KR20070104021A - 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법 - Google Patents

전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법 Download PDF

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KR20070104021A
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Abstract

본 발명은 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법에 관한 것으로서, 전기화학증착법을 이용하여 표면 플라즈마 공명을 일으킬 수 있는 나노 크기의 금속 입자들을 전도성 기판 위에 형성시켜 제조하는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 의하면, 전기화학증착법을 이용하여 전도성 기판 위에 금 또는 은, 알루미늄의 금속 나노 입자층을 형성하여서 제조하는 것이므로, 상온에서 제작이 가능하고, 진공장비의 이용이 필요하지 않게 되어 생산비용을 절감할 수 있으며, 굽힘 가능한 소자로의 제작이 가능하다는 장점이 제공된다.
진공장비의 이용이 필요하지 않게 되어 생산비용을 절감할 수 있는 장점이 제공된다. 또한 전류 세기, 전류 주입시간 및 전류 단절시간 등의 인자를 조절하여 다양한 크기와 밀도, 형태의 금속 나노 입자의 제작이 가능하고, 표면 플라즈마 공명 현상에 의한 우수한 성능을 가지는 고효율의 태양전지를 제조할 수 있는 장점이 제공된다.
전기화학증착법, 금속 나노 입자, 표면 플라즈마 공명, 태양전지

Description

전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법{Method for fabricating solar cells using electrochemical deposition}
도 1은 직접 전류 전기화학증착법의 전류 주입 방법과 생성된 금속 나노 입자층을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에서 펄스 전류 주입 전기화학증착법의 전류 주입 방법과 생성된 금속 나노 입자층을 보여주는 도면,
도 3a는 본 발명에서 은 나노 입자층의 제작을 위한 펄스 전류 주입 전기화학증착법의 전류 주입 방법을 나타낸 도면,
도 3b는 도 3a에 의해 생성된 은 나노 입자층을 보여주는 주사전자 현미경(SEM) 사진,
도 3c는 도 3a에 의해 생성된 은 나노 입자층의 표면 플라즈마 공명에 의한 흡수 특성을 보여주는 도면,
도 4a는 본 발명에서 금 나노 입자층의 제작을 위한 펄스 전류 주입 전기화학증착법의 전류 주입 방법을 나타낸 도면,
도 4b는 도 4a에 의해 생성된 금 나노 입자층을 보여주는 주사전자 현미경(SEM) 사진,
도 4c는 도 4a에 의해 생성된 금 나노 입자층의 표면 플라즈마 공명에 의한 흡수 특성을 보여주는 도면,
도 5a는 본 발명(실시예 1 ~ 3)에 따라 제조된 고분자 태양전지의 구조를 보여주는 단면도,
도 5b는 PCBM과 MEH-PPV로 구성된 기존의 일반적인 고분자 태양전지의 구조를 보여주는 단면도,
도 5c는 PCBM 및 MEH-PPV의 화학적 구조를 나타낸 도면,
도 6a은 본 발명의 실시예 3에서 금 나노 입자층의 형성을 위한 펄스 전류 주입 전기화학증착법의 조건을 보여주는 도면,
도 6b는 본 발명의 실시예 3에 의해 제조된 금 나노 입자층의 주사전자 현미경 사진,
도 6c는 본 발명의 실시예 3에 의해 제조된 금 나노 입자층의 흡수 특성을 보여주는 도면,
도 7은 금 나노 입자층의 유무에 따른 광 흡수 특성을 보여주는 도면,
도 8은 일반적인 고분자 태양전지와 본 발명에 따라 금 나노 입자층이 삽입된 고분자 태양전지의 전류-전압 곡선.
본 발명은 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기화학증착법을 이용하여 표면 플라즈마 공명을 일으킬 수 있는 나노 크기의 금속 입자들을 전도성 기판 위에 형성시켜 제조하는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다.
이러한 태양전지에서는 외부에서 들어온 빛에 의해 무기 또는 유기 반도체 내부에서 전자와 정공의 형성과 이동을 통해 전력을 생산하게 된다.
한편, 상기와 같은 태양전지 등 태양광을 이용하는 분야에서, 태양광을 효율적으로 이용하기 위한 지금까지의 기술로는, 흡수파장대가 적외선이나 적외선에 가까운 가시광선 영역에 존재하는 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질을 이용하거나, 빛이 들어오는 쪽에 빛의 반사에 의한 소실을 줄이기 위한 'anti-reflection coation' 기술 접목, 새로운 투명전극의 개발 및 적용 등이 대부분이었다.
일반적으로 물질의 밴드 갭이 작은 경우에는 광부식에 대한 안정성의 결여나 낮은 개방전압 등으로 보고되고 있는 낮은 효율성의 문제가 있게 되며, 또한 빛의 반사에 의한 소실을 줄이기 위한 'anti-reflection coation' 혹은 투명전극의 적용에는 대부분 진공장비를 사용하거나 나노 스케일의 반도체 공정을 요하므로 단가 절감을 통한 상용화에 제한성이 있다.
그 밖에 태양광의 효율적 이용을 위한 하나의 방법으로서, 금속 나노 입자의 표면 플라즈마 공명을 이용한 흡수의 증대 및 광전류의 향상에 관한 많은 관심이 집중되고 있다.
지금까지 보고된 대부분의 방법은 금속 나노 박막을 진공장비를 이용하는 열 증착이나 스퍼터링에 의해서 제조하고 이를 이용하는 방법이며, 경우에 따라서 금속 염으로부터의 합성을 이용하기도 한다.
그러나, 전자의 비해 후자의 경우 제조비용을 절감할 수 있는 효과를 기대할 수는 있으나, 생성된 입자의 크기나 밀도 분포가 균일하지 못해 나노 입자의 표면 플라즈마 공명 현상이 현저하게 감소하는 문제점을 가지고 있었다.
또한 진공장비를 이용하는 경우에 생산비용이 크다는 점도 문제점으로 지적되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 전기화학증착법을 이용하여 표면 플라즈마 공명을 일으킬 수 있는 나노 크기의 금속 입자들을 전도성 기판 위에 형성시켜 제조함으로써, 진공장비의 이용이 필요하지 않게 되어 생산비용을 절감할 수 있고, 전류 세기, 전류 주입시간 및 전류 단절시간 등의 인자를 조절하여 다양한 크기와 밀도, 형태의 금속 나노 입자의 제작이 가능할 뿐만 아니라, 표면 플라즈마 공명 현상에 의한 우수한 성능을 가지는 고효율의 태양전지를 제조할 수 있는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 전도성 기판에 반도체층 및 금속층을 차례로 적층하여 무기 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,
(a)금속 염을 포함하는 전해질 용액 내에서 전도성 기판을 작업전극으로 하는 전기화학증착법을 이용하여 상기 전도성 기판에 금속 나노 입자층을 형성하는 단계와;
(b)상기 금속 나노 입자층 위에 반도체층과 금속층을 차례로 적층하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 전도성 기판에 전도성 고분자층, 유기 반도체층 및 금속층을 차례로 적층하여 유기 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,
(a)금속 염을 포함하는 전해질 용액 내에서 전도성 기판을 작업전극으로 하는 전기화학증착법을 이용하여 상기 전도성 기판에 금속 나노 입자층을 형성하는 단계와;
(b)상기 금속 나노 입자층 위에 전도성 고분자층, 유기 반도체층 및 금속층을 차례로 적층하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법에 관한 것으로서, 특 히 표면 플라즈마 공명을 강하게 나타내는 금(Ag) 또는 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 금속 나노 입자를 전도성 기판 위에 증착시키기 위하여 전기화학증착법을 이용하는 것에 주안점이 있는 것이다.
이러한 본 발명의 태양전지 제조방법에 따르면, 전기화학증착법을 이용하여 전도성 기판 위에 금 또는 은, 알루미늄의 금속 나노 입자층을 형성하여서 제조하는 것이므로 상온에서 공정이 가능하고, 또한 진공장비의 이용이 필요하지 않게 되어 생산비용을 절감할 수 있는 장점이 제공된다.
또한 후술하는 바와 같이 본 발명에서 제시하는 펄스 전류 주입 전기화학증착법을 이용하여 금 또는 은, 알루미늄 등의 금속 나노 입자층을 형성하는 경우에는 표면 플라즈마 공명 현상을 극대화할 수 있으므로 고효율의 태양전지를 제조할 수 있게 된다.
본 발명에서 표면 플라즈마 공명 현상을 나타내는 금속 나노 입자층을 전도성 기판 위에 형성하는 과정은 전해질 용액 내에서 전도성 기판을 작업전극으로, 백금 와이어를 상대전극으로, 은 와이어를 기준전극으로 사용하여 상기 작업전극에 소정의 전류를 인가함으로써 진행된다.
전기화학증착법에 의한 금속 나노 입자층의 형성에는 다음의 두 가지 대표적인 방법이 이용될 수 있다.
즉, 금속이온의 환원반응이 일어날 수 있는 일정 전류를 주입(인가)하는 직접 전류 전기화학증착법(Direct Current Electrodeposition)과, 순간적인 전류 주입과 단절을 주기적으로 반복하는 펄스 전류 주입 전기화학증착법(Pulse Current Electrodeposition)이 이용될 수 있다.
이 중에서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 금속이온의 환원반응이 일어날 수 있는 일정 전류를 주입하는 직접 전류 전기화학증착법의 경우, 전류 주입 시간에 따라 기판 표면에서의 금속이온 부족으로 핵생성보다는 성장이 우선시되므로, 마이크로 사이즈의 금속 입자들이 불균일하게 존재하는 덴드라이트 성장(dendritic growth)이 발생하게 되어, 금속 나노 입자로 구성된 금속층의 표면적이 작아지게 되고, 표면 플라즈마 공명 현상을 기대할 수 없게 된다.
도 1에서 하측의 사진은 주사전자 현미경 사진으로서, 상기와 같은 직접 전류 전기화학증착법을 이용하는 경우 기판 표면에 금속 입자들이 불균일하게 나타남을 보여주는 사진이다.
반면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 순간적인 전류 주입과 단절을 주기적으로 반복하는 펄스 전류 주입 전기화학증착법의 경우, 금속이온의 흡착(adsorption of metal ions)과 환원반응에 따른 핵생성이 전류 주입시간에 진행되며, 전류 단절시간에는 표면 확산과 성장(surface diffusion and grain growth)이 발생한다.
또한 상기한 전류 단절시간에 전해질 용액 내에서 전도성 기판의 표면으로 금속이온이 원활히 공급되므로 금속 나노 입자층의 불균일한 성장을 막을 수 있게 된다.
도 2를 참조하면, 펄스 전류 주입 전기화학증착법의 경우, 소정의 전류 Ion를 ton 시간 동안 인가하고 이후 toff 시간 동안 단절시키는 순간적인 전류 주입과 단절 과정을 주기적으로 반복하게 된다.
도 2에서 하측의 사진은 펄스 전류 주입 전기화학증착법을 이용한 경우의 주사전자 현미경 사진으로서, 균일한 크기의 금속 나노 입자로 구성된 금속층을 제작할 수 있음을 보여주는 사진이다.
금속의 표면 플라즈마 공명 현상은 금속 입자의 크기나 밀도 및 형태 등에 따라 크게 좌우되며, 특히 입자의 크기 균일성이 플라즈마 공명 현상에 큰 영향을 미치므로, 펄스 전류 주입에 의한 금속 나노 입자층의 제조법은 표면 플라즈마 공명을 연구하는데 적절한 방법이라 할 수 있다.
본 발명에서, 펄스 전류 주입 전기화학증착법에 사용하는 전해질 용액으로는 금속 염과 지지 전해질 역할을 하는 황산 또는 염화칼륨을 포함하며, 전도성이 있는 기판과 백금 와이어, 은 와이어가 각각 작업전극과 상대전극, 기준전극으로 사용된다.
전해질 용액 내에서 금속 염은 + 이온의 금속이온 형태로 존재하게 되는데, 전기화학증착 과정에서 전도성 기판, 즉 작업전극에 전류를 단속적으로 인가하게 되면, 기판 상에서 금속이온의 흡착과 환원반응에 따른 핵생성이 전류 주입시간에 진행되고, 전류 단절시간에는 표면 확산과 성장이 진행되어, 균일한 금속 나노 입자로 구성된 금속층이 기판 상에 형성될 수 있게 된다.
이러한 전기화학증착법은 상온에서 용이하게 이루어지므로 태양전지 외에도 저온공정이 필수적인 굽힘 가능한 전기 및 광전소자에 적용할 수 있는 상업적으로 유리한 방법이라 할 수 있다.
상기와 같은 전기화학증착법에서의 전해질 용액을 구성함에 있어서, 금속 염의 농도는 약 1×10-4 ~ 5×10-2 M의 범위에서 조절이 가능하며, 이때 농도의 조절에 따라서 금속 나노 입자의 크기나 밀도 등의 다양화가 가능하다.
그리고, 작업전극, 즉 기판에 인가되는 전류의 세기나 사용하는 기판의 전기 저항에 따라서도 금속 나노 입자의 크기와 밀도, 형태의 다양화 또한 가능하여 표면 플라즈마 공명 현상의 관찰이 아주 용이하다.
본 발명에서 기판에 인가되는 전류는 0.01 ~ 0.3A/㎠의 전류 세기로 인가하는 것이 바람직하며, 전류의 세기가 증가함에 따라 일반적으로는 금속 나노 입자의 밀도나 크기가 증가하는 경향을 확인할 수 있다.
또한 본 발명에서 상기와 같이 금속 염의 농도나 전류 세기, 전류 주입 및 전류 단절시간 등의 인자를 적절히 조절하여 5nm ~ 100nm의 다양한 크기를 가지는 금속 나노 입자들로 구성된 금속 나노 입자층을 형성 가능하다.
상기 방법에서 제조된 금속 나노 입자로 구성된 금속층이 태양전지에 삽입될 경우, 상기 금속층에 의한 표면 플라즈마 공명 현상은 태양전지에 사용되는 물질의 흡수 증가와 이에 따른 광전류 향상을 유도할 수 있다.
또한 경우에 따라서 전기화학증착법에 의해 형성된 금속층이 삽입됨으로써 저항을 줄일 수 있어 광전류뿐 아니라 필 팩터(fill factor)의 향상도 기대할 수 있다.
태양전지를 제조하기 위해서는 상기와 같이 전도성 기판 위에 전기화학증착 법을 이용하여 표면 플라즈마 공명을 강하게 나타내는 금 또는 은, 알루미늄 등의 금속 나노 입자를 증착시킨 뒤, 이렇게 형성된 금속 나노 입자층 위에 통상의 과정대로 반도체층 및 금속층을 형성하여 제조하게 된다.
또한 본 발명에 따른 전기화학증착법을 이용한 금속 나노 입자층의 형성은 전술한 무기 태양전지의 제조 외에 유기 태양전지의 제조에도 적용할 수 있는 바, 유리 기판 위에 투명전극으로서 ITO(Indium doped Tin Oxide)가 코팅되어서 제작된 전도성 기판 위에, 금속 나노 입자층을 형성하고, 그 위에 전도성 고분자층 및 유기반도체층, 금속층을 차례로 형성하는 경우 유기 태양전지를 제조할 수 있다.
여기서, 전도성 고분자층 및 유기반도체층은 스핀 코팅 등의 다양한 용액 공정으로 적층이 가능하다.
또한 금속 나노 입자층을 형성하기 전에 기판의 ITO 투명전극 위에 버퍼층으로서 수 나노미터의 NiO, Al2O3 등의 금속 산화물층을 우선 적층시킬 수도 있으며, 이와 같이 ITO 투명전극과 금속 나노 입자층 사이에 금속 산화물층을 개재하는 경우, 보다 안정한 유기 태양전지의 제작이 가능해진다.
그리고, 본 발명의 태양전지 제조과정에서 전도성 기판을 굽힘 가능한 전도성 기판을 사용하여 이를 작업전극으로 이용하는 경우에는 굽힘 가능한 태양전지를 제조할 수 있게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명이 개시하는 바와 같이 태양전지 제조과정에서 펄스 전류 주입 전기화학증착법을 이용하여 전도성 기판 위에 표면 플라즈마 공명을 일 으킬 수 있는 금속 나노 입자층을 형성하는 기술은, 진공장비나 합성 등을 이용하여 형성하는 것에 비해 비용을 줄일 수 있고, 표면 플라즈마 공명 현상을 극대화할 수 있는 동시에 조절된 형태와 크기의 금속 나노 입자의 제작이 가능하여 태양광을 효율적으로 이용하는 고효율의 태양전지를 제조할 수 있는 장점을 제공한다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는바, 다음 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 ~ 3 및 비교예
실시예 1 ~ 3으로서, 도 2에 나타낸 펄스 전류 주입 전기화학증착법에 의하여 금속 나노 입자층을 형성한 뒤 유기 태양전지를 제조하였다.
1) 실시예 1
펄스 전류 주입 전기화학증착법을 이용하여 ITO 기판 위에 은 나노 입자층을 형성하고, 이후 전도성 고분자층, 유기 반도체층, 금속층을 차례로 적층시켜 유기 태양전지를 제조하였다.
먼저, 도 3a와 같은 조건으로 펄스 전류 주입 전기화학증착법을 실시하여 전도성 기판 위에 은(Ag) 나노 입자로 구성된 금속층을 제조하였다.
이때, 전도성 기판으로는 전기 및 광전소자에 널리 사용되고 있는 대표적인 투명전극인 인듐 주석 산화물(Indium doped Tin Oxide, 이하 ITO라 약칭함)이 유리 기판 위에 코팅된 전도성 기판(ITO 기판)이 사용되었다.
펄스 전류 주입 전기화학증착법를 이용하여 금속 나노 입자층을 형성하는 과 정에서 투명전극 ITO가 코팅된 상기 전도성 기판이 작업전극으로, 백금 와이어가 상대전극으로, 와이어가 기준전극으로 사용되었다.
또한 전해질 용액으로는 금속 염인 AgNO3와 지진 전해질 역할을 하는 H2SO4가 각각 10mM과 50mM의 농도로 첨가된 증류수가 사용되었다.
전류 인가시에는 순간적인 전류 주입과 단절을 주기적으로 반복하는 펄스 전류 주입 방식으로 하되, 전류 주입시간(ton)은 0.1s, 전류 단절시간(toff)은 0.05s로 하였으며, 인가되는 전류의 세기(Ion)는 -0.02A로 하였다.
도 3a의 조건으로 제조된 은 나노 입자의 크기는 도 3b에서 알 수 있듯이 약 50nm 정도로 균일하였으며, 이와 같은 은 나노 입자로 구성된 금속층의 흡수 스펙트럼을 측정해 본 결과 도 3c에서와 같이 표면 플라즈마 공명에 의해 약 400nm 근방에서 흡수 피크가 나타남을 알 수 있었다.
이는 광학적 특성의 기존의 문헌과 잘 일치하며, 이러한 사실로부터 펄스 전류 주입 전기화학증착법에 의하면 표면 플라즈마 공명을 잘 나타내는 은 나노 입자층의 제조가 가능함을 확인할 수 있다.
다음으로, 투명전극 위에 상기와 같이 금속 나노 입자층을 형성시킨 뒤, 이렇게 형성된 금속 나노 입자층 위에 도 5a에 나타낸 바와 같이 스핀 코팅의 방법으로 전도성 고분자층(PEDOT:PSS) 및 유기 반도체층(PCBM:MEH-PPV)을 차례로 적층 형성하고, 이어서 유기 반도체층 위에 전자의 전달이 이루어질 금속층(Ag)을 형성하여 유기 태양전지를 완성하게 된다.
도 5a는 본 발명에 따라 제조된 유기 태양전지의 적층구조를 보여주는 단면도이다(실시예 1 ~ 3).
도 5b는 통상적인 유기 태양전지의 적층구조를 보여주는 단면도(비교예)로서, ITO 투명전극 위에 전도성 고분자층(PEDOT:PSS), 유기 반도체층(PCBM:MEH-PPV), 금속층(Ag)이 차례로 형성되어 유기 태양전지를 구성하고 있다.
우선, 도 5b를 참조하여 통상적인 유기 태양전지의 제조과정에 대하여 설명하면, 투명전극인 ITO가 코팅된 유리 기판에 정공의 전달을 도와 줄 수 있는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxy-thiophene) doped with poly(styrenesulfonic acid))를 사용하여 전도성 고분자층을 적층 형성하고, 주게(electron acceptor)와 받게(electron donor) 성질을 가지고 있는 두 가지 유기 반도체 물질인 PCBM과 MEH-PPV의 혼합된 유기 반도체층(PCBM:MEH-PPV)을 적층 형성한 후, 전자의 전달이 이루어질 금속층(Ag)을 적층 형성한다.
상기 유기 반도체 물질인 PCBM과 MEH-PPV의 화학적 구조는 도 5c에 나타내었으며, 이러한 두 가지 유기 반도체 물질의 용액을 각각 제조하고 둘을 일정 부피비율로 혼합하여 스핀 코팅을 통해 층을 형성한다.
이에 대하여, 본 발명의 실시예 1에서는, 도 5b의 일반적인 구조 대신에, 도 5a에 나타낸 바와 같이 은 나노 입자층을 투명전극 위에 형성시켜, 투명전극(ITO)과 전도성 고분자층(PEDOT:PSS) 사이에 은 나노 입자층을 개재시킴으로써, 빛의 흡수와 전하의 생성 역할을 하는 MEH-PPV의 흡수 향상과 이를 통한 광전류 향상을 얻고자 하였다.
2)실시예 2
펄스 전류 주입 전기화학증착법을 이용하여 ITO 기판 위에 금 나노 입자층을 형성하고, 이후 전도성 고분자층, 유기 반도체층, 금속층을 차례로 적층시켜 유기 태양전지를 제조하였다.
먼저, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 실시예 1과 동일한 조건으로 펄스 전류 주입 전기화학증착법을 실시하여 전도성 기판 위에 은(Ag) 나노 입자로 구성된 금속층을 형성하였다.
다만, 실시예 2에서는 실시예 1과 비교하여 전해질 용액을 달리하였는 바, 전해질 용액은 금속 염인 HAuCl43H2O와 지지 전해질 역할을 하는 KCl이 각각 10mM로 첨가된 증류수가 사용되었다.
이러한 조건으로 제작된 금 나노 입자의 크기는 도 4b에서 알 수 있듯이 약 50nm 정도로 균일함을 확인하였으며, 도 4c의 흡수 스펙트럼에서 알 수 있듯이 약 600nm 근방에서 표면 플라즈마 공명에 의한 흡수가 나타남을 확인하였다.
이는 기존의 문헌과 잘 일치하며, 본 발명에서 제시한 전기화학증착법을 통한 금 나노 입자층의 성공적인 제조를 의미한다.
3) 실시예 3
소자 적용에 적절한 크기와 흡수 특성을 갖는 금 나노 입자층을 구성하기 위 하여 펄스 전류 주입 전기화학증착법의 조건을 도 6a와 같이 달리하였으며, 이는 금 나노 입자의 크기를 약 10nm 정도로 줄이기 위한 방법이라 하겠다.
실제 도 6b의 주사현미경 사진을 통해 약 10nm 정도의 균일한 크기의 금 나노 입자가 생성됨을 알 수 있었고, 이렇게 입자의 크기가 작아짐에 따라 도 4c와 는 달리 표면 플라즈마 공명에 의한 흡수는 단파장 쪽으로 이동하였으며(도 6c 참조), 이러한 사실들은 잘 알려진 물리적인 현상이라 하겠다.
이와 같이 전류 세기를 조절하여 약 10nm 정도 크기의 입자들로 구성된 금속 나노 입자층을 ITO 투명전극 위에 형성시킨 뒤, 이를 이용하여 유기 태양전지를 제조하였으며, 이를 기존의 일반적인 유기 태양전지와 함께 광학적 특성 및 성능을 평가해 보았다.
도 7은 금 나노 입자층의 유무에 따른 광 흡수 특성을 비교하여 나타낸 도면으로서, 본 발명의 태양전지 제조방법에 따라 금 나노 입자층을 형성하여 제조한 실시예 3의 결과를 실선(Au/PEDOT:PSS/PCBM:MEH-PPV)으로 나타내었으며, 금 나노 입자층을 형성하지 않은 기존의 일반적인 유기 태양전지에 대한 결과는 점선(PEDOT:PSS/PCBM:MEH-PPV)으로 나타내었다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 실시예 3의 경우 금 나노 입자층이 삽입되어 빛의 흡수와 전하의 생성을 맡고 있는 전자 주게 물질인 MEH-PPV의 흡수가 크게 향상됨을 확인하였으며, 이를 통해 광전류의 향상을 기대할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제조방법에 따라 금 나노 입자층이 삽입된 개선된 유기 태양전지와, 금속 나노 입자층을 형성하지 않은 기존의 일반적인 유기 태양전지를 비 교하여 나타낸 전류-전압 곡선이다.
도 8의 전류-전압 곡선에 나타낸 바와 같이, 기존의 유기 태양전지(은선 도시)에 비해 개선된 유기 태양전지(실선 도시)의 경우 금 나노 입자층이 삽입되면서 광전류 및 변환효율이 크게 향상되었으며, 이때 계산된 변환효율은 약 0.9%와 1.46% 이었다.
이러한 전류-전압 곡선의 측정은 일반적인 태양전지 측정의 표준인 AM 1.5G-1SUN 조건 하에서 이루어졌으며, 공기 중에서 Xe 램프를 사용하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법에 의하면, 전기화학증착법을 이용하여 표면 플라즈마 공명을 일으킬 수 있는 나노 크기의 금속 입자들을 전도성 기판 위에 형성시켜 제조함으로써, 다음과 같은 장점이 있게 된다.
1) 전기화학증착법을 이용하여 전도성 기판 위에 금 또는 은, 알루미늄의 금속 나노 입자층을 형성하여서 제조하는 것이므로 진공장비의 이용이 필요하지 않게 되어 생산비용을 절감할 수 있는 장점이 제공된다.
2) 전류 세기, 전류 주입시간 및 전류 단절시간 등의 인자를 조절하여 다양한 크기와 밀도, 형태의 금속 나노 입자의 제작이 가능하고, 표면 플라즈마 공명 현상에 의한 우수한 성능을 가지는 고효율의 태양전지를 제조할 수 있는 장점이 제공된다.

Claims (20)

  1. 전도성 기판에 반도체층 및 금속층을 차례로 적층하여 무기 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,
    (a)금속 염을 포함하는 전해질 용액 내에서 전도성 기판을 작업전극으로 하는 전기화학증착법을 이용하여 상기 전도성 기판에 금속 나노 입자층을 형성하는 단계와;
    (b)상기 금속 나노 입자층 위에 반도체층과 금속층을 차례로 적층하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 전도성 기판에 전기화학증착법을 이용하여 표면 플라즈마 공명을 일으킬 수 있는 금속 나노 입자를 증착시켜서 상기 금속 나노 입자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전도성 기판에 금 및 은, 알루미늄 중에 선택된 금속 나노 입자를 증착 시켜서 상기 금속 나노 입자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 작업전극인 전도성 기판에 전류를 주입(인가)하되, 순간적인 전류 주입과 단절을 주기적으로 반복하는 펄스 전류 주입 전기화학증착법을 이용하여 상기 금속 나노 입자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    금속 나노 입자의 크기 및 밀도, 형태를 조절하기 위하여 전류 세기, 전류 주입시간 및 전류 단절시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 전도성 기판에 주입하는 전류의 세기를 0.01 ~ 0.3A/㎠의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 전도성 기판에 5nm ~ 100nm 크기의 금속 나노 입자를 증착시켜서 상기 금속 나노 입자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 전해질 용액은 1×10-4 ~ 5×10-2M의 농도범위를 가지는 금속 염을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 기판으로서, 굽힘 가능한 전도성 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  10. 전도성 기판에 전도성 고분자층, 유기 반도체층 및 금속층을 차례로 적층하여 유기 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,
    (a)금속 염을 포함하는 전해질 용액 내에서 전도성 기판을 작업전극으로 하는 전기화학증착법을 이용하여 상기 전도성 기판에 금속 나노 입자층을 형성하는 단계와;
    (b)상기 금속 나노 입자층 위에 전도성 고분자층, 유기 반도체층 및 금속층을 차례로 적층하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 전도성 기판에 전기화학증착법을 이용하여 표면 플라즈마 공명을 일으킬 수 있는 금속 나노 입자를 증착시켜서 상기 금속 나노 입자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 전도성 기판에 금 및 은, 알루미늄 중에 선택된 금속 나노 입자를 증착시켜서 상기 금속 나노 입자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  13. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 작업전극인 전도성 기판에 전류를 주입(인가)하되, 순간적인 전류 주입과 단절을 주기적으로 반복하는 펄스 전류 주입 전기화학증착법을 이용하여 상기 금속 나노 입자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    금속 나노 입자의 크기 및 밀도, 형태를 조절하기 위하여 전류 세기, 전류 주입시간 및 전류 단절시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 전도성 기판에 주입하는 전류의 세기를 0.01 ~ 0.3A/㎠의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 전도성 기판에 5nm ~ 100nm 크기의 금속 나노 입자를 증착시켜서 상기 금속 나노 입자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  17. 청구항 10에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 전해질 용액은 1×10-4 ~ 5×10-2M의 농도범위를 가지는 금속 염을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  18. 청구항 10에 있어서,
    상기 전도성 기판으로서, 굽힘 가능한 전도성 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  19. 청구항 10에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 전도성 기판에 버퍼층으로서 금속 산화물층을 형성한 뒤, 상기 금속 산화물층 위에 상기 금속 나노 입자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
  20. 청구항 10에 있어서,
    상기 금속 나노 입자층이 형성되는 전도성 기판은 투명전극인 ITO가 코팅된 전도성 기판인 것을 특징으로 하는 전기화학증착법을 이용한 태양전지 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101523742B1 (ko) * 2009-05-27 2015-05-28 한양대학교 산학협력단 표면 플라즈몬 효과를 이용한 태양 전지 및 그 제조 방법
WO2019093558A1 (ko) * 2017-11-08 2019-05-16 한국과학기술연구원 투광형 화합물 박막 제조 방법, 이로부터 제조된 화합물 박막 및 이러한 화합물 박막을 포함하는 태양 전지
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