KR101500669B1 - 양자점 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
양자점 태양전지의 제조방법에서, 기판 상에 투명 전극층을 형성하고, 상기 투명 전극층 상에 전자 수송층을 형성하고, 상기 전자 수송층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 양자점 활성층을 형성하고, 상기 양자점 활성층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 전자 차단층을 형성하며, 상기 전자 차단층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 외부 전극층을 형성한다. 상기 양자점 활성층을 형성하는 단계에서, 상기 전자 수송층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 양자점 용액층을 형성하고, 코팅 또는 인쇄 공정으로 상기 양자점 용액층의 표면을 개질한다.
Description
본 발명은 양자점 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양자점을 이용하여 태양전지를 제조하기 위한 양자점 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
양자점(quantum dot)은 반도체 특성을 가진 수십 나노미터 이하 크기의 나노 입자로서, 양자 제한 효과에 의해 벌크 입자와는 다른 특성을 가지며, 예를 들어, 양자점의 크기에 따라 밴드갭이 달라져 흡수 파장을 변화시킬 수 있으며, 새로운 광학적, 전기적, 물리적 특성을 갖는다.
상기 양자점은 최근 들어 태양전지와 같은 광전 변환 소자의 제조에도 활용되고 있으며, 예를 들어, 대한민국 특허출원 제2013-0000090호에서는 양자점을 포함하는 양자점층을 형성하여 태양전지를 제조하는 기술을 개시하고 있다.
나아가, 양자점을 용액화하여 코팅이나 인쇄 공정을 통해 태양전지의 제조에 적용하는 방법도 개발되고 있으며, 예를 들어, 대한민국 특허출원 제2011-0039425호에서는 실리콘이 첨가되는 실리콘 잉크를 기판에 인쇄하고, 양자점 잉크를 상기 실리콘 잉크층의 상면에 인쇄하는 인쇄 공정을 통해 태양전지를 제조하는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 최근까지는 양자점을 태양전지에 활용할 수 있다는 것을 중심으로 다양한 연구가 진행되고 있을 뿐, 양자점이 포함된 태양전지의 최적 구조, 또는 양자점이 포함된 태양전지의 최적 구조의 제조 방법에 대한 구체적인 연구는 아직까지 미진하다. 특히, 양자점이 포함된 태양전지의 대량 생산을 위해, 상기 태양전지를 구성하는 각각의 층에 대한 개별적 형성 방법을 포함한 상기 태양전지의 제조 공정에 대한 심도 있는 연구도 미진한 상황이다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 대량생산을 통해 생산성을 향상시킬 수 있는 양자점 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 양자점 태양전지의 제조방법에서, 기판 상에 투명 전극층을 형성하고, 상기 투명 전극층 상에 전자 수송층을 형성하고, 상기 전자 수송층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 양자점 활성층을 형성하고, 상기 양자점 활성층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 전자 차단층을 형성하며, 상기 전자 차단층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 외부 전극층을 형성한다. 상기 양자점 활성층을 형성하는 단계에서, 상기 전자 수송층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 양자점 용액층을 형성하고, 코팅 또는 인쇄 공정으로 상기 양자점 용액층의 표면을 개질한다.
일 실시예에서, 상기 전자 차단층과 상기 외부 전극층 사이에 코팅 또는 인쇄 공정으로 정공 전달층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 수송층을 형성하는 단계는, 상기 투명 전극층이 형성된 기판을 세정하는 단계, 상기 투명 전극층을 친수성 처리하는 단계, 상기 투명 전극층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 전자 수송층을 형성하는 단계, 및 상기 전자 수송층을 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 수송층을 열처리하는 단계에서, 120℃~450℃의 범위로 상기 전자 수송층을 경화할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점 용액층은 양자점에 용매 및 첨가제를 혼합하여 잉크화할 수 있다. 상기 양자점은, II-VI족의 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe을 포함하는 이원소 화합물, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe을 포함하는 삼원소 화합물, 및 CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe을 포함하는 사원소 화합물 양자점, III-V족의 GaN, GaP, GaAs, aSb, InP, InAs, InSb을 포함하는 이원소 화합물, GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP을 포함하는 삼원소 화합물, 및 GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 을 포함하는 사원소 화합물 양자점, IV-VI족의 PbS, PbSe, PbTe을 포함하는 이원소 화합물, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe을 포함하는 삼원소 화합물, 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe을 포함하는 사원소 화합물 양자점, IV족의 Si, Ge을 포함하는 단일 원소 화합물, SiC, SiGe을 포함하는 이원소 화합물 양자점, 및 CdSe/ZnS와 같이 상기 기술한 2종의 양자점 물질이 접합한 형태의 2종 접합 양자점 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점 활성층을 형성하는 단계는, 상기 양자점 용액층을 형성하기 전에, 상기 전자 수송층이 형성된 기판을 세정하고, 상기 전자 수송층을 친수성 처리하는 단계를 더 포함하고, 상기 양자점 용액층의 표면을 개질한 후에, 상기 양자점 활성층을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점 활성층을 열처리하는 단계에서, 100℃ 이하의 범위로 상기 양자점 용액층의 표면에서 교환된 불순물을 제거할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 차단층을 형성하는 단계는, 상기 양자점 활성층이 형성된 기판을 세정하는 단계, 상기 양자점 활성층을 친수성 처리하는 단계, 및 상기 양자점 활성층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 전자 차단층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 차단 용액층은 전자 차단재에 용매 및 첨가제를 혼합하여 잉크화할 수 있다. 상기 전자 차단재는 p-type 홀 전도체 또는 MoO3, V2O5 계열의 산화물일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 코팅 또는 인쇄 공정은, 디핑(dipping), 스프레이(spraying), 드롭캐스팅(drop casting), 자기조립, 스핀코팅(spin coating), 닥터플레이드(doctor blade), 바코팅(bar coating), 슬롯다이코팅(slot die coating), 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating), 코마코팅(coma coating) 및 프린팅(printing)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 양자점 태양전지를 구성하는 양자점 활성층, 전자 차단층 및 외부 전극층을 모두 인쇄 또는 코팅 공정으로 형성하므로, 제조 공정을 단순화할 수 있고, 생산 단가를 줄여 대량 생산을 가능하도록 할 수 있다. 또한, 대면적 태양전지를 상대적으로 용이하게 제작할 수 있다.
특히, 상기 양자점 활성층도, 양자점 용액층 형성과 상기 양자점 용액층의 표면 개질을 모두 인쇄 또는 코팅 공정으로 수행할 수 있으므로, 제조 공정의 단순화 및 대량 생산의 가능성을 높일 수 있다. 이 경우, 상기 개질 공정에서 양자점 용액층을 저분자 리간드로 치환하여, 전도성이 우수한 양자점 활성층을 형성할 수 있게 된다.
또한, 전자 수송층 및 정공 전달층도 인쇄 또는 코팅 공정으로 형성될 수 있어, 전반적인 양자점 태양전지 제작 공정을 단순화할 수 있다.
특히, 상기 전자 수송층의 인쇄 또는 코팅 공정의 수행시, 도포된 전자 수송층의 표면 경화를 위해 별도의 열처리 공정을 수행하여 양자점 태양전지의 생산성과 효능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 양자점 활성층 형성시, 상기 양자점 용액층 표면 개질에서 교환된 불순물을 별도의 열처리 공정으로 효과적으로 제거하여 상기 양자점 활성층의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 양자점 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 도 1의 양자점 태양전지의 제조방법을 이용하여 제조된 양자점 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 전자 수송층을 형성하는 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 4는 도 1의 양자점 활성층을 형성하는 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 5는 도 1의 전자 차단층을 형성하는 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 2는 도 1의 양자점 태양전지의 제조방법을 이용하여 제조된 양자점 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 전자 수송층을 형성하는 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 4는 도 1의 양자점 활성층을 형성하는 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 5는 도 1의 전자 차단층을 형성하는 단계를 나타낸 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 양자점 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다. 도 2는 도 1의 양자점 태양전지의 제조방법을 이용하여 제조된 양자점 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다. 도 3은 도 1의 전자 수송층을 형성하는 단계를 나타낸 흐름도이다. 도 4는 도 1의 양자점 활성층을 형성하는 단계를 나타낸 흐름도이다. 도 5는 도 1의 전자 차단층을 형성하는 단계를 나타낸 흐름도이다.
본 실시예에 의한 양자점 태양전지(1)의 제조방법에서, 도 1 및 도 2를 참조하면, 우선, 기판(10) 상에 투명 전극층(20)을 형성한다(단계 S10).
상기 기판(10)은 저면으로 태양광(2)이 입사되며, 상기 기판(10)의 저면으로 입사된 태양광(2)은 상기 양자점 태양전지(1)를 통해 전기로 변환된 후, 외부로 전송된다.
상기 기판(10)은 상기 태양광(2)의 흡수를 위해 투명한 기판일 수 있으며, 후술할 상기 투명 전극층(20) 이하의 층들을 코팅 또는 인쇄 공정으로 형성하는 경우 상기 코팅 또는 인쇄 공정을 견딜 수 있을 최소의 두께 및 강도를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 기판(10)은 PET(polyethyleneterephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polypropylene), PI(polyimide), PC(polycarbonate), PS(polystylene), POM(polyoxyethlene), TAC(triacetyl cellulose) 등 투명한 재질의 유연한 기판이거나, 유리와 같은 상대적으로 경한 투명 재질의 기판일 수도 있다.
상기 투명 전극층(20)은 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), AZO(aluminum doped zinc oxide), IZO(indium zinc oxide)일 수 있으며, 상기 기판(10) 상에 증착되어 형성되거나, 이와 달리, 파티클이나 졸겔 타입으로 용액화 상태로 제조되어 코팅 또는 인쇄 공정으로 상기 기판(10) 상에 도포될 수 있다. 이 경우, 상기 투명 전극층(20)은 증착되어 형성되는 경우, 노광 공정 및 에칭 공정을 통해 패턴으로 형성될 수 있으며, 이와 달리 인쇄 공정으로 도포되는 경우, 특정 패턴을 갖도록 인쇄될 수 있다.
예를 들어, 상기 투명 전극층(20)의 경우, 실버(silver), 구리, 알루미늄, 카본을 파티클 또는 졸겔로 사용한 잉크를 이용하여, 그라비아(gravure), 잉크젯(inkjet), 그라비아 옵셋(gravure offset), 리버스 옵셋(reverse offset), 플렉소(flexo printing), 임프린팅(imprinting), 핫엠보싱(hot embossing) 등의 다양한 인쇄 공정을 통해 메쉬(mesh) 형태로 인쇄한 메쉬 전극층일 수 있다.
이와 달리, 상기 투명 전극층(20)은 실버나노선, 카본나노튜브(carbon nano-tube) 또는 그래핀(graphene)이 포함된 잉크를 스프레이(spray), 슬롯다이(slot die), 바코팅(bar coating), 마이크로 그라비아, 코마코팅(coma coating) 등의 공정으로 코팅하여 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 실버나노선, 카본나노튜브 또는 그래핀으로 형성된 투명 전극층은 단독으로 사용되거나, 상부에 유기물 전극(PEDOT-PSS 등)을 추가로 코팅하여 투명 전극층(20)을 형성할 수도 있다.
이 후, 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 투명 전극층(20) 상에 전자 수송층(30)을 형성한다(단계 S20).
보다 구체적으로, 상기 전자 수송층(30)을 형성하는 단계(S20)는, 상기 투명 전극층(20)이 형성된 상기 기판(10)을 세정하는 단계(단계 S21), 상기 투명 전극층(20)을 친수성 처리하는 단계(단계 S22), 상기 투명 전극층(20) 상에 코팅 또는 인쇄공정으로 상기 전자 수송층(30)을 형성하는 단계(단계 S23), 및 상기 전자 수송층(30)을 열처리하는 단계(단계 S24)를 포함한다.
이 경우, 상기 기판(10)의 세정 단계(S21)에서는 상기 투명 전극층(20)이 형성된 기판을 아세톤, 메탄올 등으로 세정하고, 상기 친수성 처리 단계(S22)에서는 플라즈마, 코로나, 오존 등을 이용하여 상기 투명 전극층(20)의 표면을 친수성으로 처리한다.
이와 같은 세정 및 친수성 처리의 전처리 단계가 종료되면, 상기 투명 전극층(20)의 상면에 상기 전자 수송층(30)을 코팅 또는 인쇄 공정으로 형성한다(S23).
이 경우, 상기 전자 수송층(30)은 10nm 이하의 크기인 ZnO 파티클, TiO2 파티클, ZnO 졸겔, TiO2 졸겔을 주재료로 하여, 금속 산화물 전구체를 에틸알콜과 염산 수용액에 용해시키거나, 에탄올아민과 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol) 혼합액에 용해시키거나, 에틸렌글리콜과 시트르산 수용액에 용해시키는 등의 졸겔공정, 폴리올(polyol) 공정, CSD(chemical solution deposition) 공정을 통해 용액화(잉크화)한 후, 디핑(dipping), 스프레이(spraying), 드롭캐스팅(drop casting), 자기조립, 스핀코팅(spin coating), 닥터플레이드(doctor blade), 바코팅(bar coating), 슬롯다이코팅(slot die coating), 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating), 코마코팅(coma coating) 및 프린팅(printing)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종의 공정으로 상기 투명 전극층(20)의 상면에 형성된다.
한편, 상기 전자 수송층(30)은 약 10nm~300nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 열처리 단계(S24)는 상기 전자 수송층(30) 형성의 후처리 공정으로, 도포된 산화물의 경화를 위해 물질에 따라 상이할 수는 있으나, 120℃~450℃의 범위로 열을 가하여 상기 전자 수송층(30)을 열처리 한다.
이 후, 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 전자 수송층(30) 상에 양자점 활성층(40)을 형성한다(단계 S30).
보다 구체적으로, 상기 양자점 활성층(40)을 형성하는 단계(S30)는, 상기 전자 수송층(30)이 형성된 기판(10)을 세정하는 단계(단계 S31), 상기 전자 수송층(30)을 친수성 처리하는 단계(단계 S32), 상기 전자 수송층(30) 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 양자점 용액층을 형성하는 단계(단계 S33), 코팅 또는 인쇄 공정으로 상기 양자점 용액층의 표면을 개질하는 단계(단계 S34), 및 상기 양자점 활성층(40)을 열처리하는 단계(단계 S35)를 포함한다.
이 경우, 상기 세정 단계(S31)에서는 상기 전자 수송층(30)이 형성된 기판을 아세톤, 메탄올 등으로 세정하고, 상기 친수성 처리 단계(S32)에서는 플라즈마, 코로나, 오존 등을 이용하여 상기 전자 수송층(30)의 표면을 친수성으로 처리한다.
이와 같은 세정 및 친수성 처리의 전처리 단계가 종료되면, 상기 전자 수송층(30) 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 양자점 용액층을 형성한다(S33).
상기 양자점 용액층은 양자점을 주재료로 용매와 첨가제 등을 혼합하여 잉크화한 용액을 코팅 또는 인쇄 공정으로 상기 전자 수송층(30) 상에 형성하는 것을 의미하며, 이 경우, 상기 잉크화한 용액은 디핑(dipping), 스프레이(spraying), 드롭캐스팅(drop casting), 자기조립, 스핀코팅(spin coating), 닥터플레이드(doctor blade), 바코팅(bar coating), 슬롯다이코팅(slot die coating), 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating), 코마코팅(coma coating) 및 프린팅(printing)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종의 공정으로 코팅 또는 인쇄될 수 있다.
한편, 상기 양자점은 II-VI족의 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe을 포함하는 이원소 화합물, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe을 포함하는 삼원소 화합물, 및 CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe을 포함하는 사원소 화합물 양자점이거나, III-V족의 GaN, GaP, GaAs, aSb, InP, InAs, InSb을 포함하는 이원소 화합물, GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP을 포함하는 삼원소 화합물, 및 GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 을 포함하는 사원소 화합물 양자점이거나, IV-VI족의 PbS, PbSe, PbTe을 포함하는 이원소 화합물, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe을 포함하는 삼원소 화합물, 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe을 포함하는 사원소 화합물 양자점이거나, IV족의 Si, Ge을 포함하는 단일 원소 화합물, SiC, SiGe을 포함하는 이원소 화합물 양자점이거나, CdSe/ZnS와 같이 상기 기술한 2종의 양자점 물질이 접합한 형태의 2종 접합 양자점일 수 있다.
예를 들어, 양자점 중 황화납의 양자점 입자의 제조 방법은, 옥타데켄(octadecene, ODE)에서 아세트산납삼수화물(Pb(C2H3O2)2·3H2O)과 올레익산을 혼합하고 진공상태에서 가열하는 단계(단계 A), 상기 단계 A의 용액 및 옥타데켄을 혼합 후 비스트리메틸실리설파이드(bis(trimethylsily)sulfide)를 주입하는 단계(단계 B), 냉각된 톨루엔으로 상기 단계 B 용액을 급속냉각 하는 단계(단계 C), 부탄올과 메탄올의 혼합용액에 상기 단계 C 용액을 주입하여 결정화하는 단계(단계 D), 및 상기 단계 D를 반복수행하는 단계(단계 E)를 포함한다.
이와 같이 제조된 양자점은, 계면활성제, 분산제, 분산안정제, 점도조절제 등의 첨가제와 헥산 등의 용매와 혼합되어 잉크화하여, 상기 양자점 용액층으로 상기 전자 수송층(30) 상에 형성된다.
한편, 상기 양자점 용액층은 합성에 의해 표면 상에 부도성 분자를 다수 포함하는데, 이에 대하여 탄소수 3개 이하의 저분자 리간드를 이용한 치환이 필요하며 이를 통해 상기 양자점 용액층의 전기 전도성이 향상된다. 또는, 용액화된 양자점을 용액상태에서 저분자로 표면 분자 교환 후 코팅 또는 인쇄되어 양자점 용액층으로 형성될 수도 있다.
다만, 본 실시예에서는, 상기 양자점 활성층(40)의 제작 공정의 편의성을 위해, 상기 양자점 용액층이 상기 전자 수송층(30) 상에 코팅 또는 인쇄된 후(S33), 코팅 또는 인쇄 공정으로 상기 양자점 용액층의 표면을 개질하여(S34) 상기 저분자 리간드로의 치환을 수행한다. 그리하여, 결과적으로 형성되는 상기 양자점 활성층(40)의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 양자점 용액층의 표면 개질을 위해 상기 양자점 용액층 상에 코팅 또는 인쇄공정으로 저분자 용액을 도포한다.
이 경우, 상기 양자점 용액층의 개질 공정, 즉 저분자 용액의 도포 공정도, 디핑(dipping), 스프레이(spraying), 드롭캐스팅(drop casting), 자기조립, 스핀코팅(spin coating), 닥터플레이드(doctor blade), 바코팅(bar coating), 슬롯다이코팅(slot die coating), 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating), 코마코팅(coma coating) 및 프린팅(printing)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종의 공정일 수 있다.
한편, 상기 저분자 리간드로의 치환으로 상기 양자점 활성층(40)에는 불순물이 형성되며, 이와 같이 형성된 불순물을 제거하기 위해 상기 양자점 활성층(40)을 열처리한다(S35). 이 경우, 열처리 공정은 저온 열처리 공정으로 100℃ 이하의 범위로 수행되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상기 양자점 활성층(40)이 상기 전자 수송층(30) 상에 형성되며, 상기 양자점 활성층(40)은, 예를 들어 약 50~500nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기와 같이 형성된 양자점 활성층(40)은 양자점의 크기에 따라 전자의 에너지 준위가 선택될 수 있으므로 상기 양자점의 크기 제어를 통해 흡수될 수 있는 태양광의 파장을 제어할 수 있고, 이에 따라 다양한 크기의 양자점 조합을 통해 넓은 파장의 광을 흡수하여 이에 따라 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
이 후, 도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 상기 양자점 활성층(40) 상에 전자 차단층(50)을 형성한다(단계 S40).
보다 구체적으로, 상기 전자 차단층(50)을 형성하는 단계(S40)는, 상기 양자점 활성층(40)이 형성된 기판(10)을 세정하는 단계(단계 S41), 상기 양자점 활성층(40)을 친수성 처리하는 단계(단계 S42), 및 상기 양자점 활성층(40) 상에 코팅 또는 인쇄공정으로 전자 차단층을 형성하는 단계(단계 S43)를 포함한다.
이 경우, 상기 세정 단계(S41)에서는 상기 양자점 활성층(40)이 형성된 기판을 아세톤, 메탄올 등으로 세정하고, 상기 친수성 처리 단계(S42)에서는 플라즈마, 코로나, 오존 등을 이용하여 상기 양자점 활성층(30)의 표면을 친수성으로 처리한다.
이와 같은 세정 및 친수성 처리의 전처리 단계가 종료되면, 상기 양자점 활성층(40) 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 전자 차단 용액층을 형성한다(S43).
상기 전자 차단 용액층은 전자 차단재에 용매 및 첨가제를 혼합하여 잉크화한 용액을 코팅 또는 인쇄 공정으로 상기 양자점 활성층(40) 상에 형성하는 것을 의미하며, 이 경우, 상기 잉크화한 용액은 디핑(dipping), 스프레이(spraying), 드롭캐스팅(drop casting), 자기조립, 스핀코팅(spin coating), 닥터플레이드(doctor blade), 바코팅(bar coating), 슬롯다이코팅(slot die coating), 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating), 코마코팅(coma coating) 및 프린팅(printing)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종의 공정으로 코팅 또는 인쇄될 수 있다.
한편, 상기 전자 차단재는 p-type 홀 전도체 또는 MoO3, V2O5 계열의 산화물일 수 있으며, 상기 전자 차단재에 계면활성재, 분산제, 분산안정제, 점도조절제 등의 첨가제와 용매와 혼합되어 잉크화하여, 상기 전자 차단 용액층으로 상기 양자점 활성층(40) 상에 형성된다.
이와 같이, 상기 전자 차단층(50)이 상기 양자점 활성층(40) 상에 형성되며, 상기 전자 차단층(50)은, 예를 들어 약 10~300nm의 두께로 형성될 수 있다.
이 후, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 전자 차단층(50) 상에 정공 전달층(60)을 형성한다(단계 S50). 상기 정공 전달층(60)도 코팅 또는 인쇄 공정으로 형성될 수 있으며, 이 경우 코팅 또는 인쇄 공정은 디핑(dipping), 스프레이(spraying), 드롭캐스팅(drop casting), 자기조립, 스핀코팅(spin coating), 닥터플레이드(doctor blade), 바코팅(bar coating), 슬롯다이코팅(slot die coating), 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating), 코마코팅(coma coating) 및 프린팅(printing)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종의 공정일 수 있다.
상기 정공 전달층(60)은 상기 양자점 활성층(40)에서 분리된 정공이 상기 외부 전극층(70)으로 보다 효과적으로 전달될 수 있도록 형성된 층으로, 상기 정공 전달층(60)이 형성되어 태양 전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 다만, 상기 정공 전달층(60)은 필요에 따라 생략될 수 있다.
이 후, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 정공 전달층(60) 상에 외부 전극층(70)을 형성한다(단계 S60). 이 경우, 상기 정공 전달층(60)이 생략된 경우라면, 상기 외부 전극층(70)은 상기 전자 차단층(50) 상에 형성될 수 있다.
상기 외부 전극층(70)도 코팅 또는 인쇄 공정으로 형성될 수 있으며, 이 경우 코팅 또는 인쇄 공정은 디핑(dipping), 스프레이(spraying), 드롭캐스팅(drop casting), 자기조립, 스핀코팅(spin coating), 닥터플레이드(doctor blade), 바코팅(bar coating), 슬롯다이코팅(slot die coating), 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating), 코마코팅(coma coating) 및 프린팅(printing)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종의 공정일 수 있다.
한편, 상기 외부 전극층(70)이 코팅 또는 인쇄 공정으로 형성되기 위해서는 금, 은, 알루미늄, 구리, 탄소 등의 금속재료에 첨가제와 용매를 혼합하여 용액화한 후, 상기 금속 용액을 상기 정공 전달층(60)의 상면에 코팅 또는 인쇄한다. 이 경우, 상기 첨가제로는 계면 활성제, 분산제, 분산 안정제, 점도 조절제 등일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 양자점 태양전지를 구성하는 양자점 활성층, 전자 차단층 및 외부 전극층을 모두 인쇄 또는 코팅 공정으로 형성하므로, 제조 공정을 단순화할 수 있고, 생산 단가를 줄여 대량 생산을 가능하도록 할 수 있다. 또한, 대면적 태양전지를 상대적으로 용이하게 제작할 수 있다.
특히, 상기 양자점 활성층도, 양자점 용액층 형성과 상기 양자점 용액층의 표면 개질을 모두 인쇄 또는 코팅 공정으로 수행할 수 있으므로, 제조 공정의 단순화 및 대량 생산의 가능성을 높일 수 있다. 이 경우, 상기 개질 공정에서 양자점 용액층을 저분자 리간드로 치환하여, 전도성이 우수한 양자점 활성층을 형성할 수 있게 된다.
또한, 전자 수송층 및 정공 전달층도 인쇄 또는 코팅 공정으로 형성될 수 있어, 전반적인 양자점 태양전지 제작 공정을 단순화할 수 있다.
특히, 상기 전자 수송층의 인쇄 또는 코팅 공정의 수행시, 도포된 전자 수송층의 표면 경화를 위해 별도의 열처리 공정을 수행하여 양자점 태양전지의 생산성과 효능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 양자점 활성층 형성시, 상기 양자점 용액층 표면 개질에서 교환된 불순물을 별도의 열처리 공정으로 효과적으로 제거하여 상기 양자점 활성층의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 양자점 태양전지 제조방법은 양자점 태양전지의 제조에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
1 : 양자점 태양전지 10 : 기판
20 : 투명 전극층 30 : 전자 수송층
40 : 양자점 활성층 50 : 전자 차단층
60 : 정공 전달층 70 : 외부 전극층
20 : 투명 전극층 30 : 전자 수송층
40 : 양자점 활성층 50 : 전자 차단층
60 : 정공 전달층 70 : 외부 전극층
Claims (10)
- 기판 상에 투명 전극층을 형성하는 단계;
상기 투명 전극층 상에 전자 수송층을 형성하는 단계;
상기 전자 수송층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 양자점 활성층을 형성하는 단계;
상기 양자점 활성층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 전자 차단층을 형성하는 단계; 및
상기 전자 차단층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 외부 전극층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 양자점 활성층을 형성하는 단계는,
상기 전자 수송층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 양자점 용액층을 형성하는 단계; 및
코팅 또는 인쇄 공정으로 상기 양자점 용액층의 표면을 개질하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 전자 차단층과 상기 외부 전극층 사이에 코팅 또는 인쇄 공정으로 정공 전달층을 형성하는 단계를 더 포함하는 양자점 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전자 수송층을 형성하는 단계는,
상기 투명 전극층이 형성된 기판을 세정하는 단계;
상기 투명 전극층을 친수성 처리하는 단계;
상기 투명 전극층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 전자 수송층을 형성하는 단계; 및
상기 전자 수송층을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 전자 수송층을 열처리하는 단계에서,
120℃~450℃의 범위로 상기 전자 수송층을 경화하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 양자점 용액층은 양자점에 용매 및 첨가제를 혼합하여 잉크화한 것을 특징으로 하며,
상기 양자점은,
II-VI족의 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe을 포함하는 이원소 화합물, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe을 포함하는 삼원소 화합물, 및 CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe을 포함하는 사원소 화합물 양자점;
III-V족의 GaN, GaP, GaAs, aSb, InP, InAs, InSb을 포함하는 이원소 화합물, GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaAlNP을 포함하는 삼원소 화합물, 및 GaAlNAs, GaAlNSb, GaAlPAs, GaAlPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, InAlNP, InAlNAs, InAlNSb, InAlPAs, InAlPSb 을 포함하는 사원소 화합물 양자점;
IV-VI족의 PbS, PbSe, PbTe을 포함하는 이원소 화합물, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe을 포함하는 삼원소 화합물, 및 SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe을 포함하는 사원소 화합물 양자점;
IV족의 Si, Ge을 포함하는 단일 원소 화합물, SiC, SiGe을 포함하는 이원소 화합물 양자점; 및
CdSe/ZnS와 같이 상기 기술한 2종의 양자점 물질이 접합한 형태의 2종 접합 양자점 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법. - 제5항에 있어서, 상기 양자점 활성층을 형성하는 단계는,
상기 양자점 용액층을 형성하기 전에, 상기 전자 수송층이 형성된 기판을 세정하고, 상기 전자 수송층을 친수성 처리하는 단계를 더 포함하고,
상기 양자점 용액층의 표면을 개질한 후에, 상기 양자점 활성층을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법. - 제6항에 있어서, 상기 양자점 활성층을 열처리하는 단계에서,
100℃ 이하의 범위로 상기 양자점 용액층의 표면에서 교환된 불순물을 제거하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 전자 차단층을 형성하는 단계는,
상기 양자점 활성층이 형성된 기판을 세정하는 단계;
상기 양자점 활성층을 친수성 처리하는 단계; 및
상기 양자점 활성층 상에 코팅 또는 인쇄 공정으로 전자 차단층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법. - 제8항에 있어서, 상기 전자 차단 용액층은 전자 차단재에 용매 및 첨가제를 혼합하여 잉크화한 것을 특징으로 하며,
상기 전자 차단재는 p-type 홀 전도체 또는 MoO3, V2O5 계열의 산화물인 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 코팅 또는 인쇄 공정은,
디핑(dipping), 스프레이(spraying), 드롭캐스팅(drop casting), 자기조립, 스핀코팅(spin coating), 닥터플레이드(doctor blade), 바코팅(bar coating), 슬롯다이코팅(slot die coating), 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating), 코마코팅(coma coating) 및 프린팅(printing)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지의 제조방법.
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| KR20130139608A KR101500669B1 (ko) | 2013-11-18 | 2013-11-18 | 양자점 태양전지의 제조방법 |
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