KR20170046084A - Graphene-phthalocyanine hybrid material, method of fabrication of the same, solar cell comprising the same, and method of fabrication of the solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재, 그 제조 방법, 이를 포함하는 태양전지, 및 태양전지의 제조 방법에 관련된 것으로, 기능화된 환원된 그래핀 산화물이 금속을 포함하는 프탈로시아닌과 화학적으로 결합된 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재, 그 제조 방법, 이를 포함하는 태양전지, 및 태양전지의 제조 방법에 관련된 것이다.The present invention relates to a graphene-phthalocyanine hybrid material, a method of manufacturing the same, a solar cell including the same, and a method of manufacturing a solar cell, wherein the functionalized reduced graphene oxide is chemically bonded to a phthalocyanine- -Phthalocyanine hybrid material, a production method thereof, a solar cell comprising the same, and a method of manufacturing a solar cell.
유기박막 트랜지스터소자 (Organic Thin-Film Transistor Device)에서 순수 그래핀은 채널물질 (Channel Material) 로 응용이 되었으나 Field-effect mobility 가 높은 대신 on/off ratio 가 낮은 관계로 아직 산업적 양산에 필요한 기준을 만족하지 못하는 상황이다. 또한 CVD 로 그래핀을 성장시킨 경우가 대부분이고 이는 대량으로 체널 위에 코팅을 시키지 못하는 단점이 있다. 프탈로시아닌과 같은 pi-conjugated 소재들의 경우 열 증착 (thermal evaporation) 기법을 통해 채널위에 코팅을 하게 되는데 증착속도, 온도, 물질의 분자구조 등등에 의해 소자의 성능이 영향을 받는다. Pure graphene is applied as a channel material in Organic Thin-Film Transistor Device, but it has high field-effect mobility and low on / off ratio. It is a situation that can not be done. Also, graphene is grown by CVD most of the time, which is disadvantageous in that it can not be coated on the channel in a large amount. In the case of pi-conjugated materials such as phthalocyanine, the film is coated on the channel by thermal evaporation, and the performance of the device is affected by deposition rate, temperature, molecular structure of the material, and the like.
이에 따라, 프탈로시아닌을 이용한 다양한 물질 및 소자들이 개발되고 있다. 예를 들어, 대한 민국 특허 공개 공보 10-2014-0099282(출원번호: 10-2014-7016943, 출원인: 캐논 가부시끼가이샤)에는, 상온, 상습 환경 하에서뿐만 아니라 특히 혹독한 조건으로서 저온 저습 환경 하에서 고스트 현상에 의한 더 적 은 화상 결함을 갖는 화상을 출력할 수 있는, 갈륨 프탈로시아닌 결정을 포함하는 전자 사진 감광체, 각각 전자 사진 감광체를 갖는 프로세스 카트리 지 및 전자 사진 장치를 제공한다. Accordingly, various materials and devices using phthalocyanine have been developed. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0099282 (Application No. 10-2014-7016943, filed by Canon Kabushiki Kaisha) discloses a method for producing a ghost phenomenon under a low temperature and low humidity environment, An electrophotographic photosensitive member containing a gallium phthalocyanine crystal, a process cartridge and an electrophotographic apparatus each having an electrophotographic photosensitive member capable of outputting an image with a further image defect caused by the electrophotographic photosensitive member.
이 밖에도, 프탈로시아닌을 이용한 다양한 물질 및 소자들의 제조 기술들이 연구 개발되고 있다.In addition, various materials and devices manufacturing techniques using phthalocyanine have been researched and developed.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, OH-로 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 이용한 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a graphene-phthalocyanine hybrid material using reduced graphene oxide functionalized with OH - , and a method for producing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 수율이 향상된 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법을 제공하는 데 있다. Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a graphene-phthalocyanine hybrid material with improved yield.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고효율 및 고신뢰성의 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다. Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a solar cell of high efficiency and high reliability and a manufacturing method thereof.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
상기 기술적 과제는 해결하기 위해, 본 발명은 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법을 제공한다. In order to solve the above technical problems, the present invention provides a process for producing a graphene-phthalocyanine hybrid material.
일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법은, 그래핀 산화물을 준비하는 단계, 상기 그래핀 산화물을 환원하여 환원된 그래핀 산화물을 제조하는 단계, 상기 환원된 그래핀 산화물을 기능화(functionalization)하여, OH-를 포함하는 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 제조하는 단계 및 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 금속을 포함하는 프탈로시아닌(phthalocyanine)과 반응시켜, 복합구조체를 제조하는 단계를 포함일 실시 예에 따르면, 상기 기능화된 그래핀은, 환원된 그래핀 2-(4-aminophenyl)ethanol 및 isoamyl nitrite에 의해 기능화된 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the method for preparing the graphene-phthalocyanine hybrid material comprises the steps of preparing a graphene oxide, reducing the graphene oxide to produce a reduced graphene oxide, Functionalized to form a functionalized reduced graphene oxide containing OH - and a step of reacting the functionalized reduced graphene oxide with phthalocyanine containing a metal to produce a composite structure According to one embodiment, the functionalized graphene may include those functionalized with reduced graphene 2- (4-aminophenyl) ethanol and isoamyl nitrite.
일 실시 예에 따르면, 상기 복합구조체를 제조하는 단계는, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물 및 상기 금속을 포함하는 프탈로시아닌의 반응을 억제하는 방해물질을 제거하는 결합제를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the step of fabricating the composite structure may include providing a binder that removes the obstructing material that inhibits the reaction of the functionalized reduced graphene oxide and the metal-containing phthalocyanine .
일 실시 예에 따르면, 상기 방해물질은 물(H2O)을 포함하고, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물 및 상기 금속을 포함하는 프탈로시아닌의 반응시 존재하는 상기 물(H2O)은, 상기 결합제에 의해 제거되는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the interfering material comprises water (H 2 O), and the water (H 2 O) present during the reaction of the functionalized reduced graphene oxide and the metal containing phthalocyanine, And may be removed by a binder.
일 실시 예에 따르면, 상기 방해물질은, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물과 상기 금속을 포함하는 프탈로시아닌의 반응에 의해 생성된 염산(HCl)을 포함하고, 상기 염산은 상기 결합제에 의해 제거되는 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the interfering material comprises hydrochloric acid (HCl) produced by the reaction of the functionalized reduced graphene oxide and the metal-containing phthalocyanine, wherein the hydrochloric acid is removed by the binder .
일 실시 예에 따르면, 상기 결합제는, K2CO3, sodium carbonate(Na2CO3), sodium hydride(NaH), potassium hydride(KH), lithium hydride(LiH), 또는 triethyl amine 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the binder comprises at least one of K 2 CO 3 , sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium hydride (NaH), potassium hydride (KH), lithium hydride (LiH) .
일 실시 예에 따르면, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 제조하는 단계는, 상기 환원된 그래핀 산화물에 알코올(alcohol)을 포함하는 제1 물질 및 아질산염(nitrite)을 포함하는 제2 물질을 제공하는 단계 및 상기 환원된 그래핀 산화물, 상기 제1 물질, 및 상기 제2 물질을 열처리하여 반응시키는 단계를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the step of preparing the functionalized reduced graphene oxide comprises providing a reduced amount of a first material comprising alcohol and a second material comprising nitrite to the reduced graphene oxide And subjecting the reduced graphene oxide, the first material, and the second material to heat treatment and reacting.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 물질은, 4-aminophenethyl alcohol, 또는 para 위치에 amine기를 갖는 aromatic(benzene) alcohol 그룹 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the first material may include at least one of 4-aminophenethyl alcohol or an aromatic (benzene) alcohol group having an amine group at para position.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 물질은, isoamyl nitrite, 또는 sodium nitrite(NaNO2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the second material may include at least one of isoamyl nitrite or sodium nitrite (NaNO 2 ).
일 실시 예에 따르면, 상기 환원된 그래핀 산화물을 제조하는 단계는, 상기 그래핀 산화물을 용매에 분산시키는 단계 및 상기 그래핀 산화물이 분산된 상기 용매에 분산제를 제공하고 교반하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the step of preparing the reduced graphene oxide may include dispersing the graphene oxide in a solvent and providing and dispersing the dispersing agent in the solvent in which the graphene oxide is dispersed have.
일 실시 예에 따르면, 상기 분산제는, sodium dodecyl benzene sulfonate(SDBS), sodium dodecyl sulfonate(SDS), cetyl ammonium bromide(CTAB), 또는 hexadecyl trimethyl ammonium bromide(HTAB) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the dispersant may include at least one of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS), sodium dodecyl sulfonate (SDS), cetyl ammonium bromide (CTAB), or hexadecyl trimethyl ammonium bromide (HTAB).
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 태양전지의 제조 방법을 제공한다. In order to solve the above technical problems, the present invention provides a method of manufacturing a solar cell.
일 실시 예에 따르면, 상기 태양전지의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계, 상기 기판 상에 캐리어 이동층을 형성하는 단계, 상기 캐리어 이동층 상에 제1 항에 따른 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법에 따라 제조된 복합구조체를 포함하는 광 흡수층을 형성하는 단계 및 상기 광 흡수층 상에 배치된 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment, a method of manufacturing a solar cell includes the steps of preparing a substrate, forming a carrier mobility layer on the substrate, forming a graphene-phthalocyanine hybrid material according to claim 1 on the carrier mobility layer Forming a light absorbing layer including a composite structure manufactured according to a manufacturing method, and forming an electrode disposed on the light absorbing layer.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 태양전지를 제공한다. In order to solve the above technical problems, the present invention provides a solar cell.
일 실시 예에 따르면, 상기 태양전지는, 기판, 상기 기판 상에 배치된 캐리어 이동층, 상기 캐리어 이동층 상에, 기능화(functionalization)된 환원된 그래핀 산화물과 금속을 포함하는 프탈로시아닌(phthalocyanine)이 반응하여 형성된 복합구조체를 포함하는 광 흡수층 및 상기 광 흡수층 상에 배치된 전극을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the solar cell includes a substrate, a carrier moving layer disposed on the substrate, and a phthalocyanine containing a functionalized graphene oxide and a metal on the carrier moving layer, A light absorbing layer including a complex structure formed by reaction, and an electrode disposed on the light absorbing layer.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속은, 실리콘(silicon, Si)인 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the metal may comprise silicon (Si).
일 실시 예에 따르면, 상기 캐리어 이동층의 homo(highest occupied molecular orbital) 레벨은, 상기 광 흡수층의 homo 레벨보다 높고, 상기 캐리어 이동층의 lumo(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨은, 상기 광 흡수층의 lumo 레벨보다 높은 것을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the highest occupied molecular orbital level of the carrier mobility layer is higher than the homo level of the light absorbing layer and the lumo (lowest unoccupied molecular orbital) level of the carrier mobility layer is higher than the lumo Level. ≪ / RTI >
본 발명의 실시 예에 따르면, 그래핀 산화물을 준비하는 단계, 상기 그래핀 산화물을 환원하여 환원된 그래핀 산화물을 제조하는 단계, 상기 환원된 그래핀 산화물을 기능화하여, OH-를 포함하는 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 제조하는 단계, 및 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 금속을 포함하는 프탈로시아닌(phthalocyanine)과 반응시켜, 복합구조체를 제조하는 단계를 포함하는 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법이 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물은, 상기 프탈로시아닌과 용이하게 결합할 수 있다.According to an embodiment of the invention, graphene steps of: preparing an oxide, by functionalizing the So by reducing the pin oxides to prepare a reduced graphene oxide, the reduction of graphene oxide, OH - functionalized containing Preparing a reduced graphene oxide, and reacting the functionalized reduced graphene oxide with a metal-containing phthalocyanine to produce a composite structure. The graphene-phthalocyanine hybrid material according to claim 1, Can be provided. Accordingly, the functionalized reduced graphene oxide can easily bind to the phthalocyanine.
상기 복합구조체를 형성하는 단계는, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물 및 상기 금속을 포함하는 프탈로시아닌의 반응을 억제하는 방해물질을 제거하는 결합제를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 복합구조체가 용이하게 형성될 수 있고, 상기 복합구조체의 수율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 복합구조체를 포함하는 태양전지를 제조하는 경우, 상기 복합구조체가 광전 변환 기능을 용이하게 수행할 수 있다. 이에 따라, 광전 변환 효율이 향상되고, 제조 비용이 감소된 태양전지가 제공될 수 있다.The forming the complex structure may include providing a binder that removes the obstructing material that inhibits the reaction of the functionalized reduced graphene oxide and the metal-containing phthalocyanine. Accordingly, the complex structure can be easily formed, and the yield of the complex structure can be improved. In addition, when a solar cell including the complex structure is manufactured, the complex structure can easily perform a photoelectric conversion function. Thus, a solar cell having improved photoelectric conversion efficiency and reduced manufacturing cost can be provided.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 산화물을 나타내는 화학 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 환원된 그래핀 산화물을 나타내는 화학 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 에에 따른 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 나타내는 화학 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 프탈로시아닌을 나타내는 화학 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 복합구조체를 나타내는 화학 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 복합구조체를 포함하는 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 복합구조체를 포함하는 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지의 구성 인자들에 따른 에너지 레벨을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지에 포함된 광 흡수층의 광학현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지의 특성을 나타내는 그래프이다.1 is a flow chart showing a method for producing a graphene-phthalocyanine hybrid material according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a chemical structure representing graphene oxide according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a chemical structure representing reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram illustrating a chemical structure representing a functionalized reduced graphene oxide in accordance with an embodiment of the present invention.
5 is a view showing the chemical structure of phthalocyanine according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a chemical structure of a composite structure according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solar cell including a composite structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
8 to 10 are views for explaining a solar cell including a composite structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing energy levels according to constituent factors of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
12 is an optical microscope photograph of a light absorbing layer included in a solar cell according to an embodiment of the present invention.
13 is a graph showing characteristics of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In this specification, when an element is referred to as being on another element, it may be directly formed on another element, or a third element may be interposed therebetween. Further, in the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective explanation of the technical content.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.Also, while the terms first, second, third, etc. in the various embodiments of the present disclosure are used to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms have only been used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as a first component in any one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and exemplified herein also includes its complementary embodiment. Also, in this specification, 'and / or' are used to include at least one of the front and rear components.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.The singular forms "a", "an", and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. It is also to be understood that the terms such as " comprises "or" having "are intended to specify the presence of stated features, integers, Should not be understood to exclude the presence or addition of one or more other elements, elements, or combinations thereof. Also, in this specification, the term "connection " is used to include both indirectly connecting and directly connecting a plurality of components.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법을 나타내는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 그래핀 산화물을 나타내는 화학 구조를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 환원된 그래핀 산화물을 나타내는 화학 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 에에 따른 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 나타내는 화학 구조를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 프탈로시아닌을 나타내는 화학 구조를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 복합구조체를 나타내는 화학 구조를 도시한 도면이다. FIG. 1 is a flow chart showing a method of manufacturing a graphene-phthalocyanine hybrid material according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a view showing a chemical structure of a graphene oxide according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a view showing a chemical structure representing reduced reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a view showing a chemical structure representing reduced reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 6 is a diagram illustrating a chemical structure of a complex structure according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 그래핀 산화물이 준비된다(S110). 일 실시 예에 따르면, 상기 그래핀 산화물을 준비하는 단계는, 탄소 소스 와 산화제의 교반단계, 및 상기 탄소 소스와 상기 산화제가 교반된 용액을 동결건조(lyophilized)하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 소스는, 그래파이트 파우더(graphite powder)일 수 있다. 예를 들어, 상기 산화제는, 과산화수소(H2O2)일 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 3, graphene oxide is prepared (S110). According to one embodiment, the step of preparing the graphene oxide may include a step of stirring the carbon source and the oxidizing agent, and a step of lyophilizing the solution in which the carbon source and the oxidizing agent are stirred. For example, the carbon source may be graphite powder. For example, the oxidant may be hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).
상기 그래핀 산화물은 환원되어 환원된 그래핀 산화물이 형성될 수 있다(S120). 일 실시 예에 따르면, 상기 환원된 그래핀 산화물을 형성하는 단계는, 상기 그래핀 산화물이 용매에 분산되는 단계, 상기 분산된 그래핀 산화물이 초음파 처리(sonication)되는 단계, 초음파 처리된 상기 분산된 그래핀 산화물이 분산제와 함께 교반되는 단계, 및 상기 분산제와 함께 교반된 상기 분산된 그래핀 산화물이 환원제와 함께 열처리 되는 단계를 포함할 수 있다. The graphene oxide may be reduced to form a reduced graphene oxide (S120). According to one embodiment, the step of forming the reduced graphene oxide comprises the steps of dispersing the graphene oxide in a solvent, sonicating the dispersed graphene oxide, The graphene oxide is stirred together with the dispersing agent, and the dispersed graphene oxide which is stirred together with the dispersing agent is heat-treated together with the reducing agent.
예를 들어, 상기 용매는 DI water 일 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 처리 단계는, 15초의 시간 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 분산제는, sodium dodecyl benzene sulfonate(SDBS), sodium dodecyl sulfonate(SDS), cetyl ammonium bromide(CTAB), 또는 hexadecyl trimethyl ammonium bromide(HTAB) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 교반 단계는, 상온(25℃)에서 30분의 시간 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 환원제는, 하이드라진(hydrazine, N2H4)일 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 단계는, 100℃의 온도에서 6시간 동안 수행될 수 있다.For example, the solvent may be DI water. For example, the ultrasonic treatment step may be performed for a time of 15 seconds. For example, the dispersant may be at least one of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS), sodium dodecyl sulfonate (SDS), cetyl ammonium bromide (CTAB), or hexadecyl trimethyl ammonium bromide (HTAB). For example, the stirring step may be performed at room temperature (25 DEG C) for 30 minutes. For example, the reducing agent may be hydrazine (N 2 H 4 ). For example, the heat treatment step may be performed at a temperature of 100 DEG C for 6 hours.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 상기 분산제를 생략한 상태에서 상기 환원된 그래핀 산화물을 형성하는 경우, 환원된 그래핀 산화물이 응집되어 뭉치게 되는 단점이 있다. 이 경우, 후술하는 바와 같이, 상기 응집된 환원된 그래핀 산화물과 프탈로시아닌(phthalocyanine)이 반응하게 되면, 후술하는 복합구조체의 형성 효율이 떨어질 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 상기 복합구조체를 포함하는 태양 전지를 제조하는 경우, 태양 전지로서의 효율이 저하될 수 있다.Unlike the embodiment of the present invention described above, when the reduced graphene oxide is formed in the state where the dispersant is omitted, the reduced graphene oxide aggregates and aggregates. In this case, as described later, when the aggregated reduced graphene oxide reacts with phthalocyanine, formation efficiency of a complex structure described later may be lowered. Further, as described later, when a solar cell including the composite structure is manufactured, efficiency as a solar cell may be lowered.
하지만, 상술된 본 발명의 실시 예와 같이, 상기 분산제를 이용하여 상기 환원된 그래핀 산화물을 형성하는 경우, 상기 환원된 그래핀 산화물의 응집이 최소화될 수 있다. 이 경우, 후술하는 바와 같이, 상기 환원된 그래핀 산화물과 프탈로시아닌이 용이하게 반응하여 결합될 수 있고, 이에 따라, 후술하는 복합구조체의 형성 효율이 향상될 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 상기 복합구조체를 포함하는 태양전지를 제조하는 경우, 태양 전지로서의 효율도 향상될 수 있다.However, aggregation of the reduced graphene oxide may be minimized when the reduced graphene oxide is formed using the dispersant, as in the embodiment of the present invention described above. In this case, as will be described later, the reduced graphene oxide and phthalocyanine can easily react and bind to each other, thereby improving the formation efficiency of a complex structure described later. In addition, as described later, when a solar cell including the composite structure is manufactured, efficiency as a solar cell can be improved.
도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 환원된 그래핀 산화물을 기능화(functionalization)하여, OH-를 포함하는, 기능화된 환원된 그래핀 산화물이 형성될 수 있다(S130). 일 실시 예에 따르면, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 형성하는 단계는, 상기 환원된 그래핀 산화물, 알코올(alcohol)을 포함하는 제1 물질, 및 아질산염(nitrite)을 포함하는 제2 물질과 반응하는 단계, 및 상기 환원된 그래핀 산화물, 상기 제1 물질, 및 상기 제2 물질이 열처리 되는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 물질은, 4-aminophenethyl alcohol, 또는 para 위치에 amine기를 갖는 aromatic(benzene) alcohol 그룹 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 물질은, isoamyl nitrite, 또는 sodium nitrite(NaNO2) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 단계는, 80℃의 온도에서 3시간 동안 수행될 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 4, the reduced graphene oxide may be functionalized to form a functionalized reduced graphene oxide comprising OH - (S130). According to one embodiment, the step of forming the functionalized reduced graphene oxide comprises the step of contacting the reduced material with a second material comprising a reduced graphene oxide, a first material comprising an alcohol and a nitrite, And a step of heat treating the reduced graphene oxide, the first material, and the second material. For example, the first material may be at least one of 4-aminophenethyl alcohol or an aromatic (benzene) alcohol group having an amine group at para position. For example, the second material may be at least one of isoamyl nitrite or sodium nitrite (NaNO 2 ). For example, the heat treatment step may be performed at a temperature of 80 DEG C for 3 hours.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 상기 기능화가 생략된 상태에서 상기 환원된 그래핀 산화물을 형성하는 경우, 상기 프탈로시아닌과 결합할 수 있는 OH-가 충분하지 못하다는 단점이 있다. 이 경우, 상기 OH-는, 상기 환원된 그래핀 산화물의 상기 열처리 단계에서 열에 의해 다수의 OH-가 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 기능화가 생략된 상태에서 형성된 환원된 그래핀 산화물은, 상기 프탈로시아닌과 용이하게 결합하지 않을 수 있다.Unlike the embodiment of the present invention described above, when the reduced graphene oxide is formed in the state where the functionalization is omitted, there is a disadvantage that OH - that can bind to the phthalocyanine is not sufficient. In this case, the OH -, the reduction of the number of yes by the heat from the thermal treatment step of the pin oxide OH - may be removed. Accordingly, the reduced graphene oxide formed in a state in which the functionalization is omitted may not easily bond with the phthalocyanine.
하지만, 상술된 본 발명의 실시 예에 따라서, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 형성하는 경우, 상기 프탈로시아닌과 결합할 수 있는 OH-가 충분히 형성될 수 있다. 이에 따라, 후술하는 바와 같이, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물과 상기 프탈로시아닌을 열처리하더라도, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물과 상기 프탈로시아닌이 결합하기에 충분한 OH-가 존재할 수 있다. 결과적으로 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물은, 상기 프탈로시아닌과 용이하게 결합할 수 있다.However, according to the embodiment of the present invention described above, when the functionalized reduced graphene oxide is formed, sufficient OH < - > capable of binding with the phthalocyanine can be formed. Accordingly, even when the functionalized reduced graphene oxide and the phthalocyanine are heat-treated, OH - sufficient to bond the functionalized reduced graphene oxide to the phthalocyanine may be present. As a result, the functionalized reduced graphene oxide can easily bind to the phthalocyanine.
도 1, 도5, 및 도 6을 참조하면, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물이 금속을 포함하는 프탈로시아닌 및 결합제와 반응하여, 복합구조체가 형성될 수 있다(S140). 예를 들어, 상기 금속은, 실리콘(silicon, Si)일 수 있다. 상기 복합구조체를 형성하는 단계는, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물, 상기 금속을 포함하는 프탈로시아닌, 상기 결합제, 및 촉매를 열처리 하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 열처리 단계는, 110℃의 온도에서 12시간 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매는, 18-crown-6, dibenzo-18-crown-6, 15-crown-5, 및 diaza-18-crown-6 등 일 수 있다. Referring to FIGS. 1, 5, and 6, the functionalized reduced graphene oxide may react with a metal-containing phthalocyanine and a binder to form a complex structure (S140). For example, the metal may be silicon (Si). The step of forming the composite structure may include a step of heat-treating the functionalized reduced graphene oxide, the metal-containing phthalocyanine, the binder, and the catalyst. According to one embodiment, the heat treatment step may be performed at a temperature of 110 DEG C for 12 hours. For example, the catalyst may be 18-crown-6, dibenzo-18-crown-6, 15-crown-5, and diaza-18-crown-6.
상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물이 상기 금속을 포함하는 프탈로시아닌과 반응할 경우, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물과 상기 금속을 포함하는 프탈로시아닌의 결합을 억제하는 방해 물질이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 방해 물질은, 물(H2O) 및 염산(HCl)일 수 있다. 상기 방해 물질은, 상기 결합제에 의해 제거될 수 있다. 예를 들어, 상기 결합제는, K2CO3, sodium carbonate(Na2CO3), sodium hydride(NaH), potassium hydride(KH), lithium hydride(LiH), 또는 triethyl amine 중 적어도 어느 하나일 수 있다.When the functionalized reduced graphene oxide reacts with the metal-containing phthalocyanine, an inhibiting substance that inhibits the binding of the functionalized reduced graphene oxide and the metal-containing phthalocyanine may be formed. According to one embodiment, the interfering material may be water (H 2 O) and hydrochloric acid (HCl). The interfering substance may be removed by the binding agent. For example, the binder may be at least one of K 2 CO 3 , sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium hydride (NaH), potassium hydride (KH), lithium hydride (LiH) .
상기 결합제가 K2CO3인 경우, 상기 물은 아래의 <화학식 1>과 같이 제거될 수 있다. When the binder is K 2 CO 3 , the water can be removed as shown in Formula 1 below.
<화학식 1>≪ Formula 1 >
K2CO3(s) + H2O(l) -> KOH(aq) + H2CO3(aq)K 2 CO 3 (s) + H 2 O (1) -> KOH (aq) + H 2 CO 3 (aq)
상기 염산은, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물 및 상기 금속을 포함하는 프탈로시아닌의 반응해 의해 형성될 수 있다. 상기 염산은 아래의 <화학식 2>과 같이 생성될 수 있다.The hydrochloric acid may be formed by reacting the functionalized reduced graphene oxide and the metal-containing phthalocyanine. The hydrochloric acid may be produced according to the following formula (2).
<화학식 2>(2)
R-OH(s) + Si-Cl(s) -> Si-O-R(s) + HCl(g)R - OH (s) + Si - Cl (s) -> Si - O - R (s)
일 실시 예에 따르면, 상기 <화학식 2>에서 R은 alkyl group일 수 있다.According to one embodiment, in Formula 2, R may be an alkyl group.
상기 결합제가 K2CO3인 경우, 상기 염산은 아래의 <화학식 3>과 같이 제거될 수 있다. When the binder is K 2 CO 3 , the hydrochloric acid may be removed as shown below.
<화학식 3>(3)
K2CO3 + 2HCl(g) -> 2KCl(g) + H2O(g) + CO2(g)K 2 CO 3 + 2HCl (g) -> 2 KCl (g) + H 2 O (g) + CO 2 (g)
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 상기 결합제가 생략된 상태에서 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 제조하는 경우, 복합구조체의 결합이 용이하지 않을 수 있다. 또한, 이 경우, 복합구조체를 포함하는 태양전지를 제조하는 경우, 복합구조체가 광전 변환 기능을 용이하게 수행하지 못할 수 있다. 이에 따라, 태양전지의 광전 변환 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. Unlike the embodiment of the present invention described above, when the binder is prepared by the reduction of the functionalized graphene oxide in an omitted state, The coupling of the composite structure may not be easy. Also, In this case, when the solar cell including the complex structure is manufactured, the complex structure may not easily perform the photoelectric conversion function. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell may be deteriorated.
하지만, 본 발명의 실시 예와 같이, 상기 결합제를 이용하여 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 제조하는 경우, 상기 복합구조체가 용이하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 복합구조체의 수율이 향상될 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 상기 복합구조체를 포함하는 태양전지를 제조하는 경우, 상기 복합구조체가 광전 변환 기능을 용이하게 수행할 수 있다. 이에 따라, 광전 변환 효율이 향상되고, 제조 비용이 감소된 태양전지가 제공될 수 있다.However, when the functionalized reduced graphene oxide is produced using the binder as in the embodiment of the present invention, the complex structure can be easily formed. Thus, the yield of the composite structure can be improved. Also, as will be described later, when the solar cell including the complex structure is manufactured, the complex structure can easily perform the photoelectric conversion function. Thus, a solar cell having improved photoelectric conversion efficiency and reduced manufacturing cost can be provided.
이하, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 복합구조체를 포함하는 태양전지 및 그 제조 방법이 설명된다. Hereinafter, a solar cell including a composite structure manufactured according to an embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 복합구조체를 포함하는 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 복합구조체를 포함하는 태양전지를 설명하기 위한 도면이다. FIG. 7 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a solar cell including a composite structure manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 8 to 10 are views illustrating a solar cell including a composite structure manufactured according to an embodiment of the present invention Fig.
도 2 및 도 8을 참조하면, 기판(100)이 준비된다(S210). 예를 들어, 상기 기판(100)은 ITO(indium tin oxide)일 수 있다. 또는, 이와는 달리, 예를 들어, 상기 기판(100)은, 유리기판, 플라스틱, 또는 반도체 기판일 수 있다. Referring to FIGS. 2 and 8, a
상기 기판(100) 상에 캐리어 이동층(120)이 형성될 수 있다(S220). 예를 들어, 상기 캐리어 이동층(120)은 35nm 두께의 고분자일 수 있다. 예를 들어, 상기 캐리어 이동층(120)은, PEDOT-PSS(CLEVIOSTM P VP AI4083)일 수 있다. 상기 캐리어 이동층(120)은, 상기 기판(100) 상에 코팅하는 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅 방법은, 바(bar) 코팅, 스핀(spin) 코팅, 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 롤 프린팅(roll printing), 딥(deep) 코팅, 스프레이(spray) 코팅, 또는 그라비아(gravure) 코팅일 수 있다. The
도 7 및 도 9를 참조하면, 상기 캐리어 이동층(120) 상에 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법에 따라 제조된 복합구조체를 포함하는 광 흡수층(140)이 형성될 수 있다(S230). 상기 프탈로시아닌은, 금속을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 금속은, 실리콘일 수 있다. 상기 광 흡수층(140)은, 상기 복합구조체를 용매에 분산시켜 코팅액을 제조하고, 상기 코팅액을 상기 캐리어 이동층(120) 상에 코팅하는 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는, DMF(dimethylformamide)일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 코팅 방법은, drop casting 방식일 수 있다. 또는, 이와는 달리, 상기 코팅 방법은, 상술된 캐리어 이동층(120)의 코팅 방법일 수 있다. Referring to FIGS. 7 and 9, a
도 7 및 도 10을 참조하면, 상기 광 흡수층(140) 상에 전극(150)이 형성될 수 있다(S240). 상기 전극(150)은, 상기 광 흡수층(140) 상에 서로 이격되어 배치될 수 있다. 서로 이격되어 배치된 상기 전극(150), 서로 같은 물질로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전극(150), 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 또는, 이와는 달리, 상기 전극(150)은, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 티타튬(Ti), 구리(Cu), 텅스텐(W), 및 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 전극(150)은, 고진공(2.0 x 10-6 Torr)에서 100nm의 두께로 열증착 될 수 있다. Referring to FIGS. 7 and 10, an
상술된 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지의 특성 평가 결과가 설명된다. The result of the evaluation of the characteristics of the solar cell according to the embodiment of the present invention described above will be described.
실시 예 1에 따른 태양전지 제조Production of solar cell according to Example 1
10mg의 그래핀 산화물이 준비된다. 상기 그래핀 산화물을 30ml의 DI water에 분산시킨 후, 초음파 장비(tip-sonicator)로 15초의 시간 동안 초음파 처리(sonication) 했다. 초음파 처리된 상기 그래핀 산화물을, 300mg의 SDBS(sodium dodecyl benzene sulfonate)와 상온(25℃)에서 30분의 시간 동안 교반 시켰다. 교반된 상기 그래핀 산화물을, two-neck flask에서 100μl 하이드라진(hydrazine, H2N4)과 함께 100℃의 온도에서 6시간 동안 교반하여, 환원된 그래핀 산화물을 제조했다. 상기 환원된 그래핀 산화물, 360mg의 4-aminophethyl alcohol, 및 280μl의 isoamyl nitrite를 80℃의 온도에서 3시간 동안 열처리 하여, 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 제조했다. 10 mg of graphene oxide is prepared. The graphene oxide was dispersed in 30 ml of DI water and sonicated for 15 seconds with a tip-sonicator. The ultrasonicated graphene oxide was stirred with 300 mg of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS) at room temperature (25 캜) for 30 minutes. The stirred the graphene oxide, the mixture was stirred for 6 hours at a temperature of 100 ℃ with 100μl hydrazine (hydrazine, N 2 H 4) in a two-neck flask, to prepare a reduced graphene oxide. The reduced graphene oxide, 360 mg of 4-aminophethyl alcohol, and 280 μl of isoamyl nitrite were heat-treated at a temperature of 80 ° C. for 3 hours to produce functionalized reduced graphene oxide.
6.2mg의 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물, 6.2mg의 K2CO3, 2mg의 실리콘 프탈로시아닌(SiPc), 15ml의 무수 톨루엔(toluene), 및 촉매(18-crown-6)를 110℃의 온도에서 12시간 동안 열처리 하여, 기능화된 환원된 그래핀 산화물-실리콘 프탈로시아닌(f-rGO-SiPc) 복합구조체를 제조했다. 6.2 mg of the functionalized reduced graphene oxide, 6.2 mg of K 2 CO 3 , 2 mg of silicon phthalocyanine (SiPc), 15 ml of anhydrous toluene, and 18-crown- For 12 hours to prepare a functionalized reduced graphene oxide-silicon phthalocyanine (f-rGO-SiPc) composite structure.
ITO 예비 기판이 준비된다. 상기 예비 기판을 세제로 세척했다. 세척된 상기 예비 기판을, DI water, acetone, 및 isopropyl alcohol 에 20분의 시간 동안 초음파 처리 시켰다. 초음파 처리된 상기 예비 기판을, 질소로 건조 시켰다. 건조된 상기 예비 기판을, 100℃의 온도로 오븐에서 재 건조 시켰다. 재 건조된 상기 예비 기판을, 20분의 시간 동안 UV(Ultraviolet)처리하여, 기판을 제조했다. 상기 기판 상에, 35nm의 두께로 PEDOT-PSS(CLEVIOSTM P VP AI4083) 고분자를 코팅하여, 캐리어 이동층을 형성했다. 상기 캐리어 이동층 상에 상기 복합구조체를 DMF에 분산시킨 후, drop casting 방식으로 코팅하여, 광 흡수층을 형성했다. 상기 광 흡수층을, 상온에서 건조 시켰다. 건조된 상기 광 흡수층 상에, 알루미늄 전극을 형성하여, 태양전지를 제조했다. 상기 전극은, 고진공(2.0 x 10-6 Torr) 상태에서 100nm의 두께로 열증착 했다. ITO preliminary substrate is prepared. The preliminary substrate was washed with detergent. The washed preliminary substrate was ultrasonicated for 20 minutes in DI water, acetone, and isopropyl alcohol. The preliminary substrate ultrasonically treated was dried with nitrogen. The dried preliminary substrate was re-dried in an oven at a temperature of 100 캜. The re-dried preliminary substrate was subjected to UV (Ultraviolet) treatment for 20 minutes to prepare a substrate. PEDOT-PSS (CLEVIOSTM P VP AI 4083) polymer was coated on the substrate to a thickness of 35 nm to form a carrier mobility layer. The composite structure was dispersed in DMF on the carrier moving layer and coated by a drop casting method to form a light absorbing layer. The light absorbing layer was dried at room temperature. An aluminum electrode was formed on the dried light absorbing layer to produce a solar cell. The electrode was thermally evaporated to a thickness of 100 nm under a high vacuum (2.0 x 10 -6 Torr).
비교 예 1에 따른 태양전지 제조Production of solar cell according to Comparative Example 1
상술된 실시 예 1에 따른 기판, 및 캐리어 이동층이 준비된다. 상기 캐리어 이동층 상에 상술된 실시 예 1에 따른 기능화된 환원된 그래핀 산화물(f-rGO)을 DMF에 분산시킨 후, drop casting 방식으로 코팅하여, 광 흡수층을 형성했다. 이후, 상술된 실시 예 1에 따른 공정으로 전극을 형성하여, 태양전지를 제조했다.The substrate according to Embodiment 1 described above, and the carrier moving layer are prepared. The functionalized reduced graphene oxide (f-rGO) according to Example 1 described above was dispersed in DMF on the carrier moving layer and coated by a drop casting method to form a light absorbing layer. Thereafter, an electrode was formed by the process according to the above-described Example 1 to manufacture a solar cell.
비교 예 2에 따른 태양전지 제조Production of solar cell according to Comparative Example 2
상술된 실시 예 1 에 따른 기판, 및 캐리어 이동층이 준비된다. 상기 캐리어 이동층 상에 실리콘 프탈로시아닌(SiPc)을 DMF에 분산시킨 후, drop casting 방식으로 코팅하여, 광 흡수층을 형성했다. 이후, 상술된 실시 에 1에 따른 공정으로 전극을 형성하여, 태양전지를 제조했다.The substrate according to Embodiment 1 described above, and the carrier moving layer are prepared. Silicon phthalocyanine (SiPc) was dispersed in DMF on the carrier moving layer and then coated by a drop casting method to form a light absorbing layer. Thereafter, an electrode was formed by the process according to the above-described Embodiment 1 to manufacture a solar cell.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지의 구성 인자들에 따른 에너지 레벨을 나타내는 그래프이고, 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지에 포함된 광 흡수층의 광학현미경 사진이고, 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지의 특성을 나타내는 그래프이다. FIG. 11 is a graph showing energy levels according to the constituent factors of the solar cell according to the embodiment of the present invention, FIG. 12 is an optical microscope photograph of the light absorbing layer included in the solar cell according to the embodiment of the present invention, Is a graph showing characteristics of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지가 포함하는 기판(ITO), 캐리어 이동층(PEDOT-PSS), 광 흡수층(f-rGO-SiPC), 및 전극(Al)을 구성하는 물질들의 에너지 레벨을 측정하였다. 11, a substrate (ITO), a carrier moving layer (PEDOT-PSS), a light absorbing layer (f-rGO-SiPC), and an electrode (Al) constituting a solar cell according to an embodiment of the present invention The energy levels of the materials were measured.
도 11에서 알 수 있듯이, ITO 의 에너지 레벨은 -4.70eV, PEDOT-PSS의 homo(highest occupied molecular orbital)에너지 레벨은 -5.0eV, PEDOT-PSS 의 lumo(lowest unoccupied molecular orbital)에너지 레벨은 -2.2eV, SiPc의 homo 에너지 레벨은 -6.32eV, lumo 에너지 레벨은 -4.02eV, f-rGO의 에너지 레벨은 -4.29eV, 및 Al의 에너지 레벨은 -4.30eV로 측정되었다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지는, 상기 캐리어 이동층의 homo 레벨이 상기 광 흡수층의 homo 레벨보다 높고, 상기 캐리어 이동층의 lumo 레벨이 상기 광 흡수층의 lumo 레벨보다 높다는 것을 알 수 있다. 11, the energy level of ITO is -4.70 eV, the homo (highest occupied molecular orbital) energy level of PEDOT-PSS is -5.0 eV, and the lowest unoccupied molecular orbital (lumo) energy level of PEDOT-PSS is -2.2 eV and SiPc were measured to be -6.32 eV, lumo energy level -4.02 eV, f-rGO energy level -4.29 eV, and Al energy level -4.30 eV. Accordingly, it can be seen that the homo level of the carrier mobility layer is higher than the homo level of the light absorbing layer and the lumo level of the carrier mobility layer is higher than the lumo level of the light absorbing layer according to the embodiment of the present invention have.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지가 포함하는 광 흡수층을 SEM(scanning electron microscope) 사진 촬영하였다. 도 12에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 태양전지는, 상기 캐리어 이동층 상에, 상기 광 흡수층이 넓게 분포되어 형성된 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 12, a photoabsorption layer included in a solar cell according to an embodiment of the present invention was photographed by scanning electron microscope (SEM). As can be seen from FIG. 12, it was confirmed that the solar cell according to the embodiment of the present invention was formed such that the light absorbing layer was widely distributed on the carrier moving layer.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시 예1, 비교 예 1, 및 비교 예 2에 따른 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 측정하였다. 도 13에서 알 수 있듯이, 실시 예 1에 따른 태양전지는, 0.2V 전압에서는 -0.62mAcm-2 전류 밀도, 0.6V 전압에서는 -0.54 mAcm-2 전류 밀도, 및 1.0V 전압에서는 -0.3 mAcm-2 전류 밀도를 나타내었다. 이에 따라, <표 1>과 같은 결과를 얻을 수 있었다. Referring to FIG. 13, the current density according to the voltage of the solar cell according to Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 of the present invention was measured. 13, the solar cell according to Example 1 has a current density of -0.62 mAcm -2 at a voltage of 0.2 V, a current density of -0.54 mAcm -2 at a voltage of 0.6 V, and a current density of -0.3 mAcm -2 Current density. As a result, the results as shown in Table 1 were obtained.
<표 1>에서 알 수 있듯이, 실시 예 1에 따른 태양 전지는, Voc(open circuit voltage)는 1.305V로 측정되었고, Jsc(shot circuit current density)는 0.707mA/cm2으로 측정되었고, FF(fill factor)는 42.3%로 측정되었고, PCE(태양전지 효율)는 0.39%로 측정되었다. 또한, 비교 예 1에 따른 태양 전지는, Voc는 0.0213V로 측정되었고, Jsc는 0.1313mA/cm2으로 측정되었고, FF는 0.2478%로 측정되었고, PCE는 0.0007%로 측정되었다. 또한, 비교 예 2에 따른 태양 전지는, Voc는 0.0205V로 측정되었고, Jsc는 0.1054mA/cm2으로 측정되었고, FF는 0.267%로 측정되었고, PCE는 0.0006%로 측정되었다. 결과적으로 본 발명의 실시 예 1에 따라 제조된 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재를 이용하여 태양전지의 광전 변환층을 제조할 수 있음 확인할 수 있다. 또한, 상기 비교 예 1 및 비교 예 2에 따른 기능화된 환원된 그래핀 및 실리콘 프탈로시아닌은 태양전지의 광전 변환층으로 사용될 수 없음을 확인할 수 있다.<Table 1> As can be seen in the embodiment according to the solar cell 1 is, (open circuit voltage) V oc was measured by 1.305V, J sc (shot circuit current density) was measured by 0.707mA / cm 2, FF (fill factor) was measured at 42.3% and PCE (solar cell efficiency) was measured at 0.39%. In the solar cell according to Comparative Example 1, V oc was measured at 0.0213 V, J sc was measured at 0.1313 mA / cm 2 , FF was measured at 0.2478%, and PCE was measured at 0.0007%. In the solar cell according to Comparative Example 2, V oc was measured at 0.0205 V, J sc was measured at 0.1054 mA / cm 2 , FF was measured at 0.267%, and PCE was measured at 0.0006%. As a result, it can be confirmed that the photoelectric conversion layer of the solar cell can be manufactured using the graphene-phthalocyanine hybrid material produced according to the first embodiment of the present invention. It is also confirmed that functionalized reduced graphene and silicon phthalocyanine according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 can not be used as a photoelectric conversion layer of a solar cell.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will also be appreciated that many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
100: 기판
120: 캐리어 이동층
140: 광 흡수층
150: 전극100: substrate
120: carrier moving layer
140: light absorbing layer
150: electrode
Claims (14)
상기 그래핀 산화물을 환원하여 환원된 그래핀 산화물을 제조하는 단계;
상기 환원된 그래핀 산화물을 기능화(functionalization)하여, OH-를 포함하는 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 제조하는 단계; 및
상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 금속을 포함하는 프탈로시아닌(phthalocyanine)과 반응시켜, 복합구조체를 제조하는 단계를 포함하는 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법.
Preparing graphene oxide;
Reducing the graphene oxide to produce reduced graphene oxide;
Functionalizing the reduced graphene oxide to produce a functionalized reduced graphene oxide comprising OH - ; And
And reacting the functionalized reduced graphene oxide with a metal-containing phthalocyanine to prepare a composite structure. The method of manufacturing a graphene-phthalocyanine hybrid material according to claim 1,
상기 복합구조체를 제조하는 단계는,
상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물 및 상기 금속을 포함하는 프탈로시아닌의 반응을 억제하는 방해물질을 제거하는 결합제를 제공하는 단계를 포함하는 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of fabricating the composite structure comprises:
Providing a binder for removing the functionalized reduced graphene oxide and an interfering substance that inhibits the reaction of the metal-containing phthalocyanine. The method of manufacturing a graphene-phthalocyanine hybrid material according to claim 1,
상기 방해물질은 물(H2O)을 포함하고,
상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물 및 상기 금속을 포함하는 프탈로시아닌의 반응시 존재하는 상기 물(H2O)은, 상기 결합제에 의해 제거되는 것을 포함하는 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the interfering material comprises water (H 2 O)
Wherein the water (H 2 O) present in the reaction of the functionalized reduced graphene oxide and the metal-containing phthalocyanine is removed by the binder.
상기 방해물질은, 상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물과 상기 금속을 포함하는 프탈로시아닌의 반응에 의해 생성된 염산(HCl)을 포함하고,
상기 염산은 상기 결합제에 의해 제거되는 것을 포함하는 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the interfering material comprises hydrochloric acid (HCl) produced by the reaction of the functionalized reduced graphene oxide with the metal containing phthalocyanine,
Wherein the hydrochloric acid is removed by the binder. ≪ RTI ID = 0.0 > 15. < / RTI >
상기 결합제는, K2CO3, sodium carbonate(Na2CO3), sodium hydride(NaH), potassium hydride(KH), lithium hydride(LiH), 또는 triethyl amine 중 적어도 어느 하나를 포함하는 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
The binder may be at least one selected from the group consisting of K 2 CO 3 , sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium hydride (NaH), potassium hydride (KH), lithium hydride A method of manufacturing a hybrid material.
상기 기능화된 환원된 그래핀 산화물을 제조하는 단계는,
상기 환원된 그래핀 산화물에 알코올(alcohol)을 포함하는 제1 물질 및 아질산염(nitrite)을 포함하는 제2 물질을 제공하는 단계; 및
상기 환원된 그래핀 산화물, 상기 제1 물질, 및 상기 제2 물질을 열처리하여 반응시키는 단계를 포함하는 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The step of preparing the functionalized reduced graphene oxide comprises:
Providing the reduced graphene oxide with a first material comprising alcohol and a second material comprising nitrite; And
And heat treating the reduced graphene oxide, the first material, and the second material to react them, and reacting the graphene-phthalocyanine hybrid material.
상기 제1 물질은, 4-aminophenethyl alcohol, 또는 para 위치에 amine기를 갖는 aromatic(benzene) alcohol 그룹 중 적어도 어느 하나를 포함하는 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the first material comprises at least one of 4-aminophenethyl alcohol or aromatic (benzene) alcohol group having an amine group at para position.
상기 제2 물질은, isoamyl nitrite, 또는 sodium nitrite(NaNO2) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the second material comprises at least one of isoamyl nitrite or sodium nitrite (NaNO 2 ).
상기 환원된 그래핀 산화물을 제조하는 단계는,
상기 그래핀 산화물을 용매에 분산시키는 단계; 및
상기 그래핀 산화물이 분산된 상기 용매에 분산제를 제공하고 교반하는 단계를 포함하는 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The step of producing the reduced graphene oxide comprises:
Dispersing the graphene oxide in a solvent; And
Providing a dispersant to the solvent in which the graphene oxide is dispersed and stirring the graphene phthalocyanine hybrid material.
상기 분산제는, sodium dodecyl benzene sulfonate(SDBS), sodium dodecyl sulfonate(SDS), cetyl ammonium bromide(CTAB), 또는 hexadecyl trimethyl ammonium bromide(HTAB) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The dispersant may be at least one selected from the group consisting of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS), sodium dodecyl sulfonate (SDS), cetyl ammonium bromide (CTAB), or hexadecyl trimethyl ammonium bromide .
상기 기판 상에 캐리어 이동층을 형성하는 단계;
상기 캐리어 이동층 상에 제1 항에 따른 그래핀-프탈로시아닌 하이브리드 소재의 제조 방법에 따라 제조된 복합구조체를 포함하는 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
상기 광 흡수층 상에 배치된 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
Preparing a substrate;
Forming a carrier mobility layer on the substrate;
Forming a light absorbing layer on the carrier moving layer, the composite absorbing layer comprising a complex structure according to the manufacturing method of the graphene-phthalocyanine hybrid material according to claim 1; And
And forming an electrode disposed on the light absorption layer.
상기 기판 상에 배치된 캐리어 이동층;
상기 캐리어 이동층 상에, 기능화(functionalization)된 환원된 그래핀 산화물과 금속을 포함하는 프탈로시아닌(phthalocyanine)이 반응하여 형성된 복합구조체를 포함하는 광 흡수층; 및
상기 광 흡수층 상에 배치된 전극을 포함하는 태양전지.
Board;
A carrier moving layer disposed on the substrate;
A light absorbing layer comprising a complex structure formed on the carrier moving layer by reacting a functionalized graphene oxide with phthalocyanine containing a metal; And
And an electrode disposed on the light absorption layer.
상기 금속은, 실리콘(silicon, Si)인 것을 포함하는 태양전지.
13. The method of claim 12,
Wherein the metal is silicon (Si).
상기 캐리어 이동층의 homo(highest occupied molecular orbital) 레벨은, 상기 광 흡수층의 homo 레벨보다 높고,
상기 캐리어 이동층의 lumo(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨은, 상기 광 흡수층의 lumo 레벨보다 높은 것을 포함하는 태양전지.
13. The method of claim 12,
Wherein a homo (highest occupied molecular orbital) level of the carrier mobility layer is higher than a homo level of the light absorbing layer,
Wherein the lumo (lowest unoccupied molecular orbital) level of the carrier mobility layer is higher than the lumo level of the light absorption layer.
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