KR20110056744A - 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다. 유기-무기 하이브리드 태양전지는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하는 전도성 탄소층, 상기 탄소층 상에 위치하며 탄소층의 상부로 돌출된 n-형 무기 나노와이어들, 상기 나노와이어들 사이의 공간을 채우며 상기 나노와이어들을 덮는 유기 광활성층 및 상기 유기 광활성층 상에 위치한 제2 전극을 포함한다. 본 발명에 따르면, n-형 무기 나노와이어들의 도입에 의해 광활성층에서 생성된 전자의 이동 및 수집 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 나노와이어들의 하단에 위치한 탄소층은 전기 전도도가 매우 높기 때문에 나노와이어와 전극 사이에서 우수한 전자수송층으로 작용할 수 있으며, 전지 내부 저항에 의한 전력 손실을 줄일 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경 문제와 고유가 문제에 직면하여 청정 대체에너지 개발에 대한 관심이 높아지면서 태양전지 개발에도 많은 연구가 이루어지고 있다. 태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 그 광활성층의 구성 물질에 따라 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기 태양전지 등으로 구분할 수 있다. 이 중, 유기 태양전지는 광활성층으로 사용되는 유기 분자의 흡광계수가 높아 얇은 소자로 제작이 가능하고, 간편한 제법과 낮은 설비 비용으로 제조할 수 있으며, 유기물의 특성상 굽힘성 및 가공성 등이 좋아 다양한 분야에 응용할 수 있는 여러 장점이 있다. 다만, 전하 트랩 밀도가 커서 전하의 수명과 이동도가 낮고 확산길이도 짧기 때문에 광수집 효율이 좋지 않아 광전변환 효율이 낮은 문제가 있다. 따라서, 유기 태양전지가 궁극적으로 경쟁력을 확보하기 위해서는 전지의 효율 향상이 무엇보다 중요하다고 할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 광전 변환 효율이 향상된 유기-무기 하이브리드 태양전지를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 광전 변화 효율이 향상된 유기-무기 하이브리드 태양전지의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 유기-무기 하이브리드 태양전지를 제공한다. 상기 태양전지는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하는 전도성 탄소층, 상기 탄소층 상에 위치하며 탄소층의 상부로 돌출된 n-형 무기 나노와이어들, 상기 나노와이어들 사이의 공간을 채우며 상기 나노와이어들을 덮는 유기 광활성층 및 상기 유기 광활성층 상에 위치한 제2 전극을 포함한다.
상기 전도성 탄소층은 전기 전도성을 갖는 탄소 동소체를 포함할 수 있으며, 상기 탄소 동소체는 그래핀, 탄소나노튜브 또는 풀러렌 중 어느 하나일 수 있다.
상기 n-형 무기 나노와이어들은 ZnO, CuO, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Cs2CO3 , Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 유기 광활성층은 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 벌크 이종접합 구조를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 캐소드이며, 상기 제2 전극은 애노드일 수 있다.
상기 제1 전극은 ITO, IZO, ZnO, Al-도핑된 ZnO(AZO), Ga-도핑된 ZnO(GZO), Mg-도핑된 ZnO(MZO), Mo-도핑된 ZnO, Al-도핑된 MgO 및 Ga-도핑된 MgO 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 제2 전극은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 및 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어지는 금속전극, 또는 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 및 이들의 복합체 중 어느 하나로 이루어지는 유기물 전극일 수 있다.
또한, 상기 유기-무기 하이브리드 태양전지는 상기 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 개재되는 정공수송층을 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법을 제공한다. 상기 방법은 제1 전극이 형성된 기판을 준비하는 단계, 상기 제1 전극 상에 전도성 탄소층을 형성하는 단계, 상기 탄소층 상에 탄소층의 상부로 돌출된 방향을 갖는 n-형 무기 나노와이어들을 형성하는 단계, 상기 나노와이어들 사이의 공간을 채우며 상기 나노와이어들을 덮는 유기 광활성층을 형성하는 단계 및 상기 유기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 탄소층은 그래핀층일 수 있으며, 상기 그래핀층을 형성하는 단계는 희생 금속층이 형성된 기판 상에 화학기상증착법을 이용하여 그래핀 박막을 형성하는 단계, 상기 금속층 및 기판을 식각하여 그래핀 박막을 선택적으로 분리하는 단계 및 상기 분리된 그래핀 박막을 제1 전극이 형성된 기판 상에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 나노와이어들을 형성하는 단계는 전기화학적 용액 성장법을 통해 수행할 수 있다.
또한, 상기 유기 광활성층을 형성하는 단계 및 상기 제2 전극을 형성하는 단계 사이에 정공수송층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, n-형 무기 나노와이어들의 도입에 의해 광활성층과 전자수송성 물질 사이의 계면 면적을 증가시킴으로써, 광활성층에서 생성된 전자-정공쌍(엑시톤)의 재결합 확률을 줄이고, 전자의 이동 및 수집 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 나노와이어들의 하단에 위치한 탄소층은 높은 전기 전도도를 가지므로 나노와이어와 전극 사이에서 우수한 전자수송층으로 작용할 수 있으며, 전지 내부 저항에 의한 전력 손실을 줄일 수 있는 역할을 할 수 있다. 또한, 탄소층은 높은 투명성을 가지므로 태양광의 입사량 손실을 최소한으로 줄일 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기-무기 하이브리드 태양전지를 나타낸 사시도들이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 유기-무기 하이브리드 태양전지는 기판(100), 제1 전극(110), 전도성 탄소층(120), n-형 무기 나노와이어들(130), 유기 광활성층(140) 및 제2 전극(150)을 포함한다. 그러나, 상기 기판(100)은 본 실시예에 따른 태양전지의 필수 구성요소는 아니며, 필요에 따라 제거될 수 있다.
상기 기판(100)은 유기-무기 하이브리드 태양전지를 지지하기 위해 사용되는 것으로 유리, 석영, Al2O3 및 SiC 등에서 선택된 투명 무기 기판 또는 PET(polyethylene terephthlate), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate) 및 PAR(polyarylate) 등에서 선택된 투명 플라스틱 기판일 수 있다.
상기 제1 전극(110)은 상기 기판(100) 상에 위치하며, 상기 기판(100)을 통과한 빛이 광활성층(140)에 도달하도록 투명한 물질인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 전극(110)은 낮은 저항을 갖는 전도성 물질로서, 그 상부에 위치한 탄소층(120)으로부터 전자를 받는 캐소드(cathode)의 역할을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 전극을 형성하는 물질은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), ZnO(zinc oxide), Al-도핑된 ZnO(AZO), Ga-도핑된 ZnO(GZO), Mg-도핑된 ZnO(MZO), Mo-도핑된 ZnO, Al-도핑된 MgO 및 Ga-도핑된 MgO 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전도성 탄소층(120)은 상기 제1 전극(110) 상에 위치하며, n-형 무기 나노와이어(130)에서 수집된 전자를 받아 제1 전극(110)으로 전달하는 전자수송층(electron transfer layer, ETL)으로서의 역할을 수행한다. 또한, 상기 탄소층(120)은 제1 전극(110)을 통과한 빛이 광활성층(140)에 도달하도록 투명한 물질인 것이 바람직하다. 상기 탄소층(130)은 높은 전기 전도도를 갖는 탄소 동소체를 포함할 수 있다. 상기 탄소 동소체는 예를 들어, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 또는 풀러렌(fullerene) 중 어느 하나일 수 있다. 이처럼, 상기 탄소층(130)은 높은 전기 전도도를 가지며, 탄소 동소체의 공액성(비편재 화된 이중결합의 정도) 조절을 통해 제1 전극(110)의 일함수와 n-형 무기 나노와이어들(130)의 전도대 사이의 에너지 준위를 가질 수 있으므로 n-형 무기 나노와이어들(130)에서 수집된 전자가 제1 전극(110)으로 용이하게 이동하도록 할 수 있다. 또한, 전지 내부 전항으로 인해 야기되는 전력 손실을 줄일 수 있으므로 궁극적으로 전지의 효율 향상에 기여할 수 있다.
상기 n-형 무기 나노와이어들(130)은 상기 탄소층(120) 상에 위치하며 탄소층(120)의 상부로 돌출된 구조를 가진다. 상기 n-형 무기 나노와이어들(130)은 광활성층(130)에서 생성된 전자를 수집하여 그 하부에 위치한 탄소층(120)으로 전달하는 역할을 수행한다. 상기 나노와이어들(130)은 그 축방향이 대체로 상기 탄소층(120)의 윗방향을 향하도록 배열됨으로써, 나노와이어들(130) 사이의 공간에 채워지는 유기 광활성층(140)과의 접촉 면적을 넓힐 수 있다. 이로써, 빛의 입사에 의해 광활성층(140)에서 생성된 전자의 수집 효율을 높일 수 있으며, 광활성층(140)의 전자 주개 물질과 n-형 무기 나노와이어들(130) 사이에 형성된 P-N 접합 계면에서 직접 전자와 정공의 분리가 일어나는 경우에는 엑시톤의 재결합 확률을 줄일 수도 있다. 또한, 상기 나노와이어들(130)을 전자 수송성의 n-형 무기물로 형성함으로써 전자의 이동 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 광활성층(140)과 탄소층(120) 간의 계면 에너지 밴드 갭을 변형하여 광활성층(140)으로부터 탄소층(120)으로 전자의 주입을 더욱 용이하게 할 수 있다. 상기 n-형 무기 나노와이어들(130)은 ZnO, CuO, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Cs2CO3 , Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 인접하는 물질들의 에너지 준위를 고려하여 적절하게 선택할 수 있다.
상기 유기 광활성층(140)은 상기 나노와이어들(130) 사이의 공간을 채우며 상기 나노와이어들(130)을 덮는 구조를 가진다. 다시 말해, 본 실시예에 따른 유기-무기 하이브리드 태양전지에 사용되는 유기 광활성층(140)은 다수 공간이 n-형 무기 나노와이어들(130)에 의해 삽입된 구조를 가진다. 상기 유기 광활성층(140)은 전자 주개(electron donor, D) 물질과 전자 받개(electron acceptor, A)물질을 포함할 수 있으며, 빛을 받아 전자 주개 물질에서 생성된 여기 상태의 전자-정공쌍(exciton, 엑시톤)을 전자와 정공을 분리시켜 전류를 만들어내는 광전변환층으로서의 역할을 수행한다. 상기 광활성층(140)은 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 벌크 이종접합 구조, 전자 주개 물질층과 전자 받개 물질층의 이중층 접합 구조, 또는 전자 주개 물질층, 전자 주개 물질-전자 받개 물질의 혼합층 및 전자 받개 물질층이 차례로 접합되는 다층 접합 구조일 수 있다. 특히, 광활성층(140) 내의 D-A 계면이 증가할수록 빛에 의해 생성된 전자-정공쌍으로부터 가까운 거리에 D-A 계면이 존재하게 되어 전자-정공쌍들이 효과적으로 분리될 수 있으므로, 상기 광활성층(140)은 벌크 이종접합 구조를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우 전자 주개 물질과 n-형 무기 나노와이어들(130) 사이에 형성된 P-N 접합 계면에서 직접 전자와 정공의 분리를 유도할 수도 있으므로 엑시톤의 재결합 확률을 감소시킬 수 있다.
상기 유기 광활성층(140)의 전자 주개 물질은 고분자 유기반도체 화합물 또는 저분자 유기반도체 화합물에서 적절하게 선택할 수 있다. 상기 고분자 유기반도체 화합물은 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), P3OT(poly(3-octylthiophene) P3DDT(poly(3-dodecylthiophene) 등의 폴리티오펜(polythiophene) 유도체, PVK(poly(N-vinylcarbazole), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), PCDTBT(poly[N-9'-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PFDTBT(poly(2,7-(9-(2'-ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole))), MEH-PPV(poly-[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene) 또는 MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) 등 일 수 있다. 상기 저분자 유기반도체 화합물은 CuPc(copper phthalocyanine), ZnPc(zinc phthalocyanine), PtOEP(platinum(II) octaethyl-porphyrin) 등 일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 유기 광활성층(140)의 전자 받개 물질로는 플러렌(fullerene, C60) 또는 플러렌이 유기 용매에 잘 녹도록 설계된 PCBM((6,6)-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 또는 PC70BM((6,6)-phenyl-C70-butyric acid methyl ester) 등의 풀러렌 유도체가 사용될 수 있으며, 그 외 페릴렌(perylene), PBI(polybenzimidazole) 및 PTCBI(3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic bis-benzimidazole) 등이 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 전극(150)은 상기 유기광활성층(140) 상에 위치하며, 낮은 저항을 갖는 전도성 물질로서, 그 하부에 위치한 광활성층(140)으로부터 정공을 받는 애노드(anode)의 역할을 수행할 수 있다. 상기 제2 전극(150)은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 금속 전극일 수 있다. 또한, 상기 제2 전극(150)은 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 및 이들의 복합체 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 유기물 전극일 수 있다. 특히, 제2 전극(150)을 투명한 유기물 전극으로 형성한 경우 전지의 상부에서 수광이 가능하다.
또한, 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 유기-무기 하이브리드 태양전지는 상기 유기 광활성층(140)과 상기 제2 전극(150) 사이에 개재되는 정공수송층(hole transfer layer, HTL)(145)을 더 포함할 수 있다. 상기 정공수송층(145)은 광활성층(140)에서 생성된 정공이 제2 전극(150)으로 용이하게 전달되도록 하는 층을 의미한다. 상기 정공수송층(145)은 폴리티오펜, 폴리스티렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리디페닐아세틸렌 및 그들의 유도체 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):PSS(polystyrene sulfonate) 혼합물 등 또는 TDATA, m-MTDATA, 2-TNATA, TPTE, NPB, TPD 등을 사용할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 전자 주개 물질의 HOMO 준위와 제2 전극의 일함수(또는 HOMO 준위) 사이의 에너지 준위를 갖는 다른 물질도 사용 가능하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기-무기 하이브리드 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3f는 상기 도 2의 흐름도에 따라 제조되는 유기-무기 하이브리드 태양전지의 각 구성을 나타낸 종단면도들이다.
도 2(S210) 및 도 3a를 참조하면, 제1 전극(110)이 형성된 기판(100)을 준비한다. 상기 제1 전극(110)은 열기상증착(thermal evaporation), 전자빔증착(e-beam evaporation), RF 스퍼터링(Radio Frequency sputtering) 또는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)법 등을 적절하게 사용하여 기판(100) 상에 형성할 수 있다.
도 2(S220) 및 도 3b를 참조하면, 제1 전극(110) 상에 전도성 탄소층(120)을 형성한다. 상기 탄소층(120)은 이를 구성하는 탄소 동소체의 종류에 따라 적절한 방법을 선택하여 형성할 수 있다. 상기 전도성 탄소층(120)이 그래핀층인 경우, 일 예로, 상기 그래핀층을 형성하는 단계는 희생 금속층이 형성된 기판 상에 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)을 이용하여 그래핀 박막을 형성하는 단계, 상기 금속층 및 기판을 식각하여 그래핀 박막을 선택적으로 분리하는 단계 및 상기 분리된 그래핀 박막을 제1 전극(110)이 형성된 기판(100) 상에 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(110) 상에 배치된 그래핀 박막은 반데르발스(van der Waals) 힘에 의해 별도의 접착 물질 없이도 제1 전극(110)에 견고하게 부착될 수 있다.
또한, 상기 전도성 탄소층(120)이 탄소나노튜브층 또는 풀러렌층인 경우, 탄소나노튜브 또는 풀러렌을 적당한 유기 용매에 녹인 다음, 그 용액을 제1 전극(110)이 형성된 기판 상에 도포한 후 건조하는 단계를 통해서도 탄소 동소체를 포함하는 탄소층(120)을 형성할 수 있다.
도 2(S230) 및 도 3c를 참조하면, 상기 탄소층(120) 상에 n-형 무기 나노와이어들(130)을 형성한다. 상기 나노와이어들(130)은 나노와이어의 제조와 관련하여 공지된 다양한 방법에 의해 형성될 수 있으며, 일 예로 전기화학적 용액 성장법(electrochemical deposition,ECD)을 이용하여 형성할 수 있다. 이 경우, 형성되는 나노와이어들(130)의 두께 및 길이는 증착 시간과 사용된 용액의 농도에 따라 조절 가능하다. 또한, 상기 나노와이어들(130)을 형성하는 과정에서 상기 나노와이어들(130)의 하부에는 상기 나노와이어들(130)을 이루는 재료와 동일한 재료로 이루어진 n-형 무기물층이 형성될 수도 있다.
도 2(S240) 및 도 3d를 참조하면, 상기 나노와이어들(130) 사이의 공간을 채우며 상기 나노와이어들(130)을 덮는 유기 광활성층(140)을 형성한다. 상기 유기 광활성층(140)은 고분자 유기반도체 화합물 또는 저분자 유기반도체 화합물을 포함할 수 있다. 상기 고분자 유기반도체 화합물의 경우 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 드롭 코팅(drop coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating) 또는 스크린 프린팅(screen printing) 등의 용액 공정에 의해 광활성층(140)으로 제조할 수 있으며, 저분자 유기반도체 화합물의 경우 진공증착(vacuum evaporation)을 통해 광활성층(140)으로 제조할 수 있다. 또한, 상기 광활성층(140)은 사용되는 유기물의 종류 및 특성 등을 고려하여 적절한 두께로 형성할 수 있다.
도 2(S250) 및 도 3e를 참조하면, 상기 유기 광활성층(140) 상에 제2 전극(150)을 형성한다. 상기 제2 전극(150)은 열기상증착(thermal evaporation), 전자빔증착(e-beam evaporation), RF 스퍼터링(Radio Frequency sputtering), 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 화학적 증착 또는 유사한 방법 등을 통해 형성할 수 있다.
또한, 도 2(S245) 도 3f를 참조하면, 상기 유기 광활성(140)을 형성하는 단계 및 상기 제2 전극(150)을 형성하는 단계 사이에 정공수송층(145)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 정공수송층(145)의 형성 방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 광활성층(140) 또는 제2 전극(150)과의 밀착성을 높일 수 있는 임의의 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 드롭 코팅(drop coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating) 또는 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법을 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기-무기 하이브리드 태양전지의 개략적인 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광활성층(140)에서 빛의 흡수로 생성된 엑시톤의 전자와 정공은 D-A 계면에서 분리되어 전자는 전자 받개 물질의 LUMO(a)에, 정공은 전자 주개 물질의 HOMO(b)에 존재하게 된다. 전자 받개 물질로 분리된 전자는 n-형 무기 나노와이어들(130)의 도입에 의해 형성된 전도대 및 탄소층(120)의 도입에 의해 형성된 에너지 준위로 순차 이동하여 제1 전극(110)으로 전달된다(다만, 경우에 따라서는 광활성층(140)의 전자 주개 물질과 n-형 무기 나노와이어들(130) 사이에 형성된 P-N 접합 계면에서 직접 전자와 정공의 분리 및 나노와이어들(130)로의 전자 이동이 일어날 수도 있을 것이다). 이 때, n-형 무기 나노와이어들(130)의 전도대는 광활성층(140)의 전자 받개 물질의 LUMO 준위보다 낮은 준위에서 형성될 수 있으며, 상기 나노와이어들(130)은 광활성층(140)과 넓은 계면 접촉을 이루고 있으므로 광활성층(140)에서 생성된 전자의 수집 및 이동을 용이하게 할 수 있다. 또한, 탄소층(120)의 도입에 의해 형성된 에너지 준위는 탄소층(120)을 구성하는 물질의 공액성(비편재화된 이중결합의 정도)을 조절하여 제1 전극(110)의 일함수와 나노와이어들(130)의 전도대 사이의 에너지 준위를 갖도록 할 수 있다. 따라서, 상기 나노와이어들(130)에서 수집ㆍ이동된 전자를 제1 전극(110)으로 전달하는 전자전달층의 역할을 수행할 수 있으며, 우수한 전기 전도성을 가지므로 전지 내부 저항으로 인한 전력 손실을 감소시켜 주는 역할도 수행할 수 있다.
한편, 전자 주개 물질의 HOMO에 존재하는 정공은 제2 전극(150)으로 이동하게 되며, 이때 전자 주개 물질의 HOMO 준위와 제2 전극(150)의 일함수 사이의 에너지 준위를 갖는 적절한 정공수송층(145)을 도입하는 경우 정공수송을 더욱 용이하게 할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<유기-무기 하이브리드 태양전지의 제조>
가.
그래핀
박막의 제조
SiO2 기판을 아세톤과 에탄올로 초음파 처리한 후, 탈이온수를 이용하여 세척하였다. 세척한 기판을 N2 가스로 건조시키고 SiO2 기판 위에 Ni 박막을 200 nm 이상의 두께로 열증착하였다. 다음, Ni이 증착된 SiO2 기판을 화학기상증착 (Chemical Vapor Deposition; CVD)을 위해 챔버 안에 넣고 진공 상태를 만든 후, 수소와 아르곤이 1:4 로 혼합된 가스를 채워 상압 상태로 만들었다. 상압을 유지한 상태로 800℃까지 온도를 높인 후, CH4 가스(50 sccm) 및 수소-아르곤 혼합 가스(200 sccm)를 30초 동안 흘려주고 -10℃/sec로 상온까지 냉각하였다. 이 과정을 통해 Ni 위에 그래핀이 성장하였다.
나.
ITO
전극 위에
그래핀을
배치
상기 그래핀이 성장된 SiO2 기판을 HF 용액에 넣어 SiO2를 식각한 다음, 다시 TFG 용액에 넣어 Ni을 식각하여 최종적으로 그래핀 박막만 추출하였다. 추출된 그래핀 박막은 탈이온수에 넣어 보관하였다. 다음, 유리 기판 상에 증착된 ITO 전극 위에 상기 그래핀 박막을 올렸다.
다.
ZnO
나노와이어의
제조
(1) ZnO의 전구체인 zinc nitrate hexahydrate(Zn(NO3)2·6H2O) 0.06 g과 염화칼륨 1.49 g을 탈이온수 0.2 L에 넣은 후, 70℃에서 스핀 바를 이용하여 연속적으로 교반하고 완전히 용해하였다.
(2) 전기화학적 용액 성장법(Electrochemical deposition; ECD)을 이용하여 나노와이어를 형성하기 위해, 두 전극의 전압을 -1.1 V로 하고 그래핀이 올려진 ITO 기판을 상기 과정 (1)에서 제조된 용액에 4시간 동안 담궈 ZnO 나노와이어들을 형성하였다.
(3) 다음, N2 가스와 핫플레이트(hot plate)를 이용하여 기판 위에 남겨진 용매를 증발시켰다.
라.
광활성층
,
정공수송층
및
Al
전극의 제조
(1) P3HT와 PCBM의 혼합 용액을 제조한 후, 그 용액을 ZnO 나노와이어들 위에 600~700 rpm으로 스핀 코팅하였다. 다음, 핫플레이트에서 30분 동안 열을 가해 용매를 증발시켜 광활성층을 형성하였다.
(2) PEDOT와 PSS의 혼합 용액을 제조한 후, 그 용액을 광활성층 위에 3000~5000 rpm으로 스핀 코팅하였다. 다음, 핫플레이트에서 30분 동안 열을 가해 용매를 증발시켜 정공수송층을 형성하였다.
(3) 정공수송층 위에 Al을 열증착기(thermal evaporator)를 이용하여 200~300 nm의 두께로 증착시켜 Al 전극을 형성하였다.
(4) 최종적으로 ITO 전극과 Al 전극에 외부 회로를 연결하여 유기-무기 하이브리드 태양전지를 제조하였다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기-무기 하이브리드 태양전지를 나타낸 사시도들이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기-무기 하이브리드 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3f는 도 2의 흐름도에 따라 제조되는 유기-무기 하이브리드 태양전지의 각 구성을 나타낸 종단면도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기-무기 하이브리드 태양전지의 개략적인 에너지 밴드 다이어그램이다.
Claims (13)
- 제1 전극;상기 제1 전극 상에 위치하는 전도성 탄소층;상기 탄소층 상에 위치하며 탄소층의 상부로 돌출된 n-형 무기 나노와이어들;상기 나노와이어들 사이의 공간을 채우며 상기 나노와이어들을 덮는 유기 광활성층; 및상기 유기 광활성층 상에 위치한 제2 전극을 포함하는 유기-무기 하이브리드 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 전도성 탄소층은 전기 전도성을 갖는 탄소 동소체를 포함하는 것인 유기-무기 하이브리드 태양전지.
- 제2항에 있어서,상기 탄소 동소체는 그래핀, 탄소나노튜브 또는 풀러렌 중 어느 하나인 유기-무기 하이브리드 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 n-형 무기 나노와이어들은 ZnO, CuO, BaCO3, Bi2O3, B2O3, CaCO3, CeO2, Cr2O3, Fe2O3, Ga2O3, In2O3, Li2CO3, LiCoO2, MgO, MnCO3, MnO2, Mn3O4, Nb2O5, PbO, Sb2O3, SnO2, SrCO3, Cs2CO3 , Ta2O5, TiO2, BaTiO3, V2O5, WO3 및 ZrO2 중에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어지는 것인 유기-무기 하이브리드 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 유기 광활성층은 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 벌크 이종접합 구조를 포함하는 것인 유기-무기 하이브리드 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극은 캐소드이며, 상기 제2 전극은 애노드인 유기-무기 하이브리드 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극은 ITO, IZO, ZnO, Al-도핑된 ZnO(AZO), Ga-도핑된 ZnO(GZO), Mg-도핑된 ZnO(MZO), Mo-도핑된 ZnO, Al-도핑된 MgO 및 Ga-도핑된 MgO 중 어느 하나로 이루어지는 것인 유기-무기 하이브리드 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제2 전극은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 및 이들의 합금 중 어느 하나로 이루어지는 금속전극, 또는 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 및 이들의 복합체 중 어느 하나로 이루어지는 유기물 전극인 유기-무기 하이브리드 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 유기 광활성층과 상기 제2 전극 사이에 개재되는 정공수송층을 더 포함하는 유기-무기 하이브리드 태양전지.
- 제1 전극이 형성된 기판을 준비하는 단계;상기 제1 전극 상에 전도성 탄소층을 형성하는 단계;상기 탄소층 상에 탄소층의 상부로 돌출된 방향을 갖는 n-형 무기 나노와이어들을 형성하는 단계;상기 나노와이어들 사이의 공간을 채우며 상기 나노와이어들을 덮는 유기 광활성층을 형성하는 단계; 및상기 유기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 탄소층은 그래핀층이며, 상기 그래핀층을 형성하는 단계는희생 금속층이 형성된 기판 상에 화학기상증착법을 이용하여 그래핀 박막을 형성하는 단계;상기 금속층 및 기판을 식각하여 그래핀 박막을 선택적으로 분리하는 단계; 및상기 분리된 그래핀 박막을 제1 전극이 형성된 기판 상에 배치하는 단계를 포함하는 것인 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 나노와이어들을 형성하는 단계는 전기화학적 용액 성장법을 통해 수행하는 것인 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 유기 광활성층을 형성하는 단계 및 상기 제2 전극을 형성하는 단계 사이에 정공수송층을 형성하는 단계를 더 포함하는 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법.
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Cited By (9)
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|---|---|---|---|---|
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| KR101480490B1 (ko) * | 2012-12-24 | 2015-01-13 | 주식회사 포스코 | 나노 구조를 갖는 유/무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법 |
| WO2015034136A1 (ko) * | 2013-09-05 | 2015-03-12 | 제일모직 주식회사 | 유기박막 태양전지 및 그 제조방법 |
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Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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