KR101525469B1 - 양자점 태양전지 제조장치 - Google Patents
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Abstract
양자점 태양전지 제조장치는 투명 전극층 형성부, 전자 수송층 형성부, 양자점 활성층 형성부, 전자 차단층 형성부, 및 외부 전극층 형성부를 포함한다. 상기 양자점 활성층 형성부는 전처리 유닛, 양자점 코팅 유닛, 후처리 유닛 및 표면 개질 및 세정 유닛을 포함한다. 상기 전처리 유닛은 상기 전자 수송층을 전처리한다. 상기 양자점 코팅 유닛은 상기 전자 수송층 상에 양자점을 코팅 또는 인쇄하여 양자점 용액층을 형성한다. 상기 후처리 유닛은 상기 양자점 용액층을 후처리한다. 상기 표면 개질 및 세정 유닛은 상기 양자점 용액층의 표면을 개질 및 세정하여 양자점 활성층을 형성한다.
Description
본 발명은 양자점 태양전지 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양자점을 이용하여 태양전지를 인쇄 공정으로 제조하기 위한 양자점 태양전지 제조장치에 관한 것이다.
양자점(quantum dot)은 반도체 특성을 가진 수십 나노미터 이하 크기의 나노 입자로서, 양자점의 크기에 따라 밴드갭이 달라져 흡수 파장을 변화시킬 수 있으며, 이러한 특성을 이용하여 최근 들어 태양전지와 같은 광전 변환 소자의 제조에도 활용되고 있다.
이와 같이, 양자점의 활용이 증가되면서, 양자점의 제조를 위한 제조장치나 제조방법에 관한 기술들이 개발되고 있으며, 예를 들어, 대한민국 특허출원 제2010-0013417호에서는 양자점 코아 용액과 껍질 형성용 전구체 용액을 각각 주입하여 양자점을 제조하는 양자점 제조 장치에 관한 기술을 개시하고 있다.
나아가, 양자점이 태양전지에 적용되기 시작하면서, 양자점 태양전지의 제조방법 또는 제조용 장치에 관한 기술들이 개발되고 있으며, 예를 들어, 대한민국 특허출원 제2011-0072687호에서는 태양전지용 광흡수층 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 기술을 개시하여, 입자의 크기가 균일하고 수율이 높으며 대량으로 양자점을 생산하는 기술을 개시하고 있다.
다만, 최근까지는 양자점 태양전지에 사용되는 양자점의 제조장치 또는 제조방법을 중심으로 기술이 개발되고 있을 뿐, 양자점 태양전지를 제조하기 위한 전반적인 제조장치에 관한 기술 개발은 미흡한 상황이며, 특히, 최근 개발되고 있는 양자점 태양전지를 인쇄 또는 코팅 공정을 통해 제조하는 기술을 적용하기 위해 별도로 고안된 양자점 제조장치에 관한 기술 개발은 아직까지 진행되고 있지 않은 상황이다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 생산성 및 수율을 향상시켜 양자점 태양전지를 제조할 수 있는 양자점 태양전지 제조장치에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 양자점 태양전지 제조장치는 투명 전극층 형성부, 전자 수송층 형성부, 양자점 활성층 형성부, 전자 차단층 형성부, 및 외부 전극층 형성부를 포함한다. 상기 양자점 활성층 형성부는 전처리 유닛, 양자점 코팅 유닛, 후처리 유닛 및 표면 개질 및 세정 유닛을 포함한다. 상기 전처리 유닛은 상기 전자 수송층을 전처리한다. 상기 양자점 코팅 유닛은 상기 전자 수송층 상에 양자점을 코팅 또는 인쇄하여 양자점 용액층을 형성한다. 상기 후처리 유닛은 상기 양자점 용액층을 후처리한다. 상기 표면 개질 및 세정 유닛은 상기 양자점 용액층의 표면을 개질 및 세정하여 양자점 활성층을 형성한다.
일 실시예에서, 상기 양자점 활성층 형성부는 상기 양자점 활성층이 형성된 기판을 건조하는 건조유닛을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전처리 유닛은 상기 전자 수송층이 형성된 기판을 세정하고 상기 전자 수송층을 친수성 처리할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점 코팅 유닛은 디핑(dipping) 유닛, 스프레이(spraying) 유닛, 드롭캐스팅(drop casting) 유닛, 자기조립 유닛, 스핀코팅(spin coating) 유닛, 닥터플레이드(doctor blade) 유닛, 바코팅(bar coating) 유닛, 슬롯다이코팅(slot die coating) 유닛, 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating) 유닛, 코마코팅(coma coating) 유닛, 잉크젯(inkjet) 프린팅 유닛, 그라비아(gravure) 프린팅 유닛 및 플렉소(flexo) 프린팅 유닛으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 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 표면 개질 및 세정 유닛은 적어도 하나 이상의 치환 유닛 및 적어도 하나 이상의 린스 유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 치환 유닛은 저분자 용액으로 상기 양자점 용액층 상의 부도성 분자를 저분자 리간드로 치환할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 치환 유닛은 상기 저분자 용액을 상기 양자점 용액층 상에 코팅 또는 인쇄할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 린스 유닛은 상기 저분자 리간드로의 치환을 통해 생성된 불순물을 제거할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 치환 유닛과 상기 린스 유닛은 교번적으로 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 하나의 치환 유닛과 복수의 린스 유닛들이 차례로 배열될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 양자점 태양전지 제조장치를 통해, 양자점 태양전지 중, 양자점 활성층을 코팅 또는 인쇄 공정을 통해 제조할 수 있으므로, 대면적으로 대량생산이 가능하며, 생산 단가를 줄일 수 있는 장점을 가진다.
특히, 양자점 활성층의 코팅 또는 인쇄 공정을 위해, 전자 수송층을 전처리하고, 양자점 용액층의 표면을 개질 및 세정하는 공정을 포함하여, 양자점 활성층의 생산성을 높일 수 있으며, 특히 제조된 양자점 태양전지의 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 양자점 활성층의 형성시, 양자점 용액층 상의 부도성 분자를 저분자 리간드로 치환할 수 있는 치환 유닛을 포함하므로, 전도성이 우수하여 효율이 향상된 양자점 태양전지를 제조할 수 있다. 특히, 상기 치환 유닛에서는 저분자 용액을 양자점 용액층 상에 코팅 또는 인쇄하므로, 대면적에 대하여 보다 효과적으로 공정을 수행할 수 있다.
나아가, 부도성 분자의 치환을 통해 생성되는 불순물을 린스 유닛을 통해 제거하므로, 생성되는 양자점 활성층의 안전성 및 전도성 등 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 치환 유닛과 린스 유닛은 양자점 활성층의 종류 및 구조 등에 따라 다양하게 배열할 수 있으므로, 전체 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 양자점 태양전지 제조장치를 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 양자점 활성층 형성부의 제조장치를 도시한 모식도이다.
도 3은 도 2의 양자점 태양전지 제조장치를 통해 제조되는 양자점 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3의 양자점 태양전지의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 도 4의 양자점 활성층을 형성하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 도 5의 전자 수송층을 전처리하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1의 양자점 활성층 형성부의 제조장치를 도시한 모식도이다.
도 3은 도 2의 양자점 태양전지 제조장치를 통해 제조되는 양자점 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3의 양자점 태양전지의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 도 4의 양자점 활성층을 형성하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 도 5의 전자 수송층을 전처리하는 방법을 나타낸 순서도이다.
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 태양전지 제조장치를 도시한 모식도이다. 도 2는 도 1의 양자점 활성층 형성부의 제조장치를 도시한 모식도이다. 도 3은 도 2의 양자점 태양전지 제조장치를 통해 제조되는 양자점 태양전지를 나타낸 단면도이다. 도 4는 도 3의 양자점 태양전지의 제조 방법을 나타낸 순서도이다. 도 5는 도 4의 양자점 활성층을 형성하는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 6은 도 5의 전자 수송층을 전처리하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 양자점 태양전지 제조장치(1)는 투명 전극층 형성부(100), 전자 수송층 형성부(200), 양자점 활성층 형성부(300), 전자 차단층 형성부(400), 정공 전달층 형성부(500) 및 외부 전극층 형성부(600)를 포함한다. 이 경우, 상기 정공 전달층 형성부(500)는 생략될 수 있으며, 이에 따라 제조된 양자점 태양전지에서도 정공 전달층은 생략될 수 있다.
상기 투명 전극층 형성부(100)는 기판(10) 상에 투명 전극층(20)을 형성한다(단계 S10). 이 경우, 상기 투명 전극층 형성부(100)는 진공 증착기, 코팅기 또는 인쇄기일 수 있으며, 종래 투명 전극층(20)의 형성에 사용되는 장치와 동일한 장치가 활용될 수 있다.
이에 따라, 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.
상기 투명 전극층(20)이 상기 투명 전극층 형성부(100)에 의해 증착되어 형성되는 경우, 노광 공정 및 에칭 공정을 통해 패턴으로 형성될 수 있으며, 이와 달리 상기 투명 전극층 형성부(100)에 의해 인쇄 공정으로 도포되는 경우, 특정 패턴을 갖도록 인쇄될 수 있다.
이 후, 상기 전자 수송층 형성부(200)는 상기 투명 전극층(20) 상에 전자 수송층(30)을 형성한다(단계 S20). 이 경우, 상기 전자 수송층(30)도 용액화되어 코팅 또는 인쇄공정으로 수행될 수 있으며, 이에 따라 상기 전자 수송층 형성부(200)는 종래의 코팅기 또는 인쇄기일 수 있다.
구체적으로, 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, 상기 전자 수송층 형성부(200)에 의해, 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 형성될 수 있다.
이 후, 상기 양자점 활성층 형성부(300)는 상기 전자 수송층(30)의 상면에 양자점 활성층(40)을 형성한다(단계 S30). 이 경우, 상기 양자점 활성층 형성부(400)의 상기 양자점 활성층(40) 형성 공정은 후술한다.
이 후, 상기 전자 차단층 형성부(400)는 상기 양자점 활성층(40)의 상면에 전자 차단층(50)을 형성한다(단계 S40). 이 경우, 상기 전자 차단층(50)도 용액화되어 코팅 또는 인쇄공정으로 수행될 수 있으며, 이에 따라 상기 전자 차단층 형성부(400)는 종래의 코팅기 또는 인쇄기일 수 있다.
구체적으로, 상기 전자 차단층(50)은 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 상기 전자 차단층 형성부(400)에 의해 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 양자점 활성층(40) 상에 코팅 또는 인쇄되어 전자 차단층(50)을 형성한다.
이 후, 상기 정공 전달층 형성부(500)는 상기 전자 차단층(50)의 상면에 정공 전달층(60)을 형성한다(단계 S50). 이 경우, 상기 정공 전달층(60)도 용액화되어 코팅 또는 인쇄공정으로 수행될 수 있으며, 이에 따라 상기 정공 전달층 형성부(500)는 종래의 코팅기 또는 인쇄기일 수 있다.
즉, 상기 정공 전달층 형성부(500)는 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 정공 전달층(60)을 형성할 수 있다.
한편, 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, 상기 외부 전극층 형성부(600)는 상기 정공 전달층(60)(상기 정공 전달층(60)이 생략된 경우라면 상기 전자 차단층(50)) 상에 외부 전극층(70)을 형성한다(단계 S60).
이 경우, 상기 외부 전극층 형성부(600)는 종래의 코팅기 또는 인쇄기일 수 있으며, 이에 따라, 상기 외부 전극층(70)은 상기 외부 전극층 형성부(600)에 의해 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 공정을 통해 형성될 수 있다.
이상의 공정으로, 상기 양자점 태양전지(2)의 제조가 완성되며, 상기 제조된 양자점 태양전지(2)는 양자점 활성층을 포함하여, 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 향상된 효율을 갖게된다.
한편, 상기 양자점 활성층(40)의 보다 구체적인 형성방법은 하기와 같다.
도 2, 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 양자점 활성층 형성부(300)는 언와인더 유닛(310), 전처리 유닛(320), 양자점 코팅유닛(330), 후처리 유닛(340), 표면 개질 및 세정 유닛(350), 건조 유닛(360) 및 리와인더 유닛(370)을 포함하여, 상기 전자 수송층(30) 상에 상기 양자점 활성층(40)을 형성한다.
구체적으로, 상기 언와인더 유닛(310)은 상기 전자 수송층 형성부(200)에 의해 전자 수송층(30)이 형성된 기판(10)을 상기 전처리 유닛(320)으로 제공하여, 양자점 활성층(40)의 형성 공정을 개시한다.
상기 전처리 유닛(320)은 상기 기판(10) 상에 형성된 상기 전자 수송층(20)을 전처리한다(단계 S31). 구체적으로, 상기 전사 수송층(20)이 형성된 상기 기판(10)을 세정하고(단계 S32), 상기 전자 수송층(20)을 친수성 처리한다(단계 S33).
구체적으로, 상기 전처리 유닛(320)은 상기 전자 수송층(30)이 형성된 기판(10)을 아세톤, 메탄올 등으로 세정한 후, 상기 전자 수송층(30)의 표면을 플라즈마, 코로나, 오존 등을 이용하여 친수성 처리한다.
이 후, 상기 양자점 코팅 유닛(330)은 상기 전자 수송층(20) 상에 양자점을 코팅 또는 인쇄하여 양자점 용액층을 형성한다(단계 S34).
구체적으로, 상기 양자점 용액층은 상기 양자점을 주재료로 용매와 첨가제 등을 혼합하여 잉크화한 용액을 의미하며, 상기 첨가제로는 계면 활성제, 분산제, 분산안정제, 점도조절제 등이 사용될 수 있고, 상기 용매로는 헥산 등이 사용될 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 포함할 수 있다.
한편, 상기 양자점 코팅 유닛(330)은 디핑(dipping) 유닛, 스프레이(spraying) 유닛, 드롭캐스팅(drop casting) 유닛, 자기조립 유닛, 스핀코팅(spin coating) 유닛, 닥터플레이드(doctor blade) 유닛, 바코팅(bar coating) 유닛, 슬롯다이코팅(slot die coating) 유닛, 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating) 유닛, 코마코팅(coma coating) 유닛, 잉크젯(inkjet) 프린팅 유닛, 그라비아(gravure) 프린팅 유닛 및 플렉소(flexo) 프린팅 유닛으로 이루어지는 군으로부터 선택된 것일 수 있으며, 이에 따라 상기 양자점 용액층이 상기 전자 수송층(30) 상에 형성된다.
이 후, 상기 후처리 유닛(340)은 상기 양자점 용액층을 후처리한다(단계 S35). 이 경우, 상기 후처리 유닛(340)은 상기 양자점 용액층을 드라잉(drying), 큐어링(curing), 경화(hardening)하여 상기 양자점 용액층의 안정화시킨다.
이 후, 상기 표면 개질 및 세정 유닛(350)은 상기 양자점 용액층의 표면을 개질 및 세정하여 양자점 활성층(40)을 형성한다(단계 S36).
이 경우, 상기 표면 개질 및 세정 유닛(350)은 적어도 하나 이상의 치환 유닛 및 적어도 하나 이상의 린스 유닛을 포함한다. 도 2에서는 치환 유닛으로 제1 치환 유닛(351), 린스 유닛으로 제1 및 제2 린스 유닛들(352, 353)이 차례로 배열된 것을 도시하였으나, 상기 치환 유닛 및 상기 린스 유닛은 1개씩 또는 복수개가 배열될 수 있다.
예를 들어, 하나의 치환 유닛과 복수의 린스 유닛들이 차례로 배열될 수 있으며, 복수의 치환 유닛들과 복수의 린스 유닛들이 교번적으로 배열될 수도 있다. 이 경우, 상기 치환 유닛과 상기 린스 유닛들의 배열은 상기 양자점 용액층의 종류 및 구조 등에 따라 다양하게 배열될 수 있다.
한편, 상기 양자점 코팅 유닛(330)을 통해 형성된 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 전도성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는, 상기 양자점 용액층이 상기 전자 수송층(30) 상에 코팅 또는 인쇄되고 후처리 된 후(S34, S35), 상기 표면 개질 및 세정 유닛(350)을 통해 상기 양자점 용액층 상에 부도성 분자를 저분자 리간드로 치환한다.
예를 들어, 상기 표면 개질 및 세정 유닛(350) 중 상기 제1 치환유닛(351)은 상기 저분자 용액을 상기 양자점 용액층 상에 코팅 또는 인쇄한다. 이 후, 상기 제1 및 제2 린스 유닛들(352, 353)은 상기 저분자 리간드로의 치환을 통해 생성된 불순물을 제거한다. 그리하여, 결과적으로 형성되는 상기 양자점 활성층(40)의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 치환유닛(351)을 통한 상기 저분자 용액의 코팅 또는 인쇄는 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 수행될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 린스 유닛들(352, 353)에서는 상기 불순물 제거의 효과를 향상시키기 위해, 초음파 린스, 스월링 린스 공정을 동시에 수행할 수도 있다.
나아가, 이미 설명한 바와 같이, 상기 치환 유닛 및 상기 린스 유닛들의 조합은 다양하므로, 상기 저분자 리간드로의 치환이 추가로 필요하거나 불순물의 제거를 위한 린스가 추가로 필요한 경우, 상기 표면 개질 및 세정 유닛(350)을 다양하게 조합하여 수행할 수 있다.
이 후, 상기 건조 유닛(360)은 상기 양자점 활성층(40)이 형성된 기판(10)을 건조한다(단계 S37). 이 경우, 상기 건조 유닛(360)을 통한 건조는, 50~120℃ 범위의 저온 열처리 공정일 수 있다.
이 후, 상기 리와인더 유닛(370)은 상기 건조 유닛(360)을 통과하여 최종적으로 형성된 상기 양자점 활성층(40)이 형성된 기판(10)을 이후 공정의 진행을 위해 상기 전자 차단층 형성부(400)로 제공한다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 양자점 태양전지 제조장치를 통해, 양자점 태양전지 중, 양자점 활성층을 코팅 또는 인쇄 공정을 통해 제조할 수 있으므로, 대면적으로 대량생산이 가능하며, 생산 단가를 줄일 수 있는 장점을 가진다.
특히, 양자점 활성층의 코팅 또는 인쇄 공정을 위해, 전자 수송층을 전처리하고, 양자점 용액층의 표면을 개질 및 세정하는 공정을 포함하여, 양자점 활성층의 생산성을 높일 수 있으며, 특히 제조된 양자점 태양전지의 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 양자점 활성층의 형성시, 양자점 용액층 상의 부도성 분자를 저분자 리간드로 치환할 수 있는 치환 유닛을 포함하므로, 전도성이 우수하여 효율이 향상된 양자점 태양전지를 제조할 수 있다. 특히, 상기 치환 유닛에서는 저분자 용액을 양자점 용액층 상에 코팅 또는 인쇄하므로, 대면적에 대하여 보다 효과적으로 공정을 수행할 수 있다.
나아가, 부도성 분자의 치환을 통해 생성되는 불순물을 린스 유닛을 통해 제거하므로, 생성되는 양자점 활성층의 안전성 및 전도성 등 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 치환 유닛과 린스 유닛은 양자점 활성층의 종류 및 구조 등에 따라 다양하게 배열할 수 있으므로, 전체 공정의 효율성을 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 제조장치는 양자점 태양전지의 제조에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
100 : 양자점 태양전지 제조장치
300 : 양자점 활성층 형성부 310 : 언와인더 유닛
320 : 전처리 유닛 330 : 양자점 코팅유닛
340 : 후처리 유닛 350 : 표면 개질 및 세정 유닛
351 : 제1 치환유닛 352 : 제1 린스유닛
353 : 제2 린스유닛 360 : 건조 유닛
370 : 리와인더 유닛
300 : 양자점 활성층 형성부 310 : 언와인더 유닛
320 : 전처리 유닛 330 : 양자점 코팅유닛
340 : 후처리 유닛 350 : 표면 개질 및 세정 유닛
351 : 제1 치환유닛 352 : 제1 린스유닛
353 : 제2 린스유닛 360 : 건조 유닛
370 : 리와인더 유닛
Claims (11)
- 투명 전극층 형성부, 전자 수송층 형성부, 양자점 활성층 형성부, 전자 차단층 형성부, 및 외부 전극층 형성부를 포함하는 양자점 태양전지 제조장치에서,
상기 양자점 활성층 형성부는,
상기 전자 수송층을 전처리하는 전처리 유닛;
상기 전자 수송층 상에 양자점을 코팅 또는 인쇄하여 양자점 용액층을 형성하는 양자점 코팅 유닛;
상기 양자점 용액층을 후처리하는 후처리 유닛; 및
상기 양자점 용액층의 표면을 개질 및 세정하여 양자점 활성층을 형성하는 표면 개질 및 세정 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지 제조장치. - 제1항에 있어서, 상기 양자점 활성층 형성부는 상기 양자점 활성층이 형성된 기판을 건조하는 건조유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지 제조장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전처리 유닛은 상기 전자 수송층이 형성된 기판을 세정하고 상기 전자 수송층을 친수성 처리하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지 제조장치.
- 제1항에 있어서, 상기 양자점 코팅 유닛은 디핑(dipping) 유닛, 스프레이(spraying) 유닛, 드롭캐스팅(drop casting) 유닛, 자기조립 유닛, 스핀코팅(spin coating) 유닛, 닥터플레이드(doctor blade) 유닛, 바코팅(bar coating) 유닛, 슬롯다이코팅(slot die coating) 유닛, 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating) 유닛, 코마코팅(coma coating) 유닛, 잉크젯(inkjet) 프린팅 유닛, 그라비아(gravure) 프린팅 유닛 및 플렉소(flexo) 프린팅 유닛으로 이루어지는 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지 제조장치.
- 제4항에 있어서, 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(1);
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(2);
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(3);
IV족의 Si, Ge을 포함하는 단일 원소 화합물, SiC, SiGe을 포함하는 이원소 화합물 양자점(4); 및
상기 (1) 내지 (4)의 양자점들 중 2종의 양자점이 접합한 형태의 2종 접합 양자점 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지 제조장치. - 제1항에 있어서, 상기 표면 개질 및 세정 유닛은 적어도 하나 이상의 치환 유닛 및 적어도 하나 이상의 린스 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지 제조장치.
- 제6항에 있어서, 상기 치환 유닛은 저분자 용액으로 상기 양자점 용액층 상의 부도성 분자를 저분자 리간드로 치환하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지 제조장치.
- 제7항에 있어서, 상기 치환 유닛은 상기 저분자 용액을 상기 양자점 용액층 상에 코팅 또는 인쇄하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지 제조장치.
- 제7항에 있어서, 상기 린스 유닛은 상기 저분자 리간드로의 치환을 통해 생성된 불순물을 제거하는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지 제조장치.
- 제6항에 있어서, 상기 치환 유닛과 상기 린스 유닛은 교번적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지 제조장치.
- 제6항에 있어서, 하나의 치환 유닛과 복수의 린스 유닛들이 차례로 배열되는 것을 특징으로 하는 양자점 태양전지 제조장치.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190007204A (ko) * | 2017-07-12 | 2019-01-22 | 현대자동차주식회사 | 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법 및 양자점 태양 전지의 제조 방법 |
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2013
- 2013-12-09 KR KR1020130152421A patent/KR101525469B1/ko active IP Right Grant
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