KR101971858B1 - Organic solar cell and fabrication method of the same - Google Patents
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Abstract
유기 태양 전지는 음극, 상기 음극 상에 제공되고, 유도 쌍극자 고분자를 포함하는 제1 전자 수송층, 상기 제1 전자 수송층 상에 제공되고, 복합체를 포함하는 제2 전자 수송층, 상기 제2 전자 수송층 상에 제공되는 광활성층, 및 상기 광활성층 상에 제공되는 양극을 포함한다. 상기 복합체는 산화 아연(ZnO), 나노 카본, 은(Ag) 나노 입자가 순차적으로 결합한 것이다.An organic solar cell comprises a cathode, a first electron transporting layer provided on the cathode, the electron transporting layer including an inductive dipole polymer, a second electron transporting layer provided on the first electron transporting layer and including a complex, A photoactive layer provided, and an anode provided on the photoactive layer. The composite is formed by successively bonding zinc oxide (ZnO), nano-carbon, and silver (Ag) nanoparticles.
Description
본 발명은 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 효율을 향상시킬 수 있는 유기 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an organic solar cell and a method of manufacturing the same, more specifically, to an organic solar cell capable of improving efficiency and a method of manufacturing the same.
태양 전지란 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 최근 환경 문제와 고유가 문제에 직면하여 청정 대체에너지 기술의 일환으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 최근 유기 태양 전지의 광전변환효율을 증가시키기 위한 다양한 연구가 진행 되고 있는데 특히, 1995년에 개발된 벌크 이종접합 구조에 대한 연구가 현재까지도 다양하게 연구되고 있다.A solar cell is a semiconductor device that converts light energy directly into electrical energy using a photovoltaic effect. Recently, many researches have been made as a part of clean alternative energy technology in the face of environmental problems and high price problems. Recently, various researches have been carried out to increase the photoelectric conversion efficiency of organic solar cells. In particular, studies on bulk heterojunction structures developed in 1995 have been studied variously to date.
광 여기에 의하여 정공 수용체에서 전자와 정공의 쌍인 엑시톤이 형성되고 이 엑시톤은 정공 수용체와 전자수용체의 계면에서 두 물질의 전자 친화도의 차이에 의하여 전자와 정공으로 분리된다. 분리된 전자는 내부 전계 (built-in electric field)에 의하여 전자 수용체를 통하여 음극으로 이동하고 정공은 정공수용체를 통하여 양극으로 이동한다. 전자는 전자수용체들을 호핑(hopping)하여 이동하는데 이 경우 전자의 이동 속도가 낮아 광전류량이 제한을 받게 된다. 최근에는 은 나노 입자를 소자 버퍼층에 합침하여 역구조 유기 태양 전지 소자 성능을 증가시킨 연구가 보고되었고, 정공 수송층인 PEDOT:PSS에 카본닷을 은 나노 입자와 광화학적 반응을 통한 방법으로 결합시켜 함침하여 소자 성능을 개선하였다. 본 발명은 산화아연을 중심으로 나노 카본을 화학적 방법으로 결합시키고 광화학적 방법으로 은 나노 입자를 결합시켜 플라즈몬 효과를 극대화시켜 유기 태양 전지의 광전변환효율을 증대시킬 수 있다. 기존의 역구조 태양 전지는 낮은 전하 이동도를 갖고, 본 발명은 이를 극복하기 위해 3종 물질이 동시에 존재하는 복합체의 접목을 통해 계면간의 에너지 레벨이 최적화된 배합을 가지는 유기 태양 전지를 제조할 수 있다.The exciton is a pair of electrons and holes in the hole receptor, and the exciton is separated into electrons and holes due to the difference in electron affinity between the two materials at the interface between the hole receptor and the electron acceptor. The separated electrons move to the cathode through the electron acceptor by the built-in electric field and the holes move to the anode through the hole receptor. The electron travels by hopping the electron acceptors. In this case, the traveling speed of electrons is low and the amount of photocurrent is limited. Recently, silver nanoparticles have been reported to be incorporated into device buffer layers to increase the performance of reverse-structured organic solar cell devices. PEDOT: PSS, a hole transport layer, has been reported to bond carbon nanotubes with silver nanoparticles through photochemical reactions Thereby improving the device performance. The present invention can increase the photoelectric conversion efficiency of an organic solar cell by bonding nano-carbon with a chemical method around zinc oxide and bonding silver nanoparticles by a photochemical method to maximize a plasmon effect. Conventional reverse-structured solar cells have low charge mobility, and in order to overcome this problem, an organic solar cell having an optimized energy level between the interfaces can be manufactured through the grafting of a complex in which three kinds of materials are simultaneously present have.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지는 안정성을 향상시키고, 고효율, 장수명을 도모할 수 있다.The organic solar cell according to one embodiment of the present invention can improve stability, high efficiency and long life.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법은 안정성이 높고, 고효율, 장수명을 갖는 유기 태양 전지를 제공할 수 있다.The method of manufacturing an organic solar cell according to an embodiment of the present invention can provide an organic solar cell having high stability, high efficiency, and long life.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지는 음극, 상기 음극 상에 제공되고, 유도 쌍극자 고분자를 포함하는 제1 전자 수송층, 상기 제1 전자 수송층 상에 제공되고, 복합체를 포함하는 제2 전자 수송층, 상기 제2 전자 수송층 상에 제공되는 광활성층, 및 상기 광활성층 상에 제공되는 양극을 포함한다. 상기 복합체는 산화 아연(ZnO), 나노 카본, 은(Ag) 나노 입자가 순차적으로 결합한 것이다.An organic solar battery according to an embodiment of the present invention includes a cathode, a first electron transporting layer provided on the cathode and including an inductive dipole polymer, a second electron transporting layer provided on the first electron transporting layer, A photoactive layer provided on the second electron transporting layer, and an anode provided on the photoactive layer. The composite is formed by successively bonding zinc oxide (ZnO), nano-carbon, and silver (Ag) nanoparticles.
상기 나노 카본은 플러렌(C60), 그래핀(Graphene), 및 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube) 중 적어도 하나인 것일 수 있다.The nano-carbon may be at least one of fullerene (C60), graphene, and carbon nanotube.
상기 복합체의 입경은 10 내지 50 나노미터(nm)인 것일 수 있다.The composite may have a particle size of 10 to 50 nanometers (nm).
상기 유도 쌍극자 고분자는 Poly(ethyleneimine) (PEI) 또는 Poly(ethyleneimine)-ethoxylated (PEIE)인 것일 수 있다.The inductive dipole polymer may be poly (ethyleneimine) (PEI) or poly (ethyleneimine) -ethoxylated (PEIE).
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법은 음극을 제공하는 단계, 상기 음극 상에, 유도 쌍극자 고분자를 코팅하여 제1 전자 수송층을 형성하는 단계, 상기 제1 전자 수송층 상에, 산화 아연(ZnO), 나노 카본, 은(Ag)이 순차적으로 결합된 복합체를 코팅하여 제2 전자 수송층을 제공하는 단계, 상기 제2 전자 수송층 상에 광활성층을 제공하는 단계, 및 상기 광활성층 상에 양극을 제공하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.A method of manufacturing an organic solar cell according to an embodiment of the present invention includes the steps of providing a negative electrode, coating an induced dipole polymer on the negative electrode to form a first electron transport layer, Providing a second electron transporting layer by coating a complex of zinc (ZnO), nano-carbon, and silver (Ag) in sequence, providing a photoactive layer on the second electron transporting layer, And providing the anode.
상기 제2 전자 수송층을 제공하는 단계는 상기 복합체를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 복합체를 형성하는 단계는 나노 카본을 산 처리 하는 단계, 아연 아세테이트를 제공하여 산화아연 및 나노 카본이 결합된 양자점을 형성하는 단계, 상기 양자점과 질산은을 혼합한 혼합물을 초음파 처리하는 단계, 및 상기 초음파 처리된 혼합물에 자외선을 조사하는 단계를 포함할 수 있다.The step of providing the second electron transport layer may further comprise forming the composite. The step of forming the composite may include a step of treating the nano-carbon with an acid, a step of forming a quantum dot to which zinc oxide and nano-carbon are bonded by providing zinc acetate, a step of ultrasonifying a mixture of the quantum dot and silver nitrate, And irradiating ultrasound to the ultrasonic treated mixture.
상기 산 처리하는 단계는 플러렌(C60), 그래핀(Graphene), 및 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube) 중 적어도 하나의 나노 카본을 산 처리 하는 것일 수 있다.The acid treatment may be an acid treatment of at least one nano-carbon of fullerene (C60), graphene, and carbon nanotubes.
상기 초음파 처리하는 단계는 상기 양자점과 상기 질산은을 0.1 내지 1:1 중량비로 하여 알코올에서 초음파 처리하는 것일 수 있다.The ultrasonic treatment may be performed by ultrasonication of the quantum dots and the silver nitrate in alcohol at a weight ratio of 0.1 to 1: 1.
상기 자외선을 조사하는 단계는 8 내지 12분간 상기 자외선을 조사하는 것일 수 있다.The step of irradiating the ultraviolet ray may be to irradiate the ultraviolet ray for 8 to 12 minutes.
본 발명의 목적은 안정성이 높고, 고효율, 장수명을 갖는 유기 태양 전지를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an organic solar cell having high stability, high efficiency, and long life.
본 발명의 목적은 안정성이 높고, 고효율, 장수명을 갖는 유기 태양 전지를 제공할 수 있는 유기 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for producing an organic solar cell which can provide an organic solar cell having high stability, high efficiency and long life.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지에 포함되는 복합체의 합성 매커니즘을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 광전변환 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법에 포함되는 제2 전자 수송층을 제공하는 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지에 포함되는 복합체를 투과전자현미경(Transmission electron microscopy)을 통해 관찰한 사진이다.
도 7은 제2 전자 수용층으로 사용될 수 있는 물질들의 파장에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1의 복합체의 포토루미네센스 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 9는 기준 셀을 기준으로, 복합체의 농도를 조절하여 개방회로전압(VOC), 단락전류밀도(JSC), 필팩터(FF) 및 광전변환효율(PCE)를 나타낸 표이다.
도 10은 도 9의 농도에 따른 유기 태양 전지들의 전압-전류 밀도 그래프이다.1 is a schematic cross-sectional view of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 schematically shows a synthesis mechanism of a composite included in an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram schematically illustrating a photoelectric conversion process of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart schematically showing a method of manufacturing an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart schematically showing a method of providing a second electron transport layer included in a method of manufacturing an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a photograph of a composite included in an organic solar cell according to an embodiment of the present invention through a transmission electron microscopy.
FIG. 7 is a graph showing absorbance according to wavelength of materials usable as the second electron accepting layer. FIG.
8 is a graph showing a photoluminescence spectrum of the composite of Example 1. Fig.
9 is a table showing the open circuit voltage (VOC), the short circuit current density (JSC), the fill factor (FF), and the photoelectric conversion efficiency (PCE) by adjusting the concentration of the complex on the basis of the reference cell.
10 is a graph of voltage-current density of organic solar cells according to the concentration of FIG.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown enlarged from the actual for the sake of clarity of the present invention. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Also, where a portion such as a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, this includes not only the case where it is "directly on" another portion, but also the case where there is another portion in between. On the contrary, when a part such as a layer, film, region, plate or the like is referred to as being "under" another part, it includes not only the case where it is "directly underneath" another part but also another part in the middle.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 개략적인 단면도이다.Hereinafter, an organic solar cell according to an embodiment of the present invention will be described. 1 is a schematic cross-sectional view of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지(10)는 음극(100), 제1 전자 수송층(200), 제2 전자 수송층(300), 광활성층(400), 및 양극(600)을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지(10)는 광활성층(400) 및 양극(600) 사이에 제공되는 정공 수송층(500)을 더 포함할 수 있다.1, an organic
음극(100)은 도전성을 갖는다. 음극(100)은 투과형 전극일 수 있다. 음극(100)은 투명 금속 산화물, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO(zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide) 등으로 이루어질 수 있다.The
음극(100) 상에는 제1 전자 수송층(200)이 제공된다. 제1 전자 수송층(200)은 유도 쌍극자 고분자를 포함한다. 제1 전자 수송층(200)은 유도 쌍극자 고분자를 포함하여, 음극(100) 계면에서의 유도 쌍극자 효과를 향상시킬 수 있다. 유도 쌍극자 고분자는 Poly(ethyleneimine) (PEI) 또는 Poly(ethyleneimine)-ethoxylated (PEIE)인 것일 수 있다.On the
제1 전자 수송층(200) 상에는 제2 전자 수송층(300)이 제공된다. 제2 전자 수송층(300)은 복합체를 포함한다.A second
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지에 포함되는 복합체의 합성 매커니즘을 개략적으로 나타낸 것이다.2 schematically shows a synthesis mechanism of a composite included in an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 복합체는 산화 아연(ZnO), 나노 카본, 은(Ag) 나노 입자가 순차적으로 결합한 것이다. 산화 아연은 전자 친화도 및 전하 이동도가 높다. 나노 카본은 전자 이동도 및 전자 친화도가 높다. 나노 카본은 나노 크기의 카본을 의미하는 것일 수 있다. 나노 카본은 탄소 동소체인 것일 수 있다. 나노 카본은 예를 들어, 플러렌(C60), 그래핀(Graphene), 및 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube) 중 적어도 하나인 것일 수 있다. 은 나노 입자는 전자 이동도가 높다. 은 나노 입자는 나노 크기의 은 입자를 의미하는 것일 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, the composite is formed by sequentially combining zinc oxide (ZnO), nano-carbon, and silver (Ag) nanoparticles. Zinc oxide has high electron affinity and charge mobility. Nanocarbon has high electron mobility and electron affinity. Nano-carbon may be nano-sized carbon. The nanocarbon may be a carbon isotope. The nano-carbon may be at least one of, for example, fullerene (C60), graphene, and carbon nanotubes. Silver nanoparticles have high electron mobility. Silver nanoparticles can be nanosized silver particles.
복합체의 산화 아연이 광에너지를 흡수하게 되면, 흡수된 광에너지가 산화아연 표면에 존재하는 나노 카본 및 나노 카본과 인접한 은 나노 입자를 통해 빠르게 유기 태양 전지(10) 전체로 전이되며, 은 나노 입자의 플라즈몬 공명 효과로 인한 광 흡수 계수가 증가된다. 이는 제1 전자 수송층(200)과 제2 전자 수송층(300) 밴드 갭을 최적화하여 유기 태양 전지(10)의 전력을 극대화할 수 있다.When the zinc oxide of the composite absorbs the light energy, the absorbed light energy is rapidly transferred to the entire organic
복합체의 입경은 10 내지 50 나노미터(nm)인 것일 수 있다. 복합체의 입경이 10nm 미만이면, 내구성이 낮을 수 있고, 복합체의 입경이 50nm 초과이면, 복합체가 커서 복합체의 크기가 커서 전자 이동 속도가 떨어질 수 있다.The particle size of the composite may be from 10 to 50 nanometers (nm). If the particle diameter of the composite is less than 10 nm, the durability may be low, and if the particle diameter of the composite is more than 50 nm, the composite may be large and the size of the composite may be large and the electron transfer rate may decrease.
제2 전자 수송층(300) 상에는 광활성층(400)이 제공된다. 전류가 인가되면, 광활성층(400)에서 엑시톤이 여기되어 전자와 정공으로 나뉜다. 광활성층(400)은 예를 들어, P3HT(poly(3-hexylthiophene):PCBM(1-(3-methoxycarbonyl)propyl-1-phenyl[6,6]C61)을 포함하는 것일 수 있다.On the second
광활성층(400) 상에는 정공 수송층(500)이 제공된다. 광활성층(400)에서 여기된 정공은 정공 수송층(500)을 통해 양극(600)으로 전달된다. 정공 수송층(500)은 예를 들어, 몰리브덴 옥사이드 (MoO3)를 포함할 수 있다.On the
정공 수송층(500) 상에는 양극(600)이 제공된다. 양극(600)은 Ag, Li, Ca, LiF/Ca, LiF/Al, Al, Mg, BaF, Ba 또는 이들의 화합물이나 혼합물(예를 들어, Ag와 Mg의 혼합물)을 포함할 수 있다.On the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 광전변환 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.3 is a schematic diagram schematically illustrating a photoelectric conversion process of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 음극(100)과 양극(600)에 각각 전압이 인가됨에 따라, 광활성층(400)에서, 엑시톤이 바닥 상태에서 여기 상태로 올라가 전자와 정공으로 나뉘고, 전자는 제1 전자 수송층(200) 및 제2 전자 수송층(300)을 통해 음극(100), 정공은 정공 수송층(500)을 통해 양극(600)으로 이동된다. 이에 따라 광에너지는 전기 에너지로 변환된다. 이 때, 산화 아연, 나노 탄소, 은 나노 입자가 순차적으로 결합된 복합체는 전자 이동도가 높고, 플라즈몬 공명 효과로 인해 광 흡수 계수를 증가시켜 광전변환 효율을 향상시킨다.1 to 3, as a voltage is applied to the
본 발명은 제1 전자 수송층(200) 및 제2 전자 수송층(300) 사이에서 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance, SPR) 현상을 일으키고, 은 나노 입자들 사이에서 발생되는 산란 현상을 통해 광활성층(400)의 전자와 정공(엑시톤)의 여기를 활성화시켜 에너지 효율을 증가시킨다. 표면 플라즈몬(Surface plasmons, SPs)은 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface plasmon polaritons, SPPs) 또는 플라즈몬 표면 폴라 리톤(Plasmon surface polaritons, PSPs)이라고도 불린다. 표면 플라즈몬은 일반적으로 음의 유전 함수(dielectric function, ε'<0)를 갖는 금속과 양(ε'>0)의 그것을 갖는 매체의 계면을 따라 전파하는 전도대(conduction band) 전자들의 집단적인 진동(collective oscillation) 현상을 말하며, 빛(보다 구체적으로 전자기파)과의 상호 작용의 결과 여기(excitation)되어 입사하는 빛보다 증강된 크기를 갖고 계면에서 수직 방향으로 멀어질수록 지수적으로 감소하는 소멸파(evanescent wave)의 성질과 형태를 갖게 된다. 즉, 표면 플라즈몬 공명 현상은 빛(photon)과 나노 크기의 귀금속(noble metal) 간의 상호 작용의 결과로써 야기되고 관찰되는 독특한 현상이라고 정의할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 유기 태양 전지(10)는 종래의 유기 태양 전지와 비교하여 광 전류량이 증가하여 효율이 극대화된다.The present invention is characterized in that a surface plasmon resonance (SPR) phenomenon occurs between the first
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법에 대하여 설명한다. 이하에서는 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지와의 차이점을 위주로 구체적으로 설명하고, 설명되지 않은 부분은 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지에 따른다.Hereinafter, a method of manufacturing an organic solar battery according to an embodiment of the present invention will be described. Hereinafter, differences between the organic solar cell according to an embodiment of the present invention and the organic solar cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지의 제조 방법에 포함되는 제2 전자 수송층을 제공하는 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.4 is a flowchart schematically showing a method of manufacturing an organic solar cell according to an embodiment of the present invention. 5 is a flowchart schematically showing a method of providing a second electron transport layer included in a method of manufacturing an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지(10)의 제조 방법은 음극(100)을 제공하는 단계(S100), 음극(100) 상에, 유도 쌍극자 고분자를 코팅하여 제1 전자 수송층(200)을 형성하는 단계(S200), 제1 전자 수송층(200) 상에, 산화 아연(ZnO), 나노 카본, 은(Ag)이 순차적으로 결합된 복합체를 코팅하여 제2 전자 수송층(300)을 제공하는 단계(S300), 제2 전자 수송층(300) 상에 광활성층(400)을 제공하는 단계(S400), 및 광활성층(400) 상에 양극(600)을 제공하는 단계(S500)를 포함하는 것일 수 있다.1, 3 and 4, a method of manufacturing an organic
먼저 음극(100)을 제공한다(S100). 음극(100)은 투명 금속 산화물, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO(zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide) 등으로 이루어질 수 있다.First, a
음극(100) 상에, 유도 쌍극자 고분자를 코팅하여 제1 전자 수송층(200)을 형성한다(S200). 유도 쌍극자 고분자는 Poly(ethyleneimine) (PEI) 또는 Poly(ethyleneimine)-ethoxylated (PEIE)인 것일 수 있다.The inductive dipole polymer is coated on the
제1 전자 수송층(200) 상에, 제2 전자 수송층(300)을 제공한다(S300). 제2 전자 수송층(300)을 제공하는 단계(S300)는 산화 아연(ZnO), 나노 카본, 은(Ag)이 순차적으로 결합된 복합체를 코팅하여 수행된다. 복합체의 입경은 10 내지 50 나노미터(nm)인 것일 수 있다. 복합체의 입경이 10nm 미만이면, 내구성이 낮을 수 있고, 복합체의 입경이 50nm 초과이면, 복합체가 커서 복합체의 크기가 커서 전자 이동 속도가 떨어질 수 있다.A second
제2 전자 수송층(300)을 제공하는 단계(S300)는 복합체를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 복합체를 형성하는 단계는 나노 카본을 산 처리 하는 단계(S310), 아연 아세테이트를 제공하여 산화아연 및 나노 카본이 결합된 양자점을 형성하는 단계(S320), 양자점과 질산은을 혼합한 혼합물을 초음파 처리하는 단계(S330), 및 초음파 처리된 혼합물에 자외선을 조사하는 단계(S340)를 포함할 수 있다.Providing the second electron transport layer 300 (S300) may further comprise forming a complex. The step of forming the complex may include a step of treating the nano-carbon with an acid (S310), a step of forming a quantum dots to which zinc oxide and a nano-carbon are bound by providing zinc acetate (S320), a step of mixing the quantum dots with silver nitrate Step S330, and irradiating the ultrasound mixture with ultraviolet light (S340).
산 처리하는 단계는 플러렌(C60), 그래핀(Graphene), 및 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube) 중 적어도 하나의 나노 카본을 산 처리 하는 것일 수 있다. 나노 카본은 산화아연과 화학접으로 결합할 수 없기 때문에, 나노 카본을 산 처리하여, 나노 카본의 표면에 카르복실기(-COOH), 하이드록시(-OH), 에폭시(epoxy) 등을 생성할 수 있고, 이는 산화아연의 +성질을 갖는 Zn2 +와 화학 결합할 수 있다. The acid treatment may be an acid treatment of at least one of nano-carbon of fullerene (C60), graphene, and carbon nanotube. Since nano-carbon can not chemically bond to zinc oxide, it is possible to produce a carboxyl group (-COOH), hydroxy (-OH), epoxy and the like on the surface of the nano-carbon by subjecting the nano- , Which can be chemically bonded to Zn < 2 + & gt ; having the + property of zinc oxide.
초음파 처리하는 단계는 양자점과 질산은을 0.1 내지 1:1 중량비로 하여 알코올에서 초음파 처리하는 것일 수 있다. 상기 범위 미만이면, 양자점이 적어 복합체를 충분히 형성하기 어렵고, 상기 범위 초과이면 반응하지 않는 양자점이 역반응을 일으킬 수 있다. 초음파 처리하는 단계에서, 양자점과 질산은의 혼합물을 2-Propanol, DMF(Dimethyl formamide)등 과 같은 유기용매에 초음파처리를 통해 분산시킬 수 있다.The ultrasonic treatment may be performed by ultrasonication in alcohol at a weight ratio of 0.1 to 1: 1 by the quantum dots and silver nitrate. If it is less than the above range, it is difficult to form a complex sufficiently because the number of quantum dots is small, and if it exceeds the above range, unreacted quantum dots may cause a reverse reaction. In the step of ultrasonic treatment, the mixture of quantum dots and silver nitrate can be dispersed in an organic solvent such as 2-propanol, DMF (dimethyl formamide) or the like through ultrasonic treatment.
자외선을 조사하는 단계는 8 내지 12분간 자외선을 조사하는 것일 수 있다. 8분 미만으로 자외선을 조사하면 질산은의 환원이 충분히 일어날 수 없고, 12분 초과로 자외선을 조사하면, 질산은 및 혼합물에 손상이 발생할 수 있다. 자외선을 조사하는 단계는 암실에서 수행되는 것일 수 있다. 자외선의 파장은 200 내지 300 nm인 것일 수 있다. 자외선의 파장이 200nm 미만이면 질산은의 환원이 충분히 일어날 수 없고, 300nm 초과이면, 질산은 및 혼합물에 손상이 발생할 수 있다. 자외선을 조사하면, 질산은이 환원되어 나노 카본의 표면에 존재하는 기능기와 결합할 수 있다.The step of irradiating ultraviolet rays may be to irradiate ultraviolet rays for 8 to 12 minutes. Irradiation of ultraviolet rays for less than 8 minutes can not sufficiently reduce the silver nitrate, and irradiation of ultraviolet rays for more than 12 minutes may cause damage to the silver nitrate and the mixture. The step of irradiating ultraviolet rays may be performed in a dark room. The wavelength of the ultraviolet ray may be 200 to 300 nm. If the wavelength of ultraviolet rays is less than 200 nm, reduction of silver nitrate can not occur sufficiently, and if it exceeds 300 nm, damage to silver nitrate and mixture may occur. When irradiated with ultraviolet rays, silver nitrate can be reduced and bonded to functional groups present on the surface of the nanocarbon.
제2 전자 수송층(300) 상에 광활성층(400)을 제공한다(S400). 광활성층(400)은 예를 들어, P3HT(poly(3-hexylthiophene):PCBM(1-(3-methoxycarbonyl)propyl-1-phenyl[6,6]C61)을 포함하는 것일 수 있다.The
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 태양 전지(10)의 제조 방법은 제2 전자 수송층(300) 및 광활성층(400) 사이에 정공 수송층(500)을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 정공 수송층(500)은 예를 들어, 몰리브덴 옥사이드 (MoO3)를 포함할 수 있다.The method of manufacturing the organic
광활성층(400) 상에 양극(600)을 제공한다(S500). 양극(600)은 Ag, Li, Ca, LiF/Ca, LiF/Al, Al, Mg, BaF, Ba 또는 이들의 화합물이나 혼합물(예를 들어, Ag와 Mg의 혼합물)을 포함할 수 있다.
The
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of specific examples. The following examples are provided to aid understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.
실시예 1Example 1
산화아연-나노 탄소 양자점의 제조Manufacture of zinc oxide-nanocarbon quantum dots
먼저, 플러렌 파우더 5g과 H2SO4(86ml)/H2O(90ml)과 HNO3(21ml)/H2O(30ml)을 혼합한 뒤 초음파 분쇄기로 1시간 동안 처리한 후 5일을 방치한 후 증류수를 이용하여 원심분리 시켜 오븐에(80℃)넣고 3에서 4일동안 건조시켰다. 산 처리된 플러렌(400mg)을 DMF(400ml)에 넣고, 초음파 분쇄기로 10분동안 처리한 용액과 아연 아세테이트다이하이드레이트(Zinc acetatedihydrate)1.84g)를 DMF(2L)에 넣어 제조한 용액을 서로 섞어 140℃, 270rpm, 5시간의 조건으로 반응시켰다. 시간이 지남에 따라 용액의 색깔이 고동색으로 변화하는 것을 알 수 있었다. 반응이 완료되면 에탄올과 증류수를 이용하여 원심 분리를 각각 10번씩 분리시킨 뒤 80℃의 온도로 예열되어 있는 오븐에 3 내지 4일동안 건조하여 양자점을 형성하였다.
First, 5 g of fullerene powder, H 2 SO 4 (86 ml) / H 2 O (90 ml) and HNO 3 (21 ml) / H 2 O (30 ml) were mixed and treated with an ultrasonic grinder for 1 hour. After centrifugation using distilled water, the mixture was placed in an oven (80 ° C) and dried for 3 to 4 days. The solution prepared by adding 400 mg of the acid-treated fullerene to 400 ml of DMF and treating the solution with a sonicator for 10 minutes and 1.84 g of zinc acetate dihydrate in DMF (2 L) were mixed to prepare 140 Deg.] C, 270 rpm for 5 hours. As time went on, we could see that the color of the solution changed to black color. After completion of the reaction, centrifugation was performed 10 times each using ethanol and distilled water, and the resultant was dried in an oven preheated at a temperature of 80 ° C. for 3 to 4 days to form quantum dots.
복합체의 제조Manufacture of Composites
제조된 양자점과 질산은을 1:1 비율로 에탄올에 20분간 초음파 처리하여 분산시킨 뒤 254 nm의 UV를 10분간 조사하여 복합체를 제조하였다. 복합체를 투과전자현미경(Transmission electron microscopy)을 통해 관찰한 사진을 도 6에 나타내었다.
The prepared quantum dots and silver nitrate were dispersed by ultrasonication in ethanol at a ratio of 1: 1 for 20 minutes and irradiated with UV at 254 nm for 10 minutes to prepare a composite. FIG. 6 shows a photograph of the complex observed through a transmission electron microscopy.
유기 태양 전지의 제조Manufacture of organic solar cell
ITO가 패터닝된 유리기판을 이소프로필 알코올-에탄올-아세톤- 이소프로필 알코올 순으로 초음파 세척기를 사용하여, 각각 20분씩 세척한 뒤, ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma (ICP) plasma etching)를 이용하여 기판 윗면에 고밀도의 플라즈마를 방출시켜 기판 표면을 친수성으로 바꾸어준다. PEIE(Polyethylenimine ethoxylated)를 2-Methoxyethanol 과 0.080:24 비율로 섞은 표면 개질 고분자 물질과 복합체체를 농도 별로 섞어준 뒤, 표면 처리된 상기 소자기판 위에 4000 rpm 으로 스핀 코팅한 뒤, 110℃ 에서 10분간 대기 중 열처리를 실시하였다. 열처리가 끝난 후 광활성층인 P3HT:PC60BM 을 질소분위기에서 2000 rpm 으로 스핀 코팅한 뒤, 30분간 자연 건조 시켜주었다. 건조 후 열증착(Thermal evaporation)을 이용하여 MoO3 와 Ag 전극을 각각 10 nm, 80 nm 증착하여 준다. 질소분위기에서 130 ℃에서 5분간 열처리를 하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
The ITO-patterned glass substrate was cleaned in the order of isopropyl alcohol-ethanol-acetone-isopropyl alcohol for 20 minutes each using an ultrasonic washing machine, and then the substrate was cleaned by ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma High-density plasma is emitted on the upper surface to change the substrate surface to be hydrophilic. The surface modified polymer material and the composite body, which were prepared by mixing PEIE (polyethylenimine ethoxylated) at a ratio of 0.080: 24 with 2-methoxyethanol, were mixed by concentration, and then spin-coated on the surface-treated device substrate at 4000 rpm. Heat treatment was performed in the atmosphere. After the heat treatment, the photoactive layer P3HT: PC60BM was spin-coated at 2000 rpm in a nitrogen atmosphere, followed by natural drying for 30 minutes. After drying, MoO 3 and Ag electrode were deposited at 10 nm and 80 nm using thermal evaporation, respectively. And then heat-treated at 130 캜 for 5 minutes in a nitrogen atmosphere to produce an organic solar cell.
실시예 2Example 2
플러렌 대신, 그래핀을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
An organic solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that graphene was used instead of fullerene.
실시예 3Example 3
플러렌 대신, 카본 나노 튜브를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 유기 태양 전지를 제조하였다.
An organic solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that carbon nanotubes were used instead of fullerene.
실험 결과Experiment result
도 7은 제2 전자 수용층으로 사용될 수 있는 물질들의 파장에 따른 흡수도를 나타낸 그래프이다. 도 7을 참조하면, 실시예 1 내지 3의 복합체가, 다른 경우보다 파장에 따른 광흡수도가 높은 것을 확인할 수 있었다. 도 8은, 실시예 1의 복합체의 포토루미네선스(Photoluminescence) 스펙트럼을 나타낸 것으로, 362 nm의 ZnO, 409 nm를 중심으로 폭넓은 파장 범위에에 해당하는 은 나노 입자 광방출 피크를 확인할 수 있었다.FIG. 7 is a graph showing absorbance according to wavelength of materials usable as the second electron accepting layer. FIG. Referring to FIG. 7, it was confirmed that the composites of Examples 1 to 3 had higher light absorption according to wavelengths than the other cases. Fig. 8 shows a photoluminescence spectrum of the composite of Example 1, and it was confirmed that a silver nanoparticle light emission peak corresponding to a wide wavelength range centered at 362 nm of ZnO and 409 nm .
도 9는 기준 셀(Reference)을 기준으로, 복합체의 농도를 조절하여 개방회로전압(VOC), 단락전류밀도(JSC), 필팩터(FF) 및 광전변환효율(PCE)를 나타낸 표이다. 기준셀은 복합체가 존재하지 않는 광활성층만 존재하는 셀로, PCHT:PCBM(15:10)/1ML (chlorobenzene)의 조성을 가질 수 있다. 기준셀과 비교하여 0.05 ml 농도의 소자가 제일 높은 VOC, JSC를 보였으며 기존대비 29% 증가된 효율을 나타내었다. 0.025ml 내지 0.2ml 농도의 소자는 약 20% 이상의 증가된 광전변환효율을 나타내었다. 다만 복합체의 농도가 높을수록 소자 내의 박막간의 접촉 저항이 높아져 VOC, JSC가 감소하며 결과적으로는 효율이 감소하는 것으로 예측할 수 있었다.9 is a table showing the open circuit voltage (VOC), the short circuit current density (JSC), the fill factor (FF), and the photoelectric conversion efficiency (PCE) by adjusting the concentration of the complex on the basis of the reference cell. The reference cell is a cell in which only the photoactive layer free of the complex is present, and may have a composition of PCHT: PCBM (15:10) / 1ML (chlorobenzene). Compared with the reference cell, the device with the concentration of 0.05 ml showed the highest VOC, JSC and the efficiency increased by 29% compared with the conventional cell. The device with the concentration of 0.025 ml to 0.2 ml exhibited an increased photoelectric conversion efficiency of about 20% or more. However, the higher the concentration of the complex, the higher the contact resistance between the thin films in the device, the lower the VOC and JSC, and the lower the efficiency.
도 10은 도 9의 농도에 따른 유기 태양 전지들의 전압-전류 밀도 그래프로, 기준 셀보다 모두 높은 전류 밀도를 갖는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 10 is a voltage-current density graph of organic solar cells according to the concentration of FIG. 9, and it was confirmed that the current density is higher than that of the reference cell.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative and non-restrictive in every respect.
10: 유기 태양 전지 100: 음극
200: 제1 전자 수송층 300: 제2 전자 수송층
400: 광활성층 500: 정공 수송층
600: 양극10: Organic solar cell 100: cathode
200: first electron transport layer 300: second electron transport layer
400: photoactive layer 500: hole transport layer
600: anode
Claims (10)
상기 음극 상에 제공되고, 유도 쌍극자 고분자를 포함하는 제1 전자 수송층;
상기 제1 전자 수송층 상에 제공되고, 복합체를 포함하는 제2 전자 수송층;
상기 제2 전자 수송층 상에 제공되는 광활성층; 및
상기 광활성층 상에 제공되는 양극;을 포함하고,
상기 복합체는
산화 아연(ZnO), 나노 카본, 은(Ag) 나노 입자가 순차적으로 결합하여 형성되고,
상기 복합체에서 상기 산화 아연(ZnO)은 상기 제1 전자 수송층과 가깝게 배치되고,
상기 복합체에서 상기 은(Ag) 나노 입자는 상기 광활성층에 가깝게 배치되고,
상기 복합체의 입경은 10 내지 50 나노미터(nm)인 유기 태양 전지.cathode;
A first electron transport layer provided on the cathode, the first electron transport layer including an induced dipole polymer;
A second electron transport layer provided on the first electron transport layer, the second electron transport layer including a complex;
A photoactive layer provided on the second electron transporting layer; And
And a positive electrode provided on the photoactive layer,
The composite
Zinc oxide (ZnO), nano-carbon, and silver (Ag) nanoparticles are sequentially formed by bonding,
In the composite, the zinc oxide (ZnO) is disposed close to the first electron transporting layer,
In the composite, the silver (Ag) nanoparticles are disposed close to the photoactive layer,
Wherein the composite has a particle diameter of 10 to 50 nanometers (nm).
상기 나노 카본은
플러렌(C60), 그래핀(Graphene), 및 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube) 중 적어도 하나인 것인 유기 태양 전지.The method according to claim 1,
The nano-
(C60), graphene, and a carbon nanotube.
상기 유도 쌍극자 고분자는
Poly(ethyleneimine) (PEI) 또는 Poly(ethyleneimine)-ethoxylated (PEIE)인 것인 유기 태양 전지. The method according to claim 1,
The inductive dipole polymer
Wherein the organic solar cell is poly (ethyleneimine) (PEI) or poly (ethyleneimine) -ethoxylated (PEIE).
상기 제1 전자 수송층 및 제2 전자 수송층 사이에서 표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나 광전변환효율(PCE)이 20% 이상 향상된 유기 태양 전지.The method according to claim 1,
And a surface plasmon resonance phenomenon occurs between the first electron transporting layer and the second electron transporting layer to improve the photoelectric conversion efficiency (PCE) by 20% or more.
상기 음극 상에, 유도 쌍극자 고분자를 코팅하여 제1 전자 수송층을 형성하는 단계;
상기 제1 전자 수송층 상에, 산화 아연(ZnO), 나노 카본, 은(Ag)이 순차적으로 결합된 복합체를 코팅하여 제2 전자 수송층을 제공하는 단계;
상기 제2 전자 수송층 상에 광활성층을 제공하는 단계; 및
상기 광활성층 상에 양극을 제공하는 단계;를 포함하고,
상기 제2 전자 수송층을 제공하는 단계는,
상기 복합체의 산화 아연(ZnO)이 상기 제1 전자 수송층과 가깝게 배치되도록 상기 복합체를 코팅하는 것을 포함하고,
코팅된 상기 복합체의 입경은 10 내지 50 나노미터(nm)인 유기 태양 전지의 제조 방법.Providing a cathode;
Coating an induced dipole polymer on the cathode to form a first electron transport layer;
Providing a second electron transport layer by coating a complex of zinc oxide (ZnO), nano-carbon, and silver (Ag) sequentially on the first electron transport layer;
Providing a photoactive layer on the second electron transporting layer; And
And providing a positive electrode on the photoactive layer,
Wherein the providing of the second electron transport layer comprises:
Coating the composite such that zinc oxide (ZnO) of the composite is disposed close to the first electron transport layer,
Wherein the coated composite has a particle diameter of 10 to 50 nanometers (nm).
상기 제2 전자 수송층을 제공하는 단계는
상기 복합체를 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 복합체를 형성하는 단계는
나노 카본을 산 처리 하는 단계;
아연 아세테이트를 제공하여 산화아연 및 나노 카본이 결합된 양자점을 형성하는 단계;
상기 양자점과 질산은을 혼합한 혼합물을 초음파 처리하는 단계; 및
상기 초음파 처리된 혼합물에 자외선을 조사하는 단계;를 포함하는 유기 태양 전지의 제조 방법.The method according to claim 6,
The step of providing the second electron transport layer
Further comprising forming the composite,
The step of forming the composite
Acid treating the nano-carbon;
Providing zinc acetate to form quantum dots to which zinc oxide and nanocarbon are bonded;
Ultrasonically treating the mixture of the quantum dots and silver nitrate; And
And irradiating the ultrasound-treated mixture with ultraviolet light.
상기 산 처리하는 단계는
플러렌(C60), 그래핀(Graphene), 및 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube) 중 적어도 하나의 나노 카본을 산 처리 하는 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.8. The method of claim 7,
The step of acid treatment
Wherein at least one of carbon nanotubes of fullerene (C60), graphene, and carbon nanotube is treated with an acid.
상기 초음파 처리하는 단계는
상기 양자점과 상기 질산은을 0.1 내지 1:1 중량비로 하여 알코올에서 초음파 처리하는 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.8. The method of claim 7,
The step of ultrasonication
Wherein the quantum dots and the silver nitrate are ultrasonicated in an alcohol at a weight ratio of 0.1 to 1: 1.
상기 자외선을 조사하는 단계는
8 내지 12분간 상기 자외선을 조사하는 것인 유기 태양 전지의 제조 방법.8. The method of claim 7,
The step of irradiating the ultraviolet rays
And the ultraviolet light is irradiated for 8 to 12 minutes.
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