KR20100037201A - 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법, 탄소 나노튜브 복합재료를 이용한 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
탄소 나노튜브 복합재료 제조방법 및 탄소 나노튜브 복합재료를 이용한 태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법은 탄소 나노튜브를 질산 용액에 용해시키고, 일정 시간 동안 가열한 후, 질산 용액에 용해된 탄소 나노튜브를 추출하고 건조시킨다. 그리고 DMF에 상기 건조된 탄소 나노튜브를 용해시킨 제1용액과 DMF에 금속 아세테이트 디하이드레이트를 용해시킨 제2용액을 혼합시켜 혼합용액을 형성하고, 혼합용액을 일정 시간 동안 가열하여 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 형성한다. 본 발명에 따르면, 나노입자가 제조됨과 동시에 탄소 나노튜브에 나노입자가 부착되므로, 별도의 나노입자 제조공정이 필요하지 않게 되어 생산비용의 큰 절감을 가져오게 된다. 그리고 탄소 나노튜브 복합재료가 전자 수송층 역할을 하기 때문에 별도의 전자 수송층을 제작할 필요가 없는 태양전지의 제조가 가능하게 된다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄소 나노튜브를 이용한 태양전지에 관한 것이다.
최근 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신 재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양광발전에 대한 연구개발이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다.
태양전지(solar cell)는 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 전환시키는 반도체 소자이다. 태양전지는 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘을 사용하여 p-n 접합 구조로 제작하는 것이 일반적인 것으로서, 그 기본구조는 다이오드와 유사하다.
전기적 성질이 서로 다른 p형의 반도체와 n형의 반도체를 접합시킨 구조를 갖는 태양전지에 태양광이 조사되면 광에너지에 의한 전자-정공쌍(electron hole pair)이 생겨나고, 전자와 정공이 이동하여 n형 반도체층과 p형 반도체층을 가로질 러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다.
상세하게는, 외부에서 빛이 태양전지에 입사되었을 때 p형 반도체의 가전자대(valence band) 전자(electron)는 입사된 광에너지에 의해 전도대(conduction band)로 여기된다. 이렇게 여기된 전자는 p형 반도체 내부에 한 개의 전자-정공쌍을 생성하게 된다. 상기 전자-정공쌍 중 전자는 p-n 접합부 사이에 존재하는 전기장(electric field)에 의해 n형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다.
이러한 실리콘 소재의 태양전지는 다른 소재에 비해 높은 광기전력 효율을 나타내기 때문에 일찍부터 상업화가 이루어졌음에도 불구하고, 태양전지를 제조하는 데 고가의 실리콘을 사용함으로써 태양전지의 가격이 상승하여 현재까지 한정된 분야에만 사용하고 있다. 이러한 실리콘 태양전지의 문제점을 해결하기 위하여 나노입자 및 탄소 나노튜브를 이용한 새로운 구조의 태양전지가 연구되고 있다.
탄소 나노튜브는 높은 전기전도도를 가지므로, 탄소 나노튜브는 태양전지에서 전하 수송층 및 투명전극으로 이용되고 있다. 그러나 탄소 나노튜브는 태양광이 조사되었을 때 전자와 정공을 형성할 수 없어 직접적으로 전력을 생산할 수 없으므로, 전력 생산을 위한 별도의 전력생산층이 필요하게 된다. 따라서 탄소 나노튜브는 효율이 비교적 낮은 연료 감응형 태양전지에 주로 이용되고 있다.
나노입자는 탄소 나노튜브와 달리 태양전지에서 직접 전력을 생산하는 전력생산층에 이용될 수 있다. 그리고 나노입자는 고분자 용액을 이용하여 스핀 코팅과 같은 방법으로 간단하게 형성할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 나노입자가 이용되는 태양전지의 전력 효율을 높이기 위해서는 별도의 전하 수송층의 형성이 필요하다. 그리고 나노입자를 제작하기 위해서는 복잡한 공정을 거쳐야 하므로 생산 비용이 높아지는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하고 나노입자와 탄소 나노튜브의 장점을 이용하기 위하여 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브가 이용된 새로운 구조의 태양전지가 제안되고 있다. 그러나 제안된 태양전지 역시 연료 감응형 태양전지로서, 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브는 전력 생산 효율을 높이는데 사용될 뿐 전력을 직접 생산하는 전력생산층으로는 이용되지 않고 있는 실정이다. 그리고 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브 자체를 제작하기 위해서는 지나치게 복잡한 제조공정과 많은 장비가 필요하여 생산 단가가 높아지는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 간단한 공정으로 탄소 나노튜브에 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 탄소 나노튜브에 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브 복합재료가 전자-정공쌍을 생성하고 전자를 수송하는 역할을 하는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법은 탄소 나노튜브를 질산 용액에 용해시키고, 일정 시간 동안 가열하는 단계; 상기 질산 용액에 용해된 탄소 나노튜브를 추출하고 건조시키는 단계; DMF(dimethylformamide)에 상기 건조된 탄소 나노튜브를 용해시켜 제1용액을 형성하는 단계; DMF에 금속 아세테이트 디하이드레이트(acetate dihydrate)를 용해시켜 제2용액을 형성하는 단계; 상기 제1용액과 상기 제2용액을 혼합시켜 혼합용액을 형성하는 단계; 및 상기 혼합용액을 일정 시간 동안 가열하여, 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 형성하는 단계;를 갖는다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성된 정공 수송층; 상기 정공 수송층 상에 형성되며, 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브로 이루어진 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 상부 전극;을 갖는다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 태양전지 제조방법은 탄소 나노튜브에 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브 복합재료를 형성하는 단계; 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 하부 전극 상에 정공 수송층을 형성하는 단계; 상기 정공 수송층 상에 상기 탄소 나노튜브 복합재료로 이루어진 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 상부 전극을 형성하는 단계;를 갖는다.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 있어서, 상기 탄소 나노튜브 복합재료를 형성하는 단계는, 탄소 나노튜브를 질산 용액에 용해시키고, 일정 시간 동안 가열하는 단계; 상기 질산 용액에 용해된 탄소 나노튜브를 추출하고 건조시키는 단계; DMF에 상기 건조된 탄소 나노튜브를 용해시켜 제1용액을 형성하는 단계; DMF에 금속 아세테이트 디하이드레이트를 용해시켜 제2용액을 형성하는 단계; 상기 제1용액과 상기 제2용액을 혼합시켜 혼합용액을 형성하는 단계; 및 상기 혼합용액을 일정 시간 동안 가열하여, 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 산화된 탄소 나노튜브를 금속 화합물이 용해되어 있는 용매에 분산시키고 이를 100℃ 정도의 저온에서 열처리하는 과정을 통해 탄소 나노튜브에 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브 복합재료를 제조할 수 있게 되어, 복잡한 제조공정 및 많은 장비가 필요없게 된다. 그리고 나노입자가 제조됨과 동시에 탄소 나노튜브에 나노입자가 부착되므로, 별도의 나노입자 제조공정이 필요하지 않게 되 어 생산비용의 큰 절감을 가져오게 된다.
이러한 탄소 나노튜브 복합재료를 이용하여 태양전지를 제조하게 되면, 탄소 나노튜브 복합재료가 전자 수송층 역할을 하기 때문에 별도의 전자 수송층을 제작할 필요가 없게 되어 태양전지의 구조가 매우 간단하게 된다. 그리고 탄소 나노튜브 복합재료는 스핀 코팅과 같은 손쉬운 방법으로 박막 형태로 형성하는 것이 가능하고, 태양전지의 구조가 간단하므로 저렴한 비용으로 고효율의 태양전지를 제조할 수 있게 된다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법 및 탄소 나노튜브 복합재료를 이용한 태양전지 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행과정을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법은 우선, 탄소 나노튜브를 질산 용액에 용해시키고, 일정 시간 동안 가열한다(S110). 그리고 질산 용액에 용해된 탄소 나노튜브를 추출한 후, 건조시킨다(S120). 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노튜브, 이중벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브, 탄소 나 노튜브의 묶음(bundle) 등이 이용될 수 있다.
탄소 나노튜브를 질산 용액에 용해시키는 것은 탄소 나노튜브를 산화시키기 위함이다. S110 단계와 S120 단계를 수행하면, 탄소 나노튜브 내의 불순물이 산화되고, 짧게 쪼개져 탄소 나노튜브의 전체적인 길이는 줄어든다. 그리고 탄소 나노튜브 표면에 카르복실기(carboxylic group)가 형성되므로, 탄소 나노튜브가 다른 물질과의 결합되기 용이한 상태가 된다.
다음으로, DMF(dimethylformamide)에 S120 단계에서 건조시킨 탄소 나노튜브를 용해시켜 제1용액을 형성한다(S130).
그리고 S110 단계 내지 S130 단계와는 별도의 과정으로, DMF에 금속 아세테이트 디하이드레이트(acetate dihydrate)를 용해시켜 제2용액을 형성한다(S140).
금속 아세테이트 디하이드레이트는 M(CH3COO)2·2H2O(여기서, M은 금속)로 표현되는 화합물이다. 금속은 Zn, Al, Ba, Bi, Ca, Ce, Cr, Fe, Ga, In, Li, Co, Mg, Mn, Nb, Pb, Sb, Sn, Sr, Ta, Ti, V, W 및 Zr 중에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
다음으로, S130 단계에서 형성한 제1용액과 S140 단계에서 형성한 제2용액을 혼합시켜 혼합용액을 형성한다(S150).
그리고 S150 단계에서 형성한 혼합용액을 일정시간 가열하여, 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 형성한다(S160). 이때 100℃ 정도의 상대적으로 높지 않은 온도로 가열하여 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 형성할 수 있다. 가열한 후, 급속하게 냉각시키지 않고 천천히 냉각시킨다. 바람직하게는 단계적으로 가열온도를 낮추어가며 냉각시킨다. S160 단계를 수행하는 과정에서 나노입자가 형성됨과 동시에, 나노입자가 탄소 나노튜브 표면에 형성된 카르복실기와 결합하여 탄소 나노튜브 표면에 부착되어 탄소 나노튜브 복합재료가 제조된다.
이때 형성되는 나노입자는 금속 산화물 또는 탄산염으로 이루어질 수 있다. 금속 산화물은 ZnO, Al2O3, Bi2O3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, LiCoO2, MgO, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중 어느 하나일 수 있으며, 탄산염은 BaCO3, CaCO3, Li2CO3, SrCO3 및 MnCO3 중 어느 하나일 수 있다.
이와 같이, 용해와 열처리와 같은 간단한 공정만을 이용하여 탄소 나노튜브에 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브 복합재료의 제조가 가능하므로, 공정변수의 복잡함에 따른 제반 문제가 발생하지 않고, 고가의 장비가 필요없게 되어 비용이 적게 소요된다. 그리고 나노입자의 형성과 동시에 탄소 나노튜브에 나노입자가 부착되므로 별도의 나노입자 제조공정이 필요하지 않게 되어 생산 비용의 크게 줄어들게 된다. 또한, 100 ℃ 정도의 저온 열처리만이 수행되므로, 고온 열처리시 발생할 수 있는 문제점이 발생할 여지가 없게 된다.
(탄소 나노튜브 복합재료 제조예)
탄소 나노튜브를 질산 용액에 용해시킨 후, 탄소 나노튜브가 용해된 질산 용액을 60 ℃의 온도로 30 시간 동안 가열하여 탄소 나노튜브를 산화시킨다. 그리고 산화된 탄소 나노튜브를 필터를 통해 질산 용액에서 추출한다. 추출된 탄소 나노튜브를 100 ℃에서 24 시간 동안 열을 가해 완전히 건조시킨다. 이러한 과정을 통해 추출된 탄소 나노튜브는 짧게 쪼개져 길이가 짧아지게 되고, 표면에 카르복실기가 형성되게 된다.
표면에 카르복실기가 형성된 탄소 나노튜브 10 mg을 10 ml의 DMF에 용해시킨 후, 초음파 교반기를 사용하여 탄소 나노튜브를 고르게 분산시켜, 제1용액을 만든다.
상기의 과정과 별도로 230 mg의 아연 아세테이트 디하이드레이트(Zn(CH3COO)2·2H2O) 분말을 50 ml의 DMF에 용해시킨 후, 초음파 교반기를 사용하여 아연 아세테이트 디하이드레이트를 고르게 분산시켜 제2용액을 만든다.
그리고 제1용액과 제2용액을 혼합한 후, 초음파 교반기를 사용하여 고르게 혼합하여 혼합용액을 만든다. 그리고 혼합용액을 95 ℃에서 5시간 동안 가열한 후, 열원을 차단하고 자연적으로 냉각시킨다. 이 과정에서 산화아연(ZnO) 나노입자가 형성됨과 동시에 산화아연 나노입자가 탄소 나노튜브의 카르복실기와 결합하여 탄소 나노튜브의 표면에 부착되게 된다.
이러한 과정을 거치면, 탄소 나노튜브에 산화아연 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브 복합재료가 형성된다. 이와 같이 형성된 탄소 나노튜브 복합재료를 추출하여 촬영한, 평면 투과전자현미경(plan-view TEM) 이미지를 도 2에 나타내었다. 도 2를 살펴보면, 탄소 나노튜브에 산화아연 나노입자가 고르게 부착되어 있음을 알 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지(300)는 기판(310), 하부 전극(320), 정공 수송층(330), 활성층(340) 및 상부 전극(350)을 구비한다.
기판(310)은 절연성 무기물 또는 절연성 유기물로 이루어진다. 절연성 무기물은 Si, GaAs, InP, Al2O3, SiC, ZnO, 유리(glass) 및 석영(quartz) 중 적어도 어느 하나가 이용될 수 있다. 그리고 절연성 유기물은 PET(poly ethylene terephtalate), PS(poly styrene), PI(poly imide), PVC(poly vinyl chloride), PVP(poly vinyl pyrrolidone) 및 PE(poly ethylene) 중 적어도 어느 하나가 이용될 수 있다.
하부 전극(320)은 기판(310) 상에 형성되며, ITO(indium-tin oxide)와 같은 투명 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
정공 수송층(330)은 하부 전극(320) 상에 형성되며, PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxy-thiophene)-poly(styrene sulfonate))와 같은 물질로 이루어질 수 있다. 정공 수송층(330)은 태양광이 조사될 때 활성층(340)에서 생성되는 정공을 수송하는 역할을 한다.
활성층(340)은 정공 수송층(330) 상에 형성되며, 별도의 다른 물질 없이 탄소 나노튜브 복합재료(345)로 이루어진다. 탄소 나노튜브 복합재료(345)는 탄소 나 노튜브(342)에 나노입자(341)가 부착된 구성을 가진다. 태양광이 조사되면, 탄소 나노튜브(342)에 부착된 나노입자(341)가 태양광을 입사받아 전자와 정공을 생성하여 전력을 생성하며, 탄소 나노튜브(342)는 전자를 수송하는 역할을 한다.
탄소 나노튜브(342)는 단일벽 탄소 나노튜브, 이중벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브, 탄소 나노튜브의 묶음 등이 이용될 수 있다. 나노입자(341)는 금속 산화물 또는 탄산염으로 이루어질 수 있다. 금속 산화물은 ZnO, Al2O3, Bi2O3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, LiCoO2, MgO, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중 어느 하나일 수 있으며, 탄산염은 BaCO3, CaCO3, Li2CO3, SrCO3 및 MnCO3 중 어느 하나일 수 있다.
상부 전극(350)은 활성층(340) 상에 형성되며, Al, Ag, Cr, Ti 및 MgAg 중에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 탄소 나노튜브 복합재료(345)가 이용된 태양전지(300)는 탄소 나노튜브 복합재료(345)에 구비된 나노입자(341)에서 전자와 정공을 생성함과 동시에 탄소 나노튜브 복합재료(345)에 구비된 탄소 나노튜브(342)가 전자를 수송하는 역할을 하게 된다. 따라서 탄소 나노튜브 복합재료(345)가 이용된 태양전지(300)는 별도의 전자 수송층이 필요없게 되어 태양전지(300)의 구조가 간단하게 된다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행과정을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법은 우선, 도 4a에 도시된 바와 같이 기 판(410) 상에 하부 전극(420)을 형성한다. 기판(410)은 절연성 무기물 또는 절연성 유기물로 이루어질 수 있다. 절연성 무기물은 Si, GaAs, InP, Al2O3, SiC, ZnO, 유리 및 석영 중 적어도 어느 하나가 이용될 수 있다. 그리고 절연성 유기물은 PET, PS(poly styrene), PI, PVC, PVP 및 PE 중 적어도 어느 하나가 이용될 수 있다. 그리고 하부 전극(520)은 ITO와 같은 투명 전도성 물질로 이루어질 수 있다. ITO 하부전극(520)은 스퍼터링법으로 형성할 수 있다.
그리고 도 4b에 도시된 바와 같이, 하부 전극(420) 상에 정공 수송층(430)을 형성한다. 정공 수송층(430)은 정공을 수송하는 박막으로서 PEDOT:PSS로 이루어질 수 있다. 이때 PEDOT:PSS 정공 수송층(430)은 스핀 코팅을 통해 형성할 수 있다.
다음으로, 탄소 나노튜브 복합재료(445)를 용매에 용해시켜 탄소 나노튜브 복합재료 용액을 형성한다. 탄소 나노튜브 복합재료(445)는 탄소 나노튜브(442)에 나노입자(341)가 부착된 구성을 가진다. 태양광이 조사되면, 탄소 나노튜브(442)에 부착된 나노입자(441)가 태양광을 입사받아 전자와 정공을 생성하여 전력을 생성하며, 탄소 나노튜브(442)는 전자를 수송하는 역할을 한다. 탄소 나노튜브 복합재료(445)는 도 1에서 설명한 방법과 동일한 방법으로 형성할 수 있다.
탄소 나노튜브(442)는 단일벽 탄소 나노튜브, 이중벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소 나노튜브, 탄소 나노튜브의 묶음 등이 이용될 수 있다. 나노입자(441)는 금속 산화물 또는 탄산염으로 이루어질 수 있다. 금속 산화물은 ZnO, Al2O3, Bi2O3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, LiCoO2, MgO, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중 어느 하나일 수 있으며, 탄산염은 BaCO3, CaCO3, Li2CO3, SrCO3 및 MnCO3 중 어느 하나일 수 있다. 용매는 톨루엔이 이용될 수 있다.
그리고 도 4c에 도시된 바와 같이, 정공 수송층(430) 상에 스핀 코팅 방법으로 탄소 나노튜브 복합재료 용액 박막(443)을 형성한다.
다음으로, 도 4d에 도시된 바와 같이, 탄소 나노튜브 복합재료 용액 박막(443)을 가열하여 탄소 나노튜브 복합재료 용액 박막(443)에 포함되어 있는 용매를 제거함으로써, 탄소 나노튜브 복합재료(445)만으로 이루어진 활성층(440)을 형성한다.
다음으로 도 4e에 도시된 바와 같이, 활성층(440) 상에 상부 전극(450)을 형성한다. 상부 전극(450)은 Al, Ag, Cr, Ti 및 MgAg 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 열증착하여 형성할 수 있다.
이와 같이, 활성층(440)을 스핀 코팅과 같은 손쉬운 방법으로 박막 형태로 형성하는 것이 가능하고, 태양전지의 구조가 간단하므로 저렴한 비용으로 고효율의 태양전지를 제조할 수 있게 된다.
(태양전지 제조예)
상술한 탄소 나노튜브 복합재료 제조예와 동일한 방법으로 탄소 나노튜브 복합재료를 형성한다. 따라서 형성된 탄소 나노튜브 복합재료는 상술한 바와 같이 탄소 나노튜브에 산화아연 나노입자가 부착되어 있게 된다.
그리고 산화아연 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 필터를 통해 추출한다. 추출된 산화아연 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 톨루엔에 용해시켜 탄소 나노튜브 복합재료 용액을 형성한다.
다음으로, 유리 기판 위에 ITO 전극을 스퍼터링법으로 증착한다. 그리고 스핀 코팅을 통해 ITO 전극 상에 PEDOT:PSS 박막을 증착한다.
다음으로, 탄소 나노튜브 복합재료 용액을 스핀 코팅을 통해 PEDOT:PSS 박막 상에 증착한다. 그리고 열을 가해 탄소 나노튜브 복합재료 용액에 포함된 톨루엔을 증발시키면, 산화아연 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브만이 존재하여 활성층을 형성하게 된다.
다음으로, 산화아연 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브 활성층 상에 열증착을 통해 Al 전극을 증착한다.
이와 같이 방법으로 제조된 태양전지에 태양광을 조사하면, 태양광은 산화아연 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브로 입사된다. 탄소 나노튜브로 입사된 태양광은 탄소 나노튜브에 부착된 산화아연 나노입자로 흡수되고, 산화아연 나노입자는 광자로부터 전자-정공쌍을 생성하게 된다. PEDOT:PSS 박막과 탄소 나노튜브는 태양광이 입사되어도 전자-정공쌍을 생성하지 않는다.
산화아연 나노입자에서 생성된 전자-정공쌍은 탄소 나노튜브로 이동한다. 생성된 전자는 탄소 나노튜브를 따라 Al 전극으로 전송되고, 정공은 PEDOT:PSS 박막을 따라 ITO 전극으로 전송된다. 그리고 전극까지 전송된 전자 및 정공으로부터 전류가 발생하게 된다. 자외선을 상술한 방법으로 제조된 태양전지에 조사한 경우의 전압-전류 그래프를 도 5에 나타내었다.
참조번호 510으로 표시된 그래프는 자외선을 조사한 경우를 나타낸 것이고, 참조번호 520으로 표시된 그래프는 태양광이 조사되지 않은 경우를 나타낸 것이다. 이때 조사된 자외선은 파장이 365 nm 이고, 전력밀도가 3.9 mW/cm2 이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 자외선을 조사하였을 때, 태양전지의 개방회로 전압(VOC)은 0.7 V 이었으며, 단락회로 전류(ISC) 밀도는 54 μA/cm2 이었다. 이 정도 크기의 개방회로 전압과 단락회로 전류는 태양전지로 이용하기에 충분한 정도이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행과정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 탄소 나노튜브 복합재료의 평면 투과전자현미경(plan-view TEM) 이미지이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 대한 바람직한 일 실시예의 수행과정을 개략적으로 나타내는 도면들이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 태양전지에 자외선을 조사하는 경우의 전압-전류 그래프이다.
Claims (17)
- 탄소 나노튜브를 질산 용액에 용해시키고, 가열하는 단계;상기 질산 용액에 용해된 탄소 나노튜브를 추출하고 건조시키는 단계;DMF(dimethylformamide)에 상기 건조된 탄소 나노튜브를 용해시켜 제1용액을 형성하는 단계;DMF에 금속 아세테이트 디하이드레이트(acetate dihydrate)를 용해시켜 제2용액을 형성하는 단계;상기 제1용액과 상기 제2용액을 혼합시켜 혼합용액을 형성하는 단계; 및상기 혼합용액을 가열하여, 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 형성하는 단계는,상기 혼합용액을 가열한 후, 가열온도를 단계적으로 낮추어 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 금속은 Zn, Al, Ba, Bi, Ca, Ce, Cr, Fe, Ga, In, Li, Co, Mg, Mn, Nb, Pb, Sb, Sn, Sr, Ta, Ti, V, W 및 Zr 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 나노입자는 금속 산화물 또는 탄산염으로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 금속 산화물은 ZnO, Al2O3, Bi2O3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, LiCoO2, MgO, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 탄산염은 BaCO3, CaCO3, Li2CO3, SrCO3 및 MnCO3 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브 제조방법.
- 기판;상기 기판 상에 형성된 하부 전극;상기 하부 전극 상에 형성된 정공 수송층;상기 정공 수송층 상에 형성되며, 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브로 이루어진 활성층; 및상기 활성층 상에 형성된 상부 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제7항에 있어서,상기 나노입자는 금속 산화물 또는 탄산염으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제8항에 있어서,상기 금속 산화물은 ZnO, Al2O3, Bi2O3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, LiCoO2, MgO, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제8항에 있어서,상기 탄산염은 BaCO3, CaCO3, Li2CO3, SrCO3 및 MnCO3 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제7항에 있어서,상기 정공 수송층은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxy-thiophene)-poly(styrene sulfonate))로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 탄소 나노튜브에 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브 복합재료를 형성하는 단계;기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;상기 하부 전극 상에 정공 수송층을 형성하는 단계;상기 정공 수송층 상에 상기 탄소 나노튜브 복합재료로 이루어진 활성층을 형성하는 단계; 및상기 활성층 상에 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제12항에 있어서,상기 탄소 나노튜브 복합재료를 형성하는 단계는,탄소 나노튜브를 질산 용액에 용해시키고, 가열하는 단계;상기 질산 용액에 용해된 탄소 나노튜브를 추출하고 건조시키는 단계;DMF에 상기 건조된 탄소 나노튜브를 용해시켜 제1용액을 형성하는 단계;DMF에 금속 아세테이트 디하이드레이트를 용해시켜 제2용액을 형성하는 단계;상기 제1용액과 상기 제2용액을 혼합시켜 혼합용액을 형성하는 단계; 및상기 혼합용액을 가열하여, 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제13항에 있어서,상기 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 형성하는 단계는,상기 혼합용액을 가열한 후, 가열온도를 단계적으로 낮추어 나노입자가 부착된 탄소 나노튜브를 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,상기 활성층을 형성하는 단계는,상기 탄소 나노튜브 복합재료를 용매에 용해시켜 탄소 나노튜브 복합재료 용액을 형성하는 단계;상기 정공 수송층 상에 상기 탄소 나토튜브 복합재료 용액을 스핀 코팅하는 단계; 및상기 스핀 코팅된 탄소 나노튜브 복합재료 용액을 가열하여 상기 용매를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,상기 나노입자는 ZnO, Al2O3, Bi2O3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, LiCoO2, MgO, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3, ZrO2, BaCO3, CaCO3, Li2CO3, SrCO3 및 MnCO3 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,상기 정공 수송층은 PEDOT:PSS으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020080096392A KR20100037201A (ko) | 2008-10-01 | 2008-10-01 | 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법, 탄소 나노튜브 복합재료를 이용한 태양전지 및 그 제조방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20100037201A true KR20100037201A (ko) | 2010-04-09 |
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ID=42214446
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| KR1020080096392A KR20100037201A (ko) | 2008-10-01 | 2008-10-01 | 탄소 나노튜브 복합재료 제조방법, 탄소 나노튜브 복합재료를 이용한 태양전지 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20100037201A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100986159B1 (ko) * | 2008-12-22 | 2010-10-07 | 한국기계연구원 | 에너지 전환 효율이 향상된 유기 태양전지 및 이의 제조방법 |
| KR20140134817A (ko) * | 2013-05-14 | 2014-11-25 | 동의대학교 산학협력단 | 태양전지의 광활성층 및 이의 제조 방법 |
| RU2683771C1 (ru) * | 2013-12-16 | 2019-04-02 | Басф Корпорейшн | Содержащий марганец дизельный катализатор окисления |
-
2008
- 2008-10-01 KR KR1020080096392A patent/KR20100037201A/ko not_active Application Discontinuation
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| RU2683771C1 (ru) * | 2013-12-16 | 2019-04-02 | Басф Корпорейшн | Содержащий марганец дизельный катализатор окисления |
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