KR101559246B1 - Solar cell using p-type oxide semiconductor comprising gallium, and method of manufacturing the same - Google Patents

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장진
빈센트 아비스 크리스토프
김형필
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention discloses a solar cell using a p-type oxide semiconductor containing gallium (Ga) and a manufacturing method thereof. According to the present invention, the solar cell includes a positive electrode, a hole transport layer, a photoactive layer, an electron transport layer, and a negative electrode. The hole transport layer is the p-type oxide semiconductor containing gallium.

Description

갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 이용한 태양전지 및 이의 제조 방법{SOLAR CELL USING P-TYPE OXIDE SEMICONDUCTOR COMPRISING GALLIUM, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solar cell using a p-type oxide semiconductor including gallium and a method of manufacturing the same,

본 발명은 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 이용한 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell using a p-type oxide semiconductor containing gallium and a method for manufacturing the same.

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 주는 소자로서, 상용화 초기에는 높은 변환효율을 갖는 결정질 실리콘 태양전지에 대한 연구가 활발하였으나, 높은 생산 단가, 무게 및 유연성에 한계가 있어, 최근 유기 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Solar cell is a device that directly converts light energy into electric energy. In the early stage of commercialization, research on crystalline silicon solar cell with high conversion efficiency has been actively performed. However, there is a limitation in high production cost, weight and flexibility, Research on batteries is actively under way.

유기 태양전지는 값싼 유기물을 사용함과 동시에 용액공정을 통한 대면적화가 가능하여 높은 생산성을 기대할 수 있을 뿐 아니라, 전체 소자의 두께가 수백 ㎚에 불과하여 플렉시블(flexible)하게도 제작할 수 있기 때문에, 초소형 또는 이동통신용 기기 등의 새로운 용도의 전원으로 응용 가능성이 높아 최근 무기 태양전지가 사용될 수 없는 시장을 중심으로 유기 태양전지의 수요의 폭발적인 수요가 예상되고 있다.Organic solar cells can be manufactured using flexible organic materials because they can be manufactured with a large area through solution process and can be expected to have high productivity. Since the thickness of the entire device is only a few hundred nanometers and can be flexibly manufactured, It is expected that there will be explosive demand of organic solar cells in the market where inorganic solar cells can not be used recently.

유기 태양전지는 금속-유기 반도체(광활성층)-금속 구조로 간단히 나타낼 수 있는데, 주로 높은 일함수를 갖는 투명전극인 ITO(Indium tin oxide)를 양극으로 하고, 낮은 일함수를 갖는 Al이나 Ag 등을 음극 물질로 사용한다. 광활성층은 100㎚ 정도의 두께를 가진 전자공여체(Electron donor)와 전자수용체(Electron acceptor)의 2층 구조(D/A bilayer structure) 또는 벌크-헤테로정션(bulk-heterojunction((D+A) blend)) 구조를 이용하는데, 경우에 따라서는 전자의 공여-수용(donor-acceptor) 층 사이에 후자의 벌크-헤테로정션(bulk-heterojunction) 구조가 끼어있는 혼합구조(D/(D+A)/A)를 이용하기도 한다.Organic solar cells can be simply represented by a metal-organic semiconductor (photoactive layer) -metal structure. In general, ITO (Indium Tin Oxide), which is a transparent electrode having a high work function, is used as an anode and Al or Ag Is used as a negative electrode material. The photoactive layer has a two-layer structure (D / A bilayer structure) or bulk-heterojunction (D + A) blend of an electron donor and an electron acceptor having a thickness of about 100 nm (D / A) / (D + A) / (D + A)) structure in which the bulk bulk-heterojunction structure of the latter is interposed between donor- A) is also used.

그런데, 유기 태양전지의 광전류 및 효율을 제한하는 큰 문제 중의 하나는, 벌크 상태에서 유기물의 낮은 전하 이동도이다. 유기물 반도체는 분자구조상으로나 결정학적으로 결함이 많아, 전하 이동도가 무기물의 그것에 비해 매우 낮다. 예를 들어, 반도체 고분자/C60의 경우, 매우 높은 전자-정공 분리효율에도 불구하고 광전류가 낮은 이유가 이러한 전하의 낮은 이동도 때문이라고 여겨지고 있다. 특히, 유기 반도체에서는 전자의 이동도가 정공의 이동도보다 일반적으로 낮은데, 이러한 낮은 전하 이동도는 유기 발광소자와 같은 유기 반도체 소자에서도 항상 문제시되어왔다.However, one of the major problems of limiting the photocurrent and efficiency of organic solar cells is the low charge mobility of organic materials in the bulk state. Organic semiconductors have many defects in terms of molecular structure and crystallinity, and their charge mobility is very low compared to those of inorganic materials. For example, in the case of semiconductor polymer / C60, it is believed that the low mobility of such charges is due to the low photocurrent, despite the very high electron-hole isolation efficiency. In particular, in organic semiconductors, the mobility of electrons is generally lower than the mobility of holes, and such low charge mobility has always been a problem in organic semiconductor devices such as organic light emitting devices.

이에, 전하의 이동도를 향상시키려는 노력들이 경주되고 있는데, 유기박막 태양전지 소자 제작시 표면형상을 잘 제어하여 전하의 이동도를 향상시키거나, 각 전극에서 전하의 원활한 주입을 위해 전극과 유기박막 사이에 버퍼층을 첨가하여 전극과 유기물 계면 사이의 에너지 장벽을 낮춰주는 방법 등이 시도되고 있다.Efforts have been made to improve the mobility of charges. In order to improve the mobility of charges by well controlling the surface shape in the fabrication of an organic thin film solar cell device, or to facilitate the charge injection at each electrode, And a method of lowering the energy barrier between the electrode and the organic material interface by adding a buffer layer between the electrode and the organic material interface.

나아가, 유기박막 사이에 버퍼층을 첨가하여, 전하 이동도를 향상시킴과 동시에, 전하의 이동 방향을 바꾸기도 하는데, 이를 인버티드 유기 태양전지라 한다.Furthermore, a buffer layer is added between the organic thin films to improve the charge mobility and change the direction of charge transfer, which is referred to as an inverted organic solar cell.

인버티드 유기 태양전지에 대한 종래의 기술은, 하기 특허문헌 1을 참조하여 이해할 수 있다. 이로써 특허문헌 1의 내용은 종래의 기술로서, 본 명세서의 내용으로 전부 인용된다.Conventional techniques for an inverted organic solar cell can be understood with reference to Patent Document 1 below. As a result, the contents of Patent Document 1 are cited in the entire contents of this specification as prior art.

특허문헌 1은, 본 출원인 출원하여 등록된 특허로서, Cs2CO3층과 MoO3층이 양 전극과 활성층 사이에 삽입되어 전극의 극성이 바뀜으로써 태양전지의 수명과 안정성을 보다 증가시킬 수 있는 인버티드 유기 태양전지에 대한 것이다.Patent Literature 1 discloses a solar cell module in which a Cs 2 CO 3 layer and a MoO 3 layer are inserted between both electrodes and an active layer to change the polarity of the electrode, thereby increasing the lifetime and stability of the solar cell For an inverted organic solar cell.

고성능의 유기 태양전지를 제작하기 위해, 정공의 이동은 매우 중요한 부분이다. 종래의 대표적인 정공수송층으로는 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate))층이 사용되고 있으나, 정공의 주입과 이동 및 태양전지의 안정성에 제한적이었다. In order to fabricate a high performance organic solar cell, hole transport is a very important part. As a typical hole transport layer, PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate)) layer is used but the hole injection and transport and stability of the solar cell are limited.

또한, 정공수송층으로 PEDOT:PSS를 사용하는 경우에는 어닐링(annealing) 시간이 필요하기 때문에 공정 시간이 길어지는 문제점이 있다. Further, in the case of using PEDOT: PSS as the hole transporting layer, annealing time is required, so that the process time is long.

한편, 정공수송층을 산화물 반도체로 대체하고자 하는 연구가 진행되고 있다. On the other hand, studies are underway to replace the hole transport layer with oxide semiconductors.

산화물 반도체는, 이동도가 크고 투명하여 투명 디스플레이를 용이하게 구현할 수 있을 뿐 아니라, 종래의 기술의 한계점을 극복할 수 있는 대안 기술로서 평가되고 있기 때문이다(이하의 내용 비특허문헌 1 참조).This is because oxide semiconductors are highly mobility and transparent and can be easily realized as a transparent display and have been evaluated as an alternative technique capable of overcoming the limitations of the prior art (see Non-Patent Document 1 below).

또한, 산화물 반도체는 높은 이동도 (1~100 [cm2/Vs])와 높은 밴드갭을 가는 직접 반도체(direct semiconductor)로서, 실리콘 기반의 소자와는 다르게 산화 현상이 발생하지 않으므로 소자의 특성 변화가 적은 장점이 있다.The oxide semiconductor is a direct semiconductor which has a high mobility (1 to 100 [cm 2 / Vs]) and a high band gap, and oxidation phenomenon does not occur unlike a silicon-based device. .

또한, 상온에서 비정질(amorphous) 또는 다결정질(polycrystalline) 구조를 갖기 때문에, 별도로 그레인(grain)을 형성하기 위한 열처리 과정이 필요하지도 않으며, 태양전지 적용 시, 우수한 특성을 보이고 있다. In addition, since it has an amorphous or polycrystalline structure at room temperature, there is no need for a heat treatment process for forming a grain separately, and excellent characteristics are exhibited when a solar cell is applied.

다만, 산화물 반도체는 oxygen-vacancies와 zinc interstitials에 의해 주로 n형으로 보고되어지고 있으며 p형 도핑이 어려운 단점을 가지고 있다. However, oxide semiconductors are reported to be mainly n-type due to oxygen vacancies and zinc interstitials, and p-type doping is difficult to achieve.

이처럼 현재까지 알려진 산화물 반도체는 대부분 n-type 특성을 보이고 있기 때문에 p-type 특성을 갖는 투명 산화물 반도체가 구현될 경우 태양전지의 정공수송층으로의 활용에 유리한 측면이 많기 때문에 도핑조건 조절 또는 신물질 개발 등으로 p-type 투명 산화물 반도체 소재를 찾는 연구가 필요한 실정이다.Since most of the oxide semiconductors known to date have n-type characteristics, when transparent oxide semiconductors having p-type characteristics are realized, there are many advantages in utilizing solar cells as a hole transport layer. Therefore, doping condition control or new material development And it is necessary to investigate the p-type transparent oxide semiconductor material.

KR 10-1110810 B1 (2012.01.20.)KR 10-1110810 B1 (2012.01.20.)

A. P. Ramirez, 〃Oixde Electonics Emerge〃, Science, Vol.35, 2007, p.1377. A. P. Ramirez, " Oixde Electonics Emerge ", Science, Vol. 35, 2007, p.

본 발명은, 상술한 기술의 문제점을 해결하기 위해, 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 이용한 태양전지 및 이의 제조 방법을 제안하고자 한다. In order to solve the above problems, the present invention proposes a solar cell using a p-type oxide semiconductor containing gallium and a manufacturing method thereof.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 양극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층, 및 음극을 포함하는 태양전지에 있어서, 상기 정공수송층은 Ga이 포함된 p형 산화물 반도체인 것을 특징으로 하는 태양전지가 제공된다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a solar cell including an anode, a hole transporting layer, a photoactive layer, an electron transporting layer, and a cathode, Is a p-type oxide semiconductor containing Ga.

상기 p형 산화물 반도체는 CuS 및 SnO에 상기 Ga이 포함될 수 있다. The p-type oxide semiconductor may include Ga in CuS and SnO.

상기 Ga은 전체 조성 대비, 10 내지 70 퍼센트(atomic 퍼센트) 범위일 수 있다. The Ga may range from 10 to 70 percent (atomic percent) of the total composition.

상기 p형 산화물 반도체는 하기 화학식 1, 화학식 2, 및 화학식 3에서 선택되는 1종 이상으로 표현되는 것일 수 있다. The p-type oxide semiconductor may be represented by at least one selected from the following chemical formulas (1), (2) and (3).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

CuS1 - xGax-SnOCuS 1 - x Ga x - SnO

[화학식 2](2)

CuSGaxSn1 - xOCuSGa x Sn 1 - x O

[화학식 3](3)

CuSGaxSnOCuSGa x SnO

상기 화학식 1, 화학식 2, 또는 화학식 3에서 0 < x < 1 이다.In the above formula (1), (2) or (3), 0 < x <

상기 태양전지는 유기 반도체를 이용한 유기 태양전지인 것일 수 있다. The solar cell may be an organic solar cell using an organic semiconductor.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 진공증착공정에 의해 기판 상에 양극을 형성하는 단계; 용액공정에 의해, 상기 양극 상에 정공수송층을 형성하는 단계; 용액공정에 의해, 상기 정공수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계; 용액공정에 의해, 상기 광활성층 상에 전자수송층을 형성하는 단계; 및 상기 전자수송층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 정공수송층은, 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 용매에 혼합한 용액으로 성막하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming an anode on a substrate by a vacuum deposition process; Forming a hole transporting layer on the anode by a solution process; Forming a photoactive layer on the hole transporting layer by a solution process; Forming an electron transporting layer on the photoactive layer by a solution process; And forming an electrode on the electron transport layer, wherein the hole transport layer is formed by forming a film of a solution in which a p-type oxide semiconductor containing gallium is mixed with a solvent .

본 발명에 따르면, 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 정공수송층으로 제공하여 고성능의 태양전지를 구현할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, there is an advantage that a high-performance solar cell can be realized by providing a p-type oxide semiconductor containing gallium as a hole transport layer.

또한, 본 발명에 따르면 용액공정을 이용하여 p형 산화물 반도체를 제조하기 때문에 저온 및 저비용 제조가 가능한 장점이 있다. Further, according to the present invention, since p-type oxide semiconductor is manufactured using a solution process, low-temperature and low-cost manufacturing is advantageous.

도 1은 본 발명에 따른 유기 태양전지를 나타낸 단면 구조도.
도 2는 본 발명에 따른 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체와 PEDOT:PSS를 사용하였을 경우의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.
도 3은 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 사용한 경우와 PEDOT:PSS를 사용한 경우의 태양전지의 전류 전압 특성을 나타낸 도면.
도 4는 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 사용한 경우와 PEDOT:PSS를 사용한 경우, 태양전지의 외부 양자 효율(EQE) 특성을 나타낸 도면.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨 농도가 서로 다른 p형 산화물 반도체를 정공수송층으로 형성한 경우의 태양전지의 전류 전압 특성을 나타낸 도면.
도 6은 갈륨 농도에 따른 태양전지의 외부 양자 효율 특성을 나타낸 도면.
도 7은 CuS-GaxSn1 - xO 박막에서 Ga의 농도가 0~50%일 때의 XRD 결과를 나타낸 도면.
도 8은 CuS-GaxSn1 - xO 박막에서 Ga의 농도가 0%, 30%, 50%일 때의 AFM 이미지.
도 9는 CuS-SnO 박막의 (a) TEM 이미지와 (b) EDX (Energy Dispersive X-ray) 분광법에 의한 atomic mapping 이미지.
도 10은 CuS-Ga0.5Sn0.5O 박막의 (a) TEM 이미지와 (b) EDX (Energy Dispersive X-ray) 분광법에 의한 atomic mapping 이미지.
도 11은 SnO2와 CuS-GaxSn1 - xO의 UPS(Ultraviolet Photo Spectroscopy) 스펙트럼과 work function, Fermi level과 valence band의 차이, 및 ionization potential의 값을 정리한 도면.
도 12는, p형 전구체 용액의 Raman 스펙트럼 결과를 나타낸 도면.
1 is a cross-sectional structural view showing an organic solar cell according to the present invention.
2 is a diagram showing an energy band diagram when a p-type oxide semiconductor containing gallium and PEDOT: PSS are used according to the present invention.
3 is a graph showing current-voltage characteristics of a solar cell when a p-type oxide semiconductor containing gallium is used and when PEDOT: PSS is used.
4 is a diagram showing external quantum efficiency (EQE) characteristics of a solar cell when a p-type oxide semiconductor containing gallium is used and when PEDOT: PSS is used.
5 is a graph showing current-voltage characteristics of a solar cell in the case where a p-type oxide semiconductor having a different gallium concentration is formed as a hole transport layer according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing external quantum efficiency characteristics of a solar cell according to gallium concentration.
7 is a CuS-Ga x Sn 1 - a view of the XRD result of the concentration of one Ga 0 to 50% in O x thin film.
FIG. 8 is an AFM image when the concentration of Ga is 0%, 30%, and 50% in a CuS-Ga x Sn 1 - x O thin film.
9 is a TEM image of a CuS-SnO thin film and (b) an atomic mapping image by EDX (Energy Dispersive X-ray) spectroscopy.
10 is a TEM image of a CuS-Ga 0.5 Sn 0.5 O thin film and (b) an atomic mapping image by EDX (Energy Dispersive X-ray) spectroscopy.
11 is SnO 2 and CuS-Ga x Sn 1 - x O of the UPS (Ultraviolet Photo Spectroscopy) spectra and work function, Fermi level difference between the valence band, and a view summarizing the values of the ionization potential.
12 is a diagram showing Raman spectrum results of a p-type precursor solution.

우선, 본 발명 명세서 상의 용어에 대해 정의한다.First, the terms in the specification of the present invention will be defined.

용액 공정(solution process)은, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 잉크 젯 인쇄, 롤투롤 인쇄, 스크린 인쇄 등의 액상 용매를 사용하여 성막하는 기존의 모든 공정을 포함한다.The solution process includes all existing processes for depositing using liquid solvents such as spin coating, spray coating, dip coating, ink jet printing, roll-to-roll printing, screen printing and the like.

진공증착공정은, 음압이 걸리 상태에서 증착이 이루어지는 공정을 말하는 것으로서, CVD(Chemical Vapor Deposition)법을 비록한, PVD(Physical Vapor Deposition)법의 일종인 스퍼터링(sputtering) 등의 기존의 모든 공정을 포함한다.
The vacuum deposition process refers to a process in which deposition is performed in a state where a negative pressure is applied and all processes such as sputtering which is a kind of PVD (Physical Vapor Deposition) method, such as CVD (Chemical Vapor Deposition) .

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 다만, 도면의 내용은 본 발명을 보다 쉽게 설명하기 위하여 도시된 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 도면의 범위로 한정되는 것은 아님을 분명히 밝혀둔다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It is to be understood, however, that the contents of the drawings are merely shown for the purpose of illustrating the present invention more easily, and the scope of the present invention is not limited to the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 유기 태양전지를 나타낸 단면 구조도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating an organic solar cell according to the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기 태양전지는, 양극(1), 음극(2), 전자수송층(3), 광활성층(4), 및 정공수송층(5)을 포함하여 구성된다.1, an organic solar cell according to the present invention comprises an anode 1, a cathode 2, an electron transport layer 3, a photoactive layer 4, and a hole transport layer 5 .

특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유기 태양전지는, 기판(미도시) 상에 형성되는 음극(2), 상기 음극 상에 형성되는 전자수송층(3), 상기 전자수송층 상에 형성되는 광활성층(4), 상기 광활성층 상에 형성되는 정공수송층(5), 및 상기 정공수송층 상에 형성되는 양극(1)의 순서로 적층되어 있는 인버티드(inverted) 구조이다. 인버티드 구조의 유기 태양전지에 대하여는, 본 명세서상의 배경기술로서 언급·인용되어진 특허문헌 1을 참조하여 이해할 수 있다.1, the organic solar battery of the present invention comprises a cathode 2 formed on a substrate (not shown), an electron transport layer 3 formed on the cathode, , A photoactive layer (4), a hole transport layer (5) formed on the photoactive layer, and an anode (1) formed on the hole transport layer are stacked in this order. An organic solar cell having an inverted structure can be understood with reference to Patent Document 1 cited as a background art in the present specification.

양극(1), 또는 음극(2)은, 종래에 잘 알려진 진공증착공정(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 이용하거나, 메탈 플레이크(flake) 내지 파티클(particle)이 바인더(binder) 등과 혼합되어 있는 페이스트 메탈 잉크를 프린팅하는 방식을 사용할 수 있고, 상기 양극 또는 음극의 형성 방법은 특별히 제한되지 아니한다.The positive electrode 1 or the negative electrode 2 can be formed using a conventionally known vacuum vapor deposition process (CVD) or a paste in which metal flakes or particles are mixed with a binder, A method of printing a metal ink can be used, and a method of forming the positive electrode or the negative electrode is not particularly limited.

기판은, 유리(glass) 기판, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylenenaphthelate), PP(polypropylene), PI(polyamide), TAC(tri acetyl cellulose), PES(polyethersulfone) 등을 포함하는 플라스틱 중 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판, 알루미늄 포일(aluminum foil), 스테인리스 스틸 포일(stainlesssteel foil) 중 어느 하나를 포함하는 플렉서블(flexible) 기판 등이 이용될 수 있다.The substrate may be any one of a glass substrate, a plastic including PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylenenaphthhelate), PP (polypropylene), PI (polyamide), TAC (triacetyl cellulose) A flexible substrate including any one of a plastic substrate, an aluminum foil, and a stainless steel foil may be used.

기판 상에 형성되는 음극(cathode)은, 소자에 전자를 제공하는 전극으로서, 이온화된 금속 물질, 소정의 액체 속에서 콜로이드(colloid) 상태인 금속 잉크 물질, 투명 금속 산화물 등을 사용할 수 있다.The cathode formed on the substrate is an electrode for providing electrons to the device, and may be an ionized metal material, a metal ink material in a colloid state in a predetermined liquid, a transparent metal oxide, or the like.

음극(2)은, 진공증착공정에 의하여 고진공 상태에서 증착되하거나, 종래의 음극으로 형성에 사용되는 금속물질을 용액 또는 페이스트 공정으로 음극을 형성할 수도 있다. 음극 형성 물질은, 특별히 제한되지 않고, 종래의 음극 형성물질을 비제한적으로 사용할 수 있고, 종래의 음극 형성물질의 예시로, 산화가 잘되는 금속물질인, 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 리튬(Li), 세슘(Cs) 등을 들 수 있다.The cathode 2 may be deposited in a high vacuum state by a vacuum deposition process or may be formed by a solution or paste process using a metal material used for forming a conventional cathode. The negative electrode forming material is not particularly limited and a conventional negative electrode forming material can be used without limitation. Examples of conventional negative electrode forming materials include aluminum (Al), calcium (Ca), barium (Ba), magnesium (Mg), lithium (Li), cesium (Cs) and the like.

또한 음극을 형성할 수 있는 투명 금속 산화물의 비제한적 예시로, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide) 등을 들 수 있다. 여기서, ITO는 일반적으로는 양극을 형성하는 물질로 사용되지만, 인버티드 유기 태양전지 구조에서는 ITO를 음극(2) 형성의 재료로 사용하여, 투명한 음극을 형성할 수도 있다. 또한, 투명 금속산화물 전극의 경우 졸 겔(sol-gel), 분무열분해(spray pyrolysis), 스퍼터링(sputtering), ALD(Atomic Layer Deposition), 전자 빔 증착(e-beam evaporation) 등의 공정을 적용하여 형성할 수 있다.Examples of transparent metal oxides that can form a cathode include indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony tin oxide (ATO), and aluminum doped zinc oxide have. Here, ITO is generally used as a material for forming the anode, but in the case of the inverted organic solar cell structure, ITO may be used as a material for forming the cathode 2 to form a transparent cathode. In the case of a transparent metal oxide electrode, processes such as sol-gel, spray pyrolysis, sputtering, ALD (atomic layer deposition), and e-beam evaporation are applied .

전자수송층(3)은, 광활성층(4)에서 발생된 전자를 음극(2)으로 이동시켜 소자의 높은 효율을 위해 추가되는 층으로서, 음극(2)과 광활성층(4) 사이에 형성된다. The electron transport layer 3 is formed between the cathode 2 and the photoactive layer 4 as a layer added for high efficiency of the device by moving the electrons generated in the photoactive layer 4 to the cathode 2.

전자수송층(3)은, 산화아연에 세슘카보네이트가 블랜딩(blending)되어 형성될 수 있다. The electron transporting layer 3 may be formed by blending cesium carbonate to zinc oxide.

여기서 「블랜딩된 것」이라는 의미는, 두 가지 이상의 물질이, 용매에 의하거나 용융되어져서, 비가역적으로 혼합된 상태인 것이라 의미로서, 당해 기술분야에서 널리 사용되는 자명한 용어이다.The term &quot; blended &quot; as used herein is a self-explanatory term widely used in the art, meaning that two or more materials are dissolved or melted by a solvent and irreversibly mixed.

상기 블랜딩된 세슘카보네이트 함량은 0.5~50 부피비 범위인 것이 바람직하다. .The blended cesium carbonate content is preferably in the range of 0.5 to 50 parts by volume. .

전자수송층(3)은, 나노 산화아연(ZnO) 및 세슘카보네이트(Cs2CO3)를, 에탄올 등의 용매에 넣고 혼합한 용액을 사용하여 형성할 수 있다. 이렇게 하면, 산화아연층에 세슘카보네이트를 레이어-바이-레이어(layer-by-layer)로 형성하는 경우에 비해, 추가적인 공정 및 시간소요가 없으므로, 비용측면에서 매우 경제적이다.The electron transport layer 3 can be formed using a solution prepared by mixing zinc oxide (ZnO) and cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) in a solvent such as ethanol. This is economical in terms of cost since there is no additional process and time-consuming as compared with the case where cesium carbonate is layer-by-layer formed on the zinc oxide layer.

광활성층(4)은, 유기물질을 포함하고, 그 유기물질의 광기전 현상(phtovoltaic)에 의하여 전기를 발생시킨다. The photoactive layer (4) contains an organic material and generates electricity by phtovoltaic of the organic material.

본 발명의 광활성층(4)에 사용할 수 있는 유기물질은, 전자공여체 물질인 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), PCDTBT(Poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PSBTBT(Poly[2,6-(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)]), PTB7(Poly{4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl-alt-3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophene-4,6-diyl}), 전자 수용체물질로는 PCBM-C60(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester), ICBA(Indene-C60 bis-adduct) 등과 같은, 종래에 광활성층에 사용하는 유기 고분자 물질과 그 유도체를 비제한적으로 사용할 수 있다.The organic material that can be used for the photoactive layer 4 of the present invention is an electron donor material such as P3HT (poly (3-hexylthiophene)), PCDTBT (Poly [N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole- , 5 - (4 ', 7'-di-2-thienyl-2', 1 ', 3'-benzothiadiazole)], PSBTBT (Poly [2,6- (4,4'- dithieno [3,2-b: 2 ', 3'-d] silole) -tart-4,7 (2,1,3-benzothiadiazole)], PTB7 (Poly {4,8-bis [ ) oxy] benzo [1,2-b: 4,5-b '] dithiophene-2,6-diyl-3-fluoro-2- (2-ethylhexyl) carbonyl] thieno [ thiophene-4,6-diyl}), electron acceptor material as is used for the organic, photoactive layer, such as a conventional PCBM-C 60 (Phenyl-C61 -butyric acid methyl ester), ICBA (Indene-C60 bis-adduct) Polymeric materials and their derivatives may be used without limitation.

특히, P3HT를 전자공여체로 하고, PCBM-C60을 전자수용체로 하며, 그 비율은 1 : 0.5 ~ 1 : 4의 중량비로 배합하여 사용하는 것이 바람직하다.Particularly, it is preferable to use P3HT as an electron donor and PCBM-C 60 as an electron acceptor in a weight ratio of 1: 0.5 to 1: 4.

광활성층(4)은, 분리된 전자-정공 쌍(exiciton)의 수집 효율을 높이기 위해, 벌크-헤테로정션 구조인 것이 바람직하지만, 반드시 이에 제한되지는 않는다.The photoactive layer 4 is preferably, but not necessarily, a bulk-heterojunction structure in order to enhance the collection efficiency of the separated electron-hole pairs (exicitons).

정공수송층(5)은 광활성층(4)에서 발생된 정공을 양극(1)으로 이동시키는 것을 도와주는 레이어로서, 광활성층(4)과 양극(1) 사이에 형성된다. The hole transport layer 5 is formed between the photoactive layer 4 and the anode 1 to help move the holes generated in the photoactive layer 4 to the anode 1.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 정공수송층(5)은, 일반적인 PEDOT:PSS 대신 갈륨(Ga)을 포함하는 p형 산화물 반도체를 사용하여 형성된다. According to a preferred embodiment of the present invention, the hole transport layer 5 is formed using a p-type oxide semiconductor containing gallium (Ga) instead of general PEDOT: PSS.

바람직하게, p형 산화물 반도체 내의 갈륨 함량은 10 내지 70 atomic 퍼센트 범위일 수 있다. Preferably, the gallium content in the p-type oxide semiconductor may range from 10 to 70 atomic percent.

본 발명의 일 실시예에 따르면, p형 산화물 반도체는 용액 공정을 통해 형성될 수 있으며, 이때 용매는 에틸렌 글리콜에 5 내지 50 부피 퍼센트의 아세토나이트릴를 혼합한 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the p-type oxide semiconductor may be formed through a solution process, wherein the solvent may be a mixture of 5 to 50 volume percent acetonitrile in ethylene glycol.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 아세토나이트릴 외에 DI water, 알코올, 사이클로헥산(cyclohexane), 톨루엔(toluene) 및 유기 용매 중 적어도 하나가 이용될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, in addition to acetonitrile, at least one of DI water, alcohol, cyclohexane, toluene and an organic solvent may be used.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 p형 산화물 반도체는 CuS, 및 SnO, ITO, IZTO, IGZO, 및 IZO에서 선택되어지는 1종 이상의 결합에 Ga이 추가적으로 결합되어 형성될 수 있다. .The p-type oxide semiconductor according to a preferred embodiment of the present invention may be formed by additionally bonding Ga to one or more bonds selected from CuS and SnO, ITO, IZTO, IGZO, and IZO. .

상기 CuS는 황화구리(Copper monosulfide)이고, SnO는 산화주석(Tin(Ⅱ) oxide)이고, ITO는 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide)이고, IZTO는 인듐 징크 주석 산화물(Indium Zinc Tin Oxide)이고, IGZO는 인듐 갈륨 징크 산화물(Indium Zinc Gallium Oxide)이며, IZO는 인듐 징크 산화물(Indium Zinc Tin Oxide)을 말하는 용어로서, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자(이하, ‘당업자’라 한다)에게 자명한 사항이다.The CuS is copper monosulfide, SnO is tin (II) oxide, ITO is indium tin oxide, IZTO is indium zinc tin oxide, IGZO is Indium Zinc Gallium Oxide, IZO is Indium Zinc Tin Oxide (hereinafter referred to as &quot; Indium Zinc Tin Oxide &quot;), and it is known to those skilled in the art It is self-evident.

본 발명의 일 실시예 따른 p형 산화물 반도체는, 하기 화학식 1, 화학식 2, 및 화학식 3에서 선택되는 1종 이상으로 표현되는 것일 수 있다.The p-type oxide semiconductor according to an embodiment of the present invention may be represented by at least one selected from the following formulas (1), (2) and (3)

[화학식 1][Chemical Formula 1]

CuS1 - xGax-SnOCuS 1 - x Ga x - SnO

[화학식 2](2)

CuSGaxSn1 - xOCuSGa x Sn 1 - x O

[화학식 3](3)

CuSGaxSnOCuSGa x SnO

상기 화학식 1, 화학식 2, 또는 화학식 3에서 0 < x < 1 이다.
In the above formula (1), (2) or (3), 0 < x <

본 발명에 따른 p형 산화물 반도체는, In the p-type oxide semiconductor according to the present invention,

Cu, S, M, 및 Ga이 포함된 전구체 용액을 제조하는 단계(여기서, M은, SnO, ITO, IZTO, IGZO, 및 IZO에서 선택되는 1종 이상의 화합물이다);Preparing a precursor solution containing Cu, S, M, and Ga, wherein M is at least one compound selected from SnO, ITO, IZTO, IGZO, and IZO;

상기 전구체 용액을 기판 상에 도포하는 단계; 및Applying the precursor solution onto a substrate; And

상기 코팅층을 열처리하는 단계를 순차적으로 포함하여 형성될 수 있다. And a step of heat-treating the coating layer.

상기 전구체 용액은, [CuTu3]Cl를 포함하는 것이 바람직하다.The precursor solution preferably contains [CuTu 3 ] Cl.

상기 전구체 용액은, Thiourea를 포함하는 것이 바람직하다.The precursor solution preferably comprises Thiourea.

상기 기판 상의 도포단계는, 진공 공정, 스핀 코팅, 슬롯 프린팅(slot printing), 또는 잉크젯 프린팅 공정에 의한 것일 수 있지만, 공정의 단순성 및 비용 측면에서 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅 공정에 의한 것이 바람직하다. The step of applying on the substrate may be a vacuum process, a spin coating process, a slot printing process, or an inkjet printing process, but is preferably performed by a spin coating process or an ink jet printing process in terms of process simplicity and cost.

양극(1)은, 소자에 정공을 제공하는 전극으로서, 금속 페이스트, 또는 소정의 액체 속에서 콜로이드 상태인 금속 잉크 물질을 스크린 인쇄 등의 용액공정을 통하여 형성될 수 있다. 여기서 금속페이스트는, 은 페이스트(Ag paste), 알루미늄 페이스트(Al paste), 금 페이스트(Au paste), 구리 페이스트(Cu paste) 등의 물질 중 어느 하나이거나 합금된 형태일 수 있다. 또한, 금속 잉크물질은, 은(Ag) 잉크, 알루미늄(Al) 잉크, 금(Au) 잉크, 칼슘(Ca) 잉크, 마그네슘(Mg) 잉크, 리튬(Li) 잉크, 세슘(Cs) 잉크 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 금속 잉크 물질에 포함된 금속 물질은 용액 내부에서 이온화된 상태이다.The anode 1 may be formed by a solution process such as screen printing, or a metal paste or a metal ink material in a colloid state in a predetermined liquid, as an electrode for providing holes to the device. Here, the metal paste may be any one of materials such as Ag paste, Al paste, Au paste, and Cu paste, or may be in the form of an alloy. The metal ink material may be at least one of silver (Ag) ink, aluminum (Al) ink, gold (Au) ink, calcium (Ca) ink, magnesium (Mg) ink, lithium (Li) ink and cesium It can be either. The metal material contained in the metal ink material is ionized inside the solution.

상기에서는 본 발명에 따른 유기 태양전지의 구조에 대해 상세하게 설명하였다. 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, p형 산화물 반도체로 정공수송층을 형성하는 경우, 이러한 정공수송층은 광활성층을 포함하는 유기 태양전지뿐만 아니라 다른 유기 전기소자 및 다른 태양전지에 적용될 수 있다. The structure of the organic solar cell according to the present invention has been described in detail above. According to another preferred embodiment of the present invention, when a hole transport layer is formed of a p-type oxide semiconductor, such a hole transport layer can be applied not only to organic solar cells including a photoactive layer but also to other organic electronic devices and other solar cells.

본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양전지 제조 방법은, A method of fabricating an organic solar cell according to an embodiment of the present invention includes:

진공증착공정에 의해 기판 상에 양극을 형성하는 단계;Forming an anode on the substrate by a vacuum deposition process;

용액공정에 의해, 상기 양극 상에 정공수송층을 형성하는 단계;Forming a hole transporting layer on the anode by a solution process;

용액공정에 의해, 상기 정공수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계;Forming a photoactive layer on the hole transporting layer by a solution process;

용액공정에 의해, 상기 광활성층 상에 전자수송층을 형성하는 단계; 및Forming an electron transporting layer on the photoactive layer by a solution process; And

상기 전자수송층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하되,And forming an electrode on the electron transporting layer,

상기 정공수송층은, 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 용매에 혼합한 용액으로 성막하여 형성된다. The hole transporting layer is formed by forming a film of a solution in which a p-type oxide semiconductor containing gallium is mixed with a solvent.

이하, 본 발명에 대하여 실시예를 들어 보다 더 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐이므로, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 의도가 아님을 분명히 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. It is to be understood that the following embodiments are for the purpose of illustration only and are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예Example

이하에서와 같이, PEDOT:PSS 대신 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 이용하여 정공수송층을 형성하였다. As described below, instead of PEDOT: PSS, a hole transport layer was formed using a p-type oxide semiconductor containing gallium.

여기서, p형 산화물 반도체 내의 갈륨 함량은 10 내지 70 atomic 퍼센트인 것이 바람직하다. Here, the gallium content in the p-type oxide semiconductor is preferably 10 to 70 atomic percent.

또한 용매는 에틸렌 글리콜과 아세토나이트릴을 일반 대기 상태에서 격렬히 혼합하여 형성하였고, 여기에 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 0.2M/16의 농도로 혼합하여 혼합 용액을 생성하였다. Also, the solvent was formed by mixing ethylene glycol and acetonitrile vigorously in a normal atmospheric state, and a p-type oxide semiconductor containing gallium was mixed at a concentration of 0.2M / 16 to prepare a mixed solution.

상기한 용액은 양극 위에 질소 환경 내에서 프린팅되었다. The above solution was printed on a positive electrode in a nitrogen atmosphere.

도 2는 본 발명에 따른 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체와 PEDOT:PSS를 사용하였을 경우의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 것이다. FIG. 2 shows energy band diagrams of a p-type oxide semiconductor containing gallium and PEDOT: PSS according to the present invention.

도 2의 (a)는 PEDOT:PSS의 에너지 밴드 다이어그램이고, (b)는 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 것이다. FIG. 2 (a) is an energy band diagram of PEDOT: PSS, and FIG. 2 (b) is an energy band diagram of a p-type oxide semiconductor containing gallium.

도 2의 (a)에서 PEDOT:PSS의 HOMO 레벨이 -5.2eV, (b)에서 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체의 HOMO 레벨이 -5.12eV로써, 광활성층에서 양극으로 정공이 이동하기에 본 실시예에 따른 p형 산화물 반도체가 이점이 있다는 것을 확인할 수 있다. In FIG. 2 (a), the HOMO level of PEDOT: PSS is -5.2 eV, and the HOMO level of the p-type oxide semiconductor containing gallium is -5.12 eV in (b) It can be confirmed that the p-type oxide semiconductor according to the embodiment is advantageous.

도 3과 표 1은 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 사용한 경우와 PEDOT:PSS를 사용한 경우의 태양전지의 전류 전압 특성을 나타낸 것이다. FIG. 3 and Table 1 show the current-voltage characteristics of the solar cell in the case of using a p-type oxide semiconductor containing gallium and the case of using PEDOT: PSS.

여기서, 태양전지의 특성값은 Jsc, Voc, FF 및 PCE(Efficiency)로 나타낸다. Here, the characteristic values of the solar cell are represented by Jsc, Voc, FF and PCE (Efficiency).

도 3의 (a)는 dark 상태, (b)는 light 상태에서의 태양전지 특성을 나타내고 있다. Fig. 3 (a) shows the solar cell characteristics in the dark state, and Fig. 3 (b) shows the solar cell characteristics in the light state.

Jsc는 광단락전류밀도(Jsc), Voc는 광개방전압, FF는 Fill Factor, PCE는 에너지변환효율로서, Fill Factor(FF)는 최대 전력점에서 전압값(Vmax)× 전류밀도(Jmax)/(Voc× Jsc), 에너지변환효율은 FF×(Jsc×Voc)/Pin, Pin=100[㎽/㎠]으로 계산하였다.(Jsc) is the optical short-circuit current density (Jsc), Voc is the optical open-circuit voltage, FF is the Fill Factor, PCE is the energy conversion efficiency and Fill Factor (FF) is the voltage value (Vmax) (Voc x Jsc) and the energy conversion efficiency was calculated as FF x (Jsc x Voc) / Pin and Pin = 100 [mW / cm 2].

Jsc(mA/cm2)Jsc (mA / cm 2 ) Voc(V)Voc (V) FF(%)FF (%) PCE(%)PCE (%) PEDOT:PSSPEDOT: PSS 14.514.5 0.7480.748 66.966.9 7.277.27 CuS-GaSnOCuS-GaSnO 15.015.0 0.7630.763 69.569.5 7.977.97

도 3 및 표 1을 참조하면, 정공수송층으로 PEDOT:PSS만 사용된 경우에는 광 변환 효율이 7.28%였다. Referring to FIG. 3 and Table 1, when only PEDOT: PSS was used as the hole transporting layer, the light conversion efficiency was 7.28%.

이에 비해, 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 사용하는 경우 7.98%로 광 변환 효율이 높아짐을 확인할 수 있다. In contrast, when the p-type oxide semiconductor containing gallium is used, the light conversion efficiency is increased to 7.98%.

도 4 및 표 2는 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 사용한 경우와 PEDOT:PSS를 사용한 경우, 태양전지의 외부 양자 효율(EQE) 특성을 나타낸 것이다. 4 and Table 2 show the external quantum efficiency (EQE) characteristics of a solar cell in the case of using a p-type oxide semiconductor containing gallium and the case of using PEDOT: PSS.

EQE
(%)
EQE
(%)
EQE
(%)
EQE
(%)
PEDOT:PSSPEDOT: PSS 68.1 at 460nm68.1 at 460 nm 63.0 at 620nm63.0 at 620 nm uS-GaSnOuS-GaSnO 70.2 at 440nm70.2 at 440 nm 67.0 at 620nm67.0 at 620 nm

도 4 및 표 2를 참조하면 외부 양자 효율(EQE)은 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 프린팅하여 정공수송층을 형성하는 경우, PEDOT:PSS를 사용하는 경우에 비해 높아짐을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 4 and 2, it can be seen that the external quantum efficiency (EQE) is higher than that in the case of using PEDOT: PSS in the case of forming a hole transport layer by printing a p-type oxide semiconductor containing gallium.

도 5 및 표 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨 농도가 서로 다른 p형 산화물 반도체를 정공수송층으로 형성한 경우의 태양전지의 전류 전압 특성을 나타낸 것이다. 5 and Table 3 show the current-voltage characteristics of the solar cell in the case where a p-type oxide semiconductor having a different gallium concentration is formed as a hole transport layer according to an embodiment of the present invention.

또한, 도 6은 갈륨 농도에 따른 태양전지의 외부 양자 효율 특성을 나타낸 것이다. FIG. 6 shows external quantum efficiency characteristics of the solar cell according to gallium concentration.

Cu45S100-GaxSnxO
Ga %
Cu 45 S 100 -Ga x Sn x O
Ga%
Jsc(mA/cm2)Jsc (mA / cm2) Voc(V)Voc (V) FF(%)FF (%) PCE(%)PCE (%)
10%10% 15.015.0 0.7530.753 66.666.6 7.507.50 30%30% 15.015.0 0.7560.756 67.967.9 7.717.71 50%50% 15.015.0 0.7620.762 69.069.0 7.887.88 70%70% 15.315.3 0.7450.745 66.066.0 7.517.51 90%90% 15.115.1 0.7320.732 64.964.9 7.197.19 100%100% 14.814.8 0.7570.757 63.563.5 6.916.91

표 3과 도 5 내지 도 6을 참조하면, p형 산화물 반도체 내의 갈륨의 함량이 10 내지 70 퍼센트인 경우 광전 변환 효율이 높다는 것을 확인할 수 있다.
Referring to Table 3 and FIGS. 5 to 6, it can be confirmed that the photoelectric conversion efficiency is high when the content of gallium in the p-type oxide semiconductor is 10 to 70 percent.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 p형 산화물 반도체의 제조 과정을 상세하게 살펴본다. Hereinafter, a method of manufacturing a p-type oxide semiconductor according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

전구체 용액의 제조Preparation of precursor solution

질소 환경 하에서, CuCl2, NH2CSNH2(Thiourea), Ga(NO3)3·xH2O(Gallium nitrate hydrate), SnCl2를 아세토니트릴 및 에틸렌글리콜 용매에 녹여 전구체 용액을 제조하였다.
Under a nitrogen atmosphere to prepare a precursor solution of CuCl 2, NH 2 CSNH 2 ( Thiourea), Ga (NO 3) 3 · xH 2 O (Gallium nitrate hydrate), SnCl 2 dissolved in acetonitrile and ethylene glycol solvents.

활성층의 형성Formation of active layer

상기 제조된 전구체 용액을 스핀 코팅 한 후, 240℃ 핫플레이트 상에서 약 1분 동안 열처리하거나, 60℃ 기판 상에 잉크젯 프린팅하여 활성층을 형성하였다.
The prepared precursor solution was spin-coated, then heat-treated on a hot plate at 240 ° C for about 1 minute, or ink-jet printed on a substrate at 60 ° C to form an active layer.

열처리 단계Heat treatment step

상기 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅에 의해 형성된 활성화층은, 질소 분위기 하에서 300℃ 온도에서 약 1시간 동안 어닐링(anealing) 되었다.
The activation layer formed by the above spin coating or inkjet printing was annealed at 300 DEG C under nitrogen atmosphere for about 1 hour.

반도체 산화물 분석Semiconductor oxide analysis

도 7은 CuS-GaxSn1 - xO 박막에서 Ga의 농도가 0~50%일 때의 XRD 결과를 나타낸다.7 is a CuS-Ga x Sn 1 - shows a XRD result of the concentration of one Ga 0 to 50% in O x thin film.

CuS-GaxSn1 - xO는 다결정 구조(2θ=28°,32°)이고, Ga의 농도가 30% 이상인 경우 결정 상태에서 비정질 상태로 변화한다.CuS-Ga x Sn 1 - x O has a polycrystalline structure (2? = 28 °, 32 °) and changes from a crystalline state to an amorphous state when the Ga concentration is 30% or more.

도 8은 CuS-GaxSn1 - xO 박막에서 Ga의 농도가 0%, 30%, 50%일 때의 AFM 이미지를 나타낸다.8 is a CuS-Ga x Sn 1 - shows an AFM image of when the concentration of Ga 0%, 30%, 50 % in O x thin film.

Ga의 농도가 0%일 때 바늘 모양의 박막이 형성되었고, 제곱 평균 거칠기(root-mean-square(RMS) roughness)의 값이 23~90㎚이고, 이 경우 박막질이 좋지 않았다.When the concentration of Ga was 0%, a needle-like thin film was formed and the value of root-mean-square (RMS) roughness was 23 ~ 90 nm.

그러나, Ga의 농도가 증가할수록 제곱 평균 거칠기의 값이 감소하여 박막질이 향상되었다. 30%일 때는, 0.46~2.5㎚이고, 50%일 때는 0.67~3.4㎚를 나타내었다.However, as the concentration of Ga increased, the value of the root mean square roughness decreased and the thin film quality improved. 30%, 0.46 to 2.5 nm, and at 50%, 0.67 to 3.4 nm.

도 9는 CuS-SnO 박막의 (a) TEM 이미지와 (b) EDX (Energy Dispersive X-ray) 분광법에 의한 atomic mapping 이미지이다. CuS-SnO 박막은, Cu, S, Sn, 및 O가 각각 존재하며 균일하지 않은 박막 상태의 결정 구조를 나타낸다. 이는 도 1 XRD 결과에서 Ga이 0%일 때, 결정 피크가 존재함과 일치한다.9 is a TEM image of a CuS-SnO thin film and (b) an atomic mapping image by EDX (Energy Dispersive X-ray) spectroscopy. The CuS-SnO thin film has Cu, S, Sn, and O, respectively, and exhibits a non-uniform thin film crystal structure. This is consistent with the presence of a crystal peak when Ga is 0% in the XRD results of FIG.

도 10은 CuS-Ga0 .5Sn0 .5O 박막의 (a) TEM 이미지와 (b) EDX (Energy Dispersive X-ray) 분광법에 의한 atomic mapping 이미지이다. CuS-Ga0 .5Sn0 .5O 박막은, Cu, S, Sn, 및 O가 각각 존재하며 균일한 비정질 구조를 나타낸다.10 is a mapping image by atomic CuS-Ga 0 .5 Sn 0 .5 O thin film of (a) TEM image and (b) EDX (Energy Dispersive X -ray) spectrometer. CuS-Ga 0 .5 Sn 0 .5 O thin film, the presence respectively the Cu, S, Sn, and O, and shows a uniform amorphous structure.

도 11과 표 4는 SnO2와 CuS-GaxSn1 - xO의 UPS(Ultraviolet Photo Spectroscopy) 스펙트럼과 work function, Fermi level과 valence band의 차이, 및 ionization potential의 값을 정리한 표이다.Figure 11 and Table 4, SnO 2 and CuS-Ga x Sn 1 - table shows the value of (Ultraviolet Photo Spectroscopy) of O x UPS spectrum and work function, Fermi level and the difference between the valence band, and the ionization potential.

Figure 112014042358900-pat00001
Figure 112014042358900-pat00001

CuS-GaxSn1 - xO 박막에서 결정화된 박막 (Ga<0.3)인 경우, 4.63, 4.61 eV의 work function 값을 나타내고, 비정질 박막 (Ga≥0.3)인 경우, ≥4.66 eV의 높은 값을 나타내었다.The work function value of 4.63 and 4.61 eV for the thin film crystallized in the CuS-Ga x Sn 1 - x O thin film (Ga <0.3) and the value of ≥4.66 eV for the amorphous thin film (Ga ≥ 0.3) Respectively.

도 12는, p형 전구체 용액의 Raman 스펙트럼 결과를 나타낸다. (a)는 600-800㎝-1 영역의 p형 반도체 용액의 Raman 스펙트럼 결과로 710㎝- 1 에서 [Cu(Tu)3]n 폴리머가 형성되었고, Ga 또는 Sn을 첨가하면 파상수(Wavenumber)가 720㎝- 1으로 이동하며, 용액 내에 Ga 또는 Sn이 존재함을 나타낸다.12 shows Raman spectral results of the p-type precursor solution. (a) is a p-type semiconductor region 600-800㎝ -1 solution of a Raman spectrum result of 710㎝ - if at 1 [Cu (Tu) 3] n polymer is formed, the addition of Ga or Sn can be undulated (Wavenumber) Moves to 720 cm & lt; -1 & gt ; and Ga or Sn is present in the solution.

(b)는 250-450㎝-1 영역의 Raman 스펙트럼 결과이다. 290㎝- 1 에서는 Sn이 340㎝- 1 에서는 Sn과 Cu가 존재함을 나타낸다. Tu 또는 Ca가 용액에 첨가되면 파상수(Wavenumber) 349㎝- 1 로 이동하며, 이는 용액 내에 Tu가 존재함을 나타낸다.(b) shows the Raman spectrum of the 250-450 cm -1 region. 290㎝ - indicate that the Sn and the Cu present in the 1 - 2 Sn In this 340㎝. If Tu is added to the solution or Ca wave number (Wavenumber) 349㎝ - and go to 1, which indicates that Tu is present in the solution.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and additions may be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims (13)

양극, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층, 및 음극을 포함하는 태양전지에 있어서,
상기 정공수송층은 Ga이 포함된 p형 산화물 반도체이며,
상기 p형 산화물 반도체는 CuS 및 SnO에 상기 Ga이 포함된 것을 특징으로 하는 태양전지.
In a solar cell comprising an anode, a hole transporting layer, a photoactive layer, an electron transporting layer, and a cathode,
Wherein the hole transport layer is a p-type oxide semiconductor containing Ga,
Wherein the p-type oxide semiconductor contains Ga in CuS and SnO.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 Ga은 전체 조성 대비, 10 내지 70 퍼센트(atomic 퍼센트) 범위인 것을 특징으로 하는 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the Ga is in a range of 10 to 70 percent (atomic percent) to the total composition.
제1항에 있어서,
상기 p형 산화물 반도체는 하기 화학식 1, 화학식 2, 및 화학식 3에서 선택되는 1종 이상으로 표현되는 것인 태양전지.
[화학식 1]
CuS1-xGax-SnO
[화학식 2]
CuSGaxSn1-xO
[화학식 3]
CuSGaxSnO
상기 화학식 1, 화학식 2, 또는 화학식 3에서 0 < x < 1 이다.
The method according to claim 1,
Wherein the p-type oxide semiconductor is represented by at least one selected from the following Chemical Formulas (1), (2) and (3).
[Chemical Formula 1]
CuS 1-x Ga x -SnO
(2)
CuSGa x Sn 1-x O
(3)
CuSGa x SnO
In the above formula (1), (2) or (3), 0 < x <
제1항에 있어서,
상기 태양전지는 유기 반도체를 이용한 유기 태양전지인 것을 특징으로 하는 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the solar cell is an organic solar cell using an organic semiconductor.
진공증착공정에 의해 기판 상에 양극을 형성하는 단계;
용액공정에 의해, 상기 양극 상에 정공수송층을 형성하는 단계;
용액공정에 의해, 상기 정공수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계;
용액공정에 의해, 상기 광활성층 상에 전자수송층을 형성하는 단계; 및
상기 전자수송층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 정공수송층은, 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체를 용매에 혼합한 용액으로 성막하여 형성되며,
상기 p형 산화물 반도체는 CuS 및 SnO에 상기 Ga이 포함된 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
Forming an anode on the substrate by a vacuum deposition process;
Forming a hole transporting layer on the anode by a solution process;
Forming a photoactive layer on the hole transporting layer by a solution process;
Forming an electron transporting layer on the photoactive layer by a solution process; And
And forming an electrode on the electron transporting layer,
The hole transport layer is formed by forming a film of a solution in which a p-type oxide semiconductor containing gallium is mixed with a solvent,
Wherein the p-type oxide semiconductor contains Ga in CuS and SnO.
삭제delete 제6항에 있어서,
상기 Ga은 전체 조성 대비, 10 내지 70 퍼센트(atomic 퍼센트) 범위인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein Ga is in the range of 10 to 70 percent (atomic percent) of the total composition.
제8항에 있어서,
상기 p형 산화물 반도체는 하기 화학식 1, 화학식 2, 및 화학식 3에서 선택되는 1종 이상으로 표현되는 것인 태양전지 제조 방법.
[화학식 1]
CuS1 - xGax-SnO
[화학식 2]
CuSGaxSn1 - xO
[화학식 3]
CuSGaxSnO
상기 화학식 1, 화학식 2, 또는 화학식 3에서 0 < x < 1 이다.
9. The method of claim 8,
Wherein the p-type oxide semiconductor is represented by at least one selected from the following Chemical Formulas (1), (2) and (3).
[Chemical Formula 1]
CuS 1 - x Ga x - SnO
(2)
CuSGa x Sn 1 - x O
(3)
CuSGa x SnO
In the above formula (1), (2) or (3), 0 < x <
제6항에 있어서,
상기 용매는 에틸렌 글리콜에 아세토나이트릴, DI water, 알코올, 사이클로헥산(cyclohexane), 톨루엔(toluene) 및 유기 용매 중 적어도 하나를 5 내지 50 부피 퍼센트로 혼합한 것인 태양전지 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the solvent is a mixture of ethylene glycol and at least one of acetonitrile, DI water, alcohol, cyclohexane, toluene and an organic solvent in an amount of 5 to 50 volume percent.
제6항에 있어서,
상기 p형 산화물 반도체는,
(a) Cu, S, M, 및 Ga이 포함된 전구체 용액을 제조하는 단계(여기서, M은, SnO, ITO, IZTO, IGZO, 및 IZO에서 선택되는 1종 이상의 화합물이다);
(b) 상기 전구체 용액을 기판 상에 도포하여 코팅층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 코팅층을 열처리하는 단계를 순차적으로 포함하는 과정에 의해 제조되는 태양전지 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the p-
(a) preparing a precursor solution containing Cu, S, M, and Ga, wherein M is at least one compound selected from SnO, ITO, IZTO, IGZO, and IZO;
(b) applying the precursor solution onto a substrate to form a coating layer; And
and (c) heat-treating the coating layer.
제11항에 있어서,
상기 전구체 용액은, [CuTu3]Cl를 포함하는 것임을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the precursor solution comprises [CuTu 3 ] Cl.
제11항에 있어서,
상기 전구체 용액은, Thiourea를 포함하는 것임을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.

12. The method of claim 11,
Wherein the precursor solution comprises Thiourea.

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