KR20160049567A - 금속산화물 나노입자와 금속산화물 나노로드를 포함하는 전자 전달층 및 이를 포함하는 고분자 태양전지 - Google Patents

금속산화물 나노입자와 금속산화물 나노로드를 포함하는 전자 전달층 및 이를 포함하는 고분자 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속산화물 반도체 나노입자(nanoparticles)와 금속산화물 반도체 나노로드(nanorods)를 포함하는 태양전지의 전자 전달층을 제공한다. 또한 본 발명에서 금속산화물 반도체 나노입자와 금속산화물 반도체 나노로드를 포함하는 전자 전달층을 제공함으로써, 이를 포함하는 태양전지는 전자 전달층의 모폴로지 변화로 인해, 향상된 단략 전류밀도와 높은 광전변환효율을 나타낼 수 있다.

Description

금속산화물 나노입자와 금속산화물 나노로드를 포함하는 전자 전달층 및 이를 포함하는 고분자 태양전지{Electron transport layer of having metal oxide nanoparticles and metal oxide nanorods, and polymer solar cells comprising the same}
본 발명은 금속산화물 나노입자와 금속산화물 나노로드를 포함하는 전자 전달층 및 이를 포함하는 고분자 태양전지에 관한 것이다.
종래에는 단결정 또는 다결정의 실리콘 태양전지가 주로 사용되어 왔으나, 유연성 기판에 적용하기 어렵다는 점과, 제조비용이 높은 문제점이 있어, 이러한 비용문제를 해결하기 위하여 유기물을 이용한 박막형 태양전지에 관한 연구가 활발하게 진행 중에 있다.
유기박막 태양전지 기술은 고분자 혹은 유기 반도체를 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 기술로, 저렴한 비용과 제조공정의 용이성을 바탕으로 대량생산과 박막형, 유연성 소자에 적용가능하다는 장점이 있다.
한편, 유기박막 태양전지의 구성은 투명전극과 전자와 정공을 발생시키는 전자주게(electron donor) 및 발생된 전자를 받아주는 전자받게(electron donor), 그리고 전극으로 구성된다.
또한 벌크 이종접합(bulk heterojunctiion, BHJ) 모폴로지를 기반으로 한 유기박막 태양전지는 전자 주게 고분자 및 전자 받게 플러렌(electron accepting fullerene) 유도체의 블랜드(blend)로 인해 제조된다. 이는 유연성, 저가, 경량, 및 대면적 처리능력에 대한 잠재력 때문에 유망한 신재생 에너지원으로서 많은 주목을 받고 있다.
종래의 유기 태양전지의 광전 변환층에 빛이 입사되면 전자주게 물질에서 전자와 정공쌍이 생성되며, 이때 전자-정공쌍을 엑시톤(exiton)이라고 부른다. 전자주게에서 생성된 엑시톤은 전자받게 물질로 이동하면서 전자와 정공쌍의 분리가 일어나게 된다. 이처럼 전자주게와 전자받게의 계면에서 전자-정공 분리되는 현상이 일어나고, 분리된 전자와 정공이 움직이면서 전류가 흐르게 된다.
하지만 이 구조에서는 음극에 사용되는 금속이 쉽게 산화됨으로써 금속과 광활성층 사이의 계면에서 직렬 저항이 증가되어 유기 태양전지의 성능을 열화 시킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 ITO 투명전극을 음극에 적용하고, 메탈전극을 양극으로 적용하였고, 광 활성층 및 전극 사이에 계면 층을 삽입함으로써, 태양광 성능을 향상시킬 수 있는 역구조 유기 태양전지가 도입되었다.
상기와 같은 이유로, 세슘 카보네이트(cesium carbonate, Cs2CO3), 티타늄 옥사이드(Titanium oxide, TiOX) 및 산화아연(ZnO)과 같은 금속산화물을 포함하는 다양한 전자 전달층은 전자 이동과 전하 추출을 향상시키기 위해 제조되어 왔다.
특히, 이들 중에 높은 전자이동성, 가시영역에서의 광 투과율 때문에 역구조 태양전지의 전자 전달층(Electron transport layer, ETL)으로써 산화아연(ZnO)이 광범위하게 사용되고 있다.
한편 나노로드(nanorods), 나노파이버(nanofiber), 나노와이어(nanowire) 및 나노기둥(nanaopillars) 과 같은 일차원의 산화아연 나노크리스탈(nanocrystal)을 전자 전달층으로 사용함으로써 전자 전달을 향상시킨다는 연구가 보고되었다.
특히 산화아연 나노로드의 모폴로지는 캐리어 경계의 산란을 방지할 수 있는 단결정인 특성 때문에 높은 전하 이동성을 갖고있다. 즉, 전자 전달층의 모폴로지의 조절은 역구조 고분자 태양전지 장치의 특성을 향상시키는 데 매우 중요하다.
그러나 산화아연 나노입자와 반대로, 일차원의 산화아연 나노구조는 콜로이드 용액에서의 불균일한 분산으로 인해 효과적인 전자 전달층으로써 역할의 어려운 문제가 있다.
Y. J. He, H. Y. Chen, J. H. Hou, Y. F. Li, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1377. M. S. White, D. C. Olson, S. E. Shaheen, N. Kopidakis, D. S. Ginley, Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 143517
본 발명의 목적은 금속산화물 나노입자와 금속산화물 나노로드를 포함하는 전자 전달층 및 이를 포함하는 고분자 태양전지를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 금속산화물 반도체 나노입자(nanoparticles)와 금속산화물 반도체 나노로드(nanorods)를 포함하는 태양전지의 전자 전달층을 제공한다.
또한 본 발명은
기판; 음극층; 전자 전달층; 광활성층; 정공 전달층 ; 및 양극층; 을 포함하며 상기 전자 전달층은 금속산화물 반도체 나노입자와 금속산화물 반도체 나노로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
나아가, 본 발명은
기판 상부에 음극층을 형성하는 단계 (단계 1);
금속산화물 반도체 나노입자와 금속산화물 반도체 나노로드를 포함하는 전자 전달층을 형성하는 단계(단계 2);
활성층을 형성하는 단계 (단계 3);
정공 전달층을 형성하는 단계 (단계 4); 및
양극층을 형성하는 단계 (단계 5);를 포함하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 금속산화물 반도체 나노입자와 금속산화물 반도체 나노로드를 포함하는 전자 전달층을 제공함으로써, 이를 포함하는 태양전지는 전자 전달층의 모폴로지 변화로 인해, 향상된 단략 전류밀도와 높은 광전변환효율을 나타낼 수 있다.
도 1은 통상적인 역구조 태양전지를 도시한 도면이고;
도 2의 (a)는 콜로이드 용액상의 산화아연 나노입자를 투과전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM)으로 관찰한 사진이고, (b)는 콜로이드 용액상의 산화아연 나노로드를 투과전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 3은 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조된 태양전지의 전류-전압(Current density (J)-voltage (V)) 곡선을 나타낸 그래프이고,
도 4는 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조된 태양전지의 외부 양자효율(external quantum efficiency, EQE) 곡선을 나타낸 그래프이고,
도 5의 (a)는 비교예 1 및 비교예 2 에서 제조된 태양전지의 자외선 광전자 스펙트럼(Ultraviolet photoelectron spectra, UPS)을 나타낸 그래프이고,
(b)는 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 태양전지 중 전자 전달층과 활성층 의 계면에서의 에너지 준위 정렬 모식도이고;
도 6은 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1에서 제조된 태양전지 중 산화아연 전자 전달층의 표면을 주사전자현미경(Scanning electron microscopy,SEM)으로 관찰한 사진이고;
도 7의 (a)는 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 태양전지 중 전자 전달층의 광 발광(Photoluminescence,PL)을 측정한 그래프이고, (b)는 전자 전달층의 라만스펙트럼(Raman spectrum)을 측정한 그래프이고;
도 8(a)는 실시예 2 및 비교예 3에서 제조된 태양전지의 전류-전압 곡선을 나타낸 그래프이고, 도 8(b)는 외부양자효율 곡선을 나타낸 그래프이고;
도 9는 실시예 1, 3 및 4에서 제조된 태양전지의 전류-전압 곡선을 나타낸 그래프이고;
도 10은 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조된 태양전지의 반사율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 금속산화물 반도체 나노입자(nanoparticles)와 금속산화물 반도체 나노로드(nanorods)를 포함하는 태양전지의 전자 전달층을 제공한다.
일반적으로 태양전지의 전자 전달층으로 사용되는 금속산화물은 나노입자, 나노로드, 나노와이어 및 나노기둥과 같은 일차원의 나노결정을 사용하는 연구가 진행되어 왔으나 이의 광전변환효율은 높지 않다.
한편, 본 발명에서는 나노입자와 나노로드가 혼합된 전자 전달층을 제조하여 태양전지에 적용함으로써, 효과적인 전자 전달로 인해 높은 광전변환효율 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 금속산화물은 아연(Zn), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 세슘(Cs) 및 인듐(In)등을 사용할 수 있다.
또한 본 발명은
기판; 음극층; 전자 전달층; 광활성층; 정공 전달층 ; 및 양극층; 을 포함하며 상기 전자 전달층은 금속산화물 반도체 나노입자와 금속산화물 반도체 나노로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
이하, 본 발명의 역구조 태양전지를 도 1에 나타낸 모식도를 참조하여 상세히 설명한다.
도 1의 모식도에 도시한 바와 같이, 태양전지(100)의 음극층(10)은 ITO, AZO, IZO, GZO, ITO-Ag-ITO, ITO-Cu-ITO, AZO-Ag-AZO, GZO-Ag-GZO, IZO-Ag-IZO 및 IZTO-Ag-IZTO를 포함한다.
활성층(20)은 [6,6]- phenyl-C60 butyric acid methyl ester(PCBM), poly(3-hexylthiophene(P3HT), poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene](MEH-PPV),poly[N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)] (PCDTBT), poly[2-methoxy-5-3(3,7-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene(MDMOPPV), poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)-carbonyl]-thieno-[3,4-b]thiophenediyl]](PTB7), 및 [6,6]-phenyl-C70 butyric acid methyl ester (PC70BM)을 포함하는 군으로부터 선택되는 2종 이상을 사용할 수 있다.
상기 전자 전달층(30)은 금속산화물 반도체 나노입자와 금속산화물 나노로드를 포함한다.
이때, 상기 금속산화물은 아연(Zn), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 세슘(Cs) 및 인듐(In)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종의 금속을 포함한다.
상기 정공 전달층(40)은 MoO3, CrOX , V2O5 및 NiO 등을 사용할 수 있다.
상기 양극층(40)은 Ag, Ni 및 Au 을 포함하는 군으로부터 선택된 1종을 포함할 수 있다.
또한 본 발명은,
기판 상부에 음극층을 형성하는 단계 (단계 1);
금속산화물 반도체 나노입자와 금속산화물 반도체 나노로드를 포함하는 전자 전달층을 형성하는 단계(단계 2);
활성층을 형성하는 단계 (단계 3);
정공 전달층을 형성하는 단계 (단계 4); 및
양극층을 형성하는 단계 (단계 5);를 포함하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 단계 2의 전자 전달층을 제조하는 데 있어서,
금속산화물 반도체 나노입자를 제조하는 단계 (단계 a);
금속산화물 반도체 나노로드를 제조하는 단계 (단계 b);
금속산화물 반도체 산화물 혼합용액을 제조하는 단계 (단계 c); 및
음극층 상부에 단계 c의 혼합용액을 스핀코팅하는 단계 (단계 d)를 포함하는 공정을 통해 형성될 수 있다.
상기 단계 a는 금속산화물 반도체 나노입자를 제조하는 단계로, 상세하게는 금속산화물 전구체용액을 제조한 후 원심분리에 의해 침전물을 분리시키고, 혼합용매에 분산시켜 수행할 수 있다. 이때, 상기 혼합 용매로는 클로로벤젠(chlorobenzene)과 이소프로필 알코올(isoproply alcohol, IPA)의 부피비가 1:1 내지 2:1인 혼합용매를 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 b는 금속산화물 반도체 나노로드를 제조하는 단계로써, 상기 단계 a에서 제조된 나노입자 혼합물을 실온에서 교반하여 농축 및 가열시킬 수 있으며,침전물은 클로로벤젠 및 이소프로필 알코올의 혼합 용매에 분산시킬 수 있다.
상기 단계 c는 상기 단계 a 및 b에서 제조된 금속산화물 나노입자 및 나노로드 용액을 혼합하여 금속산화물 이원(binary) 혼합용액을 제조하는 단계이다.
이때, 상기 이원 혼합 용액은 나노입자 및 나노로드의 무게비가 2:1 내지 1:2 인 것이 바람직하다. 만약 혼합 무게비가 상기 범위를 벗어나는 혼합용액을 제조할 경우 태양전지에 적용시 광전류 및 광전효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 혼합용액 제조시 사용되는 용매로는 클로로벤젠 및 이소프로필 알코올의 부피비가 1:1 내지 2:1인 혼합용매를 사용할 수 있다.
상기 단계 d는 상기 단계 c에서 제조된 금속 산화물 이원 혼합용액을 음극층(10) 상부에 스핀코팅하여 전자 전달층을 형성할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 3은 활성층을 형성하는 단계이다. 활성층에 사용되는 물질로는, P3HT, PCDTBT, MDMOPPV, PTB7, 및 PC70BM로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종 이상을 사용할 수 있으며, 주로 P3HT 및 PCBM을 사용하여 상기 단계 2에서 제조된 산화아연층 상부에 스핀코팅(spin coating), 드롭-캐스팅(drop-casting)법 등을 통해 증착할 수 있다.
상기 단계 4는 정공 전달층은 형성하는 단계로 주로 MoO3을 사용하여 진공 열 증착법(vacuum thermal evaporation) 등을 통해 수행할 수 있고, 상기 단계 5의 양극층은 주로 은(Ag)을 사용하여 진공 열 증착법 등을 통해 형성시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 본 발명을 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1> 산화아연 이원(binary) 혼합용액의 제조
산화아연 나노입자 및 나노로드가 혼합된 산화아연 이원(binary) 혼합물을 제조하였으며, 이는 하기에 나타낸 방법으로 수행되어 제조하였다.
단계 1 : 아연아세테이트 무수물 (Zinc acetate dehydrate) 2.95 g을 62 에서 메탄올 125 ml에 용해시켰다. 수산화 칼륨용액(potassium hydroxide) 1.48g을 메탄올 65 ml에 용해시킨 후 상기 아연아세테이트 용액에 격렬한 교반 하에 10분 동안 적정시켰다.
단계 2 : 두 시간 경과 후, 상기 단계 1의 용액을 원심분리에 의해 산화아연 나노입자 침전물을 분리시키고, 침전물은 100 ml의 메탄올을 사용하여 2회 세척하였다. 상기 산화아연 나노입자는 클로로벤젠(chlorobenzene, CB)과 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)의 1:1 부피 비율로 혼합된 용매에 분산시켰으며, 이때 용액은 투명하였다.
단계 3 : 상기 단계 2에서 제조된 산화아연 나노입자 혼합물을 실온에서 교반하여 10배로 농축시켰다.
상기 농축된 용액을 60 에서 4시간 동안 가열하였다. 그 후 침전물을 두 번 세척하고, 클로로벤젠 및 이소프로필 알코올의 혼합 용매에 분산시켜 산화아연 나노로드를 제조하였다.
단계 4 : 용매 클로로벤젠 및 이소프로필 알코올을 1:2의 부피비로 혼합한 용매에, 상기 산화아연 나노입자 및 산화아연 나노로드를 2:1의 무게 비율로 혼합하였다. 이 후 30분 동안 격렬하게 교반하여 산화아연 이원(binary) 혼합용액을 제조하였다.
본 발명에 있어서, 콜로이드 용액상의 산화아연 나노입자의 농도는 10 mg/ml로 유지하였다.
<실시예 1> 태양전지의 제조 1
단계 1: 전자 전달층의 기판으로 사용되는 산화 인듐 주석 (Indium tin oxide, ITO)이 코팅된 유리 기판을 아세톤(acetone), 이소프로판올(isopropanol, IPA) 및 DI-워터(DI-water)로 30 분 동안 연속 초음파 처리에 의해 세척하였다.
그 후 상기 제조예 1에서 제조된 산화아연 이원 혼합물을 ITO 기판에 스핀 코팅하였고, 130 에서 10분 동안 건조시켜 전자 전달층을 형성하였다.
단계 2 : 활성층은 30 mg/ml의 1,2-디클로로벤젠(1,2-dicholorobenzene)에 P3HT 및 PCBM을 1:0.8의 중량 비율로 블랜드된 용액을 제조한 후, 상기 단계 1에서 제조된 산화아연층 상부에 600rpm, 30초 동안 스핀코팅법으로 증착하였다(아르곤 가스가 채워진 글로브박스내에서 수행). 또한 상기 활성층을 핫 플레이트에서 150, 10분 동안 열처리하였다.
단계 3 : 정공 전달층은 MoO3을, 양극층은 Ag을 사용하여 진공 열 증착법(vacuum thermal evaporation)으로 증착하였다.
또한 9 mm2 디바이스 넓이를 나타내기 위하여, 금속 섀도우 마스크(shadow mask) Ag를 증착하는데 사용하여, 태양전지를 완성하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1의 단계 2에서 활성층을 PTB7:PC71BM으로 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지를 제조하였다.
<실시예 3>
단계 1: 상기 제조예 1의 단계 4에서 산화아연 나노입자 및 산화아연 나노로드를 1:1의 무게 비율로 혼합한 것을 제외하고는, 제조예 1과 동일하게 수행하여 산화아연 이원 혼합물을 제조하였다.
단계 2 : 상기 단계 1에서 제조된 산화아연 이원혼합물을 상기 실시예 1의 단계 1에서 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지를 제조하였다.
<실시예 4>
상기 실시예 3의 단계 1에서 산화아연 나노입자 및 산화아연 나노로드를 1:2 의 무게 비율로 혼합한 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일하게 수행하여 태양전지를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1의 단계 1에 있어서,
상기 제조예 1의 단계 2에서 제조된 산화아연 나노입자 용액으로 전자 전달층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지를 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1의 단계 1에 있어서,
상기 제조예 1의 단계 3에서 제조된 산화아연 나노로드 용액으로 전자 전달층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지를 제조하였다.
<비교예 3>
상기 비교예 1에 있어서, 활성층을 PTB7:PC71BM 을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일하게 수행하여 태양전지를 제조하였다.
<실험예 1>
산화아연 나노결정의 모양은 투과전자현미경(TEM)을 통하여 확인하였으며, 도 2에 나타내었다. 도 2의 (a)는 콜로이드 용액상의 산화아연 나노입자를 관찰한 사진이고, 도 2의 (b)는 콜로이드 용액상의 산화아연 나노로드를 관찰한 사진을 나타낸 것으로, 5 내지 6 nm의 지름, 30 내지 50 nm 길이의 나노로드 형태를 관찰할 수 있다.
또한 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1에서 제조된 태양전지 중 산화아연 전자 전달층의 모폴로지(morphology)는 주사전자현미경(SEM)을 통하여 확인하였으며, 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 나노로드로 제조된 산화아연층은 나노결정이 응집되어있는 것을 관찰할 수 있으며, ITO 표면에서의 흡착과 노출이 충분하지 않다는 것을 알 수 있다. 또한 나노입자 및 나노로드의 이원 혼합물을 사용하여 전자 전달 층을 사용한 실시예 1의 경우, ITO 표면상에서 균일한 표면의 전자 전달층이 형성되는 것을 관찰할 수 있다.
<실험예 2>
본 발명에 따라 제조된 태양전지의 효율을 확인하기 위하여 Keithley 2400 SMU(source measure unit)을 사용하여 100 mW/cm-2의 강도의 AM1.5 조건 하에서 효율을 측정하였다.
활성층으로 P3HT:PCBM을 사용한 상기 실시예 1, 비교예 1 및 2에서 제조된 태양전지의 전류-전압 곡선을 도 3에 나타내었으며, 셀 평가결과를 표 1에 나타내었다.

태양전지		 단락전류밀도
Jsc(mA/cm2)		 개방전압
Voc(V)		 채움인자
FF(%)		 광전 변환효율PCE
(%)		 표면저항
Rs
(ohm/cm2)		 션트저항
Rsh
(ohm/cm2)		 1V에서
누설전류
(㎂/cm2)
비교예 1 10.26 0.61 56 3.56 9.2 904 26
비교예 2 11.47 0.57 43 2.87 13.5 297 64
실시예 1 11.53 0.61 58 4.12 7.8 1706 1
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 산화아연 나노입자를 포함한 비교예 1의 태양전지는 3.56 %의 광전변환효율, 개방전압은 0.61 V, 채움인자는 56 %, 단략전류밀도는 10.26 mA/cm2 을 나타내었고, 산화아연 나노로드를 포함한 비교예 2의 태양전지는 2.87 %의 광전변환효율, 개방전압은 0.57 V, 채움인자는 43 %, 단략전류밀도는 11.47 mA/cm2 을 나타내었다.
이때, 산화아연 나노로드를 사용한 비교예 2의 태양전지보다 나노입자를 포함한 비교예 1의 태양전지의 향상된 채움인자(FF)을 갖는 것을 확인할 수 있다.
반면, 산화아연 이원혼합물을 사용한 실시예 1의 경우, 개방전압은 0.61 V, 채움인자는 58 %, 단략전류밀도는 11.53 mA/cm2 및 4.12 %의 광전변환 효율을 나타내었다. 따라서 나노입자 또는 나노로드 각각의 전자 전달층을 사용한 것보다 높은 개방전압, 개방전압 및 광전변환 효율을 갖는 것을 확인할 수 있다.
또한 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1에서 제조된 태양전지의 외부 양자효율(external quantum efficiency, EQE)의 곡선을 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 파장대별 외부 양자 효율은 단략전류밀도(Jsc)와 관련이 있으며, 가장 높은 외부 양자 효율을 갖는 실시예 1의 태양전지의 경우, 11.53 mA/cm2의 높은 단략전류밀도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
한편, PTB7:PC71BM을 활성층으로 사용한 실시예 2 및 비교예 3에서 제조된 태양전지의 전류-전압 곡선을 도 8(a)에 나타내었으며, 평가결과를 표 2에 나타내었다.

태양전지		 단락전류밀도
Jsc(mA/cm2)
개방전압
Voc(V)
채움인자
FF(%)		 광전 변환효율
PCE(%)		 표면저항
Rs(ohm/cm2)		 션트저항
Rsh(ohm/cm2)
비교예 3 16.37 0.72 64 7.63 6.0 787
실시예 2 17.56 0.73 69 9.02 4.1 1250
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 산화아연 나노입자를 사용한 비교예 3의 태양전지 경우, 단략전류밀도는 16.37 mA/cm2 , 개방전압은 0.72 V, 채움인자는 64 %, 광전변환효율은 7.63 %를 나타내었다. 한편 산화아연 이원혼합물을 전자 전달층으로 사용한 실시예 2의 태양전지의 단략전류밀도는 17.56 mA/cm2 , 개방전압은 0.73 V, 채움인자는 69 %, 광전변환효율은 9.02 %를 나타내었으며, 매우 향상된 성능을 확인할 수 있다.
또한 실시예 2 및 비교예 3에서 제조된 태양전지의 외부 양자효율 곡선을 도 8(b)에 나타냈으며, 실시예 2의 태양전지가 더 높은 외부양자효율을 확인할 수 있다.
이와 같이 표 1 및 2를 통하여 산화아연 나노입자와 나노로드의 혼합형태의 전자 전달층을 적용함으로써, 단략전류밀도와 채움인자가 향상되는 것을 알 수 있으며, 산화아연 나노결정의 모폴로지 조절을 통해 효과적인 전자 전달을 제공하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 9는 실시예 1, 3 및 4에서 제조된 태양전지의 전류-전압 곡선을 나타낸 그래프이고, 셀 평가 결과를 표 3에 나타내었다.

태양전지		 산화아연 나노입자 및 산화아연 나노로드의 무게비 단락전류밀도
Jsc(mA/cm2)		 개방전압
Voc(V)		 채움인자
FF(%)		 광전 변환효율
PCE(%)
실시예 1 2:1 11.53 0.61 58 4.12
실시예 3 1:1 11.87 0.60 50 3.59
실시예 4 1:2 12.04 0.60 51 3.74
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 산화아연 나노입자와 나노로드의 무게 비율에 따른 태양전지의 특성을 비교하였을 때, 나노입자 및 나노로드의 무게비가 2:1인 실시예 4의 태양전지가 4.12 %의 가장 높은 광전 변환효율을 나타내었다.
<실험예 3>
산화아연 나노결정의 광학 흡수 및 반사 스펙트럼을 확인하기 위하여, 상기 비교예 1, 2 및 실시예 1에서 제조된 태양전지를 자외선-가시광선(ultraviolet-visible, UV-Vis)분광기를 통해 측정하였고, 도 10에 나타내었다.
도 10에 나타낸 반사율 스펙트럼을 통하여, 산화아연 나노로드를 포함함으로써 태양전지의 광전류가 향상된다는 것을 알 수 있다.
<실험예 4>
산화아연 나노결정의 에너지 준위를 확인하기 위하여, 자외선 광전자 스펙트럼(Ultraviolet photoelectron spectra, UPS)을 수행하여 도 5(a)에 나타내었고, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 태양전지 중 전자 전달층과 활성층의 계면에서의 에너지 준위 정렬 모식도를 도 (b)에 나타내었다.
광전자 스펙트럼에 의한 산화아연 나노결정의 작업기능은 Cut off 에너지와 Fermi edge 사이에 차이점으로 계산된다.
도(a)에 나타낸 바와 같이, 산화아연 나노입자와 산화아연 나노로드는 4.4 eV에서 동일한 작업 기능을 나타내었고, 밸런스 밴드 맥시마(valence band maxima, Ev)는 0.3 eV의 차이점을 나타내었다.
한편, 도 (b)의 산화아연 나노구조의 에너지 준위를 통하여, 전자 전달층으로써 산화아연 나노로드를 포함한 태양전지의 광전류가 향상되는 것을 알 수 있다.
<실험예 5>
비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 태양전지 중 전자 전달층인 산화아연 나노입자 및 산화아연 나노로드의 결정 결함을 광 발광(Photoluminescence,PL)를 통하여 검출하였고, 도 7(a)에 나타내었고, 가시광선영역의 광 발광 강도는 산화아연 나노결정의 표면 결함의 증거가 될 수 있다.
또한 라만 스펙트럼 측정 결과를 도 7(b)에 나타내었으며, 산화아연 나노입자의 경우 580 cm-1에서 E1(LO) 모드(mode)를 확인할 수 있다. 상기 E1(LO)모드는 산소 빈 자리를 포함한 격자 결함에 매우 민감한 것으로 알려졌다.
따라서 광 발광(PL)과 라만 스펙트럼을 통하여, 나노입자가 나노로드로 성장하면서 모폴로지가 변화하는 동안, 산화아연 나노결정 결함이 환원되는 것을 확인할 수 있고, 즉 산화아연 나노로드는 산화아연 나노입자보다 매우 적은 결함 농도를 갖는 것을 알 수 있다.
(10): 음극층
(20): 전자 전달층
(30): 활성층
(40): 정공 전달층
(50): 양극층
(100): 역구조 유기 태양전지

Claims (11)

  1. 금속산화물 반도체 나노입자(nanoparticles)와 금속산화물 반도체 나노로드(nanorods)를 포함하는 태양전지의 전자 전달층.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 금속산화물은 아연(Zn), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 세슘(Cs) 및 인듐(In)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 금속을 포함하는 전자 전달층.
  3. 기판; 음극층; 전자 전달층; 광활성층; 정공 전달층 ; 및 양극층; 을 포함하며 상기 전자 전달층은 금속산화물 반도체 나노입자와 금속산화물 반도체 나노로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.

  4. 제 3항에 있어서,
    상기 음극층은 ITO, AZO, IZO, GZO, ITO-Ag-ITO, ITO-Cu-ITO, AZO-Ag-AZO, GZO-Ag-GZO, IZO-Ag-IZO 및 IZTO-Ag-IZTO를 포함하는 태양전지.

  5. 제 3항에 있어서,
    상기 활성층은 [6,6]- phenyl-C60 butyric acid methyl ester(PCBM), poly(3-hexylthiophene(P3HT), poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene](MEH-PPV),poly[N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)] (PCDTBT), poly[2-methoxy-5-3(3,7-dimethyloctyloxy)-1-4-phenylene vinylene(MDMOPPV), poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)-carbonyl]-thieno-[3,4-b]thiophenediyl]](PTB7), 및 [6,6]-phenyl-C70 butyric acid methyl ester (PC70BM)을 포함하는 군으로부터 선택되는 2종 이상을 포함하는 태양전지.

  6. 제 3항에 있어서,
    상기 정공 전달층은 MoO3, CrOX , V2O5 및 NiO을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종을 포함하는 태양전지.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 양극층은 Ag, Ni 및 Au 을 포함하는 군으로부터 선택된 1종을 포함하는 태양전지.
  8. 기판 상부에 음극층을 형성하는 단계 (단계 1);
    금속산화물 반도체 나노입자와 금속산화물 반도체 나노로드를 포함하는 전자 전달층을 형성하는 단계(단계 2);
    활성층을 형성하는 단계 (단계 3);
    정공 전달층을 형성하는 단계 (단계 4); 및
    양극층을 형성하는 단계 (단계 5);를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 단계 1의 전자 전달층은
    금속산화물 반도체 나노입자를 제조하는 단계 (단계 a);
    금속산화물 반도체 나노로드를 제조하는 단계 (단계 b);
    금속산화물 반도체 산화물 이원(binay) 혼합용액을 제조하는 단계 (단계 c); 및
    음극층 상부에 단계 c의 혼합용액을 스핀코팅하는 단계 (단계 d)를 포함하는 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 전자 전달층의 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 단계 a 및 단계 c의 용매는 클로로벤젠(chlorobenzene)과 이소프로필 알코올(isoproply alcohol, IPA)의 부피비가 1:1 내지 1:2 인 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 전자 전달층의 제조방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 단계 c의 혼합 용액은 나노입자와 나노로드의 무게비가 2:1 내지 1:2 인 것을 특징으로 하는 전자 전달층의 제조방법.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108198940A (zh) * 2017-12-15 2018-06-22 浙江海洋大学 一种ZnMgO纳米柱氧化铝纳米颗粒复合薄膜作为电子传输层的倒结构有机太阳电池
KR20200069821A (ko) * 2018-12-07 2020-06-17 재단법인 멀티스케일 에너지시스템 연구단 주석산화물 나노박막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광전소자
KR20220159514A (ko) * 2021-05-25 2022-12-05 광운대학교 산학협력단 유기 태양전지의 전자수송층 도핑에 따른 열 안정성을 분석하는 방법
CN116496658A (zh) * 2022-01-20 2023-07-28 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 晶态非晶态杂化的氧化锌纳米粒子墨水、制备方法及应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090065175A (ko) * 2007-12-17 2009-06-22 한국전자통신연구원 염료감응 태양전지 및 그의 제조 방법
KR20110101705A (ko) * 2010-03-09 2011-09-16 한국전자통신연구원 나노복합체 용액의 형성방법 및 나노복합체 광전 소자
KR20120031796A (ko) * 2010-09-27 2012-04-04 한국과학기술원 유기태양전지
KR20130117144A (ko) * 2012-04-17 2013-10-25 삼성전자주식회사 인버티드 유기 태양전지 및 그 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090065175A (ko) * 2007-12-17 2009-06-22 한국전자통신연구원 염료감응 태양전지 및 그의 제조 방법
KR20110101705A (ko) * 2010-03-09 2011-09-16 한국전자통신연구원 나노복합체 용액의 형성방법 및 나노복합체 광전 소자
KR20120031796A (ko) * 2010-09-27 2012-04-04 한국과학기술원 유기태양전지
KR20130117144A (ko) * 2012-04-17 2013-10-25 삼성전자주식회사 인버티드 유기 태양전지 및 그 제조방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. S. White, D. C. Olson, S. E. Shaheen, N. Kopidakis, D. S. Ginley, Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 143517
Y. J. He, H. Y. Chen, J. H. Hou, Y. F. Li, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1377.

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108198940A (zh) * 2017-12-15 2018-06-22 浙江海洋大学 一种ZnMgO纳米柱氧化铝纳米颗粒复合薄膜作为电子传输层的倒结构有机太阳电池
CN108198940B (zh) * 2017-12-15 2021-05-14 浙江海洋大学 一种ZnMgO纳米柱氧化铝纳米颗粒复合薄膜作为电子传输层的倒结构有机太阳电池
KR20200069821A (ko) * 2018-12-07 2020-06-17 재단법인 멀티스케일 에너지시스템 연구단 주석산화물 나노박막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 광전소자
KR20220159514A (ko) * 2021-05-25 2022-12-05 광운대학교 산학협력단 유기 태양전지의 전자수송층 도핑에 따른 열 안정성을 분석하는 방법
CN116496658A (zh) * 2022-01-20 2023-07-28 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 晶态非晶态杂化的氧化锌纳米粒子墨水、制备方法及应用

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