KR102238804B1 - 핵산염기-반도체 복합체 나노선 및 이를 이용한 태양전지 - Google Patents

핵산염기-반도체 복합체 나노선 및 이를 이용한 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종횡비가 높은 핵산염기-반도체 복합체 나노선과 상기 나노선 층을 포함하여 전자수송층의 계면특성을 향상시키는 것에 의해 효율과 수명이 증가된 유기태양전지에 관한 것이다.

Description

핵산염기-반도체 복합체 나노선 및 이를 이용한 태양전지{Nucleobase-Semiconductor Complexed Nanowires and Solar Cells thereby}
본 발명은 종횡비가 높은 핵산염기-반도체 복합체 나노선과 이를 이용하여 전자수송층의 계면특성을 향상시키는 것에 의해 효율과 수명이 증가된 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자이다. 태양전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기태양전지와 유기태양전지로 나뉘어지는데, 무기태양전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 한계를 보이고 있다. 유기태양전지(OSCs, organic solar cell)는 광활성층의 구조에 따라 p형 반도체가 별개의 층으로 이루어진 바이레이어 p-n 접합 구조와, p형 반도체와 n형 반도체가 혼합되어 하나의 층을 이루는 벌크 이종접합 구조로 나뉜다. 이 중 공액 고분자와 반도체의 벌크 이종접합 (BHJ) 복합재에 기반한 유기태양전지는 가격이 저렴하고 무게가 가벼우며, 가공이 쉽고, 반투명성, 유연성 등의 특성이 있어 다양한 적용이 가능하므로 유망한 재생 에너지 자원으로 광범위하게 연구되고 있다. 초기 실증이래 유기태양전지의 전력변환효율(PCE)은 지속적인 연구에 의해 단일접합소자에서 12.25%까지 증가하였다. 그럼에도 불구하고, 실제 상업화를 위해서는 유기태양전지의 PCE와 장기 신뢰성이 더욱 개선될 필요가 있다.
일반적인 이종접합 유기태양전지는 기판/하부전극/정공수송층/광활성층/전자수송층/상부전극의 구조를 가진다. 그러나 통상적으로 사용되는 정공수송층 물질은 강한 산성을 나타내어 하부전극과 광활성층의 손상을 유발할 우려가 있으며, 상부전극으로 주로 사용되는 일함수가 낮은 Al과 같은 물질들이 공기와의 접촉 계면에서 산화막을 형성하여 유기태양전지의 수명을 단축시키고 효율을 저감시킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 기판/하부전극/전자수송층/광활성층/정공수송층/상부전극 구조를 가지며, 전자수송층으로는 금속 산화물을 이용하고 상부전극으로 일함수가 높은 금속을 사용한 역구조 유기태양전지가 제안되었다(등록특허 제10-1607478호, 등록특허 제10-1149782호). ZnO나 TiO2와 같은 금속 산화물은 높은 전자이동도, 광학적 투명성, 환경적 안정성 등 전자수송층(ETL)에 적합한 특성을 갖는다. 그러나 역구조 유기태양전지에서는 무기산화물 전자수송층/유기 고분자 광활성층 사이의 계면특성이 좋지 않기 때문에 전력변환효율 및 내구성을 개선하는데 제한이 있었다. 최근에는 산화물 전자수송층 상에 CdS나 Ge와 같은 n-형 반도체와 이러한 물질의 나노 구조물을 이용하여 패시베이션 층(passivation layer)을 형성하는 것에 의해 전자추출효율과 전력변환효율을 개선하려는 시도들이 있었다. 그러나 활성 유기고분자와 무기 전자수송층의 직접적인 접촉에 의한 불완전한 결합은 계면 트랩 상태를 야기하고, 산화 패시베이팅 반도체의 산화가 결함 상태를 초래하는 등 내재된 계면특성 문제는 여전히 불가피하다.
트리-n-옥틸포스핀 옥사이드나 헥실-포스포닉산과 같은 다양한 계면활성제 리간드를 패시베이팅 반도체 표면에 적용하면 상기한 문제를 완화할 수 있다. 그러나 절연성 유기 물질로 이루어진 대부분의 리간드는 전자수송능력이 낮다는 또 다른 문제가 있다. 이와 같은 요인이 계면활성제와 패시베이션된 양자점의 높은 양자 효율에도 불구하고 양자점 태양전지(GDSCs)의 전력변환효율이 기대보다 매우 낮은 주된 이유로 여겨진다. 이에 유기태양전지의 성능을 향상시키기 위해서는 활성 유기고분자와 무기 전자수송층 간의 물리/화학적 결합을 용이하게 하는 것과 동시에 전자수송을 용이하게 하는 계면활성제 리간드 층의 도입이 많은 관심을 받고 있다. 더욱이 반도체 나노구조를 합성하기 위하여 이러한 계면활성제 리간드의 이용은 최적의 표면 질을 얻고, 양자 효율을 크게 감소시키는 후-합성 리간드 교환을 방지하기 위하여 매우 필요하다.
최근 Dagar 등(ACS Energy Lett. 2016, 1, 510)은 데옥시리보핵산(DNA)이 우수한 전자수송 특성을 갖는 것에 착안하여, 하부전극과 유기고분자 광활성층 사이에 전자추출층으로서 DNA 나노층을 형성시키는 것이 유기태양전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보고하였다. 이에 더하여 유기발광 다이오드 및 박막트랜지스터에도 적용되어 우수한 효과를 나타내었다. 핵산염기의 다음이온적 성질은 금속 이온 및 금속 복합체와 상호작용을 위한 효과적인 배위 위치를 제공하여 유기-무기 물질의 구조적 다양성을 제공한다. 그러나 생체물질과 복합된 반도체 나노구조물을 유기태양전지의 성능을 개선하기 위해 사용된 선례는 없었다.
등록특허 제10-1607478호 등록특허 제10-1149782호
ACS Energy Lett. 2016, 1, 510
본 발명은 종횡비가 높고 전하 수송 특성이 우수한 핵산염기-반도체 복합체 나노선을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 핵산염기-반도체 복합체 나노선을 이용하여 전자수송층의 계면특성을 향상시키는 것에 의해 효율과 수명이 증가된 유기태양전지를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선에 관한 것이다.
본 발명은 유기-무기 복합체는 유기물과 무기물의 특성을 모두 나타낸다는 점에 착안한 것으로, 본 발명의 핵산염기-반도체 복합체 나노선은 유기층과 무기층의 계면에서 유기층과 무기층의 결합력을 강화시키는 것은 물론 종래기술에서 DNA의 전자수송능력이 우수하다는 것이 알려져 있기 때문에 DNA를 구성하는 핵산염기를 이용하는 경우 종래 절연성 유기물질로 이루어진 리간드로 인한 전력변환효율의 약화 문제를 해소할 수 있을 것이라는 기대에 근거하였다.
본 발명에 의한 나노선은 직경 수십 nm 단위이고, 길이는 수 ㎛로 종횡비가 100이상으로 종횡비가 높다. 상기 나노선의 분석결과에 의하면 CdS가 별도의 양자점으로 존재하는 것이 아니라 나노선 내에 핵산염기와 반도체가 모두 함유되어 있는 핵산염기-반도체 복합체 나노선으로 이루어져 있음을 확인하였다. 본 발명에 의한 복합체 나노선에서는 반도체인 CdS가 양자점이 아닌 나노선의 구성 성분으로 존재하기 때문에, 본 발명에 의한 나노선은 양자점의 응집 등에 의한 특성의 변화를 방지할 수 있어 내구성이 우수하다.
본 발명에 의한 핵산염기-나노선 복합체에서 핵산염기에 함유된 N-H 및 C=O 결합은 수소결합에 의해 반도체와 복합체를 형성한다. 상기 핵산염기로는 우라실, 티민, 사이토신, 아데닌 및 구아닌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 염기를 사용할 수 있다. 더 나아가서는 예를 들면, 티오우라실이나 5-메틸 사이토신과 같은 상기 핵산염기의 유도체를 이용할 수도 있다. 하기 실시예에서는 우라실에 대한 데이터만을 제시하였으나, 동일한 방법에 의해 다른 핵산염기의 복합체 역시 제조할 수 있다.
본 발명에서 상기 반도체로는 CdS, CdSe, PbS 또는 PbSe인 것이 바람직하다. 상기 반도체 물질들은 가전대단(valence band edges) 및 전도 에너지 레벨이 전자 추출에 효율적이고, 광학적 전자적 특성이 우수하여 다양한 광전 태양전지의 n-형 완충층(예를 들면, 역구조 유기태양전지의 패시베이션층)으로 주로 사용된다.
본 발명의 핵산염기-반도체 복합체 나노선은 UV 및 FTIR에서 핵산염기 고유의 흡광피크가 관측되었으며, 핵산염기 자체에 비해 작용기에 따라 적색편이 또는 청색편이되어 핵산염기가 작용기들이 수소결합에 관여함을 시사하였다. 또한 반도체 물질의 밴드갭 에너지에서 강한 흡수단이 관측되었다.
본 발명의 핵산염기-반도체 복합체 나노선은 예를 들면, (A) 카드뮴 염 또는 납 염의 에틸렌디아민 수용액에 핵산염기를 혼합하여 반응하는 단계; (B) 상기 (A) 단계의 혼합물에 티오우레아 또는 셀레노우라아를 추가하여 반응하는 단계; 및 (C) 상기 (B) 단계의 반응에 의해 생성된 침전물을 수득하는 단계;를 포함하여 제조할 수 있다.
상기 카드뮴 전구체 또는 납 전구체는 카드뮴 또는 납의 가용성 유기염 또는 무기염일 수 있다. 예로서, 카드뮴 또는 납의 초안염, 탄산염, CdCl2, PbCl2 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 (A) 단계에서 카드뮴 전구체 또는 납 전구체와 핵산염기의 몰비는 1 : 0.25~5인 것이 바람직하다. 핵산염기의 몰비가 상기 범위를 벗어나는 경우 나노선 형성이 어렵거나, 나노선이 형성된다고 하더라도 유기-무기 복합체로서 유용한 특성을 나타내지 못하였다.
본 발명은 또한 상기 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지에 관한 것이다. 본 발명의 핵산염기-반도체 복합체 나노선은 종래 n-형 완충층을 포함하는 광전 태양전지의 n-형 완충층으로 사용할 수 있다. 예를 들면, 역구조 유기태양전지에서, 전자수송층과 활성 고분자층 사이에 형성된 패시베이션 층으로서 본 발명의 핵산염기-반도체 복합체 나노선 층을 형성시킬 수 있다.
상기 핵산염기-반도체 복합체 나노선 층은 제조된 상기 나노선을 용매에 현탁시킨 후 이를 코팅하는 방법에 의해 이루어질 수 있다. 코팅 방법은 스핀 코팅이나 바코팅, 드랍 코팅과 같은 통상의 코팅 방법을 사용할 수 있다.
본 발명의 핵산염기-반도체 복합체는 유기물인 핵산염기의 특성과 무기물인 반도체의 특성을 모두 지니고 있어 금속 전극은 물론 유기 고분자층과의 결합력이 우수하다. 또한 유기물로 함유된 핵산염기의 전자수송 특성이 우수하기 때문에 광전변환효율이 향상되는 효과를 나타내었다.
이와 더불어 본 발명에 의한 핵산염기-반도체 복합체 나노선을 포함되는 유기태양전지는 안정성이 개선되어 저장 수명이 증가하였다. 이러한 저장 수명의 증가 효과는 두 가지 측면에서 설명될 수 있다. 첫째, 핵산염기-반도체 복합체 나노선이 전자수송층과 활성 고분자층 사이의 밀착 결합을 가능하게 하여 산소나 수분의 침투가 어렵다. 둘째, 핵산염기-반도체 복합체 나노선은 금속 전자수송층에 비해 소수성이 더 크기 때문에 수분이 활성 고분자 층으로 침투하는 것이 더욱 어려워져 공기중에서 장기 안정성을 갖도록 한다.
핵산염기-반도체 복합체 나노선으로서 우라실-CdS 복합체 나노선이 패시베이션 층으로 형성된 유기태양전지는 패시베이션 층이 형성되지 않은 유기태양전지에 비해 광전변환효율이 20% 이상까지 증가하였으며, 저장수명 역시 두배 이상 증가하였다.
광전변환효율과 저장수명은 나노선 층의 형성 시 사용한 핵산염기-반도체 복합체의 나노선 농도에 영향을 받았으며, 핵산염기 및 반도체의 종류에 따라 최적의 농도와 나노선 층의 두께 등을 선정하는 것은 당업자에게는 용이할 것이다.
이상과 같이 본 발명의 온화한 조건에서 간단한 방법에 의해 핵산염기-반도체 복합체 나노선을 제조할 수 있으며, 본 발명의 핵산염기-반도체 복합체 나노선은 유기태양전지에 적용하였을 때 전하수송 능력이 우수하여 전자수송층의 계면특성을 개선하는 것에 의해 광전변환효율과 내구성을 향상시키는 효과가 있어 유기태양전지에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 우라실-CdS 복합체 나노선의 전자현미경 이미지.
도 2는 우라실-CdS 복합체 나노선의 분광 분석 결과.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 역구조 유기태양전지의 모식도 및 에너지 밴드 다이아그램.
도 4는 우라실-CdS 복합체 나노선 층의 표면 거칠기를 보여주는 AFM 이미지 및 활성 고분자층에 대한 접촉각 측정 이미지.
도 5는 우라실-CdS 복합체 나노선 층의 UV 및 PL 스펙트럼.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 역구조 유기태양전지의 성능을 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 역구조 유기태양전지의 내구성을 보여주는 그래프 및 물에 대한 접촉각 측정 이미지.
이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
[실시예]
실시예 1 : 우라실-CdS 나노선의 제조
1M Cd(CH3COO)2 수용액 2.5 ml, 7M N(CH2CH3)3 1.5 ml 및 14M NH4OH 5 ml를 상온에서 교반하여 혼합하였다. 상기 용액에 0.067M 우라실 수용액 40 ml를 가하고, 80℃로 승온하였다. 이어 1M CH4N2S 0.5 ml를 상기 혼합물에 빠르게 가하고 추가로 30분간 반응하였다. 반응에 의해 형성된 담황색 우라실-CdS(U-CdS) 나노선 침전을 원심분리에 의해 수거하고 DI수로 세척하였다.
실시예 2 : 우라실-CdS 나노선의 구조 분석
실시예 1에서 제조한 U-CdS 나노선의 구조와 모폴로지를 SEM(S-4800, Hitachi) 및 TEM(G2 F30 S-Twin, Tecnai)으로 분석하였다. 도 1의 a는 저해상도 TEM 이미지, b는 고해상도 TEM 이미지 및 c는 SEM 이미지이다. 도 1에 의하면 실시예 1에서 제조된 U-CdS 복합체는 직경 10~20 nm, 길이 수 ㎛의 종횡비가 100 이상인 나노선 구조를 가진다. 도 1의 a의 내부도면은 SAD(selective-area diffraction) 패턴으로 확산된 링 패턴을 보여주어 U-CdS 나노선이 무정형 및/또는 나노결정 구조를 갖는 것을 보여준다. 고해상도 TEM 이미지는 U-CdS 나노선이 무정형에 가까운 모폴로지를 나타낸다. 전자현미경 이미지 관측 과정에서 U-CdS 나노선은 전자선 조사에 의해 쉽게 손상되고 분해되는 것을 확인하여, 실시예 1에서 제조된 침전물이 순수한 무기 CdS 결정이 아닌 유기 우라실과의 복합체임을 시사하였다.
이에, U-CdS 나노선의 결정구조와 화학결합 특성은 XRD(Ru200B, Rigaku) 및 UV. FTIR(Nicolet iS5)로 각각 분석하고 그 결과를 도 2에 도시하였다. U-CdS의 XRD 패턴은 2θ가 28° 부근에서 브로드한 피크를 보여주어, 6방정계(100), (101) 및 입방체(111), (200) 상의 CdS 나노결정상이 존재함을 확인할 수 있었다(도 2의 a). 도 2의 b와 c는 U-CdS 나노선의 UV 스펙트럼이고, d는 FT-IR 스펙트럼이다. U-CdS 나노선은 258 nm에서 우라실의 π/π* 전이에 기인한 강한 흡광 피크를 나타내어, 나노선 내에 상당한 양의 우라실이 함유됨을 확인할 수 있었다. 상기 흡광 피크는 순수한 우라실에 비해 적색편이 되어 있었는데, 이는 우라실과 CdS의 복합체 형성에 기인한다. U-CdS 나노선은 560 nm 영역에서도 강한 흡수단(absorption edge)을 보여주었는데, 이는 CdS의 밴드갭 에너지(~2.4 eV)에 해당한다. FTIR 스펙트럼은 순수한 우라실의 화학결합 특성을 반영한다. 우라실의 N-H 결합에 의한 1416, 1453 및 1509 cm-1의 피크는 U-CdS 나노선에서는 N-H 결합의 수소결합 커플링으로 인해 1413, 1450 및 1507cm-1로 약간 청색편이하였다. 수소결합 시 N-H 기는 양성자 공여체로 작용한다. 그러나 편이의 값이 상대적으로 작아 나노선에서 우라실은 CdS와 약하게 결합되어 있음을 시사하였다.
실시예 3 : 우라실-CdS 나노선 박막을 포함한 유기태양전지
1) 유기태양전지의 제조
ITO 전극이 패턴된 유리 기재를 아세톤, 이소프로필 알콜 및 DI수에서 순차적으로 초음파 세척하였다. 전자수송층 형성을 위하여 ZnO 타겟을 사용하여 6 mTorr의 작업압력, 100W의 RF 파워 조건에서 스퍼터링에 의해 ITO 기판 상에 20 nm 두께의 ZnO 박막을 형성하였다.
여러 가지 두께의 U-CdS 나노선층을 형성하기 위하여 실시예 1에서 제조한 U-CdS 나노선을 클로로벤젠에 0.25, 0.5, 1.0, 5.0 또는 50 mg/ml의 농도로 현탁시켰다. 질소 분위기의 글로브 박스에서 상기 용액을 사용하여 ITO/ZnO 상에 700 rpm으로 30초간 스핀 코팅하고 130℃ 핫플레이트에서 10분간 건조하였다.
활성 고분자층의 형성을 위하여 클로로벤젠에 20 mg/ml의 농도로 용해된 P3HT(poly(3-hexylthiophene); Rieke Metals)와 12 mg/ml 농도로 용해된 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester; Sigma-Aldrich)를 혼합한 활성 BHJ 고분자를 ITO/ZnO/U-CDS 나노선 상에 700 rpm으로 30초간 스핀 코팅하고 130℃에서 10분간 열처리하였다. 이후, 1 ml PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylene dioxythiophene) polystyrene sulfonate)을 이소 프로프로판올 4 ml와 혼합하여 제조한 용액으로 활성 고분자 층 상에 2000 rpm으로 30초간 스핀코팅하고 150℃에서 10분간 열처리하여 정공수송층을 형성하였다. 마지막으로 200 nm Ag 전극을 열 증착하였다. 유기태양전지의 유효 면적은 0.052 cm2였다.
도 3은 상기 방법에 의해 제조된 유기태양전지의 구조를 보여주는 모식도와 해당 구조의 에너지 밴드 다이아그램이다.
2) U-CdS 나노선 코팅층의 특성 분석
1)에서 스퍼터링에 의해 증착된 ZnO 층과 ZnO/U-CdS 나노선 층의 표면 특성을 AFM(MFP-3D BIO, Asylum)으로 관측하고 그 결과를 도 4의 a 및 b에 각각 도시하였다. 도 4는 b에서 U-CdS 나노선이 ZnO 박막 층 상에 균일하게 코팅된 것을 확인할 수 있으며, 표면 거칠기는 ZnO 박막의 표면거칠기 2.80 nm보다 다소 낮은 2.56 nm 값을 나타내었다. 별도로 도시하지는 않았으나, 대면적 코팅에 대한 결과도 도 4의 결과와 거의 일치하였다. U-CdS 나노선은 ZnO 표면의 굴곡을 메워주는 역할을 하여 표면 거칠기를 감소시키며, 표면 결함을 패시베이팅함을 나타낸다.
도 4의 b는 U-CdS 나노선 층의 형성여부에 따른 전자수송층(ZnO)에 대한 활성고분자의 접촉각을 시험한 결과이다. U-CdS 나노선층을 형성한 경우 접촉각(3.2°)이 ZnO 자체(6.9°)보다 훨씬 작아 U-CdS에 대한 젖음성이 더 우수하므로, ZnO/U-CdS 나노선과 활성 BHJ 고분자 사이의 계면에서 ZnO와 활성 BHJ 고분자 계면에서 보다 전하 수송이 개선될 수 있음을 보여준다.
유기태양전지의 광학특성은 PL(여기파장 532 nm) 및 UV-Vis 스펙트로스코피(S-3100, SCINCO)로 관측하고 그 결과를 도 5에 도시하였다. 유기태양전지의 전하 수명(carrer lifetime)은 400 nm의 고정 파장에서의 picosecond-pulsed Ti:사파이어 레이저의 2차 조화광(second harmonic light)를 사용한 TRPL(time-resolved photoluminescence)에 의해 측정하였다. U-CdS를 사용하지 않은 유기태양전지는 전하 수명이 32 ps로 가장 길었으며, U-CdS의 농도를 증가시킴에 따라 점차 감소하여 0.5 mg/ml에서 최저값 25 ps를 나타내고, U-CdS의 농도가 더욱 증가하면 다시 증가하였다. 전하수명의 감소는 광여기된 전자가 ZnO/U-CdS 나노선 층을 통하여 ITO 전극으로 효과적으로 수송됨을 의미한다. PL 특성은 더욱 현저한 차이를 보여주었는데, U-CdS 나노선층이 형성된 유기태양전지는 PL 강도가 훨씬 약했다. 이러한 차이는 U-CdS 나노선층을 통한 효율적인 전자 수송으로 인하여 활성 고분자층에서 전자-정공 재결합이 감소되기 때문이다. 하기 실시예의 결과에서, U-CdS 나노선이 형성된 유기태양전지의 광전변환효율이 증가하기 때문에 결함 상태에서 비방사형 재결합의 증가 가능성은 제외시킬 수 있다. 따라서 개선된 전하수송성은 ZnO/U-CdS 나노선 /활성 BHJ 고분자의 계면 특성에 기인한다고 할 수 있다.
이러한 계면 특성 향상 효과는 U-CdS 나노선의 C=O기의 산소원자와 N-H기의 양성자가 수소결합을 통해 ZnO의 표면 결함을 패시베이팅하는 데 중요한 역할을 하고, 추가적으로 에너지 밴드 배열이 CdS로 인해 전자 추출에 유리하기 때문으로 사료된다.
3) 유기태양전지의 성능 평가
유기태양전지의 J-V 특성은 Keithley 2400 source meter를 사용하여 암조건solar simmulator(PEC-L01, Peccell Technology)에 의해 생성된 AM 1.5G 모의태양광 100 mW/cm2를 조사하여 측정하였다. 도 6은 그 결과를 보여주는 그래프로 (a)와 (b)는 각각 광조사 시 및 암조건에서의 유기태양전지의 J-V 곡선이고, (c)는 U-CdS 나노선 농도에 따른 광전변환효율과 충전율(fill factor)을 보여주는 그래프이며, (d)는 U-CdS 나노선 농도에 따른 VOC와 JSC 특성을 보여주는 그래프이다.
U-CdS 나노선 층이 형성되지 않은 유기태양전지의 광전변환효율은 2.88%이고, 단락전류밀도(JSC)는 10.8 mA/cm2, 개방회로전압(VOC)은 0.602 V, 충전율(FF)는 44.3%였다. U-CdS 나노선 농도가 증가함에 따라 U-CdS 나노선 농도가 0.5 mg/ml에서 평균 광전변환효율은 3.52%까지 증가하였으며, 농도가 더욱 증가함에 따라 광전변환효율은 다시 감소하였다. 단락전류밀도와 개방회로전압은 U-CdS 나노선 농도가 1 mg/ml로 증가할 때까지 크게 변화하지 않지만, 광전변환효율은 충전율과 밀접하게 연관된다. 도 5의 a에 도시된 UV-Vis 스펙트럼에서 확인할 수 있듯이 U-CdS 나노선의 흡광도에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 활성 BHJ 고분자를 통한 광량자밀도(photon flux density)는 크게 변하지 않는다. 유기태양전지의 성능을 하기 표 1에 정리하였다.
Figure 112019065896974-pat00001
상기 표 1에 기재하지는 않았으나, ZnO 층 위에 U-CdS 나노선 대신 uracil을 용해시켜 제조한 유기태양전지의 광전변환효율은 2.68%로 uracil 또는 U-CdS 나노선 층이 형성되지 않은 대조군의 유기태양전지에 비해 오히려 효율이 낮았다.
U-CdS 나노선 층의 도입에 따른 충전율의 증가는 ZnO/U-CdS 나노선/활성 BHJ 고분자의 계면 특성이 향상되는 것에 기인한다. 암조건의 J-V 곡선은 ZnO만을 사용하는 경우에 비해 역누설전류가 작다. 이러한 결과는 U-CdS 나노선이 더 높은 분로저항(Shunt Resistance)을 나타내고 전하 재결합을 억제하여 충전율과 광전변환효율을 크게 개선하기 때문이다. 그러나 U-CdS 나노선의 농도가 1 mg/ml보다 증가하면, 광전변환효율은 물론 충전율, VOC, JSC 모두 감소하는데 이는 높은 농도에서는 U-CdS 나노선이 응집되기 때문이다(데이터 미도시).
4) 유기태양전지의 저장 수명 평가
0.5 mg/ml U-CdS 나노선을 사용하여 제조한 유기태양전지의 수명을 측정하였다. 측정을 위하여 제조된 유기태양전지를 상대습도가 35~40%, 상온의 조건에서 별도의 봉지없이 270시간 방치하며 성능을 평가하였다. 도 7은 그 결과를 도시한 그래프로, 저장 기간이 경과함에 따라 산소와 수증기가 활성 고분자에 침투하는 것에 의해 광전변환효율과 단락전류밀도는 점차 감소하였다. 반면 개방회류전압과 충전율은 거의 변화가 없었다(데이터 미도시). 270 시간 후 U-CdS 나노선층을 포함하지 않는 유기태양전지는 광전변환효율이 약 32% 감소한 반면, U-CdS 나노선층이 포함된 경우에는 15%만이 감소하였다.

Claims (8)

  1. 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선으로,
    상기 핵산염기는 우라실 및 티민으로부터 선택된 하나 이상이며,
    상기 반도체는 CdS, CdSe, PbS 또는 PbSe로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    (A) 카드뮴 전구체 또는 납 전구체의 에틸렌디아민 수용액에 핵산염기를 혼합하여 반응하는 단계;
    (B) 상기 (A) 단계의 혼합물에 티오우레아 또는 셀레노우라아를 추가하여 반응하는 단계; 및
    (C) 상기 (B) 단계의 반응에 의해 생성된 침전물을 수득하는 단계;
    를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 카드뮴 전구체 또는 납 전구체와 핵산염기의 몰비는 1 : 0.25~5인 것을 특징으로 하는 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선.
  6. 제 1 항에 의한 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유기태양전지는 역구조 유기태양전지로,
    핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선 층이 패시베이션층으로 전자수송층과 활성 고분자층 사이에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
  8. 삭제
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