KR20130113229A - 혼성 금속 산화물 및 그 형성 방법과 상기 혼성 금속 산화물을 포함하는 태양 전지 - Google Patents

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Abstract

제1 금속, 산소 및 제2 금속이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분을 포함하는 망목 구조(network structure)를 가지고 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 둘 이상의 산화 상태(oxidation state)를 가지는 혼성 금속 산화물 및 그 형성 방법과 상기 혼성 금속 산화물을 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.

Description

혼성 금속 산화물 및 그 형성 방법과 상기 혼성 금속 산화물을 포함하는 태양 전지{HYBRID METAL OXIDE AND METHOD OF FORMING THE SAME AND SOLAR CELL INCLUDING THE SAME}
혼성 금속 산화물 및 그 형성 방법과 상기 혼성 금속 산화물을 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광 활성층에서 태양 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 이러한 태양 전지의 효율을 높이기 위해서는 반도체 내부에서 가능한 많은 전자-정공 쌍을 생성하는 것도 중요하지만 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다.
전하가 손실되는 것을 줄이기 위하여 광 활성층과 전극 사이에 중간층(interlayer)을 둘 수 있다.
일 구현예는 태양 전지의 중간층으로 사용될 수 있는 혼성 금속 산화물을 제공한다.
다른 구현예는 상기 혼성 금속 산화물의 형성 방법을 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 혼성 금속 산화물을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 제1 금속, 산소 및 제2 금속이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분을 포함하는 망목 구조(network structure)를 가지고, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 둘 이상의 산화 상태(oxidation state)를 가지는 혼성 금속 산화물을 제공한다.
상기 혼성 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.
[화학식 1]
M1O2 - xM2Ox
상기 화학식 1에서,
M1은 제1 금속이고,
M2는 제2 금속이고,
x는 0.01<x<0.99를 만족한다.
상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 2가, 3가 및 4가 중에서 선택된 적어도 두 개의 산화 상태를 가질 수 있고, 상기 적어도 두 개의 산화 상태 중 적어도 하나는 도전성을 가지는 산화 상태일 수 있다.
상기 제2 금속은 둘 이상의 산화 상태를 가질 수 있고, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 총 함량에 대하여 약 0.1 내지 50몰%로 포함될 수 있다.
상기 혼성 금속 산화물은 비정질 부분을 적어도 일부 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은 서로 다르며 각각 티타늄(Ti), 아연(Zn), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn)에서 선택될 수 있다.
상기 제1 금속은 티타늄(Ti)이고 상기 제2 금속은 규소(Si)일 수 있다.
상기 규소(Si)는 3가 및 4가의 산화 상태를 가질 수 있고, 상기 규소(Si)는 상기 티타늄(Ti)과 규소(Si)의 총 함량에 대하여 약 0.1 내지 50몰%로 포함될 수 있다.
상기 혼성 금속 산화물은 약 10-6 내지 10 S/cm의 전도도를 가질 수 있다.
상기 혼성 금속 산화물은 약 3.0 내지 8.5 eV의 일 함수를 가질 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체를 포함하는 용액을 준비하는 단계, 그리고 졸-겔(sol-gel) 방법에 의해 상기 용액으로부터 제1 금속, 산소 및 제2 금속이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분을 포함하는 망목 구조의 혼성 금속 산화물을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 둘 이상의 산화 상태를 가지는 혼성 금속 산화물의 형성 방법을 제공한다.
상기 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체를 포함하는 용액을 준비하는 단계는 상기 제1 금속 전구체와 제1 산 촉매를 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계, 상기 제2 금속 전구체와 제2 산 촉매를 포함하는 제2 용액을 준비하는 단계, 그리고 상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 형성 방법은 상기 용액을 약 30 내지 70 ℃에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 금속은 둘 이상의 산화 상태를 가질 수 있고, 상기 제2 금속 전구체는 상기 제1 금속 전구체와 상기 제2 금속 전구체의 총 함량에 대하여 약 0.1 내지 50몰%로 포함될 수 있다.
상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은 서로 다르고 각각 티타늄(Ti), 아연(Zn), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn)에서 선택될 수 있다.
상기 제1 금속은 티타늄(Ti)이고 상기 제2 금속은 규소(Si)일 수 있다.
상기 규소(Si)는 3가 및 4가의 산화 상태를 가질 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 애노드, 상기 애노드와 마주하는 캐소드, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하는 광 활성층, 그리고 상기 캐소드와 상기 광 활성층 사이에 위치하는 중간층을 포함하고, 상기 중간층은 제1 금속, 산소 및 제2 금속이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분을 포함하는 망목 구조를 가지는 혼성 금속 산화물을 포함하며, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 둘 이상의 산화 상태를 가지는 태양 전지를 제공한다.
상기 혼성 금속 산화물은 상기 화학식 1로 표현될 수 있다.
상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 2가, 3가 및 4가 중에서 선택된 적어도 두 개의 산화 상태를 가질 수 있고, 상기 적어도 두 개의 산화 상태 중 적어도 하나는 도전성을 가지는 산화 상태일 수 있다.
상기 제2 금속은 둘 이상의 산화 상태를 가질 수 있고, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 총 함량에 대하여 약 0.1 내지 50몰%로 포함될 수 있다.
상기 혼성 금속 산화물은 비정질 부분을 적어도 일부 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은 서로 다르며 각각 티타늄(Ti), 아연(Zn), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn)에서 선택될 수 있다.
상기 제1 금속은 티타늄(Ti)이고 상기 제2 금속은 규소(Si)일 수 있다.
상기 규소(Si)는 3가 및 4가의 산화 상태를 가질 수 있고, 상기 규소(Si)는 상기 티타늄(Ti)과 상기 규소(Si)의 총 함량에 대하여 약 0.1 내지 50몰%로 포함될 수 있다.
상기 중간층은 약 10-6 내지 10 S/cm의 전도도를 가질 수 있다.
상기 중간층은 약 3.0 내지 8.5 eV 의 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 광 활성층은 고분자를 포함하는 전자 공여체, 그리고 플러렌 또는 플러렌 유도체를 포함하는 전자 수용체를 포함할 수 있다.
태양 전지의 중간층으로 적용되어 전하 이동성을 선택적으로 제어함으로써 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 혼성 금속 산화물을 도시한 개략도이고,
도 2는 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 단면도이고,
도 3은 실시예 1 내지 3과 비교예 1, 2에서 얻은 금속 산화물 박막의 원자 공유 결합 상태를 보여주는 FT-IR 그래프이고,
도 4는 실시예 1 내지 3과 비교예 2에 따른 금속 산화물 박막 중의 규소(Si)의 산화 상태를 보여주는 XPS 그래프이고,
도 5는 실시예 5 내지 7과 비교예 3 내지 6에 따른 유기 태양전지의 광 전류 특성을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서 ‘금속’은 금속과 반금속을 모두 포함하는 용어이다.
이하 일 구현예에 따른 혼성 금속 산화물(hybrid metal oxide)을 설명한다.
일 구현예에 따른 혼성 금속 산화물은 제1 금속, 산소 및 제2 금속이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분을 포함하는 망목 구조(network structure)를 가진다.
상기 혼성 금속 산화물은 예컨대 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.
[화학식 1]
M1O2 - xM2Ox
상기 화학식 1에서,
M1은 제1 금속이고,
M2는 제2 금속이고,
x는 0.01<x<0.99를 만족한다.
상기 혼성 금속 산화물에서, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 둘 이상의 산화 상태(oxidation state)를 가진다.
상기 산화 상태는 상기 혼성 금속 산화물 내에서 상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 산화 정도(degree of oxidation)를 나타내는 것으로, 산화 상태에 따라 도전성을 가질 수도 있고 비도전성을 가질 수도 있다. 예컨대 상기 혼성 금속 산화물에서, 중성의 산화 상태를 가지는 금속은 비도전성을 나타내는 반면, 중성의 산화 상태보다 작은 산화 상태를 가지는 금속은 원자가(valence)가 깨지면서 그 부분에 전하를 더 수용할 수 있으므로 도전성을 가질 수 있다.
상기 혼성 금속 산화물에서, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 예컨대 2가, 3가 및 4가 중에서 선택된 적어도 두 개의 산화 상태를 가질 수 있고, 상기 적어도 두 개의 산화 상태 중 적어도 하나는 도전성을 가질 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 혼성 금속 산화물을 도시한 개략도이다.
도 1을 참고하면, 상기 망목 구조의 혼성 금속 산화물은 제1 금속(M1), 산소(O) 및 제2 금속(M2)이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분(A)을 포함한다. 또한 상기 혼성 금속 산화물의 제1 금속(M1)과 제2 금속(M2) 중 적어도 하나는 둘 이상의 산화 상태를 가질 수 있다.
예컨대, 도 1의 혼성 금속 산화물은 산소(O) 네 개와 연결되어 있는 산화 상태 4가인 제2 금속(M2) 및 산소(O) 세 개와 연결되어 있는 산화 상태 3가인 제2 금속(M2)을 동시에 포함할 수 있다. 상기 3가의 제2 금속(M2)은 양이온이 부족하여 전하를 띨 수 있다. 이에 따라 상기 제2 금속(M2)을 포함하는 상기 혼성 금속 산화물은 도전성이 변할 수 있고 에너지 레벨 및 밴드 갭의 변화를 유도할 수 있다. 이와 같은 에너지 레벨 및 밴드 갭의 변화에 따라, 상기 혼성 금속 산화물은 전자와 정공의 이동성을 선택적으로 조절할 수 있다. 예컨대 상기 혼성 금속 산화물은 캐소드와 n형 반도체 사이에 위치하는 중간층에 적합한 에너지 레벨을 가지면서 밴드 갭을 크게 하여 정공의 이동을 효과적으로 차단할 수 있다.
이와 같이 둘 이상의 산화 상태를 가지는 금속을 포함하는 혼성 금속 산화물은 졸-겔(sol-gel) 방법에 의해 얻을 수 있으며, 이에 대해서는 후술한다.
일반적으로 한 종류의 금속을 포함하는 금속 산화물의 경우 금속의 산화 상태가 일정하므로 도전성을 제어하기 어렵다. 일 구현예에서는 적어도 두 종류의 금속들을 포함하고 졸-겔 방법으로 형성시 상기 금속들의 전구체의 조성비를 조절함으로써 상기 금속들 중 적어도 하나가 둘 이상의 산화 상태를 가질 수 있다.
예컨대 둘 이상의 산화 상태를 가지는 금속이 제2 금속인 경우, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 총 함량에 대하여 약 50몰% 이하로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함되는 경우, 이종 원소 사이의 결합 확률이 높아져 제1 금속, 산소 및 제2 금속이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분이 형성될 수 있다. 또한 상기 범위로 포함되는 경우, 상기 제2 금속은 도전성을 가지는 산화 상태를 포함한 둘 이상의 산화 상태를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 약 0.1 내지 50몰%로 포함될 수 있다.
상기 제1 금속과 상기 제2 금속은 산소와 결합하여 금속 산화물을 형성할 수 있는 금속이면 특히 한정되지 않는다.
상기 제1 금속과 상기 제2 금속은 서로 다르며, 예컨대 각각 티타늄(Ti), 아연(Zn), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn)에서 선택될 수 있다.
예컨대 제1 금속이 티타늄(Ti)이고 제2 금속이 규소(Si)인 경우, 규소(Si)는 티타늄(Ti)과 규소(Si)의 총 함량에 대하여 약 50몰% 이하로 포함될 수 있다. 규소(Si)가 상기 범위로 포함됨으로써, 상기 규소(Si)는 도전성인 3가와 비도전성인 4가의 산화 상태를 동시에 가질 수 있다. 이 때 상기 규소(Si)의 함량이 낮을수록 규소(Si)가 더 환원되는 경향을 보이며, 이에 따라 도전성인 3가의 산화 상태를 가지는 규소(Si)의 비율이 증가할 수 있다. 상기 범위 내에서 규소(Si)는 티타늄(Ti)과 규소(Si)의 총 함량에 대하여 약 0.1 내지 50몰%로 포함될 수 있다.
상기 혼성 금속 산화물은 비정질 부분을 적어도 일부 포함할 수 있다.
상기 혼성 금속 산화물은 예컨대 약 10-6 내지 10 S/cm의 전도도를 가질 수 있다. 상기 범위의 전도도를 가짐으로써 태양 전지의 중간층으로 적용되어 광 활성층에서 전극으로 이동하는 전하의 이동성을 높일 수 있다.
상기 혼성 금속 산화물은 약 3.0 내지 8.5 eV 의 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 범위의 밴드갭을 가짐으로써 태양 전지의 광 활성층과 전극 사이에서 에너지 준위를 조절하여 전하의 이동성을 높일 수 있다.
상기 혼성 금속 산화물은 금속 전구체를 사용한 졸-겔 방법으로 형성될 수 있다.
일 구현예에 따른 혼성 금속 산화물의 형성 방법은 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체를 포함하는 용액을 준비하는 단계, 그리고 졸-겔 방법에 의해 상기 용액으로부터 제1 금속, 산소 및 제2 금속이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분을 포함하는 망목 구조의 혼성 금속 산화물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 전구체 및 상기 제2 금속 전구체는 예컨대 각각 알콕시드(alkoxide), 히드록시드(hydroxide), 시트레이트(citrate), 아세테이트(acetate), 카보네이트(carbonate), (메타)아크릴레이트((meth)acrylate), 나이트레이트(nitrate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 할라이드(halide), 티오카바메이트(thiocarbamate), 설포네이트(sulfonate) 및 이들의 수화물과 같은 금속 염 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체는 용매에 혼합된 용액 형태로 준비될 수 있다. 이 때 상기 제1 금속 전구체와 상기 제2 금속 전구체는 각각 용액 형태로 준비될 수도 있고, 상기 제1 금속 전구체와 상기 제2 금속 전구체 중 어느 하나를 포함하는 용액에 상기 제1 금속 전구체와 상기 제2 금속 전구체 중 다른 하나를 첨가하는 형태로 준비될 수도 있다.
이 때 용매는 상술한 성분을 용해 또는 분산할 수 있으면 특히 한정되지 않으며, 예컨대 탈이온수, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-프로폭시에탄올 2-부톡시에탄올, 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 디에틸렌글리콜메틸에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 톨루엔, 크실렌, 헥산, 헵탄, 옥탄, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디메틸에틸에테르, 메틸메톡시프로피온산, 에틸에톡시프로피온산, 에틸락트산, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜메틸에테르, 프로필렌글리콜프로필에테르, 메틸셀로솔브아세테이트, 에틸셀로솔브아세테이트, 디에틸렌글리콜메틸아세테이트, 디에틸렌글리콜에틸아세테이트, 아세톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논, 디메틸포름아미드(DMF), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈, γ-부틸로락톤, 디에틸에테르, 에틸렌글리콜디메틸에테르, 디글라임, 테트라히드로퓨란, 아세틸아세톤 및 아세토니트릴에서 선택될 수 있으며, 이들 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체를 포함하는 용액을 준비하는 단계는 예컨대 상기 제1 금속 전구체와 제1 산 촉매를 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계, 상기 제2 금속 전구체와 제2 산 촉매를 포함하는 제2 용액을 준비하는 단계, 그리고 상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 산 촉매와 상기 제2 산 촉매는 각각 상기 제1 금속 전구체와 상기 제2 금속 전구체의 가수분해(hydrolysis) 및 축합(condensation) 반응이 효과적으로 이루어질 수 있도록 한다. 상기 제1 산 촉매와 상기 제2 촉매는 같거나 다를 수 있으며, 예컨대 상기 제1 금속 전구체와 상기 제2 금속 전구체의 반응성에 따라 약산-약산, 약산-강산, 강산-약산 또는 강산-강산일 수 있다. 여기서 약산은 예컨대 아세트산 일 수 있으며 강산은 예컨대 염산일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 용액은 약 30 내지 70℃에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 온도 범위에서 열처리함으로써 반응성이 다른 두 금속간의 산화물 형성을 촉진할 수 있다.
상기 졸-겔 방법에 의해 형성된 망목 구조의 혼성 금속 산화물은 제1 금속, 산소 및 제2 금속이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분을 가지며, 이 때 제1 금속 및 제2 금속 중 적어도 하나는 둘 이상의 산화 상태를 가질 수 있다.
예컨대 제2 금속은 둘 이상의 산화 상태를 가질 수 있으며, 상기 둘 이상의 산화 상태 중 적어도 하나는 도전성을 가질 수 있다. 이 때 상기 제2 금속 전구체는 상기 제1 금속 전구체와 상기 제2 금속 전구체의 총 함량에 대하여 50몰% 이하로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함되는 경우, 이종 원소 사이의 결합 확률이 높아져 제1 금속, 산소 및 제2 금속이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분이 형성될 수 있다. 또한 상기 범위로 포함되는 경우, 상기 제2 금속은 도전성을 가지는 산화 상태를 포함한 둘 이상의 산화 상태를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 약 0.1 내지 50몰%로 포함될 수 있다.
상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은 전술한 바와 같이 특히 한정되지 않으나, 예컨대 각각 티타늄(Ti), 아연(Zn), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn)에서 선택될 수 있다.
예컨대 제1 금속이 티타늄(Ti)이고 제2 금속이 규소(Si)인 경우, 제1 금속 전구체로 예컨대 티타늄 테트라이소프로폭시드(titanium tetraisopropoxide, TIPS)가 사용될 수 있으며 제2 금속 전구체로 예컨대 테트라에틸 올쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate, TEOS)가 사용될 수 있다. 이 때 테트라에틸 올쏘실리케이트(TEOS)는 티타늄 테트라이소프로폭시드(TIPS)와 테트라에틸 올쏘실리케이트(TEOS)의 총 함량에 대하여 약 50몰% 이하로 포함될 수 있으며, 이에 따라 혼성 금속 산화물 내의 규소(Si)는 도전성인 3가와 비도전성인 4가의 산화 상태를 동시에 가질 수 있다. 이 때 테트라에틸 올쏘실리케이트(TEOS)의 함량이 낮을수록 규소(Si)가 더욱 환원되는 경향을 보여 도전성인 3가의 산화 상태를 가지는 규소(Si)의 비율이 증가할 수 있다.
이하 상기 혼성 금속 산화물을 적용한 태양 전지에 대하여 설명한다.
여기서는 태양 전지의 일 예로 유기 태양 전지에 대하여 예시적으로 설명한다.
도 2는 일 구현예에 따른 유기 태양 전지의 단면도이다.
도 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 유기 태양 전지(100)는 기판(10), 애노드(20), 광 활성층(30), 중간층(35) 및 캐소드(40)를 포함한다.
기판(10)은 투광성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 유리와 같은 무기 물질 또는 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드 및 폴리에테르술폰과 같은 유기 물질로 만들어질 수 있다.
애노드(20)는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 도핑된 산화아연 (indium doped ZnO, IZO), 산화주석(SnO2), 알루미늄 도핑된 산화아연(aluminum doped ZnO, AZO), 갈륨 도핑된 산화아연(gallium doped ZnO, GZO) 따위의 투명 도전체로 만들어질 수 있다.
캐소드(40)는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 리튬(Li) 등의 불투명 도전체로 만들어질 수 있다.
광 활성층(30)은 광 활성물질을 포함하며, 상기 광 활성물질은 n형 반도체 물질로 만들어진 전자 수용체와 p형 반도체 물질로 만들어진 전자 공여체를 포함할 수 있다.
상기 전자 수용체와 전자 공여체는 예컨대 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조를 이룰 수 있다. 이 때, 에너지 레벨이 상이한 2종 이상의 광 활성물질이 벌크 이종접합을 형성할 때, LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨이 상대적으로 낮은 물질이 전자 수용체로 사용되고, LUMO 레벨이 상대적으로 높은 물질이 전자 공여체로 사용될 수 있다.
벌크 이종접합 구조는 광 활성층(30)에 흡수된 빛에 의해 여기된 전자-정공 쌍이 확산을 통해 전자 수용체와 전자 공여체의 계면에 도달하면 그 계면을 이루는 두 물질의 전자 친화도 차이에 의하여 전자와 정공으로 분리되고, 전자는 전자 수용체를 통해 캐소드로 이동하고 정공은 전자 공여체를 통해 애노드로 이동하여 광전류(photocurrent)를 발생시킨다.
상기 광 활성 물질은 예컨대 폴리아닐린; 폴리피롤; 폴리티오펜; 폴리(p-페닐렌비닐렌); 벤조디티오펜(benzodithiophene); 티에노티오펜(thienothiophene); MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene); MDMO-PPV(poly(2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene-vinylene); 펜타센; 페릴렌(perylene); 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리(3-알킬티오펜); 폴리((4,8-비스(옥틸옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((도데실옥시)카르보닐)티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(octyloxy)benzo(1,2-b:4,5-b')dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((dodecyloxy)carbonyl)thieno(3,4-b)thiophenediyl)-3,6-diyl), PTB1); 폴리((4,8-비스(2-에틸헥실옥시)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(2-((2-에틸헥실옥시)카르보닐)-3-플루오로티에노[3,4-b]티오펜)-3,6-디일)(poly((4,8-bis(2-ethylhexyloxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl-alt-(2-((2-ethylhexyloxy)carbonyl)-3-fluorothieno[3,4-b]thiophenediyl)-3,6-diyl)), PTB7); 프탈로시아닌(phthalocyanine); 틴(Ⅱ) 프탈로시아닌(tin (Ⅱ) phthalocyanine, SnPc); 구리 프탈로시아닌(copper phthalocyanine); 트리아릴아민(triarylamine); 벤지딘(bezidine); 피라졸린(pyrazoline); 스티릴아민(styrylamine); 하이드라존(hydrazone); 카바졸(carbazole); 티오펜(thiophene); 3,4-에틸렌디옥시티오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT); 피롤(pyrrole); 페난트렌(phenanthrene); 테트라센(tetracence); 나프탈렌(naphthalene); 루브렌(rubrene); 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA); Alq3 ; 플러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C84, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM과 같은 플러렌 유도체들; CdS, CdTe, CdSe, ZnO 등과 같은 무기 반도체; 이들의 유도체 및 이들의 공중합체에서 선택되는 적어도 2종을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
중간층(35)은 전술한 혼성 금속 산화물로 만들어질 수 있으며, 전술한 바와 같이 상기 혼성 금속 산화물은 도전성이 개선되고 소정 범위의 에너지 레벨 및 밴드갭을 가질 수 있어서 광 활성층(30)으로부터 캐소드(40)로 이동하는 전하의 이동성을 높일 수 있다. 또한 중간층(35)은 광 활성층(30)에서 생성된 전자가 캐소드(40)로 효율적으로 이동할 수 있도록 하는 한편, 캐소드(40) 측으로 정공이 이동하는 것을 차단하여 전자와 정공의 재결합으로 인해 전하가 소실되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 궁극적으로 유기 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
이하 본 기재의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 기재의 일 실시예일뿐이며, 본 기재가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
혼성 금속 산화물 용액의 제조
합성예 1
메탄올 48.5 g (61.2 ml)이 담긴 플라스크에 티타늄 테트라이소프로폭시드(titanium tetraisopropoxide, TIP) 46.9 g (50.0 ml)을 천천히 넣은 후, 여기에 아세트산 9.78 g (9.32 ml)을 방울씩 첨가한다. 이어서 상기 혼합물을 30분 동안 교반한다. 이어서 테트라에틸 올쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate, TEOS) 0.347 g (0.369 ml) 과 37% 염산 0.00167 ml을 포함한 용액을 상기 혼합물에 천천히 공급한 후 30분 동안 교반한다. 여기서 상기 용액 중에 상기 티타늄 테트라이소프로폭시드와 상기 테트라에틸 올쏘실리케이트는 각각 99몰%와 1몰%로 포함된다. 이어서 탈이온수 3.00 g을 방울씩 첨가한다. 이어서 상기 혼합물을 60℃에서 4시간 동안 가열한 후 실온에서 하루 동안 교반하여 졸(sol) 형태의 혼성 금속 산화물 용액(HMO1)을 얻는다.
[반응식]
Figure pat00001

합성예 2
상기 용액 중에 상기 티타늄 테트라이소프로폭시드와 상기 테트라에틸 올쏘실리케이트를 각각 95몰%와 5몰%의 비율로 포함하는 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 혼성 금속 산화물 용액을 얻는다.
합성예 3
상기 용액 중에 상기 티타늄 테트라이소프로폭시드와 상기 테트라에틸 올쏘실리케이트를 각각 50몰%와 50몰%의 비율로 포함하는 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 혼성 금속 산화물 용액을 얻는다.
비교합성예 1
테트라에틸 올쏘실리케이트를 포함하지 않은 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 혼성 금속 산화물 용액을 얻는다.
비교합성예 2
티타늄 테트라이소프로폭시드를 포함하지 않은 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 혼성 금속 산화물 용액을 얻는다.
산화물 박막의 형성
실시예 1
유리 기판 위에 합성예 1에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액을 스핀 코팅으로 도포한 후 상온에서 건조하여 금속 산화물 박막을 형성한다.
실시예 2
유리 기판 위에 합성예 2에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액을 스핀 코팅으로 도포한 후 상온에서 건조하여 금속 산화물 박막을 형성한다.
실시예 3
유리 기판 위에 합성예 3에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액을 스핀 코팅으로 도포한 후 상온에서 건조하여 금속 산화물 박막을 형성한다.
비교예 1
유리 기판 위에 비교합성예 1에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액을 스핀 코팅으로 도포한 후 상온에서 건조하여 금속 산화물 박막을 형성한다.
비교예 2
유리 기판 위에 비교합성예 2에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액을 스핀 코팅으로 도포한 후 상온에서 건조하여 금속 산화물 박막을 형성한다.
분석 1
적외선 분광기(FT-IR)를 사용하여 실시예 1 내지 3과 비교예 1, 2에 따른 금속 산화물 박막의 구조를 분석한다.
도 3은 실시예 1 내지 3과 비교예 1, 2에서 얻은 금속 산화물 박막의 원자 공유 결합 상태를 보여주는 FT-IR 그래프이다.
도 3을 참고하면, 실시예 1 내지 3에 따른 금속 산화물 박막은 약 920cm-1 부근에서 피크가 관찰되어 티타늄(Ti)-산소(O)-규소(Si)의 공유 결합이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 비교예 1, 2에 따른 금속 산화물 박막은 상기 피크가 관찰되지 않은 것을 알 수 있다.
분석 2
XPS를 사용하여 실시예 1 내지 3과 비교예 2에 따른 금속 산화물 박막 중의 규소(Si)의 산화 상태를 분석한다.
규소(Si)의 산화 상태는 비교예 2에 따른 금속 산화물 박막(SiO2 박막)을 기준으로, XPS의 피크가 이동(shift)한 것으로부터 분석할 수 있다.
도 4는 실시예 1 내지 3과 비교예 2에 따른 금속 산화물 박막 중의 규소(Si)의 산화 상태를 보여주는 XPS 그래프이다.
도 4를 참고하면, 비교예 2에 따른 금속 산화물 박막은 약 102.5eV(기준 피크: 4가의 산화 상태를 가지는 규소(Si)의 결합 에너지, 즉 SiO2에서 규소(Si)와 산소(O)의 결합 에너지)에서 피크가 관찰되는데 반해, 실시예 1 내지 3에 따른 금속 산화물 박막은 3가와 4가의 산화 상태를 가지는 규소(Si)를 포함함으로써 상기 기준 피크로부터 우측으로 이동된 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있다.
평가 1: 밴드갭 측정
실시예 1 내지 3에 따른 금속 산화물 박막의 밴드갭(bandgap)을 측정한다. 밴드갭은 금속 산화물 박막의 UV-vis 흡수 스펙트럼의 흡수 피크(peak)의 가장자리(edge)로부터 구한다. 일함수 (work function)는 금속 산화물을 ITO glass 위에 스핀 코팅하여 UPS (ultraviolet photoelectron spectroscopy) 스펙트럼을 측정하여 구한다.
그 결과는 표 1과 같다.
일함수(eV) 밴드갭 Eg(eV)
실시예 1 3.877 3.75
실시예 2 3.877 3.77
실시예 3 3.981 3.82
비교예 1 3.76 3.73
비교예 2 4.12 N/A
* N/A: 밴드갭이 매우 크므로 UV-vis 흡수 측정 범위를 벗어남.
표 1을 참고하면, 실시예 1 내지 3에 따른 금속 산화물 박막은 유기 태양전지의 중간층으로 적용되기에 적절한 일함수 및 밴드갭을 가지는 것을 확인할 수 있다.
또한 Si의 몰비가 가장 높은 실시예 3에 따른 금속 산화물 박막이 일함수가 가장 높은 것을 알 수 있으며, 이로부터 Si의 몰비가 높을수록 n-type (C70-PCBM)의 LUMO 에너지 레벨 (-4.0 eV) 및 캐쏘드인 Al의 일함수 (4.06~4.26 eV)에 가까운 에너지 레벨을 가지므로 전자의 이동성을 높일 것으로 예상할 수 있다. 또한 Si의 몰비가 높을수록 금속 산화물 박막의 밴드갭 또한 증가하므로 정공 차단 효과가 증가할 것으로 예상할 수 있다.
이와 같이 실시예 1 내지 3에 따른 금속 산화물 박막은 전하를 선택적으로 이동시킴으로써 중간층으로서 역할을 할 수 있다.
유기 태양전지의 제조
실시예 5
투명 유리기판 위에 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide, ITO)를 스퍼터링 방법으로 적층하여 150nm 두께의 애노드를 형성한다. 이어서, 상기 애노드 위에 스핀 코팅 방법으로 30 nm 두께의 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythoiphene):poly(styrenesulfonate)) 막을 형성한 후, 1시간 동안 소성한다.
이어서, 상기 PEDOT:PSS 막 위에 전자 공여 고분자 폴리((4,8-비스(5-(2-에틸헥실)티에닐)벤조[1,2-b:4,5-b']디티오펜)-2,6-디일-알트-(5-에톡시-5-옥소펜틸-3-필루오로티에노(3,4-b)티오펜-2-카르복실레이트)-3,6-디일) (poly((4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thienyl)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl-alt-(5-ethoxy-5-oxopentyl-3-fluorothieno[3,4-b]thiophene-2-carboxylate)-3,6-diyl), DTBOEOPF) 8 mg과 C70-PCBM 16 mg을 포함하는 혼합물을 스핀 코팅 방법(2000 rpm)으로 65 nm 두께가 되도록 도포하여 광 활성층을 형성한다.
이어서, 상기 광 활성층 위에 합성예 1에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액을 각각 도포한 후 상온에서 건조하여 중간층을 형성한다. 이어서 열 증착(thermal evaporation) 방법으로 80 nm 두께의 Al 캐소드를 형성하여 유기 태양전지를 제조한다.
실시예 6
합성예 1에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액 대신 합성예 2에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조한다.
실시예 7
합성예 1에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액 대신 합성예 3에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조한다.
비교예 3
합성예 1에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액 대신 비교합성예 1에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조한다.
비교예 4
합성예 1에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액 대신 비교합성예 2에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조한다.
비교예 5
합성예 1에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액 대신 LiF를 증착한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조한다.
비교예 6
합성예 1에서 얻은 혼성 금속 산화물 용액 대신 Ca을 증착한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 유기 태양전지를 제조한다.
평가 3: 광 전류 특성
실시예 5 내지 7과 비교예 3 내지 6에 따른 유기 태양전지의 광 전류 전압을 측정하고, 측정된 광 전류 곡선으로부터 개방 회로 전압(open-circuit voltage, Voc), 전류 밀도(short-circuit current, Jsc) 및 충진계수(fill factor, FF)를 계산한다. 또한 이로부터 태양 전지의 효율(η)을 평가한다.
그 결과는 표 3 및 도 5와 같다.
도 5는 실시예 5 내지 7과 비교예 3 내지 6에 따른 유기 태양전지의 광 전류 특성을 보여주는 그래프이다.
Voc(mV) Jsc(㎃/㎠) FF(%) 효율(%)
실시예 5 776.1 14.7 70.0 7.99
실시예 6 776.1 14.9 69.0 7.98
실시예 7 776.1 15.1 69.4 8.13
비교예 3 776.1 14.6 69.2 7.84
비교예 4 756.0 14.9 63.7 7.18
비교예 5 776.1 14.3 64.8 7.19
비교예 6 766.1 14.9 67.4 7.69
표 3 및 도 5를 참고하면, 실시예 5 내지 7에 따른 유기 태양전지는 비교예 3 내지 6에 따른 유기 태양전지와 비교하여 높은 전류 밀도 및 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 기판
20: 애노드
30: 광 활성층
35: 중간층
40: 캐소드
M1: 제1 금속
M2: 제2 금속

Claims (28)

  1. 제1 금속, 산소 및 제2 금속이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분을 포함하는 망목 구조(network structure)를 가지고,
    상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 둘 이상의 산화 상태(oxidation state)를 가지는
    혼성 금속 산화물.
  2. 제1항에서,
    상기 혼성 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표현되는 혼성 금속 산화물
    [화학식 1]
    M1O2 - xM2Ox
    상기 화학식 1에서,
    M1은 제1 금속이고,
    M2는 제2 금속이고,
    x는 0.01<x<0.99를 만족함.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 2가, 3가 및 4가 중에서 선택된 적어도 두 개의 산화 상태를 가지고,
    상기 적어도 두 개의 산화 상태 중 적어도 하나는 도전성을 가지는 산화 상태인 혼성 금속 산화물.
  4. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 제2 금속은 둘 이상의 산화 상태를 가지고,
    상기 제2 금속은 상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 총 함량에 대하여 0.1 내지 50몰%로 포함되어 있는 혼성 금속 산화물.
  5. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 혼성 금속 산화물은 비정질 부분을 적어도 일부 포함하는 혼성 금속 산화물.
  6. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은 서로 다르며 각각 티타늄(Ti), 아연(Zn), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn)에서 선택되는 혼성 금속 산화물.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 금속은 티타늄(Ti)이고 상기 제2 금속은 규소(Si)인 혼성 금속 산화물.
  8. 제7항에서,
    상기 규소(Si)는 3가 및 4가의 산화 상태를 가지고,
    상기 규소(Si)는 상기 티타늄(Ti)과 규소(Si)의 총 함량에 대하여 0.1 내지 50몰%로 포함되어 있는 혼성 금속 산화물.
  9. 제1항에서,
    상기 혼성 금속 산화물은 10-6 내지 10 S/cm의 전도도를 가지는 혼성 금속 산화물.
  10. 제1항에서,
    상기 혼성 금속 산화물은 3.0 내지 8.5 eV 의 일 함수를 가지는 혼성 금속 산화물.
  11. 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체를 포함하는 용액을 준비하는 단계, 그리고
    졸-겔(sol-gel) 방법에 의해 상기 용액으로부터 제1 금속, 산소 및 제2 금속이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분을 포함하는 망목 구조의 혼성 금속 산화물을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 둘 이상의 산화 상태를 가지는
    혼성 금속 산화물의 형성 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 제1 금속 전구체 및 제2 금속 전구체를 포함하는 용액을 준비하는 단계는
    상기 제1 금속 전구체와 제1 산 촉매를 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계,
    상기 제2 금속 전구체와 제2 산 촉매를 포함하는 제2 용액을 준비하는 단계, 그리고
    상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 혼합하는 단계
    를 포함하는 혼성 금속 산화물의 형성 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에서,
    상기 용액을 30 내지 70 ℃에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 혼성 금속 산화물의 형성 방법.
  14. 제11항에서,
    상기 제2 금속은 둘 이상의 산화 상태를 가지고,
    상기 제2 금속 전구체는 상기 제1 금속 전구체와 상기 제2 금속 전구체의 총 함량에 대하여 0.1 내지 50몰%로 포함되어 있는
    혼성 금속 산화물의 형성 방법.
  15. 제11항에서,
    상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은 서로 다르고 각각 티타늄(Ti), 아연(Zn), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn)에서 선택되는 혼성 금속 산화물의 형성 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 제1 금속은 티타늄(Ti)이고 상기 제2 금속은 규소(Si)인 혼성 금속 산화물의 형성 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 규소(Si)는 3가 및 4가의 산화 상태를 가지는 혼성 금속 산화물의 형성 방법.
  18. 애노드,
    상기 애노드와 마주하는 캐소드,
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하는 광 활성층, 그리고
    상기 캐소드와 상기 광 활성층 사이에 위치하는 중간층
    을 포함하고,
    상기 중간층은 제1 금속, 산소 및 제2 금속이 공유 결합으로 연결되어 있는 부분을 포함하는 망목 구조를 가지는 혼성 금속 산화물을 포함하며,
    상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 둘 이상의 산화 상태를 가지는
    태양 전지.
  19. 제18항에서,
    상기 혼성 금속 산화물은 하기 화학식 1로 표현되는 태양 전지.
    [화학식 1]
    M1O2 - xM2Ox
    상기 화학식 1에서,
    M1은 제1 금속이고,
    M2는 제2 금속이고,
    x는 0.01<x<0.99를 만족함.
  20. 제18항 또는 제19항에서,
    상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 중 적어도 하나는 2가, 3가 및 4가 중에서 선택된 적어도 두 개의 산화 상태를 가지고,
    상기 적어도 두 개의 산화 상태 중 적어도 하나는 도전성을 가지는 산화 상태인
    태양 전지.
  21. 제18항 또는 제19항에서,
    상기 제2 금속은 둘 이상의 산화 상태를 가지고,
    상기 제2 금속은 상기 제1 금속과 상기 제2 금속의 총 함량에 대하여 0.1 내지 50몰%로 포함되어 있는
    태양 전지.
  22. 제18항 또는 제19항에서,
    상기 혼성 금속 산화물은 비정질 부분을 적어도 일부 포함하는 태양 전지.
  23. 제18항 또는 제19항에서,
    상기 제1 금속 및 상기 제2 금속은 서로 다르며 각각 티타늄(Ti), 아연(Zn), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 및 주석(Sn)에서 선택되는 태양 전지.
  24. 제23항에서,
    상기 제1 금속은 티타늄(Ti)이고 상기 제2 금속은 규소(Si)인 태양 전지.
  25. 제24항에서,
    상기 규소(Si)는 3가 및 4가의 산화 상태를 가지고,
    상기 규소(Si)는 상기 티타늄(Ti)과 상기 규소(Si)의 총 함량에 대하여 0.1 내지 50몰%로 포함되어 있는 태양 전지.
  26. 제18항에서,
    상기 중간층은 10-6 내지 10 S/cm의 전도도를 가지는 태양 전지.
  27. 제18항에서,
    상기 중간층은 3.0 내지 8.5 eV의 밴드갭을 가지는 태양 전지.
  28. 제18항에서,
    상기 광 활성층은
    고분자를 포함하는 전자 공여체, 그리고
    플러렌 또는 플러렌 유도체를 포함하는 전자 수용체
    를 포함하는 태양 전지.
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