KR101632785B1 - 자가충전 복합전지 및 이를 포함하는 전자 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자가충전 복합전지 및 이를 포함하는 전자 소자에 관한 것으로, 상기 자가충전 복합전지는 태양전지 및 상기 태양전지로부터 출력된 전류를 충전하는 커패시터를 포함하여 친환경적으로 태양전지로부터 출력되는 에너지를 충전효율을 높일 수 있으며, 높은 투명성, 전기 전도도 및 계면 전기용량의 전극을 이용하여 투명 장치에 적용할 수 있다.

Description

자가충전 복합전지 및 이를 포함하는 전자 소자{Self-rechargeable hybrid battery and electronic device comprising the same}
본 발명은 자가충전 복합전지 및 이를 포함하는 전자 소자에 관한 것이다.
태양 에너지에는 현존하는 에너지원에 비해서 수많은 유리한 점이 있다. 예를 들어, 태양 에너지는 사실상 무한이며, 어디서든 이용이 가능하다. 이러한 태양 에너지는 다양한 분야에서 유용하게 이용되고 있다. 예를 들어, 빌딩이나 자동차에서는 햇빛이 조사되는 부분에 태양전지를 설치하고, 설치된 태양전지에 의해 태양 에너지를 전기로 변환한다. 이와 같이 해서 얻어진 전기를 빌딩의 조명과 같은 조명 장치나 자동차의 동력원 또는 이동전화나 동영상 레코더와 같은 휴대용 전자 부품의 일부로서 광범위한 전자 소자에 적용할 수 있다. 태양 에너지는 햇빛이 조사되는 대낮에 얻어지지만, 이렇게 해서 얻어진 전기를 축적하면 햇빛이 조사되지 않는 밤 사이나 우천 시에도 이용하는 것이 가능하다. 따라서 이것을 이용할 수 있으면, 자연 자원의 감소나 파괴를 초래하지 않는 에너지원이 된다.
태양전지에 의해 변환된 전기를 저장하는 전기에너지 저장장치로서, Ni-MH 전지, Ni-Cd 전지, 납축전지 및 리튬 이차전지와 같은 이차전지와, 높은 출력 밀도를 가지면서 충방전 수명이 무제한에 가까운 커패시터(super capacitor), 알루미늄 전해 커패시터 및 세라믹 커패시터 등이 있다.
상기　커패시터는 정전기적(electrostatic) 특성을 이용하기 때문에 전기 화학적 반응을 이용하는 배터리에 비하여 충방전 회수가 거의 무한대이고 반영구적으로 사용 가능하며, 에너지의 충방전 속도가 매우 빨라 그 출력 밀도가 배터리의 수십 배 이상이다.
따라서, 기존의 화학전지 배터리로는 구현하지 못하는　커패시터의 특성으로 인하여, 산업계 전반에 걸쳐　커패시터의 응용 분야가 점차 확대되는 추세이다. 특히, 요즘과 같은 고유가 시대에 전기자동차(electric vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 또는 연료전지자동차(fuel cell vehicle, FCV) 등과 같은 차세대 환경 친화 차량 개발 분야에 있어 에너지 버퍼로서　커패시터의 효용성은 날로 증가하고 있다.
즉,　상기 태양 에너지를 전기로 변환하는 태양전지와, 이로부터 출력된 전기를 저장하여 충전하는 커패시터를 포함하는 자가충전 복합전지를 제조함으로써, 자연을 회손하지 않으며, 높은 출력 밀도 및 충방전 수명을 갖는 자원을 얻을 수 있다.
그러나, 최근 투명하고 유연한 디스플레이 기반의 전자 소자들은 개발되었지만, 이를 구동하기 위한 전지는 투명하게 제조하지 못했었다. 따라서, 상기 전지의 전극을 투명으로 제조할 필요성이 있으며, 이를 위해서는 낮은 면저항, 높은 전기 전도도 및 높은 전기용량을 가져야 하며, 가시광선 영역에서 광투과율이 80% 이상인 것이 유리하다.
한국특허공개 제2010-0109104호
본 발명은 자가충전 복합전지 및 이를 포함하는 전자 소자에 관한 것으로, 상기 자가충전 복합전지는 태양전지 및 상기 태양전지로부터 출력된 전류를 충전하는 커패시터를 포함할 수 있다.
본 발명은 자가충전 복합전지 및 이를 포함하는 전자 소자를 제공할 수 있다.
상기 자가충전 복합전지의 하나의 예로서,
태양전지 및 상기 태양전지로부터 출력된 전류를 충전하는 커패시터를 포함하며,
상기 태양전지 및 커패시터의 전극들 중 어느 하나 이상은,
투명 기판;
투명 기판 상에 형성된 금속 나노와이어; 및
금속 나노와이어 상에 형성된 전도성 고분자층을 포함하는 자가충전 복합전지를 제공할 수 있다.
또한, 상기 자가충전 복합전지를 포함하는 전자 소자를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 및 상기 태양전지로부터 출력된 전류를 충전하는 커패시터를 포함하는 자가충전 복합전지를 포함하는 전자 소자는, 친환경적으로 태양전지로부터 출력되는 에너지를 충전효율을 높일 수 있으며, 높은 투명성, 전기 전도도 및 계면 전기용량의 전극을 이용하여 투명 장치에 적용할 수 있다.
도 1은 일 실시예에서, 본 발명에 따른 자가충전 복합전지가 직렬 구조로 형성된 모식도이다.
도 2는 일 실시예에서, 본 발명에 따른 자가충전 복합전지가 병렬 구조로 형성된 모식도이다.
도 3은 일 실시예에서, 본 발명에 따른 자가충전 복합전지의 전극의 물성을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 자가충전 복합전지 및 이를 포함하는 전자 소자에 관한 것이다.
상기 자가충전 복합전지의 하나의 예로서,
태양전지 및 상기 태양전지로부터 출력된 전류를 충전하는 커패시터를 포함하며,
상기 태양전지 및 커패시터의 전극들 중 어느 하나 이상은,
투명 기판;
투명 기판 상에 형성된 금속 나노와이어; 및
금속 나노와이어 상에 형성된 전도성 고분자층을 포함하는 자가충전 복합전지를 제공할 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 낮에 태양으로부터 태양에너지를 태양전지가 받아들여 전류를 출력하고, 상기 태양전지로부터 출력된 전류를 커패시터에서 화학에너지로 변환하여 저장하는 일련의 과정을 하나의 자가충전 복합전지를 통하여 수행할 수 있다. 이러한 방법으로 자가충전 복합전지는 전자 소자에 사용할 수 있으며, 저장된 에너지는 외부의 스위칭을 통해 원하는 시간에 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 커패시터는 전해 커패시터, 탄탈 커패시터, 적층세라믹 커패시터 및 슈퍼 커패시터 등의 고성능 커패시터를 사용할 수 있으며, 구체적으로 슈퍼 커패시터를 사용할 수 있다.
이때, 상기 태양전지 및 커패시터의 전극들 중 어느 하나 이상은, 높은 계면 전기용량 및 높은 투명도를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 상기 전극의 계면 전기용량은 0.002 F/cm2 이상이고, 광투과도는 65% 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 계면 전기용량은 0.002 내지 0.010 F/cm2, 0.004 내지 0.010 F/cm2 또는 0.005 내지 0.010 F/cm2일 수 있다. 또한, 상기 광투과도는 65 내지 95%, 85 내지 95% 또는 85 내지 92%일 수 있다. 상기 전극은 상기 범위 내의 높은 계면 전기용량을 구현할 수 있으며, 상기 범위 내의 광투과도를 통해, 투명성을 갖는 전극을 제조할 수 있다.
상기 자가충전 복합전지에 포함된 태양전지 및 커패시터의 전극에 사용되는 투명 기판은, 투명성을 저해하지 않는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리스티렌 및 폴리카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함하는 플라스틱 기판을 할 수 있다. 상기 기판을 투명 기판으로 사용할 경우, 투명하며 플렉서블(flexible)한 전극을 제조할 수 있다.
또한, 상기 투명 기판 상에 금속 나노와이어를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 나노와이어는 은, 금, 구리, 아연 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 함유할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속은 은일 수 있다. 상기 금속 나노와이어의 형성 방법은 특별히 한정되지 않으며 해당 기술분야에서 사용되는 방법 중 선택될 수 있다. 예를 들어, 성장 용액을 이용하여 금속 나노와이어를 투명 기판 상에 직접 성장시키는 방법 또는 금속 나노와이어를 포함하는 용액을 투명 기판 상에 코팅하는 방법 등이 선택될 수 있다.
상기 투명 기판 상에 형성된 금속 나노와이어는 평균 직경은 0.1 내지 100 nm이고, 평균 길이가 0.5 내지 50 ㎛일 수 있다. 예를 들어, 금속 나노와이어의 평균 직경은 1 내지 100 nm, 30 내지 100 nm 또는 30 내지 50 nm일 수 있고, 평균 길이는 1 내지 50 ㎛, 1 내지 40 ㎛ 또는 2 내지 30 ㎛일 수 있다. 상기 범위의 평균 직경 및 평균 길이를 통해, 높은 기계적 안정성 및 높은 투명도를 구현할 수 있으며, 넓은 표면적을 통해 높은 전기 전도도를 구현할 수 있다.
상기 금속 나노와이어의 일부분은 다른 금속 나노와이어와 접합 또는 교차되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 접합 또는 교차되어 있는 부분을 통해, 높은 전기 전도도를 나타낼 수 있다.
하나의 예로서, 상기 전도성 고분자층은 하기 화학식 1의 구조를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112014047214625-pat00001
상기 화학식 1에서,
X 및 Y는 각각 독립적으로, O, S, Si 또는 N을 나타내고,
R1 및 R2는 각각 독립적으로, 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 탄소수 3 내지 20의 아릴기 또는 탄소수 2 내지 20의 헤테로아릴기를 나타내고,
n은 2 내지 2000의 정수이며,
선택적으로, R1 및 R2는 서로 결합되어 융합된 고리 구조를 나타낸다.
이때, 상기 알킬기는 직쇄(linear) 또는 분지(branched) 상 포화 탄화수소로부터 유도된 작용기를 의미할 수 있다.
상기 알킬기의 구체적인 예로서는, 메틸기(methyl group), 에틸기(ethyl group), n-프로필기(n-propyl group), 이소프로필기(iso-propyl group), n-부틸기(n-butyl group), sec-부틸기(sec-butyl group), t-부틸기(tert-butyl group), n-펜틸기(n-pentyl group), 1,1-디메틸프로필기(1,1-dimethylpropyl group), 1,2-디메틸프로필기, 2,2-디메틸프로필기, 1-에틸프로필기, 2-에틸프로필기, n-헥실기, 1-메틸-2-에틸프로필기, 1-에틸-2-메틸프로필기, 1,1,2-트리메틸프로필기, 1-프로필프로필기, 1-메틸부틸기, 2-메틸부틸기, 1,1-디메틸부틸기, 1,2-디메틸부틸기, 2,2-디메틸부틸기, 1,3-디메틸부틸기, 2,3-디메틸부틸기, 2-에틸부틸기, 2-메틸펜틸기, 3-메틸펜틸기 등을 들 수 있다.
또한, 상기 아릴기는 방향족 탄화수소로부터 유도된 1가의 치환기를 의미할 수 있다.
상기 아릴기의 구체적인 예로서는, 페닐기(phenyl group), 나프틸기(naphthyl group), 안트라세닐기(anthracenyl group), 페난트릴기(phenanathryl group), 나프타세닐기(naphthacenyl group), 피레닐기(pyrenyl group), 톨릴기(tolyl group), 바이페닐기(biphenylyl group), 터페닐기(terphenylyl group), 크리세닐기(chrycenyl group), 스피로바이플루오레닐(spirobifluorenyl group), 플루오란테닐(fluoranthenyl group), 플루오레닐기(fluorenyl group), 페릴레닐기(perylenyl group), 인데닐기(indenyl group), 아줄레닐기(azulenyl group), 헵타레닐기(heptalenyl group), 페날레닐기(phenalenyl group), 페난트레닐기(phenanthrenyl group) 등을 들 수 있다.
또한, 상기 헤테로아릴기는 단환 또는 축합환으로부터 유도된 방향족 복소환 또는 헤테로사이클릭을 나타낸다. 상기 헤테로아릴기는, 헤테로 원자로서 질소(N), 황(S), 산소(O), 인(P), 셀레늄(Se) 및 규소(Si) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 헤테로 아릴기의 구체적인 예로서는, 피롤릴기, 피리딜기, 피리다지닐기, 피리미디닐기, 피라지닐기, 트리아졸릴기, 테트라졸릴기, 벤조트리아졸릴기, 피라졸릴기, 이미다졸릴기, 벤즈이미다졸릴기, 인돌릴기, 티아졸릴기, 이소티아졸릴기, 벤조티아졸릴기, 벤즈티아디아졸릴기, 페노티아지닐기, 이속사졸릴기, 푸라자닐기, 페녹사지닐기, 옥사졸릴기, 벤조옥사졸릴기, 옥사디아졸릴기, 피라졸로옥사졸릴기, 이미다조티아졸릴기, 티에노푸라닐기, 푸로피롤릴기, 피리독사지닐기 등의 헤테로 원자를 포함하는 화합물들을 들 수 있다.
하나의 예로서, 전도성 고분자는 화학식 1의 K(K는 2 내지 2000 사이의 임의의 정수) 번째 반복구조는 K-1 번째 반복구조와 비교하여 화학식 1의 정의 중에서, X, Y, R1 및 R2 중 1 종 이상이 다른 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 화학식 1의 구조로 나타내는 전도성 고분자는 하기 화학식 1-a 또는 1-c 의 구조를 포함할 수 있다.
[화학식 1-a]
Figure 112014047214625-pat00002
[화학식 1-b]
Figure 112014047214625-pat00003
[화학식 1-c]
Figure 112014047214625-pat00004
상기 화학식 1-a 내지 1-c에서,
n은 2 내지 2000의 정수이다.
예를 들어, 상기 전도성 고분자층은, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리피롤, 폴리티오펜 또는 폴리아닐린 등의 전도성 고분자를 폴리스티렌설폰산과 같은 유화제를 이용하여 합성할 수 있다. 따라서, 합성 중, 소량의 유화제가 전도성 고분자층 내에 존재할 수 있으나, 이는, 본 발명에 따른 하기 후처리 방법을 통해 효과적으로 제거할 수 있다. 이를 통해, 전도성 고분자층 내에 전기 전도도를 저해하는 유화제를 제거함으로써, 높은 전기 전도도를 구현할 수 있다.
상기 유화제는 설폰산, 파라톨루엔설폰산 및 카르복실산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 관능기(functional group)를 갖는 유기산을 포함할 수 있으며, 이는 하기 설명되는 보호층에 사용되는 전도성 유화제의 종류로부터 선택될 수 있다.
상기 전고성 고분자층은 도펀트를 더 포함할 수 있다. 도펀트의 종류는 고분자의 결정도를 향상시키는 물질이라면 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide), N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone), N,N-디메틸아세트아미드(N,N-dimethylacetamide), 4-메톡시페놀(4-Methoxyphenol), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 사이클로헥사논(Cyclohexanone), 니트로메탄(Nitromethane), 메틸알코올(Methyl alcohol), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran) 및 포름산(Formic acid) 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
상기 금속 나노와이어 및 전도성 고분자층 사이에 형성된 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 보호층은 전도성 유화제와 알코올성 고분자간의 그라프트 공중합체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 유화제와 알코올성 고분자간의 그라프트 공중합체(graft copolymer)는 하기 화학식 2 및 3으로부터 선택되는 화합물 중 1 종 이상일 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112014047214625-pat00005
[화학식 3]
Figure 112014047214625-pat00006
상기 화학식 2 및 3에서,
R3은 4-톨루엔설폰산, 1-나프탈렌설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산 및 폴리스티렌설폰산 중 1 종 이상을 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R4는 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산 중 1 종 이상을 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R5는 에테르를 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R6은 폴리(에틸렌글리콜)메틸에테르, 폴리(프로필렌글리콜)아크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)메타크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)모노부틸에테르 및 폴리(프로필렌글리콜)모노옥틸에테르 중 1 종 이상이다.
상기 전도성 유화제는 유기산으로서 관능기(functional group)로 술폰산, 파라톨루엔술폰산, 카르복실산 중의 어느 하나를 가지며, 하기 화학식 4 또는 5로부터 선택될 수 있다.
[화학식 4]
Figure 112014047214625-pat00007
[화학식 5]
Figure 112014047214625-pat00008
상기 화학식 4 및 5에서,
R7은 4-톨루엔설폰산, 1-나프탈렌설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산 및 폴리스티렌설폰산 중 1 종 이상을 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R8은 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산 중 1 종 이상을 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이다.
구체적으로, 상기 전도성 유화제는 4-톨루엔 설폰산, 1-나프탈렌 설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산, 폴리스티렌설폰산, 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
상기 알코올성 고분자는 하기 화학식 6을 갖는 화합물일 수 있다.
[화학식 6]
Figure 112014047214625-pat00009
상기 화학식 6에서,
R9는 에테르를 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
R10은 폴리(에틸렌글리콜)메틸에테르, 폴리(프로필렌글리콜)아크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)메타크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)모노부틸에테르 및 폴리(프로필렌글리콜)모노옥틸에테르 중 1 종 이상이다.
상기 알코올성 고분자는 상기 고분자 유화제의 친수성기와 탈수축합 중합반응에 의해 화학적 결합을 이루어 전도성 고분자 유화제의 친수성기를 소수성기로 변환하기 위한 것으로, 이를 위해 알코올성 고분자의 제1 말단기는 친수성기이고, 다른 제2 말단기는 소수성기로 이루어진 구조이다.
상기 알코올성 고분자의 함량은 전도성 유화제의 중량 대비 20 내지 50% 중량비일 수 있다. 예를 들어, 상기 알코올성 고분자의 함량은 20 내지 45%, 25 내지 40% 또는 25 내지 35%일 수 있다. 알코올성 고분자의 함량을 상기 범위 내로 조절함으로써, 탈수축합 중합반응으로의 전환율을 높을 수 있고, 친수성기가 소수성기로 전환되는 전환율을 높여 내수성을 높일 수 있으며, 전도성 유화제의 고유 성질의 변질을 방지할 수 있다.
예를 들어, 상기 전도성 유화제와 알코올성 고분자로 이루어진 그라프트 공중합체의 제조방법으로서, 친수성기를 갖는 전도성 유화제를 포함하는 전도성 유화제 용액을 준비하고, 한편으로는 두 개의 말단기를 가지며, 제1 말단기는 친수성기이고, 제2 말단기는 소수성기인 알코올성 고분자를 준비한다. 그런 다음, 상기 전도성 유화제 용액에 상기 알코올성 고분자를 혼합하여, 혼합용액을 제조한다. 그런 다음, 상기 혼합용액을 열처리하여, 상기 전도성유화제의 친수성기와 상기 알코올성 고분자의 친수성기를 탈수축합반응시켜, 소수성기만을 갖는 그라프트 공중합체를 형성할 수 있다.
상기 제조 방법 중 상기 전도성 유화제 용액은 탈이온수와 전도성 유화제를 혼합하여 제조할 수 있으며, 고형분의 함량은 5 내지 20 중량%일 수 있다. 또한, 상기 전도성 유화제 용액과 상기 알코올성 고분자의 혼합과정은 교반시켜 용해시키는 것으로 이루어지며, 10 내지 150℃ 범위의 온도에서, 5 내지 120 분 동안 교반시켜 용해시킬 수 있다. 특히, 탈수축합반응을 위한 상기 열처리 과정은 50℃ 이상 300℃ 이하의 온도에서, 5 내지 60 분 동안 수행할 수 있다.
구체적으로, 금속 나노와이어가 유리나 플라스틱과 같은 투명한 기판 위에 그물망처럼 네트워크를 형성하면서 층을 이루어 코팅이 되는 경우, 높은 광투과율 특성과 금속이 가지는 높은 전기 전도도 특성에 의하여 우수한 전기 전도도를 갖는 투명 전극을 제조할 수 있다.
그러나, 예를 들어, 은을 이용한 나노와이어 전극의 경우 대기 중에 노출이 되면, 산소와 만나는 즉시 Ag2O, AgO, Ag2O2 등의 형태로 은 산화막이 형성될 수 있다. 오랜 시간 동안 대기 중의 산소에 노출이 되면 은의 색깔이 검은색으로 변하게 되고, 전기저항이 500 배 이상 급격하게 높아지게 된다. 이러한 은의 산화는 투명 전극의 신뢰도를 크게 저하시키게 된다. 예를 들어, 장시간의 대기 중 노출에 의해서 은 나노와이어가 산화되는 문제점이 있었다. 이에 대해, 본 발명은 금속 나노와이어 및 전도성 고분자층 사이에 보호층을 형성함으로써, 상기 문제점을 해결하면서, 높은 전기 전도도를 갖는 전극을 제조할 수 있다.
상기 자가충전 복합 전지는 태양전지 및 커패시터를 포함하는 구조로, 상기 태양전지 및 커패시터가 직렬 또는 병렬로 연결되어 자가충전 복합전지를 구현할 수 있다.
자가충전 복합전지 구조의 하나의 예로서,
투명 기판;
상기 투명 기판의 일면에 적층된 태양전지; 및
상기 태양전지가 적층된 일면의 반대측 일면에 적층된 커패시터를 포함하고,
상기 태양전지와 커패시터는 직렬 연결된 구조일 수 있다.
이때, 상기 태양전지의 양극과 커패시터의 음극 및 태양전지의 음극과 커패시터의 양극이 금속선으로 연결된 접속될 수 있다. 이는, 하기 도 1을 통해 확인할 수 있다.
하기 도 1을 참조하면, 자가충전 복합전지는 투명 기판(12)를 중심으로, 상기 투명 기판(12)의 상부면에는 투명전지가 형성되어 있으며, 하부면에는 커패시터가 형성된 구조를 나타낼 수 있다.
구체적으로, 투명 기판(11, 12), 금속 나노와이어(21, 22) 및 전도성 고분자층(31, 33)이 순차 적층된 구조의 전극이 대향 배치되고, 그 사이에 전해질층(40)이 적층된 구조의 커패시터가 형성되고,
투명기판(12, 13) 및 금속 나노와이어(23, 24)가 순차 적층된 전극이 대향 배치되고, 그 사이에 전자수송층(50), 활성층(60) 및 정공수송층(33)이 순차 적층된 구조의 태양전지가 직렬로 형성될 수 있다.
이때, 상기 태양전지의 양극과 커패시터의 음극 및 태양전지의 음극과 커패시터의 양극은 금속선(70)으로 연결될 수 있다. 이때, 금속선은 전류가 흐름을 방해하지 않는 금속이라면 특별히 한정하지 않는다.
자가충전 복합전지 구조의 또 하나의 예로서,
서로 대향 배치된 제1 전극 및 제2 전극;
상기 제1 전극 및 제2 전극을 공유하며, 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 독립적으로 적층된 태양전지 및 커패시터를 포함하고,
상기 태양전지와 커패시터는 병렬 연결된 구조일 수 있다.
하기 도 2를 참조하면, 자가충전 복합전지는 투명 기판(11, 12) 및 금속 나노와이어(21, 22)가 순차 적층된 구조의 전극이 대향 배치되고, 그 사이의 약 1/2에 해당하는 표면에 태양전지가 형성되고, 나머지 약 1/2에 해당하는 표면에 커패시터가 형성된 구조를 나타낼 수 있다.
구체적으로, 투명 기판(11, 12) 및 금속 나노와이어(21, 22)가 순차 적층된 구조의 전극이 대향 배치되고, 그 사이에 각각 전도성 고분자층(31) 전해질층(40) 및 전도성 고분자층(32)이 적층된 구조의 커패시터와, 전자수송층(50), 활성층(60) 및 정공수송층(33)이 순차 적층된 구조의 태양전지가 병렬로 형성될 수 있다.
이때, 커패시터와 태양전지는 투명 기판(11, 12) 및 금속 나노와이어(21, 22)가 순차 적층된 전극을 공유하는 구조이다.
상기 태양전지의 전력변환효율(power conversion efficiency, PCE)은 3% 이상일 수 있다. 상기 전력변환효율은 태양전지 내에서, 광을 흡수하여 전기 에너지로 변환하는 효율을 의미한다. 구체적으로, 상기 전력변환효율은 3 내지 7%, 3 내지 5% 또는 4 내지 5% 범위일 수 있다.
상기 자가충전 복합전지에 있어서, 태양전지의 전극을 제외한 구성은 통상적으로 상용되는 전자수송물질, 활성물질, 정공수송물질 및 전해질을 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 전자수송물질은 폴리에틸렌이민 에톡시레이티드(polyethylenimine ethoxylated, PEIE)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 활성물질은 P3HT/PCBM(poly-3-hexylthiophene/[6,6]-phenyl-c85 butyric acid methyl ester)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 정공수송물질은 폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설폰산 (PEDOT:PSS)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전해질은 암모늄염 전해질, 나트륨염 전해질, 리튬염 전해질, 철염 전해질, 설폰산 화합물 및 황산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 암모늄염 전해질은, 예를 들어, tetra-n-Bu4NClO4, n-Bu4NPF6, n-Bu4NBF4 및 n-Et4NClO4 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 나트륨염 전해질은, 예를 들어, NaPF6, NaBF4 및 NaClO4 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 리튬염 전해질은, 예를 들어, LiClO4, LiPF6, LiBF4, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2C2F5)2, LiCF3SO3, LiC(SO2CF3)3, LiPF4(CF3)2, LiPF3(C2F5)3, LiPF3(CF3)3, LiPF3(iso-C3F7)3, LiPF5(iso-C3F7) 및 환상 알킬렌기를 갖는 리튬염 전해질 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 환상 알킬렌기를 갖는 리튬염은 (CF2)2(SO2)2NLi 및 (CF2)3(SO2)2NLi 등을 포함할 수 있다.
상기 철염 전해질은, 예를 들어, 산화철(III) p-톨루엔설폰산을 포함할 수 있다.
상기 커패시터와 태양전지를 포함하는 복합전지에서, 전극은 투명 기판, 금속 나노와이어 및 전도성 고분자층이 적층된 구조로, 투명하고 유연한 전극일 수 있다.
상기 자가충전 복합전지의 전극의 제조방법은, 하나의 예로서,
투명 기판 상에 금속 나노와이어를 형성하여 집전체를 형성하는 단계; 및
금속 나노와이어 상에 전도성 고분자 및 유화제를 포함하는 용액을 이용하여 전도성 고분자층을 형성하는 단계를 포함하는 제조방법을 제공할 수 있다.
예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트를 포함하는 투명 기판 상에 은 나노와이어를 코팅하여 집전체를 형성할 수 있다. 그런 다음, 상기 금속 나노와이어 상에 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리스티렌설폰산, 폴리피롤:폴리스티렌설폰산, 폴리티오펜:폴리스티렌설폰산 및 폴리아닐린:폴리스티렌설폰산 중 1 종 이상을 포함하는 전도성 고분자층을 형성할 수 있다.
구체적으로, 투명 기판의 종류, 금속 나노와이어의 종류, 금속 나노와이어의 구조, 전도성 고분자 및 유화제는 상기 설명한 바와 동일할 수 있다.
예를 들어, 전도성 고분자층은 폴리스티렌설폰산 유화제를 이용하여 합성된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리스티렌설폰산(PEDOT:PSS)일 수 있다. 구체적으로, 상기 전도성 고분자는 수평균 분자량이 50 내지 100,000인 것을 사용할 수 있다.
상기 전도성 고분자 및 유화제를 포함하는 용액은 개시제를 더 포함할 수 있다. 상기 개시제는 2 종의 산화제를 혼합하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 과황산 나트륨(Sodium persulfate(SPS)), 과황산 암모늄(Ammonium persulfate(APS)) 및 30 중량% 과산화수소 수용액 (Hydrogen peroxide)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1종 이상의 제 1 산화제와 FeCl3, Fe2(SO4)3 및 Fe(PTS)3으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 1 종 이상의 제 2 산화제를 사용할 수 있다.
상기 집전체와 전도성 고분자층 사이에 전도성 유화제와 알코올성 고분자간의 그라프트 공중합체를 이용하여 보호층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 보호층의 구성은 상기 설명한 바와 동일할 수 있다.
상기 전도성 고분자층을 형성하는 단계 이후에, 금속 나노와이어, 보호층 및 전도성 고분자층이 형성된 투명 기판을 친수성 용매에 침지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이는, 자가충전 복합전지 전극의 전기 전도도 향상을 위한 공정일 수 있다.
구체적으로, 투명 기판 상에 금속 나노와이어, 보호층 및 전도성 고분자층을 형성한 후, 상기 나노와이어, 보호층 및 전도성 고분자층이 형성된 투명 기판을 친수성 용매에 침지시켜 상기 전도성 고분자층에 남아있는 유화제를 녹여낼 수 있다. 이를 통해, 저항을 유발하는 유화제를 제거함으로써, 전기 전도도를 향상시킬 수 있다.
상기 친수성 용매는, 전도성 고분자층 내의 유화제를 녹여내어 제거할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 에틸렌글리콜, 디메틸설폭사이드, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸아세트아미드, 4-메톡시페놀, 아세토나이트릴, 사이클로헥사논, 니트로메탄, 메틸알코올, 테트라히드로푸란 및 포름산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 친수성 용매는 디메틸설폭사이드일 수 있다.
또한, 이러한 친수성 용매는 전도성 고분자의 도펀트로 작용할 수 있다. 열처리 시 고분자 사슬을 재배열시켜 고분자 사슬의 결정도 및 결정립 크기(grain size)를 증가시킴으로써, 전자들의 이동을 용이하게 하고, 전기적 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)의 경우, 후처리 공정 후에 젖어있는 친수성 용매를 건조하기 위하여 열처리를 할 때, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 사슬을 재배열시킬 수 있다. 이를 통해, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 사슬의 결정도 및 결정립 크기(grain size)를 증가시킴으로써 전자들의 이동을 용이하게 하여 전기적 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
상기 친수성 용매를 이용한 침지단계에서, 침지 시간은 5 내지 240 분일 수 있다. 예를 들어, 상기 침지 시간은 30 내지 180 분, 40 내지 180 분 또는 50 내지 150 분일 수 있다. 상기 범위 내의 침지 시간을 통해, 기판 및 전도성 고분자층이 형성된 적층체 내에 존재하는 유화제를 충분히 제거하여 높은 전기적 특성을 구현할 수 있다.
본 발명은 상기 자가충전 복합전지를 포함하는 전자 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 자가충전 복합전지는 광범위한 종류의 전자 소자에 적용될 수 있다. 구체적으로, 전자 소자의 햇빛이 조사되는 부분에 자가충전 복합전지를 설치하고, 설치된 자가충전 복합전지에 의해 태양 에너지를 전기로 변환한 후, 커패시터에서 상기 전기를 충전한다. 이와 같이 해서 얻어진 전기를 빌딩의 조명과 같은 조명 장치나 자동차의 동력원 또는 이동전화나 동영상 레코더와 같은 휴대용 전자 부품의 일부로서 적용할 수 있다.
이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
제조예 1
본 발명에 따른 자가충전 복합전지에 있어서, 전극을 제조하였다. 구체적으로, 도 1을 참조하면, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 투명 기판 상에 물 1 g에 은 나노와이어 0.01 g을 포함하는 용액을 제조하여 도포한 후 150℃ 의 온도로 열처리를 하는 방법으로 코팅하였다.
그런 다음, 상기 은 나노와이어 상에 폴리에틸렌디옥시티오펜(PEDOT)과 폴리스티렌설폰산(PSS)의 복합체(Aldrich CAS Number: 155090-83-8) 10 g에 디메틸 설폭사이드(DMSO:SIGMA Aldrich 154938-100ml) 0.5 g을 혼합한 용액을 코팅한 후, 150℃의 온도에서 약 15 분 동안 열처리하여 기판 상에 전도성 고분자층을 형성하였다. 그런 다음, 상기 은 나노와이어 및 전도성 고분자층이 형성된 투명 기판을 친수성 용매인 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide)에 침지한 후, 150℃의 온도에서 10 분 동안 건조하여 전극을 제조하였다.
이때, 상기 투명 기판(PET) 상에 금속 나노와이어 및 전도성 고분자층을 형성하는 일련의 과정은 바코팅(bar coating) 방법으로 수행하였으며, 이는 3 내지 18 회 반복 수행하였다.
제조예 2
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 전극을 제조함에 있어, 그런 은 나노와이어와 전도성 고분자층 사이에 폴리스티렌설폰산과 폴리(에틸렌글리콜)메틸에테르가 5:2로 결합된 그라프트 공중합체를 도포한 후 150℃ 의 온도로 열처리를 하여 보호층을 더 형성하였다.
실시예 1
본 발명에 따른 자가충전 복합전지를 직렬 구조로 형성하였다.
구체적으로, 상기 제조예 1에서 제조한 전극을 대향 배치하고, 그 사이에 전해질을 채워 커패시터를 형성하였다. 그런 다음, 상기 커패시터의 최상위에 배치된 전극의 PET 투명 기판을 공유하며, 은 나노와이어, 폴리에틸렌이민 에톡시레이티드(polyethylenimine ethoxylated, PEIE)로 형성된 전자수송층, P3HT/PCBM(poly-3-hexylthiophene/[6,6]-phenyl-c85 butyric acid methyl ester)로 형성된 활성층, 폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설폰산 (PEDOT:PSS)로 형성된 정공수송층 및 PET 투명 기판에 은 나노와이어가 적층된 전극이 적층된 태양전지를 형성하였다. 이때, 태양전지의 양극과 커패시터의 음극 및 태양전지의 음극과 커패시터의 양극은 금속선으로 연결하였다. 이는, 상기 설명한 도 1를 통해 확인할 수 있다.
실시예 2
본 발명에 따른 자가충전 복합전지를 병렬 구조로 형성하였다.
제조예 1에서와 같이 PET 투명 기판 상에 은 나노와이어를 적층한 전극을 대향 배치하고, 그 사이의 약 1/2에 해당하는 표면에 폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설폰산 (PEDOT:PSS), 전해질, 폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설폰산 (PEDOT:PSS)이 순차 적층된 커패시터를 형성하고, 나머지 1/2에 해당하는 표면에 폴리에틸렌이민 에톡시레이티드(polyethylenimine ethoxylated, PEIE)로 형성된 전자수송층, P3HT/PCBM(poly-3-hexylthiophene/[6,6]-phenyl-c85 butyric acid methyl ester)로 형성된 활성층, 폴리에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설폰산 (PEDOT:PSS)로 형성된 정공수송층이 순차 적층된 태양전지를 형성하였다. 이는, 상기 설명한 도 2를 통해 확인할 수 있다.
비교예 1
인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 상에 상기 실시예 1에 따른 전도성 고분자층을 형성하여 전극을 제조하였다.
비교예 2
스테인리스 강(stainless steel) 상에 상기 실시예 1에 따른 전도성 고분자층을 형성하여 전극을 제조하였다.
실험예 1
상기 제조예 1에서 PET 투명 기판 상에 금속 나노와이어 및 전도성 고분자층을 형성하는 바코팅 횟수에 따른 습윤 두께, 면저항 및 광투과도에 대하여 측정하였다. 이는 하기 표 1 및 도 3을 통해 확인할 수 있다.
바코팅 횟수 습윤 두께 (mm) 면저항 (ohm/sq) 광투과도 (%)
0 0 0 91.40
3 6.86 681.50 91.15
5 11.43 183.80 90.82
7 16.00 79.53 90.27
10 22.90 63.05 90.13
12 27.40 38.227 89.11
16 36.60 27.79 88.75
18 41.10 22.27 87.88
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 자가충전 복합전지의 전극은 PET 필름과 거의 유사한 광투과도를 구현하여, 투명하고 유연한 전극으로 제조할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 제조된 투명하고 유연한 전극을 포함하는 자가충전 복합전지는 투명하고 유연한 전자 소자에 적용할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
실험예 2
상기 제조예 2 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 전극을 이용하여 면저항, 계면 전기용량 및 광투과도를 측정하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
면저항 (Ω/□) 계면 전기용량(F/cm2) 광투과도 (%)
제조예 1 10 0.003 65
비교예 1 10 0.001 55
비교예 2 0.002 0.013 0
상기 표 2를 보면, 본 발명에 따른 전극은 기존에 가장 많이 사용되고 있으나, 높은 비용 및 대면적으로 적용하기 어렵다는 문제점을 가지고 있는 인듐 주석 산화물을 이용한 전극과 비교하여, 동등한 면저항을 나타내며, 우수한 계면 전기용량 및 우수한 광투과도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
실험예 3
상기 실시예 2에서 제조된 자가충전 복합전지에 있어서, 태양전지의 전력변환효율을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
Voc (V) Jsc (mA/cm2) F.F. (%) η (%)
0.58 10.16 0.48 3.0
표 2를 보면, 본 발명에 따른 자가충전 복합전지에 있어서, 태양전지의 전력변환효율(η)은 약 3.00으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
11, 12, 13: 투명 기판
21, 22, 23, 24: 금속 나노와이어
31, 32, 33: 전도성 고분자층
40: 전자수송층
50: 활성층
60: 정공수송층
70: 금속선

Claims (12)

  1. 태양전지 및 상기 태양전지로부터 출력된 전류를 충전하는 커패시터를 포함하며,
    상기 태양전지 및 커패시터의 전극들 중 어느 하나 이상은,
    투명 기판;
    투명 기판 상에 분산되어 형성된 평균 직경은 0.1 내지 100 nm이고, 평균 길이가 0.5 내지 50 ㎛의 금속 나노와이어;
    금속 나노와이어 상에 형성되며, 전도성 유화제와 알코올성 고분자간의 그라프트 공중합체를 포함하는 보호층; 및
    보호층 상에 형성된 전도성 고분자층을 포함하는 자가충전 복합전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양전지 및 커패시터의 전극들 중 어느 하나 이상은 계면 전기용량은 0.002 F/cm2 이상이고,
    광투과도는 65% 이상인 것을 특징으로 하는 자가충전 복합전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    금속 나노와이어는 은, 금, 구리, 아연 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 자가충전 복합전지.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    전도성 고분자층은 하기 화학식 1의 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가충전 복합전지:
    [화학식 1]
    Figure 112014047214625-pat00010

    상기 화학식 1에서,
    X 및 Y는 각각 독립적으로, O, S, Si 또는 N을 나타내고,
    R1 및 R2는 각각 독립적으로, 수소, 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 탄소수 3 내지 20의 아릴기 또는 탄소수 2 내지 20의 헤테로아릴기를 나타내고,
    n은 2 내지 2000의 정수이며,
    선택적으로, R1 및 R2는 서로 결합되어 융합된 고리 구조를 나타낸다.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    보호층은 하기 화학식 2 및 3으로부터 선택되는 화합물 중 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 자가충전 복합전지:
    [화학식 2]
    Figure 112016015741526-pat00011

    [화학식 3]
    Figure 112016015741526-pat00012

    상기 화학식 2 및 3에서,
    R3은 4-톨루엔설폰산, 1-나프탈렌설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산 및 폴리스티렌설폰산 중 1 종 이상을 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
    R4는 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산 중 1 종 이상을 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
    R5는 에테르를 포함하는 분자량 100 내지 1,000,000의 고분자 물질이고,
    R6은 폴리(에틸렌글리콜)메틸에테르, 폴리(프로필렌글리콜)아크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)메타크릴레이트, 폴리(프로필렌글리콜)모노부틸에테르 및 폴리(프로필렌글리콜)모노옥틸에테르 중 1 종 이상이다.
  9. 제 1 항에 있어서,
    투명 기판;
    상기 투명 기판의 일면에 적층된 태양전지; 및
    상기 태양전지가 적층된 일면의 반대측 일면에 적층된 커패시터를 포함하고,
    상기 태양전지와 커패시터는 직렬 연결된 구조인 것을 특징으로 하는 자가충전 복합전지.
  10. 제 1 항에 있어서,
    서로 대향 배치된 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극 및 제2 전극을 공유하며, 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 독립적으로 적층된 태양전지 및 커패시터를 포함하고,
    상기 태양전지와 커패시터는 병렬 연결된 구조인 것을 특징으로 하는 자가충전 복합전지.
  11. 제 1 항에 있어서,
    태양전지의 전력변환효율은 3% 이상인 것을 특징으로 하는 자가충전 복합전지.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 및 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 자가충전 복합전지를 포함하는 전자 소자.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106276778B (zh) * 2015-05-21 2018-08-14 清华大学 一种金属纳米线膜的制备方法以及导电元件
KR101789930B1 (ko) * 2016-07-07 2017-10-26 경북대학교 산학협력단 광감성 유기 커패시턴스 소자
GB2560764B (en) 2017-03-24 2020-08-05 Power Roll Ltd Optoelectronic device with reflective face
CN109599270B (zh) * 2017-09-30 2020-08-11 清华大学 一种光电自储能器件的制备方法
US20200381643A1 (en) * 2018-03-23 2020-12-03 Sumitomo Chemical Company, Limited Photoelectric conversion element
CN111952080B (zh) * 2019-05-17 2022-08-16 清华大学 可原位充电的储能装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003008040A (ja) * 2001-06-27 2003-01-10 Fuji Photo Film Co Ltd 導電膜
KR101104226B1 (ko) * 2010-11-05 2012-01-11 재단법인대구경북과학기술원 적층형 태양전지 및 그 제조방법
JP2012507872A (ja) * 2008-10-30 2012-03-29 フェイ プーン、ハク ハイブリッド透明導電性電極

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6170770A (ja) * 1984-09-13 1986-04-11 Sharp Corp 蓄エネルギ−機能付太陽電池
EP2251874B1 (en) * 2001-06-27 2011-12-07 Fujifilm Corporation Conductive film
AU2003902456A0 (en) * 2003-05-21 2003-06-05 Sustainable Technologies International Pty Ltd Photovoltaic power source for wireless electronic devices
KR20100109104A (ko) 2009-03-31 2010-10-08 해성쏠라(주) 태양전지를 이용한 하이브리드형 저장장치
US8920681B2 (en) * 2009-12-30 2014-12-30 Korea University Research And Business Foundation Electrically conductive polymers with enhanced conductivity
KR101974019B1 (ko) * 2010-12-07 2019-04-30 로디아 오퍼레이션스 전기전도성 나노구조, 그러한 나노구조의 제조방법, 그러한 나노구조를 포함하는 전기전도성 폴리머 필름, 및 그러한 필름을 포함하는 전자 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003008040A (ja) * 2001-06-27 2003-01-10 Fuji Photo Film Co Ltd 導電膜
JP2012507872A (ja) * 2008-10-30 2012-03-29 フェイ プーン、ハク ハイブリッド透明導電性電極
KR101104226B1 (ko) * 2010-11-05 2012-01-11 재단법인대구경북과학기술원 적층형 태양전지 및 그 제조방법

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