KR101489776B1 - 양자점 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 극성이 다른 전극에 각각 양자점을 포함하는 전도성 유기물층을 형성하고 상기 전도성 유기물층을 합체하는 방법을 통해 양자점 태양전지를 제조함으로써, 양자점 태양전지 제조공정의 효율화를 도모할 수 있는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은, 제 1 전극에 제 1 양자점층을 형성하는 단계; 제 2 전극에 제 2 양자점층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 양자점층과 제 2 양자점층을 합착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은, 제 1 전극에 제 1 양자점층을 형성하는 단계; 제 2 전극에 제 2 양자점층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 양자점층과 제 2 양자점층을 합착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 양자점 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 극성이 다른 전극에 각각 양자점을 포함하는 전도성 유기물층을 형성하고 상기 전도성 유기물층을 합체하는 방법을 통해 양자점 태양전지를 제조함으로써, 양자점 태양전지 제조공정의 효율화를 도모할 수 있는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
화석연료를 사용하는 전기를 생산하는 방법의 경우 환경오염과 화석연료 자원의 고갈이라는 문제가 있고, 원자력 발전의 경우 사고 시 치명적인 환경오염이 발생하는 문제가 있어, 최근 태양 에너지나 풍력 에너지와 같은 친환경적인 에너지에 대한 관심이 증대되고 있다.
태양 에너지로부터 전기를 생성하는 태양전지는 발전과정에서 환경오염 물질을 전혀 발생시키지 않고, 무한한 태양광을 이용한다는 점에서 각광을 받고 있는데, 현재까지 실리콘 기반 태양전지가 개발되어 사용되고 있으나, 실리콘 태양전지는 제조 비용이 상당히 고가여서 태양전지 사용의 확대에 어려움이 있다.
또한, 실리콘 기반 태양 전지는 최대 에너지 변환 효율이 31% 정도라고 알려져 있고, 이러한 낮은 변환 효율을 높이기 위해 태양광의 흡수 대역을 높이기 위한 탠덤(tandem) 구조가 제안되었으나, 소자 구현의 어려움으로 인해, 현재까지 높은 효율을 얻지 못하고 있는 실정이다.
양자점(Quantum Dot)은 화학합성 공정을 통해 만들어지는 나노미터 크기의 반도체 결정체를 말하며, 이러한 양자점은 다양한 크기로 만들어질 수 있고, 크기 차이에 의하여 서로 흡수되는 파장의 크기도 달라진다. 즉, 더 큰 양자점은 더 긴 파장의 빛을 흡수하고, 더 작은 양자점은 더 짧은 파장의 빛을 흡수할 수 있다.
이러한 양자점은 특별히 차세대 태양전지용으로 각광받고 있는데, 그 첫 번째 이유는, 나노 결정의 밴드갭이 나노 결정의 크기를 변화시킴으로써 제어될 수 있어, 나노 결정의 크기가 감소할수록 캐리어가 더 구속되기 때문에 나노 결정의 유효 밴드갭이 증가하며, 이는 최적의 에너지 전환을 위해 양자점의 광 흡수와 태양광 스펙트럼을 매칭시킬 수 있게 할 수 있기 때문이다.
두 번째 이유는, 양자점에서 하나의 광자에 의해 다수의 엑시톤이 생성될 수 있다는 것이다. 광 에너지를 흡수하여 여기된 전자와 정공이 낮은 에너지 상태로 천이하면서 1개의 전자-정공쌍을 만드는데, 이때 낮은 에너지 상태로 천이되면서 발생된 에너지를 가전자대의 전자가 흡수하여 다시 전자-정공쌍을 만들어 2개 혹은 여러 개의 전자-정공쌍을 생성하는, 이른바 다중 엑시톤 생성(Multiple-exciton generation)이 일어날 경우, 태양전지에서 열로 손실되는 에너지의 일부를 다시 전기로 변환할 수 있어, 태양전지의 효율을 높일 수 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 다중 엑시톤 생성은 물질의 에너지 밴드갭의 2배 이상의 광 에너지가 입사했을 때 가능하며 3배 이상이 입사되었을 경우 내부 양자 효율이 100%가 넘는다고 보고되고 있는데, 최근에 실험적으로 구현된 결과에 의하면 화학적으로 처리된 7.4nm 크기의 PbSe 양자점은 박막 밴드갭의 5배까지 광 에너지를 이용할 수 있다고 알려져 있다. 이에 따라, 양자점을 이용한 태양 전지의 광전 변환 효율은 실리콘 기반 태양전지에 비해 훨씬 높은 66% 이상으로 예견되고 있다.
이와 같은 양자점 태양전지는, 양자점 어레이, 다른 밴드갭을 가지는 TiO2 나노 입자와 양자점의 복합 구조, 전자나 정공의 전도가 가능한 폴리머에 양자점이 분산된 구조 등이 제안되고 있다.
도 1은, 하부에 유리 기판에 ITO 패턴을 형성한 전극에, 순차적으로 정공수집층인 PEDOT:PSS층을 형성하고, 정공수집층 상에 제 1 양자점층을 형성하며, 상기 제 1 양자점층 상에, 다시 제 2 양자점층을 형성한 후, 상기 제 2 양자점층 상에 전자수집층인 ZnO층을 형성하고, 전자수집층 상에 알루미늄 전극을 형성한 양자점 태양전지의 단면구조를 나타낸 것이다.
그런데, 상기 제 1 양자점층과 제 2 양자점층은 스핀 코팅과 같은 방법을 통해 형성되는데, 상기 제 1 양자점층 상에 다시 제 2 양자점층을 형성하여 적층하게 되면, 먼저 스핀 코팅된 층의 용매가 제거되는 과정에서 코팅층의 표면이 거칠어져 후속하여 코팅되는 층에서는 제 2 양자점층이 불균일하게 형성되거나, 또는 후속하는 코팅용 용매(solvent)에 의해 먼저 코팅된 양자점층의 양자점이 손상되는 문제가 발생한다.
본 발명은 전술한 양자점 태양전지를 제조하는 과정에서 발생하는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 과제는 탠덤 구조를 갖는 양자점층을 구비한 태양전지를 제조함에 있어서 양자점이 손상되지 않고 균일한 적층 구조를 갖는 양자점층을 저비용으로 대량생산할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 제 1 전극에 제 1 양자점층을 형성하는 단계; 제 2 전극에 제 2 양자점층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 양자점층과 제 2 양자점층을 합착하는 단계;를 포함하는 양자점 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 양자점층과 제 2 양자점층은 각각 양자점과 전도성 고분자를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 합착은 0.1 ~ 30kN의 압력을 가하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 합착은 5 ~ 350℃의 온도에서 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제1 양자점층 및 제2 양자점층의 형성은, 드롭캐스팅(drop casting), 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 분무 코팅(spray coating), 흐름 코팅(flow cating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅 또는 마이크로 컨택 프린팅에 의할 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 양자점은, Ⅱ-Ⅵ족계 화합물 반도체 나노 결정, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 나노 결정, Ⅳ족 반도체 나노 결정 및 이들의 혼합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 양자점층을 구성하는 양자점은, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeTe 및 HgZnSTe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 양자점층을 구성하는 양자점은, GaN, GaP, GaAs, AlN, AlP, AlAs,InN, InP, InAs, GaNP, GaNAs, GaPAs, AlNP, AlNAs, AlPAs, InNP, InNAs, InPAs, GaAlNP, GaAlPAs, GaInNAs, GaInNP, GaInPAs, InAlNP, InAlNAs 및 InAlPAs로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 양자점층을 구성하는 양자점은, 200~1100nm 파장대의 광을 흡수하고, 1.1~6.0eV의 밴드갭을 갖는 반도체 나노입자일 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 전극은 ITO, AZO, GZO, IZO, Ag, Al, Au, Cu, CNT, Graphene, PEDOT:PSS 에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제2 전극은 Ag, Al, Au, Cu 에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 양자점층과 제 2 양자점층은 광 흡수 파장대가 상이할 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 양자점층은 p형 반도체로 이루어진 양자점을 포함하고, 상기 제 1 전극과 제 1 양자점층 사이에는 정공수집층이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 제 2 양자점층은 n형 반도체로 이루어진 양자점을 포함하고, 상기 제 2 전극과 제 2 양자점층 사이에는 전자수집층이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 방법에 의해 제조된 양자점 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에 의하면, 제 1 전극과 제 2 전극 상에 각각 양자점층을 형성한 후 이를 합착하는 방법을 사용하기 때문에, 적어도 2층으로 구성되어 있는 탠덤 구조의 양자점층을 손상 없이 형성할 수 있게 되어, 양자점 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
또한, 양자점과 함께 형성된 전도성 고분자의 합착 시에 열 및/또는 기계적인 압력을 사용하기 때문에 양자점이 코팅된 유기물 층간의 계면접촉(interfacial contact)이 좋아지고, 이로 인해 태양전지의 전기적 특성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 적층 공정은 롤투롤 공정을 적용할 수 있어 대량 생산에 적합하여, 태양전지의 제조 단가를 낮출 수 있다.
도 1은 탠덤 구조의 양자점층을 구비한 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양자점 태양전지의 제조과정에 대한 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조한 전면 전극부의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 후면 전극부의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 전면 전극부와 후면 전극부를 합착하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 합착 과정을 통해 제조된 양자점 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양자점 태양전지의 제조과정에 대한 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조한 전면 전극부의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 후면 전극부의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 전면 전극부와 후면 전극부를 합착하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 합착 과정을 통해 제조된 양자점 태양전지의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위하여 실제 층의 두께(또는 높이) 또는 다른 층과의 비율에 비하여 다소 과장되게 표현된 것일 수 있으며, 그 의미는 하기 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.
본 명세서에 있어서, "상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수 있다.
이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양자점 태양전지의 제조과정을 보여주는 공정도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 양자점 태양전지의 제조과정은, 전면 전극부 형성 단계(S10), 후면 전극부 형성 단계(S20) 및 형성된 전면 전극부 및 후면 전극부를 합착하는 단계(S30)을 포함한다.
도 3 내지 도 5는 각각 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조과정을 설명하기 위한 모식도이다.
여기서, 도 3은 제 1 전극(11)과 제 1 전극(11) 상에 p형 양자점층인 제 1 양자점층(12)이 형성된 전면 전극부(10)를 나타낸 것이고, 도 4는 제 2 전극(21)과 제 2 전극(21) 상에 n형 양자점층인 제 2 양자점층(22)이 형성된 후면 전극부(20)를 나타낸 것이며, 도 5는 전면 전극부(10)와 후면 전극부(20)를 합착하는 과정을 설명하기 위한 모식도이다.
상기 전면 전극부 형성 단계(S10)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 전극 (11) 상에 제 1 양자점층(12)을 형성하는 단계이다.
전면 전극인 제 1 전극(11)은 태양광을 투과할 수 있는 투광성이 있는 전극을 사용하는 것이 바람직하며, ITO, FTO, 도전성 고분자 필름 등이 사용될 수 있다.
상기 제 1 전극(11)은 그 자체로 기판을 형성하거나, 절연물질인 유리 기판상에 전도성 물질의 패턴을 형성하는 형태로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 상기 제 1 전극(11)은 유리와 같은 투광성 물질로 이루어진 기판상에, 투명전극인 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 전도성 산화막, 전도성 폴리머, 금속 그리드, 금속 나노 와이어 및 전도성 산화물 나노 와이어로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 형성하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 물질들은, 열증착(thermal deposition), 전자선 증착(e-beam deposition), 스퍼터링(sputtering), 스핀 코팅(spin coating), 컨포멀 코팅(conformal coating), 유전체 코팅(dielectric coating), 딥 코팅(dip coating), 닥터 블레이드(doctor blade), 메이어 로드(meyer road), 쉐이커(shaker), 스프레이(spray) 및 진공 필터링(vacuum filtering) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
그러나, 상기 제 1 전극(11)은 상기 물질에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 목적에 따라 투광성을 가지면서 전도성을 나타낼 수 있는 물질이라면 어느 것이라도 사용될 수 있다.
또한, 상기 제 1 전극(11)에서 태양광이 입사되는 일면에는 태양광의 반사를 방지할 수 있는 Ag, Al, Au, Cu, Pt 와 같은 반사 방지막이나, 반사 방지용 요철부가 형성될 수 있다.
상기 제 1 전극(11)의 타면에는 제 1 양자점층(12)이 형성된다. 상기 제 1 양자점층(12)은 양자점(12a)와 도전성 폴리머(12b)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제 1 전극(11)과 제 1 양자점층(22) 사이에는 양자점층에서 형성된 정공-전자 쌍으로부터 정자의 추출이 용이하도록 하는 ZnO 박막과 같은 전자수집층(미도시)이 형성될 수 있다.
상기 도전성 폴리머(12b)로는 PEDOT:PSS 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 제 1 양자점층(12)의 양자점은 p형 양자점으로, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 나노 결정, Ⅳ족 반도체 나노 결정 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다. 상기 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체는, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeTe 및 HgZnSTe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 또한, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는, GaN, GaP, GaAs, AlN, AlP, AlAs,InN, InP, InAs, GaNP, GaNAs, GaPAs, AlNP, AlNAs, AlPAs, InNP, InNAs, InPAs, GaAlNP, GaAlPAs, GaInNAs, GaInNP, GaInPAs, InAlNP, InAlNAs 및 InAlPAs로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제 1 양자점층(12)의 형성은, 상기 양자점 입자와 도전성 고분자 및 유기 용매를 포함하는 코팅용 조성물을, 드롭 캐스팅(drop casting), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 분무 코팅(spray coating), 흐름 코팅(flow cating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅 및 마이크로 컨택 프린팅 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 사용하여 코팅하는 단계이다.
본 발명에서는 스핀 코팅 등을 사용하고 있으나, 상기 코팅용 조성물을 이용하여 본 발명에서 요구하는 박막을 균일하게 얻을 수 있는 코팅방법이라면 상기 방법에 제한되지 않는다.
상기 코팅방법에 의해 양자점을 코팅한 후에는, 25 ~ 200℃의 온도에서 건조하는 과정을 수행하여 코팅에 사용한 유기 용매를 제거하는 것이 바람직한데, 이는 건조 온도가 25℃ 미만일 경우 건조 속도가 지나치게 느려지고 200℃를 초과할 경우 양자점의 상 변화가 일어날 수 있기 때문이다.
구체적으로, 제 1 양자점층(12)은, 유기 용매로 헥산(hexane), p형 양자점으로 티올(thiol-)이나 아민(amine) 처리된 PbS QDs 와, 전도성 고분자로 PEDOT:PSS 를 사용하여 만든 코팅 조성물을, 제 1 전극(11) 상에 도포한 후, 30초 동안 4000rpm에서 스핀 코팅(spin coating)한 후, 약 50℃에서 1시간 동안 건조하는 방법으로 형성할 수 있다.
상기 하부 전극부 형성 단계(S20)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 2 전극(21) 상에 제 2 양자점층(22)을 형성하는 단계이다. 이때, 상기 제 2 전극(21)과 제 2 양자점층(22) 사이에는 양자점층에서 형성된 정공-전자 쌍으로부터 정공의 추출이 용이하도록 하는 정공수집층(23)이 형성될 수 있다.
상기 제 2 전극(21)은 도전성 물질이면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있으나, 절연성의 물질이라도 상기 정공수집층(22) 상에 도전층이 형성되어 있으면 전극으로 사용될 수 있다. 다만, 전기화학적으로 안정한 재료를 전극으로 사용하는 것이 바람직하므로, 알루미늄, 은, 금, 백금 및 탄소 중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 전극(21)은 유리와 같은 물질로 이루어진 기판상에, ITO(Indium Tin Oxide), 금속, 전도성 산화막, 전도성 폴리머, 금속 그리드, 금속 나노 와이어 및 전도성 산화물 나노 와이어로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 형성하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 물질들은, 열증착방식(thermal deposition), 전자선 증착방식(e-beam deposition), 스퍼터링(sputtering) 방식, 스핀 코팅(spin coating) 방식, 컨포멀 코팅(conformal coating) 방식, 유전체 코팅(dielectric coating) 방식, 딥 코팅(dip coating) 방식, 닥터 블레이드 (doctor blade) 방식, 메이어 로드(meyer road) 방식, 쉐이커(shaker) 방식, 스프레이(spray) 방식 및 진공 필터링(vacuum filtering) 방식 중 하나의 방식을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 제 2 전극(21)의 상면에는 제 2 양자점층(22)이 형성되며, 상기 제 2 양자점층(22)은 양자점(22a)과 도전성 폴리머(22b)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 도전성 폴리머(22b)로는 PDCTh Polymer 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 제 2 양자점층(12)의 양자점은 n형 양자점으로, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 나노 결정, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 나노 결정, Ⅳ족 나노 결정 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다. 상기 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체는, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeTe 및 HgZnSTe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 또한, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는, GaN, GaP, GaAs, AlN, AlP, AlAs,InN, InP, InAs, GaNP, GaNAs, GaPAs, AlNP, AlNAs, AlPAs, InNP, InNAs, InPAs, GaAlNP, GaAlPAs, GaInNAs, GaInNP, GaInPAs, InAlNP, InAlNAs 및 InAlPAs로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제 2 양자점층(22)도, 양자점 입자와 도전성 고분자 및 유기 용매를 포함하는 코팅용 조성물을, 드롭 캐스팅(drop casting), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 분무 코팅(spray coating), 흐름 코팅(flow cating), 스크린 프린팅(screen printing) , 잉크젯 프린팅 및 마이크로 컨택 프린팅 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 사용하여 코팅하여 형성될 수 있다.
이때, 태양전지의 효율을 높일 수 있도록, 제 1 양자점층(12)과 상이한 파장대의 태양광을 흡수할 수 있도록 선택되는 것이 바람직하다.
이를 위해, 상기 제 1 양자점층(12)과 제 2 양자점층(22)은 그 재료 및 크기를 다르게 선정하여, 태양광의 흡수 파장대를 조절할 수 있다. 또한, 제 1 양자점층(12)과 제 2 양자점층(22) 각각도 태양광의 흡수 파장 대역을 넓히기 위하여, 다양한 재료 또는 크기의 혼합물을 사용할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 태양전지는 활성층을 제 1 양자점층(12)과 제 2 양자점층(22)으로 이루어진 탠덤 구조로 형성할 수 있고, 탠덤 구조를 이루는 각 양자점층은 최대한 태양광의 흡수 파장 대역을 넓히기 위하여, 다시 각각 다양한 크기 또는 재료의 양자점으로 이루어질 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 태양전지의 에너지 변환효율을 높일 수 있게 한다.
또한, 상기 코팅방법에 의해 양자점을 코팅한 후에는, 상술한 바와 같이, 25 ~ 200℃의 온도에서 건조하는 과정을 수행하여 코팅에 사용한 유기 용매를 제거하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 양자점층(12) 및 제 2 양자점층(22)은, 5nm ~ 500nm의 두께로 이루어진 것이 바람직한데, 이는 두께가 5nm 미만일 경우 균일한 막 두께를 유지하기 어렵고, 500nm를 초과할 경우, 양자점층에서 생성된 정공-전자들을 효율적으로 전극으로 추출하기 어렵기 때문이다.
구체적으로, 제 2 양자점층(22)은, 유기 용매로 헥산(hexane), n형 양자점으로 CdSe colloidal 와, 전도성 고분자로 PDCTh Polymer를 사용하여 만든 코팅 조성물을, 제 2 전극(21)상 형성된 정공수집층(23)인 두께 00㎛로 형성된 PEDOT:PSS층 상에 도포한 후, 30초 동안 4000rpm에서 스핀 코팅(spin coating)한 후, 약 50℃에서 1시간 동안 건조하는 방법으로 형성할 수 있다.
상기 전면 전극부(10) 및 후면 전극부(20)를 합착하는 단계(S30)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 각각 준비된 전면 전극부(10)와 후면 전극부(20)를 제 1 양자점층(12)와 제 2 양자점층(22)을 대향하여 배치한 후 합착함으로써, 도 6에 도시된 단면 구조를 갖는 태양전지 소자를 완성하는 단계이다.
이때 합착방법으로는 양자점이 각각 코팅된 제 1 양자점(12)과 제 2 양자점층(22)를 대향하여 접촉시킨 후, 가열하여 합착시키는 방법, 가압하여 합착시키는 방법 또는 가열과 가압을 동시에 수행하여 합착시키는 방법 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 우수한 계면 접촉을 얻기 위해 가열 또는 가압방식을 사용하였으나, 적층되는 제 1 및 제 2 양자점층(12,22)의 계면을 손상시키거나 양자점의 특성을 저하시키지 않고 합착이 가능한 방법이라면 상기 방법에 제한되지 않고 사용될 수 있다.
구체적으로, 제 1 양자점층(12)과 제 2 양자점층(22)을 대향하여 접촉시킨 후, 150℃의 온도로 가열하면, 상기 제 1 양자점층(12)과 제 2 양자점층(22) 에 포함된 고분자 간의 합착이 일어나, 균일하게 분산된 양자점이 흐트러지는 일 없이 적층될 수 있어, 에너지 변환효율의 향상을 기대할 수 있는 양자점 태양전지를 얻을 수 있다.
이때, 가열 온도는 50 ~ 200℃인 것이 바람직한데, 이는 50℃ 미만에서는 충분한 접착력을 얻기 어렵고, 200℃를 초과할 경우, 양자점의 상변화를 초래할 수 있기 때문이다.
또한, 합착시키는 다른 방법으로, 압력을 가하는 방법을 사용할 수 있다. 이때 가압력은 0.1 ~ 30kN가 바람직한데, 0.1kN 미만일 경우 충분한 접착력을 얻기 어렵고, 30kN을 초과할 경우 전면 전극부(10) 또는 후면 전극부(20)에 손상이 발생할 수 있기 때문이다.
바람직하게는, 가열과 가압을 동시에 가하는 것인데, 구체적으로, 5kN의 압력을 가하면서 120℃의 온도로 가열할 수 있다.
이와 같은 방법을 통해, 탠덤 구조의 양자점층을 저비용으로 효율적으로 형성할 수 있을 뿐 아니라, 본 발명에 의해 형성된 양자점층은 그 분산상태 및 계면 상태가 우수하여, 우수한 에너지 변환효율을 기대할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 방법은, 저비용으로 대량생산이 가능한 롤투롤(roll to roll) 공정으로 구현할 수 있어, 대량생산에 적합하다.
본 발명에 있어서, 상기 각 단계는 시계열적인 순서와 관계없이 나타낸 것이며, 상기 기재한 순서는 본 발명의 바람직한 일 실시예를 나타낸 것에 불과하므로 기타 본 발명의 목적에 따라 각 단계가 동시에 진행되거나 상기 실시예와 다른 다양한 순서로 진행될 수 있다.
10: 전면 전극부
11: 제 1 전극
12: 제 1 양자점층
20: 후면 전극부
21: 제 2 전극
22: 제 2 양자점층
23: 정공수집층
11: 제 1 전극
12: 제 1 양자점층
20: 후면 전극부
21: 제 2 전극
22: 제 2 양자점층
23: 정공수집층
Claims (15)
- 제 1 전극에 제 1 양자점층을 형성하는 단계;
제 2 전극에 제 2 양자점층을 형성하는 단계; 및
상기 제 1 양자점층과 제 2 양자점층을 합착하여 단위 셀을 만드는 단계;를 포함하고,
상기 제 1 양자점층과 제 2 양자점층은 각각 양자점과 전도성 고분자를 포함하고,
상기 제 1 양자점층과 제 2 양자점층의 합착은 접착층의 사용 없이 상기 전도성 고분자의 가열, 가압 또는 가열 및 가압 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 합착은 0.1 ~ 30kN의 압력을 가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 합착은 5 ~ 350℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 양자점층 및 제 2 양자점층의 형성은, 드롭캐스팅(drop casting), 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 분무 코팅(spray coating), 흐름 코팅(flow cating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅 또는 마이크로 컨택 프린팅에 의하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 양자점은, Ⅱ-Ⅵ족계 화합물 반도체 나노 결정, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 나노 결정, Ⅳ족 반도체 나노 결정 및 이들의 혼합물 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 양자점은, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, HgZnTe, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeTe 및 HgZnSTe로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 양자점은, GaN, GaP, GaAs, AlN, AlP, AlAs,InN, InP, InAs, GaNP, GaNAs, GaPAs, AlNP, AlNAs, AlPAs, InNP, InNAs, InPAs, GaAlNP, GaAlPAs, GaInNAs, GaInNP, GaInPAs, InAlNP, InAlNAs 및 InAlPAs로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 양자점은, 200~1100nm 파장대의 광을 흡수하고, 1.1~6.0eV의 밴드갭을 갖는 반도체 나노입자임을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 전극은, ITO, AZO, GZO, IZO, Ag, Al, Au, Cu, CNT, Graphene, PEDOT:PSS 에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2 전극은, Ag, Al, Au, Cu, Pt 에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 양자점층과 제 2 양자점층은 광 흡수 파장대가 상이한 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 양자점층은 p형 반도체로 이루어진 양자점을 포함하고, 상기 제 1 전극과 제 1 양자점층 사이에는 정공수집층이 형성되는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 양자점층은 n형 반도체로 이루어진 양자점을 포함하고, 상기 제 2 전극과 제 2 양자점층 사이에는 전자수집층이 형성되는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
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