KR20130093319A - Quantum dot-sensitized solar cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A quantum dot-sensitized solar cell is provided to increase the light absorption rate of a quantum dot and to efficiently transmit electrons and holes without recombination. CONSTITUTION: A counter electrode faces a photocathode. The photocathode includes a transparent conductive substrate, a photosensitive quantum dot layer, and a ZnS capping layer. The photocathode is thermally processed after the ZnS capping layer is formed. The transparent conductive substrate is a fluorine-doped tin oxide substrate. An electrolyte is interposed between the counter electrode and the photocathode. [Reference numerals] (AA) Quantum dot; (BB) Thermal process

Description

양자점 감응형 태양전지{Quantum Dot-Sensitized Solar Cell}Quantum Dot-Sensitized Solar Cell

본 발명은 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지 및 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지용 광음극(photoanode)의 제조방법에 관한 것이다The present invention relates to a method for manufacturing a quantum dot-sensitized solar cell and a photoanode for a quantum dot-sensitized solar cell.

최근 화석 연료의 고갈과 여러 환경 문제들로 인하여 기존에 사용되던 화석 에너지를 대체할 수 있는 친환경적 에너지에 대한 관심이 높이지고 있다. 그 중에서도 에너지원이 무한하고 공해가 없는 대체 에너지인 태양광 에너지를 이용한 태양전지가 많은 관심을 받고 있다. Recently, due to the depletion of fossil fuels and various environmental problems, there is a growing interest in environmentally friendly energy that can replace fossil energy. Among them, solar cells using solar energy, which is an alternative energy source having an infinite energy source and having no pollution, is attracting much attention.

일반적으로 태양전지는 반도체가 빛을 흡수하여 전자와 정공이 발생되는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다. 초기 태양전지의 반도체로 실리콘이나 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 무기물 반도체의 n-p 다이오드가 주로 사용되었으나, 그 제조 비용이 높아 태양전지의 실질적 활용에 걸림돌이 되어왔다.Generally, a solar cell refers to a cell that generates a current-voltage using a photovoltaic effect in which a semiconductor absorbs light to generate electrons and holes. Although n-p diodes of inorganic semiconductors such as silicon or gallium arsenide (GaAs) have been mainly used as semiconductors of early solar cells, their manufacturing costs have been high, which has been a hindrance to practical use of solar cells.

이러한 문제점을 해결하고자 값이 저렴한 티타니아를 태양전지의 주요한 구성성분으로 사용한 염료(혹은 양자점 나노입자) 감응형 태양전지에 많은 관심이 집중되고 있다. 통상의 염료감응형 태양전지는 투명기판, 투명전극층, 티타니아층, 광감응 염료층(혹은 양자점 나노입자층), 전해질층, 전극층 및 기판이 적층된 구조를 갖는다. 이때, 티타니아층은 염료가 용이하게 착색되도록 다공질 구조를 갖게 되며, 전자, 정공 분리반응에 의해 생성된 전자의 이동 통로가 된다.In order to solve such a problem, much attention has been focused on a dye (or quantum dot nanoparticle) sensitive solar cell in which a low cost titania is used as a main component of a solar cell. A conventional dye-sensitized solar cell has a structure in which a transparent substrate, a transparent electrode layer, a titania layer, a photosensitive dye layer (or a quantum dot nanoparticle layer), an electrolyte layer, an electrode layer, and a substrate are laminated. At this time, the titania layer has a porous structure so that the dye can easily be colored, and becomes a movement path of electrons generated by electron and hole separation reactions.

따라서, 고효율의 염료(혹은 양자점 나노입자) 감응형 태양전지를 제조하기 위해서는 염료층이 착생되는 티타니아가 고 비표면적을 가져야 하며, 티타니아 자체의 전자 전달 특성이 우수해야 하며, 더 나아가 투명전극층, 티타니아층 및 광감응 염료층으로 구성된 광음극의 전자 전달 특성이 우수해야 하며, 높은 광전 변환 효율을 가져야 한다. Therefore, in order to manufacture a dye-sensitized solar cell with high efficiency (or quantum dot nanoparticle), titania having a dye layer formed must have a high specific surface area, and the electron transfer characteristic of titania itself must be excellent. Further, Layer and a photo-sensitive dye layer should have excellent electron transfer characteristics and have high photoelectric conversion efficiency.

현재 염료(혹은 양자점 나노입자) 감응형 태양전지의 고효율화를 위해 가장 시급히 해결되어야할 문제는 광 흡수양의 증가와 광 흡수로 생성된 전자 및 정공을 재 결합 없이 빠르게 음극과 양극으로 전달시키는 기술이다. 따라서 양자점의 광 흡수율을 증가시키고, 전자 및 정공을 재결합 없이 전달하는 기술에 대한 연구가 요구되고 있다.
Currently, the most urgent problem to be solved for the high efficiency of dye (or quantum dot nanoparticle) sensitized solar cell is to increase the amount of light absorption and to transfer electrons and holes generated by light absorption rapidly to the cathode and anode without recombination . Therefore, there is a need for research on techniques for increasing the light absorption rate of quantum dots and transferring electrons and holes without recombination.

따라서 본 발명은 양자점의 광 흡수율이 증가되고, 전자 및 정공을 재결합 없이 높은 효율로 전달할 수 있는 광음극 제조기술 및 이를 포함하는 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지를 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention is directed to a technique for manufacturing a photocathode capable of increasing the light absorption rate of quantum dots and transferring electrons and holes with high efficiency without recombination, and a quantum dot-sensitized solar cell including the same.

상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 광음극(photoanode) 및 광음극에 대향하는 대향전극과 이들 사이에 개재된 전해질(electrolyte)을 포함하며, 상기 광음극은 투명 전도성 기판, 상기 투명 전도성 기판 상부에 형성된 다공성 이산화티탄(TiO2)층, 상기 다공성 이산화티탄층에 접하여 구비된 광감응 양자점 층 및 상기 광감응 양자점 층 상부에 형성된 ZnS 덮개층을 포함하고, 상기 광음극은 ZnS 덮개층 형성 후 열처리되는 것을 특징으로 하는 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a light-emitting device comprising a photoanode and a counter electrode opposed to the photo-cathode, and an electrolyte interposed therebetween, the photo-cathode comprising a transparent conductive substrate, the porous titanium dioxide formed in the (TiO 2) layer, said porous contains ZnS capping layer formed on the light-sensitive quantum dot layer and the light-sensitive quantum dot layer provided in contact with the titanium dioxide layer, a negative electrode the light is then formed ZnS capping layer Heat treatment And a quantum dot-sensitized solar cell.

또한 본 발명은 투명 전도성 기판 상부에 형성된 다공성 이산화티탄(TiO2)층을 광감응 양자점 전구체 용액에 침지시켜, 다공성 이산화티탄층에 광감응 양자점을 형성하는 단계; 상기 광감응 양자점이 형성된 기판을 아연 전구체 및 황 전구체를 포함하는 ZnS 전구체 용액에 침지시켜 ZnS 덮개층을 형성하는 단계; 및 열처리하는 단계를 포함하는 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지용 광음극(photoanode)의 제조방법을 제공한다. The present invention also provides a method of fabricating a semiconductor light emitting device, comprising the steps of: immersing a porous titanium dioxide (TiO 2 ) layer formed on a transparent conductive substrate in a photosensitized quantum dot precursor solution to form photosensitive sensitized quantum dots in the porous titanium dioxide layer; Immersing the substrate on which the photo sensitive quantum dot is formed in a ZnS precursor solution including a zinc precursor and a sulfur precursor to form a ZnS lid layer; And a step of heat-treating the photocathode of the photocathode for a quantum dot-sensitized solar cell.

본 발명에 따른 ZnS 덮개층 형성 후 열처리된 양자점 감응형 태양전지는 열처리 단계에서 광감응 양자점의 크기가 커져 띠간격이 줄어들게 되어 광 흡수량이 증가되며, 이에 따라 광감응 양자점과 이산화티탄간의 연결이 좋아짐으로 인해 전자의 이동특성이 증가되고, ZnS 덮개층으로 인해 전자 정공의 재결합이 감소되는 바, 단락 전류의 상승으로 인한 우수한 광전변환 효율을 가진다.
The quantum dot-sensitized solar cell after the formation of the ZnS liner layer according to the present invention increases the light absorption amount due to the increase in the size of the photo-sensitive quantum dots due to the increase in the size of the photo-sensitive quantum dots, thereby increasing the connection between the photo- sensitized quantum dots and titanium dioxide And the recombination of the electron holes is reduced due to the ZnS lid layer. As a result, the photoelectric conversion efficiency due to the increase of the short-circuit current is obtained.

도 1은 본 발명에 따른 열처리 전후의 광음극 표면 모식도이다.
도 2는 비교예 1 및 2에서 제조된 태양전지의 에너지 변환 효율을 측정한 실험 결과 그래프이다.
도 3은 비교예 1, 비교예 3 및 실시예 1에서 제조된 태양전지의 에너지 변환 효율을 측정한 실험 결과 그래프이다.
1 is a schematic view of a photocathode surface before and after a heat treatment according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing an experimental result of measuring the energy conversion efficiency of the solar cell manufactured in Comparative Examples 1 and 2. FIG.
FIG. 3 is a graph of an experiment result of measuring the energy conversion efficiency of the solar cell manufactured in Comparative Example 1, Comparative Example 3, and Example 1. FIG.

본 발명은 광음극(photoanode) 및 광음극에 대향하는 대향전극과 이들 사이에 개재된 전해질(electrolyte)을 포함하며, The present invention includes a photoanode and a counter electrode opposing the photo cathode and an electrolyte interposed therebetween,

상기 광음극은 투명 전도성 기판, 상기 투명 전도성 기판 상부에 형성된 다공성 이산화티탄(TiO2)층, 상기 다공성 이산화티탄층에 접하여 구비된 광감응 양자점 층 및 상기 광감응 양자점 층 상부에 형성된 ZnS 덮개층을 포함하고,The photocathode includes a transparent conductive substrate, a porous titanium dioxide (TiO 2 ) layer formed on the transparent conductive substrate, a photo sensitive quantum dot layer provided in contact with the porous titanium dioxide layer, and a ZnS lid layer formed on the photo- Including,

상기 광음극은 ZnS 덮개층 형성 후 열처리되는 것을 특징으로 하는 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지를 제공한다. Wherein the photocathode is subjected to a heat treatment after formation of a ZnS lid layer, thereby providing a quantum dot-sensitized solar cell.

본 발명의 발명자들은 양자점의 광 흡수율이 증가되고, 전자 및 정공을 재결합 없이 높은 효율로 전달할 수 있는 태양전지용 광음극 제조기술에 대해 연구하던 중, 다공성 이산화티탄층에 광감응 양자점을 화학 증착한 후, 이에 ZnS를 추가로 화학 증착하고 열처리하면 광감응 양자점의 크기가 커져 띠간격이 줄어들게 되어 광 흡수량이 증가되며, 이에 따라 광감응 양자점과 이산화티탄간의 연결이 좋아짐으로 인해 전자의 이동특성이 증가되고, ZnS 덮개층으로 인해 전자 정공의 재결합이 감소되어 태양전지의 광전변환 효율을 증가시킬 수 있다는 점을 확인하고 본 발명을 완성하였다. The inventors of the present invention have been studying a photocathode manufacturing technology for a solar cell which can increase the light absorption rate of quantum dots and transfer electrons and holes with high efficiency without recombination. The photocathode quantum dots are chemically deposited on the porous titanium dioxide layer , And ZnS is further chemically deposited and annealed. As a result, the size of the photo-sensitive quantum dots increases and the band gap decreases. As a result, the photoabsorption amount increases and the electron transfer characteristics are increased due to the better connection between the photo- sensitized quantum dots and titanium dioxide , And ZnS liner layer can reduce the recombination of the electron holes, thereby increasing the photoelectric conversion efficiency of the solar cell. Thus, the present invention has been completed.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 투명 전도성 기판은 투명전도성막 또는 투명전도성막과 투명기판이 적층된 적층기판일 수 있으며, 상기 투명전도성막은 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 산화인듐 또는 플로린틴옥사이드(FTO, Fluorine-doped Tin Oxide, SnO2: F)를 함유할 수 있다. 또한 대향전극은 백금족 물질이 표면 코팅된 투명전도성기판이 이에 해당될 수 있으며, 보다 구체적으로, Pt가 적층된 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide, SnO2:F)일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the transparent conductive substrate may be a transparent conductive film or a laminated substrate in which a transparent conductive film and a transparent substrate are laminated. The transparent conductive film may be formed of indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO) And may contain indium oxide or fluorine-doped tin oxide (FTO, SnO 2 : F). In addition, the counter electrode may be a transparent conductive substrate on which a platinum group material is coated. More specifically, the counter electrode may be, for example, FTO (Fluorine-doped Tin Oxide, SnO 2 : F)

보다 구체적으로, 상기 광음극의 투명 전도성 기판은 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide, SnO2: F)이며, 상기 대향전극은 Pt가 적층된 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide, SnO2: F)일 수 있다. More specifically, the transparent conductive substrate of the photocathode is FTO (Fluorine-doped Tin Oxide, SnO 2 : F), and the counter electrode is a FTO (Fluorine-doped Tin Oxide, SnO 2 : F) have.

본 발명의 다른 구체예에서, 상기 광감응 양자점은 태양광 스펙트럼 중 200 내지 1100 nm 영역의 자외선-근적외선을 흡수하고 상기 양자점은 Ⅱ-Ⅳ족, Ⅲ-Ⅳ족, Ⅴ족 양자점 또는 이들의 혼합물일 수 있다. In another embodiment of the present invention, the photo sensitive quantum dots absorb ultraviolet-near-infrared light in the 200 to 1100 nm region of the sunlight spectrum and the quantum dots include II-IV, III-IV, V- .

구체적으로 상기 양자점으로는, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, Bi2S3, Bi2Se3, InP, InAs, InCuS2, In(CuGa)Se2, Sb2S3, Sb2Se3, SnSx(1≤x≤2), NiS, CoS, FeSy(1≤y≤2), In2S3, MoS, MoSe 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 경우에 따라, 상기 나열한 양자점들 중 2 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 2 종 이상의 양자점이 단순 혼합상태로 존재하는 양자점 혼합물, 혹은, 코어-쉘(core-shell) 구조를 가진 결정 또는 그래디언트(gradient) 구조를 가진 결정과 같이 동일 결정 내에 2 종 이상의 화합물 결정이 부분적으로 나뉘어져 존재하는 혼합결정, 또는 2 종 이상의 나노결정 화합물의 합금을 사용할 수도 있다. Specifically, the quantum dots include, CdS, CdSe, CdTe, PbS , PbSe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, Bi 2 S 3, Bi 2 Se 3, InP, InAs, InCuS SnS x (1? X ? 2), NiS, CoS, FeS y (1? Y ? 2 ), In 2 S 3 , MoS 2 , In (CuGa) Se 2 , Sb 2 S 3 , Sb 2 Se 3 , MoSe, and alloys thereof, but is not limited thereto. In some cases, a mixture of two or more of the quantum dots listed above may be used. For example, a quantum dot mixture in which two or more quantum dots exist in a simple mixed state, or a crystal having a crystal structure having a core-shell structure or a crystal structure having a gradient structure, Mixed crystals in which crystals are partially separated, or alloys of two or more kinds of nanocrystalline compounds may be used.

본 발명의 또 다른 구체예에서, 상술한 광음극에 대향하여 대향전극인 양극이 위치하게 되는데, 상기 광음극과 상기 양극은 일정한 간격으로 이격 되어 위치하여 밀폐 공간을 형성한다. 이러한 밀폐 공간에는 전해질이 충진되는데, 상기 밀폐공간에 주입되는 전해질은 상기 광음극에 전자를 제공하는 역할을 하는 통상의 전해질 액이면 사용 가능하며, 보다 구체적으로 폴리설파이드(polysulfide)일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
In still another embodiment of the present invention, the anode which is the opposite electrode is located opposite to the photo cathode, wherein the photo cathode and the anode are spaced apart from each other by a predetermined distance to form a closed space. The sealed space is filled with an electrolyte. The electrolyte injected into the sealed space may be an ordinary electrolyte solution serving to provide electrons to the photocathode, and may be more specifically polysulfide. It is not.

또한 본 발명은 투명 전도성 기판 상부에 형성된 다공성 이산화티탄(TiO2)층을 광감응 양자점 전구체 용액에 침지시켜, 다공성 이산화티탄층에 광감응 양자점을 형성하는 단계; 상기 광감응 양자점이 형성된 기판을 아연 전구체 및 황 전구체를 포함하는 ZnS 전구체 용액에 침지시켜 ZnS 덮개층을 형성하는 단계; 및 열처리하는 단계를 포함하는 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지용 광음극(photoanode)의 제조방법을 제공한다. The present invention also provides a method of fabricating a semiconductor light emitting device, comprising the steps of: immersing a porous titanium dioxide (TiO 2 ) layer formed on a transparent conductive substrate in a photosensitized quantum dot precursor solution to form photosensitive sensitized quantum dots in the porous titanium dioxide layer; Immersing the substrate on which the photo sensitive quantum dot is formed in a ZnS precursor solution including a zinc precursor and a sulfur precursor to form a ZnS lid layer; And a step of heat-treating the photocathode of the photocathode for a quantum dot-sensitized solar cell.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 투명 전도성 기판은 투명전도성막 또는 투명전도성막과 투명기판이 적층된 적층기판일 수 있으며, 상기 투명전도성막은 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 산화인듐 또는 플로린틴옥사이드(FTO, Fluorine-doped Tin Oxide, SnO2: F)를 함유할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 투명 전도성 기판은 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide, SnO2: F)일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the transparent conductive substrate may be a transparent conductive film or a laminated substrate in which a transparent conductive film and a transparent substrate are laminated. The transparent conductive film may be formed of indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO) And may contain indium oxide or fluorine-doped tin oxide (FTO, SnO 2 : F). More specifically, the transparent conductive substrate may be FTO (Fluorine-doped Tin Oxide, SnO 2 : F), but is not limited thereto.

본 발명의 일실시예에서, 상기 투명 전도성 기판 상부에 형성된 다공성 이산화티탄(TiO2) 층은 이산화티탄 페이스트를 도포하고 열처리하는 공정을 통해 형성될 수 있다. 다공성 이산화티탄층을 형성하기 위해, 상기 페이스트는 폴리머(Polymer) 물질을 함유할 수 있으며, 상기 폴리머 물질은 상기 열처리에 의해 제거될 수 있는 물질이면 사용 가능하다. 또한, 상기 페이스트에 함유된 폴리머 물질은 기공형성의 목적 이외에도, 분산성, 점도, 기판과의 접착력을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the porous titanium dioxide (TiO 2 ) layer formed on the transparent conductive substrate may be formed through a process of applying and heat-treating the titanium dioxide paste. In order to form a porous titanium dioxide layer, the paste may contain a polymer material, and the polymer material may be used as long as it can be removed by the heat treatment. In addition to the purpose of pore formation, the polymer material contained in the paste can also be used to improve dispersibility, viscosity, and adhesion to a substrate.

상기 투명 전도성 기판 상부에 형성된 다공성 이산화티탄 층을 광감응 양자점 전구체 용액에 침지시켜, 다공성 이산화티탄층에 광감응 양자점을 형성한다. The porous titanium dioxide layer formed on the transparent conductive substrate is immersed in the photo sensitive quantum dot precursor solution to form photo sensitive quantum dots on the porous titanium dioxide layer.

보다 구체적으로, 상기 다공성 이산화티탄 층을 구비한 기판은 광감응 양자점 전구체 용액에 침지 및 분리 회수되며, 상기 침지 및 분리 회수 과정은 반복될 수 있으며, 각 침지 시간은 1 내지 10분 또는 3 내지 7분, 반복 회수는 3 내지 15회일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 다공성 이산화티탄층 표면에 접하여 형성되는 광감응 양자점의 수는 상기 침지 과정의 반복 수행에 의해 용이하게 제어될 수 있다. More specifically, the substrate having the porous titanium dioxide layer is immersed and recovered in the photo sensitive quantum dot precursor solution, and the immersion and separation and recovery processes can be repeated, and each immersion time is 1 to 10 minutes or 3 to 7 Min, and the number of repetitions may be 3 to 15, but is not limited thereto. The number of photo sensitive quantum dots formed in contact with the surface of the porous titanium dioxide layer can be easily controlled by repeating the immersion process.

본 발명의 한 구체예에서, 상기 광감응 양자점은 태양광 스펙트럼 중 200 내지 1100 nm 영역의 자외선-근적외선을 흡수하고 상기 양자점은 Ⅱ-Ⅳ족, Ⅲ-Ⅳ족, Ⅴ족 양자점 또는 이들의 혼합물일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the photo sensitive quantum dots absorb ultraviolet-near-infrared rays in the range of 200 to 1100 nm in the sunlight spectrum, and the quantum dots include II-IV, III-IV, and V- .

구체적으로 상기 양자점으로는, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, Bi2S3, Bi2Se3, InP, InAs, InCuS2, In(CuGa)Se2, Sb2S3, Sb2Se3, SnSx(1≤x≤2), NiS, CoS, FeSy(1≤y≤2), In2S3, MoS, MoSe 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 경우에 따라, 상기 나열한 양자점들 중 2 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 2 종 이상의 양자점이 단순 혼합상태로 존재하는 양자점 혼합물, 혹은, 코어-쉘(core-shell) 구조를 가진 결정 또는 그래디언트(gradient) 구조를 가진 결정과 같이 동일 결정 내에 2 종 이상의 화합물 결정이 부분적으로 나뉘어져 존재하는 혼합결정, 또는 2 종 이상의 나노결정 화합물의 합금을 사용할 수도 있다. Specifically, the quantum dots include, CdS, CdSe, CdTe, PbS , PbSe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, Bi 2 S 3, Bi 2 Se 3, InP, InAs, InCuS SnS x (1? X ? 2), NiS, CoS, FeS y (1? Y ? 2 ), In 2 S 3 , MoS 2 , In (CuGa) Se 2 , Sb 2 S 3 , Sb 2 Se 3 , MoSe, and alloys thereof, but is not limited thereto. In some cases, a mixture of two or more of the quantum dots listed above may be used. For example, a quantum dot mixture in which two or more quantum dots exist in a simple mixed state, or a crystal having a crystal structure having a core-shell structure or a crystal structure having a gradient structure, Mixed crystals in which crystals are partially separated, or alloys of two or more kinds of nanocrystalline compounds may be used.

본 발명의 일실시예에서, 상기 광감응 양자점은 CdS이며, 상기 광감응 양자점 전구체로는 카드뮴 전구체로 Cd(NO3)2, CdSO4, CdCl2 또는 이들의 혼합을 사용할 수 있고, 황 전구체로는 Na2S, 싸이오우레아(thiourea) 또는 이들의 혼합을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 이때 상기 침지 과정은 카드뮴 전구체 및 황 전구체를 모두 포함하는 전구체 용액에서 이루어질 수 있으며, 또한 카드뮴 전구체 용액으로의 침지 및 분리 회수 및 황 전구체 용액으로의 침지 및 분리 회수 과정이 독립하여 수행할 수도 있다. In one embodiment of the present invention, the photo sensitive quantum dot is CdS and the photo sensitive quantum dot precursor is a cadmium precursor such as Cd (NO 3 ) 2 , CdSO 4, CdCl 2 Or a mixture thereof. As the sulfur precursor, Na 2 S, thiourea, or a mixture thereof may be used, but the present invention is not limited thereto. At this time, the immersion process may be performed in a precursor solution containing both a cadmium precursor and a sulfur precursor, and the process of immersion and separation into a cadmium precursor solution and the process of immersion and separation and recovery into a sulfur precursor solution may be performed independently.

이후 상기 광감응 양자점이 형성된 기판을 아연 전구체 및 황 전구체를 포함하는 ZnS 전구체 용액에 침지시켜 ZnS 덮개층을 형성한다. Then, the substrate on which the photo sensitive quantum dots are formed is dipped in a ZnS precursor solution containing a zinc precursor and a sulfur precursor to form a ZnS cap layer.

본 발명의 일실시예에서, 상기 아연 전구체로는 Zn(NO3)2, Zn(CH3COO)2 또는 이들의 혼합을 사용할 수 있으며, 황 전구체는 Na2S, 싸이오우레아(thiourea) 또는 이들의 혼합을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 이때 상기 침지 과정은 아연 전구체 및 황 전구체를 모두 포함하는 전구체 용액에서 이루어질 수 있으며, 또한 아연 전구체 용액으로의 침지 및 분리 회수 및 황 전구체 용액으로의 침지 및 분리 회수 과정이 독립하여 수행할 수도 있다. In one embodiment of the present invention, as the zinc precursor is Zn (NO 3) 2, Zn (CH 3 COO) , and 2, or to use a mixture of these, the sulfur precursor is Na 2 S, thiourea (thiourea) or Mixtures of these may be used, but are not limited thereto. At this time, the immersion process may be performed in a precursor solution containing both the zinc precursor and the sulfur precursor, and the immersion and separation of the precursor solution into the zinc precursor solution and the immersion and separation and recovery of the precursor solution into the sulfur precursor solution may be performed independently.

이후 상기 기판을 열처리하는 단계가 수행된다. Thereafter, heat treatment of the substrate is performed.

본 발명의 일실시예에서, 상기 열처리는 200 내지 500 ℃ 또는 300 내지 400℃에서 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed at 200 to 500 DEG C or 300 to 400 DEG C, but is not limited thereto.

보다 구체적으로, 상기 열처리는 비활성 기체 조건 하에서 승온시키며 이루어질 수 있고, 상기 승온속도는 분당 1 내지 3℃ 로 유지하며 최종온도에서 10 내지 60분 또는 20 내지 40분 간 유지시킬 수 있다. More specifically, the heat treatment can be performed by heating under inert gas conditions, and the temperature raising rate can be maintained at 1 to 3 ° C per minute and maintained at the final temperature for 10 to 60 minutes or 20 to 40 minutes.

열처리 전후의 광음극 표면 모식도를 도 1에 나타내었다. FIG. 1 is a schematic view of the photocathode surface before and after the heat treatment.

상기 열처리에 의해 양자점의 크기가 커져 띠간격이 줄어들게 되어 광 흡수량이 증가하며, 이산화티탄과 양자점의 결합이 밀접해져 전자 전도도가 증가된다. ZnS 덮개층이 양자점 상에 균일하게 형성됨으로써, 전해질과 양자점들의 직접적인 접촉에 의한 전자와 정공의 재겹합(recombination)이 감소되어 단락 전류가 상승된다. The heat treatment increases the size of the quantum dots to reduce the band gap, increasing the light absorption amount, and the bonding of the titanium dioxide and the quantum dot become close to each other to increase the electron conductivity. Since the ZnS liner layer is uniformly formed on the quantum dots, the recombination of electrons and holes due to the direct contact between the electrolyte and the quantum dots is reduced and the shortcircuit current is increased.

상기 방법으로 제조된 광음극(photoanode)은 양자점 감응형 태양전지에 유용하게 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 광음극과 마주하도록 대향전극을 위치시킨 후 전해질을 주입하여 밀봉하는 단계를 통해 양자점 감응형 태양전지를 제조할 수 있다. The photoanode manufactured by the above method can be usefully used in a quantum dot-sensitive solar cell. More specifically, the quantum dot-sensitive solar cell can be manufactured through the step of positioning the counter electrode facing the photocathode, then injecting and sealing the electrolyte.

보다 구체적으로, 상기 광음극과 상기 대향전극사이에 스페이서를 위치시켜 상기 밀폐공간을 제조한 후 상기 밀폐공간에 양극의 구멍을 통해 압력차를 이용하여 전해질 액을 주입하고 다시 밀봉(sealing)하여 태양전지 셀을 제조할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
More specifically, the spacer is disposed between the photo cathode and the counter electrode to produce the sealed space, and then the electrolyte solution is injected into the sealed space through the hole of the anode using a pressure difference, A battery cell may be manufactured, but is not limited thereto.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples. However, the following examples are intended to illustrate the contents of the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the following examples. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.

<< 실시예Example 1>  1> ZnSZnS 층 형성 후 After layer formation 열처리된Heat-treated 광음극Photo cathode 및 이를 이용한 태양전지의 제조 And production of solar cell using the same

TiO2(P-25, Degussa) 9g, 유기바인더로 Ethyl cellulose(#46070) 1.5g, Ethyl cellulose(#46080) 1.5g과 용매로 Terpineol 20g, ethyl alcohol 20g을 혼합하여 페이스트를 제조하였다. 제조된 페이스트를 스크린 프린팅하여 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide, SnO2: F)기판에 7.5㎛ 두께의 막을 형성시킨 후, 공기중 500℃에서 30분간 열처리하여 다공성 이산화티탄층을 제조하였다.9 g of TiO 2 (P-25, Degussa), 1.5 g of ethyl cellulose (# 46070) as an organic binder, 1.5 g of ethyl cellulose (# 46080), 20 g of terpineol as a solvent and 20 g of ethyl alcohol were mixed. The resulting paste was screen printed to form a 7.5 μm thick film on a FTO (Fluorine-doped Tin Oxide, SnO 2 : F) substrate, followed by heat treatment at 500 ° C. for 30 minutes in air to prepare a porous titanium dioxide layer.

0.5M의 Cd(NO3)2 용액과 0.5M의 Na2S 용액을 각각 만들어 이산화티탄층이 형성된 FTO 기판을 각 용액에 5분씩 침지시켰다. 상기의 방법을 하나의 순환이라 하고 8번의 순환을 거쳤다. 이를 통해 다공성 이산화티탄층에 CdS 광감응 양자점을 형성하였다. 0.5 M Cd (NO 3 ) 2 solution and 0.5 M Na 2 S solution were prepared, and the FTO substrate on which the titanium dioxide layer was formed was immersed in each solution for 5 minutes. The above method is referred to as one cycle and has been cycled eight times. CdS photo sensitive quantum dots were formed on the porous titanium dioxide layer.

상기의 순환을 거친 후 0.5M Zn(NO3)2에서의 Zn2 + 전구체와 0.5M Na2S에서의 S2 - 전구체를 이용하여 ZnS 덮개층을 형성하였다. 덮개층까지 형성된 상기 광음극 기판을 관형태의 전기로에서 Ar기체를 흘려주며 분당 2℃의 승온속도로 승온시켰고, 최종 350℃에서 30분간 열처리하여 본 발명의 태양전지용 광음극(photoanode)을 제조하였다. After the rotation of the S 2 of the 0.5M Zn (NO 3) Zn 2 + 2 in the precursor and 0.5M Na 2 S - using the precursor to form a ZnS capping layer. The photocathode substrate formed up to the cover layer was flowed with Ar gas in a tube-shaped electric furnace, and the temperature was raised at a rate of 2 DEG C per minute, and the resultant was subjected to heat treatment at 350 DEG C for 30 minutes to manufacture a photocathode for a solar cell of the present invention .

표면이 Pt처리된 FTO 대향전극(양극)과 스페이서(surlyn 1702, Dupont)를 이용하여 합착한 후, FTO 양극의 홀(hole)을 통해 Vaccum back filling방법으로 전해질을 주입한 후, 밀봉하여 태양전지를 제조하였다.After the surface was plated with a Pt-treated FTO counter electrode (anode) and a spacer (surlyn 1702, Dupont), the electrolyte was injected through the hole of the FTO anode through a Vaccum back filling method, .

상기 전해질로는 폴리설파이드(polysulfide) 용액으로 용매는 메탄올 : 물 7:3 (부피비) , 용질은 0.5M Na2S , 2M S , 0.2M KCl을 사용하였다. As the electrolyte, a polysulfide solution was used. The solvent was methanol: water 7: 3 (volume ratio), and the solutes were 0.5M Na 2 S, 2M S, and 0.2M KCl.

<< 비교예Comparative example 1>  1>

실시예 1에서 다공형 이산화티탄층에 CdS 광감응 양자점의 형성 후, ZnS 덮개층 형성 및 열처리를 수행하지 않고, 표면이 Pt처리된 FTO 대향전극(양극)과 스페이서(surlyn 1702, Dupont)를 이용하여 합착한 후, FTO 양극의 홀(hole)을 통해 Vaccum back filling방법으로 실시예 1과 동일한 전해질을 주입한 후, 밀봉하여 태양전지를 제조하였다. In Example 1, after the formation of the CdS photosensitive quantum dots on the porous titanium dioxide layer, the ZnO cover layer formation and the heat treatment were not performed, and the surface was treated with the Pt-treated FTO counter electrode (anode) and a spacer (surlyn 1702, Dupont) Then, the same electrolyte as in Example 1 was injected through a hole of an FTO anode through a Vaccum back filling method, and then sealed to manufacture a solar cell.

<< 비교예Comparative example 2> 2>

실시예 1에서 다공형 이산화티탄층에 CdS 광감응 양자점의 형성 후, 바로 열처리 수행 후 표면이 Pt처리된 FTO 대향전극(양극)과 스페이서(surlyn 1702, Dupont)를 이용하여 합착한 후, FTO 양극의 홀(hole)을 통해 Vaccum back filling방법으로 실시예 1과 동일한 전해질을 주입한 후, 밀봉하여 태양전지를 제조하였다. After the formation of the CdS photosensitivity quantum dots in the porous titanium dioxide layer in Example 1, after the heat treatment was performed, the surface was plated with a Pt-treated FTO counter electrode (anode) and a spacer (surlyn 1702, Dupont) The same electrolyte as that in Example 1 was injected through a hole of a hole-injection-hole-filling-hole (Vaccum back filling) method, and the solar cell was fabricated by sealing.

<< 비교예Comparative example 3>  3>

실시예 1에서 다공형 이산화티탄층에 CdS 광감응 양자점 및 ZnS 덮개층 형성 후, 열처리를 수행하지 않고, 표면이 Pt처리된 FTO 대향전극(양극)과 스페이서(surlyn 1702, Dupont)를 이용하여 합착한 후, FTO 양극의 홀(hole)을 통해 Vaccum back filling방법으로 실시예 1과 동일한 전해질을 주입한 후, 밀봉하여 태양전지를 제조하였다.
The CdS photo-sensitized quantum dots and the ZnS lid layer were formed on the porous titanium dioxide layer in Example 1, and then the adhesion was performed using a FTO counter electrode (anode) whose surface had been treated with Pt and a spacer (surlyn 1702, Dupont) Thereafter, the same electrolyte as in Example 1 was injected through a hole in the FTO anode and then sealed using a Vaccum back filling method to manufacture a solar cell.

도 2는 비교예 1 및 2에서 제조된 태양전지의 에너지 변환 효율을 측정한 실험 결과 그래프이다. 도 2를 참조하면, 비교예 1의 광전변환 효율은 전반적으로 낮게 나타났고, 열처리에 의해(비교예 2)에 의해 단락전류는 상승하였으나, 개방전압의 감소로 인해 광전변환 효율이 감소함을 알 수 있었다.
FIG. 2 is a graph showing an experimental result of measuring the energy conversion efficiency of the solar cell manufactured in Comparative Examples 1 and 2. FIG. Referring to FIG. 2, the photoelectric conversion efficiency of Comparative Example 1 was generally low, and the short circuit current was increased by the heat treatment (Comparative Example 2), but the photoelectric conversion efficiency was decreased due to the decrease of the open- I could.

도 3은 비교예 1, 비교예 3 및 실시예 1에서 제조된 태양전지의 에너지 변환 효율을 측정한 실험 결과 그래프이다. 도 3을 참조하면, 비교예 3의 경우에도 광전변환 효율은 낮게 나타나나, 덮개층 형성 후 열처리한 실시예 1의 경우 광전류밀도 및 전압이 모두 상승함을 알 수 있었다.
FIG. 3 is a graph of an experiment result of measuring the energy conversion efficiency of the solar cell manufactured in Comparative Example 1, Comparative Example 3, and Example 1. FIG. Referring to FIG. 3, the photoelectric conversion efficiency is low even in the case of the comparative example 3, but the photocurrent density and the voltage are both increased in the case of the example 1 in which the heat treatment is performed after forming the cover layer.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that such detail is solved by the person skilled in the art without departing from the scope of the invention. will be. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (9)

광음극(photoanode) 및 광음극에 대향하는 대향전극과 이들 사이에 개재된 전해질(electrolyte)을 포함하며,
상기 광음극은 투명 전도성 기판, 상기 투명 전도성 기판 상부에 형성된 다공성 이산화티탄(TiO2)층, 상기 다공성 이산화티탄층에 접하여 구비된 광감응 양자점 층 및 상기 광감응 양자점 층 상부에 형성된 ZnS 덮개층을 포함하고,
상기 광음극은 ZnS 덮개층 형성 후 열처리되는 것을 특징으로 하는 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지.
A photoanode and an opposing electrode facing the photocathode and an electrolyte interposed therebetween,
The photocathode includes a transparent conductive substrate, a porous titanium dioxide (TiO 2 ) layer formed on the transparent conductive substrate, a photo sensitive quantum dot layer provided in contact with the porous titanium dioxide layer, and a ZnS lid layer formed on the photo- Including,
The photocathode is quantum dot-sensitized solar cell, characterized in that the heat treatment after forming the ZnS cover layer.
제1항에 있어서,
상기 광음극의 투명 전도성 기판은 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide, SnO2: F)이며, 상기 대향전극은 Pt가 적층된 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide, SnO2: F)인 것인 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지.
The method of claim 1,
The transparent conductive substrate of the photocathode is a FTO (Fluorine-doped Tin Oxide, SnO 2 : F), the counter electrode is a quantum dot sensitive type that is a PTO stacked FTO (Fluorine-doped Tin Oxide, SnO 2 : F) (Quantum Dot-Sensitized) Solar Cells.
제1항에 있어서,
상기 광감응 양자점은 CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, Bi2S3, Bi2Se3, InP, InAs, InCuS2, In(CuGa)Se2, Sb2S3, Sb2Se3, SnSx(1≤x≤2), NiS, CoS, FeSy(1≤y≤2), In2S3, MoS, MoSe 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것인 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지.
The method of claim 1,
The photosensitive quantum dots are CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, Bi 2 S 3 , Bi 2 Se 3 , InP, InAs, InCuS 2 , In (CuGa) Se 2 , Sb 2 S 3 , Sb 2 Se 3 , SnS x (1 ≦ x ≦ 2), NiS, CoS, FeS y (1 ≦ y2 ), In 2 S 3 , MoS, MoSe and A quantum dot-sensitized solar cell comprising one or more materials selected from the group consisting of alloys thereof.
투명 전도성 기판 상부에 형성된 다공성 이산화티탄(TiO2)층을 광감응 양자점 전구체 용액에 침지시켜, 다공성 이산화티탄층에 광감응 양자점을 형성하는 단계;
상기 광감응 양자점이 형성된 기판을 아연 전구체 및 황 전구체를 포함하는 ZnS 전구체 용액에 침지시켜 ZnS 덮개층을 형성하는 단계; 및
열처리하는 단계를 포함하는 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지용 광음극(photoanode)의 제조방법.
Forming a photosensitive quantum dot on the porous titanium dioxide layer by immersing the porous titanium dioxide (TiO 2 ) layer formed on the transparent conductive substrate in the photosensitive quantum dot precursor solution;
Immersing the substrate on which the photo sensitive quantum dot is formed in a ZnS precursor solution including a zinc precursor and a sulfur precursor to form a ZnS lid layer; And
Method of manufacturing a photoanode for a quantum dot-sensitized solar cell comprising the step of heat treatment.
제4항에 있어서,
상기 투명 전도성 기판은 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide, SnO2: F) 기판인 것인 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지용 광음극(photoanode)의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The transparent conductive substrate is a FTO (Fluorine-doped Tin Oxide, SnO 2 : F) substrate is a method of manufacturing a photoanode for a quantum dot-sensitized solar cell (photoanode).
제4항에 있어서,
상기 광감응 양자점은 CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, Bi2S3, Bi2Se3, InP, InAs, InCuS2, In(CuGa)Se2, Sb2S3, Sb2Se3, SnSx(1≤x≤2), NiS, CoS, FeSy(1≤y≤2), In2S3, MoS, MoSe 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것인 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지용 광음극(photoanode)의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The photosensitive quantum dots are CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, Bi 2 S 3 , Bi 2 Se 3 , InP, InAs, InCuS 2 , In (CuGa) Se 2 , Sb 2 S 3 , Sb 2 Se 3 , SnS x (1 ≦ x ≦ 2), NiS, CoS, FeS y (1 ≦ y2 ), In 2 S 3 , MoS, MoSe and Method for producing a photoanode for a quantum dot-sensitized solar cell comprising at least one material selected from the group consisting of a mixture thereof.
제4항에 있어서,
상기 광감응 양자점은 CdS이며,
상기 광감응 양자점 전구체는 카드뮴 전구체로 Cd(NO3)2, CdSO4, CdCl2 또는 이들의 혼합, 황 전구체로 Na2S, 싸이오우레아(thiourea) 또는 이들의 혼합인 것인 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지용 광음극(photoanode)의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The photosensitive quantum dot is CdS,
The photosensitive quantum dot precursor is Cd (NO 3 ) 2 , CdSO 4 , CdCl 2 or a mixture thereof, and the sulfur precursor is Na 2 S, thiourea or a mixture thereof.
제4항에 있어서,
상기 아연 전구체는 Zn(NO3)2, Zn(CH3COO)2 또는 이들의 혼합, 황 전구체는 Na2S, 싸이오우레아(thiourea) 또는 이들의 혼합인 것인 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지용 광음극(photoanode)의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the zinc precursor is Zn (NO 3 ) 2 , Zn (CH 3 COO) 2 or a mixture thereof, and the sulfur precursor is Na 2 S, thiourea or a mixture thereof. (Method for manufacturing photocathode for solar cell).
제4항에 있어서,
상기 열처리하는 단계에서의 열처리는 200 내지 500 ℃에서 수행되는 것인 양자점 감응형(Quantum Dot-Sensitized) 태양전지용 광음극(photoanode)의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The heat treatment in the heat treatment step is performed at 200 to 500 ℃ method of manufacturing a photoanode for a quantum dot-sensitized solar cell (photoanode).
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