KR102661962B1 - Quantum dot solar cells and manufacturing method thereof - Google Patents

Quantum dot solar cells and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
KR102661962B1
KR102661962B1 KR1020190107303A KR20190107303A KR102661962B1 KR 102661962 B1 KR102661962 B1 KR 102661962B1 KR 1020190107303 A KR1020190107303 A KR 1020190107303A KR 20190107303 A KR20190107303 A KR 20190107303A KR 102661962 B1 KR102661962 B1 KR 102661962B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
zinc oxide
oxide nanoparticles
absorption layer
synthesized
heat treatment
Prior art date
Application number
KR1020190107303A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20210026476A (en
Inventor
오승주
강민수
우호균
Original Assignee
한국전력공사
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사, 고려대학교 산학협력단 filed Critical 한국전력공사
Priority to KR1020190107303A priority Critical patent/KR102661962B1/en
Publication of KR20210026476A publication Critical patent/KR20210026476A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102661962B1 publication Critical patent/KR102661962B1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035209—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02167—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
    • H01L31/022483—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers composed of zinc oxide [ZnO]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/186—Particular post-treatment for the devices, e.g. annealing, impurity gettering, short-circuit elimination, recrystallisation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 양자점 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판에 형성한 인듐 주석 산화물 투명전극과 상기 투명전극의 상부에 형성되며 합성한 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층과 상기 전자이동층의 상부에 형성되며 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납으로 이루어진 광 흡수층과 상기 광 흡수층의 상부에 형성되며 EDT 리간드 황화납 양자점으로 이루어진 정공흡수층과 상기 정공흡수층의 상부에 형성된 양극을 포함한다. 본 발명은 저온, 상압, 용액 공정을 통해 광 변환 효율 9%의 양자점 태양전지를 제조할 수 있는 이점이 있다.The present invention relates to a quantum dot solar cell and a method of manufacturing the same, which includes an indium tin oxide transparent electrode formed on a substrate, an electron transfer layer formed on top of the transparent electrode and made of synthesized zinc oxide nanoparticles, and an upper part of the electron transfer layer. A light-absorbing layer made of lead sulfide having lead iodide as a ligand synthesized through a liquid ligand substitution technique, and a hole-absorbing layer formed on top of the light-absorbing layer and made of EDT ligand lead sulfide quantum dots, and on top of the hole-absorbing layer. It includes a formed anode. The present invention has the advantage of being able to manufacture a quantum dot solar cell with a light conversion efficiency of 9% through a low temperature, normal pressure, and solution process.

Description

양자점 태양전지 및 그 제조방법{QUANTUM DOT SOLAR CELLS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Quantum dot solar cells and their manufacturing method {QUANTUM DOT SOLAR CELLS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 양자점 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 변환 효율을 향상시킬 수 있는 양자점 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a quantum dot solar cell and a method of manufacturing the same, and more specifically, to a quantum dot solar cell that can improve light conversion efficiency and a method of manufacturing the same.

신재생 에너지에 대한 관심이 늘어남에 따라, 저가의 대량생산이 가능한 고효율 태양전지를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 양자점 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지와 다르게, 높은 이론적인 광 변환 효율, 저가 용액 공정, 선택적 흡수대역 선택 등 다양한 장점으로 인해 각광 받고 있다. As interest in renewable energy increases, research is actively underway to develop high-efficiency solar cells that can be mass-produced at low cost. In particular, unlike conventional silicon solar cells, quantum dot solar cells are attracting attention due to their various advantages such as high theoretical light conversion efficiency, low-cost solution process, and selective absorption band selection.

그러나 현재까지의 양자점 태양전지는 산화아연 나노입자를 이용한 전자이동층의 최적화가 되지 않아 광생성된 전하가 효과적으로 전극으로 빠져나가지 못하는 한계를 가진다.However, quantum dot solar cells to date have limitations in that photo-generated charges cannot effectively escape to the electrodes because the electron transfer layer using zinc oxide nanoparticles has not been optimized.

이를 해결하기 위해 세슘, 포타슘과 같은 알칼리 이온을 도핑하여 산화아연 나노입자를 합성을 하거나, 산화아연 나노입자 필름의 표면처리를 통하여 밴드구조 개선을 통해 광전하 추출을 늘리거나, 나노입자의 트랩을 줄이는 연구 등이 진행되었지만 동시에 광전하 추출과 나노입자의 트랩을 줄이는 부분은 달성하기 어려운 한계를 보여왔다.To solve this problem, zinc oxide nanoparticles are synthesized by doping alkali ions such as cesium and potassium, photocharge extraction is increased by improving the band structure through surface treatment of the zinc oxide nanoparticle film, or trapping of nanoparticles is used. Although research has been conducted to reduce photocharge extraction and reduce trapping of nanoparticles, it has shown limitations that are difficult to achieve.

이에 따라, 종래 태양전지의 문제를 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있다.Accordingly, there is an urgent need for a method to solve the problems of conventional solar cells.

본 발명의 목적은 광전하 추출과 나노입자의 트랩을 줄여 전하 이동성을 향상시키고 광 변환 효율을 향상시킬 수 있도록 한 양자점 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. The purpose of the present invention is to provide a quantum dot solar cell and a method of manufacturing the same that improve charge mobility and improve light conversion efficiency by reducing photocharge extraction and trapping of nanoparticles.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 기판에 형성한 인듐 주석 산화물 투명전극과 상기 투명전극의 상부에 형성되며 합성한 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층과 상기 전자이동층의 상부에 형성되며 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납으로 이루어진 광 흡수층과 상기 광 흡수층의 상부에 형성되며 EDT 리간드 황화납 양자점으로 이루어진 정공흡수층과 상기 정공흡수층의 상부에 형성된 양극을 포함한다. According to the features of the present invention for achieving the above-described object, the present invention provides an indium tin oxide transparent electrode formed on a substrate, an electron transfer layer formed on the transparent electrode and made of synthesized zinc oxide nanoparticles, and the above transparent electrode. A light absorption layer formed on the top of the electron transfer layer and made of lead sulfide having lead iodide synthesized through a liquid ligand substitution technique as a ligand; a hole absorption layer formed on the top of the light absorption layer and made of EDT ligand lead sulfide quantum dots; and It includes an anode formed on top of the hole absorption layer.

상기 전자이동층은 열처리한 산화아연 나노입자를 사용한다.The electron transfer layer uses heat-treated zinc oxide nanoparticles.

상기 합성한 산화아연 나노입자는 박막 열처리 또는 액상 열처리 공정을 통해 산화아연 나노입자 내에 존재하는 산소 공공(oxygen vacancy)을 줄여준 것이다.The synthesized zinc oxide nanoparticles have reduced oxygen vacancies within the zinc oxide nanoparticles through a thin film heat treatment or liquid phase heat treatment process.

상기 양극은 금(Au) 전극이다.The anode is a gold (Au) electrode.

기판 상에 인듐 주석 산화물 투명전극을 형성하는 단계와 상기 투명전극의 상부에 합성된 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층을 형성하는 단계와 상기 전자이동층의 상부에 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납으로 이루어진 광 흡수층을 형성하는 단계와 상기 광 흡수층의 상부에 EDT 리간드 황화납 양자점으로 이루어진 정공흡수층을 형성하는 단계와 상기 정공흡수층의 상부에 양극을 형성하는 단계를 포함한다.Forming an indium tin oxide transparent electrode on a substrate, forming an electron transfer layer made of zinc oxide nanoparticles synthesized on top of the transparent electrode, and forming an electron transfer layer on top of the electron transfer layer using a liquid ligand substitution technique. Forming a light absorbing layer made of lead sulfide having lead odide as a ligand, forming a hole absorbing layer made of EDT ligand lead sulfide quantum dots on top of the light absorbing layer, and forming an anode on top of the hole absorbing layer. Includes.

상기 전자이동층을 형성하는 단계는, 화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자를 합성하는 단계와 상기 합성된 산화아연 나노입자를 액상으로 열처리하여 전기적 특성을 향상시키는 단계와 상기 열처리된 산화아연 나노입자를 상기 인듐 주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법으로 코팅하는 단계를 포함한다.Forming the electron transfer layer includes synthesizing zinc oxide nanoparticles through a wet chemical method, heat-treating the synthesized zinc oxide nanoparticles in a liquid phase to improve electrical properties, and heat-treating the zinc oxide nanoparticles. It includes coating the top of the indium tin oxide transparent electrode using a spin coating technique.

상기 전자이동층을 형성하는 단계는, 화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자를 합성하는 단계와 상기 합성된 산화아연 나노입자를 상기 인듐 주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법으로 코팅하여 산화아연 나노입자 박막을 형성하는 단계와 상기 산화아연 나노입자 박막을 열처리하여 단계를 포함한다.The step of forming the electron transfer layer includes synthesizing zinc oxide nanoparticles through a chemical wet method and coating the synthesized zinc oxide nanoparticles on the top of the indium tin oxide transparent electrode using a spin coating technique to form zinc oxide nano particles. It includes forming a particle thin film and heat treating the zinc oxide nanoparticle thin film.

상기 산화아연 나노입자는 아세트산 아연과 수산화 칼륨을 포함하는 반응 혼합물로부터 합성하고, 상기 합성된 산화아연 나노입자를 클로로포름에 분산시켜 산화아연 나노입자 용액으로 준비한다.The zinc oxide nanoparticles are synthesized from a reaction mixture containing zinc acetate and potassium hydroxide, and the synthesized zinc oxide nanoparticles are dispersed in chloroform to prepare a zinc oxide nanoparticle solution.

상기 열처리는 50~200℃ 온도에서 15~30분간 수행한다.The heat treatment is performed at a temperature of 50 to 200°C for 15 to 30 minutes.

상기 정공흡수층을 형성하는 단계는, 상기 광 흡수층의 상부에 긴 유기물 리간드를 가지고 있는 황화납 양자점을 코팅한 다음, EDT 리간드로 치환하여 전기적 특성을 향상시킨다.In the step of forming the hole absorption layer, lead sulfide quantum dots having long organic ligands are coated on the top of the light absorption layer and then replaced with EDT ligands to improve electrical properties.

상기 정공흡수층의 상부에 양극을 형성하는 단계는, 금(Au) 전극을 열 증착시켜 형성한다.The step of forming an anode on top of the hole absorption layer is formed by thermally depositing a gold (Au) electrode.

본 발명은 전자이동층에 액상 또는 박막 열처리된 산화아연 나노입자 박막을 적용하므로 산소 공공이 감소되어 전하의 이동성을 향상시켜 광생성된 전하가 효과적으로 전극을 빠져나갈 수 있고 광 변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention applies a liquid or thin film heat-treated zinc oxide nanoparticle thin film to the electron transfer layer, thereby reducing oxygen vacancies and improving charge mobility, allowing photogenerated charges to effectively escape the electrode and improving light conversion efficiency. There is an effect.

특히, 본 발명은 열처리를 통한 산화아연 나노입자의 전기적 특성을 향상시켜 광전하 추출 및 나노입자 트랩이 감소하여 트랩 준위 재결합 확률을 감소하므로 양자점 태양전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.In particular, the present invention improves the electrical properties of zinc oxide nanoparticles through heat treatment, thereby reducing photocharge extraction and nanoparticle trapping, thereby reducing the probability of trap level recombination, thereby improving the efficiency of quantum dot solar cells.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 양자점 태양전지를 보인 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 양자점 태양전지 제조방법을 보인 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전자이동층을 설명하기 위한 도면.
도 4의 (a)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막의 X-선 광전자 분광 스펙트럼이고, (b)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막의 광 루미너센스 스펙트럼이고, (c),(d)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막의 자외광 전자 분광법 스펙트럼의 고저 에너지 스펙트럼이고, (e)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막의 그래프이고, (f)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막의 전기 밴드 다이어그램.
도 5의 (a)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 제작된 양자점 태양전지의 전기적 특성을 나타내는 그래프이고, (b)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 한 양자점 태양전지의 시간에 따른 특성 변화를 보여주는 그래프이고, (c)와 (d)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 한 양자점 태양전지의 조도에 따른 단락전류와 개방전압을 보여주는 그래프.1 is a configuration diagram showing a quantum dot solar cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing a method of manufacturing a quantum dot solar cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram for explaining an electron transfer layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 (a) is an X-ray photoelectron spectroscopy spectrum of a zinc oxide nanoparticle thin film without heat treatment, thin film heat treatment, and liquid phase heat treatment, and (b) is an X-ray photoelectron spectroscopy spectrum of a zinc oxide nanoparticle thin film without heat treatment, thin film heat treatment, and liquid phase heat treatment. is the luminescence spectrum, (c), (d) are the high and low energy spectra of the ultraviolet electron spectroscopy spectrum of the zinc oxide nanoparticle thin film subjected to the thin film heat treatment and liquid phase heat treatment without heat treatment, and (e) is the high and low energy spectrum of the thin film heat treatment without heat treatment, This is a graph of a zinc oxide nanoparticle thin film subjected to liquid heat treatment, and (f) is an electric band diagram of a zinc oxide nanoparticle thin film without heat treatment, thin film heat treatment, and liquid heat treatment.
Figure 5 (a) is a graph showing the electrical characteristics of a quantum dot solar cell manufactured based on a zinc oxide nanoparticle thin film without heat treatment, thin film heat treatment, and liquid phase heat treatment, and (b) is a graph showing the electrical characteristics of a quantum dot solar cell without heat treatment, thin film heat treatment, and liquid phase heat treatment. This is a graph showing the change in characteristics of a quantum dot solar cell based on a zinc oxide nanoparticle thin film over time. (c) and (d) are graphs showing quantum dots based on a zinc oxide nanoparticle thin film without heat treatment, thin film heat treatment, and liquid heat treatment. Graph showing short-circuit current and open-circuit voltage according to solar cell illuminance.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 양자점 태양전지(1)는 기판(10), 기판(10) 상에 형성한 투명전극(20), 투명전극(20)의 상부에 형성한 전자이동층(30), 전자이동층(30)의 상부에 형성한 광 흡수층(40), 광 흡수층(40)의 상부에 형성한 정공흡수층(50) 및 정공흡수층(50)의 상부에 형성한 양극(60)을 포함한다.As shown in Figure 1, the quantum dot solar cell 1 of the present invention includes a substrate 10, a transparent electrode 20 formed on the substrate 10, and an electron transfer layer formed on the transparent electrode 20. (30), a light absorption layer 40 formed on top of the electron transfer layer 30, a hole absorption layer 50 formed on top of the light absorption layer 40, and an anode 60 formed on top of the hole absorption layer 50. ) includes.

기판(10)은 유리 또는 유연성이 있는 플라스틱으로 형성된 투명기판을 이용할 수 있다. 예를 들어, 기판은 유리(glass) 기판, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylenenaphthelate), PP(polypropylene), PI(polyamide), TAC(tri acetyl cellulose), PES(polyethersulfone) 등을 포함하는 플라스틱 중 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판, 알루미늄 포일(aluminum foil), 스테인리스 스틸 포일(stainlessteel foil) 중 어느 하나를 포함하는 플렉서블(flexible) 기판 등을 사용할 수 있다. 실시예에서는 유리 기판을 사용한다. The substrate 10 may be a transparent substrate made of glass or flexible plastic. For example, the substrate is made of plastics including glass substrate, PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylenenaphthelate), PP (polypropylene), PI (polyamide), TAC (tri acetyl cellulose), PES (polyethersulfone), etc. A flexible substrate containing any one of a plastic substrate, aluminum foil, or stainless steel foil can be used. In the examples, a glass substrate is used.

기판(10) 상에 투명전극(20)을 형성한다. 투명전극(20)은 인듐 주석 산화물(ITO), FTO(fluorine deped tin oxide), AZO(aluminum doped zinc oxide), IZO(indium zine oxide)일 수 있다. 투명전극(20)은 기판(10) 상에 증착에 의해 형성되거나, 파티클이나 졸겔 타입으로 용액화 상태로 제조되어 코팅 또는 인쇄 공정으로 기판(10) 상에 도포될 수 있다. 실시예에서는 인듐 주석 산화물(ITO) 투명전극을 사용한다. 인듐 주석 산화물 투명전극은 전기적 성능과 투명성이 우수하다.A transparent electrode 20 is formed on the substrate 10. The transparent electrode 20 may be made of indium tin oxide (ITO), fluorine deped tin oxide (FTO), aluminum doped zinc oxide (AZO), or indium zine oxide (IZO). The transparent electrode 20 may be formed on the substrate 10 by deposition, or may be manufactured in a solution state as a particle or sol-gel type and applied on the substrate 10 through a coating or printing process. In the example, an indium tin oxide (ITO) transparent electrode is used. Indium tin oxide transparent electrodes have excellent electrical performance and transparency.

전자이동층(30)은 합성한 산화아연 나노입자로 이루어진다. 합성한 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층(30)은 생성된 광전자만을 선별적으로 이동시킨다. 이러한 전자이동층(30)은 전자 이동과 층간 계면 특성을 우수하게 만들어 광 변환 효율의 증가에 기여한다.The electron transfer layer 30 is made of synthesized zinc oxide nanoparticles. The electron transfer layer 30 made of synthesized zinc oxide nanoparticles selectively moves only generated photoelectrons. This electron transfer layer 30 contributes to an increase in light conversion efficiency by providing excellent electron transfer and interlayer interface characteristics.

전자이동층(30)은 열처리한 산화아연 나노입자(ZnO NPs)로 이루어진다. 바람직하게는, 전자이동층(30)은 합성한 산화아연 나노입자를 박막 열처리 또는 액상 열처리하여 산화아연 나노입자 내에 존재하는 산소 공공(oxygen vacancy)을 줄여준 것이다. The electron transfer layer 30 is made of heat-treated zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs). Preferably, the electron transfer layer 30 is formed by subjecting synthesized zinc oxide nanoparticles to thin film heat treatment or liquid phase heat treatment to reduce oxygen vacancies present in the zinc oxide nanoparticles.

합성된 직후의 산화아연 나노입자는 산소 공공이 존재한다. 산소 공공은 광 생성된 전자가 통과할 때 재결합을 일으키고 이는 낮은 광 변환 효율의 원인이 된다. 또한, 산소 공공은 산화아연 나노입자에 트랩으로 존재하면서 전자를 머금고 있어 낮은 전기적 특성과 페르미 에너지 레벨을 형성한다. Zinc oxide nanoparticles immediately after synthesis have oxygen vacancies. Oxygen vacancies cause recombination when photogenerated electrons pass through, which causes low light conversion efficiency. Additionally, oxygen vacancies exist as traps in zinc oxide nanoparticles and contain electrons, resulting in low electrical properties and a Fermi energy level.

이는 광 흡수층(40)인 양자점 입자와 이상적인 밴드를 형성하지 못하고 광 생성된 전하가 충분히 전극으로 이동하지 못하는 결과를 야기한다. 따라서 합성한 산화아연 나노입자는 박막 열처리 또는 액상 열처리 공정을 통해 산화아연 나노입자 내에 존재하는 산소 공공(oxygen vacancy)을 줄여준다. 산소 공공이 채워지면 나오는 전자는 전자의 수를 증가시켜 산화아연 나노입자가 보다 N 타입을 띄게 한다.This results in the failure to form an ideal band with the quantum dot particles of the light absorption layer 40 and the photo-generated charges not sufficiently moving to the electrode. Therefore, the synthesized zinc oxide nanoparticles reduce the oxygen vacancies present in the zinc oxide nanoparticles through a thin film heat treatment or liquid phase heat treatment process. When the oxygen vacancy is filled, the electrons that come out increase the number of electrons, making the zinc oxide nanoparticles more N-type.

열처리에 의해 산소 공공을 줄여주는 원리는 아래의 반응식에 의한 것이다. The principle of reducing oxygen vacancies through heat treatment is based on the reaction equation below.

Zn- -Zn + 2OH- →Zn-OH+-Zn + OH- → Zn-O-Zn + H2OZn- -Zn + 2OH - →Zn-OH + -Zn + OH - → Zn-O-Zn + H 2 O

예컨데, 액상 열처리의 경우, 분산이 용이하여 산소 공공 제거에 보다 효과적이다. For example, in the case of liquid heat treatment, dispersion is easy and it is more effective in removing oxygen vacancies.

광 흡수층(40)은 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납(PbS-PbI2)으로 이루어진다. 광 흡수층(40)은 광 흡수율을 높이기 위해 일정 두께 이상으로 형성한다. The light absorption layer 40 is made of lead sulfide (PbS-PbI 2 ) having lead iodide as a ligand synthesized using a liquid ligand substitution technique. The light absorption layer 40 is formed to have a certain thickness or more in order to increase the light absorption rate.

정공흡수층(50)은 EDT 리간드 황화납 양자점(PbS-EDT)으로 이루어진다.The hole absorption layer 50 is made of EDT ligand lead sulfide quantum dots (PbS-EDT).

양극(60)은 금(Au) 전극으로 형성된다. 그러나 양극(60)을 형성하는 물질은 특별히 제한하지 않고, 기존 양극 형성물질을 비제한적으로 사용할 있다. 예를 들어, 공기 중에서 산화가 방지되는 금속물질인 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 마그네슘(Mg) 중 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.The anode 60 is formed of a gold (Au) electrode. However, the material forming the anode 60 is not particularly limited, and existing anode forming materials can be used without limitation. For example, one or more types selected from aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au), and magnesium (Mg), which are metal materials that prevent oxidation in air, can be used.

도 2에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 양자점 태양전지 제조방법은 기판 상에 인듐 주석 산화물 투명전극을 형성하는 단계와, 투명전극의 상부에 합성된 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층을 형성하는 단계와, 전자이동층의 상부에 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납으로 이루어진 광 흡수층을 형성하는 단계와, 광 흡수층의 상부에 EDT 리간드 황화납 양자점으로 이루어진 정공흡수층을 형성하는 단계와, 정공흡수층의 상부에 양극을 형성하는 단계를 포함한다.As shown in Figure 2, the quantum dot solar cell manufacturing method of the present invention includes forming an indium tin oxide transparent electrode on a substrate, and forming an electron transfer layer made of synthesized zinc oxide nanoparticles on top of the transparent electrode. forming a light absorption layer made of lead sulfide having lead iodide synthesized by a liquid ligand substitution technique as a ligand on the top of the electron transfer layer, and forming a hole made of lead sulfide quantum dots as an EDT ligand on the top of the light absorption layer. It includes forming an absorption layer and forming an anode on top of the hole absorption layer.

전자이동층(30)을 형성하는 단계는, 화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자를 합성하는 단계와 합성된 산화아연 나노입자를 액상으로 열처리하여 전기적 특성을 향상시키는 단계와 열처리된 산화아연 나노입자를 상기 인듐 주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법으로 코팅하는 단계를 포함한다. The step of forming the electron transfer layer 30 includes synthesizing zinc oxide nanoparticles through a chemical wet method, heat-treating the synthesized zinc oxide nanoparticles in a liquid phase to improve electrical properties, and heat-treated zinc oxide nanoparticles. It includes coating the top of the indium tin oxide transparent electrode using a spin coating technique.

또는, 전자이동층(30)을 형성하는 단계는, 화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자를 합성하는 단계와 합성된 산화아연 나노입자를 상기 인듐 주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법으로 코팅하여 산화아연 나노입자 박막을 형성하는 단계와 산화아연 나노입자 박막을 열처리하여 단계를 포함한다.Alternatively, forming the electron transfer layer 30 includes synthesizing zinc oxide nanoparticles through a chemical wet method and coating the synthesized zinc oxide nanoparticles on the top of the indium tin oxide transparent electrode using a spin coating technique. It includes forming a zinc oxide nanoparticle thin film and heat treating the zinc oxide nanoparticle thin film.

산화아연 나노입자는 화학 습식 방법을 통해 대량 합성한다.Zinc oxide nanoparticles are mass synthesized through wet chemical methods.

구체적으로, 산화아연 나노입자는 아세트산 아연(ZnC4H6O4)과 수산화 칼륨(KOH)을 포함하는 반응 혼합물로부터 합성하고, 합성된 산화아연 나노입자를 클로로포름에 분산시켜 산화아연 나노입자 용액으로 준비할 수 있다. Specifically, zinc oxide nanoparticles are synthesized from a reaction mixture containing zinc acetate (ZnC 4 H 6 O 4 ) and potassium hydroxide (KOH), and the synthesized zinc oxide nanoparticles are dispersed in chloroform to form a zinc oxide nanoparticle solution. You can prepare.

산화아연 나노입자 용액이 준비되면, 산화아연 나노입자 용액을 준비된 기판에 스핀코팅하여 얇은 막(film)의 형태로 산화아연 나노입자 박막을 생성한다. 여기서, 산화아연 나노입자가 코팅되는 기판은 태양전지의 음극인 인듐주석 산화물 투명전극이 증착된 유리 기판이다. When the zinc oxide nanoparticle solution is prepared, the zinc oxide nanoparticle solution is spin-coated on the prepared substrate to create a zinc oxide nanoparticle thin film in the form of a thin film. Here, the substrate coated with zinc oxide nanoparticles is a glass substrate on which a transparent indium tin oxide electrode, which is the cathode of a solar cell, is deposited.

합성한 산화아연 나노입자는 기판에 나노입자 박막을 생성한 다음 열처리를 수행하는 박막 열처리 또는 산화아연 나오입자 용액 상태에서 열처리를 수행하는 액상 열처리 공정을 통해 산화아연 나노입자 내에 존재하는 산소 공공(oxygen vacancy)을 줄여준다. Synthesized zinc oxide nanoparticles are produced through a thin film heat treatment process in which a thin film of nanoparticles is created on a substrate and then heat treated, or a liquid heat treatment process in which heat treatment is performed in a solution of zinc oxide nanoparticles. Reduces vacancy.

즉, 액상 열처리의 경우 산화아연 나노입자를 스핀코팅하기 전 열처리를 수행하고, 박막 열처리의 경우 산화아연 나노입자를 스핀코팅한 후 열처리를 수행한다. 열처리는 저온 열처리로 50~200℃ 온도에서 15~30분간 수행한다. 실시예의 경우 액상 열처리하며 80℃에서 수행하였다. 저온 열처리는 통상의 열처리를 이용하여 수행할 수 있으며, 공기 분위기에서 수행할 수 있다. That is, in the case of liquid heat treatment, heat treatment is performed before spin coating the zinc oxide nanoparticles, and in the case of thin film heat treatment, heat treatment is performed after spin coating the zinc oxide nanoparticles. Heat treatment is low-temperature heat treatment and is performed at a temperature of 50 to 200°C for 15 to 30 minutes. In the case of the examples, liquid heat treatment was performed at 80°C. Low-temperature heat treatment can be performed using normal heat treatment and can be performed in an air atmosphere.

열처리는 50℃ 미만에서는 산소 공공을 채우는 효과가 미비하고 200℃를 초과하면 소결을 유도하므로 바람직하지 않다. Heat treatment is not desirable because it has little effect in filling oxygen vacancies at temperatures below 50°C and induces sintering when it exceeds 200°C.

도 3에 도시된 바와 같이, 합성된 직후의 산화아연 나노입자는 산소 공공이 존재하여, 광 생성된 전자가 산화아연 나노입자 박막을 통과할 때, 재결합을 일으키고, 이는 낮은 광 변환 효율의 원인이 된다. 또한 산소 공공은 산화아연 나노입자에 트랩으로 존재하여 전자를 머금고 있어 낮은 전기적 특성과 페르미 에너지 레벨을 형성한다. 이는 광 흡수층인 황화 납 양자점 입자와 이상적인 밴드를 형성하지 못하여 광 생성된 전하가 충분히 전극으로 이동하지 못하는 결과를 야기한다. As shown in Figure 3, oxygen vacancies exist in zinc oxide nanoparticles immediately after synthesis, causing recombination when photogenerated electrons pass through the zinc oxide nanoparticle thin film, which causes low light conversion efficiency. do. Additionally, oxygen vacancies exist as traps in zinc oxide nanoparticles and contain electrons, resulting in low electrical properties and a Fermi energy level. This does not form an ideal band with the lead sulfide quantum dot particles, which are the light absorption layer, resulting in the photo-generated charge not sufficiently moving to the electrode.

박막 열처리의 경우, 산소가 분리되어 공공을 채우고, 액상 열처리의 경우, 용액 속의 OH- 이온이 산소 공공을 채우게 된다. 2차원 박막 대비 용액 속 0차원 나노입자는 표면 대 부피비가 크고 산소 분리 과정이 필요 없기 때문에 저온(50~200℃)에서 보다 효율적으로 산소 공공을 채울 수 있다. 또한, 산소 공공이 채워지면서 나오는 전자는 전자의 수를 증가시켜 산화아연 나노입자가 보다 N타입을 띄게 한다. In the case of thin film heat treatment, oxygen is separated and fills the vacancies, and in the case of liquid heat treatment, OH- ions in the solution fill the oxygen vacancies. Compared to two-dimensional thin films, zero-dimensional nanoparticles in solution have a large surface-to-volume ratio and do not require an oxygen separation process, so they can fill oxygen vacancies more efficiently at low temperatures (50 to 200 degrees Celsius). Additionally, the electrons that come out as oxygen vacancies are filled increase the number of electrons, making zinc oxide nanoparticles more N-type.

산소 공공(oxygen vacancy)은 열처리 과정에서 산소가 공급되어 채워지게 된다. Oxygen vacancies are filled with oxygen supplied during the heat treatment process.

광 흡수층(40)을 형성하는 단계는, 전자이동층(30)의 상부에 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납을 코팅하여 형성한다. 액상 리간드 치환은 표면 결함을 최소화하여 전기적 특성을 역할을 한다.The step of forming the light absorption layer 40 is formed by coating the top of the electron transfer layer 30 with lead sulfide, which has lead iodide synthesized through a liquid phase ligand substitution technique as a ligand. Liquid ligand substitution improves electrical properties by minimizing surface defects.

정공흡수층(50)을 형성하는 단계는, 화학 습식 방법을 통해 황화납 양자점을 대량 합성한다. 다음으로 광 흡수층의 상부에 긴 유기물 리간드를 가지고 있는 황화납 양자점을 코팅한 다음, EDT(1,2-Ethanedithiol) 리간드로 치환하여 전기적 특성을 향상시킨다. 코팅은 스핀코팅에 의해 수행될 수 있다.In the step of forming the hole absorption layer 50, lead sulfide quantum dots are mass synthesized through a chemical wet method. Next, lead sulfide quantum dots with long organic ligands are coated on the top of the light absorption layer, and then replaced with EDT (1,2-Ethanedithiol) ligands to improve electrical properties. Coating can be performed by spin coating.

정공흡수층(50)의 상부에 양극을 형성하는 단계는, 금(Au) 전극을 열 증착시켜 형성한다. The step of forming an anode on the hole absorption layer 50 is formed by thermally depositing a gold (Au) electrode.

상술한 양자점 태양전지 제조방법은 화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자와 황화 납 양자점을 대량 합성하여, 전자이동층(30), 광 흡수층(40), 정공흡수층(50)을 코팅 공정으로 형성하므로, 제조공정을 단순화시킬 수 있고, 대면적 태양전지를 상대적으로 용이하게 제작할 수 있다. The above-described quantum dot solar cell manufacturing method synthesizes zinc oxide nanoparticles and lead sulfide quantum dots in large quantities through a chemical wet method, and forms the electron transfer layer 30, the light absorption layer 40, and the hole absorption layer 50 through a coating process. , the manufacturing process can be simplified, and large-area solar cells can be manufactured relatively easily.

또한, 합성된 산화아연 나노입자를 인듐주석 산화물이 증착된 기판에 코팅하기 전 액상으로 열처리하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. Additionally, electrical properties can be improved by heat-treating the synthesized zinc oxide nanoparticles in a liquid phase before coating them on a substrate on which indium tin oxide is deposited.

또한, 열처리된 산화아연 나노입자를 인듐주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법을 통해 전자이동층(30)을 형성하고, 전자이동층(30)의 상부에 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납을 코팅하여 광 흡수층(40)을 형성하므로 전기적 특성을 향상시킨다. In addition, an electron transfer layer 30 was formed using heat-treated zinc oxide nanoparticles through a spin coating technique on the top of an indium tin oxide transparent electrode, and an iodide synthesized using a liquid ligand substitution technique was placed on the top of the electron transfer layer 30. The light absorption layer 40 is formed by coating lead sulfide, which has lead as a ligand, to improve electrical properties.

또한, 광 흡수층(40)의 상부에 긴 유기물 리간드를 갖고 있는 황화 납 양자점을 코팅한 다음 EDT(1,2-Ethanedithiol) 리간드로 치환하여 전기적 특성을 향상시키고, 광 흡수층(40)의 상부에 양극(60)으로 금 전극을 열 증차시킴으로써 양자점 태양전지를 제작할 수 있다. In addition, lead sulfide quantum dots having a long organic ligand are coated on the top of the light absorption layer 40 and then replaced with an EDT (1,2-Ethanedithiol) ligand to improve electrical properties, and an anode is placed on the top of the light absorption layer 40. (60) Quantum dot solar cells can be manufactured by thermally increasing the gold electrode.

양극(60)은 80nm의 두께로 형성할 수 있다. The anode 60 can be formed to a thickness of 80 nm.

이하에서는 본 발명을 실험예를 통해 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be explained through experimental examples.

산화아연 나노입자는 생성된 광전자만을 선별적으로 이동시키는 전자이동층이다. 전자이동층(30)은 스퍼터링을 통해 제작된 인듐주석 산화물 유리 기판(10)의 상부에 산화아연 나노입자를 스핀코팅하여 형성한다. 그 후 광 흡수층(40)인 황화납 양자점을 액상 치환기법으로 리간드 치환하여 스핀코팅하고, 그 후 정공흡수층(50)인 EDT 리간드 황화 납 양자점을 박막치환 기법으로 코팅하며, 마지막으로 양극(60)으로 금 전극을 형성하여 양자점 태양전지(1)를 제작한다. Zinc oxide nanoparticles are an electron transfer layer that selectively moves only generated photoelectrons. The electron transfer layer 30 is formed by spin-coating zinc oxide nanoparticles on the top of the indium tin oxide glass substrate 10 manufactured through sputtering. Afterwards, the lead sulfide quantum dots, which are the light absorption layer 40, are ligand-substituted and spin-coated using a liquid phase substitution technique, and then the EDT ligand lead sulfide quantum dots, which are the hole absorption layer 50, are coated using a thin film substitution technique, and finally, the anode 60 is formed. A quantum dot solar cell (1) is manufactured by forming a gold electrode.

인듐주석 산화물 유리 기판은 아세톤 및 이소프로판올로 세정하고 탈이온수에서 5분 동안 초음파 처리하고, 30분 동안 UV-오존 처리하여 준비한다. 전자이동층은 2500 rpm의 속도로 30초 동안 산화아연 나노입자를 코팅한 다음 80℃에서 15분 동안 가열한다.Indium tin oxide glass substrates are prepared by cleaning with acetone and isopropanol, sonicating in deionized water for 5 minutes, and UV-ozone treatment for 30 minutes. The electron transfer layer is coated with zinc oxide nanoparticles for 30 seconds at a speed of 2500 rpm and then heated at 80°C for 15 minutes.

도 4의 (a)에 도시된 바에 의하면, 530.2eV에서 피크는 산소 공공을 나타낸다. 산화아연 나노입자 샘플에서 열처리하지 않은 샘플의 경우 산소 공공이 20.6at%에서, 박막 열처리한 경우 13.0at%로, 액상 열처리의 경우 12.0at%로 산소 공공이 감소했다. 위 결과로부터 액상 열처리는 박막 열처리에 비해 산소 공공을 줄이는데 효과적임을 알 수 있다.As shown in Figure 4 (a), the peak at 530.2 eV represents oxygen vacancies. In the zinc oxide nanoparticle sample, oxygen vacancies decreased from 20.6 at% in the case of the non-heat treated sample, to 13.0 at% in the case of the thin film heat treatment, and to 12.0 at% in the case of the liquid heat treatment. From the above results, it can be seen that liquid heat treatment is more effective in reducing oxygen vacancies than thin film heat treatment.

산화아연 나노입자 샘플에서 결함 밀도의 감소는 광학 특성을 변화시킬 것으로 예상된다. 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 광 발광(PL) 특성을 측정하였다. Reduction of defect density in zinc oxide nanoparticle samples is expected to change optical properties. As shown in Figure 4 (b), photoluminescence (PL) characteristics were measured.

모든 PL데이터는 ~365nm에서 밴드 에지 방출로 정상화되었으며, ~550nm에서 피크 주변의 넓은 신호는 산화아연 나노입자의 표면 결함에서 주로 발생하는 결함 방출에 해당한다. XPS 분석에서 액상 열처리한 경우 결함 방출이 가장 낮았으며, 박막 열처리한 경우가 그 다음으로 낮았다.All PL data were normalized to the band edge emission at ~365 nm, and the broad signal around the peak at ~550 nm corresponds to defect emission mainly arising from surface defects of zinc oxide nanoparticles. In XPS analysis, defect release was lowest in the case of liquid heat treatment, followed by the lowest in the case of thin film heat treatment.

도 4의 (c)에 도시된 바에 의하면, 열처리 변화와 상관없이 비슷한 준위의 페르미 레벨을 갖는 것을 알 수 있다. As shown in Figure 4 (c), it can be seen that the Fermi level is at a similar level regardless of the change in heat treatment.

또한, 도 4의 (d) 및 (e)에 도시된 그래프를 통해 전체적인 밴드의 형상을 유추하였을 때, 도 4의 (f)에 도시된 바와 같이, 액상 열처리 및 박막 열처리한 경우 페르미 에너지 레벨이 상대적으로 위쪽으로 이동하였고, 이는 n형의 증가를 나타낸다. In addition, when inferring the shape of the overall band through the graphs shown in Figures 4 (d) and (e), as shown in Figure 4 (f), the Fermi energy level in the case of liquid heat treatment and thin film heat treatment is It moved relatively upward, indicating an increase in n-type.

위 결과로부터, 액상 열처리의 경우 가장 깊은 전도대를 보여주고 높은 태양전지 효율을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다. From the above results, it can be seen that liquid heat treatment shows the deepest conduction band and can exhibit high solar cell efficiency.

도 5의 (a)에 도시된 바에 의하면, 태양전지의 PCE 값에서 열처리가 없는 박막은 8.05%(JSC 21.85mA/㎠, VOC 0.606, 충전율(FF) 60.8%), 박막 열처리된 경우 ~8.76%(JSC 21.46mA/㎠, VOC 0.617, 충전율(FF) 63.1%), 액상 열처리된 경우 9.28%(JSC 23.08mA/㎠, VOC 0.635, 충전율(FF) 63.3%)로 액상 열처리된 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 한 양자점 태양전지에서 광 변환 효율이 가장 높았다. As shown in Figure 5 (a), the PCE value of the solar cell is 8.05% for the thin film without heat treatment (JSC 21.85 mA/cm2, VOC 0.606, charge factor (FF) 60.8%), and for the thin film heat treatment, it is ~8.76%. (JSC 21.46mA/㎠, VOC 0.617, filling factor (FF) 63.1%), liquid heat-treated zinc oxide nanoparticle thin film of 9.28% (JSC 23.08mA/㎠, VOC 0.635, filling factor (FF) 63.3%) The light conversion efficiency was highest in quantum dot solar cells based on .

이는 저온 열처리 과정에서 산소 공공 결함이 감소하고 n형 도핑을 통해 광 생성된 전하를 더 빠르게 소멸시켜 광 흡수층에서 더 큰 내장 전압과 더 큰 공핍 폭을 유도하고 전하 분리 및 수집을 최적화하는 에너지 정렬을 통해 광 변환 효율 증가시키기 때문으로 확인된다. This reduces oxygen vacancy defects during the low-temperature heat treatment process and dissipates photogenerated charges more quickly through n-type doping, leading to a larger built-in voltage and larger depletion width in the light absorption layer and energy alignment that optimizes charge separation and collection. It is confirmed that this is because light conversion efficiency is increased.

도 5의 (b)에 도시된 바에 의하면, 모든 태양전지의 PCE가 증가했다. 그러나 120일 후 열처리가 없는 박막은 PCE 유지율이 84%를 나타내지만, 박막 열처리의 경우 94%, 액상 열처리된 경우 98%의 유지율을 나타내었다. As shown in Figure 5(b), the PCE of all solar cells increased. However, after 120 days, the PCE retention rate was 84% for the thin film without heat treatment, but the retention rate was 94% for the thin film heat treatment and 98% for the liquid heat treatment.

도 5의 (c)에 도시된 바에 의하면, 액상 열처리된 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 한 양자점 태양전지에서 높은 A(기울기)값이 얻어졌다. 이는 전자이동층과 정공흡수층 사이의 재조합 감소를 의미하며, 열처리된 산화아연 나노입자 박막의 밴드 다운으로 인해 내부 전계가 증가했기 때문으로 확인된다.As shown in Figure 5 (c), a high A (slope) value was obtained in a quantum dot solar cell based on a liquid-phase heat-treated zinc oxide nanoparticle thin film. This means a decrease in recombination between the electron transfer layer and the hole absorption layer, and is confirmed to be due to an increase in the internal electric field due to the band down of the heat-treated zinc oxide nanoparticle thin film.

도 5의 (d)에 도시된 바에 의하면, 트랩에 의한 재결합 확률은 기울기가 감소함에 의해 감소하며, 열처리된 산화아연 나노입자 박막을 사용하는 양자점 태양전지의 경우, 개방회로 조건하에서 트랩 부위로부터 재조합이 감소하고 열처리 공정동안 트랩 부위가 채워짐이 확인된다. As shown in Figure 5 (d), the probability of recombination by the trap decreases as the slope decreases, and in the case of a quantum dot solar cell using a heat-treated zinc oxide nanoparticle thin film, recombination occurs from the trap site under open circuit conditions. It is confirmed that this decreases and the trap area is filled during the heat treatment process.

상술한 실험 결과로부터, 액상 열처리된 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 한 양자점 태양전지는 효율적인 충전을 나타내고, 추출, 재조합 감소로 9.29%의 향상된 광 변환 효율(PCE)을 나나태며, 열처리하지 않은 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 한 태양전지와 비교하여 열처리한 산화아연 나노입자 박막의 경우 120일 후에도 98%의 유지율로 개선된 공기 안정성을 가짐을 확인할 수 있다. From the above-described experimental results, the quantum dot solar cell based on the liquid-phase heat-treated zinc oxide nanoparticle thin film shows efficient charging and an improved light conversion efficiency (PCE) of 9.29% due to reduced extraction and recombination, compared to the non-heat-treated solar cell. Compared to solar cells based on zinc oxide nanoparticle thin films, it can be seen that heat-treated zinc oxide nanoparticle thin films have improved air stability with a retention rate of 98% even after 120 days.

상술한 바와 같이, 본 발명은 산화아연 나노입자의 산소 공공을 저온 액상 열처리를 통해 제어할 수 있으며, 이를 기반으로 광 변환 효율 9.29%를 달성할 수 있으며, 시간에 따라 광 변환 효율이 악화되는 정도를 지연시킬 수 있다. As described above, the present invention can control the oxygen vacancies of zinc oxide nanoparticles through low-temperature liquid heat treatment, and based on this, a light conversion efficiency of 9.29% can be achieved, and the degree to which light conversion efficiency deteriorates over time. can be delayed.

특히, 본 발명은 모든 공정이 저온, 상압에서 용액 공정으로 진행되므로 제조 비용을 절감하면서 대량 생산을 가능하게 하고, 나아가 높은 태양전지 효율과 안정성을 기반으로 차세대 태양전지 및 웨어러블 센서와 결합하여 헬스케어 및 다양한 산업 분야에 응용할 수 있는 이점이 있다. In particular, the present invention enables mass production while reducing manufacturing costs because all processes are carried out as a solution process at low temperature and normal pressure. Furthermore, based on high solar cell efficiency and stability, it is combined with next-generation solar cells and wearable sensors to provide healthcare solutions. and has the advantage of being applicable to various industrial fields.

본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The best embodiments of the present invention are disclosed in the drawings and specification. Here, specific terms are used, but they are used only for the purpose of explaining the present invention and are not used to limit the meaning or limit the scope of the present invention described in the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent embodiments of the present invention are possible therefrom. Therefore, the true scope of technical rights of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

1: 양자점 태양전지 10: 기판
20: 투명전극(음극) 30: 전자이동층
40: 광 흡수층 50: 정공흡수층
60; 양극(전극)1: Quantum dot solar cell 10: Substrate
20: Transparent electrode (cathode) 30: Electron transfer layer
40: light absorption layer 50: hole absorption layer
60; anode (electrode)

Claims (11)

기판에 형성한 인듐 주석 산화물 투명전극;
상기 투명전극의 상부에 형성되며 합성한 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층;
상기 전자이동층의 상부에 형성되며 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납으로 이루어진 광 흡수층;
상기 광 흡수층의 상부에 형성되며 EDT 리간드 황화납 양자점으로 이루어진 정공흡수층; 및
상기 정공흡수층의 상부에 형성된 양극;
을 포함하고,
상기 전자이동층은 열처리한 산화아연 나노입자를 사용하고,
상기 합성한 산화아연 나노입자는
액상 열처리 공정을 통해 산화아연 나노입자 내에 존재하는 산소 공공(oxygen vacancy)이 줄어들고,
상기 액상 열처리 공정은,
산화아연 나노입자를 스핀코팅하기 전 50~100℃에서 15~30분간 수행되는 양자점 태양전지.Indium tin oxide transparent electrode formed on a substrate;
An electron transfer layer formed on the transparent electrode and made of synthesized zinc oxide nanoparticles;
A light absorption layer formed on top of the electron transfer layer and made of lead sulfide having lead iodide synthesized by a liquid ligand substitution technique as a ligand;
A hole absorption layer formed on top of the light absorption layer and made of EDT ligand lead sulfide quantum dots; and
an anode formed on top of the hole absorption layer;
Including,
The electron transfer layer uses heat-treated zinc oxide nanoparticles,
The synthesized zinc oxide nanoparticles are
Through the liquid phase heat treatment process, oxygen vacancies existing within zinc oxide nanoparticles are reduced,
The liquid heat treatment process is,
Quantum dot solar cells performed at 50~100℃ for 15~30 minutes before spin coating zinc oxide nanoparticles. 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 양극은 금(Au) 전극인 양자점 태양전지.In claim 1,
A quantum dot solar cell in which the anode is a gold (Au) electrode. 기판 상에 인듐 주석 산화물 투명전극을 형성하는 단계;
상기 투명전극의 상부에 합성된 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층을 형성하는 단계;
상기 전자이동층의 상부에 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납으로 이루어진 광 흡수층을 형성하는 단계;
상기 광 흡수층의 상부에 EDT 리간드 황화납 양자점으로 이루어진 정공흡수층을 형성하는 단계; 및
상기 정공흡수층의 상부에 양극을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 전자이동층을 형성하는 단계는,
화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자를 합성하는 단계;
상기 합성된 산화아연 나노입자를 액상으로 열처리하여 전기적 특성을 향상시키는 단계; 및
상기 열처리된 산화아연 나노입자를 상기 인듐 주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법으로 코팅하는 단계;
를 포함하고,
상기 액상 열처리 공정은,
산화아연 나노입자를 스핀코팅하기 전 50~100℃에서 15~30분간 수행되는 양자점 태양전지의 제조방법. Forming an indium tin oxide transparent electrode on a substrate;
forming an electron transfer layer made of synthesized zinc oxide nanoparticles on top of the transparent electrode;
forming a light absorption layer made of lead sulfide having lead iodide synthesized by a liquid ligand substitution technique as a ligand on the electron transfer layer;
Forming a hole absorption layer made of EDT ligand lead sulfide quantum dots on top of the light absorption layer; and
forming an anode on top of the hole absorption layer;
Including,
The step of forming the electron transfer layer is,
Synthesizing zinc oxide nanoparticles through a chemical wet method;
Improving electrical properties by heat treating the synthesized zinc oxide nanoparticles in a liquid phase; and
Coating the heat-treated zinc oxide nanoparticles on the indium tin oxide transparent electrode using a spin coating technique;
Including,
The liquid heat treatment process is,
A method of manufacturing a quantum dot solar cell performed at 50 to 100°C for 15 to 30 minutes before spin coating zinc oxide nanoparticles. 삭제delete 삭제delete 청구항 5에 있어서,
상기 산화아연 나노입자는 아세트산 아연과 수산화 칼륨을 포함하는 반응 혼합물로부터 합성하고, 상기 합성된 산화아연 나노입자를 클로로포름에 분산시켜 산화아연 나노입자 용액으로 준비하는 양자점 태양전지의 제조방법.In claim 5,
The zinc oxide nanoparticles are synthesized from a reaction mixture containing zinc acetate and potassium hydroxide, and the synthesized zinc oxide nanoparticles are dispersed in chloroform to prepare a zinc oxide nanoparticle solution. 삭제delete 청구항 5에 있어서,
상기 정공흡수층을 형성하는 단계는,
상기 광 흡수층의 상부에 긴 유기물 리간드를 가지고 있는 황화납 양자점을 코팅한 다음, EDT 리간드로 치환하여 전기적 특성을 향상시킨 것인 양자점 태양전지의 제조방법.In claim 5,
The step of forming the hole absorption layer is,
A method of manufacturing a quantum dot solar cell in which lead sulfide quantum dots having long organic ligands are coated on the top of the light absorption layer and then replaced with EDT ligands to improve electrical properties. 청구항 5에 있어서,
상기 정공흡수층의 상부에 양극을 형성하는 단계는,
금(Au) 전극을 열 증착시켜 형성하는 양자점 태양전지의 제조방법.In claim 5,
The step of forming an anode on top of the hole absorption layer,
A method of manufacturing a quantum dot solar cell formed by thermally depositing a gold (Au) electrode.
KR1020190107303A 2019-08-30 2019-08-30 Quantum dot solar cells and manufacturing method thereof KR102661962B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190107303A KR102661962B1 (en) 2019-08-30 2019-08-30 Quantum dot solar cells and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190107303A KR102661962B1 (en) 2019-08-30 2019-08-30 Quantum dot solar cells and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210026476A KR20210026476A (en) 2021-03-10
KR102661962B1 true KR102661962B1 (en) 2024-05-02

Family

ID=75148923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190107303A KR102661962B1 (en) 2019-08-30 2019-08-30 Quantum dot solar cells and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102661962B1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116130531A (en) * 2022-09-07 2023-05-16 德州学院 Quantum dot laminated solar cell and preparation method thereof
CN115881841B (en) * 2022-11-29 2024-05-07 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 Lead sulfide quantum dot solar cell structure and preparation method and application thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101943875B1 (en) * 2016-12-19 2019-01-30 국민대학교산학협력단 Method for producing quantum dot ink, quantum dot ink prepared therefrom and a solar cell comprising the same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101305548B1 (en) * 2012-02-15 2013-09-06 영남대학교 산학협력단 Solar cell including ZnO single crystal nanorods and their preparation method
KR102012228B1 (en) * 2012-12-27 2019-08-21 에스케이이노베이션 주식회사 Quantum Dot Solar Cell and the Fabrication Method Thereof

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101943875B1 (en) * 2016-12-19 2019-01-30 국민대학교산학협력단 Method for producing quantum dot ink, quantum dot ink prepared therefrom and a solar cell comprising the same

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Cao, Yiming, et al. "The role of surface passivation for efficient and photostable PbS quantum dot solar cells." Nature Energy 1.4 (2016): 1-6.(2016.04.04.)*
Mengfan Gu et al., J. Mater. Chem. A (2019) 7 15951-15959 (2019.06.13.)공개
Zhiwen Jin et al., Scientific Reports 6 37106 (2016) (2016.11.15.)공개

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210026476A (en) 2021-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chernomordik et al. Quantum dot solar cell fabrication protocols
Jeon et al. Laser crystallization of organic–inorganic hybrid perovskite solar cells
Mustakim et al. Quantum dots processed by SILAR for solar cell applications
Rhee et al. A perspective of mesoscopic solar cells based on metal chalcogenide quantum dots and organometal-halide perovskites
Kim et al. Highly efficient copper–indium–selenide quantum dot solar cells: suppression of carrier recombination by controlled ZnS overlayers
Zhang et al. α-CsPbBr3 perovskite quantum dots for application in semitransparent photovoltaics
Xu et al. Surface engineering of ZnO nanostructures for semiconductor‐sensitized solar cells
Sulaman et al. Interlayer of PMMA doped with Au nanoparticles for high-performance tandem photodetectors: A solution to suppress dark current and maintain high photocurrent
Leschkies et al. Solar cells based on junctions between colloidal PbSe nanocrystals and thin ZnO films
JP2022519403A (en) MXene modified hybrid optical converter
Shivarudraiah et al. All-inorganic, solution-processed, inverted CsPbI3 quantum dot solar cells with a PCE of 13.1% achieved via a layer-by-layer FAI treatment
Zeng et al. Aqueous-Processed Inorganic Thin-Film Solar Cells Based on CdSe x Te1–x Nanocrystals: The Impact of Composition on Photovoltaic Performance
Xie Enhanced photovoltaic performance of hybrid solar cell using highly oriented CdS/CdSe-modified TiO2 nanorods
KR101648846B1 (en) Preparation of Triple layered core shell nano particles and a sollar cell comprising the same
US10714648B2 (en) Solar cell with graphene-silicon quantum dot hybrid structure and method of manufacturing the same
CN109980097A (en) A kind of preparation method of film and QLED device
Im et al. Improved air stability of PbS-sensitized solar cell by incorporating ethanedithiol during spin-assisted successive ionic layer adsorption and reaction
Zhang et al. Organics filled one-dimensional TiO 2 nanowires array ultraviolet detector with enhanced photo-conductivity and dark-resistivity
KR102661962B1 (en) Quantum dot solar cells and manufacturing method thereof
US20120305075A1 (en) Photovoltaic device comprising silicon microparticles
Huang et al. Efficiency enhancement of regular-type perovskite solar cells based on Al-doped ZnO nanorods as electron transporting layers
US11557689B2 (en) Integrated tandem solar cell and manufacturing method thereof
Punnoose et al. Exploring the effect of manganese in lead sulfide quantum dot sensitized solar cell to enhance the photovoltaic performance
CN104465807B (en) A kind of CZTS nano-array thin film solar photovoltaic cell and preparation method thereof
JP5626079B2 (en) Dye-sensitized solar cell and method for producing the same

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right