KR20180096168A - 벌크 이종 접합 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은SnS2(Tin Disulfide)가 전자 받게 물질로 사용하고, 전자 주게로 작용하는 P3HT (Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)) 또는 PCPDTBT (Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)])가 혼합되되, 상기 SnS2와 P3HT 또는 SnS2와 PCPDTBT는 6:4 내지 8:2의 중량비인 것을 특징으로 하는 벌크 이종 접합 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 벌크 이종 접합 태양전지 및 이의 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 SnS2 나노 파티클을 함유하는 하이브리드 벌크 이종 접합 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
유기물이 광전도성, 광전압 그리고 광전지 효과 등을 가지고 있다는 것은 오랫동안 알려져 왔으며, 이러한 특성은 주로 사진현상과 건식인쇄에 사용되었다. 유기 박막 태양전지에 관한 연구는 1958년 Kearns와 Calvin에 의해 처음 연구되기 시작하였는데, 마그네슘 프타로시아닌(MgPh) 디스크 위에 공기 산화된 테트라메틸-p-페닐렌디아민(TMPD)를 캐스팅(casting)해서 유기 이종 접합 태양전지가 만들어진 것이 최초이다.
그러나 당시에는 유기태양광전지에 대한 주위의 기술적 환경이 제대로 갖추어지지 않았기 때문에 효율이 좋지 못하여 유기 태양광 전지의 개발에 있어 한계가 있었다. 이후에 많은 연구개발이 진행되어 왔지만, 아직도 수명이 긴 유기 태양전지는 개발되지 못한 실정이다.
일반적으로 유기 태양전지는 유리기판 위에 투명전극인 ITO층을 적층하고 전하수송을 위한 전하수송층 그리고 활성층(active layer)으로 사용되는 p형 유기물이 증착되고, 빌트-인(built-in) 전기장의 생성을 위한 n형 유기물이 적층되어지는 구조이다. 유기물의 에너지 갭 이상의 빛을 흡수하여 생성된 전하들을 효과적으로 전달하기 위하여 정공전달층과 전자전달층이 사용되기도 한다.
정공전달층은 양극으로 사용되는 ITO의 일함수(work function)보다 낮은 유기물을 사용하고, 전자전달층은 음극으로 사용되는 알루미늄(Al)보다 일함수가 큰 유기물을 사용함으로써 전자의 수송을 원활히 할 수 있도록 구성되어진다.
일반적인 유기 태양전지의 제조 공정은 다음과 같다. 유리기판 위에 스퍼터링(sputtering)을 통해 ITO를 증착한 후 패터닝(patterning)을 수행한다. 이후에 기판세정 과정을 거친 후 증착할 유기물의 종류에 따라 단분자일 경우는 유기물 박막을 증발증착(evaporation) 방법으로 증착하고, 고분자일 경우 스핀 코팅(spin coating) 또는 스크린 프린팅(screen printing) 방법으로 증착한다. 이후에 이면전극으로는 주로 알루미늄이 많이 사용되며 증발증착 방법으로 증착된다.
최근에 카드뮴셀라나이드(CdSe), 리드설파이드(PbS) 및 카드뮴설파이드(CdS) 등과 같은 다양한 크기와 모양을 갖는 무기물 나노파티클을 사용하여 벌크 이종 접합 태양전지를 개발하고 있다. 그러나 카드뮴(Cd), 납(Pb) 및 인듐(In) 등은 독성이 있거나 자원의 부족 등으로 인해 신재생에너지 공급에 중요한 영향을 미치게 된다.
또한, 풀러렌(fullerene)과 같은 반도체 물질을 사용한 벌크 이종 접합 태양전지는 장파장 대역에서 광전류가 작고, 표면 모폴로지(surface morphology)가 좋지 않아 광전변환효율(Power Conversion Efficiency, 이하 PCE)이 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 높은 광 흡수율, 무독성, 값이 저렴하고, 풍부한 재료를 사용하여 광전변환효율이 우수한 벌크 이종 접합 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. 전술한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 벌크 이종 접합 태양전지가 제공된다. 상기 벌크 이종 접합 태양전지는 SnS2(Tin Disulfide)가 전자 받게 물질로 사용하고, 전자 주게로 작용하는 P3HT (Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)) 또는 PCPDTBT (Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)])가 혼합되되, 상기 SnS2와 P3HT 또는 SnS2와 PCPDTBT는 6:4 내지 8:2의 중량비일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 벌크 이종 접합 태양전지가 제공된다. 상기 벌크 이종 접합 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성된 제 1 전극층; 상기 제 1 전극층 상에 형성된 수송층; 상기 수송층 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 전극층;을 포함하고, 상기 활성층은 전자 받게 물질과 전자 주게 물질로 이루어져있으며, 상기 전자 받게 물질은 SnS2(Tin Disulfide)을 사용하고, 상기 전자 주게 물질은 P3HT(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)) 또는 PCPDTBT(Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)])을 사용하되, 상기 전자 받게 물질과 상기 전자 주게 물질이 6:4 내지 8:2의 중량비를 갖도록 혼합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 벌크 이종 접합 태양전지의 제조방법이 제공된다. 상기 벌크 이종 접합 태양전지의 제조방법은 핫-인젝션(hot-injection) 방법을 이용하여 투명전극을 구비하는 기판 상에 활성층(active layer)을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 활성층은 전자 받게 물질과 전자 주게 물질이 6:4 내지 8:2의 중량비를 가지며, 상기 전자 받게 물질은 SnS2(Tin Disulfide) 나노 파티클(nano particle)을 포함하며, 상기 전자 주게 물질은 P3HT(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)) 또는 PCPDTBT(Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)])을 포함할 수 있다.
상기 벌크 이종 접합 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 활성층을 형성하는 단계는, 제 1 혼합물을 110℃ 내지 130℃의 온도범위까지 가열하고, 질소(nitrogen)를 공급하고, 190℃ 내지 210℃의 온도범위까지 승온하는 단계; 및 상기 승온하는 단계 이후에 상기 제 1 혼합물에 제 2 혼합물을 빠르게 주입하여 반응시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은 광 흡수율, 무독성, 값이 저렴하고, 풍부한 재료를 사용하여 광전변환효율이 우수한 벌크 이종 접합 태양전지 및 이의 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 활성층을 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 활성층을 X선 회절(XRD) 및 X선 광전자분광법(XPS)으로 분석한 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 활성층 두께에 따른 전류밀도 및 광전변환효율을 분석한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 전류전압 특성 및 광흡수 스펙트럼을 분석한 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 활성층을 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 활성층을 X선 회절(XRD) 및 X선 광전자분광법(XPS)으로 분석한 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 활성층 두께에 따른 전류밀도 및 광전변환효율을 분석한 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 전류전압 특성 및 광흡수 스펙트럼을 분석한 결과이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지(100)는 기판(10), 제 1 전극층(20), 수송층(30), 활성층(40) 및 제 2 전극층(50)을 포함할 수 있다. 기판(10)은 예를 들어, 유리(glass), 웨이퍼(wafer) 및 플렉서블(flexible) 기판 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
제 1 전극층(20)은 투명하면서 전극이 통하는 투명전극으로서, 일반적으로 90%의 산화인듐(In2O3)과 10%의 산화주석(SnO2) 비중을 갖는 ITO층을 사용할 수 있다. 그러나 이에 한정되지는 않으며, 탄소나노튜브를 코팅하거나, PEDOT 등을 사용할 수도 있다. 제 1 전극층(20)의 일함수는 5.1eV, 4.75eV, 4.3eV이며, 제 1 전극층(20)은 전자빔 증착, 진공증발증착 및 스퍼터링(sputtering) 방법 중 어느 하나를 이용하여 기판(10) 상에 형성될 수 있다.
수송층(30)은 예를 들어, 고농도 전도성 고분자인 PEDOT:PSS를 사용할 수 있으며, 버퍼층(buffer layer)으로 이해될 수 있다. 수송층(30)은 제 1 전극층(20) 대신에 전극층으로 이용될 수도 있으나, 본 발명에서 활성층(40)에서 생성된 정공의 수송층으로 이용될 수 있다. 수송층(30)은 스핀 코팅(spin coating) 방법으로 형성되며, 일함수는 5.2eV 내지 5.3eV이다.
활성층(40)은 핫-인젝션(hot-injection) 방법을 이용하여 투명전극을 구비하는 기판(10) 상에 형성되며, 빛을 흡수함으로써 HOMO(highest occupied molecular orbital)의 전자가 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)로 전이되어 여기자를 형성하게 된다. 활성층(40)의 전도도에 따라 다소 차이가 있기는 하지만, 약 140㎚ 내지 150㎚의 두께로 형성한다. 만약, 활성층(40)의 두께가 140㎚ 미만일 경우, 흡수된 빛에 의해 여기되는 전자-정공 쌍이 적어 벌크 이종 접합 태양전지의 효율이 높지 않다. 반면에, 활성층(40)의 두께가 150㎚ 초과일 경우, 흡수층(40)의 두께가 너무 두꺼워서 전자와 정공의 이동 경로가 길어져 재결합이 많이 발생하게 됨에 따라 벌크 이종 접합 태양전지의 효율이 떨어지게 된다.
이 경우, 활성층(40)과 전극계면에서의 손실을 최소화해야 할 뿐만 아니라, 활성층(40) 내부에서 분리된 전자와 정공이 단락되지 않고 전극으로 이동할 수 있도록 경로의 형성이 이루어져야 한다. 이 때, 전자 주게 물질과 전자 받게 물질 내부에서도 정공과 전자의 이동속도가 충분히 빨라야 한다.
이를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지(100)에서 활성층(40)은 빛을 흡수하여 생성된 여기자에서 전자와 정공을 분리하는데, 전자 주게 물질(donor material)로는 예를 들어, P3HT (Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)) 또는 PCPDTBT (Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)])를 사용할 수 있다. 전자 받게 물질(acceptor material)로는 LUMO가 전자 주게 물질보다 낮은 다른 종류로서, 예를 들어, SnS2(Tin Disulfide) 나노 파티클(nano particle)을 사용할 수 있다. 즉, 전자 주게 물질에서 빛을 흡수하여 생성된 여기자는 전자 받게 물질의 경계면까지 이동한 후 전자 받게 물질로 전자를 넘겨줌으로써 전자와 정공 쌍이 분리된다.
활성층(40)에서 전자 받게 물질로 사용되는 SnS2(Tin Disulfide)는 전자 주게 물질로 사용되는 P3HT (Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)) 또는 PCPDTBT (Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)])와 같이 사용되는데, 이 두 물질은 각각 잘 섞인다. 이 때, 전자 받게 물질과 전자 주게 물질의 중량비가 6:4 내지 8:2를 만족해야 광흡수에 따른 전자를 주고 받는 효율이 향상된다. 본 발명에서는 전자 받게 물질과 전자 주게 물질의 중량비가 7:3일 때, 최적의 효율을 보인다. 즉, 상기 SnS2와 상기 P3HT 또는 상기 SnS2와 상기 PCPDTBT는 6:4 내지 8:2의 중량비를 만족할 수 있다.
제 2 전극층(50)은 진공증발증착(evaporator) 방법을 이용하여 활성층(40) 상에 형성될 수 있다. 제 2 전극층(50)은 예를 들어, 알루미늄(Al) 금속을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 의한 벌크 이종 접합 태양전지의 제조방법에 대해서는 하기 실험예 및 도 2 내지 도 5를 참조하여 구체적으로 설명한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험예를 설명한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
발명의 실험예에 의한 샘플로서, ITO가 코팅된 유리기판 상에 스핀코팅 방법을 이용하여 PEDOT:PSS(polyethylenedioxythiophene doped with polystyrene-sulfonic acid)를 약 70㎚ 내외로 형성하였다. 여기서, 스핀코팅 조건은 약 30sec 동안 4000rpm의 속도로 진행되었다. 이후에 핫-인젝션(hot-injection) 방법을 이용하여 2개의 개구를 구비하는 플라스크에 제 1 혼합물과 제 2 혼합물을 혼합하여 활성층에 사용되는 SnS2 나노 파티클을 형성하였다. 여기서, SnCl4(anhydrous tin(IV) chloride)와 OLA(oleylamine)를 함유하는 상기 제 1 혼합물을 넣은 후, 110℃ 내지 130℃의 온도범위까지 가열하고, 질소(nitrogen)를 공급하고, 190℃ 내지 210℃의 온도범위까지 승온하였다.
승온이 완료된 후 상기 제 1 혼합물에 OLA와 TAA(thioacetamide)를 함유하는 상기 제 2 혼합물을 빠르게 주입하여 반응시켰다. 상기 반응과정은 질소 분위기에서 진행되었으며, 약 12시간 정도 반응시킨 후 상온으로 냉각하였다. 마지막으로 클로로벤젠(chlorobenzene)과 에탄올(ethanol) 혼합물을 이용하여 약 10분 동안 10000rpm의 속도로 원심분리하였다. 상기 클로로벤젠과 에탄올은 SnS2 나노 파티클(SnS2:P3HT)을 분산시키기 위해 사용하였으며, 원심분리가 종료된 후 반복적으로 세척하여 SnS2 나노 파티클을 제조하였다.
또한, SnS2 나노 파티클을 제조한 후 약 140℃에서 건조과정을 약 30분간 진행하였다. 건조가 종료된 후 PEDOT:PSS이 형성된 기판 상에 상기 SnS2 나노 파티클을 드롭(drop)시켜 활성층을 형성하였다. 이후에 진공증발증착 방법을 이용하여 상기 활성층 상에 약 100㎚ 두께의 알루미늄 전극을 형성하여 벌크 이종 접합 태양전지 샘플을 제조하였다.
제조된 샘플을 Ultraviolet-visible absorption spectroscopy, photoluminescence spectroscopy(PL), x-ray photoelectron spectroscopy(XPS), x-ray diffraction(XRD), transmission electron microscopy(TEM) 및 HR-TEM 등을 이용하여 활성층에 대한 분석을 수행하였다. sampCurrent density-voltage(J-V)와 solar simulator (Keithley 69911)를 이용하여 벌크 이종 접합 태양전지 샘플의 wjsfalfeh와 개방전압 특성을 분석하였다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로서, 활성층의 전자 주게 물질을 P3HT에서 PCPDTBT로 변경하고, 상술한 바와 동일한 방법으로 SnS2 나노 파티클(SnS2:PCPDTBT)을 제조하여 전류밀도와 흡수율을 분석하였다.
한편, 이와 비교하기 위하여, 활성층 제조공정시 스핀 코팅 조건을 제어함으로써 활성층의 두께가 각각 다른 벌크 이종 접합 태양전지를 제조하여 전류밀도와 광전변환효율을 측정하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 활성층을 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 결과이다.
도 2의 (a)와 (b)를 참조하면, TEM과 HR-TEM으로 SnS2 나노 파티클을 분석한 결과로서, SnS2 나노 파티클은 격자 무늬가 명확하게 보이고, 왜곡된 육각형 모양의 SnS2 나노 파티클 안에 전위가 존재하지 않기 때문에, 제조된 SnS2 나노 파티클이 매우 결정성을 가짐을 확인되었다.
도 2의 (c)를 참조하면, SnS2 나노 파티클을 TEM 이미지에서 100개의 입자를 기준으로 크기(size)를 계산한 것으로서, 약 3㎚ 내지 8㎚의 크기 분포를 가지며, 평균 약 5.2㎚의 입자가 가장 많이 분포하는 것으로 확인되었다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 활성층을 X선 회절(XRD) 및 X선 광전자분광법(XPS)으로 분석한 결과이다.
도 3을 참조하면, XRD로 SnS2 나노 파티클의 결정구조를 분석한 것으로서, 도 3의 (a)는 2theta 값이 17°, 30°, 51° 및 60°에서 회절피크가 나타났으며, JCPDS card No. 0-040-1466에 따르면, 본 발명의 SnS2 나노 파티클은 상기 회절피크에서 각각 (002), (100), (110 및 (200) 결정면을 갖는 육방정(hexagonal) 구조를 갖는 것으로 확인되었다. 상기 육방정 구조는 HR-TEM으로 분석한 결과인 도 2의 (b)에서 분명하게 보여준다.
도 3의 (b)는 UV-vis과 PL spectroscopy로 SnS2 나노 파티클의 광학 특성을 분석한 결과로서, SnS2 나노 파티클은 1시간 내지 13시간의 다양한 반응 시간에 따른 광흡수율을 보여준다. 약 9시간의 반응시간과 약 440㎚의 파장대에서 SnS2 나노 파티클의 흡수는 벌크(bulk) 값 대비 레드-쉬프트(red-shifted) 되었다. 9시간동안 반응된 SnS2 나노 파티클의 밴드갭은 약 2.8eV이며, 벌크 값 대비 약 0.4eV 큰 값이다. 이는 양자 크기 효과에 따른 것으로 보여진다. 나노 결정의 강한 양자는 양자 효율이 높은 광 발광으로 밝혀졌으며, 방출 피크와 흡수 피크는 크기가 조정 가능하다. 그러므로 본 발명의 SnS2 나노 파티클은 광학 특성이 개선된 것으로 볼 수 있으며, LED, Solar cell 등에 적용될 수 있음을 알 수 있다.
도 3의 (c)는 XPS로 SnS2 나노 파티클의 화학조성을 분석한 것으로서, 조사된 스펙트럼을 살펴보면, 나노결정에서 주로 Sn, S 및 C 피크가 나타난 것으로 확인된 것으로 보아 SnS2 나노 파티클이 안정적으로 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 활성층 두께에 따른 전류밀도 및 광전변환효율을 분석한 결과이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 스핀-캐스팅(spin-casting)의 속도를 1000rpm 내지 5000rpm으로 다양하게 조절함으로써 SnS2 나노 파티클을 함유하는 활성층(SnS2:P3HT=7:3)의 두께를 제어한 결과이다. 상기 스핀 속도가 증가할수록 활성층의 두께는 점점 감소함을 확인할 수 있다.
| 실험예 | 활성층 두께(㎚) | Voc(V) | Jsc(㎃/㎠) | FF (fill factor) |
광전변환효율(%) |
| 비교예 1 | 161 | 0.56 | 0.46 | 0.59 | 0.15 |
| 비교예 2 | 153 | 0.55 | 0.55 | 0.61 | 0.18 |
| 실시예 1 | 146 | 0.55 | 1.18 | 0.61 | 0.39 |
| 비교예 3 | 131 | 0.55 | 0.62 | 0.58 | 0.19 |
| 비교예 4 | 127 | 0.57 | 0.75 | 0.59 | 0.25 |
표 1, 도 4의 (b) 및 (c)를 참조하면, 실시예 1의 벌크 이종 접합 태양전지 샘플은 활성층의 두께가 약 146㎚이며, 개방전압이 0.55V, 단락전류가 1.18㎃/㎠이고, FF(fill factor)가 0.61이었으며, 이 때, 광전변환효율은 0.39%로 비교예 1 내지 비교예 4 대비 더 높았다.
이는 활성층의 두께가 감소할수록 단락전류가 더 증가함을 알 수 있고, 광자(photons)의 흡수가 활성층의 두께가 얇을수록 높아진다는 것을 알 수 있다. 반면에, 활성층의 두께가 증가할수록 단락전류가 감소하는데, 이는 전자-정공 쌍이 전극에서 각각 수집되기 전에 재결합률(recombination rate)의 증가에 따라 감소하는 것으로 보여진다. 즉, 두꺼운 활성층은 전자 또는 정공이 수집되기 위해 이동되어 질 때, 경로가 길어져 결함 등에 의해 재결합 가능성이 높아지기 때문이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 벌크 이종 접합 태양전지의 전류전압 특성 및 광흡수 스펙트럼을 분석한 결과이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 활성층의 종류를 각각 서로 다르게 제조한 벌크 이종 접합 태양전지의 전류밀도와 광흡수 스펙트럼을 분석한 결과이다. 실시예 1은 SnS2 나노 파티클(SnS2:P3HT)을 함유하는 활성층을 구비한 벌크 이종 접합 태양전지 샘플이며, 실시예 2는 SnS2 나노 파티클(SnS2:PCPDTBT)을 함유하는 활성층을 구비한 벌크 이종 접합 태양전지 샘플이다. 실시예 1의 샘플과 실시예 2의 샘플은 전자 주게 물질만 서로 다른 것으로서, 전자 주게 물질로서 PCPDTBT를 사용한 실시예 2의 샘플이 P3HT를 사용한 실시예 1의 샘플보다 전류밀도가 더 큰 것을 확인할 수 있었다. PCPDTBT의 밴드갭이 1.4eV로 P3HT의 밴드갭 2eV보다 상대적으로 더 낮은 밴드갭 폴리머이다. 도 5의 (b)를 참조하면, PCPDTBT를 사용한 실시예 2의 샘플은 P3HT를 사용한 실시예 1의 샘플과 SnS2만 사용한 비교예 5 샘플 보다 가시광 스펙트럼에서 흡수율이 더 높기 때문에 광에 대한 수집력을 개선한 것으로 보여진다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 전자 주게 물질로서 P3HT와 PCPDTBT를 전자 받게 물질인 SnS2와 혼합하여 활성층을 형성할 수 있다. 상기 활성층을 구비하는 벌크 이종 접합 태양전지는 AM 1.5G 조건에서 최대 0.77%의 광전변환효율 특성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 활성층 두께는 활성층에 의해 흡수된 광자의 수에 영향을 미치고, 캐리어 수송 및 수집을 위한 침투 경로를 개선시켰다. 전자 받게 물질로서 SnS2 나노 파티클을 사용하면, SnS2 입자의 절연 표면 리간드를 변경 한 후에 향상된 소자 특성을 형성할 수 있다. 디바이스 구조에 저 밴드갭 폴리머를 포함시킴으로써 활성층 내의 광 흡수를 증가시켜 소자 성능을 더욱 개선할 수 있다.
따라서, 광흡수 특성이 우수하고, 무독성이며, 값이 저렴하고, 풍부한 재료를 사용하여 흡수층을 형성함에 따라 광전변환효율을 개선한 벌크 이종 접합 태양전지를 구현할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 기판
20 : 제 1 전극층
30 : 수송층
40 : 활성층
50 : 제 2 전극층
100 : 벌크 이종 접합 태양전지
20 : 제 1 전극층
30 : 수송층
40 : 활성층
50 : 제 2 전극층
100 : 벌크 이종 접합 태양전지
Claims (4)
- SnS2(Tin Disulfide)가 전자 받게 물질로 사용하고, 전자 주게로 작용하는 P3HT (Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)) 또는 PCPDTBT (Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)])가 혼합되되, 상기 SnS2와 P3HT 또는 SnS2와 PCPDTBT는 6:4 내지 8:2의 중량비인 것을 특징으로 하는,
벌크 이종 접합 태양전지. - 기판;
상기 기판 상에 형성된 제 1 전극층;
상기 ITO층 상에 형성된 수송층;
상기 수송층 상에 형성된 활성층; 및
상기 활성층 상에 형성된 제 2 전극층;
을 포함하고,
상기 활성층은 전자 받게 물질과 전자 주게 물질로 이루어져있으며, 상기 전자 받게 물질은 SnS2(Tin Disulfide)을 사용하고, 상기 전자 주게 물질은 P3HT(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)) 또는 PCPDTBT(Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)])을 사용하되, 상기 전자 받게 물질과 상기 전자 주게 물질이 6:4 내지 8:2의 중량비를 갖도록 혼합되는 것을 특징으로 하는,
벌크 이종 접합 태양전지. - 핫-인젝션(hot-injection) 방법을 이용하여 투명전극을 구비하는 기판 상에 활성층(active layer)을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 활성층은 전자 받게 물질과 전자 주게 물질이 6:4 내지 8:2의 중량비를 가지며,
상기 전자 받게 물질은 SnS2(Tin Disulfide) 나노 파티클(nano particle)을 포함하며, 상기 전자 주게 물질은 P3HT(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)) 또는 PCPDTBT(Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)])을 포함하는 것을 특징으로 하는,
벌크 이종 접합 태양전지의 제조방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 활성층을 형성하는 단계는,
제 1 혼합물을 110℃ 내지 130℃의 온도범위까지 가열하고, 질소(nitrogen)를 공급하고, 190℃ 내지 210℃의 온도범위까지 승온하는 단계; 및
상기 승온하는 단계 이후에 상기 제 1 혼합물에 제 2 혼합물을 빠르게 주입하여 반응시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
벌크 이종 접합 태양전지의 제조방법.
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| KR1020170022501A KR101942008B1 (ko) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | 벌크 이종 접합 태양전지 및 이의 제조방법 |
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| KR1020170022501A KR101942008B1 (ko) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | 벌크 이종 접합 태양전지 및 이의 제조방법 |
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| KR1020170022501A KR101942008B1 (ko) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | 벌크 이종 접합 태양전지 및 이의 제조방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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