KR101739517B1 - 산화니켈 나노입자를 포함하는 박막의 제조방법 및 이를 이용한 태양전지 - Google Patents

산화니켈 나노입자를 포함하는 박막의 제조방법 및 이를 이용한 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 박막의 제조방법은, 산화 니켈 나노 파티클이 균일하게 분산되어 있는 잉크를 준비하는 단계, 베이스층 상에 잉크를 도포하는 단계, 그리고 잉크를 경화시켜 산화 니켈 나노 파티클을 포함하는 박막을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

산화니켈 나노입자를 포함하는 박막의 제조방법 및 이를 이용한 태양전지 {METHOD FOR MANUFACTURING THIN FILM INCLUDING NICKEL OXIDE NANOPARTICLE AND SOLAR CELL HAVING THE SAME}
산화니켈 나노입자를 포함하는 박막의 제조방법 및 이를 이용한 태양전지가 제공된다.
최근 에너지 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 수요가 증가되고 있다. 태양전지는 무한 에너지원인 태양으로부터 전기를 생산하며 공해를 유발시키지 않는 청정 에너지원으로 매년 큰 폭의 산업 성장률을 보이며 세계 새로운 성장 동력으로 각광받고 있다.
한편, 최근 들어 정보화 사회가 발달하면서 가볍고 얇은 평판표시장치(flat panel display)의 개발이 활발히 진행되고 있고, 그 중 유기발광표시장치(organic light emitting diode display device)는 액정표시장치에서 사용되는 백라이트와 같은 별도의 광원이 필요 없어 더 얇고 소비전력이 낮으며, 색재현율이 뛰어나 더 선명한 화질을 구현할 수 있다.
태양전지는 기본적으로 금속/활성층/금속의 구조로 이루어져 있지만, 이종접합 형태의 유기반도체를 사용할 경우, 유기반도체와 금속전극 사이에 완충층(buffer layer)으로서 정공주입층(hole injection layer)이나 정공수송층(hole transfer layer)을 포함할 수 있다.
유기발광표시장치의 경우, 화소전극 및 공통전극을 포함하며, 상기 두 전극 사이에　유기　발광층을 포함하고, 화소전극과 유기 발광층 사이에 정공주입층이나 정공수송층을 포함할 수 있다.
태양전지나 유기발광표시장치의 정공주입층 또는 정공수송층으로 가장 널리 쓰이는 물질은 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate)), spiro-OMeTAD (2,2′,7,7′-tetrakis(N,N′-di-p-methoxyphenylamine)-9,9′-spirobifluorene) 또는 poly-triarylamine 유도체, 또는 poly-diketopyrrolopyrrole 유도체 등으로서, 이들 물질은 ITO(Indium Tin Oxide)와 활성층과의 직접적인 접촉을 막고 계면을 제어할 수 있다.
이러한 물질들 중 PEDOT:PSS는 다량의 술폰산을 함유하고 있어 산성을 띄며 이로 인해 소자의 장기적인 수명이나 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다. 또한 불안정한 ITO와 PEDOT:PSS의 계면의 부식성은 전체 소자의 특성 감소의 가장 큰 원인이 될 수 있다. 또한 술폰산과의 화학적 반응으로 분해된 인듐(Indium)은 소자의 모든 층으로 확산되어 소자의 성능을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 한 실시예는 박막의 누설 전류 감소시켜 태양전지의 전력 변환 효율을 증대시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예는 박막의 내부식성을 향상시켜 내구성 및 신뢰성을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예는 박막의 제조 비용을 저감시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예는 박막의 제조공정 용이성을 향상시키기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 박막의 제조방법은, 산화 니켈 나노 파티클이 균일하게 분산되어 있는 잉크를 준비하는 단계, 베이스층 상에 잉크를 도포하는 단계, 그리고 잉크를 경화시켜 산화 니켈 나노 파티클을 포함하는 박막을 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 잉크를 준비하는 단계는, 산화 니켈 나노 파티클 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계, 전구체 용액에 환원제를 첨가하여 산화 니켈 나노 파티클 전구체를 환원시켜 산화 니켈 나노 파티클을 생성하는 단계, 전구체 용액으로부터 산화 니켈 나노 파티클을 분리하는 단계, 그리고 분리된 산화 니켈 나노 파티클을 유기용매에 균일하게 분산시켜 상기 잉크를 제조하는 단계를 포함한다.
산화 니켈 나노 파티클 전구체는 nickel(II) acetylacetonate (C10H14NiO4) 일 수 있다.
전구체 용액의 용매는 oleylamine (C18H37N) 일 수 있다.
환원제는 borane-dimethylamine ((CH3)2NH·BH3), borane-triethylamine ((C2H5)3N·BH3), 또는 borane-trimethylamine ((CH3)3N·BH3) 일 수 있다.
산화 니켈 나노 파티클을 분리하는 단계에서, 원심 분리를 통해 상기 전구체 용액으로부터 상기 산화 니켈 나노 파티클을 분리할 수 있다.
유기용매는 tetradecane (C14H30) 일 수 있다.
잉크를 제조하는 단계에서, 초음파 처리를 통해 산화 니켈 나노 파티클을 유기용매에 균일하게 분산시킬 수 있다.
박막을 형성하는 단계에서, 200 ℃ 내지 500 ℃의 온도로 잉크를 가열하여 잉크를 경화시킬 수 있다.
잉크에 레이저(laser)를 조사하여 잉크를 경화시킬 수 있다.
산화 니켈 나노 파티클을 생성하는 단계에서, 80 ℃ 내지 200 ℃의 온도에서 전구체 용액을 가열하고 교반한 이후 환원제를 첨가할 수 있다.
산화 니켈 나노 파티클을 분리하는 단계와 잉크를 제조하는 단계 사이에, 산화 니켈 나노 파티클을 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 또는 아세톤(acetone)으로 세척하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 순차적으로 적층되어 있는 제1 전극, 정공수송층, 활성층, 전자수송층, 그리고 제2 전극을 포함하고, 여기서 정공수송층은 산화 니켈 나노 파티클이 균일하게 분산되어 있는 박막이다.
제1 전극과 정공수송층 사이에 정공주입층을 더 포함하고, 정공주입층은 산화 니켈 나노 파티클이 균일하게 분산되어 있는 박막일 수 있다.
정공수송층의 두께는 10 nm 내지 100 nm일 수 있다.
제1 전극은 ITO를 포함하고, 활성층은 CH3NH3PbI3 를 포함하며, 전자수송층은 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester)를 포함하고, 제2 전극은 LiF 및 Al을 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예는 박막의 누설 전류 감소시켜 태양전지의 전력 변환 효율을 증대시킬 수 있고, 박막의 내부식성을 향상시켜 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 박막의 제조 비용을 저감시킬 수 있고, 박막의 제조공정 용이성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 박막을 포함하는 태양전지의 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 태양전지의 에너지 레벨(energy level)을 나타내는 밴드 다이어그램이다.
도 3은 실시예에 따른 박막의 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 4a는 실시예에 따라 제조된 박막의 표면에 대한 저배율의 SEM 이미지이고, 도 4b는 실시예에 따라 제조된 박막의 표면에 대한 고배율의 SEM 이미지이다.
도 5는 실시예에 따라 제조된 박막을 정공수송층으로 포함하는 태양전지의 단면에 대한 SEM 이미지이다.
도 6은 일반적인 태양전지의 정공수송층과 실시예에 따른 정공수송층의 전압 특성을 비교한 그래프이다.
도 7은 일반적인 태양전지의 정공수송층과 실시예에 따른 정공수송층의 전류 밀도 특성을 비교한 그래프이다.
도 8은 일반적인 태양전지의 정공수송층과 실시예에 따른 정공수송층의 충전률 특성을 비교한 그래프이다.
도 9는 일반적인 태양전지의 정공수송층과 실시예에 따른 정공수송층의 전력 변환 효율 특성을 비교한 그래프이다.
도 10은 일반적인 태양전지의 정공수송층과 실시예에 따른 정공수송층의 전압에 대한 전류 밀도 특성을 비교한 그래프이다.
도 11a는 실시예에 따라 제조된 박막의 표면에 대한 저배율의 SEM 이미지이고, 도 11b는 실시예에 따라 제조된 박막의 표면에 대한 고배율의 SEM 이미지이다.
도 12는 실시예에 따라 제조된 박막을 정공수송층으로 포함하는 태양전지의 단면에 대한 SEM 이미지이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서는, 설명의 편의를 위해서, 산화 니켈 나노 파티클이 균일하게 분산되어 있는 박막이 태양전지의 정공수송층(130)에 적용되는 실시예를 주로 설명하였지만, 박막은 태양전지 이외에도 유기발광 표시장치(Organic Light Emitting Device)에도 적용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 박막을 포함하는 태양전지의 개략적인 도면이고, 도 2는 도 1의 태양전지의 에너지 레벨(energy level)을 나타내는 밴드 다이어그램이다.
도 1의 태양전지와 도 2의 에너지 레벨 밴드 다이어그램은, 설명의 편의를 위해 예시적으로 도시된 것이고, 실시예들에 따른 태양전지는 다양한 구조를 가질 수 있고, 도시된 층들보다 더 많은 수의 층을 포함할 수 있으며, 각 층들은 다양한 에너지 레벨을 가질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 태양전지(100)는 기판(110) 상에 순차적으로 적층되어 있는 제1 전극(120), 정공수송층(130), 활성층(140), 전자수송층(150), 그리고 제2 전극(160)을 포함하고, 여기서 정공수송층(130)은 산화 니켈 나노 파티클(NiO nano particle)이 균일하게 분산되어 있는 박막(thin film)일 수 있다.
태양전지(100)는, 예를 들어 페로브스카이트(perovskite) 태양전지 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
기판(110)은, 예를 들어, 유리(glass)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 다양한 고분자 물질을 포함할 수도 있다.
제1 전극(120)은 양극, 애노드(anode) 전극 등과 동일한 의미일 수 있고, 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide)를 포함할 수 있다. 제1 전극(120)과 대향하여 위치하는 제2 전극(160)은 음극, 캐소드(cathode) 전극 등과 동일한 의미일 수 있고, 예를 들어, LiF 및 Al를 포함할 수 있다.
정공수송층(130)은, 예를 들어, 산화 니켈 나노 파티클(NiO nano particle)이 균일하게 분산되어 있는 박막(thin film)일 수 있다. 정공수송층(130)은 제1 전극(120)에서 발생한 정공(hole)이 활성층(140)에 보다 용이하게 주입될 수 있도록 기능할 수 있다.
실시예들에 따른 박막은 누설 전류 감소시키고 광 생성된 반송자들의 재결합을 최소화함으로써 태양전지(100)의 효율을 증대시킬 수 있고, 부식성을 감소시켜 태양전지(100)의 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
정공수송층(130)에 포함된 산화 니켈 나노 파티클(NiO NP)은 합성이 용이하고, 전구체 물질이 저렴하여 대량 생산 시의 제조원가를 획기적으로 낮출 수 있고, 보관수명(shelf life time)이 길 수 있다. 또한, 일반적인 정공수송층 물질인 PEDOT:PSS 에 비해 공기에 의한 내부식성이 우수하고, 정공 수송 능력이 대등하거나 더 우수할 수 있다.
정공수송층(130)의 두께는 약 10 nm 내지 약 100 nm일 수 있다. 이러한 범위 내에서 정공수송층(130)을 포함하는 태양전지의 전력 변환 효율(power conversion efficiency)을 향상시킬 수 있다. 보다 상세하게는, 정공수송층(130)의 두께는 약 40 nm 내지 약 45 nm일 수 있다. 이러한 범위에서, 태양전지(100)의 전력 변환 효율이, PEDOT:PSS 를 정공수송층 물질로 포함하는 일반적인 태양전지의 전력 변환 효율에 비해 더욱 향상될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 실시예들에 따른 태양전지는 제1 전극(120)과 정공수송층(130) 사이에 정공주입층을 더 포함할 수 있다. 정공주입층은 산화 니켈 나노 파티클이 균일하게 분산되어 있는 박막일 수 있다. 이러한 정공주입층은 제1 전극(120)에서 발생한 정공이 정공수송층(130)으로 용이하게 이동할 수 있도록 밴드갭(bandgap) 에너지를 조절하는 기능을 수행할 수 있다.
활성층(140)은 광을 흡수하여 전력을 생성하는 층으로서, 예를 들어, CH3NH3PbI3 를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
전자수송층(150)은 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 다양한 물질을 포함할 수 있다. 전자수송층(150)은 제2 전극(160)에서 발생한 전자가 활성층(140)에 보다 용이하게 주입될 수 있도록 기능할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 본 명세서에서, 실시예들에 따른 박막은 유기발광표시장치(organic light emitting display device)의 정공수송층 또는 정공주입층으로 적용될 수 있다.
유기발광표시장치는 제1 전극, 정공주입층, 정공수송층, 유기 발광층, 전자수송층, 전자주입층 등을 포함할 수 있으며, 산화 니켈 나노 파티클이 균일하게 분산되어 있는 박막을 정공주입층 또는 정공수송층으로 포함할 수 있다.
이하에서는 전술한 정공수송층(130)의 박막을 제조하는 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 실시예에 따른 박막의 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 박막의 제조방법은, 산화 니켈 나노 파티클(NiO nano particle)이 균일하게 분산되어 있는 잉크를 준비하는 단계(S210), 베이스층(base layer) 상에 잉크를 도포하는 단계(S230), 그리고 잉크를 경화시켜 산화 니켈 나노 파티클을 포함하는 박막(thin film)을 형성하는 단계(S250)를 포함한다.
여기서, 잉크를 준비하는 단계(S210)는, 산화 니켈 나노 파티클 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계(S212), 전구체 용액에 환원제를 첨가하여 산화 니켈 나노 파티클 전구체를 환원시켜 산화 니켈 나노 파티클을 생성하는 단계(S214), 전구체 용액으로부터 산화 니켈 나노 파티클을 분리하는 단계(S216), 그리고 분리된 산화 니켈 나노 파티클을 유기용매에 균일하게 분산시켜 잉크를 제조하는 단계(S218)를 포함한다.
잉크를 준비하는 단계(S210)를 상세히 설명하면, 우선 산화 니켈 나노 파티클 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계(S212)가 수행된다.
여기서, 산화 니켈 나노 파티클 전구체는 nickel(II) acetylacetonate (C10H14NiO4) 일 수 있고, 전구체 용액의 용매는 oleylamine (C18H37N) 일 수 있다. nickel(II) acetylacetonate 과 oleylamine 은 값이 저렴한 물질이기 때문에, 산화 나노 파티클 잉크의 제조 원가를 감소시킬 수 있다. 또한 nickel(II) acetylacetonate 의 경우, 환원제에 의해 산화 니켈 나노 파티클을 우수한 효율로 생성할 수 있다.
한편, 전구체 용액은 추가적으로 oleic acid (C18H34O2) 를 포함할 수 있다. oleic acid가 포함된 경우나 포함되지 않은 경우 모두에 있어서, 태양전지의 정공수송층(130)으로 활용될 수 있다.
이어서, 전구체 용액에 환원제를 첨가하여 산화 니켈 나노 파티클을 생성하는 단계(S214)가 수행된다.
예를 들어, 환원제는 borane-dimethylamine ((CH3)2NH·BH3), borane-triethylamine ((C2H5)3N·BH3), 또는 borane-trimethylamine ((CH3)3N·BH3) 일 수 있으나 이에 제한되지 않고 다양한 물질을 포함할 수 있다. 환원제의 첨가로 인해 산화 니켈 나노 파티클 전구체가 산화 니켈 나노 파티클로 환원될 수 있다.
여기서, 환원제를 첨가하기 이전에 약 80 ℃ 내지 약 200 ℃ (약 80 ℃ ~ 약 200 ℃)의 온도에서 소정의 시간 동안 전구체 용액을 가열하고 전구체 용액을 교반 할 수 있다. 예를 들어, 가열 시간은 약 1시간 이상일 수 있다. 이로 인해, 전구체 용액에 용해되어 존재할 수 있는 산소를 제거하고, 수분을 증발시켜 환원 반응을 보다 효율적으로 수행할 수 있다.
또한 환원제를 첨가하여 환원 반응이 수행된 이후, 전구체 용액을 실온(room temperature)까지 냉각시킬 수 있다.
다음으로, 전구체 용액으로부터 산화 니켈 나노 파티클을 분리하는 단계(S216)가 수행된다.
산화 니켈 나노 파티클은 원심 분리 공정을 통해 전구체 용액으로부터 분리될 수 있다. 원심 분리 공정은, 예를 들어, 원심분리기를 사용하여 약 1000 내지 10000 rpm으로 약 15분에 걸쳐 수행될 수 있다.
이어서, 분리된 산화 니켈 나노 파티클을 수집한 후, 분리된 산화 니켈 나노 파티클을 유기용매에 균일하게 분산시켜 잉크를 제조하는 단계(S218)를 수행한다.
여기서, 유기용매는 tetradecane (C14H30) 일 수 있다. 일반적으로 산화 니켈일 포함된 잉크를 제조하는 경우, toluene (C7H8), alpha-terpineol (C10H18O), hexane (C6H14) 등이 유기용매로서 사용될 수 있지만, tetradecane을 잉크의 유기용매로 사용하여 태양전지에 적용했을 경우, 보다 우수한 전력 변환 효율을 나타낼 수 있다.
분리된 산화 니켈 나노 파티클을 tetradecane 용매에 혼합한 후, 초음파 처리(sonication)를 통해 용액을 초음파에 노출시켜 산화 니켈 나노 파티클을 용매에 균일하게 분산시킬 수 있다. 이로 인해, 이후 산화 니켈 나노 파티클을 포함하는 잉크가 베이스층 상에 도포되었을 때, 모든 부분에서 균일한 성능을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 잉크가 경화되어 태양전지의 정공수송층(130)으로 기능하는 경우, 모든 부분에서 동일한 정공 수송 능력을 나타낼 수 있다.
추가적으로, 산화 니켈 나노 파티클을 분리하는 단계(S216)와 잉크를 제조하는 단계(S218) 사이에, 산화 니켈 나노 파티클을 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 또는 아세톤(acetone)으로 세척하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이로 인해 보다 고순도의 산화 니켈 나노 파티클을 tetradecane에 분산시킬 수 있고, 박막의 성능을 향상시킬 수 있다.
실시예들에 따른 산화 니켈 나노 파티클을 포함하는 잉크는 합성이 용이할 수 있고, 전구체 물질인 nickel(II) acetylacetonate (C10H14NiO4)의 비용이 저렴하여 제조 원가를 낮출 수 있으며, 공기에 대한 안정성이 높을 수 있다. 또한 잉크의 보관 수명을 향상시킬 수 있다.
이어서, 베이스층(base layer) 상에 제조된 잉크를 도포하는 단계(S230)가 수행된다.
여기서, 베이스층은, 예를 들어, 태양전지의 제1 전극(120)일 수 있다. 다시 말해서, 균일하게 분산되어 있는 산화 니켈 나노 파티클을 포함하는 잉크는 태양전지의 ITO 상에 도포될 수 있다. 다만, 베이스층은 이에 제한되지 않고, 유기발광 표시장치의 애노드 전극일 수 있고, 그 밖의 다양한 소자의 구성이 될 수 있다.
잉크의 도포는, 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 스크린 프린팅(screen printing), 그라비어 프린팅(gravure printing), 오프셋 프린팅(offset printing), 마이크로 임프린팅(micro-imprinting), 나노 임프린팅(nano-imprinting) 중 어느 하나의 공정에 의할 수 있다.
이러한 용액 공정은, 화학적 기상증착(chemical vapor deposition)이나 물리적 기상증착(physical vapor deposition) 등의 공정에 비해 현저하게 저렴할 수 있고, 공정 수행 속도가 빠를 수 있다. 또한 잉크의 농도를 조절하여 박막의 두께를 필요에 따라 용이하게 조절할 수 있다.
다음으로, 잉크를 경화시켜 산화 니켈 나노 파티클을 포함하는 박막을 형성하는 단계(S250)가 수행된다.
이 단계에서, 베이스층 상에 도포된 잉크는 200 ℃ 내지 500 ℃의 온도로 가열되어 경화될 수 있다.
일반적인 박막의 제조방법의 경우, 산화 니켈 나노 파티클을 화학적 기상증착 또는 물리적 기상증착 공정에 의해 증착한 후, 약 500 ℃ 이상의 온도에서 열처리를 수행하는 반면, 실시예들에 따른 박막의 제조방법에 따르면, 500 ℃ 이하의 온도에서도 잉크의 경화가 일어날 수 있으므로, 반응 공정 비용과 시간이 절감될 수 있다.
한편, 베이스층 상에 도포된 잉크는 레이저(laser)를 조사를 통해 경화될 수 있다. 이러한 경우, 필요에 따라 박막에 소정의 패턴(pattern)을 형성할 수 있다.
전술한 제조방법에 의해 제조된 박막은 태양전지의 정공수송층(130) 또는 유기발광 표시장치의 정공수송층 등에 적용될 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
산화 니켈 나노 파티클 전구체인 1 mmol의 nickel(II) acetylacetonate (C10H14NiO4)를 15 ml의 oleylamine (C18H37N)에 혼합하여 전구체 용액을 제조한다.
이후 용해된 산소 등의 가스를 배출하고, 수분을 증발시키기 위해 교반(stirring) 하면서, 약 1시간에 걸쳐 약 110 ℃의 온도에서 가열한다.
다음으로, 전구체 용액을 약 90 ℃까지 냉각시키고, 환원제인 borane-triethylamine ((C2H5)3NBH3) 약 2.4 mmol을 약 2 ml의 oleylamine (C18H37N)에 혼합하여 전구체 용액에 주입한다. 다음으로, 약 90 ℃에서 약 1시간 동안 교반을 수행하여 산화 니켈 나노 파티클 전구체를 산화 니켈 나노 파티클로 환원시킨다. 이후 용액을 실온(room temperature)까지 냉각시킨다.
이어서, 전구체 용액에 에탄올(C2H6O)을 약 30 ml 추가한 후, 원심분리기를 사용하여 약 3000 내지 4000 rpm으로 약 15분에 걸쳐 원심 분리를 수행하여 산화 니켈 나노 파티클을 분리한다. 분리된 산화 니켈 나노 파티클은 에탄올에 2 내지 3회 세척한다.
산화 니켈 나노 파티클이 균일하게 분산되어 있는 잉크를 제조하기 위해, 분리된 산화 니켈 나노 파티클을 유기용매인 tetradecane (C14H30) 에 혼합하고, 초음파 처리(sonication)을 통해 산화 니켈 나노 파티클(NiO nano particle)이 균일하게 분산되어 있는 잉크를 제조한다.
이어서, 유기 기판 위에 균일한 두께로 코팅되어 있는 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 베이스층(base layer) 상에, 약 500 내지 5000 rpm으로 약 1분에 걸친 스핀 코팅(spin coating) 공정을 통해 잉크를 도포한다.
다음으로, 약 200 ℃ 또는 그 이상의 온도에서 열처리를 수행하여 잉크를 경화시켜 박막(thin film)을 제조한다.
실시예 2
산화 니켈 나노 파티클 전구체인 1 mmol의 nickel(II) acetylacetonate (C10H14NiO4)를 15 ml의 oleylamine (C18H37N)에 혼합하고, 추가적으로 oleic acid (C18H34O2) 를 약 1 mmol 혼합한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 박막을 제조한다.
도 4a는 실시예 1에 따라 제조된 박막의 표면에 대한 저배율의 SEM 이미지이고, 도 4b는 실시예 1에 따라 제조된 박막의 표면에 대한 고배율의 SEM 이미지이다. 도 5는 실시예 1에 따라 제조된 박막을 정공수송층으로 포함하는 태양전지의 단면에 대한 SEM 이미지이다.
도 5에 도시된 태양전지(100)는, 유리를 포함하는 기판(110), ITO를 포함하는 제1 전극(120), 실시예 1에 따라 제조된 박막인 정공수송층(130), CH3NH3PbI3 를 포함하는 활성층(140), PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester)를 포함하는 전자수송층(150), LiF 및 Al을 포함하는 제2 전극이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 가질 수 있다. 도 5에서, 정공수송층(130)의 두께는 41.9 nm 이지만, 잉크의 농도 조절을 통해 다양한 두께로 형성될 수 있다.
하기 표 1은 태양전지의 정공수송층이 PEDOT:PSS를 포함하는 경우, 정공수송층(130)이 실시예 1에 따라 제조되고 두께가 약 25 nm 내지 약 30 nm인 경우, 약 40 nm 내지 약 45 nm인 경우 및 약 60 nm 내지 약 65 nm인 경우에 대한 전압(open circuit voltage, Voc), 전류 밀도(Jsc), 충전률(fill factor, FF), 그리고 전력 변환 효율(power conversion efficiency, PCE)을 나타낸다.
또한 도 6 내지 도 9는 표 1의 결과를 도시한 그래프들이다. 도 6은 일반적인 태양전지의 정공수송층과 실시예에 따른 정공수송층의 전압 특성을 비교한 그래프이고, 도 7은 전류 밀도 특성을 비교한 그래프이며, 도 8은 충전률 특성을 비교한 그래프이고, 도 9는 전력 변환 효율 특성을 비교한 그래프이다. 또한 도 10은 일반적인 태양전지의 정공수송층과 실시예에 따른 정공수송층의 전압에 대한 전류 밀도 특성을 비교한 그래프이다.
표 1과 도 6 내지 10을 참조하면, 실시예 1에 따른 정공수송층을 포함하는 태양전지는, 모든 전기적 특성에 있어서, PEDOT:PSS을 포함하는 정공수송층이 적용된 태양전지와 대등하거나 우수한 값을 갖는 것을 볼 수 있다.
예를 들어, 정공수송층이 산화 니켈 나노 파티클을 포함하고, 두께가 약 40 내지 약 45 nm인 경우, 전류 밀도가 17. 34 mA/cm2이고 전력변환효율이 10.2 %로서, 일반적인 경우보다 현저하게 우수한 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.
정공수송층 Voc (V) Jsc (mA/cm2) FF PCE (%)
PEDOT:PSS 0.80 13.88 0.71 7.9
NiO NP
25 - 30 nm		 0.93 11.09 0.66 6.7
NiO NP
40 - 45 nm		 1.00 17.34 0.60 10.2
NiO NP
60 - 65 nm		 0.99 13.42 0.61 7.7
한편, 도 11a는 실시예 2에 따라 제조된 박막의 표면에 대한 저배율의 SEM 이미지이고, 도 11b는 실시예 2에 따라 제조된 박막의 표면에 대한 고배율의 SEM 이미지이다. 도 12는 실시예 2에 따라 제조된 박막을 정공수송층으로 포함하는 태양전지의 단면에 대한 SEM 이미지이다.
도 12에 도시된 태양전지(100)는, 유리를 포함하는 기판(110), ITO를 포함하는 제1 전극(120), 실시예 1에 따라 제조된 박막인 정공수송층(130), CH3NH3PbI3 를 포함하는 활성층(140), PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester)를 포함하는 전자수송층(150), LiF 및 Al을 포함하는 제2 전극이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 가질 수 있다. 도 12에서, 정공수송층(130)의 두께는 42.2 nm 이지만, 잉크의 농도 조절을 통해 다양한 두께로 형성될 수 있다.
하기 표 2는 태양전지의 정공수송층이 PEDOT:PSS를 포함하는 경우, 정공수송층(130)이 실시예 2에 따라 제조되고 두께가 약 25 nm 내지 약 30 nm인 경우, 약 40 nm 내지 약 45 nm인 경우 및 약 60 nm 내지 약 65 nm인 경우에 대한 전압(Voc), 전류 밀도(Jsc), 충전률(FF), 그리고 전력 변환 효율(PCE)을 나타낸다.
표 2를 참조하면, 실시예 2에 따른 정공수송층을 포함하는 태양전지는, 모든 전기적 특성에 있어서, PEDOT:PSS을 포함하는 정공수송층이 적용된 태양전지와 대등한 정도의 값을 갖는 것을 볼 수 있다.
정공수송층 Voc (V) Jsc (mA/cm2) FF PCE (%)
PEDOT:PSS 0.80 13.88 0.71 7.9
NiO NP
25 - 30 nm		 0.91 11.26 0.60 6.1
NiO NP
40 - 45 nm		 0.94 13.38 0.62 7.8
NiO NP
60 - 65 nm		 0.91 10.04 0.57 5.2
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 태양전지 110: 기판
120: 제1 전극 130: 정공수송층
140: 활성층 150: 전자수송층
160: 제2 전극

Claims (15)

  1. 산화 니켈 나노 파티클(NiO nano particle)이 균일하게 분산되어 있는 잉크를 준비하는 단계,
    베이스층(base layer) 상에 상기 잉크를 도포하는 단계, 그리고
    상기 잉크를 경화시켜 산화 니켈 나노 파티클을 포함하는 박막(thin film)을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 잉크를 준비하는 단계는,
    산화 니켈 나노 파티클 전구체를 포함하는 전구체 용액을 제조하는 단계,
    상기 전구체 용액에 환원제를 첨가하여 상기 산화 니켈 나노 파티클 전구체를 환원시켜 상기 산화 니켈 나노 파티클을 생성하는 단계,
    상기 전구체 용액으로부터 상기 산화 니켈 나노 파티클을 분리하는 단계, 그리고
    상기 분리된 산화 니켈 나노 파티클을 유기용매에 균일하게 분산시켜 상기 잉크를 제조하는 단계
    를 포함하는 박막의 제조방법.
  2. 제1항에서,
    상기 산화 니켈 나노 파티클 전구체는 nickel(II) acetylacetonate (C10H14NiO4) 인 박막의 제조방법.
  3. 제2항에서,
    상기 전구체 용액의 용매는 oleylamine (C18H37N) 인 박막의 제조방법.
  4. 제1항에서,
    상기 환원제는 borane-dimethylamine ((CH3)2NH·BH3), borane-triethylamine ((C2H5)3N·BH3), 또는 borane-trimethylamine ((CH3)3N·BH3) 인 박막의 제조방법.
  5. 제1항에서,
    상기 산화 니켈 나노 파티클을 분리하는 단계에서, 원심 분리를 통해 상기 전구체 용액으로부터 상기 산화 니켈 나노 파티클을 분리하는 박막의 제조방법.
  6. 제1항에서,
    상기 유기용매는 tetradecane (C14H30) 인 박막의 제조방법.
  7. 제1항에서,
    상기 잉크를 제조하는 단계에서, 초음파 처리(sonication)를 통해 상기 산화 니켈 나노 파티클을 유기용매에 균일하게 분산시키는 박막의 제조방법.
  8. 제1항에서,
    상기 박막을 형성하는 단계에서, 200 ℃ 내지 500 ℃의 온도로 상기 잉크를 가열하여 상기 잉크를 경화시키는 박막의 제조방법.
  9. 제1항에서,
    상기 박막을 형성하는 단계에서, 상기 잉크에 레이저(laser)를 조사하여 상기 잉크를 경화시키는 박막의 제조방법.
  10. 제1항에서,
    상기 산화 니켈 나노 파티클을 생성하는 단계에서, 80 ℃ 내지 200 ℃의 온도에서 상기 전구체 용액을 가열하고 교반(stirring)한 이후 상기 환원제를 첨가하는 박막의 제조방법.
  11. 제1항에서,
    상기 산화 니켈 나노 파티클을 분리하는 단계와 상기 잉크를 제조하는 단계 사이에, 상기 산화 니켈 나노 파티클을 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 또는 아세톤(acetone)으로 세척하는 단계를 추가로 포함하는 박막의 제조방법.
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