KR102447198B1 - 광안정성이 향상된 양자점 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
광안정성이 향상된 양자점 태양전지 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성된 전하 수송층; 상기 전하 수송층 상에 형성된 광활성층; 상기 광활성층 상에 형성된 정공 수송층; 및 상기 정공 수송층 상에 형성된 전극을 포함하는 양자점 태양전지에 있어서, 상기 전하 수송층은 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고, 상기 광활성층은 유기물을 포함하는 것인, 양자점 태양전지를 제공한다.
Description
본원은 광안정성이 향상된 양자점 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
광전변환 소자(photovoltaic cell), 즉 태양전지(solar cell)는 무한한 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로써 친환경적인 차세대 에너지원으로써 대체에너지 개발 측면에서 많은 연구 개발이 이루어지고 있다. 이러한 태양전지로는 크게 실리콘과 같은 무기물을 이용한 태양전지와 유기물을 이용한 태양전지로 나눌 수 있고, 이들 중에서 실리콘이나 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 무기 화합물 반도체를 이용한 태양전지는 다양한 장점을 가지고 있음에도 불구하고, 성능 대비 가격이 높아 상용화에 한계가 있다는 큰 단점이 존재한다.
이러한 단점을 극복할 수 있는 대안으로 유기태양전지가 제안되었다. 유기태양전지는 p 형 또는 n 형 유기반도체 재료를 광활성층으로 이용하고, 단순한 소자구조로 인해 제조공정이 간단하고 모듈화가 용이하며, 단위소자와 모듈간의 에너지 손실이 적으며, 흡광계수가 높아 얇은 두께의 박막에서도 50% 이상의 빛을 흡수할 수 있다는 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 궁극적으로 용액공정 기반으로 제작할 수 있기 때문에, 무기물 태양전지에 비해 획기적인 원가절감이 가능하다는 장점을 갖는다. 게다가 유기태양전지는 현재 10% 이상의 우수한 광전 변환 효율이 보고되어 있다.
상술한 장점들에도 불구하고 유기태양전지는 빛에 대한 안정성이 매우 취약하고, 이로 인해 소자의 장기 안정성과 수명이 짧은 등의 문제가 있어, 유기태양전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.
상술한 유기태양전지의 장기 안정성 문제점을 해결하기 위하여, 광활성층에 사용되는 흡광 물질, 전하 전달용 중간층 및 전극 소재에 대한 다양한 연구개발이 이루어지고 있으나, 아직까지 광안정성 개선을 위한 소재에 대해서는 보고된 바 없으므로, 이에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본원의 배경이 되는 기술인 대한민국 등록특허공보 제 1969918 호는 광안정성이 향상된 유기태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 중간층의 도입을 통해 광안정성이 현저히 향상된 유기태양전지에 관한 것이다. 그러나, 상기 등록특허는 전하 수송층이 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하는 양자점 태양전지에 대해서는 언급하지 않고 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광안정성이 향상된 양자점 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성된 전하 수송층; 상기 전하 수송층 상에 형성된 광활성층; 상기 광활성층 상에 형성된 정공 수송층; 및 상기 정공 수송층 상에 형성된 전극을 포함하는 양자점 태양전지에 있어서, 상기 전하 수송층은 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고, 상기 광활성층은 유기물을 포함하는 것인, 양자점 태양전지를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고에너지 광자는 300 nm 내지 400 nm 범위의 파장을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 0.8 eV 내지 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 비화인듐(InAs), 인화인듐(InP), 황화납(PbS), 안티몬화인듐(InSb), 비화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 안티몬화갈륨(GaSb), 셀렌화카드뮴(CdSe), 황화카드뮴(CdS), 텔루르화카드뮴(CdTe), 셀레늄화아연(ZnSe), 텔루르화아연(ZnTe) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점의 캐리어 농도는 1016 cm-3 내지 1017 cm-3 인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 n-layer 를 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 특정 방향의 노출면을 포함하고, 상기 노출면에 리간드가 결합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 상기 노출면의 비율 또는 상기 리간드의 양에 따라 에너지 준위가 상이한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 상기 노출면과 상기 리간드의 전기음성도 차이에 의해 에너지 준위가 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전하 수송층은 금속 산화물을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 산화물은 TiO2, NiOx, Zn2SnO4, ZnO, ZrO, Al2O3, SnO2, WO3, Nb2O5, TiSrO3 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 투명 기판은 ITO, FTO, IZO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성층은 벌크이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 정공 수송층은 MoO3, Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, P3HT, PCPDTBT, PCDTBT, PTAA, V2O5, NiO, WO3, CuI, CuSCN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Mo, Ir, Os, C, 전도성 고분자 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은, 투명 기판 상에 전하 수송층을 형성하는 단계; 상기 전하 수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계; 상기 광활성층 상에 정공 수송층을 형성하는 단계; 및 상기 정공 수송층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 양자점 태양전지에 있어서, 상기 전하 수송층은 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고, 상기 광활성층은 유기물을 포함하는 것인, 양자점 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고에너지 광자는 300 nm 내지 400 nm 범위의 파장을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 0.8 eV 내지 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전하 수송층 및 상기 광활성층을 형성하는 단계는 스핀코팅, 드롭캐스팅, 딥코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 정공 수송층을 형성하는 단계는 물리적기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD), 스퍼터링(sputtering), RF/DC 스퍼터링, 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD), 전자빔 증착(Electron-beam Evaporation), 이온빔 스퍼터링, 화학적기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD), 저압화학기상증착(LPCVD), 플라즈마화학기상증착(PECVD), 이온 플레이팅(ion plating) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
본원에 따른 양자점 태양전지는 전하 수송층이 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함함으로써, 종래의 유기 태양전지에 비하여 광안정성 및 효율이 현저히 향상된 양자점 태양전지를 제공한다.
종래의 유기 태양전지는 높은 광전 변환 효율을 가지지만 유기물 기반의 광활성층 소재를 사용함으로써 고에너지 빛에 의해 소자의 안정성이 단기간에 저하되는 한계점이 있었고, 종래의 전하 수송층 재료로 사용되는 ZnO, TiO2 등의 금속 산화물은 고에너지 빛을 차단시키기에는 비교적 큰 밴드갭을 가지기 때문에, 빛이 들어오는 전하 수송층에서 고에너지 빛을 차단시키지 못하는 한계점이 있었다. 반면, 본원에 따른 양자점 태양전지는 전하 수송층이 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 범위의 밴드갭을 가지는 양자점을 포함함으로써, 고에너지 빛을 차단하여 광안정성을 현저히 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 종래의 전하 수송층 재료인 ZnO, TiO2 등의 금속 산화물은 공핍 산소결함을 가지고 있어서 광촉매적 특성을 내재하고 있으므로, 유기 광활성층의 분해를 촉진하는 문제점이 있었으나, 본원에 따른 양자점 태양전지는 광촉매적 특성이 없는 새로운 전하 수송층을 도입함으로써, 유기 광활성층의 분해를 원천적으로 차단하여 광안정성을 현저히 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 본원에 따른 양자점 태양전지는 광촉매적 특성이 없는 새로운 전하 수송층을 도입함으로써, 외부 보호 필름 없이도 활성산소와의 직접 접촉을 차단함으로써 활성산소에 취약한 유기 광활성층의 흡광 물질을 보호하여 광안정성을 현저히 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 본원에 따른 양자점 태양전지는 우수한 전하수송 능력을 가지는 양자점으로 고전도성 n-layer 를 형성하여 전하 수송층의 재료로 도입함으로써, 광전 변환 효율이 현저히 향상된 양자점 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 전하 수송층 및 광활성층을 용액 공정을 이용하여 형성함으로써, 균일하게 대면적 박막을 형성할 수 있다.
또한, 본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 액체화된 샘플로 기판위에 스핀코팅하는 방법을 사용함으로써, 대면적과 플렉서블 소자에 적용이 가능한 장점이 있다.
또한, 본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 액체화된 샘플로 기판위에 스핀코팅하는 방법을 사용함으로써, 대면적화가 용이하고 공정 과정이 단순하여 roll-to-roll 공정의 도입이 가능하기 때문에 편리성 및 경제성이 우수할 수 있다.
또한, 본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 정공 수송층을 물리적기상증착을 이용하여 형성함으로써, 고진공에서 증착하기 때문에 결함이 적은 고품질의 박막을 얻을 수 있는 장점이 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 모식도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 작동 원리를 나타낸 모식도이다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 구동 안정성을 시간에 따라 측정한 표준화된 광전변환효율(Normalized Power Conversion Efficiency, PCE)을 나타낸 그래프이다.
도 5 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6 은 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 전류-전압 곡선 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7 은 본원의 실시예에 따라 제조된 양자점 태양전지의 양자점 박막 두께에 따른 광전변환효율 및 구동 안정성을 측정한 그래프이다.
도 8 은 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 조사 광량에 따른 유기 광활성층 분해 정도를 유기 광활성층 흡수도 변화를 통해 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 구조에 따른 광학 시물레이션을 통해 태양광의 소자 내 투과 경로를 예측한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 작동 원리를 나타낸 모식도이다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 구동 안정성을 시간에 따라 측정한 표준화된 광전변환효율(Normalized Power Conversion Efficiency, PCE)을 나타낸 그래프이다.
도 5 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6 은 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 전류-전압 곡선 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7 은 본원의 실시예에 따라 제조된 양자점 태양전지의 양자점 박막 두께에 따른 광전변환효율 및 구동 안정성을 측정한 그래프이다.
도 8 은 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 조사 광량에 따른 유기 광활성층 분해 정도를 유기 광활성층 흡수도 변화를 통해 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 구조에 따른 광학 시물레이션을 통해 태양광의 소자 내 투과 경로를 예측한 결과를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하, 본원의 광안정성이 향상된 양자점 태양전지 및 이의 제조방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 투명 기판(100); 상기 투명 기판(100) 상에 형성된 전하 수송층(200); 상기 전하 수송층(200) 상에 형성된 광활성층(300); 상기 광활성층(300) 상에 형성된 정공 수송층(400); 및 상기 정공 수송층(400) 상에 형성된 전극(500)을 포함하는 양자점 태양전지에 있어서, 상기 전하 수송층(200)은 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고, 상기 광활성층(300)은 유기물을 포함하는 것인, 양자점 태양전지를 제공한다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 모식도이고, 도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 작동 원리를 나타낸 모식도이다.
유기태양전지는 빛에 대한 안정성이 매우 취약하고, 이로 인해 소자의 장기 안정성과 수명이 짧은 등의 문제가 있어, 유기태양전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.
본원에 따른 양자점 태양전지는 전하 수송층(200)이 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함함으로써, 종래의 유기 태양전지에 비하여 광안정성 및 효율이 현저히 향상된 양자점 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고에너지 광자는 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 약 0.8 eV 내지 약 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
종래의 유기 태양전지는 높은 광전 변환 효율을 가지지만 유기물 기반의 광활성층(300) 소재를 사용함으로써 고에너지 빛에 의해 소자의 안정성이 단기간에 저하되는 한계점이 있었다.
종래의 금속 산화물 전하 수송층(200)의 경우 고에너지 빛을 차단시키기에는 비교적 큰 밴드갭을 가지기 때문에, 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 고에너지가 전하 수송층(200)을 통과하여 광활성층(300)에 도달함으로써, 광활성층(300)의 유기물을 분해하여 광활성층(300)의 광전변환효율이 단기간에 떨어지는 문제점이 있다.
본원에 따른 양자점 태양전지는 전하 수송층(200)이 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 약 0.8 eV 내지 약 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 양자점을 포함함으로써, 고에너지 빛을 차단하여 광안정성을 현저히 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 비화인듐(InAs), 인화인듐(InP), 황화납(PbS), 안티몬화인듐(InSb), 비화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 안티몬화갈륨(GaSb), 셀렌화카드뮴(CdSe), 황화카드뮴(CdS), 텔루르화카드뮴(CdTe), 셀레늄화아연(ZnSe), 텔루르화아연(ZnTe) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 양자점은 비화인듐일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
물질의 크기가 나노 단위로 축소되면서 전기적, 광학적 성질이 크게 변화하게 되는데, 이러한 반도체 입자를 양자점(Quantum dot, QD)이라고 한다. 구체적으로 물질의 종류를 달리하는 것이 아닌 입자의 크기를 조절하여 양자점을 형성함으로써 방출 및 흡수 가능한 광의 파장 및 진동수를 효율적으로 조절할 수 있다.
그러나, 하기 화학식 1 을 참조하면, 벌크 상태의 화합물을 양자점으로 만드는 경우 밴드갭이 향상할 수 밖에 없기 때문에 300 nm 내지 400 nm 파장 범위의 빛(3.1 eV 내지 4.1 eV)을 차단하기 위해서는 벌크 상태의 밴드갭이 3.1 eV 보다 작아야 한다. 예를 들어, 벌크 InAs 의 밴드갭은 0.4 eV, 벌크 ZnO 의 밴드갭은 3.4 eV 이기 때문에 화학식 1 에 따른 양자구속효과를 받더라도 좁은 밴드갭을 형성 할 수 없고, 고에너지 광자를 선택적으로 차단할 수 없다. 따라서, 양자점이 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 약 0.8 eV 내지 약 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지도록 하는 것은 매우 중요한 의미를 갖는다.
[화학식 1]
(상기 화학식 1에서, 상기 R 은 양자점의 반지름이고, mr 은 유효질량, Eg(NC) 는 양자점의 밴드갭, Eg(bulk) 는 벌크상태의 밴드갭, ħ 는 플랑크 상수임)
상기 화학식 1 을 참조하면, 일반적으로 양자점 상태의 에너지 밴드갭은 벌크 상태일 때보다 향상하게 된다. 따라서, 양자점 상태에서 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 약 0.8 eV 내지 약 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 양자점 물질은 크게 제한된다.
또한, 종래의 전하 수송층(200) 재료인 ZnO, TiO2 등의 금속 산화물은 공핍 산소결함을 가지고 있어서 광촉매적 특성을 내재하고 있으므로, 유기 광활성층(300)의 분해를 촉진하는 문제점이 있었으나, 본원에 따른 양자점 태양전지는 광촉매적 특성이 없는 새로운 전하 수송층(200)을 도입함으로써, 유기 광활성층(300)의 분해를 원천적으로 차단하여 광안정성을 현저히 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본원에 따른 양자점 태양전지는 광촉매적 특성이 없는 새로운 전하 수송층(200)을 도입함으로써, 외부 보호 필름 없이도 활성산소와의 직접 접촉을 차단함으로써 활성산소에 취약한 유기 광활성층(300)의 흡광 물질을 보호하여 광안정성을 현저히 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점의 캐리어 농도는 약 1016 cm-3 내지 약 1017 cm-3 인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일반적으로 실리콘 반도체에서 도핑된 반도체는 1010 cm-3 내지 1018 cm-3 범위의 캐리어 농도를 가진다. 본원에 따른 양자점 태양전지는 약 1016 cm-3 내지 약 1017 cm-3 의 캐리어 농도를 가짐으로써, 도핑이 충분히 된 반도체(전하수송층)로서 원활한 전자 전달이 가능한 장점이 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 n-layer 를 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 양자점 태양전지는 우수한 전하수송 능력을 가지는 양자점으로 고전도성 n-layer 를 형성하여 전하 수송층(200)의 재료로 도입함으로써, 광전 변환 효율이 현저히 향상된 양자점 태양전지를 제공할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 특정 방향의 노출면을 포함하고, 상기 노출면에 리간드가 결합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 상기 노출면의 비율 또는 상기 리간드의 양에 따라 에너지 준위가 상이한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 특정 방향의 노출 면의 비율을 제어함으로써, 상기 노출 면과 결합되는 상기 리간드의 양을 조절하는 것이 가능하다. 예를 들어, 인화인듐(InP)의 경우 (111) 면은 인듐(In)으로만 노출된 패싯(facet)을 가지고 있다. 상기 인듐은 음이온성 리간드가 결합되어 안정화되기 때문에 (111) 면은 리간드가 잘 붙을 수 있다. 반면, (110) 면은 인듐-인(In-P)이 노출된 면으로서 In-P 의 노출된 불포화 결합은 자가 부동태화(self passivation)를 통해 표면을 안정화시킬 수 있고, 리간드가 잘 붙지 못하는 환경을 만들게 된다. 이러한 성질들을 이용하여 특정 방향의 면을 노출시키는가에 따라 표면에 붙는 리간드의 양을 조절할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 상기 노출면과 상기 리간드의 전기음성도 차이에 의해 에너지 준위가 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술하였듯이, 양자점이 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 약 0.8 eV 내지 약 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지도록 하는 것은 매우 중요한 의미를 갖는다.
본원에 따른 양자점 태양전지는 양자점의 특정 방향의 노출면과 상기 특정 방향의 노출면에 결합된 리간드의 전기음성도 차이를 이용함으로써 양자점의 에너지 준위를 조절할 수 있다.
특히, 상기 특정 방향의 노출면의 비율을 제어함으로써, 상기 노출면과 결합되는 상기 리간드의 양을 조절하는 것이 가능하다.
상기 특정 방향의 노출면의 비율 제어를 통한 리간드 교환 반응은 특정 방향의 노출 면에 따라 결합하는 리간드의 종류 및 양을 제어할 수 있기 때문에 소재의 에너지 준위를 미세하게 조절 할 수 있다.
따라서, 에너지 준위를 조절한 양자점을 전하 수송층(200)으로 사용함으로써, 광안정성 및 광전변환효율을 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전하 수송층(200)은 금속 산화물을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 산화물은 TiO2, NiOx, Zn2SnO4, ZnO, ZrO, Al2O3, SnO2, WO3, Nb2O5, TiSrO3 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 투명 기판(100)은 ITO, FTO, IZO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 투명 기판(100)은 전극역할을 하면서 광투과도가 우수한 고전도성 반도체 물질인 ITO 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 투명 기판(100)은 전도성을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 본원에 따른 양자점 태양전지 상에서 전극(500)기판의 역할을 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성층(300)은 벌크이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 벌크이종접합 구조는 도너(donor) 물질과 억셉터(acceptor) 물질이 수십 nm 이내의 사이즈로 섞여 있는 구조이다. 이러한 벌크이종접합 구조에서는 도너/억셉터 계면 면적이 PN 이중층(bilayer) 구조에 비해 월등히 크기 때문에, 그만큼 전하 분리(charge-separation) 효율이 높아질 수 있고, 결과적으로, 광전변환 효율이 개선될 수 있다.
예를 들어, 광활성층(300)은 P3HT(poly-3(hexylthiophene) 및 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 이 혼합된 P3HT:PCBM 을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 정공 수송층(400)은 MoO3, Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, P3HT, PCPDTBT, PCDTBT, PTAA, V2O5, NiO, WO3, CuI, CuSCN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 정공 수송층(400)은 MoO3 를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 정공 수송층(400)이 에너지 준위가 낮은 금속 산화물인 MoO3 를 포함하는 경우, 상부 전극인 Ag 와 에너지 레벨 조합이 좋은 장점이 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극(500)은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Mo, Ir, Os, C, 전도성 고분자 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 전극(500)은 Ag 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. Ag 를 전극(500)으로 사용하는 경우, 외부 환경에 안정하고 전도도가 높은 장점이 있다.
또한, 본원에 따른 양자점 태양전지는 기본적으로 유기물 계열의 광활성층(300)을 포함하는 유기물 기반 태양전지로서, 플렉서블(flexible)한 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 태양전지를 플렉서블(flexible)한 별도의 기판에 부착하여 사용할 수도 있는 장점이 있다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
본원의 제 2 측면은, 투명 기판(100) 상에 전하 수송층(200)을 형성하는 단계; 상기 전하 수송층(200) 상에 광활성층(300)을 형성하는 단계; 상기 광활성층(300) 상에 정공 수송층(400)을 형성하는 단계; 및 상기 정공 수송층(400) 상에 전극(500)을 형성하는 단계를 포함하는 양자점 태양전지에 있어서, 상기 전하 수송층(200)은 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고, 상기 광활성층(300)은 유기물을 포함하는 것인, 양자점 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 양자점 태양전지의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고에너지 광자는 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 약 0.8 eV 내지 약 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
먼저, 상기 투명 기판(100) 상에 상기 전하 수송층(200)을 형성한다(S100).
본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 전하 수송층(200) 및 광활성층(300)을 용액 공정을 이용하여 형성함으로써, 균일하고 빠르게 대면적 박막을 형성할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전하 수송층(200) 및 상기 광활성층(300)을 형성하는 단계는 스핀코팅, 드롭캐스팅, 딥코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 전하 수송층(200)은 스핀코팅방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 액체화된 샘플로 기판위에 스핀코팅하는 방법을 사용함으로써, 대면적과 플렉서블 소자에 적용이 가능한 장점이 있다.
또한, 본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 액체화된 샘플로 기판위에 스핀코팅하는 방법을 사용함으로써, 대면적화가 용이하고 공정 과정이 단순하여 roll-to-roll 공정의 도입이 가능하기 때문에 편리성 및 경제성이 우수할 수 있다.
이어서, 상기 전하 수송층(200) 상에 상기 광활성층(300)을 형성한다(S200).
본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 광활성층(300) 용액을 샘플위에 스핀코팅하는 방법을 사용함으로써, 하부층에 고르게 적층이 가능한 장점이 있다.
이어서, 상기 광활성층(300) 상에 상기 정공 수송층(400)을 형성한다(S300).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 정공 수송층(400)을 형성하는 단계는 물리적기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD), 스퍼터링(sputtering), RF/DC 스퍼터링, 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD), 전자빔 증착(Electron-beam Evaporation), 이온빔 스퍼터링, 화학적기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD), 저압화학기상증착(LPCVD), 플라즈마화학기상증착(PECVD), 이온 플레이팅(ion plating) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 정공 수송층(400)은 물리적기상증착 방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 정공 수송층(400)을 고진공에서 증착하기 때문에 결함이 적은 고품질의 박막을 얻을 수 있는 장점이 있다.
이어서, 상기 정공 수송층(400) 상에 전극(500)을 형성한다(S400).
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예] 양자점 태양전지(ITO/InAs QD/BHJ/MoO3/Ag)의 제조
In 전구체 및 As 전구체를 고온에서 반응시켜 핵 생성 후, 원하는 사이즈로 성장시켜 InAs 양자점(QD)을 합성하였다.
이어서, InAs 양자점에 리간드를 처리하여 용액 상태의 InAs 양자점 용액을 준비하였다.
이어서, ITO 박막이 코팅된 기판 위에 상기 InAs 양자점 용액을 스핀코팅한 후, 열처리하여 균일하고 결함없는 전하 수송층을 형성하였다.
이어서, 광활성층 BHJ 용액을 스핀코팅한 후, 열처리 하여 결정을 형성하였다.
이어서, MoO3 정공수송층 및 Ag 전극을 물리적기상증착 장비를 이용하여 순차적으로 적층하여 양자점 태양전지(ITO/InAs QD/BHJ/MoO3/Ag)를 제조하였다.
[비교예] 태양전지(ITO/ZnO/BHJ/MoO3/Ag)의 제조
ITO 박막이 코팅된 기판 위에 ZnO 용액을 스핀코팅한 후, 열처리하여 ZnO 전하 수송층을 형성하였다.
이어서, 광활성층 BHJ 용액을 스핀코팅한 후, 열처리 하여 결정을 형성하였다.
이어서, MoO3 정공수송층 및 Ag 전극을 물리적기상증착 장비를 이용하여 순차적으로 적층하여 태양전지(ITO/ZnO/BHJ/MoO3/Ag)를 제조하였다.
[실험예 1]
도 4 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 구동 안정성을 시간에 따라 측정한 표준화된 광전변환효율(Normalized Power Conversion Efficiency, PCE)을 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지를 솔라시물레이터 장비를 이용하여, 연속적인 태양광(AM 1.5 G, 100 mW/cm2)을 ITO 방향으로 조사하였다. 빛 조사 후, 15 분마다 태양전지의 효율을 측정하여 성능을 평가 하였다.
이를 통하여, 본원의 실시예에 따른 양자점 태양전지는 태양광(AM 1.5G, 100 mW/cm2) 조건하에서 15 분 내지 60 분 동안 노출시켰을 때, 초기 광전변환효율의 90% 이상의 효율을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 금속 산화물을 전하 수송층(200)으로 사용하는 비교예에 따른 태양전지의 경우, 태양광(AM 1.5G, 100 mW/cm2) 조건하에서 15 분 내지 60 분 동안 노출되었을 때 초기 광전변환효율의 20% 정도만을 유지하는 것을 확인할 수 있는데, 이를 통해 본원의 실시예에 따른 양자점 태양전지가 매우 우수한 광안정성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
이는, 비교예의 경우, 고에너지 빛을 차단시키기에는 비교적 큰 밴드갭을 가지는 ZnO 를 전하 수송층으로 사용하기 때문에, 빛이 들어오는 전하 수송층에서 고에너지 빛을 차단시키지 못하는 반면, 본원에 따른 양자점 태양전지는 InAs 양자점 전하 수송층이 고에너지 광자를 선택적으로 차단함으로써 광안정성을 현저하게 향상시킴을 시사하는 것이다.
[실험예 2]
도 5 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 5 의 (A) 의 경우, 광활성층을 유리기판 위에 실제 태양전지와 동일한 박막을 제작하고, UV-vis-NIR spectroscopy 를 이용하여 흡수도를 측정하였다. 도 5 의 (B) 의 경우, 전하 수송층을 유리기판 위에 실제 태양전지와 동일하게 박막을 제작하고, UV-vis-NIR spectroscopy 를 이용하여 흡수도를 측정하였다. 그래프의 뒷배경은 태양광의 파장에 따른 스펙트럼을 나타내는 것이다.
이를 통하여, 본원의 실시예에 따른 InAs 전하 수송층이 300 nm 내지 400 nm 범위의 고에너지 광자를 흡수하여 차단하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예의 경우, 300 nm 내지 400 nm 범위의 고에너지 광자를 차단하지 못하는 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 3]
도 6 의 (A) 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 ZnO 전자수송층, InAs 전하 수송층, BHJ 광활성층의 에너지레벨을 나타낸 그래프이다.
이를 통하여, ZnO, InAs 의 에너지 준위 값이 BHJ 와 근접함을 확인할 수 있었다. 이는 원활한 전자전달을 의미하는 것이다.
도 6 의 (B) 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 각각에 대한 전압에 대한 전류밀도(Current Density) 그래프이고, 도 6 의 (C) 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 각각에 대하여 개방전압(open-circuit voltage, Voc), 단락전류(Jsc), 충전율(Fill factor, FF) 및 전력변환효율(power conversion efficiency, PCE)을 비교하여 나타낸 표이다.
구체적으로, 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지를 각각 구동하여 솔라 시물레이터를 이용하여 전류-전압 곡선을 측정하였다.
이를 통하여, InAs 태양전지가 고에너지 차단을 하여도 전하 수송층 역할에 문제가 없어 태양전지 광전변환 효율이 ZnO 태양전지와 대등함을 확인할 수 있었다.
[실험예 4]
도 7 은 본원의 실시예에 따라 제조된 양자점 태양전지의 양자점 박막 두께에 따른 광전변환효율 및 구동 안정성을 측정한 그래프이다.
구체적으로, InAs 농도를 조절하여 두께를 늘리고 줄이면서 태양전지를 제작하였고, 솔라 시물레이터를 이용하여 효율을 측정하였다(노란색). 또한 솔라시물레이터를 이용하여 2 시간의 광조사후 초기 효율대비 유지되는 효율의 비율을 같이 나타내었다(초록색).
이를 통하여, InAs 두께를 늘림에 따라, 고에너지 빛 차단 역할이 증대되면서, 광안정성이 좋아지는 결과를 확인할 수 있었다. 이에 따라, 최적의 InAs 두께에서 높은 효율과 안정성을 갖는 태양전지를 제작하였음을 확인할 수 있었다.
[실험예 5]
도 8 은 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 조사 광량에 따른 유기 광활성층 분해 정도를 유기 광활성층 흡수도 변화를 통해 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 8 의 (A) 는 흡수도를 나타낸 그래프이다. 광활성층을 유리기판 위에 실제 태양전지와 동일한 박막을 제작하고, UV-vis-NIR spectroscopy 를 이용하여 흡수도를 측정하였다. 이어서, 솔라 시물레이터를 이용하여 태양광을 각각 30 분, 60 분 조사 후 흡수도를 재측정하였다.
이를 통하여, 광활성층이 빛 차단 역할을 하는 양자점이 없을 때 빛에 의해 고유 성질을 잃어버려 성능이 크게 감소됨을 확인할 수 있었다.
도 8 의 (B) 는 광활성층을 각각 태양전지에 이용되는 실제 두께(original) 및 계면 영향을 볼 수 있는 얇은 두께(thin)로 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 전자수송층에 적층한 뒤, 솔라 시물레이터로 각각 30 분, 60 분 광 조사 후 흡수도를 측정하여 초기 대비 어느 정도 유지되는지를 나타낸 그래프이다.
이를 통하여, 본원의 비교예에 따른 태양전지의 전하 수송층인 ZnO 는 고에너지 빛 차단 역할을 하지 못하기 때문에 광 조사 시간이 늘어남에 따라 광활성층의 흡수도가 크게 떨어지는 반면, 본원의 실시예에 따른 태양전지의 전하 수송층인 InAs 는 고에너지 빛 차단 역할을 함으로써 광활성층의 흡수도가 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 6]
도 9 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 구조에 따른 광학 시물레이션을 통해 태양광의 소자 내 투과 경로를 예측한 결과를 나타낸 그래프이다.
구체적으로, Transfer matrix method (TMM) 광학 시물레이션을 통해서 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 전하 수송층인 ZnO 및 InAs, ITO, BHJ, Ag 의 광학 정보를 입력하고, 빛이 조사되었을 때 빛이 어떻게 투과되고 흡수되는지를 계산하여 나타내었다.
도 9 의 (A) 를 참조하면, 본원의 비교예에 따른 ZnO 태양전지에서는 단파장에서 흡수가 없어 흡수정도를 나타내는 Light intensity fraction 이 낮고 그만큼 BHJ 가 흡수하는 부분이 큰 것을 확인할 수 있었다.
반면, 도 9 의 (B) 를 참조하면, 본원의 실시예에 따른 InAs 태양전지에서는 단파장에서 많은 빛을 흡수하고, BHJ 가 단파장영역에서 흡수하는 세기가 감소됨을 확인할 수 있었다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 투명 기판
200: 전하 수송층
300: 광활성층
400: 정공 수송층
500: 전극
200: 전하 수송층
300: 광활성층
400: 정공 수송층
500: 전극
Claims (20)
- 투명 기판;
상기 투명 기판 상에 형성된 전하 수송층;
상기 전하 수송층 상에 형성된 광활성층;
상기 광활성층 상에 형성된 정공 수송층; 및
상기 정공 수송층 상에 형성된 전극;
을 포함하는 양자점 태양전지에 있어서,
상기 전하 수송층은 300 nm 내지 400 nm 범위의 파장을 가지는 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고,
상기 양자점은 특정 방향의 노출면을 포함하고,
상기 노출면에 리간드가 결합되는 것이고,
상기 노출면의 비율 또는 상기 리간드의 양에 따라 에너지 준위가 상이한 것이고,
상기 노출면과 상기 리간드의 종류에 따른 전기음성도 차이에 의해 에너지 준위가 조절되는 것이고,
상기 양자점은 0.8 eV 내지 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지고,
상기 광활성층은 유기물을 포함하는 것인,
양자점 태양전지.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 양자점은 비화인듐(InAs), 인화인듐(InP), 황화납(PbS), 안티몬화인듐(InSb), 비화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 안티몬화갈륨(GaSb), 셀렌화카드뮴(CdSe), 황화카드뮴(CdS), 텔루르화카드뮴(CdTe), 셀레늄화아연(ZnSe), 텔루르화아연(ZnTe) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 양자점의 캐리어 농도는 1016 cm-3 내지 1017 cm-3 인 것인, 양자점 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 양자점은 n-layer 를 형성하는 것인, 양자점 태양전지.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 전하 수송층은 금속 산화물을 추가 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
- 제 10 항에 있어서,
상기 금속 산화물은 TiO2, NiOx, Zn2SnO4, ZnO, ZrO, Al2O3, SnO2, WO3, Nb2O5, TiSrO3 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 투명 기판은 ITO, FTO, IZO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광활성층은 벌크이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 층을 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
- 제 1 항에 있어서
상기 정공 수송층은 MoO3, Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, P3HT, PCPDTBT, PCDTBT, PTAA, V2O5, NiO, WO3, CuI, CuSCN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전극은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Mo, Ir, Os, C, 전도성 고분자 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
- 투명 기판 상에 전하 수송층을 형성하는 단계;
상기 전하 수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계;
상기 광활성층 상에 정공 수송층을 형성하는 단계; 및
상기 정공 수송층 상에 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 양자점 태양전지에 있어서,
상기 전하 수송층은 300 nm 내지 400 nm 범위의 파장을 가지는 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고,
상기 양자점은 특정 방향의 노출면을 포함하고,
상기 노출면에 리간드가 결합되는 것이고,
상기 노출면의 비율 또는 상기 리간드의 양에 따라 에너지 준위가 상이한 것이고,
상기 노출면과 상기 리간드의 종류에 따른 전기음성도 차이에 의해 에너지 준위가 조절되는 것이고,
상기 양자점은 0.8 eV 내지 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지고,
상기 광활성층은 유기물을 포함하는 것인,
양자점 태양전지의 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 16 항에 있어서,
상기 전하 수송층 및 상기 광활성층을 형성하는 단계는 스핀코팅, 드롭캐스팅, 딥코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것인, 양자점 태양전지의 제조 방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 정공 수송층을 형성하는 단계는 물리적기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD), 스퍼터링(sputtering), RF/DC 스퍼터링, 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD), 전자빔 증착(Electron-beam Evaporation), 이온빔 스퍼터링, 화학적기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD), 저압화학기상증착(LPCVD), 플라즈마화학기상증착(PECVD), 이온 플레이팅(ion plating) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것인, 양자점 태양전지의 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |