이금속 산화물층(150)은 양자점층(140) 및 대향전극(160) 사이에 형성되는 것으로, 경우에 따라 생략될 수 있다. 전이금속 산화물층(150)은 일종의 패시베이션(passivation) 역할을 하는 것으로 대향전극(160)으로부터 전자가 다시 양자점층(140) 방향으로 이동하는 것을 차단하는 기능을 한다. 전이금속 산화물층(150)은 예를 들어, WO3, MoO3, Fe2O3 , VO2 및 Cr2O3로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 구성되는 양자점 태양전지(100)는 금속산화물층(130)에 복수개의 돌출부(131)를 구성함으로써 금속산화물층(130)이 평면 구조로 형성되는 경우에 비하여 높은 광전변환효율을 가질 수 있다. 이에 대해서는 후술할 시험예에서 다시 설명될 것이다.
한편, 양자점 태양전지(100)는 복수개가 적층되는 텐덤형(Tendum type) 태양전지로 구성될 수 있으며, 이 때 상술한 것과 같이 복수개의 돌출부(131)가 구비되는 금속산화물층(130)의 형태는 상기 텐덤형 태양전지에서의 중간층(interlayer, 양자점층에서 재결합층으로의 전자전달을 도움)의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 금속산화물층(130)의 형태는 반사방지막으로 사용되는 것도 가능하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양전지 제조방법에 대하여 설명하도록 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양전지 제조방법은 나노임프린트(Nanoimprint) 공정을 통하여 금속산화물층(130, 도 1 참조)에 돌출부(131, 도 1 참조)를 형성하는 것을 일 특징으로 한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양전지 제조방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
도 2를 참조하면, 양자점 태양전지를 제조하기 위하여 우선 기판(110) 상의 투명전극(120) 상부에 광경화성 또는 열경화성 물질을 포함하는 금속산화물 전구체 용액을 코팅하여 금속산화물층(130)을 형성한다.
상기 광경화성 또는 열경화성 물질은 자외선(UV)을 조사하거나, 열을 가하거나, 자외선 조사 및 열을 가함으로써 경화되는 물질을 의미하며, 예를 들면 아크릴레이트계 폴리머 또는 우레탄계 폴리머가 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 광경화성 또는 열경화성 물질이면 제한되지 않고 사용 가능하다.
상기 금속산화물 전구체 용액은 n-type의 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, In2O3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질이거나, 상기 물질들에 13족 또는 15족에서 선택되는 원소가 도핑된 물질의 전구체 용액일 수 있으며 이에 한정되지 않는다.
한편, 금속산화물 전구체 용액을 코팅하는 방법은 한정되지 않으며, 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 드롭핑(dropping), 디스펜싱(dispensing), 프린팅(printing), 닥터 블레이드(doctor blade), 랭뮤어 블로젯(Langmuir Blodgett) 등의 공정을 이용할 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재되는 코팅 공정은 상기 열거된 공정들을 이용할 수 있는 바, 이하에서는 중복 설명을 생략하도록 한다(이상 1단계).
도 3을 참조하면, 다음으로 요철구조(11)를 갖도록 패터닝된 몰드(10)를 준비한다. 여기에서 요철구조(11)는 금속산화물층(130)에 형성하고자 하는 돌출부(131, 도 1 참조)의 패턴 구조에 대응하여 형성될 수 있으며, 마스터 스템프(예컨대, 실리콘 마스터)를 사용하여 요철구조(11)를 형성 가능하다. 이 때, 하나의 상기 마스터 스템프를 사용하여 복수개의 몰드(10)를 복제하는 것도 가능하다.
몰드(10)는 플렉시블하고 소프트한 성질을 갖는 PDMS(polydimethylsiloxane), ETFE(ethylene tetrafluoroethylene), PFA(perfluoroalkyl acrylate), PFPE(bifunctional urethane methacrylate perfluoropolyether), 또는 PUA(polyurethane acrylate) 몰드를 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이후 공정에서 자외선을 가하기 위해서 몰드(10)는 투명재질로 형성될 수 있다.
다음으로 도 4를 참조하면, 금속산화물층(130)에 돌출부(131)를 형성하기 위하여, 몰드(10)를 금속산화물층(130) 상부면에 가압한다. 구체적으로는 몰드(10)에 패터닝된 요철구조(11)가 금속산화물층(130)의 표면에 전사될 수 있도록, 몰드(10)를 금속산화물층(130)의 상부로 가압하는 것이며, 이는 고압(100bar 이하) 또는 진공 하에서 수행될 수 있다.
몰드(10)를 금속산화물층(130)의 상부면에 가압한 후에는, 자외선(UV)을 조사하거나 고온의 열을 가하여 돌출부(131)가 구비된 금속산화물층(130)을 경화시킨다. 상기 자외선 조사는 통상적으로 사용되는 레이저계 또는 램프계 노광장치를 이용하여 수행될 수 있으며, 상기와 같은 일련의 공정을 임프린트(imprint) 공정이라 한다(나노크기의 미세가공 공정이므로 나노임프린트 공정이라고 지칭할 수도 있음).
한편, 돌출부(131)가 구비된 금속산화물층(130)을 경화시킨 후에는, 금속산화물층(130)의 결정도(crystallinity)를 증가시키기 위해서 열처리(예컨대, 어닐링)가 추가적으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 열처리 과정은 300℃ 내지 500℃의 온도에서 1시간 가량 수행될 수 있다.
또한, 상술한 열처리 후에 부산물들을 제거하거나 금속산화물층(130)을 치밀화시키는 공정을 추가적으로 수행할 수 있다(이상 2단계).
다음으로 도 5를 참조하면, 몰드(10)를 제거한 후에 금속산화물층(130) 상부에 순차적으로 양자점층(140), 전이금속 산화물층(150) 및 대향전극(160)을 적층시켜 형성한다. 전이금속 산화물층(150)은 경우에 따라 형성하지 않을 수 있다.
양자점층(140)은 양자점을 합성한 후에 용매(예컨대, 아세토니트릴, 에탄디티올)에 분산시켜 금속산화물층(130) 상에 코팅하여 형성할 수 있다. 이 때, 상기 양자점을 합성하는 방법은 공지의 공정을 이용할 수 있는 바(예컨대, 화학적 습식합성법), 구체적인 내용은 생략하도록 한다.
상기 양자점은 p-type의 CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, PbSe, PbS, CuO 및 PbTe로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물이거나, 상기 화합물에 13족 또는 15족에서 선택되는 원소가 도핑된 물질일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
양자점층(140)을 형성한 후에는 전이금속 산화물층(150) 및 대향전극(160)을 차례대로 코팅하여 형성할 수 있다. 전이금속 산화물층(150)은 WO3, MoO3, Fe2O3 , VO2 및 Cr2O3로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며 이에 한정되지 않는다. 또한, 대향전극(160)은 백금, 금, 알루미늄 등의 도전성 물질로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다(이상 3단계).
상기와 같이 제조되는 양자점 태양전지(100)는 금속산화물(130)에 복수개이 돌출부(131)를 나노임프린트 공정을 통하여 상대적으로 용이하게 형성함으로써, 보다 간단한 제조 공정을 통하여 높은 광전변환효율을 가지는 태양전지를 제조 가능하다.
이하에서는 본 발명의 시험예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 하기의 시험예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 예시된 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지 않음은 자명하다.
시험예
비교예
및
실시예
준비
시험을 위하여, 하기 [표 1]과 같이 비교예 및 실시예에 해당하는 양자점 태양전지를 제작하였다.
| 양자점 태양전지의 구성 (기판/투명전극/금속산화물층/양자점층/전이금속 산화물층/대향전극) |
비고 | |
| 비교예 | Glass/ITO(200nm)/ZnO(60nm)/PbS(200nm)/MoO3(10nm)/Al(180nm) | ZnO는 평면 구조(planar)로 제조됨 |
| 실시예 | Glass/ITO(200nm)/ZnO/PbS(200nm)/MoO3(10nm)/Al(180nm) | ZnO에 복수개의 돌출부를 형성함. |
상기 [표 1]에서 알 수 있듯이, 비교예 및 실시예는 각 층별로 동일한 재료를 사용하여 제조되었으며, 다만 ZnO층(금속산화물층)의 돌출부 유무에 의해 구분된다. 또한, 실시예에서 돌출부의 패턴에 따른 영향을 알아보기 위하여 실시예를 하기 [표 2]와 같이 세분화시켰다. 관련하여, 도 6에서는 하기 [표 2]에 기재된 돌출부 패턴의 각 부분인 L,S,H,R을 표기하였다.
| 돌출부 너비 (L,line width) |
돌출부 사이의 간격(S,inter-pattern distance | 돌출부 높이 (H,pattern height) |
돌출부 하부 잔류층 두께 (R,residual layer) |
|
| 실시예 1 | 100nm | 300nm | 100nm | 35nm |
| 실시예 2 | 100nm | 500nm | 100nm | 43nm |
| 실시예 3 | 100nm | 700nm | 100nm | 47.5nm |
| 실시예 4 | 100nm | 900nm | 100nm | 50nm |
| 실시예 5 | 100nm | 300nm | 50nm | 47.5nm |
상기 [표 2]에서의 돌출부 사이의 간격(S)이 증가할수록 동일 면적에 돌출부가 적게 형성되므로, 금속산화물층(ZnO층)과 양자점층(PbS)의 접합 면적(junction area)이 작아지게 된다.
한편, 실시예에 해당하는 양자점 태양전지 제작은 하기와 같이 이루어졌다.
(1) ITO 기판 상부에 광경화성 니트로벤즈알데히드(nitrobenzaldehyde)를 포함하는 ZnO 전구체 용액을 스핀 코팅하고, 패터닝된 PFPE 몰드를 사용하여 나노 임프린트 공정을 통해 ZnO 층에 돌출부를 형성하였다.
(2) 다음으로 ZnO층의 결정도를 증가시키기 위하여 400℃에서 1시간 동안 열처리를 수행하고, 부산물들을 제거하였다.
(3) 다음으로 상기 ZnO층 상부에 PbS 양자점을 layer by layer 용액 증착을 이용하여 PbS 양자점층을 형성하고, 상기 PbS 양자점층 상부에 MoO3층 및 Al을 순차적으로 진공 증착하였다.
또한, 비교예에 해당하는 양자점 태양전지는 상술한 실시예에 해당하는 양자점 태양전지 제조공정에서 ZnO층에 돌출부를 형성하는 공정을 제외하고는 동일 또는 유사한 공정으로 제조되었다. 관련하여, 도 7은 상기와 같이 제조된 양자점 태양전지의 단면 TEM(Transmission electron microscope) 이미지(20만배 배율)이다(도 7a는 실시예이고 도 7b는 비교예이다).
광전변환효율 측정
도 8은 실시예 및 비교예의 전류밀도-전압(I-V) 특성 그래프이고, 도 9는 실시예 및 비교예에서 돌출부 사이의 간격(S)에 따른 단락전류밀도(JSC) 및 직렬 저항(RS;series resistance)을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 실시예 및 비교예에 해당하는 양자점 태양전지에 대하여, 개방전압(Voc, open circuit voltage), 단락전류밀도(Jsc, short-circuit current density), 충진률(FF, fill factor) 및 광전변환효율(Eff, conversion efficiency)을 측정하였다. 상기 측정은 제작된 양자점 태양전지를 표준 조건(100mW/Cm2) 하에서 이루어졌다. 측정결과를 하기 [표 3]에 정리하였다.
| 개방전압 (Voc,mV) |
단락전류 (Jsc,mA/cm2) |
충진률 (FF,%) |
광전변환효율 (%) |
|
| 실시예 1 | 448.6 | 12.5 | 31.25 | 1.78 |
| 실시예 2 | 448.5 | 12.34 | 33.65 | 1.90 |
| 실시예 3 | 461.4 | 11.61 | 33.27 | 1.81 |
| 실시예 4 | 476.6 | 10.77 | 33.8 | 1.76 |
| 실시예 5 | 445.3 | 10.76 | 29.5 | 1.43 |
| 비교예 | 394.3 | 7.82 | 29.9 | 0.92 |
도 8 및 [표 3]에서 확인되듯이, 실시예 1~5에 해당하는 양자점 태양전지는 비교예에 해당하는 양자점 태양전지보다 광전변환효율이 향상되는 것으로 나타났으며, 특히 실시예 2의 경우에는 비교예보다 광전변환효율이 2배 이상 향상되는 것으로 나타났다.
한편, 도 9를 참조하면, 실시예들에서 돌출부 사이의 간격(S)이 증가할수록 단락전류는 감소하고 직렬저항은 증가하는 경향이 나타났다. 이와 같은 결과는 돌출부 사이의 간격(S)이 작아질수록 동일 면적에 대하여 ZnO층과 PbS 양자점층의 접합 면적이 커지게 되기 때문에 전하 수집량이 늘어나기 때문인 것으로 해석될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 금속산화물층에 복수개의 돌출부를 구성함으로써 금속산화물층이 평면 구조로 형성되는 경우보다 광전변환효율을 2배 이상 향상시킬 수 있을 뿐더러, 상기 돌출부를 나노임프린트 공정을 통하여 상대적으로 용이하게 제작 가능하다는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 몰드 100: 양자점 태양전지
110: 기판 120: 투명 전극
130: 금속산화물층 131: 돌출부
140: 양자점층 150: 전이금속 산화물층
160: 대향전극
110: 기판 120: 투명 전극
130: 금속산화물층 131: 돌출부
140: 양자점층 150: 전이금속 산화물층
160: 대향전극
Claims (10)
- 투명전극;
소정 간격을 두어 형성되는 복수개의 돌출부가 구비되는 것으로, 상기 투명전극 상에 형성되는 금속산화물층;
상기 금속산화물층 상에 형성되는 것으로, 복수개의 양자점을 포함하는 양자점층;
상기 양자점층 상에 형성되는 전이금속 산화물층; 및
상기 전이금속 산화물층 상에 형성되어 상기 투명전극과 대향하는 대향전극을 포함하는 양자점 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속산화물층의 돌출부 사이의 간격은 400nm 내지 1000nm인 양자점 태양전지. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 금속산화물층은 n-type의 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, In2O3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질이거나, 상기 물질들에 13족 또는 15족에서 선택되는 원소가 도핑된 물질인 양자점 태양전지. - 청구항 3에 있어서,
상기 양자점은 p-type의 CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, PbSe, PbS, CuO 및 PbTe로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 화합물이거나, 상기 화합물에 13족 또는 15족에서 선택되는 원소가 도핑된 물질인 양자점 태양전지. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 전이금속 산화물층은 WO3, MoO3, Fe2O3, VO2및 Cr2O3로 이루어진 군에서 선택되는 양자점 태양전지. - 투명전극 상부에 광경화성 또는 열경화성 물질을 포함하는 금속산화물 전구체 용액을 코팅하여 금속산화물층을 형성하는 1단계;
요철구조를 갖도록 패터닝된 몰드를 이용하여 나노임프린트 공정을 통해 상기 금속산화물층에 소정 간격을 두어 배치되는 복수개의 돌출부를 형성하는 2-1 단계;
상기 금속산화물층을 300℃ 내지 500℃의 온도에서 열처리하여 상기 금속산화물층의 결정도를 증가시키는 2-2 단계; 및
상기 금속산화물층 상에 복수개의 양자점을 포함하는 양자점층과 상기 투명전극과 대향하는 대향전극을 형성하는 3단계를 포함하는 양자점 태양전지 제조방법. - 삭제
- 청구항 7에 있어서,
상기 금속산화물층은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, In2O3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 물질이거나, 상기 물질들에 13족 또는 15족에서 선택되는 원소가 도핑된 물질이고,
상기 양자점은 CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, PbSe, PbS, CuO 및 PbTe로 이루어진 군에서 선택되는 화합물이거나, 상기 화합물에 13족 또는 15족에서 선택되는 원소가 도핑된 물질인 양자점 태양전지 제조방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 3단계는,
상기 양자점층과 대향전극 사이에 WO3, MoO3, Fe2O3, VO2 및 Cr2O3로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 제조되는 전이금속 산화물층을 형성하는 단계를 더 포함하는 양자점 태양전지 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130000090A KR101294835B1 (ko) | 2013-01-02 | 2013-01-02 | 양자점 태양전지 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130000090A KR101294835B1 (ko) | 2013-01-02 | 2013-01-02 | 양자점 태양전지 및 그 제조방법 |
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2013
- 2013-01-02 KR KR1020130000090A patent/KR101294835B1/ko active IP Right Grant
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| KR102404592B1 (ko) | 2020-06-19 | 2022-06-07 | 김준동 | 금속산화물 무기 투명태양전지 및 이의 제조방법 |
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