KR20130085093A - 태양 전지 구조체를 제공하는 방법 및 이러한 방법에 의해 얻어진 태양 전지 - Google Patents
태양 전지 구조체를 제공하는 방법 및 이러한 방법에 의해 얻어진 태양 전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 유기 태양 전지 구조체를 제공하는 방법 및 이러한 방법에 의해 얻어진 유기 태양 전지 구조체에 관한 것이다.
본 발명에서는 유기 태양 전지의 효율을 높이기 위해 본 발명에서는 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 이용하고, 이러한 양극 산화 알루미늄 구조체 층에 귀금속, 바람직하게는 금 나노 입자를 분포시킴으로써 태양 전지의 흡수도 및 반사도를 증가시켜 효율을 증가시킨다.
본 발명에서는 유기 태양 전지의 효율을 높이기 위해 본 발명에서는 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 이용하고, 이러한 양극 산화 알루미늄 구조체 층에 귀금속, 바람직하게는 금 나노 입자를 분포시킴으로써 태양 전지의 흡수도 및 반사도를 증가시켜 효율을 증가시킨다.
Description
본 발명은 태양 전지 구조체를 제공하는 방법 및 이러한 방법에 의해 얻어진 태양 전지 구조체에 관한 것이다.
본 발명에서는 태양 전지의 효율을 높이기 위해 본 발명에서는 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 이용하고, 이러한 양극 산화 알루미늄 구조체 층에 귀금속, 바람직하게는 금 나노 입자를 분포시킴으로써 태양 전지의 흡수도 및 반사도를 증가시켜 효율을 증가시킨다.
최근 치솟는 유가 상승과 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양전지에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 한편, 태양전지란 광기전력효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로서, 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분된다. 현재 태양전지의 주된 부분을 차지하고 있는 무기물 실리콘 태양전지는 고가의 재료와 복잡한 제작공정으로 인하여 제조단가가 여전히 높다. 이러한 관점에서 최근 많은 연구와 진전이 이루어지고 있는 태양전지는 저가형 태양전지의 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 태양전지는 유기 재료의 손쉬운 가공성과 다양성, 낮은 단가로 인해 기존 태양전지와 비교하여 소자 제작과정이 간단하고 값싼 제조단가의 실현이 가능하다. 현재 태양전지는 5% 대의 광전변환효율을 달성하고 있으며 계속해서 성능향상이 이루어지고 있다.
태양전지는 빛을 받으면, 유기 반도체 물질들로 이루어진 광활성층에서 생성된 전자와 정공 쌍이 상하부 두 전극의 일함수 차이로 인한 전기장 형성으로 인해 분리되어 이동함에 따라 빛 에너지에서 전기 에너지로 전환하게 된다.
이때 광활성층과 상부 및 하부 전극의 일함수 차이가 커서 생성된 전자와 정공이 원활이 이송되지 못한다는 단점을 갖고 있다. 이러한 일함수 차이를 감소시키기 위한 대안으로, 광활성층과 전극 두 물질의 일함수 차이의 사이 일함수 값을 가지며 n형/p형 특성을 갖는 반도체 물질을 이용하여 전자와 정공을 원활히 수송시켜 흐름 손실을 줄이는 역할을 하는 완충층에 대한 연구의 필요성이 부각되고 있으며, 많은 연구들이 이루어지고 있다.
또한, 태양전지의 핵심 층인 광활성층을 구성하는 반도체 특성을 가지는 폴리머들은 일조되는 빛을 충분히 흡수하지 못하고 투과하는 큰 단점이 있기 때문에, 더 많은 빛의 흡수를 유도하기 위해서는 낮은 일함수를 가지는 폴리머 물질 개발과 투과한 빛 수집에 관련된 연구들이 필수적이고, 이 또한 많은 연구들이 이루어지고 있다.
본 발명은 이러한 현재의 태양 전지의 낮은 효율을 개선하기 위한 방법을 제시한다.
본 발명에서는 태양 전지의 효율을 높이기 위해 본 발명에서는 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 이용하고, 이러한 양극 산화 알루미늄 구조체 층에 귀금속, 바람직하게는 금 나노 입자를 분포시킴으로써 태양 전지의 흡수도 및 반사도를 증가시켜 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
본 발명의 태양 전지에서는 양극 산화 알루미늄 구조체 층에 귀금속 나노 입자를 추가시킴으로써 귀금속 입자와 양극 산화 알루미늄 사이의 플라즈몬 공명 현상을 통해 그리고 귀금속 입자들 사이에서 발생되는 산란 현상에 의해 광활성층의 흡수도 및 반사도를 증가시켜 태양 전지의 에너지 효율을 증가시킨다.
표면 플라즈몬(surface plasmons, SPs)은 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polaritons, SPPs) 또는 플라즈몬 표면 폴라리톤(plasmon surface polaritons, PSPs)이라고도 불린다. 표면 플라즈몬은 일반적으로 음의 유전 함수(dielectric function, ε'<0)를 갖는 금속과 양(ε'>0)의 그것을 갖는 매체의 계면을 따라 전파하는 전도대(conduction band) 전자들의 집단적인 진동(collective oscillation) 현상을 말하며, 빛(보다 구체적으로 전자기파)과의 상호작용의 결과 여기(excitation)되어 입사하는 빛보다 증강된 크기를 갖고 계면에서 수직 방향으로 멀어질수록 지수적으로 감소하는 소멸파(evanescent wave)의 성질과 형태를 갖게 된다. 즉, 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance, SPR) 현상은 빛(photon)과 나노 크기의 귀금속(noble metal) 간의 상호작용의 결과로써 야기되고 관찰되는 독특한 현상이라고 정의할 수 있다.
본 명세서에서 AAO(Anodic Aluminum Oxide)는 양극 산화 알루미늄 구조체를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일면에 전극이 부착되어 있으며, 상기 전극 위에 전자 수송층이 부착되어 있는 기판을 제공하는 단계; 상기 전자 수송층 상에 금 나노 입자가 분포되어 있는 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 증착시키는 단계로서, 상기 귀금속 나노 입자가 분포되어 있는 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층은, a) 고순도의 알루미늄 호일을 전해 연마하여 알루미늄 박막을 얻는 단계; b) 상기 알루미늄 박막을 수용액에서 전압을 인가하여 1차 양극 산화 처리하는 단계; c) 양극 산화 처리 결과 생성된 산화물층을 에칭 제거하여 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 알루미늄 박막이 형성되는 단계; d) 상기 벌집 형상의 알루미늄 박막을 수용액에서 전압을 인가하여 2차 양극 산화 처리하는 단계; e) 귀금속을 상기 양극 산화 알루미늄 구조체 층에 증착시키는 단계; 및 f) 열처리를 통해 귀금속 나노 입자가 상기 양극 산화 알루미늄 구조체에 분포되는 단계를 통해 얻어지는, 귀금속 나노 입자가 분포되어 있는 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 상기 전자 수송층 상에 증착시키는 단계; 및 상기 벌집 형상의 다수의 구멍의 각각의 내부 둘레를 따라 전자 수송층을 증착시키고, 이후 다수의 구멍의 각각의 나머지 공간에 광활성층을 증착시키는 단계를 포함하는, 태양 전지 구조체를 제공하는 방법이 개시된다.
이 경우에, 상기 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 얻는 단계는, d) 단계 이후, 상기 다수의 구멍을 넓히기 위해 인산 용액에 기판을 담그는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
b) 단계는, 0.3M의 옥살산 수용액에서 40V의 전압을 인가하여 15℃에서 12시간 동안 처리하는 단계이고, d) 단계는, 0.3M의 옥살산 수용액에서 40V의 전압을 인가하여 15℃에서 3분 동안 처리하는 단계이며, c) 단계는, 인산과 크롬산을 용해시킨 수용액에서 60℃에서 6시간 동안 처리하는 단계이다.
한편, 상기 귀금속을 상기 양극 산화 알루미늄층에 증착시키고 분포시키는 단계는, 상기 양극 산화 알루미늄 구조체 층의 표면에 열 증착기(thermal evaporator)를 이용해 금을 필름 코팅하고, 이후 CVD에 의해 600℃에서 3시간 동안 열처리함에 의해 수행된다.
본 발명의 일 실시예는, 태양 전지를 개시하고, 이러한 태양 전지는 일면에 전극이 부착되어 있으며, 상기 전극 위에 전자 수송층이 부착되어 있는 기판; 상기 전자 수송층 상에 증착된 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층; 및 상부 전극을 포함하고, 상기 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층에는 귀금속 나노 입자가 분포되어 있으며, 상기 벌집 형상의 다수의 구멍의 각각의 내부 둘레를 따라 전자 수송층이 형성되어 있고, 상기 벌집 형상의 다수의 구멍의 각각에서 전자 수송층이 채워진 나머지 공간에는 광활성층이 채워져 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 구조체를 제공하는 방법에 관한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 형성하는 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 구조체를 제공하는 방법의 모식도이다.
도 4a-c는 양극 산화 알루미늄 구조체, 그 위에 금이 증착된 모습, 그리고 열처리한 모습의 SEM 이미지를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 만들어진 태양 전지 구조체의 전체적인 모식도 및 구조의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체를 얻는 방법의 순서 및 그 모습의 이미지를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 얻어진 태양 전지의 반사도 및 흡수도를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 얻어진 태양 전지의 전류 밀도를 비교하여 나타내는 그래프이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 형성하는 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 구조체를 제공하는 방법의 모식도이다.
도 4a-c는 양극 산화 알루미늄 구조체, 그 위에 금이 증착된 모습, 그리고 열처리한 모습의 SEM 이미지를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 만들어진 태양 전지 구조체의 전체적인 모식도 및 구조의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체를 얻는 방법의 순서 및 그 모습의 이미지를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 얻어진 태양 전지의 반사도 및 흡수도를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 얻어진 태양 전지의 전류 밀도를 비교하여 나타내는 그래프이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
* 태양 전지 구조체를 제공하는 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 구조체를 제공하는 방법에 관한 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 태양 전지 구조체를 제공하는 방법은, 전자 수송층/전극/기판의 구조체를 제공하는 단계(S10); 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 형성하는 단계(S12); 귀금속을 양극 산화 알루미늄 구조체 층에 증착시키는 단계(S14); 열처리를 통해 귀금속 나노입자를 양극 산화 알루미늄 구조체에 분포시키는 단계(S16); 전자 수송층 상에 상기 양극 산화 알루미늄 구조체를 증착시키는 단계(S17) 및 전자 수송층 및 광활성층을 증착시키는 단계(S18)를 포함한다.
전자 수송층/전극/기판의 구조체는 기판 상에 전극이 부착되고, 그 전극 위에 전자 수송층이 부착되어 있는 구조이다. 전자 수송층으로는 ZnO가 주로 이용된다. 도 3에서 첫 번째 단계에서 볼 수 있는 것처럼, 산화아연/전극/기판의 구조체를 확인할 수 있다.
이후 단계(S12)에서는 이러한 구조체의 전자 수송층 상에 이후에 단계(S17)에서 증착될 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 형성한다. 이러한 구조체는 도 3에서 보는 것처럼 도 3의 두 번째 단계의 그림과 같은 구조체를 전자 수송층 위에 증착시킨다(단계 S17). 이러한 구조체는 도 4a에서 보는 것과 같이 다수의 구멍을 가진 벌집 형상을 갖는다. 이와 같은 금 나노 입자가 분포되어 있는 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체는 이하에서 후술하는 바와 같이 형성될 수 있다.
이후 단계(S14)에서는 귀금속을 양극 산화 알루미늄 구조체 층에 증착시키고, 이후 열처리를 통해 귀금속 나노 입자를 양극 산화 알루미늄 구조체에 분포시킨다(단계 S16). 도 4b는 양극 산화 알루미늄 구조체 층에 금을 증착시킨 상태의 도면이고, 도 4c는 열처리 이후 귀금속 나노 입자가 이러한 구조체에 분산되어 분포된 상태의 모습이다.
귀금속 나노 입자를 양극 산화 알루미늄 구조체에 분포시키는 것은, 제작된 양극 산화 알루미늄의 표면에 열 증착기(thermal evaporator)를 이용하여 금을 20 nm 필름 코팅하고, CVD 장비를 이용하여 600 ℃에서 3 시간 동안 열처리함에 의해 얻어진다.
이후 단계(S17)에서 위의 단계에 의해 형성된 귀금속 나노 입자가 분포된 양극 산화 알루미늄 구조체를 전자 수송층 상에 증착시킨다.
단계(S18)에서는 이러한 벌집 형상의 다수의 구멍의 각각의 내부 둘레를 따라 전자 수송층을 증착시키고, 이후 다수의 구멍의 각각의 나머지 공간에 광활성층을 증착시킨다. 즉, 도 3의 세 번째 단계 그림에서와 같이 먼저 다수의 구멍의 각각에 속이 빈 원통형 형상을 갖도록 전자 수송층을 증착시킨다. 양극 산화 알루미늄 구조체을 증착시킨 기판위에 sol- gel 형태의 ZnO(전자수송층)을 spin-coating 장비를 이용하여 얇은 막형태로 증착시켜준다. 그리고 데시게이터에서 30분간 진공상태로 유지시킨후 핫 플레이트 150℃에서 열처리한다. 포러스한 양극산화 알루미늄위에 sol-gel 형태의 ZnO를 얇은 박막 형태로 증착 후 진공 분위기를 유지시켜주면 ZnO가 끈적끈적한 액체 상태이기 때문에 양극산화알루미늄 구멍에 흘러내리면서 빈 원통형으로 형성된다. 전자 수송층으로는 산화 아연이 주로 이용된다. 이후, 도 3의 네 번째 단계 그림에서와 같이 속이 빈 원통형 형상의 전자 수송층의 내부 공간을 광활성층으로 채운다. 전자수송층까지 증착한 기판에 P3HT:PCBM:Chlorobensene을 15mg:15mg:1ml 비율로 섞어 spin coating으로 증착 후 데시게이터에서 30분간 진공분위기를 유지해준다.
이러한 단계에 의해 만들어진 전체적인 태양전지의 모식도는 도 5에서 도시되고, 구조를 확대해서 보면 확대된 모습과 같이 산화 아연층 상에 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체가 있으며 여기에 금 알갱이들이 증착되어 있고, 이러한 구멍 내에 산화 아연층이 속이 빈 원통 형상으로 형성되어 있으며, 그 내부 공간에 광활성층이 형성되어 있다.
* 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체를 형성하는 방법
다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 형성하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 형성하는 방법의 순서도이다.
이러한 방법은, 고순도의 알루미늄 호일을 전해 연마(electro-polishing)하여 알루미늄 박막을 얻는 단계(S20); 알루미늄 박막을 수용액에서 전압을 인가하여 1차 양극 산화 처리하는 단계(S22); 산화물층을 에칭하여 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 알루미늄 박막을 형성하는 단계(S24); 벌집 형상의 알루미늄 박막을 수용액에서 전압을 인가하여 2차 양극 산화 처리하는 단계(S26); 및 다수의 구멍을 넓히기 위해 인산 용액에 기판을 담그는 단계(S28)를 포함한다.
단계(S20)에서, 예를 들어 크기 3 x 3 cm이고, 순도가 99.999% 이상인 고순도의 알루미늄 호일을 준비하고, 이러한 알루미늄 호일을 전해 연마하여 표면을 깨끗하게 처리한다. 이때 과염소산과 에탄올 혼합 용액(HClO4:C2H5OH=1:4 volumetric ratio)에 알루미늄 기판을 담그고 알루미늄에는 (+) 전극을 백금에는 (-) 전극을 연결하고 20 V의 전압을 가해준다.
단계(S22)에서는, 단계(S20)을 거친 알루미늄 기판을 0.3M의 옥살산(oxalic acid, Aldrich) 수용액에서 40V를 인가한 후 15℃에서 12시간 동안 양극 산화 처리한다.
양극 산화 처리 후 두께가 70μm정도인 금속 산화물 층(oxide layer)이 생기게 되는데 단계(S24)에서 인산(phosphoric acid, 2 wt%, Aldrich)과 크롬산(chromic acid, 6 wt%, Aldrich)을 용해시킨 수용액을 이용하여 60℃에서 6시간 동안 산화물을 제거하였다. 그 결과 정육각형으로 속이 빈 구멍을 가진 벌집 형상의 패턴이 정렬된 알루미늄 박막이 형성된다.
이후 단계(S26)에서 0.3M의 옥살산에 40V를 인가하여 약 3분 동안 양극 산화 처리 하였다.
또한, 단계(S28)에서는, 구멍의 지름을 넓히기 위해, 0.1M의 인산 용액에 30℃에서 70분 동안 기판을 담궜다.
본 발명의 실시예에서는, 이러한 단계를 거쳐 최종적으로 깊이 300nm, 지름 80nm의 양극 산화 알루미늄 구조체를 얻었다. 여기서 깊이 300 nm는 전체적인 양극 산화 알루미늄의 깊이이고 지름 80 nm는 양극산화 알루미늄 하나의 지름으로써 지름 80 nm 구멍을 갖은 양극산화 알루미늄이 깊이 300 nm, 면적은 1 cm*1 cm로 형성되어 있다.
이러한 단계들은 도 6을 통해 실제 FE-SEM 이미지를 관찰하면서 이해할 수 있다. 상부라고 적혀 있는 부분은 각 단계별 양극 산화 알루미늄 구조체를 위에서 본 평면도이고, 측면이라고 적혀 있는 부분은 각 단계별로 구조체를 측면에서 본 측면도이다.
각 단계를 거침에 따라 최종적으로 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체가 얻어짐을 확인할 수 있다.
* 태양 전지
이러한 양극 산화 알루미늄 구조체를 채용한 태양 전지의 모식도는 도 5 및 도 7에서 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는, 일면에 전극이 부착되어 있으며, 상기 전극 위에 전자 수송층이 부착되어 있는 기판; 상기 전자 수송층 상에 증착된 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층; 및 상부 전극을 포함한다. 이 경우 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층에는 귀금속 나노 입자가 분포되어 있으며, 벌집 형상의 다수의 구멍의 각각의 내부 둘레를 따라 전자 수송층이 형성되어 있고, 벌집 형상의 다수의 구멍의 각각에서 전자 수송층이 채워진 나머지 공간에는 광활성층이 채워져 있게 된다.
종래의 태양 전지의 구조의 경우에는, 광활성층으로부터 활성된 전자 또는 정공이 상부 또는 하부 전극으로 이동하기 위해서는 큰 일함수 값을 극복하여야 했고, 이러한 일함수 값 차이를 줄이기 위해 광활성층의 아래 위에 전자 수송층 또는 정공 수송층이 존재한다. 그러나 여전히 광 활성층에서 활성화된 전자 또는 정공이 이러한 전극까지 도달하기 위해서는 상당한 거리를 이동해야 했기 때문에 태양 전지의 효율이 높지 못한 단점이 있었다.
이와 비교하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 경우에는, 전자 수송층이 위 아래에 존재하는 것 이외에 광활성층 주위를 원통형으로 둘러싸고 있기 때문에 전자 수송층으로부터 먼 거리에서 활성화된 전자 등이 밑에 있는 전자 수송층까지 이동하는 것이 아니라 그 주위에 있는 전자 수송층으로 이동함으로써 일함수 차이값을 더욱 감소시키게 되므로 더욱 효율이 높아지게 된다.
또한, 금 나노 입자들이 존재하기 때문에, 태양광이 들어올 때 광활성층에서 흡수되지 않고 통과되는 광들을 반사시킬 수 있고, 이에 의해 광활성층에서 더욱 광 흡수가 높아지게 되어 효율이 높아지는 장점을 갖는다.
도 8은 본 발명에 따른 태양 전지와 그렇지 아니한 태양 전지의 반사도 및 흡수도의 결과 데이터를 나타낸다. 도 8에서 본 발명에 따른 태양 전지의 반사도 및 흡수도는 파란색 그래프(AAO+Au NP/ZnO)로 나타나 있고, 빨간색 그래프는 금 나노 입자가 없는 것의 그래프이며, 검은색은 통상적인 태양전지 구조체의 그래프이다. 그래프에서 보는 것처럼, 파장별로 본 발명에 따른 태양 전지의 반사도 및 흡수도가 가장 높음을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 태양 전지(즉, 양극 산화 알루미늄 구조체와 금 나노 입자를 모두 포함한 것)와 금 나노입자를 포함하지 아니한 태양 전지의 전류 밀도 그래프를 비교하여 나타낸 것이다. 빨간색 그래프가 본 발명에 따른 태양 전지의 전류 밀ㄹ도 그래프로서, 보는 것처럼, 전류 밀도가 높음을 확인할 수 있다.
아래의 표 1은 결과 데이터로서 본 발명에 따른 태양 전지의 효율이 약 1.5배 정도 높음을 확인할 수 있다.
| Jsc | Voc | FF | Efficieny | |
| AAO만 있는 경우 | 3.975 | 0.622 | 0.432 | 1.07 |
| 금 나노 입자가 포함된 AAO의 경우 | 6.050 | 0.612 | 0.506 | 1.51 |
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
Claims (8)
- 일면에 전극이 부착되어 있으며, 상기 전극 위에 전자 수송층이 부착되어 있는 기판을 제공하는 단계;
상기 전자 수송층 상에 귀금속 나노 입자가 분포되어 있는 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 증착시키는 단계로서,
상기 귀금속 나노 입자가 분포되어 있는 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층은,
a) 고순도의 알루미늄 호일을 전해 연마하여 알루미늄 박막을 얻는 단계;
b) 상기 알루미늄 박막을 수용액에서 전압을 인가하여 1차 양극 산화 처리하는 단계;
c) 양극 산화 처리 결과 생성된 산화물층을 에칭 제거하여 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 알루미늄 박막이 형성되는 단계;
d) 상기 벌집 형상의 알루미늄 박막을 수용액에서 전압을 인가하여 2차 양극 산화 처리하는 단계;
e) 귀금속을 상기 양극 산화 알루미늄 구조체 층에 증착시키는 단계; 및
f) 열처리를 통해 귀금속 나노 입자가 상기 양극 산화 알루미늄 구조체에 분포되는 단계를 통해 얻어지는, 귀금속 나노 입자가 분포되어 있는 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 상기 전자 수송층 상에 증착시키는 단계; 및
상기 벌집 형상의 다수의 구멍의 각각의 내부 둘레를 따라 전자 수송층을 증착시키고, 이후 다수의 구멍의 각각의 나머지 공간에 광활성층을 증착시키는 단계를 포함하는,
태양 전지 구조체를 제공하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층을 얻는 단계는,
d) 단계 이후, 상기 다수의 구멍을 넓히기 위해 인산 용액에 기판을 담그는 단계를 추가로 포함하는,
태양 전지 구조체를 제공하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
b) 단계는,
0.3M의 옥살산 수용액에서 40V의 전압을 인가하여 15℃에서 12시간 동안 처리하는,
태양 전지 구조체를 제공하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
d) 단계는,
0.3M의 옥살산 수용액에서 40V의 전압을 인가하여 15℃에서 3분 동안 처리하는,
태양 전지 구조체를 제공하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
c) 단계는,
인산과 크롬산을 용해시킨 수용액에서 60℃에서 6시간 동안 처리하는,
태양 전지 구조체를 제공하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금을 상기 양극 산화 알루미늄층에 증착시키고 분포시키는 단계는,
상기 양극 산화 알루미늄 구조체 층의 표면에 열 증착기(thermal evaporator)를 이용해 금을 필름 코팅하고,
이후 CVD에 의해 600℃에서 3시간 동안 열처리하는,
태양 전지 구조체를 제공하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따라 제작된, 유기 태양 전지 구조체.
- 태양 전지로서,
일면에 전극이 부착되어 있으며, 상기 전극 위에 전자 수송층이 부착되어 있는 기판;
상기 전자 수송층 상에 증착된 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층; 및
상부 전극을 포함하고,
상기 다수의 구멍을 가진 벌집 형상의 양극 산화 알루미늄 구조체 층에는 귀금속 나노 입자가 분포되어 있으며,
상기 벌집 형상의 다수의 구멍의 각각의 내부 둘레를 따라 전자 수송층이 형성되어 있고, 상기 벌집 형상의 다수의 구멍의 각각에서 전자 수송층이 채워진 나머지 공간에는 광활성층이 채워져 있는,
태양 전지.
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