KR20130006954A - 무기반도체 감응형 광전소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 효율을 가지며 저가의 원료로 대량 생산이 가능하여 광전소자의 상업화가 용이한 신규한 구조의 광전소자에 관한 것이다. 상세하게는, 태양광을 입력받아 광전자와 광정공을 생성하는 무기 반도체 광 흡수체의 표면 및 금속 산화물 전자전달체 위에 부분 또는 완전한 코팅층을 형성하는 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 포함하여 구성되는 광전 소자이다. 본 발명에 따른 광전소자는 무기 반도체 광 흡수체에서 생성된 전하 운반자 (charge carrier)를 효과적으로 금속 산화물 전자 전달체에 전달해 줄 수 있어 고효율 광전소자를 제작 할 수 있는 특징이 있다.

Description

무기반도체 감응형 광전소자 및 그 제조방법{Inorganic Semiconductor-Sensitized Photovoltaic Devices and Fabrication Method Thereof}
본 발명은 고효율 무기 반도체 감응형 태양전지의 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 광 흡수체인 무기 반도체의 표면 및 전자전달체인 금속 산화물 표면에 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층이 부분 또는 완전한 코팅층을 형성하여 광 흡수체에서 생성된 전하 운반자 (charge carrier)가 금속 산화물 층으로 효과적으로 전달 될 수 있도록 도와주는 신규한 구조의 무기 반도체 감응형 광전소자 및 이의 제조에 관한 것이다.
태양에너지는 지구의 모든 에너지의 근원이 되는 에너지로 인류가 오랫동안 무공해로 생활에 이용해 왔다. 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 장치를 말하며, 감광물질이 빛을 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다. 초기 태양전지의 반도체로 실리콘이나 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 무기 화합물 반도체의 n-p 다이오드가 주로 사용되었다.
이러한 반도체 기반 태양광 시스템 구축 시 실리콘 소재 및 웨이퍼가 차지하는 비용이 전체 구축비용의 40%를 넘어서고 있는 실정이며, 그 제조 비용이 높아 태양전지의 활용에 걸림돌이 되어왔다.
이러한 문제점을 해결하고자 유기물을 이용한 유기 태양전지 혹은 염료를 이용한 염료 감응형 태양전지에 대하여 많은 관심이 집중되고 있다.
염료감응태양전지 구조는 빛과 전기가 통하는 투명전극필름 위에 다공성 광양극(photoanode)에 빛을 흡수하는 염료를 흡착한 후, 또 다른 전도성 유리 기판을 상부에 위치시키고 액체 전해질을 채운 간단한 구조로 되어 있다. 염료 감응 태양전지의 작동원리는 다공성 광양극 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양 빛을 흡수하면 염료분자가 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 다공성 광양극으로 사용된 반도체 산화물의 전도대로 주입되어 투명 전극으로 전달되어 전류를 발생 시키게 된다. 이와 동시에 산화된 염료 분자는 전해질의 산화-환원쌍에 의해 다시 환원되고 산화된 산화-환원쌍은 광음극(photocathode)으로 전달되어 다시 재생되는 형태로 태양전지가 작동하게 된다.
염료감응 태양전지에 사용되는 염료는 특별히 광흡수가 잘되어 태양전지 효율을 올릴 수 있는 다양한 물질이 화학적으로 합성하여 사용하고 있다. 최근에는 유기물로 구성된 염료가 가지는 효율과 안정성의 문제로 무기반도체 나노입자를 염료대신에 사용한 소위 무기반도체 나노입자 혹은 양자점 감응형 태양전지에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.
무기반도체 나노입자는 기존의 염료감응 태양전지에 사용되는 염료에 비하여 광흡수 계수 값이 높고, 나노 입자의 크기 제어를 통해 밴드갭 조절이 용이하며 쌍극자 분극 (dipole moment)이 높아 광에 의하여 생성된 엑시톤의 전자-홀 로의 분리가 상대적으로 용이한 특징이 있다. 이러한 무기반도체 나노입자로는 PbSe, PbS, PbTe, CdS, CdSe, CdTe, Sb2S3, Cu2S, HgTe 등의 칼코게나이드 (chalcogenide)계가 있다. 이러한 칼코게나이드계의 무기반도체 나노입자는 전자 전달체의 표면에 형성되어 외부 광에 의해서 전자-홀 쌍을 생성하게 된다. 무기반도체 나노입자에서 생성된 전자가 전자 전달체에 잘 전달되기 위해서는 무기반도체 나노입자의 전도대가 전자 전달체의 전도대 보다 높아야 되며 전위차가 높을수록 효과적으로 전자를 전달 시킬 수 있는 포텐셜(potential)이 증가하게 된다.
본 발명의 목적은 무기반도체 감응형 태양전지에 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 도입하여 효율을 향상 시킬 수 있는 신규한 구조의 광전소자에 관한 것이다.
보다 상세하게는 광 흡수체인 무기 반도체의 표면 및 전자전달체인 금속 산화물 표면에 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 부분 또는 완전한 코팅층이 형성되도록 하여 광 흡수체에서 생성된 전하 운반자 (charge carrier)가 금속 산화물 층으로 효과적으로 전달 될 수 있도록 도와주는 신규한 구조의 무기 반도체 감응형 광전소자에 관한 것이다.
본 발명의 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략하여 설명한다.
본 발명에 따른 무기반도체 감응형 광전소자는 금속 산화물을 포함하는 전자전달체, 태양광을 흡수하여 전자-홀을 생성하는 무기반도체 광 흡수체(sensitizer), 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극 층, 및 홀 전도체로 구성된 광전소자의 구조에 그 특징이 있다.
본 발명의 상기 광전소자의 제조방법은 이 기술분야의 통상의 방법이라면 어는 것이라도 적용가능하며, 예를 들면, 기판상에 전자전달체를 프린팅기법을 이용하여 코팅 및 건조하고, 상기 전자전달체 코팅된 기판상에, 광흡수층을 형성하기 위하여 전구체를 코팅하고 소성 및 건조하는 단계를 거치고, 이어서, 쌍극자분극층 및 홀전도체를 차례로 코팅하거나 함침하여 제조할 수 있다. 쌍극자 분극층은 전자전달체, 광흡수체, 홀전도체를 모두 형성하여 소자를 제조한 후, 쌍극자분극층을 형성하는 화합물 또는 용액에 함침하여 형성할 수도 있다. 즉, 쌍극자 분극층은 금속전극 코팅이 끝난 후 소자를 쌍극자 분극층 용액에 침적하여 광흡수체 또는 전자 전달체 표면의 일부 및 전체에 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 형성할 수 도 있다.
상세하게, 본 발명에 따른 전자전달체(electron transporting layer)는 통상 금속산화물을 사용하며, 예를들면 Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, 및 SrTi산화물 및 이들의 복합물 중에서 하나 이상 선택된 것이 사용 가능하다.
또한 본 발명에 따른 전자전달체의 두께는 0.5 내지 5 ㎛인 것이 좋은데, 0.5 ㎛ 미만의 두께에서는 충분한 양의 무기 반도체로 형성되는 광 흡수체를 부착할 수 없어 광전소자의 효율이 저하되는 단점이 있고 5 ㎛를 초과하는 두께에서는 광으로부터 발생된 광전자를 외부 회로까지 전달시키는 거리라 길어지게 되어 역시 광전소자의 효율이 저하되는 단점이 있다.
또한 상기 전자전달체의 입경은 5 내지 500 nm 인 것이 좋은데, 5 nm 미만의 입경에서는 공극이 너무 작아서 공극 속에 충분한 양의 광 흡수체가 부착될 수 없는 단점이 있고 500 nm 초과의 입경에서는 단위 면적당 전자전달체의 표면적이 줄어들어 광 흡수체를 많은 양 부착하기 어려워 광전소자의 효율이 감소하는 단점이 있다.
또한 상기 전자전달체는 입자간 계면 접촉을 향상 시키기 위하여, Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, 및 SrTi산화물 및 이들의 복합물 중에서 하나 또는 2 이상의 선택된 코팅 층을 가질 수 있다. 통상적으로 계면 접촉의 향상을 위해서는 상기 금속 산화물로 형성되는 전자전달체의 공극을 꽉 매우지 않는 범위 내에서 코팅 할 수 있다.
본 발명의 상기 광흡수체는 태양광을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성하는 무기 반도체 물질로서, 밴드갭 (bandgap)이 작고 광흡수 계수가 높아 태양광을 효율적으로 흡수하면서, 전자 전달체와 유기 정공 전달체의 사이에 위치하여 각 요소 성분 간 에너지 밴드 매칭이 우수하여, 광에 의하여 생성된 엑시톤의 효율적인 분리 및 전달이 가능한 무기 반도체인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양광을 흡수하여 전자-홀을 생성하는 광 흡수체(sensitizer)의 예로는 CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, Bi2S3, Bi2Se3, InP, InAs, InGaAs, ZnSe, ZnTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, InCuS2, In(CuGa)Se2, Sb2S3, Sb2Se3, Sb2Te3, SnSx(1≤x≤2), NiS, CoS, FeSx(1≤x≤2), In2S3, MoS, MoSe, Cu2S, HgTe, MgSe 및 이들의 합금에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질인 것이 바람직하며 전자전달체 위에 물리적 혹은 화학적으로 부착되어 나노입자, 불연속층 또는 연속층의 구조를 가진다.
상기 밴드갭은 광흡수체인 무기 반도체 물질이 가지는 전도대 띠(conduction band)와 가전자대 띠 (valence band)의 차이를 의미하며, 물질 고유의 특성에 의존한 밴드갭 또는 입자의 크기가 작은 경우 양자구속효과(Quantum-confinement effect)에 의해 나노입자 크기에 따라 물질 고유의 특성으로부터 변화된 밴드갭을 의미한다.
상기 광흡수체는 전자 전달체 표면에 물리적 혹은 화학적으로 부착되어 무기 반도체인 광흡수체에서 생성된 전자가 전자 전달체로 잘 주입 되도록 한다. 이때 무기 반도체의 입자는 각각의 입자가 각각 독립된 개별 입자의 분리된 형태로 전자 전달체 표면에 부착되는 것이 바람직하지만, 무기반도체 입자가 일부 응집되는 경우에도 전자 전달체에 부착되어 있으면 큰 문제가 없다. 더욱 바람직하게는 광흡수체인 무기반도체가 입자가 매우 조밀하게 전자 전달체에 부착되어 홀전도체가 전자 전달체와 직접 접촉하는 것을 줄이는 것이다.
본 발명의 구성에서 디티올계 집게모양 쌍극자 분극층은 광 흡수체 및 전자 전달체 표면의 일부 및 전부를 덮을 수 있다. 상기 쌍극자 분극층은 광 흡수체에서 생성된 전하 운반자(charge carrier)가 전자 전달체에 효과적으로 주입될 수 있도록 해 주어, 외부 양자 효율 (external quantum efficiency)를 향상 시킬 수 있다.
본 발명에서 집게모양 쌍극자 분극층은 하기와 같은 화학구조식 1 내지 4를 가지는 물질이 바람직하다.
Figure pat00001
화학식 1.
[상기 화학식에서,
X 는 -SH이며 R1 내지 R2 는 서로 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1~C12 알킬기 및 치환 또는 비치환된 C3~C20 아릴에서 선택된다.
Figure pat00002
화학식 2.
X 는 -SH이며 R3 내지 R6 는 서로 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1~C12 알킬기 및 치환 또는 비치환된 C3~C20 아릴에서 선택된다.]
Figure pat00003
화학식 3.
X 는 -SH 이며 R7 내지 R10 는 서로 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1~C12 알킬기 및 치환 또는 비치환된 C3~C20 아릴에서 선택된다.]
본 발명에 따른 집게모양의 쌍극자 분극층은 상기 화학구조식을 만족하는 물질이면 모두 가능하며, 일예로, 1,2-에탄디티올(1,2-ethadithiol), 1,2-벤젠디티올, 1,3-벤젠디티올, 1,2-디티오-4-메틸벤젠 등을 예로들 수 있지만, 상기 화학식 1 내지 3의 쌍극자 분극을 가지는 집게모양의 화합물이라면 단분자 및 고분자에 관계없이 특별히 제한되지 않는다.
또한 본 발명의 디티올계 집게모양 쌍극자 분극층은 집게 모양으로 무기반도체 나노입자의 표면 및 전자전달체의 표면에 물리적 또는 화학적으로 결합하여 형성될 수 있다.
본 발명의 홀 전도체는 무기반도체 나노입자에서 생성된 홀을 전달해 줄 수 있는 물질은 모두 가능하며, 무기반도체 나노입자의 가전도대 (valence band) 보다 높은 HOMO (Highest occupied molecular orbital)를 가지는 홀 전도체인 것이 바람직하다.
상기 조건을 만족하는 물질이라면 크게 제한되지 않지만, 고체형 홀전도체로 예를 들면, P3HT (poly[3-hexylthiophene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3',7'- dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH-PPV (poly[2-methoxy -5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), PPV (poly(p-phenylene vinylene)),TFB (poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenyl amine),POT( poly(octyl thiophene)), PEDOT (Poly(3,4-ethylenedioxy thiophene)), Polyaniline, Spiro-MeOTAD ([2,22′,7,77′-tetrkis (N,N-di-p-methoxyphenyl amine)-9,9,9′-spirobi fluorine]), CuSCN, CuI, PTAA (poly(triarylamine)), PCPDTBT(Poly[2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl]]), PCDTBT(Poly[[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl]-2,5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]), 및 이들의 복합물에서 선택되는 하나 이상의 물질이 바람직 하다.
또한 액체형 홀 전도체로는 요오드계(I-/I3 -), 브롬계(Br-/Br3 -), 폴리설파이드계 (Poly sulfide), 코발트계(Co(II)/Co(III)), 및 페로센계(ferrocene/ ferrocenium)에서 선택되는 1종 이상이다.
본 발명은 태양광을 입력받아 전자-홀 쌍을 생성하는 무기 반도체(양자점 나노입자, 불연속층, 연속층 포함)로 형성되는 광 흡수체의 표면 및 금속 산화물로 형성된 전자 전달체에 부분 또는 전체로 코팅층을 형성하는 집게모양의 쌍극자 분극층을 포함하여 구성되는 광전 소자를 제공하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따른 광전소자는 상기와 같이 집게모양의 쌍극자 분극층을 가짐으로써 무기 반도체로 형성되는 광 흡수체에서 생성된 전하운반자(charge carrier)가 금속 산화물의 전자 전달체에 효과적으로 주입 되도록 도와 주어, 외부 양자 효율을 개선할 수 있어 고효율 광전소자를 제조 할 수 있는 특징이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광전소자의 단면 구조를 도시한 일 예이며,
10: 전자 전달체, 11: 무기반도체 나노입자
12: 집게모양 쌍극자 분극층, 13: 홀 전도체
도 2는 본 발명에 따른 다층의 무기반도체 나노입자층을 가지는 광전소자의 단면 구조를 도시한 일 예이며,
20: 전자 전달체, 21: 무기반도체 나노입자
22: 집게모양 쌍극자 분극층, 23: 홀 전도체
도 3는 상기 실시예 1에 따른 광전소자의 외부양자효율 그래프를 도시한 일예이며,
도 4는 상기 실시예 2에 따른 PbS 양자점의 투과 전자 현미경 사진을 도시한 일 예이며,
도 5는 상기 실시예 2에 따른 광전소자의 외부양자효율 그래프를 도시한 일 예이며,
도 6은 상기 실시예 3에 따른 광전소자의 외부양자효율 그래프를 도시한 일 예이며,
도 7은 상기 실시예 4에 따른 광전소자의 외부양자효율 그래프를 도시한 일 예이며,
도 8은 상기 실시예 5에 따른 광전소자의 외부양자효율 그래프를 도시한 일 예이며,
도 9는 상기 실시예 6에 따른 광전소자의 외부양자효율 그래프를 도시한 일 예이며,
도 10은 상기 실시예 7에 따른 근적외선 감지소자의 특성을 평가한 일 예로서, a)근적외선 영역에서의 외부양자 효율, b)1kH의 외부 광을 조사하였을 때, 나타나는 광전류의 응답 특성, c)입사광의 주파수에 따른 감지소자의 광전류 응답 감쇄 특성, 및 (d)입사광의 세기에 따른 감지소자의 광전류 세기를 도시한 일 예이며,
도 11은 상기 비교예 1에 따른 광전소자의 외부양자효율 그래프를 도시한 일 예이며,
도 12는 상기 비교예 2에 따른 광전소자의 외부양자효율 그래프를 도시한 일 예이며,
도 13은 상기 비교예 3에 따른 광전소자의 외부양자효율 그래프를 도시한 일 예이며,
도 14는 상기 비교예 4에 따른 광전소자의 외부양자효율 그래프를 도시한 일 예이며,
도 15는 상기 비교예 5에 따른 광전소자의 외부양자효율 그래프를 도시한 일 예이다.
본 발명은 이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 태양전지 및 그 제조방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1 내지 도 15를 기반으로 상술한 본 발명의 핵심 사상에 따른 일 제조 예에 의거하여 더욱 구체화하여 상술한다.
도 1은 본 발명에 따른 광전소자의 단면 구조를 도시한 일 예로서, 전자전달체(10), 무기반도체 나노입자(11), 쌍극자분극층(12) 및 홀전도체(13)로 이루어진 광전소자를 나타내고 있다. 또한 도 2는 본 발명에 따른 다층의 무기반도체 나노입자층을 가지는 광전소자의 단면 구조를 도시한 일 예이며, 전자전달체(20), 무기반도체 나노입자(21), 쌍극자분극층(22) 및 홀전도체(23)를 가지는 구조를 도시하고 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 광전자소자의 제조방법에 대하여 설명하며, 본 제조예 및 실시예는 그것에 한정하는 것이 아니며, 통상의 지식을 가진 자라면 그로부터 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
(제조예 1) 금속 산화물 전자전달체 페이스트 제조
평균 입자크기 60 nm의 TiO2 분말(TiO2 기준으로 1 중량%가 용해된 titanium perocomplex 수용액을 250℃에서 12시간 수열처리하여 제조)에 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)가 10 중량 %로 에틸알콜에 용해된 에틸 셀룰로오스 용액을 TiO2 1g당 5 ml 첨가하고, 테르피놀(terpinol)을 TiO2 1 g당 5 g 첨가하여 혼합한 후, 에틸 알콜을 감압 증류법으로 제거하여 TiO2 분말 페이스트를 제조하였다.
(제조예 2) 폴리 설파이드계 전해질 제조
0.5 몰의 소디움설파이드(sodium sulfide)와 0.2 몰의 포타슘 클로라이드(pottasium chloride)를 메탄올/물 (7:3 부피비) 용액에 용해하여 준비 하였다.
(실시예 1) 광전 소자 제작
1) 에칭 공정
불소 함유 산화주석이 코팅된 유리 기판(FTO; F-doped SnO2, 8 ohms/sq, Pilkington, 이하 FTO 기판)을 25 x 25 mm 크기로 절단한 후, 끝 부분을 에칭하여 부분적으로 FTO를 제거 하였다.
2) 재결합 방지막 증착 공정
절단 및 부분 에칭된 FTO 기판 위에 재결합 방지막으로서 약 50 nm 두께의 치밀한 구조의 TiO2 박막을 분무 열분해법으로 제조하였다. 상기 분무 열분해는 TAA(Titanium acetylacetonate):EtOH(1:9v/v%) 용액을 이용하여 수행되었으며, 450 ℃로 유지된 열판위에 올려진 FTO 기판위에 3초간 분무하고 10초간 정지하는 방법을 되풀이하는 방법으로 두께를 조절하였다.
3) 금속 산화물 전자전달체 프린팅 공정
기판의 TiO2 박막 위에, 제조된 TiO2 분말 페이스트를 이용하여 스크린 프린팅법으로 코팅하고 500 ℃에서 30 분 동안 열처리한 후, 20 mM TiCl4 수용액에 열처리된 기판을 담근 후 약 12 시간 동안 방치한 후, 탈이온수와 에탄올로 세척 및 건조하고 다시 500 ℃에서 30분 동안 열처리하여, 비표면적이 50 m2/g이며, 두께가 1um인 다공성 전자전달체를 제조하였다.
4) 무기 반도체 광흡수체 제조
상기에서 제조한 다공성을 가지는 전자전달체가 형성된 기판에 5mM Pb(NO3)2의 용액을 스핀코팅하여 코팅한 후, 5mM Na2S의 용액을 스핀코팅하여 PbS를 형성하였다. 생성되는 PbS의 양을 조절하기 위해 상기 납전구체와 황전구체를 순차적으로 20회 반복 스핀코팅하여 PbS 나노입자를 단층으로 전자 전달층에 형성하였다.
5) 쌍극자 분극층 형성 공정
광흡수체가 형성된 다공성 전자전달체 기판을 에탄올에 희석한 10 중량%의 1,2-에탄디티올 용액에 15시간 침적하여 광흡수체 또는 전자전달체 표면에 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 형성하고 상온에서 건조하였다.
6) 홀전도체 코팅 공정
상기의 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층이 형성된 기판에 P3HT(15mg/1mL 디클로벤젠) 홀전도체 용액을 스핀코팅하여 홀전도체층을 형성하였다.
7) 금속전극 코팅 공정
상기의 홀전도체가 코팅된 기판위에 금속전극으로 Au 증착하여 광전소자를 완성하였다.
제조된 태양전지의 전류-전압 특성을 측정하기 위해, 인공태양장치(ORIEL class A solar simulator, Newport, model 91195A)와 소스-미터(source-meter, Kethley, model 2420)를 사용하였으며, EQE(external quantum efficiency)는 300W 제논 램프(Xenon lamp, Newport), 분광기(monochromator, Newport cornerstone 260)) 및 멀티-미터(multi-meter, Kethley model 2002)를 사용하여 측정하였다.
상기 실시예에 따른 광전소자의 외부양자효율은 도 3에 나타내었으며 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층 도입을 통해, 분극층 도입 전에 외부양자효율이 근적외선 영역에서 1% 미만인 상황에서, 1600 nm의 근적외선 영역까지 광을 전자로 변환하면서 그 변환 효율이 800 nm에서는 10%이상 매우 효과적으로 전환하여 광전자 증가에 기여하고 있음을 보여준다.
(실시예 2)
상기 실시예 1에서 5mM Pb(NO3)2과 Na2S의 용액을 교대로 스핀코팅하여 PbS 나노입자를 다공성 금속산화물 전자 전달체위에 생성하는 대신에, 미리 제조한 4.5nm 크기의 헥산에 분산된 0.7 wt%의 PbS 양자점을 사용하여 스핀코팅하고, 다시 에탄올에 희석한 1 중량%의 1,2-에탄디티올 용액을 스핀 코팅하는 과정을 5번 반복하여 다층의 PbS 양자점을 전자 전달체위에 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 소자를 제작하고 성능을 실시예 1과 같이 측정하였다.
사용한 PbS 양자점의 투과 전자 현미경 사진인 도 4와 같이 4.5nm의 잘 정의된 균일한 크기의 PbS가 형성되었음을 알 수 있다. 상기 실시예 2에 따른 광전소자의 외부양자효율은 도 5에 나타내었으며 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층 도입을 통해 외부양자효율이 매우 우수함을 보여준다. 즉, 분극층 도입 전에 외부양자효율이 근적외선 영역에서 1% 미만인 상황에서 분극층 도입에 의해 외부양자효율이 800 nm 기준으로 약 50%이상으로 증가하며, 1100 nm 이상의 근적외선 영역까지 광을 전자로 매우 효과적으로 변환하고 있음을 보여준다.
(실시예 3)
상기 실시예 2에서 PbS 양자점 대신에 헥산에 분산된 평균입경이 5 nm 크기의 HgTe 양자점을 사용하여 전자 전달체 위에 광흡수층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 소자를 제작하고 성능을 실시예 1과 같이 측정하였다.
상기 실시예 3에 따른 광전소자의 외부양자효율은 도 6에 나타내었으며 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층 도입을 통해 외부양자효율이 매우 우수함을 보여준다. 도 6에서 보듯이 분극층 도입 전에 외부양자효율이 근적외선 영역에서 1% 미만인 상황에서 분극층 도입에 의해외부양자효율이 1100 nm 기준 약 20% 정도로 증가하며, 1100 nm 이상의 근적외선 영역까지 광을 전자로 효과적으로 변환하고 있음을 보여준다.
(실시예 4)
상기 실시예 1에서 CdSe 나노 입자를 전자 전달체위에 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 소자를 제작하고 성능을 실시예 1과 같이 측정하였다.
즉, 공성 전자전달체가 형성된 기판을 0.03 몰 카드뮴나이트레이트 (Cadmium nitrate) 에탄올 용액에 침적 한 후 건조 하고 0.03 몰 셀레늄옥사이드와 0.06 몰 NaBH4가 혼합된 에탄올 용액에 침적 한 후 건조하는 과정을 10번 반복하여 CdSe 광흡수체 나노 입자층을 제조 하였다.
상기 실시예 4에 따른 광전소자의 외부양자효율은 도 7에 나타내었으며 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층 도입을 통해 외부양자효율이 매우 우수함을 보여준다.
(실시예 5)
상기 실시예 4에서 고체형 P3HT 홀전도체를 상기 제조예 2에서 제조한 액체형 폴리설파이드로 변경하고 Au 전극 대신 60 마이크론의 간격 (열접착 필름, Surlyn, 듀퐁사)을 가지는 Pt 전극을 사용하여 밀봉한 것을 제외하고, 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 광전 소자를 제작하고 성능을 실시예 1과 같이 측정하였다.
상기 실시예 5에 따른 광전소자의 외부양자효율은 도 8에 나타내었으며 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층 도입을 통해 외부양자효율이 매우 우수함을 보여준다.
(실시예 6)
상기 실시예 1에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층으로 1,2-에탄디티올 대신 1,2-벤젠디티올을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 소자를 제작하고 성능을 실시예 1과 같이 측정하였다.
상기 실시예 6에 따른 광전소자의 외부양자효율은 도 9에 나타내었으며 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층 도입을 통해 외부양자효율이 매우 우수함을 보여준다.
(실시예 7)
상기 실시예 1에서 제작된 광전소자를 근적외선 감지용 포토디텍터로 사용하기 위해 포토디텍터의 성능을 평가하였다.
근적외선 영역에서의 외부양자효율, 외부광의 주파수에 따른 광전류 응답 특성, 외부광의 주파수에 따른 광전류의 감쇄 특성, 및 외부광의 세기에 따른 광전류의 세기는 도 10에 나타내었다. 도 10(a)는 근적외선영역에서의 외부양자효율을 나타내고 있으며, 도10(b)는 1kHz로 모듈레이트 (modulation)되는 980 nm 레이저(power=500 μW)하에 측정한 광전류 응답성을 나타내고, 도 10(c)는 입력되는 광신호에 대응하여 응답하는 광전류의 신호가 실시간으로 잘 대응할 수 있는 영역이 10 kHz까지 가능하다는 것을 보이고 있으며, 도 10(d)는 입력광에 대응하여 발생되는 광전류가 세기에 따라 직선적으로 대응하고 있는 것을 나타내고 있다. 상기 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층 도입을 통해 근적외선 영역 (700 nm 내지 1400 nm)에서 매우 우수한 외부양자효율을 보여주며 외부의 인가 전압이 없는 상태에서 10 KHz의 근적외선 신호를 검출할 수 있는 장점이 있으며, 외부 광원이 약할 때도 근적외영역의 신호를 잘 검출할 수 있는 장점이 있다.
(비교예 1)
상기 실시예 1에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 형성하지 않는 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 소자를 제작하고 성능을 평가하였다.
상기 비교예 1에 따른 광전소자의 외부양자효율은 도 11에 나타내었으며 외부양자효율에 대한 대비데이터는 표 1에 기재한 바와 같이, 전 영역에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 가지는 실시예 1의 소자 보다 외부양자효율이 매우 저하됨을 알 수 있다.
(비교예 2)
상기 실시예 2에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 형성하지 않는 것을 제외하고, 실시예 2와 동일한 방법으로 광전 소자를 제작하고 성능을 평가하였다.
상기 비교예 2에 따른 광전소자의 외부양자효율은 도 12에 나타내었으며 외부양자효율에 대한 대비데이터는 표 1에 기재한 바와 같이, 전 영역에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 가지는 실시예2의 소자 보다 외부양자효율이 매우 저하됨을 알 수 있다.
(비교예 3)
상기 실시예 3에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 형성하지 않는 것을 제외하고, 실시예 3과 동일한 방법으로 광전 소자를 제작하고 성능을 평가하였다.
상기 비교예 3에 따른 광전소자의 외부양자효율은 도 13에 나타내었으며 외부양자효율에 대한 대비데이터는 표 1에 기재한 바와 같이, 전 영역에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 가지는 실시예3의 소자 보다 외부양자효율이 매우 저하됨을 알 수 있다.
(비교예 4)
상기 실시예 4에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 형성하지 않는 것을 제외하고, 실시예 4와 동일한 방법으로 광전 소자를 제작하고 성능을 평가하였다.
상기 비교예 4에 따른 광전소자의 외부양자효율은 도 14에 나타내었으며 외부양자효율에 대한 대비데이터는 표 1에 기재한 바와 같이, 전 영역에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 가지는 실시예 4의 소자 보다 외부양자효율이 매우 저하됨을 알 수 있다.
(비교예 5)
상기 실시예 5에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 형성하지 않는 것을 제외하고, 실시예 5와 동일한 방법으로 광전 소자를 제작하고 성능을 평가하였다.
상기 비교예 5에 따른 광전소자의 외부양자효율은 도 15에 나타내었으며 외부양자효율에 대한 대비데이터는 표 1에 기재한 바와 같이, 전 영역에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 가지는 실시예5의 소자 보다 외부양자효율이 매우 저하됨을 알 수 있다.
(비교예 6)
상기 실시예 6에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층이 아닌 쌍극자 분극층인 메톡시벤젠티올 (methoxy bezenethiol) 코팅층을 형성한 것을 제외하고, 상기 실시예 6와 동일한 방법으로 광전 소자를 제작하고 성능을 평가하였다. 기준 파장으로 500 nm에서의 외부양자효율이 약 5%로서, 실시예 6의 쌍극자 분극층을 처리한 외부양자효율 약 55% 보다 그 값이 현저히 낮아 져서 성능이 현저히 저하됨을 알 수 있다.
(비교예 7)
상기 실시예 4에서 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층이 아닌 쌍극자 분극층인 메톡시벤젠티올 (methoxy bezenethiol)을 형성한 것을 제외하고, 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 광전 소자를 제작하고 성능을 평가하였다. 기준 파장으로 500 nm에서의 외부양자효율이 약 20%로서, 에탄디티올 쌍극자 분극층을 처리한 외부양자효율 약 40% 보다 그 값이 반으로 낮고, 오히려 쌍극자 분자층을 처리하지 않은 경우의 외부양자효율 (약 28%) 보다도 외부 양자효율이 낮다.
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 비교예 7에 따른 광전 소자의 외부양자효율의 증가는 표 1로 나타내어 요약하였으며, 무기 반도체 광 흡수체와 홀전도체 사이에 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 도입함으로써 무기 반도체 광흡수체에서 생성된 전하수송체가 효율적으로 전달되어 외부양자효율이 매우 향상됨을 알 수 있었다.
표 1. 광전 소자의 외부양자효율
Figure pat00004
상기 실시예 1 내지 6의 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 가지는 광전소자는 상기 비교예 1 내지 7의 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층을 가지지 않는 광전소자 보다 매우 우수한 외부양자효율을 가짐을 알 수 있다. 상기 디티올계 집게 모양의 쌍극자 분극층이 무기반도체 광흡수체에서 생성된 전하 운반자가 효과적으로 전자전달층에 주입될 수 있도록 해 줌을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 금속산화물층, 광흡수체층, 집게 모양의 쌍극자 분극층을 포함하는 광전소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 쌍극자 분극층은 금속산화물층, 광흡수체층 또는 금속산화물층 및 광흡수체층의 부분 또는 전부 도포하는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 쌍극자 분극층은 하기 화학식 1 내지 3에서 선택되는 어느 하나이상의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전소자.

    Figure pat00005
    [화학식 1]
    Figure pat00006
    [화학식 2]
    Figure pat00007
    [화학식 3]

    [상기 화학식에서,
    X 는 -SH 이고; R1 내지 R2 및 Ra 는 서로 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1~C12 알킬기 및 치환 또는 비치환된 C3~C20 아릴에서 선택된다.]
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속산화물층은 Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, SrTi산화물 및 이들의 복합물 중에서 하나 또는 둘 이상 선택되어 형성되는 광전소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광흡수체층은 CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, Bi2S3, Bi2Se3, InP, InAs, InGaAs, ZnSe, ZnTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, InCuS2, In(CuGa)Se2, Sb2S3, Sb2Se3, Sb2Te3, SnSx(1≤x≤2), NiS, CoS, FeSx(1≤x≤2), In2S3, MoS, MoSe, Cu2S, HgTe, MgSe 및 이들의 합금에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질에 의해 형성되는 광전소자.
  6. 제 1항 내지 제 5항에서 선택되는 어느 하나의 광전소자를 이용하는 근적외선 감지용 포토디텍터.
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