KR101820030B1 - 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 이용한 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
벌크 헤테로 접합 태양 전지가 제공될 수 있다. 상기 벌크 헤테로 접합 태양 전지는 기판 상에 차례로 적층된 제1 전극 및 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되고, 빛을 받아 전자-정공 쌍을 형성하는 벌크 헤테로 접합 층을 포함한다. 상기 벌크 헤테로 접합 층은 은-환원된 그래핀 산화물(silver-reduced graphene oxide; Ag-rGO) 복합 재료를 포함한다.
Description
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 포함하는 활성 층을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 환경 오염 문제와 화석 에너지 고갈로 인하여, 차세대 청정 에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 태양 전지는 친환경적이고, 자원이 무한하며, 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래의 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
태양 전지는 활성 층의 물질에 따라, 무기 태양전지(inorganic solar cell), 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell), 및 유기 태양전지(organic solar cell)로 구분될 수 있다.
벌크 헤테로 접합(bulk heterojunction) 태양 전지는 유기 태양 전지의 한 종류이다. 벌크 헤테로 접합 태양 전지는 다른 태양 전지에 비해 광전류 밀도가 낮고, 대기 환경에서의 안정성이 낮다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광전류 밀도 및 대기 환경에서의 안정성이 향상된 벌크 헤테로 접합 태양 전지를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광전류 밀도 및 대기 환경에서의 안정성이 향상된 벌크 헤테로 접합 태양 전지의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 기판 상에 차례로 적층된 제1 전극 및 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되고, 빛을 받아 전자-정공 쌍을 형성하는 벌크 헤테로 접합 층을 포함할 수 있다. 상기 벌크 헤테로 접합 층은 은-환원된 그래핀 산화물(silver-reduced graphene oxide; Ag-rGO) 복합 재료를 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료는 그래핀의 표면에 고정된 은 나노입자들을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 은 나노입자들은 2 nm 내지 15 nm의 크기를 가질 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 벌크 헤테로 접합 층에 포함된 상기 은-환원된 그래핀 산화물의 함량은 1 wt% 내지 10 wt%일 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 벌크 헤테로 접합 층에 포함된 상기 은-환원된 그래핀 산화물의 함량은 8 wt%일 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 벌크 헤테로 접합 층은 전자 도너 물질 및 전자 억셉터 물질을 더 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제1 전극과 상기 벌크 헤테로 접합 층 사이에 배치되는 전자 전달 층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제2 전극과 상기 벌크 헤테로 접합 층 사이에 배치되는 정공 전달 층을 더 포함할 수 있다.
상기 해결하고자 하는 다른 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 제조 방법은 제1 전극 상에 벌크 헤테로 접합 층을 형성하는 것; 및 상기 벌크 헤테로 접합 층 상에 제2 전극을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 벌크 헤테로 접합 층은 은-환원된 그래핀 산화물(silver-reduced graphene oxide; Ag-rGO) 복합 재료를 포함할 수 있다. 상기 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 형성하는 것은 질산은 및 그래핀 산화물을 포함하는 제1 용액을 준비하는 것; 및 상기 제1 용액에 마이크로파를 조사하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제1 용액은 폴리비닐피롤리돈을 더 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제1 용액을 준비하는 것은 질산은 및 그래핀 산화물을 포함하는 제2 용액을 준비하는 것; 질산은 및 폴리비닐피롤리돈을 포함하는 제3 용액을 준비하는 것; 및 상기 제2 용액 및 제3 용액을 혼합하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제2 용액의 용매는 에탄올을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제3 용액의 용매는 1,2-프로판디올(1,2-propanediol)을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 벌크 헤테로 접합 층을 형성하는 것은 전자 도너 물질 및 전자 억셉터 물질을 포함하는 제4 용액을 준비하는 것; 상기 제4 용액에 상기 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 혼합하여 제5 용액을 제조하는 것; 상기 제1 전극 상에 상기 제5 용액을 도포하는 것; 및 상기 도포된 제5 용액에 열처리 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제4 용액을 준비하는 것은 폴리(3-헥실티오펜) 및 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸에스테르를 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene)에 용해시키는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 상기 제1 용액에 마이크로파를 조사하는 것은 펄스 모드의 마이크로파를 조사하는 것을 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 은-환원된 그래핀 산화물(Ag-rGO) 복합 재료를 포함하는 벌크 헤테로 접합 층을 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 향상된 광전류 밀도 및 향상된 공기 안정성을 가질 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지를 나타내는 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층의 미세 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5a는 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 X-선 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 5b는 그래핀 산화물 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 6a는 마이크로파 조사를 이용하여 제조된 환원된 그래핀 산화물의 TEM 이미지이다.
도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 TEM 이미지이다.
도 6c는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 은 나노입자의 HRTEM 이미지 및 SAED 패턴 이미지이다.
도 6d는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 EDX(energy-dispersive X-ray) 스펙트럼 이미지이다.
도 6e는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료에 포함된 은 나노입자들의 크기 분포를 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 가해진 전위(applied potential)에 따른 전류밀도(current density)를 나타내는 그래프들이다.
도 7c는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 채널 영역으로 이용한 전계 효과 트랜지스터의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층의 자외선-가시광선 흡수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층의 자외선-가시광선 반사 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 일 함수(work function)을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지들의 광전류 밀도-광전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11a는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 광전류 밀도-광전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11b는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 IPCE를 나타내는 그래프이다.
도 11c는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 EIS를 나타내는 그래프이다.
도 11d는 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층의 발광 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12a는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 시간에 따른 광전압을 나타내는 그래프이다.
도 12b는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 시간에 따른 광전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 12c는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 시간에 따른 충전률을 나타내는 그래프이다.
도 12d는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 시간에 따른 에너지 변환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 1b는 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층의 미세 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5a는 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 X-선 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 5b는 그래핀 산화물 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 6a는 마이크로파 조사를 이용하여 제조된 환원된 그래핀 산화물의 TEM 이미지이다.
도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 TEM 이미지이다.
도 6c는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 은 나노입자의 HRTEM 이미지 및 SAED 패턴 이미지이다.
도 6d는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 EDX(energy-dispersive X-ray) 스펙트럼 이미지이다.
도 6e는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료에 포함된 은 나노입자들의 크기 분포를 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 가해진 전위(applied potential)에 따른 전류밀도(current density)를 나타내는 그래프들이다.
도 7c는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 채널 영역으로 이용한 전계 효과 트랜지스터의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층의 자외선-가시광선 흡수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층의 자외선-가시광선 반사 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 일 함수(work function)을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지들의 광전류 밀도-광전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11a는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 광전류 밀도-광전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11b는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 IPCE를 나타내는 그래프이다.
도 11c는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 EIS를 나타내는 그래프이다.
도 11d는 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층의 발광 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12a는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 시간에 따른 광전압을 나타내는 그래프이다.
도 12b는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 시간에 따른 광전류 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 12c는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 시간에 따른 충전률을 나타내는 그래프이다.
도 12d는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 시간에 따른 에너지 변환 효율을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1a는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지를 나타내는 단면도이다. 도 1b는 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층의 미세 구조를 개략적으로 도시한다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 차례로 적층된 기판(100), 제1 전극(110), 전자 전달 층(120), 활성 층(혹은, 벌크 헤테로 접합 층)(130), 정공 전달 층(140), 및 제2 전극(150)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 투명할(transparent) 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 유리 기판일 수 있다.
기판(100) 상에 제1 전극(110)이 배치될 수 있다. 제1 전극(110)은 투명할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(110)은 FTO(Fluorine doped tin oxide), ITO(Indium tin oxide), 또는 산화아연(ZnO)을 포함할 수 있다.
제1 전극(110) 상에 전자 전달 층(120)이 배치될 수 있다. 전자 전달 층(120)은 투명할 수 있다. 예를 들어, 전자 전달 층(120)은 ZnO를 포함할 수 있다.
도 1b를 더 참조하면, 전자 전달 층(120) 상에 활성 층(혹은, 벌크 헤테로 접합 층)(130)이 배치될 수 있다. 활성 층(130)은 전자 도너 물질, 전자 억셉터 물질, 및 은-환원된 그래핀 산화물(silver-reduced graphene oxide; Ag-rGO) 복합 재료(136)를 포함할 수 있다. 상기 전자 도너 물질은 전자 도너 영역(132)을 이룰 수 있고, 상기 전자 억셉터 물질은 전자 억셉터 영역(134)을 이룰 수 있다. 전자 도너 영역(132)과 전자 억셉터 영역(134)은 서로 무작위로 섞여 벌크 헤테로 접합 구조를 이룰 수 있다. 예를 들어, 상기 전자 도너 물질은 폴리(3-헥실티오펜)(poly(3-hexylthiophene); 이하 P3HT)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전자 억셉터 물질은 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸에스테르([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester; 이하 PCBM)을 포함할 수 있다. 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(136)는 전자 도너 영역(132)과 전자 억셉터 영역(134)이 이루는 헤테로 접합 구조 내에 분산되어 있을 수 있다.
은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(136)는 그래핀 및 상기 그래핀의 표면에 고정된 은 나노입자들(silver nanoparticles)을 포함할 수 있다. 상기 은 나노입자들은 약 2 nm 내지 약 15 nm의 크기를 가질 수 있다.
활성 층(130)에 포함된 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(136)의 함량은 약 1 wt% 내지 약 10 wt%일 수 있다. 몇몇 실시예들에 따르면, 활성 층(130)에 포함된 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(136)의 함량은 약 8 wt%일 수 있다.
활성 층(130)은 외부로부터 빛을 받아 전자-정공 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있다. 생성된 전자는 전자 전달 층(120)을 통해 제1 전극(110)으로 이동할 수 있으며, 생성된 정공은 전공 전달 층(140)을 통해 제2 전극(150)으로 이동할 수 있다.
활성 층(130) 상에 정공 전달 층(140)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 정공 전달 층(140)은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))를 포함할 수 있다.
정공 전달 층(140) 상에 제2 전극(150)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(150)은 금(Au)을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 예를 들어, 도 2는 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도일 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1a 및 도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 제1 전극(110)이 제공될 수 있다. 기판(100) 및 제1 전극(110)은 투명할 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 유리 기판일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(110)은 FTO(Fluorine doped tin oxide), ITO(Indium tin oxide), 또는 산화아연(ZnO)을 포함할 수 있다.
제1 전극(110) 상에 전자 전달 층(120)이 형성될 수 있다. (S100) 몇몇 실시예들에 따르면, 전자 전달 층(120)은 ZnO를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 전자 전달 층(120)을 형성하는 것은 아세트산아연(zinc acetate) 및 모노에탄올아민(monoethanolamine)을 포함하는 용액을 준비하는 것, 제1 전극(110) 상에 상기 용액을 도포하는 것, 및 도포된 상기 용액에 열처리 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 상기 용액은, 예를 들어, 약 0.75 mol/dm3의 아세트산아연 및 약 0.35 mol/dm3의 모노에탄올아민을 포함하는 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol)일 수 있다. 상기 용액을 도포하는 것은, 예를 들어, 제1 전극(110) 상에 약 3000 rpm으로 약 30초 동안 스핀 코팅하는 것을 포함할 수 있다. 상기 열처리 공정은, 예를 들어, 대기(air) 환경에서 약 240℃의 온도로 약 60분 동안 수행될 수 있다.
도 3을 더 참조하면, 전자 전달 층(120) 상에 활성 층(혹은, 벌크 헤테로 접합 층)(130)이 형성될 수 있다. (S200)
먼저, 전자 도너 물질 및 전자 억셉터 물질을 포함하는 용액이 준비될 수 있다. (S310) 예를 들어, 상기 용액을 준비하는 것은 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene)에 P3HT과 PCBM을 용해시키는 것을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 용액을 준비하는 것은 약 1ml의 1,2-디클로로벤젠에 약 25 mg의 P3HT와 약 25mg의 PCBM을 용해시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 S310 단계를 통해 준비된 용액에 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료가 첨가될 수 있다. (S320) 구체적인 예로, 약 0.25 mg 내지 2.5mg의 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료가 첨가될 수 있다. 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 제조하는 방법은 도 4를 참조하여 후술한다.
전자 전달 층(120) 상에, 상기 S320 단계를 통해 제조된 용액이 도포될 수 있다. (S330) 상기 용액을 도포하는 것은, 예를 들어, 상기 용액을 질소 분위기에서 약 800rpm의 속도로 약 30초 동안 스핀 코팅하는 것을 포함할 수 있다.
도포된 상기 용액에 열처리 공정이 수행될 수 있다. (S340) 상기 열처리 공정은, 예를 들어, 질소 분위기에서 약 110℃의 온도로 약 60분동안 열처리 하는 것을 포함할 수 있다.
활성 층(130) 상에 정공 전달 층(140)이 형성될 수 있다. (S400) 정공 전달 층(140)을 형성하는 것은, 예를 들어, PEDOT:PSS를 포함하는 용액을 준비하는 것, 및 활성 층(130) 상에 상기 용액을 도포하는 것, 및 도포된 상기 용액에 열처리 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 상기 용액을 도포하는 것은, 예를 들어, 상기 용액을 약 800 rpm의 속도로 약 30초 동안 스핀 코팅하는 것을 포함할 수 있다. 상기 열처리 공정은, 예를 들어, 약 120℃의 온도로 약 1시간 동안 수행될 수 있다.
정공 전달 층(140) 상에 제2 전극(150)이 형성될 수 있다. 제2 전극(150)은, 예를 들어, 진공 증착 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(150)은 금(Au)을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 구체적으로, 도 4는 도 3의 S320 단계에서 상술된 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 제조하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 질산은(silver nitrate) 및 그래핀 산화물(graphene oxide)을 포함하는 용액이 준비될 수 있다. (S10) 예를 들어, 상기 용액을 준비하는 것은 에탄올에 그래핀 산화물을 첨가하고 초음파 처리하는 것, 상기 에탄올에 1,2-프로판디올(1,2-propanediol)에 용해된 질산은을 더 첨가하는 것을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 용액을 준비하는 것은 약 10ml 에탄올에 약 10 mg의 그래핀 산화물을 첨가하고 약 10분 내지 약 15분 동안 초음파 처리하는 것, 상기 에탄올에 약 10ml의 1,2-프로판디올에 용해된 약 16mg의 질산은을 더 첨가하는 것을 포함할 수 있다.
질산은 및 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone; 이하 PVP)을 포함하는 용액이 준비될 수 있다. (S20) 예를 들어, 상기 용액을 준비하는 것은 1,2-프로판디올에 질산은 및 PVP를 용해시키는 것을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 용액을 준비하는 것은 약 20ml의 1,2-프로판디올에 약 340mg의 질산은 및 약 400mg의 PVP를 용해시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 S10 단계를 통해 준비된 용액 및 상기 S20 단계를 통해 준비된 용액이 혼합될 수 있다. (S30)
상기 S30 단계를 통해 제조된 용액에 마이크로파가 조사될 수 있다. (S40) 예를 들어, 상기 용액에 마이크로파의 조사의 온(on)/오프(off)가 교대로 반복되는 펄스 모드의 마이크로파가 조사될 수 있다. 구체적인 예로, 상기 용액에 약 20초 동안의 마이크로파의 조사와 약 10초 동안의 중지가 반복되는 펄스 모드의 마이크로파가 조사될 수 있다. 상기 마이크로파의 조사는 약 3.5 x 10-2 Pa의 기압 조건에서 약 1시간 동안 수행될 수 있다.
상기 S40 단계를 거친 용액은 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료는 상기 S40 단계를 거친 용액 내에 검은색 침전물로 존재할 수 있다. 상기 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료에 세정 공정이 수행될 수 있다.
도 5a는 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 X-선 회절(X-ray diffraction; 이하 XRD) 패턴을 나타내는 그래프이다. 도 5b는 그래핀 산화물 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 5a 및 도 5b에서, 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료는 도 4를 참조하여 설명한 방법을 통해 제조되었다.
도 5a를 참조하면, 그래핀 산화물(GO)의 2θ=25°에서의 피크 값은 그래핀 산화물(GO)의 (002) 면을 나타낸다. 환원된 그래핀 산화물(rGO)에서는 상기 (002)면의 피크가 약간 쉬프트(shift) 됐다. 2θ=43°에서의 작은 피크는 정렬되지 않은 탄소들을 나타낸다. 그래핀 산화물(GO) 및 환원된 그래핀 산화물(rGO)의 XRD 패턴과 비교하여 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(Ag-rGO)의 XRD 패턴은 선명한 (111), (200) 와 (220) 상을 보이는데, 이는 환원된 그래핀 산화물 시트 위에 결정성을 가지는 순수한 은 나노입자가 형성되었다는 것을 의미한다. 그래핀 산화물(GO)과 환원된 그래핀 산화물(rGO)이 2θ=23°에서 넓은 (002) 피크를 보인 것과 달리, 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(Ag-rGO)는 2θ=23°에서 약한 (002) 피크를 보였는데, 이는 환원된 그래핀 산화물 시트에 은 나노입자들이 적절히 흡착되었음을 나타낸다.
도 5b를 참조하면, 그래핀 산화물(GO)은 서로 다른 두 개의 피크를 갖는다. 즉, 그래핀 산화물(GO)은 그래파이트(graphite)의 가장자리에 구조적으로 무질서한 sp3 결합과 관련된 1349 cm-1의 D 피크와 sp2 탄소 원자들의 E2g 모드의 일차 산란과 관련된 1589 cm-1의 G 피크를 갖는다. 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(Ag-rGO)는 블루 시프트된 D 피크와 G 피크를 각각 1317 cm- 1와 1565 cm-1에서 갖는데, 이는 그래핀 산화물의 환원을 나타낸다. 또한, sp3에서 sp2 탄소로의 변환과 결함의 감소로 인해, D/G의 피크 세기 비율(ID/IG)은 그래핀 산화물(GO)에서 1.15이나, 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(Ag-rGO)에서는 0.72로 감소하였다. 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(Ag-rGO)의 D 피크와 G 피크는 그래핀 산화물(GO)의 D 피크와 G 피크에 비해 좁은 FWHM(full width of half maximum)를 갖는데, 이는 환원된 그래핀 시트 위에 은 나노입자들이 성공적으로 흡착되었음을 나타낸다. 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(Ag-rGO)는 2650 cm-1에서 two-phonon 라만 선에 기인하는 2D-밴드 피크를 보이는데, 이는 그래핀 층 수와 관련된다. 단일 층의 그래핀은 2680 cm-1에서 2D 피크를 보이고, 다층의 그래핀은 2715 cm-1에서 2D 피크를 보이는 것으로 알려져 있다. 따라서, 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(Ag-rGO)의 2650 cm-1에서 2D 피크는 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(Ag-rGO)가 단일 혹은 두세 겹의 다층 그래핀 시트를 갖는다는 것을 나타낸다.
도 6a는 마이크로파 조사를 이용하여 제조된 환원된 그래핀 산화물의 TEM(Transmission electron microscope) 이미지이다. 도 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 TEM 이미지이다. 도 6c는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 은 나노입자의 HRTEM(High-resolution transmission electron microscopy) 이미지 및 SAED(Selected area electron diffraction) 패턴 이미지이다. 도 6d는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 EDX(energy-dispersive X-ray) 스펙트럼 이미지이다. 도 6e는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료에 포함된 은 나노입자들의 크기 분포를 나타내는 도면이다. 도 6b 및 도 6e에서, 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료는 도 4를 참조하여 설명한 방법을 통해 제조되었다.
도 6a를 참조하면, 마이크로파 조사를 이용하여 얇은 환원된 그래핀 산화물 시트들이 형성되었음을 확인할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 은 나노입자들이 환원된 그래핀 산화물 시트의 표면에 고르게 고정된 것을 확인할 수 있다.
도 6c 및 도 6e를 참조하면, 환원된 그래핀 산화물 시트의 표면에 고정된 은 나노입자의 크기가 약 2nm 내지 15nm임을 확인할 수 있다. 또한, 환원된 그래핀 산화물 시트의 표면에 고정된 은 나노입자가 단결정을 가짐을 확인할 수 있다.
도 6d를 참조하면, 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료가 순수한 은(Ag) 및 환원된 그래핀 산화물(rGO)을 포함함을 확인할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 가해진 전위(applied potential)에 따른 전류밀도(current density)를 나타내는 그래프들이다.
도 7a 및 도 7b에서, 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료는 도 4를 참조하여 설명한 방법을 통해 제조되었다. 또한, 도 7a 및 도 7b에서, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료는 약 1.1nm 두께의 박막으로 제조되었다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(Ag-rGO)의 전기 전도도가 그래핀 산화물(GO) 및 환원된 그래핀 산화물(rGO)에 비하여 높음을 확인할 수 있다. 도 7b의 lnJ-E 플롯을 이용해 계산된 전기 전도도는 그래핀 산화물(GO)의 경우 6 x 102 S/m, 환원된 그래핀 산화물(rGO)의 경우 1.6 x 105 S/m, 그리고 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(Ag-rGO)의 경우 9 x 106 S/m였다.
도 7c는 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 채널 영역으로 이용한 전계 효과 트랜지스터의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 게이트 전압을 2 V씩 0 V 에서 10 V까지 차례로 올리며, 드레인-소스 전압(VDS)에 따른 드레인 전류(IDS)를 측정하였다. 도 7c에서, 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료는 도 4를 참조하여 설명한 방법을 통해 제조되었다.
도 7c를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 채널 영역으로 이용한 전계 효과 트랜지스터는 0 V의 게이트 전압에서 분명한 정류 동작을 보임을 확인할 수 있다. 또한, 게이트 전압이 증가함에 따라 상기 전계 효과 트랜지스터의 채널 영역의 전도성이 낮아짐을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료가 p형 반도체 특성을 가짐을 알 수 있다.
도 8a는 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층의 자외선-가시광선 흡수 특성을 나타내는 그래프이다. 도 8b는 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층의 자외선-가시광선 반사 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b에서, 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 방법을 통해 제조되었다. 비교를 위하여, P3HT 및 PCBM으로 이루어진 제1 비교 활성 층(P3HT:PCBM), 그리고 P3HT, PCBM, 및 환원된 그래핀 산화물로 이루어진 제2 비교 활성 층(P3HT:PCBM:rGO)의 자외선-가시광선 흡수 특성 및 자외선-가시광선 반사 특성도 측정하였다.
도 8a를 참조하면, 제1 비교 활성 층(P3HT:PCBM) 및 제2 비교 활성 층(P3HT:PCBM:rGO)에 비하여, 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층(P3HT:PCBM:Ag-rGO)이 가시광선 영역에서 향상된 광 흡수 특성을 보인다는 것을 확인할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층(P3HT:PCBM:Ag-rGO)은 약 500 nm 내지 700 nm 파장에서 높은 광흡수 특성을 보였다. 이는 환원된 그래핀 산화물의 표면에 분산된 은 나노입자들로 인한 광 산란(light scattering) 및 플라즈몬 효과(plasmonic effect)로 인한 것일 수 있다. 이에 따라, 약 330 nm 내지 약 700nm의 파장에서, 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층(P3HT:PCBM:Ag-rGO)은 제1 비교 활성 층(P3HT:PCBM) 및 제2 비교 활성 층(P3HT:PCBM:rGO)에 비하여 20% 이상 높은 광흡수 특성을 보였다.
도 8b를 참조하면, 약 350 nm 내지 약 600 nm의 파장에서, 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층(P3HT:PCBM:Ag-rGO)이 제1 비교 활성 층(P3HT:PCBM) 및 제2 비교 활성 층(P3HT:PCBM:rGO)에 비하여 낮은 반사 특성을 보임을 확인할 수 있다. 이는 환원된 그래핀 산화물의 표면에 분산된 나노입자들로 인해, 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층이 상대적으로 거친 표면을 갖기 때문일 수 있다.
도 9는 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 및 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 일 함수(work function)을 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 그래핀 산화물(GO)은 약 4.22 eV의 일 함수를 가지고, 환원된 그래핀 산화물(rGO)는 약 5.38 eV의 일 함수를 갖는다는 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료(Ag-rGO)는 그래핀 산화물(GO)과 환원된 그래핀 산화물(rGO)의 사이인 약 4.95 eV의 일 함수를 가짐을 확인할 수 있는데, 이는 벌크 헤테로 접합 에너지 다이어그램에 적합하다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지들의 광전류 밀도-광전압 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10에서, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지들은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 방법에 따라 제조되었다. 활성 층에 포함된 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 함량은 각각 약 1 wt%, 약 3 wt%, 약 5 wt%, 약 8 wt%, 및 약 10 wt%였다. 비교를 위하여, P3HT 및 PCBM으로 이루어진 활성 층을 갖는 제1 비교 태양 전지(도 10의 no additive)와 P3HT, PCBM, 및 환원된 그래핀 산화물로 이루어진 활성 층을 갖는 제2 비교 태양 전지(도 10의 rGO)의 광전류 밀도-광전압 특성도 측정하였다.
표 1은 제1 비교 태양 전지, 제2 비교 태양 전지, 및 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지들의 광전류 밀도(JSC), 광전압(VOC), 충전률(FF), 및 에너지 변환 효율(PCE)를 나타낸다.
| 활성 층 | JSC (mA/cm2) |
VOC (V) |
FF (%) |
PCE (%) |
| P3HT:PCBM (제1 비교 태양 전지) |
9.546 | 0.520 | 60.054 | 2.981 |
| P3HT:PCBM:rGO (제2 비교 태양 전지) |
11.101 | 0.524 | 59.274 | 3.447 |
| P3HT:PCBM:Ag-rGO(1 wt%) | 11.474 | 0.531 | 58.975 | 3.594 |
| P3HT:PCBM:Ag-rGO(3 wt%) | 11.670 | 0.524 | 60.119 | 3.677 |
| P3HT:PCBM:Ag-rGO (5 wt%) | 12.124 | 0.531 | 58.043 | 3.738 |
| P3HT:PCBM:Ag-rGO (8 wt%) | 12.012 | 0.556 | 59.129 | 3.949 |
| P3HT:PCBM:Ag-rGO (10 wt%) | 11.984 | 0.542 | 58.515 | 3.803 |
도 10 및 표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지들은 제1 비교 태양 전지 및 제2 비교 태양 전지보다 높은 광전류 밀도(JSC) 및 광전압(VOC)을 가짐을 확인할 수 있다. 이는, 은 나노입자들로 인한 광 산란(light scattering) 및 플라즈몬 효과(plasmonic effect)로 인한 것일 수 있다. 나아가, 이는, p형 반도체 특성을 갖는 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료가 활성 층에서 생성된 정공이 정공 전달 층으로 이동하는 것을 돕기 때문일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지들의 경우, 활성 층에 포함된 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 함량이 약 8 wt%일 때, 가장 높은 광전류 밀도(JSC)와 에너지 변환 효율(PCE)를 보이고, 그 이상의 함량에서는 감소함을 확인할 수 있다. 은 나노입자들이 긍정적인 플라즈몬 효과를 가져오기도 하지만, 동시에 전자-정공 쌍의 재결합이라는 부정적인 효과를 가져오기도 한다. 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 함량이 약 8 wt% 이상인 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 광전류 밀도(JSC)와 에너지 변환 효율(PCE)이 감소하는 것은 은 나노입자들로 인한 전자-정공 쌍의 재결합이 증가하였기 때문일 수 있다.
도 11a는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 광전류 밀도-광전압 특성을 나타내는 그래프이다. 도 11b는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 IPCE(incident photon to current conversion efficiency)를 나타내는 그래프이다. 도 11c는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 EIS(electric impedance spectroscopy)를 나타내는 그래프이다.
도 11a 내지 11c에서, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지(P3HT:PCBM:Ag-rGO)는 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 방법에 따라 제조되었다. 활성 층에 포함된 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료의 함량은 약 8 wt%였다. 비교를 위하여, P3HT 및 PCBM으로 이루어진 활성 층을 갖는 제1 비교 태양 전지(P3HT:PCBM)와 P3HT, PCBM, 및 환원된 그래핀 산화물로 이루어진 활성 층을 갖는 제2 비교 태양 전지(P3HT:PCBM:rGO)의 광전류 밀도-광전압 특성, IPCE, 및 EIS도 측정하였다.
표 2는 제1 비교 태양 전지(P3HT:PCBM), 제2 비교 태양 전지(P3HT:PCBM:rGO), 및 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지(P3HT:PCBM:Ag-rGO)의 광전류 밀도(JSC), 광전압(fill factor; FF), 입사 광자의 전류 전환 효율(incident photon to current conversion efficiency; IPCE), 전극 접촉에 의한 직렬 저항(Rs), 전자 전달 층과 활성 층 사이에서의 전하 이동 저항(Rtr), 및 전자-정공 쌍 재결합과 관련된 저항(Rrec)을 나타낸다.
| 활성 층 | JSC (mA/cm2) |
VOC (V) |
FF (%) |
IPCE (%) |
Rc (W) |
Rtr (W) |
Rrec (W) |
| P3HT:PCBM | 9.55 | 0.520 | 60.05 | 2.98 | 24.28 | 44.7 | 107.2 |
| P3HT:PCBM:rGO | 11.10 | 0.524 | 59.27 | 3.45 | 22.63 | 21.1 | 43.3 |
| P3HT:PCBM:Ag-rGO | 12.76 | 0.556 | 59.63 | 4.23 | 25.30 | 13.3 | 35.4 |
도 11a 내지 도 11b 및 표 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지(P3HT:PCBM:Ag-rGO)가 제1 비교 태양 전지(P3HT:PCBM) 및 제2 비교 태양 전지(P3HT:PCBM:rGO)에 비하여 높은 광전류 밀도(JSC), 광전압(VOC), 및 입사 광자의 전류 전환 효율(IPCE)을 보임을 확인할 수 있다.
이는, 은 나노입자들로 인한 광 산란(light scattering) 및 플라즈몬 효과(plasmonic effect)로 인한 것일 수 있다. 나아가, 이는, p형 반도체 특성을 갖는 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료가 활성 층에서 생성된 정공이 정공 전달 층으로 이동하는 것을 돕기 때문일 수 있다.
도 11c 및 표 2를 참조하면, 1 Mhz 내지 1Hz의 범위에서 0.25 V의 바이어스를 가하여 얻은 각 태양 전지들의 나이퀴스트 선도(Nyquist plot)가 도시되어 있다. Rs는 전극 접촉에 의한 직렬 저항을, Rtr은 전자 전달 층과 활성 층 사이에서의 전하 이동 저항을, 그리고 Rrec는 전자-정공 쌍 재결합과 관련된 저항을 나타낸다.
본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지(P3HT:PCBM:Ag-rGO)가 제1 비교 태양 전지(P3HT:PCBM) 및 제2 비교 태양 전지(P3HT:PCBM:rGO)에 비하여 낮은 Rtr 값을 가짐을 확인할 수 있다.
도 11d는 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층의 발광 특성을 나타내는 그래프이다. 도 11d에서 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층(P3HT:PCBM:Ag-rGO)은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 방법을 통해 제조되었다. 비교를 위하여, P3HT 및 PCBM으로 이루어진 비교 활성 층(P3HT:PCBM)의 발광 특성도 측정하였다.
도 11d를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층(P3HT:PCBM:Ag-rGO)이 비교 활성 층(P3HT:PCBM)에 비하여 낮은 발광 특성을 보임을 확인할 수 있다. 이는, 비교 활성 층(P3HT:PCBM)에서보다 본 발명의 실시예들에 따른 활성 층(P3HT:PCBM:Ag-rGO)에서 전자-정공 쌍의 재결합이 잘 이루어지지 않음을 의미한다.
도 12a는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 시간에 따른 광전압을 나타내는 그래프이다. 도 12b는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 시간에 따른 광전류 밀도를 나타내는 그래프이다. 도 12c는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 시간에 따른 충전률을 나타내는 그래프이다. 도 12d는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지의 시간에 따른 에너지 변환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 12a 내지 12d에서 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지(P3HT:PCBM:Ag-rGO)는 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 방법을 통해 제조되었다. 비교를 위하여, P3HT 및 PCBM으로 이루어진 활성 층을 포함하는 비교 태양 전지(P3HT:PCBM)의 특성도 측정하였다. 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지(P3HT:PCBM:Ag-rGO)와 비교 태양 전지(P3HT:PCBM) 모두 밀봉하지 않은 상태로 약 15 ℃ 내지 약 20 ℃의 온도 및 약 50% 내지 약 65%의 습도의 대기 환경에 약 30일간 노출하였다.
표 3은 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지(P3HT:PCBM:Ag-rGO)의 시간에 따른 광전압(VOC), 광전류 밀도(JSC), 충전률(FF), 및 에너지 변환 효율(PCE)를 나타낸다.
| Aging time(day) | VOC (V) |
JSC (mA/cm2) |
FF (%) |
PCE (%) |
| 1 | 0.556 | 12.01 | 59.12 | 3.94 |
| 2 | 0.53 | 12.75 | 58.51 | 3.95 |
| 4 | 0.56 | 12.17 | 58.62 | 3.99 |
| 6 | 0.54 | 11.81 | 60.83 | 3.88 |
| 8 | 0.54 | 12.28 | 60.47 | 4.01 |
| 10 | 0.56 | 12.7 | 59.70 | 4.23 |
| 12 | 0.56 | 12.07 | 59.75 | 4.04 |
| 15 | 0.55 | 12.16 | 59.78 | 4.00 |
| 20 | 0.55 | 11.54 | 59.04 | 3.75 |
| 25 | 0.54 | 11.45 | 59.65 | 3.69 |
| 30 | 0.53 | 11.12 | 59.23 | 3.49 |
도 12a 내지 도 12d 및 표 3을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지(P3HT:PCBM:Ag-rGO)는 비교 태양 전지(P3HT:PCBM)보다 높은 안정성을 보임을 확인할 수 있다. 구체적으로, 30일이 지난 후의 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지(P3HT:PCBM:Ag-rGO)는 원래 광전압의 약 95%, 원래 광전류 밀도의 약 92%, 원래 충전률의 약 98%, 그리고 원래 에너지 변환 효율의 약 90%의 성능을 보였다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (16)
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- 제1 전극 상에 벌크 헤테로 접합 층을 형성하는 것; 및
상기 벌크 헤테로 접합 층 상에 제2 전극을 형성하는 것을 포함하되,
상기 벌크 헤테로 접합 층은 은-환원된 그래핀 산화물(silver-reduced graphene oxide; Ag-rGO) 복합 재료를 포함하고,
상기 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 형성하는 것은:
질산은 및 그래핀 산화물을 포함하는 제1 용액을 준비하는 것; 및
상기 제1 용액에 마이크로파를 조사하는 것을 포함하고,
상기 제1 용액을 준비하는 것은:
질산은 및 그래핀 산화물을 포함하는 제2 용액을 준비하는 것;
질산은 및 폴리비닐피롤리돈을 포함하는 제3 용액을 준비하는 것; 및
상기 제2 용액 및 제3 용액을 혼합하는 것을 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 제9 항에 있어서,
상기 제2 용액의 용매는 에탄올을 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 제9 항에 있어서,
상기 제3 용액의 용매는 1,2-프로판디올(1,2-propanediol)을 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 제9 항에 있어서,
상기 벌크 헤테로 접합 층을 형성하는 것은:
전자 도너 물질 및 전자 억셉터 물질을 포함하는 제4 용액을 준비하는 것;
상기 제4 용액에 상기 은-환원된 그래핀 산화물 복합 재료를 혼합하여 제5 용액을 제조하는 것;
상기 제1 전극 상에 상기 제5 용액을 도포하는 것; 및
상기 도포된 제5 용액에 열처리 공정을 수행하는 것을 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 제14 항에 있어서,
상기 제4 용액을 준비하는 것은 폴리(3-헥실티오펜) 및 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸에스테르를 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene)에 용해시키는 것을 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 제9 항에 있어서,
상기 제1 용액에 마이크로파를 조사하는 것은 펄스 모드의 마이크로파를 조사하는 것을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
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|---|---|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109509838A (zh) * | 2018-10-31 | 2019-03-22 | 深圳清华大学研究院 | 石墨烯电子传输层太阳电池及其制备方法 |
| CN109873078A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-06-11 | 深圳市先进清洁电力技术研究有限公司 | 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
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-
2016
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|---|
| Chem. Commun., 47, 11984-11986, 2011* |
| International Journal of Nanomedicine, 10, 6257-6276, 2015* |
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| KR20230008439A (ko) | 2021-07-07 | 2023-01-16 | 제주대학교 산학협력단 | 그래핀 기반의 2차원 헤테로 구조 슈퍼커패시터 및 이의 제조방법 |
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