KR101495764B1 - Inverted organic solar cell containing quantum dot single layer in electron transfer layer and method for fabricating the same - Google Patents

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Abstract

Provided are an organic solar cell capable of increasing light absorption and an electron transfer layer by forming a quantum dot single layer, and a method for fabricating the same. An inverted organic solar cell includes a first electrode, an electrode transfer layer, a photoactive layer, a hole transfer layer and a second electrode which are successively formed on the substrate. The electron transfer layer is made of semiconductor having quantum dots, thereby increasing photoelectric conversion efficiency and providing a supplier inverted organic solar cell.

Description

단일층 양자점 전자수송층을 가진 역구조 유기 태양전지소자 및 제작방법 {Inverted organic solar cell containing quantum dot single layer in electron transfer layer and method for fabricating the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a reverse-structured organic solar cell having a single-layer quantum dot electron transporting layer and a fabrication method thereof,

본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더 상세하게는 유기 태양전지의 순차 적층을 통한 태양전지 소자 및 제작방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solar cell, and more particularly, to a solar cell device and a manufacturing method thereof by sequentially stacking organic solar cells.

최근 화석연료의 고갈과 신재생에너지에 대한 관심이 대두하고 있는바 태양전지의 청정에너지의 기술의 많은 연구가 이루어지고 있다. 태양전지란 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 것으로, 유기 태양전지는 광활성층으로 사용되는 유기 분자의 흡광계수가 높아 얇은 소자로 제작이 가능하고, 손쉬운 가공성과 다양성, 낮은 단가로 제작과정이 간단하고 값싼 제조단가의 실현이 가능하다. Recently, fossil fuel depletion and renewable energy are attracting attention, and many researches on clean energy technology of solar cells are being conducted. A solar cell converts light energy directly into electric energy by using photovoltaic effect. Organic solar cell has a high absorptivity of organic molecules used as a photoactive layer and can be manufactured as a thin device, Diversity, and low unit price, it is possible to realize a simple and inexpensive manufacturing cost.

종래의 일반적인 유기 태양전지 구조는 기판/제1전극/정공수송층/광활성층/전자수송층/제2전극으로 구성되며, 높은 일함수를 가진 투명 전극인 ITO(indium tin oxide)전극을 제1전극으로, 낮은 일함수를 가진 Al 또는 Ca 등을 제2전극물질로 사용한다. 상기 광활성층은 크게 전자 주개 물질(electron donor)과 전자 받개 물질(electron acceptor)의 2층(bilayer) 구조 또는 전자 주개 물질과 전자 받개 물질을 혼합하여 형성한 벌크 이종접합(bulk heterojuction, BHJ) 구조로 이루어질 수 있다.The conventional organic solar cell structure is composed of a substrate / first electrode / hole transport layer / photoactive layer / electron transport layer / second electrode, and an ITO (indium tin oxide) electrode having a high work function as a first electrode And Al or Ca having a low work function is used as the second electrode material. The photoactive layer includes a bulk heterojunction (BHJ) structure formed by mixing a bilayer structure of an electron donor and an electron acceptor or an electron donor material and an electron acceptor material, ≪ / RTI >

유기 태양전지는 빛을 받으면, 유기 반도체 물질들로 이루어진 광활성층에서 생성된 전자와 정공 쌍이 상하부의 두 전극의 일함수 차이로 인한 전기장 형성으로 인해 분리되어 이동함에 따라 빛 에너지에서 전기 에너지로 전환하게 된다. 이때 광활성층과 상부 및 하부 전극의 일함수 차이가 커서 생성된 전자와 정공이 원활이 이송되지 못한다는 단점이 있다. 이러한 일함수 차이를 감소시키기 위한 대안으로, 광활성층과 전극 두 물질의 일함수 차이의 사이 일함수 값을 가지며 n형/p형 특성을 갖는 반도체 물질을 이용하여 전자와 정공을 원활히 수송시켜 흐름 손실을 줄이는 역할을 하는 완충층에 대한 연구의 필요성이 부각되고 있으며, 많은 연구들이 이루어지고 있다.When an organic solar cell receives light, the electrons and holes generated in the photoactive layer made of organic semiconductor materials are separated from each other due to the electric field due to the difference in work function between the upper and lower electrodes. do. At this time, the work function difference between the photoactive layer and the upper and lower electrodes is large, so that generated electrons and holes can not be smoothly transferred. As an alternative to decrease the work function difference, electrons and holes are smoothly transported by using a semiconductor material having an n-type / p-type property and having a solubility function value of the work function difference between the photoactive layer and the two electrodes, The need for research on the buffer layer, which plays a role in reducing the number of microbes, has been emphasized and many studies have been made.

더욱이 종래의 태양전지의 경우 정공수송층의 물질로 통상적으로 사용되는 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedixythiophene):poly(styrenesulfonate))가 강한 산성을 갖게 되며, 그 하부 전극(제1 전극)을 부식시키고, 상부 전극(제2 전극)으로 주로 사용되는 Al과 같은 낮은 일함수의 물질들은 공기와의 접촉 계면에서 산화막을 형성하게 되어 소자의 수명 및 효율에 악영향을 미치는 문제가 있다. 더욱이 이러한 문제의 해결을 위한 일환으로 역구조 유기 태양전지(inverted organic solar cell)가 제안되었다.Further, in the case of conventional solar cells, poly (3,4-ethylenedixythiophene): poly (styrenesulfonate), which is commonly used as a hole transport layer material, has strong acidity and the lower electrode And low work function materials such as Al, which is mainly used as an upper electrode (second electrode), forms an oxide film at the contact interface with air, thereby adversely affecting the lifetime and efficiency of the device. Furthermore, inverted organic solar cells have been proposed as a solution to this problem.

또한, 현재 역구조 유기 태양전지에서 전자수송층으로 사용되는 금속 산화물이 주로 졸-겔(sol-gel)법에 의해 제조되는데, 건조공정이 필수적으로 포함이 되므로 시간과 비용이 증가하는 문제점이 있고, 또한 전자수송층으로 사용되는 금속 산화물의 경우 결정성이 있어 후속 열처리가 필요한 졸-겔 공정의 특성상, 금속 산화물의 결정이 형성됨에 따른 전자수송층의 결함이 적은 고품위 박막을 형성하는 것은 실질적으로 불가능하다.
In addition, since the metal oxide used as the electron transporting layer in the reverse-structured organic solar cell is mainly prepared by the sol-gel method, the drying process is necessarily included, In addition, since the metal oxide used as the electron transporting layer is crystalline, it is practically impossible to form a high-quality thin film having few defects in the electron transporting layer due to the formation of the metal oxide crystals, due to the nature of the sol-gel process requiring subsequent heat treatment.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 기존의 제조 공정의 특성상 건조공정의 시간과 비용의 증가 측면과, 결정형 금속 산화물로 전자수송층을 사용하는 경우 열처리시 금속 산화물의 결함이 적은 고품위 박막을 형성하는 것이 실질적으로 불가능하다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a process for producing a high-quality thin film having few defects of a metal oxide upon heat treatment when an electron transport layer is used as a crystalline metal oxide, It is practically impossible.

또한 혼합층의 전자수송층을 형성하는 경우 혼합층을 제조하는 과정에서 고품위 혼합층의 제조가 어려운바 광산란 및 빛의 투과율이 현저히 감소한다. 양자점을 갖는 반도체 단일층을 간단하게 형성하여 전자수송층과 빛의 산란과 광흡수를 증가시키는 태양전지를 제공함에 있다.
Also, in the case of forming the electron transport layer of the mixed layer, it is difficult to produce a high quality mixed layer in the process of manufacturing the mixed layer, and the light scattering and light transmittance are remarkably reduced. A semiconductor single layer having quantum dots is simply formed to improve the scattering of light and the absorption of light with the electron transporting layer.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 제1 전극이 구비된 기판을 준비하는 단계, 및 상기 제1 전극 상에 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 제2 전극을 순차 적층하는 단계를 포함하고, 상기 전자수송층은 단일층으로서 반도체 양자점을 포함한 역구조 유지 태양전지 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: preparing a substrate having a first electrode; and sequentially stacking an electron transport layer, a photoactive layer, a hole transport layer, and a second electrode on the first electrode, And the electron transport layer comprises a semiconductor quantum dots as a single layer.

모든 종류의 태양광영역(가시광선)의 반도체 양자점 포함한 반도체 물질은 핵(core) 구조와 핵-껍질(core-shell) 구조를 포함할 수 있다. Semiconductor materials including semiconductor quantum dots of all kinds of solar regions (visible light) may include a core structure and a core-shell structure.

구체적으로, 상기 핵구조의 경우 황화 카드뮴 (CdS), 카드뮴셀레나이드 (CdSe), 카드뮴 텔라이드(CdTe) 등과 같은 카드뮴 화합물을 양자점 형태로 역구조 방법으로 단일층으로 형성하는 방법을 포함할 수 있다.Specifically, in the case of the nucleus structure, a cadmium compound such as cadmium sulfide (CdS), cadmium selenide (CdSe), cadmium telluride (CdTe) and the like may be formed into a single layer by a reverse structure method in the form of a quantum dot .

상기 핵-껍질(core-shell) 구조는 황화 카드뮴 (CdS), 카드뮴셀레나이드 (CdSe), 카드뮴 텔라이드 (CdTe)를 포함하는 카드뮴 화합물의 핵구조에 황화아연 (ZnS), 셀렌화 아연(ZnSe) 등의 껍질 구조형태로 형성된 양자점 구조로 단일층을 형성하는 방법을 포함할 수 있다.The core-shell structure is composed of zinc sulfide (ZnS), zinc selenide (ZnSe), cadmium sulfide (ZnSe), zinc sulfide ) Or the like to form a single layer with a quantum dot structure.

역구조 태양전지 소자로 단일층 반도체 양자점을 사용하여 광 산란과 광흡수를 증가시킴과 동시에 전자수송층의 역할을 하는 태양전지를 제공할 수 있다. As a reverse-structured solar cell device, a single-layer semiconductor quantum dot can be used to provide a solar cell that increases light scattering and light absorption while serving as an electron transport layer.

더욱이, 혼합층의 전자수송층은 광산란 및 빛의 투과율이 현저히 감소하는바 이러한 단점을 극복하고자 단일층의 전자수송층을 형성하여 종래의 문제점을 극복할 수 있다.In addition, the electron transport layer of the mixed layer significantly reduces light scattering and light transmittance. To overcome this disadvantage, a single layer of electron transport layer is formed to overcome the conventional problems.

또한, 반도체 양자점을 포함한 반도체 물질로 핵(core)구조와 핵-껍질(core-shell)구조를 가지는 단일층 전자수송층의 경우 전하이동성이 더 향상되고 이를 통해 전자수송능력을 높이고, 전하의 재결합 확률을 감소시켜 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있다. 결과적으로 유기 역구조 태양전지에 비하여 전자의 수송능력이 향상되는바 전류변환효율이 증대되고, 태양전지의 효율이 향상된다.In addition, in the case of a single-layer electron transport layer having a core structure and a core-shell structure using a semiconductor material including semiconductor quantum dots, the charge mobility is further improved, thereby enhancing the electron transporting ability and improving the charge recombination probability The efficiency of the solar cell can be increased. As a result, the efficiency of transporting electrons is improved as compared with that of the organic reverse structure solar cell, so that the current conversion efficiency is increased and the efficiency of the solar cell is improved.

마지막으로, 단일층 양자점 전자수송층을 사용하는 경우 기존의 졸-겔(sol-gel)법에 의한 건조공정이 요구되지 않는바 시간과 비용을 줄일 수 있다. 이를 통해 졸-겔(sol-gel)공정을 통할 경우 금속산화물을 이용한 전자수송층의 결정성에 따른 고품위 박막을 제조가 어려웠던 종래의 문제점을 극복할 수 있다.
Finally, when a single-layer QD electron transport layer is used, the conventional sol-gel drying process is not required, thereby reducing time and cost. Accordingly, it is possible to overcome the conventional problems that it is difficult to produce a high-quality thin film according to the crystallinity of the electron transport layer using a metal oxide through a sol-gel process.

도 1a는 본 발명에 따른 양자점을 단일층 전자수송층으로 형성하여 광산란 및 광흡수가 증가한 역구조 유기태양전지 도식도이다.
도 1b는 양자점 단일층의 광산란과 광흡수에 경로를 확대된 그림을 표현한 도식도이다.
도 2a 및 2b는 각각 제시된 도 1의 단일층 핵구조 및 핵-껍질 구조를 가진 양자점을 전자수송층 및 빛의 산란과 흡수 증가시키는 역구조 태양전지 소자의 단면 투과전자현미경 이미지이다.
도 3a 및 3b의 경우 CdSe 핵(core)구조와 CdSe-ZnS 핵(core)-껍질(shell)양자점 구조의 전하이동성이 향상된다는 것을 보여주는 도식도이다.
도 4의 경우 본 발명에 따른 CdSe(core) QD/P3HT:PCBM 혹은 CdSe(core)-ZnS(shell) QD/P3HT:PCBM 사용한 역구조 유기태양전지 소자에 대한 흡수도를 나타내는 그래프이다.
도 5의 경우 본 발명에 따른 CdSe(core) QD/P3HT:PCBM 혹은 CdSe(core)-ZnS(shell) QD/P3HT:PCBM 사용한 역구조 유기태양전지 소자에 대한 전류밀도-전압(J-V) 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6의 경우 본 발명의 단일층 양자점 전자수송층을 이용한 유기태양전지의 전류변환효율(incident photon-to-current conversion efficiency; IPCE) 그래프 이다.
FIG. 1A is a schematic diagram of a reverse structure organic solar cell in which quantum dots according to the present invention are formed into a single layer electron transport layer and light scattering and light absorption are increased.
FIG. 1B is a schematic diagram showing an enlarged view of light scattering and light absorption in a single layer of a quantum dot.
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional transmission electron microscope images of a reverse-structured solar cell device that increases the scattering and absorption of light by an electron transport layer and a quantum dot having a single-layer nucleus structure and a nucleus-shell structure shown in FIG.
FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams showing that the charge mobility of a CdSe core structure and a CdSe-ZnS core-shell quantum dot structure is improved.
FIG. 4 is a graph showing the absorption of CdSe (core) QD / P3HT: PCBM or CdSe (core) -ZnS (shell) QD / P3HT: PCBM according to the present invention.
5 shows the current density-voltage (JV) characteristics of the reverse-structured organic solar cell device using CdSe (core) QD / P3HT: PCBM or CdSe (core) -ZnS (shell) QD / P3HT: PCBM according to the present invention Fig.
6 is a graph of an incident photon-to-current conversion efficiency (IPCE) of an organic solar cell using the single-layer quantum dot electron transporting layer of the present invention.

하기 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 실시 및 구체화할 수 있으며, 모든 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the present invention is not limited to the embodiments described herein, but may be embodied and practiced in other forms and includes all equivalents and substitutions.

도 1의 경우 양자점 크기를 단일층으로 간단하게 형성하여 전자수송층(13)과 빛의 산란과 광흡수를 증가시키는 태양전지 단면도이다. 기판(10)과 ITO의 제1 전극(11)의 경우 광투과성 물질을 사용하여 순서대로 적층하고, 전자수송층(13)의 경우 양자점을 갖는 단일층을 적층한다. 이후 Polymer로 구성된 광흡수층을 적층한다. 그 위로 정공수송층(15)과 제2 전극(16)을 순차적으로 적층하여 태양전지를 구성한다.1 is a cross-sectional view of a solar cell in which a quantum dot size is simply formed as a single layer to increase light scattering and light absorption with the electron transport layer 13. In the case of the substrate 10 and the first electrode 11 of ITO, a light-transmissive material is used for laminating in order, and in the case of the electron-transporting layer 13, a single layer having quantum dots is laminated. Thereafter, a light absorbing layer composed of a polymer is laminated. And a hole transport layer 15 and a second electrode 16 are sequentially stacked thereon to constitute a solar cell.

도 1b의 경우 빛이 광활성층(14)에 도달하여 전자수송층(13), 양자점; 빛의 흡수에 의한 산란 도식도이다.In FIG. 1B, light reaches the photoactive layer 14 to form an electron transport layer 13, a quantum dot; It is a scatter diagram by absorption of light.

기판(10)은 광투과성의 무기물 기판(10) 또는 유기물 기판(10)이거나, 이들이 동종 또는 이종으로 적층된 기판(10)일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(10)은 유리, 석영, 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylene naphthelate:PEN), 폴리이미드(polyimide:PI), 폴리카보네이트(polycarbonate:PC), 폴리스틸렌(polystylene:PS), 폴리옥시에틸렌(polyoxyethlene:POM), 아크릴로나이트릴-스타이렌수지 (acrylonitile styrene copolymer:AS 수지) 및 트리아세틸 셀룰로오즈(Triacetyl cellulose:TAC)등을 포함하는 플라스틱 기판(10)일 수 있다. The substrate 10 may be a light-transmissive inorganic substrate 10 or an organic substrate 10, or may be a substrate 10 of the same type or differently stacked. For example, the substrate 10 may be formed of glass, quartz, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), polycarbonate (PC) , Plastic substrates (e.g., polyethylene terephthalate), polystyrene (PS), polyoxyethylene (POM), acrylonitile styrene copolymer (AS resin) and triacetyl cellulose 10).

제1 전극(11)은 상기 기판(10)을 통과한 빛이 광활성층(14)에 달하도록 광투과성 물질인 것이 바람직하며, 광활성층(14)에서 생성된 전자를 받아 외부 회로로 전달하는 음극의 역할을 수행할 수 있다. 상기 제1 전극(11)은 인듐틴옥사이드(Indium Tin Oxide:ITO)막, 플루오르화틴옥사이드 (Fluorinated Tin Oxide:FTO)막, 인듐징크옥사이드(Indium Zinc Oxide:IZO)막, 알루미늄도프드옥사이드(Al-doped Zinc Oxide:AZO)막, 징크옥사이드(Zinc Oxide:ZnO)막 및 인듐징크틴옥사이드(Indium Zinc Tin Oxide:IZTO)막과 같은 광투과성 막일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.The first electrode 11 is preferably a light-transmissive material such that the light passing through the substrate 10 reaches the photoactive layer 14. The first electrode 11 receives electrons generated in the photoactive layer 14, Can play a role. The first electrode 11 may be formed of an indium tin oxide (ITO) film, a fluorinated tin oxide (FTO) film, an indium zinc oxide (IZO) film, an aluminum doped oxide a light-transmitting film such as a doped zinc oxide (AZO) film, a zinc oxide (ZnO) film, and an indium zinc tin oxide (IZTO) film. However, the present invention is not limited thereto.

상기 제1전극은 스퍼터링, E-Beam, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 투명전극 물질을 상기 기판(10)의 일면에 도포되거나 필름형태로 코팅됨으로써 코팅층(12)이 형성될 수 있다.The first electrode may be formed by applying a transparent electrode material on one side of the substrate 10 or by coating it with a film using sputtering, E-beam, thermal evaporation, spin coating, screen printing, inkjet printing, doctor blade or gravure printing The coating layer 12 can be formed.

역구조 유기 태양전지를 구성하기 위해서는, 제1전극의 일함수를 낮추는 단계가 요구된다. 이런 일함수 저감 박막은 폴리에틸렌이민에톡시레이티드(Polyehthylenimine ethoxylated:PEIE) 폴리머등을 스핀코팅으로 증착하여 제1 전극(11)과 표면에서 코팅층(12)을 형성, 일함수를 낮춘다.In order to construct a reverse-structured organic solar cell, a step of lowering the work function of the first electrode is required. The work function reducing film is formed by depositing a polyethyleneimine ethoxylated (PEIE) polymer by spin coating to form a coating layer 12 on the surface of the first electrode 11 to lower the work function.

도 1a를 참조하면, 상기 전자수송층(13)상에 유기 광활성층(14)을 형성한다. 상기 유기 광활성층(14)은 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 혼합 용액을 상기 전자수송층(13)상에 도포한 후 용매를 건조시키는 용액공정을 통해 형성할 수 있다. 상기 도포 공정은 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이드 코팅 및 잉크젯 프린팅 등 공지된 통상의 코팅법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 스핀 코팅법에 의해 수행될 수 있다.Referring to FIG. 1A, an organic photoactive layer 14 is formed on the electron transport layer 13. The organic photoactive layer 14 may be formed through a solution process in which a mixed solution of an electron donor and an electron donor is coated on the electron transport layer 13 and then the solvent is dried. The coating may be performed by a conventional coating method such as spin coating, spray coating, doctor blade coating, and inkjet printing, preferably by spin coating.

전자수송층(13)의 경우전자수송층을 나노사이즈두께로 조절하여 단일층 양자점으로 구성이 되며, 양자점이 포함되어있는 반도체로 구성이 된다. 상기 양자점의 경우 이는 나노결정으로 지름의 경우 2~10nm를 가지고 있다. 양자점은 오비탈의 수가 적어서 전자가 가질 수 있는 에너지가 정해져 있기 때문에 파장이 정해져 있다. 다만 양자점은 특정 빛만 내놓기 때문에 에너지의 효율성이 좋다. 최근 양자점을 이용한 LED, TV 및 신호등 활용되고 있다.In the case of the electron transporting layer 13, the electron transporting layer is composed of single-layer quantum dots by adjusting the thickness of the electron transporting layer to a nano-sized thickness, and is composed of a semiconductor containing quantum dots. In the case of the quantum dot, it is a nanocrystal and has a diameter of 2 to 10 nm. Since quantum dots have a small number of orbits and the energy that electrons can have is fixed, the wavelength is fixed. However, because Qtots only emit specific light, energy efficiency is good. Recently, LEDs, TVs, and signals using quantum dots have been utilized.

반도체 양자점 포함한 반도체 물질은 핵(core) 구조와 핵-껍질(core-shell) 구조를 포함할 수 있다. Semiconductor materials including semiconductor quantum dots may include a core structure and a core-shell structure.

구체적으로, 상기 핵구조의 경우 황화 카드뮴 (CdS), 카드뮴셀레나이드 (CdSe), 카드뮴 텔라이드(CdTe) 등과 같은 카드뮴 화합물을 양자점 형태로 역구조 방법으로 단일층으로 형성하는 방법을 포함할 수 있다.Specifically, in the case of the nucleus structure, a cadmium compound such as cadmium sulfide (CdS), cadmium selenide (CdSe), cadmium telluride (CdTe) and the like may be formed into a single layer by a reverse structure method in the form of a quantum dot .

제조방법으로 예를 들어 CdSe의 경우 Ⅱ- Ⅵ족 반도체 화합물을 수용액으로부터 CdSe나노입자를 제조하기 위하여 CdCl2 ·2.5H20와 Se 파우더를 Na2SO3 수용액과 함께 90℃, 1시간 환류한 0.2M Na2SeSO3용액을 사용하였다. 10ml DEA(99%)를 함유한 90ml 증류수에 0.4567g(1.9mmol) CdCl2을 첨가한 후 Na2SeSO3용액을 10ml 첨가하여 전체 용액이 100ml가 되게 하였다. 이렇게 얻어진 혼합 수용액을 상온에서 고출력의 초음파로 5~30분 동안 조사하여 CdSe 나노입자를 콜로이드 상태로 얻었다. 이렇게 얻어진 침전물을 증류수와 알코올을 사용하여 반복 수세하고 원심분리한 후 50~120분 동안 진공 건조하였다.A 2 · 2.5H 2 0 and Se CdCl powder for the production of CdSe nanoparticles, for example by the method of example, if CdSe from Ⅱ- Ⅵ group semiconductor compound aqueous solution of a Na 2 SO 3 0.2M Na 2 SeSO 3 solution refluxed at 90 ° C for 1 hour was used with the aqueous solution. 0.4567 g (1.9 mmol) of CdCl 2 was added to 90 ml of distilled water containing 10 ml DEA (99%), and then 10 ml of Na 2 SeSO 3 solution was added to make the total solution 100 ml. CdSe nanoparticles were obtained in a colloidal state by irradiating the mixed aqueous solution obtained at room temperature with a high-power ultrasonic wave for 5 to 30 minutes. The precipitate thus obtained was repeatedly washed with distilled water and alcohol, centrifuged and vacuum-dried for 50 to 120 minutes.

핵-껍질(core-shell) 구조는 황화 카드뮴 (CdS), 카드뮴셀레나이드 (CdSe), 카드뮴 텔라이드 (CdTe)를 포함하는 카드뮴 화합물의 핵구조에 황화아연 (ZnS), 셀렌화 아연(ZnSe) 등의 껍질 구조형태로 형성된 양자점 구조로 단일층을 형성하는 방법을 포함할 수 있다.The core-shell structure consists of zinc sulfide (ZnS), zinc selenide (ZnSe), and zinc sulfide (ZnSe) in the core structure of cadmium compounds including cadmium sulfide (CdS), cadmium selenide (CdSe), and cadmium telluride (CdTe) And a method of forming a single layer with a quantum dot structure formed in the form of a shell structure.

핵-껍질(core-shell) 구조의 제조방법으로 예를들어, CdSe의 전구체로 사용할 물질로 산화카드뮴과 셀레늄 분말을 선택하였다. 먼저 0.45g의 산화카드뮴과 8g의 Stearic acid를 150℃로 가열한 후 상온으로 낮추어 카드뮴 전구체를 준비하고, 0.7896g의 셀레늄 분말을 Tri-n-octylphosphine(TOP)에 녹여TOP-Se를 준비한다. 준비된 전구체를 용매로 사용될 8g Trioctylphosophine oxide(TOPO)와 12g의 HDA과 함께 반응기에 주입한다. 반응기의 온도를 110℃로 유지시키면서 나노입자를 결정화시킨다. 110℃를 유지하면서 40분간 결정화를 진행하다 120℃에서 50분간 결 계속해서 150℃에서 60분간 결정화하여 된 녹색 발광을 하는 나노입자 생성물을 추출하고, 계속해서 190℃에서 80분간 그리고 220℃에서 100분간 결정화하여 생성된 적색발광의 나노입자 생성물을 추출한다. For example, cadmium oxide and selenium powder were selected as precursors for CdSe as a core-shell structure. First, 0.45 g of cadmium oxide and 8 g of stearic acid are heated to 150 ° C. and then cooled down to room temperature to prepare a cadmium precursor, and 0.7896 g of selenium powder is dissolved in tri-n-octylphosphine (TOP) to prepare TOP-Se. The prepared precursor is injected into the reactor together with 8 g of trioctylphosophine oxide (TOPO) to be used as a solvent and 12 g of HDA. The nanoparticles are crystallized while maintaining the temperature of the reactor at 110 占 폚. Crystallization was continued for 40 minutes while maintaining the temperature at 110 캜. Crystallization at 150 캜 for 60 minutes was continued at 120 캜 for 50 minutes to extract nanoparticles of green luminescence, followed by heating at 190 캜 for 80 minutes and at 220 캜 for 100 Minute crystallization, and the resulting nanoparticle product of red light emission is extracted.

상기 전자 주개 물질은 태양광을 흡수하여 전자-정공쌍(엑시톤)을 형성하는 한편, 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 p-n 접합 계면에서 분리된 정공을 양극 방향으로 이동시키는 역할을 하는 물질을 의미한다. The electron donor material refers to a material that absorbs sunlight to form an electron-hole pair (exciton), and moves the hole separated from the pn junction interface of the electron donor material and the electron acceptor material to the anode direction .

상기 전자 주개 물질은 p형 반도체로 사용 가능한 공액 고분자일 수 있으며, 폴리티오펜(polythiophene)계, 폴리플루오렌(polyfluorene)계, 폴리아닐린(polyaniline)계, 폴리카바졸(polycarbazole)계, 폴리비닐카바졸(polyvinylcarbazole)계, 폴리페닐렌(polyphenylene)계, 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene)계, 폴리실란(polysilane)계, 폴리티아졸(polythiazole)계 또는 이들의 공중합체일 수 있다.The electron donor may be a conjugated polymer usable as a p-type semiconductor, and may be a polythiophene type, a polyfluorene type, a polyaniline type, a polycarbazole type, a polyvinyl carbazole type, Polyvinylcarbazole type, polyphenylene type, polyphenylenevinylene type, polysilane type, polythiazole type, or a copolymer thereof.

한편, 상기 전자 받개 물질은 광활성층(14) 내 p-n 접합 계면에서 분리된 전자를 음극 방향으로 이동시키는 역할을 하는 물질을 의미한다. 예를 들어, 상기 전자 받개 물질은 n형 반도체로 사용 가능한 플러렌(fullerene) 및 PC61BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC71BM([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester), PC81BM([6,6]-phenyl-C81-butyric acid methyl ester)과 같은 플러렌 유도체 등일 수 있다. The electron acceptor material refers to a material that moves electrons separated from the p-n junction interface in the photoactive layer 14 toward the cathode. For example, the electron acceptor material may be fullerene and PC61BM ([6,6] -phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC71BM ([6,6] -phenyl- butyric acid methyl ester, PC81BM ([6,6] -phenyl-C81-butyric acid methyl ester).

상기 정공수송층(15)은 상기 유기 광활성층(14)에서 생성된 정공이 양극으로 용이하게 전달되도록 하는 p-형 버퍼층으로서, PEDOT: PSS와 같은 전도성 유기물 또는 WO3, V2O3 및 MoO3와 같은 전도성 금속 산화물을 사용하여 형성할 수 있다.The hole transport layer 15 is a p-type buffer layer for allowing holes generated in the organic photoactive layer 14 to be easily transferred to the anode. The p-type buffer layer is formed of a conductive organic material such as PEDOT: PSS or a conductive metal oxide such as WO3, V2O3, and MoO3 As shown in FIG.

상기 제2 전극(16)은 정공을 최종적으로 수집하여 외부 회로에 전달하는 양극의 역할을 하는 층으로서, 금속, 합금, 전도성 고분자 기타 전도성 화합물 및 이들의 조합물 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 다만, 제2 전극(16)은 대기 중 노출에 대한 산화 안정성이 큰 물질인 것이 바람직하며, 예를 들어, 금속인 경우 Cu, Ag, Au, W, Ni 및 Ti과 같이 일함수가 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하다.The second electrode 16 may be any one selected from the group consisting of a metal, an alloy, a conductive polymer and other conductive compounds, and a combination thereof, which serves as an anode for finally collecting holes and transferring the holes to an external circuit. For example, when the metal is a metal, the second electrode 16 may be formed of a material having a high work function such as Cu, Ag, Au, W, Ni and Ti. Is preferably used.

상기 각 층들은 열기상증착법, 전자빔증착법, 스퍼터링법, 이온도금법 또는 화학적 증착에 의해 형성할 수 있으며, 상기 전극들은 금속을 포함한 전극 형성용 페이스트를 도포한 후 열처리하여 형성할 수 있다. Each of the layers may be formed by a thermal evaporation method, an electron beam evaporation method, a sputtering method, an ion plating method, or a chemical vapor deposition method. The electrodes may be formed by applying an electrode forming paste containing a metal and then heat-treating the paste.

<실시예1>&Lt; Example 1 >

제1 전극(11)과 기판(10)의 경우 에탄올, 아세톤, 이소프로필 알콜 등에 각각 20분씩 초음파 세척기 등을 통해 세척한 이후 제1 전극(11)과 기판(10)을 플라즈마를 이용한 표면 처리를 하여 계면을 개질한다. 다음으로 폴리에틸렌이민에톡시레이티드(Polyehthylenimine ethoxylated:PEIE) 폴리머등을 스핀코팅으로 7nm 정도 증착하여 제1 전극(11)과 표면에서 코팅층(12)을 형성, 일함수를 낮춘다. 이후 스핀코팅방법으로 핵 구조의 양자점 단일층의 전자수송층(13)을 형성한다. 광활성층(14)을 단일층으로 형성된 양자점 단일층의 양자점 전자수송층(13) 위에 스핀코팅방법으로 형성한 후 정공수송층(15) 및 제2 전극(16)을 차례로 열기상 증착 방법을 사용하여 증착할 수 있다.In the case of the first electrode 11 and the substrate 10, the first electrode 11 and the substrate 10 are washed with ethanol, acetone, isopropyl alcohol, etc. for 20 minutes through an ultrasonic washing machine, Thereby modifying the interface. Next, a polyethyleneimine ethoxylated (PEIE) polymer is deposited to a thickness of about 7 nm by spin coating to form a coating layer 12 on the surface of the first electrode 11 to lower the work function. Thereafter, an electron transport layer 13 of a single layer of quantum dots having a nucleus structure is formed by a spin coating method. The photoactive layer 14 is formed on the quantum dot electron transport layer 13 of a single layer of quantum dots formed by a single layer by a spin coating method and then the hole transport layer 15 and the second electrode 16 are sequentially deposited by using an evaporation method can do.

<실시예2>&Lt; Example 2 >

제1 전극(11)과 기판(10)의 경우 에탄올, 아세톤, 이소프로필 알콜 등에 각각 20분씩 초음파 세척기 등을 통해 세척한 이후 제1 전극(11)과 기판(10)을 플라즈마를 이용한 표면 처리를 하여 계면을 개질한다. 다음으로 폴리에틸렌이민에톡시레이티드(Polyehthylenimine ethoxylated:PEIE) 폴리머등을 스핀코팅으로 7nm 정도 증착하여 제1 전극(11)과 표면에서 코팅층(12)을 형성, 일함수를 낮춘다. 이후 스핀코팅방법으로 핵 구조의 양자점 단일층의 전자수송층(13)을 형성한다. 광활성층(14)을 단일층으로 형성된 양자점 단일층의 양자점 전자수송층(13) 위에 스핀코팅방법으로 형성한 후 정공수송층(15) 및 제2 전극(16)을 차례로 열기상 증착 방법을 사용하여 증착할 수 있다.In the case of the first electrode 11 and the substrate 10, the first electrode 11 and the substrate 10 are washed with ethanol, acetone, isopropyl alcohol, etc. for 20 minutes through an ultrasonic washing machine, Thereby modifying the interface. Next, a polyethyleneimine ethoxylated (PEIE) polymer is deposited to a thickness of about 7 nm by spin coating to form a coating layer 12 on the surface of the first electrode 11 to lower the work function. Thereafter, an electron transport layer 13 of a single layer of quantum dots having a nucleus structure is formed by a spin coating method. The photoactive layer 14 is formed on the quantum dot electron transport layer 13 of a single layer of quantum dots formed by a single layer by a spin coating method and then the hole transport layer 15 and the second electrode 16 are sequentially deposited by using an evaporation method can do.

<비교예1>&Lt; Comparative Example 1 &

상기 실시예 1과 동일한 방법 및 조건으로 유기태양전지를 제조하되, 양자점을 갖지않는 단일층 유기 역구조 태양전지를 제조하였다.An organic solar cell was manufactured by the same method and conditions as in Example 1, except that a single layer organic reverse structure solar cell having no quantum dot was prepared.

도면 5는 실시예1, 실시예2 및 비교예1의 제조과정을 갖는 태양전지에 대한 전류밀도-전압(J-V)특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing current density-voltage (J-V) characteristics for a solar cell having the manufacturing processes of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. FIG.

하기 표 1은 도면 5의 실시예와 비교예에서 제조된 역구조 유기 태양전지의 개방회로전압(Voc), 단락전류밀도(Jsc), 필팩터(FF) 및 광전변환효율(Eff)을 정리한 것이다.Table 1 below shows the open circuit voltage (V oc ), the short circuit current density (J sc ), the fill factor (FF) and the photoelectric conversion efficiency (Eff) of the reverse structure organic solar cell manufactured in Examples and Comparative Examples It is summarized.

Jsc J sc Voc V oc FFFF 에너지변화효율Energy change efficiency 비교예1Comparative Example 1 9.79.7 0.620.62 0.600.60 3.63.6 CdSe QDCdSe QD 11.311.3 0.620.62 0.630.63 4.44.4 CdSe-ZnS QDCdSe-ZnS QD 10.510.5 0.640.64 0.610.61 4.14.1

도 5 및 표 1를 참조하면, 양자점 단일층 전자수송층(13) 형성의 경우 양자점이 없는 유기 역구조 태양전지에 비교하여 전자수송 능력을 높이고, 전하의 재결합 확률을 감소시켜 태양전지의 효율을 참고소자 대비 20%이상 향상됨을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 5 and Table 1, in the case of forming a quantum dot single-layer electron transport layer 13, the efficiency of electron transport is increased and the probability of charge recombination is reduced as compared with an organic reverse structure solar cell having no quantum dot, It can be confirmed that the device is improved by 20% or more.

10: 기판
11: 제1 전극
12: 일함수 저감 박막층
13: 전자수송층
14: 광활성층
15: 정공수송층
16: 제2 전극
10: substrate
11: first electrode
12: Work function reduction thin film layer
13: electron transport layer
14: photoactive layer
15: hole transport layer
16: second electrode

Claims (17)

기판상에 순차 적층된 제1 전극, 일함수 저감 박막, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층 및 제2 전극을 포함하고, 상기 전자수송층은 가시광선영역의 양자점을 갖는 단일층인 역구조 유기 태양전지.

A first electrode, a work function reducing film, an electron transporting layer, a photoactive layer, a hole transporting layer and a second electrode sequentially stacked on a substrate, wherein the electron transporting layer is a single layer having a quantum dot in a visible light region, .

삭제delete 제1항에 있어서,
상기 기판은 유리, 석영, 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthelate:PEN), 폴리이미드(polyimide:PI), 폴리카보네이트(polycarbonate:PC), 폴리스틸렌(polystylene:PS), 폴리옥시에틸렌(polyoxyethlene:POM), 아크릴로나이트릴-스타이렌수지 (acrylonitile styrene copolymer:AS 수지) 및 트리아세틸 셀룰로오즈(Triacetyl cellulose:TAC)로 이루어진 군에서 선택되는 어느하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
The substrate may be made of glass, quartz, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), polycarbonate (PC), polystyrene (PS) , Polyoxyethylene (POM), acrylonitile styrene copolymer (AS resin), and triacetyl cellulose (TAC). A single-layer reverse-structured organic solar cell.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극의 경우 인듐틴옥사이드(Indium Tin Oxide:ITO)막, 플루오르화틴옥사이드 (Fluorinated Tin Oxide:FTO)막, 인듐징크옥사이드(Indium Zinc Oxide:IZO)막, 알루미늄도프드옥사이드(Al-doped Zinc Oxide:AZO)막, 징크옥사이드(Zinc Oxide:ZnO)막 및 인듐징크틴옥사이드(Indium Zinc Tin Oxide:IZTO)막으로 이루어진 군에서 선택되는 어느하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
In the case of the first electrode, an indium tin oxide (ITO) film, a fluorinated tin oxide (FTO) film, an indium zinc oxide (IZO) film, an aluminum-doped Wherein the film is one or more selected from the group consisting of a Zinc Oxide (AZO) film, a Zinc Oxide (ZnO) film, and an Indium Zinc Tin Oxide (IZTO) Solar cells.
제1항에 있어서,
상기 정공수송층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)[PEDOT]과 폴리(3-스티렌설포네이트)[PSS]의 배합유기물, 전도성 금속 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느하나 이상인 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the hole transport layer is any one or more selected from the group consisting of a combination organic material of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) [PEDOT] and poly (3-styrenesulfonate) [PSS] Single layer reverse structure organic solar cell.
제1항에 있어서,
상기 제2 전극은 금속, 합금, 전도성 고분자 기타 전도성 화합물 및 이들의 조합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느하나 이상인 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the second electrode is at least one selected from the group consisting of a metal, an alloy, a conductive polymer and other conductive compounds, and a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 양자점은 핵구조로 구성된 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the quantum dot comprises a nucleus structure.
제1항에 있어서,
상기 양자점은 핵-껍질 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the quantum dot comprises a nucleus-shell structure.
제7항에 있어서,
상기 핵구조는 황화카드뮴 화합물로 구성된 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지.
8. The method of claim 7,
Wherein the core structure is composed of a cadmium sulfide compound.
제8항에 있어서,
상기 핵-껍질구조는 황화아연 (ZnS) 및 셀렌화아연(ZnSe)중 어느 하나 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지.
9. The method of claim 8,
Wherein the core-shell structure is composed of at least one of zinc sulfide (ZnS) and zinc selenide (ZnSe).
기판 상에 제1전극을 적층하는 단계;
상기 제1전극의 일함수 저감 박막을 적층하는 단계
상기 제1 전극 상에 가시광선영역의 양자점을 갖는 단일층으로 구성된 전자수송층을 적층하는 단계;
상기 전자수송층 상에 광활성층을 적층하는 단계;
상기 광활성층 상에 정공수송층 적층하는 단계;
상기 정공수송층 상에 제2전극을 적층하는 단계를 포함하는 단일층 역구조 유기 태양전지 제조방법.
Stacking a first electrode on the substrate;
A step of laminating the work function reducing film of the first electrode
Depositing an electron transport layer composed of a single layer having quantum dots in the visible light region on the first electrode;
Depositing a photoactive layer on the electron transporting layer;
Stacking a hole transport layer on the photoactive layer;
And laminating a second electrode on the hole transport layer.
삭제delete 제11항에 있어서,
상기 양자점은 핵구조로 구성된 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the quantum dot comprises a nucleus structure.
제11항에 있어서,
상기 양자점은 핵-껍질구조로 구성된 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the quantum dot comprises a nucleus-shell structure.
제11항에 있어서,
상기 일함수 저감 박막은 폴리에틸렌이민에톡시레이티드(Polyehthylenimine ethoxylated:PEIE) 및 폴리머로 구성된 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the work function reducing film is composed of polyethylene imine ethoxylated (PEIE) and a polymer.
제13항에 있어서,
상기 전자수송층을 적층하는 단계에서는, 상기 핵구조는 황화 카드뮴 화합물 구성으로, 핵구조 양자점을 구성된 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지 제조방법.
14. The method of claim 13,
Wherein the nucleation structure is a cadmium sulfide compound structure and the nucleation structure quantum dots are formed in the step of laminating the electron transport layer.
제14항에 있어서,
상기 전자수송층을 적층하는 단계에서는, 상기 핵-껍질구조는 황화아연(ZnS) 및 셀렌화아연(ZnSe) 중 어느하나 이상을 핵-껍질구조의 양자점으로 구성된 것을 특징으로 하는 단일층 역구조 유기 태양전지 제조방법.
15. The method of claim 14,
In the step of laminating the electron transporting layer, the nucleus-shell structure may be a single-layer reverse-structured organic solar cell having a structure in which at least one of zinc sulfide (ZnS) and zinc selenide (ZnSe) &Lt; / RTI &gt;
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