KR20100106779A - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 외부에서 입사된 빛이 반사되어 다시 외부로 방출되는 광손실을 감소시켜서 광흡수율을 개선하고 광전변환 효율을 향상시킨 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로,
본 발명에 따른 태양 전지는, 기판 위에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 위에 형성되며, 나노 크리스탈이 분산된 광활성층; 및, 상기 광활성층 위에 형성되는 제2 전극을 포함한다.
태양 전지, 유기 소자, 광흡수율, 나노 크리스탈
Description
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부에서 입사된 빛이 반사되어 다시 외부로 방출되는 광손실을 감소시켜서 광흡수율을 개선하고 광전변환 효율을 향상시킨 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환 소자인 태양 전지는 다른 에너지원과는 달리 무한하고 환경친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 더해가고 있다.
종래에는 단결정 또는 다결정의 실리콘 태양 전지가 많이 사용되어 왔으나, 실리콘 태양 전지는 제조 비용이 높고 플렉서블 기판에는 적용할 수 없는 등의 문제점이 있어, 최근 이러한 단점을 해결하는 대안으로 유기물 태양 전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
즉, 유기물 태양 전지는 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 롤 코팅 또는 닥터 블레 이드 방법 등으로 제조할 수 있어서 제조 공정이 간단하여 제조 비용이 낮으며, 넓은 면적을 코팅할 수 있고, 낮은 온도에서도 박막을 형성할 수 있으며, 유리 기판을 비롯하여 플라스틱 기판 등 거의 모든 종류의 기판을 사용할 수 있다.
뿐만 아니라, 기판 형태의 제한 없이 곡면, 구면 등 플라스틱 성형품과 같은 다양한 형태의 태양 전지를 제작할 수 있고 구부리거나 접을 수도 있어서 휴대하기 편리하다. 이와 같은 장점을 활용하면 사람의 옷, 가방 등에 부착하거나 휴대용 전기, 전자 제품에 부착하여 사용하기 편리하다. 또한, 고분자 블렌드 박막은 빛에 대한 투명도가 높아서 건물의 유리창 또는 자동차의 유리창 등에 부착하여 밖을 볼 수 있게 하면서도 전력을 생산할 수 있어 불투명한 실리콘 태양 전지보다 응용 범위가 훨씬 높을 수 있다.
그러나 이와 같은 장점에도 불구하고 유기물 태양 전지는 전력변환 효율이 낮아서 실용적 응용에는 적합하지 않았다. 따라서, 유기물 태양 전지의 전력변환 효율을 증가시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
한편, 종래 기술에 따른 유기물 태양 전지에 의해 빛이 흡수되는 과정은, 도 1에 도시된 바와 같이, 외부에서 입사된 빛이 광활성층(3)을 통과하면서 광활성층에 있는 전자 공여체(도우너, doner)에 의해 흡수되고, 흡수되지 않은 빛은 제2 전극(4)에서 반사되어 다시 광활성층을 통과하면서 재흡수된다. 이때, 재흡수되지 않은 빛은 그대로 다시 외부로 방출되어 광손실을 유발하고, 이러한 광손실은 태양 전지의 광전변환 효율을 감소시키는 요인이 된다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 외부에서 태양 전지로 입사되는 빛의 경로를 증가시켜서 광재흡수율을 높이고 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양 전지는,
기판 위에 형성되는 제1 전극; 상기 제1 전극 위에 형성되며, 나노 크리스탈이 분산된 광활성층; 및, 상기 광활성층 위에 형성되는 제2 전극을 포함한다.
상기 나노 크리스탈은 금, 알루미늄, 구리, 은, 니켈 또는 그들의 합금, 칼슘/알루미늄 합금, 마그네슘/은 합금, 알루미늄/리튬 합금 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 나노 크리스탈은 직경이 1 내지 30nm인 것이 바람직하다.
상기 광활성층은 전자 공여체와 전자 수용체를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 전자 공여체는 P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 그리고 이들의 유도체 중 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다. 또한 이때, 상기 전자 수용 체는 플러렌 또는 플러렌 유도체인 것이 바람직하다.
상기 제1 전극과 광활성층 사이에 형성되는 정공 이동층을 포함할 수 있다.
상기 광활성층과 제2 전극 사이에 형성되는 블로킹층을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법은,
제1 전극과 제2 전극 사이에 광활성층이 형성된 태양 전지 제조 방법으로서, (a) 유기 용매에 전자 공여체와, 전자 수용체, 그리고 나노 크리스탈을 블랜딩(blending)하여 광활성층 재료를 제조하는 단계와, (b) 상기 제조된 광활성층 재료를 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 광활성층으로 형성하는 단계를 포함한다.
상기 (b) 단계는 상기 제1 전극 위에 상기 광활성층 재료를 스핀 코팅한 후, 질소 분위기에서 어닐링하여 수행하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 광활성층에 나노 크리스탈을 분산 형성시키고, 이 나노 크리스탈에 의해 빛이 복수회 재반사되도록 하여 태양 전지 소자 내에서의 광경로를 증가시킬 수 있고, 그 결과 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다. 또한, 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 “상부에” 또는 “상에” 있다고 표현되는 경우는 각 부분이 다른 부분의 “바로 상부” 또는 “바로 위에” 있는 경우뿐만 아니라 각 부분과 다른 부분의 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도, 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지에서의 광경로를 도시한 도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양 전지를 도시한 도, 도 6은 나노 크리스탈이 없는 종래의 태양 전지 소자 특성을 나타내는 그래프, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양 전지의 소자 특성을 나타내는 그래프, 도 8은 나노 크리스탈의 중량비에 따른 본 발명의 태양 전지 소자 특성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는, 기판(10), 제1 전극(20), 광활성층(30), 제2 전극(40)을 포함하며, 상기 광활성층(30)에는 하나 이상의 나노 크리스탈(31)이 분산되어 있다.
상기 기판(10)은 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되지 않으며 석영 및 유리와 같은 투명 무기 기판이거나 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), AS수지, ABS수지로 구성되는 군에서 선택되는 투명 플라스틱 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(10)은 가시광선 파장대에서 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 투과율을 갖는것이 좋다.
상기 제1 전극(20)은 기판(10)을 통과한 빛이 광활성층(30)에 도달하는 경로가 되므로 높은 투명도를 갖는 물질이 바람직하다. 상기 제1전극(20)을 형성하는 전도성 물질의 구체적인 예로는, 인듐틴 옥사이드(ITO), 금, 은, 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등을 들 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 전극(20)의 상부에는 전자 공여체와 전자 수용체가 블랜딩된 물질이 스핀 코팅 등의 방법으로 적층된 광활성층(30)이 형성되는데, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 광활성층(30)에는 적어도 하나 이상의 나노 크리스탈(31)이 분산되어 있다.
외부에서 제1 전극(20)을 통해 입사된 빛은 광활성층(30)에 형성된 전자 공여체에 의해 흡수된다. 흡수되지 않은 빛은 제2 전극(40)에서 반사되어 다시 전자 공여체에 의해 재흡수되는데, 이때 재흡수되지 않은 빛은 상기 나노 크리스탈에 재반사된다. 따라서, 광활성층(30)에서의 광흡수율이 증가하게 된다.
상기 나노 크리스탈(31)은 빛에 대한 반사도가 높은 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적으로, 빛에 대한 반사도가 50% 이상인 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 여기서 빛에 대한 반사도라 함은 금속을 향해 입사되는 빛의 양과 반사되는 빛의 양을 비율을 의미한다. 이러한 물질은 예를 들면, 금, 알루미늄, 구리, 은, 니켈 또는 그들의 합금, 칼슘/알루미늄 합금, 마그네슘/은 합금, 알루미늄/리튬 합금 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 나노 크리스탈(31)은 그 직경이 1 내지 30nm로 형성될 수 있다. 나노 크리스탈의 직경을 1nm 이상으로 형성하면, 제2 전극(40)에서 반사된 빛이 재반사되지 않고 손실될 염려가 작아져 광의 재흡수 관점에서 효율적이다. 나노 크리스탈의 직경을 30nm 이하로 형성하는 경우, 제1 전극(20)에서 광활성층(30)으로 입사되는 빛을 반사시켜서 광손실을 유발할 우려가 적어진다. 또한, 광활성층(30)의 두께가 통상 70 내지 150nm 인데, 나노 크리스탈의 직경이 30nm를 초과하는 경우, 나노 크리스탈이 차지하는 공간이 커서 광활성층에서의 광흡수 기능을 저해할 우려가 커진다.
상기 나노 크리스탈(31)은 광활성층(30) 내에 분산될 수 있다. 또한, 상기 제2 전극(40)에 의해 반사되는 빛의 경로를 극대화하여 광활성층(30)에서의 광의 재흡수를 향상시키기 위해, 상기 나노 크리스탈(31)은 상기 제1 전극(20)과 광활성층(30)의 경계면 부근에 서로 분산된 형태로 동일한 평면 내에 형성될 수 있다. 또한, 상기 나노 크리스탈(31)은 상기 제1 전극(20)과 광활성층(30)의 경계면 부근 및 상기 제2 전극(40)과 광활성층(30)의 경계면 부근에 위치될 수도 있다.
상기 전자 공여체로서는 P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 그리고 이들의 유도체 중 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다. 또한, 상기 전자 수용체로서는 플러렌 또는 플러렌 유도체인 것이 바람직하다.
상기 제2 전극(40)은 상기 제1 전극을 통해 입사되었으나, 광활성층에서 흡수되지 못한 광을 재흡수하기 위해 주로 반사도가 높고 저항이 적은 물질을 사용하여 형성된다. 상기 제2전극(40) 물질로는 상기 제1 전극의 물질보다는 낮은 일함수의 물질, 구체적으로는 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 칼륨, 티타늄, 인듐, 이트륨, 리튬, 알루미늄, 은, 주석 및 납과 같은 금속, 또는 이들의 합금을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지는, 전술한 태양 전지의 구조에서 제1 전극(20)과 광활성층(30) 사이에 형성된 정공 이동층(50)과, 광활성층(30)과 제2 전극(40) 사이에 형성된 블로킹층(60)과 전자 주입층(70)을 각각 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 전극(20)과 제2 전극(40) 사이에는, 정공 이동층(50)/광활성층(30), 광활성층(30)/전자 주입층(70), 정공 이동층(50)/광활성층(30)/전자 주입층(70), 또는 정공 이동층(50)/광활성층(30)/블로킹층(60)/전자 주입층(70) 등 다양한 형태의 적층 구조가 형성될 수 있다.
상기 광활성층(30)에서 분리된 정공은 상기 정공 이동층(50)을 통하여 제1 전극(20)에 도달한다. 따라서, 상기 정공 이동층(50)은 정공의 이동을 원활히 할 수 있는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 정공 이동층(50)을 형성하는 전도성 고분자로는 PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)), PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린, 프탈로시아닌, 펜타센, 폴리디페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디페닐아세틸렌, Cu-PC(커퍼 프탈로시아닌) 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(T-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴)디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌, 및 이들의 유도체와 같은 전도성 고분자 등이 하나 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 PEDOT-PSS 혼합물을 사용하는 것이 좋다.
상기 블로킹층(60)은 상기 광활성층(30)에서 분리된 정공과 분리되지 않은 엑시톤들이 제2 전극(40)으로 이동하여 다시 재결합하는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 따라서, 상기 블로킹층(60)은 예를 들면 BCP(bathocuproine)와 같이 HOMO(highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 준위가 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 전자 주입층(70)은 엑시톤에서 분리된 전자들이 제2 전극(40)으로 잘 주입하게 하며, 또한 광활성층 또는 블로킹층과 제2 전극과의 계면 특성을 향상시키는 역할을 수행하며, 주로 LiF, Liq 등을 사용한다.
여기서, 기판(10), 제1 전극(20), 광활성층(30), 제2 전극(40)에 대한 설명은 전술한 바와 같으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 광활성층(30)에 하나 이상의 나노 크리스탈이 분산되어 형성됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 전극(40)에 의해 반사되는 빛의 경로를 극대화하여 광활성층(30)에서의 광의 재흡수를 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 태양 전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
즉, 종래 태양 전지의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 전극(미도시)을 통해 입사된 광이 광활성층(3)에서 흡수(제1 광흡수)되고, 흡수되지 않은 광이 제2 전극(4)에서 반사되어 다시 광활성층에서 흡수(제2 광흡수)되며, 재흡수되지 않은 광은 손실된다. 따라서, 총 광흡수량은 1회의 반사와 2회의 광흡수에 의해 이루어지게 되어, 광손실이 크고 이로 인해 광전변환 효율이 떨어진다.
반면, 본 발명 태양 전지의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 전극(미도시)을 통해 입사된 광이 광활성층(30)에서 흡수(제1 광흡수)되고, 흡수되지 않은 광이 제2 전극(40)에서 반사되어 다시 광활성층에서 흡수(제2 광흡수)되며, 또한 제2 광흡수시 흡수되지 않은 광은 나노 크리스탈에 의해 재반사되어 다시 광활성층(30)에서 흡수(제3 흡수)되고, 이러한 과정이 반복되어 광흡수율이 극대화된다.
즉, 본 발명은 광활성층에 유입되는 광이 광활성층의 양측 계면 영역에서 2회 이상 반사되고, 3회 이상의 광흡수가 이루어지는 광 경로를 가지게 됨으로써 광손실을 최소화할 수 있고, 이로부터 광전변환 효율을 향상시키게 된다.
다음으로, 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법은, 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 위에 광활성층을 형성하는 단계, 상기 광활성층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
여기서 상기 광활성층을 형성하는 단계는, (a) 유기 용매에 전자 공여체와, 전자 수용체, 그리고 나노 크리스탈을 블랜딩(blending)하여 광활성층 재료를 제조하는 단계와, (b) 상기 제조된 광활성층 재료를 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 광활성층으로 형성하는 단계를 포함한다.
광활성층 재료를 제조하기 위해, 전자 공여체로서 사용될 수 있는 물질과 전자 수용체로 사용될 수 있는 물질, 그리고 나노 크리스탈을 유기 용매에 블랜딩한다. 상기 유기 용매는, 예를 들면, 클로로벤젠, 벤젠, 클로로포름 또는 THF(Tetrahydrofuran) 등과 같은 유기 용매를 사용할 수 있다. 상기 전자 공여체/전자 수용체로 사용될 수 있는 물질은 전술한 바와 같으므로 이에 대한 설명은 생략한다. 예를 들면, 상기 전자 공여체로서 전도성 고분자 물질인 폴리티오펜 유도체와 전자 수용체로서 플러렌 유도체, 그리고 나노 크리스탈을 소정의 비율로 일정한 시간 동안 블랜딩한다.
그 다음, 기판 위에 제1 전극을 형성한 후, 상기 제1 전극 위에 상기 제조된 광활성층 재료를 스핀 코팅한 후, 질소 분위기에서 어닐링하여 광활성층을 형성한다. 상기 광활성층 위에 제2 전극을 형성하여 태양 전지를 제조할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극과 광활성층을 형성하는 단계 사이에 정공 이동층을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있고, 상기 광활성층과 제2 전극을 형성하는 단계 사이에 블로킹층과 전자 주입층을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있다. 이는 본 발명에서 특별히 한정되는 것은 아니며, 종래 기술에 알려져 있는 어느 방법이나 제한없이 사용할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 태양 전지 및 그 제조 방법에 관하여 더욱 상세하게 설명할 것이나 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실험예
측정용 전지 제조
먼저, 하기에 기재된 방법으로 은 나노 크리스탈을 제조한다.
1) 0.0191g의 질산은(AgNO3)을 3.75ml의 초순수(Deionized Water; Di water)에 완전히 용해 될 때까지 교반하여 혼합한다.
2) 상온에서 0.2734g의 테트라옥틸암모늄브로마이드(tetraoctylammonium bromide, TOAB)를 10ml의 톨루엔(toluene)에 완전히 용해될 때까지 교반하여 혼합한다.
3) 상기 2)를 상기 1)에 30 drops/min으로 첨가한 후, 700 rpm의 교반 속도로 10분간 혼합한다.
4) 0.0472g의 소듐보로하이드라이드(NaBH4)를 3.123ml의 초순수에 완전히 용해될 때까지 교반하여 혼합한다.
5) 25.2㎕의 도데칸사이올(Dodecanethiol; DT)을 상기 3)에 첨가한다. 이때, 도데칸사이올과 은 이온(Ag+)의 몰랄 농도 비율이 1 : 1이 되도록 한다.
6) 시간차를 두지 않고 바로 상기 4)를 상기 5)에 첨가한 후, 700 rpm의 속도로 3시간 동안 교반하여 혼합한다.
7) 상기 6)의 교반 혼합 후, 층분리가 일어나면 상측액인 톨루엔층을 분리하여 취하고, 하층액은 폐기한다. 이때, 톨루엔층에는 은 이온과 은 나노 크리스탈이 혼재한다.
8) 상기 7)에 40 ml의 에탄올을 첨가한 후, 약 -18℃ 정도의 저온에서 나노 결정화를 촉진시킨다.
9) 원심분리기를 이용하여 10000 rpm으로 약 700초 정도로 각각 3회 세척하여, 상기 8)에서 첨가된 에탄올을 제거하여 은 나노 크리스탈을 제조한다.
상기와 같은 단계를 거쳐 제조된 은 나노 크리스탈은 약 3 ~ 7 nm 정도의 직경을 가진다.
P3HT, PCBM, 그리고 상기 제조된 은 나노 크리스탈을 각각 2 : 1 : 2의 중량비로 클로로벤젠 10ml에 최소 72시간 동안 블랜딩하여 광활성층 재료를 준비한다.
그 다음, 정공 이동층의 재료 물질인 PEDOT-PSS와 이소프로필 알 콜(Isopropyl Alcohol; IPA)을 1 : 2의 중량비로 최소 24시간 동안 블랜딩하여 준비한다. 그 다음, 기판 위에 제1 전극으로 ITO 등을 형성하고, 아세톤 등을 사용하여 세정한 후, 정공 이동층의 재료 물질을 60초간 2000rpm으로 스핀 코팅하고 140℃의 질소 분위기에서 약 10분 동안 어닐링한다. 그 다음, 정공 이동층 위에 상기와 같이 준비된 광활성층 재료를 60초간 1000rpm으로 스핀 코팅한 후, 125℃의 질소 분위기에서 약 10분 동안 어닐링한다. 그 다음, 스핀 코팅된 광활성층 위에 증착기를 사용하여 BCP(bathocuproine)를 12 nm 정도의 두께로 증착하여 블로킹층을 형성하고, 상기 블로킹층 위에 플루오르화 리튬(LiF)을 0.5 nm 정도의 두께로 증착한 후, 알루미늄(Al)을 80 nm 정도의 두께로 증착하여 제2 전극을 형성하여 도 5에 도시된 바와 같은 태양 전지를 제조한다.
나노 크리스탈 유무에 따른 태양 전지의 특성 비교
태양 전지의 특성은 개방 회로 전압(open circuit voltage; Voc), 단락 회로 전류(short circuit current; Jsc), 충실도(fill factor; FF) 및 효율을 이용하여 평가하게 된다. 개방 회로 전압(Voc)는 외부의 전기적 부하 없이 빛이 조사되었을 때 생성되는 전압, 즉 전류가 0일 때의 전압이고, 단락 회로 전류(Jsc)는 단락된 전기 접촉으로 빛이 조사되었을 때 생성되는 전류, 즉 전압이 인가되지 않을 경우 빛에 의한 전류로 정의된다. 또한, 충실도(FF)는 전류 및 전압이 인가되고 그에 따라 변화되는 전류 및 전압의 곱을 개방 회로 전압(Voc)과 단락 회로 전류(Jsc)의 곱으로 나눈 값으로 정의된다. 이러한 충실도(FF)는 개방 회로 전압(Voc)과 단락 회로 전류(Jsc)가 동시에 얻어지지 않기 때문에 항상 1 이하이다. 그렇지만 충실도(FF)가 1에 근접할수록 태양 전지의 효율이 보다 높아지고, 충실도(FF)가 낮아질수록 저항이 증가하는 것으로 평가된다. 한편, 광전변환 효율는 개방 회로 전압(Voc), 단락 회로 전류(Jsc) 및 충실도(FF)의 곱을 조사되는 빛의 세기로 나눈 값으로 아래의 [수학식 1]로 정의된다.
[수학식 1]
η = FF*(Jsc*Voc/(조사되는 빛의 세기))
도 6 및 도 7을 참조하여 종래의 태양 전지와 상기에서 제조된 본 발명의 태양 전지의 소자 특성을 비교한다. 도 6은 나노 크리스탈이 없는 종래의 태양 전지 소자 특성을 나타내는 그래프이다. 도 6을 참조하면, Jsc는 15.34 mA/cm2, Voc는 0.645 eV, FF는 0.672이고 이를 상기 [수학식 1]에 대입하면 광전변환 효율(Power conversion efficiency; PCE)은 6.648%임을 알 수 있다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양 전지의 소자 특성을 나타내는 그래프이다. 도 7을 참조하면, Jsc는 17.46 mA/cm2, Voc는 0.665 eV, FF는 0.635이고 이를 상기 [수학식 1]에 대입하면 광전변환 효율은 7.368%임을 알 수 있다. 즉, 광활성층에 은 나노 크리스탈이 분산되어 있을 때, 그렇지 않은 경우에 비하여 Jsc가 15.34 mA/cm2에서 17.46 mA/cm2으로 약 14% 향상됨을 확인할 수 있고, 태양 전지의 효율은 6.648%에서 7.368%로 약 10.3% 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 8을 참조하여 나노 크리스탈의 중량비에 따른 태양 전지 소자 특성의 변화를 살펴본다. 도 8에 도시된 그래프는 ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM:Ag/BCP/LiF /Al 구조 태양 전지의 광활성층인 'P3HT:PCBM:Ag'에서 은 나노 크리스탈(Ag)의 중량비 변화에 따른 파장 영역별 광흡수율 변화를 도시한 그래프이다. 여기서, '-■-'로 도시된 부분은 P3HT, PCBM, 그리고 은 나노 크리스탈이 각각 2 : 1 : 1 중량비(이하 '1중량비'), '-▲-'로 도시된 부분은 P3HT, PCBM, 그리고 은 나노 크리스탈이 각각 2 : 1 : 2 중량비(이하 '2중량비'), '-▲-'로 도시된 부분은 P3HT, PCBM, 그리고 은 나노 크리스탈이 각각 2 : 1 : 3 중량비(이하 '3중량비')로 블랜딩되어 있는 태양 전지의 광흡수율을 도시한 그래프이다.
상기 그래프들을 살펴보면, 은 나노 크리스탈이 2중량비로 블랜딩되었을때 광흡수율이 가장 높은 것을 알 수 있으며, 3중량비로 블랜딩되었을때는 오히려 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 광활성층에 은 나노 크리스탈이 과도하게 분산 형성되어 제1 전극과 광활성층의 계면에서 최초의 입사광이 은 나노 크리스탈에 의해 반사되기 때문인 것으로 추측된다. 따라서, 상기 광활성층에는 은 나노 크리스탈이 3중량비 이하로 포함되는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 종래 기술에 따른 태양 전지에서의 광경로를 도시한 도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지에서의 광경로를 도시한 도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양 전지를 도시한 도,
도 6은 나노 크리스탈이 없는 종래의 태양 전지 소자 특성을 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양 전지의 소자 특성을 나타내는 그래프,
도 8은 나노 크리스탈의 중량비에 따른 본 발명의 태양 전지 소자 특성 변화를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판 20 : 제1 전극
30 : 광활성층 31 : 나노 크리스탈
40 : 제2 전극 50 : 정공 이동층
60 : 블로킹층 70 : 전자 주입층
Claims (10)
- 기판 위에 형성되는 제1 전극;상기 제1 전극 위에 형성되며, 나노 크리스탈이 분산된 광활성층; 및,상기 광활성층 위에 형성되는 제2 전극을 포함하는 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 나노 크리스탈은 금, 알루미늄, 구리, 은, 니켈 또는 그들의 합금, 칼슘/알루미늄 합금, 마그네슘/은 합금, 알루미늄/리튬 합금 중에서 선택된 어느 하나의 물질을 포함하는 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 나노 크리스탈은 직경이 1 내지 30nm인 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 광활성층은 전자 공여체와 전자 수용체를 포함하는 태양 전지.
- 청구항 4에 있어서,상기 전자 공여체는 P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 그리고 이들의 유도체 중 선택된 어느 하나인 태양 전지.
- 청구항 4에 있어서,상기 전자 수용체는 플러렌 또는 플러렌 유도체인 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 제1 전극과 광활성층 사이에 형성되는 정공 이동층을 포함하는 태양 전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 광활성층과 제2 전극 사이에 형성되는 블로킹층 포함하는 태양 전지.
- 제1 전극과 제2 전극 사이에 광활성층이 형성된 태양 전지 제조 방법으로서,(a) 유기 용매에 전자 공여체와, 전자 수용체, 그리고 나노 크리스탈을 블랜딩(blending)하여 광활성층 재료를 제조하는 단계와,(b) 상기 제조된 광활성층 재료를 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 광활성층으로 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 청구항 9에 있어서,상기 (b) 단계는 상기 제1 전극 위에 상기 광활성층 재료를 스핀 코팅한 후, 질소 분위기에서 어닐링하여 수행하는 태양 전지 제조 방법.
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