KR20180113299A - 정공수송재료 및 이를 포함하는 광전 소자 - Google Patents

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이정현
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임종찬
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Abstract

정공수송재료 및 이를 포함하는 광전 소자에 관한 것으로, 비전도성 고분자 매트릭스 및 상기 비전도성 고분자 매트릭스 내 위치하는 탄소나노튜브와 정공수송물질의 복합체를 포함하는 것인, 정공수송재료 및 이를 포함하는 광전 소자를 제공할 수 있다.

Description

정공수송재료 및 이를 포함하는 광전 소자{HOLE TRANSFER MATERIAL AND PHOTOVOLTAIC DEVICE COMPRISING THE SAME}
정공수송재료 및 이를 포함하는 광전 소자에 관한 것이다.
광에너지를 이용하여 전기에너지로 변환시켜주는 대표적인 광전소자인 태양전지는 결정질 및 다결정질 실리콘계를 포함하는 1세대 태양전지, 유기태양전지, 염료감응태양전지 및 화합물반도체 박막태양전지를 포함하는 2세대 태양전지, 그리고 양자점을 포함하는 3세대 태양전지로 구분될 수 있다.
이 중, 양자점 태양전지는 양자점의 소재 특성으로 인해 최근 많은 연구가 이루어지고 있다. 양자점(quantum dot)은 단일 물질이 밴드갭 이상의 파장을 전영역에서 흡수하는 특징을 가지고 있으며, 보어 반지름(bohr radius)이하의 크기로 양자구속화(quantum confinement)를 통해 낮은 밴드갭을 가지는 벌크 물질의 밴드갭을 쉽게 제어할 수 있다. 또한, 양자점은 높은 유전상수로 인해 생성된 엑시톤이 쉽게 전자와 정공으로 분리될 수 있으며, 하나의 광자(photon)가 다수의 엑시톤을 생성하는 다중여기자(MEG, multiple exciton generation)의 생성이 가능할뿐더러, 용액공정을 통해 저가 공정으로 구현 가능하다.
그러나 현재까지 개시된 양자점 태양전지의 경우에는 양자점 간의 결정임계 문제 등으로 인하여 발생되는 전하들이 손실 및 왜곡되는 현상 때문에 광전변환효율이 상대적으로 낮다는 문제점이 있었는 바, 양자점 태양전지의 광전변환 효율을 높이기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 실정이다.
본 발명의 일 구현예는, 태양전지 등 광전소자의 광전변환효율(PCE)를 향상시킬 수 있는 정공수송재료 및 이를 포함하는 광전소자를 제공하고자 한다.
나아가, 본 발명의 일 구현예의 정공수송재료를 포함하는 광전소자는 안정성이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 구현예는, 비전도성 고분자 매트릭스 및 상기 비전도성 고분자 매트릭스 내 위치하는 탄소나노튜브와 정공수송물질의 복합체를 포함하는 것인 정공수송재료를 제공한다.
상기 비전도성 고분자는, 폴리(메틸메타크릴레이트) (poly(methyl methacrylate), PMMA), 에틸렌-비닐아세테이트 (ethylene-vinyl acetate, EVA), 폴리비닐 클로라이드 (polyvinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 (polyethylene, PE), 폴리카보네이트 (polycarbonate, PC), 폴리부틸렌 (Polybutylene, PB) 또는 이들의 혼합물인 것일 수 있다.
상기 정공수송물질은, P3HT(poly(3-hexylthiophene)), P3AT(poly(3-alkylthiophene)), P3OT(poly(3-octylthiophene), PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate)) 또는 이들의 혼합물인 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube, SWCNT)인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예는, 투명 전극; 상기 투명 전극 상에 위치하는 전자수송층; 상기 전자수송층 상에 위치하는 광활성층; 상기 광활성층 상에 위치하는 정공수송층; 및 상기 정공수송층 상에 위치하는 대향 전극을 포함하고, 상기 정공수송층은, 비전도성 고분자 매트릭스 및 상기 비전도성 고분자 매트릭스 내 위치하는 탄소나노튜브와 정공수송물질의 복합체를 포함하는 것인 광전소자를 제공한다.
상기 비전도성 고분자는, 폴리(메틸메타크릴레이트) (poly(methyl methacrylate), PMMA), 에틸렌-비닐아세테이트 (ethylene-vinyl acetate, EVA), 폴리비닐 클로라이드 (polyvinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 (polyethylene, PE), 폴리카보네이트 (polycarbonate, PC), 폴리부틸렌 (Polybutylene, PB) 또는 이들의 혼합물인 것일 수 있다.
상기 정공수송물질은, P3HT(poly(3-hexylthiophene)), P3AT(poly(3-alkylthiophene)), P3OT(poly(3-octylthiophene), PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate)) 또는 이들의 혼합물인 것일 수 있다.
상기 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube, SWCNT)인 것일 수 있다.
상기 광활성층은, 양자점층인 것일 수 있다.
상기 양자점은, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbSxSe1 -x(0<x<1), Bi2S3, Bi2Se3, InP, InCuS2, In(CuGa)Se2, Sb2S3, Sb2Se3, SnSx(1≤x≤2), NiS, CoS, FeSx(1≤x≤2), In2S3, MoS , MoSe, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.
상기 양자점은, 표면에 무기 리간드를 포함하는 것일 수 있다.
상기 무기 리간드는, Iodide인 것일 수 있다.
상기 전자수송층은, TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, In2O3 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.
상기 정공수송층의 두께는, 40nm 이상 및 200nm 이하인 것일 수 있다.
상기 광활성층의 두께는, 150nm 이상 및 300nm 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예의 정공수송재료는, 태양전지 등 광전소자의 광활성층에서 형성된 정공에 대한 선택적 수송능력이 뛰어나, 광전소자의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예의 정공수송재료의 독특한 형태에 의하여, 빛의 흡수능이 향상될 수 있으며, 이를 포함하는 광전소자의 안정성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예의 태양전지의 모식도이다.
도 2는 실시예에서 제조된 태양전지의 주사전자현미경 사진이다.
도 3는 실시예의 제조과정 중 SWNT/P3HT 용액이 드랍 코팅된 표면의 투과전자현미경 사진이다.
도 4는 실시예 및 비교예의 태양전지의 전기적 특성 측정 데이터이다.
도 5는 실시예 및 비교예의 태양전지의 빛 흡수율 측정 데이터이다.
도 6은 실시예 및 비교예의 태양전지의 안정성 평가 데이터이다.
다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “위에” 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 “바로 위에” 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
본 발명의 일 구현예는, 비전도성 고분자 매트릭스 및 상기 비전도성 고분자 매트릭스 내 위치하는 탄소나노튜브와 정공수송물질의 복합체를 포함하는 것인, 정공수송재료를 제공하며, 본 발명의 다른 일 구현예로, 이를 포함하는 광전소자를 제공한다. 상기 광전소자(100)는 구체적으로, 도 1에 예시된 바와 같이 투명 전극(20); 상기 투명 전극(20) 상에 위치하는 전자수송층(30); 상기 전자수송층(30) 상에 위치하는 광활성층(40); 상기 광활성층(40) 상에 위치하는 정공수송층(50); 및 상기 정공수송층(50) 상에 위치하는 대향 전극(60)을 포함하고, 상기 정공수송층(50)이 상기 정공수송재료를 포함하는 것일 수 있다.
상기 광전소자(100)는, 태양 전지일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니고 태양 전지 이외의 다양한 광전소자(100)일 수 있다. 이하, 상기 광전소자(100)가 태양전지인 경우를 예로 들어 설명한다.
상기 탄소나노튜브와 정공수송물질의 복합체는, 탄소나노튜브 및 정공수송물질이 상기 비전도성 고분자 매트릭스에 균일하게 분산된 형태이거나, 구체적으로 상기 정공수송물질이 탄소나노튜브를 감싸고(wrapped) 있는 형태일 수 있다. 다만, 이러한 형태에 한정하는 것은 아니다. 이와 같이 탄소나노튜브 및 정공수송물질이 복합체를 이루면서, 복합체들이 매트릭스 내에 분산됨에 따라 정공수송경로가 형성될 수 있고, 탄소나노튜브가 정공의 선택적인 전달 향상에 기여하는 것으로 생각된다.
전자 기준 에너지 밴드 다이어그램 상 태양전지를 구성하는 각층(투명 전극, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층, 대향전극)의 에너지 레벨은 광전자 및 광정공의 자발적 분리 및 자발적 이동에 영향을 미친다. 이 때 상기 정공수송재료를 정공수송층(50)으로 포함하는 태양전지에서, 이러한 각층의 에너지 레벨의 매칭성이 향상되어, 광활성층(40)에서 만들어진 정공의 선택적인 전달 효율이 향상될 수 있다. 이에, 태양 전지의 단락전류밀도가 현저히 향상되어, 광전변환효율(PCE)이 현저히 향상될 수 있다. 또한 태양 전지의 개방 전압이 향상되고, 전자 및 정공을 포함하는 캐리어(carrier)의 수명(life time)이 증가되어, 전자와 정공의 재결합(recombination)이 감소하고, 이는 곧 단락전류밀도의 향상으로 이어질 수 있다.
또한, 상기 정공수송층(50)은 광활성층(40)과의 보강간섭을 통해 광흡수율을 향상시킬 수 있다. 나아가, 정공수송층(50)이 탄소나노튜브를 포함함에 따라 형성되는 물리적인 구조에 의해, 광흡수율이 향상되어 광전변환효율이 향상될 수 있다. 구체적으로, 정공수송층(50) 내 탄소나노튜브는 빛을 산란(scattering) 시켜 태양 전지 내에서 빛의 이동 경로를 확장시킬 수 있다. 그 결과, 입사된 광의 전지 내 이동 경로가 증가하고, 전지 밖으로 반사되는 양이 감소하며, 광흡수율이 증가할 수 있다.
상기 정공수송층(50)이 비전도성 고분자 매트릭스를 포함함에 따라, 태양 전지의 구동 안정성이 향상될 수 있다. 태양 전지로의 수분 또는 산소의 유입은 양자점 태양 전지의 경우 광활성층(50)인 양자점층 내 양자의 나노결정(nanocrystal) 표면 및 표면의 리간드에 표면 결함을 일으킬 수 있다. 이러한 표면 결함에 따라 캐리어의 재결합이 유발되는 등의 문제가 발생하여, 전지 효율이 저하될 수 있다. 그러나, 비전도성 고분자 매트릭스를 정공수송층(50)에 포함함에 따라, 수분 또는 산소의 유입이 차단될 수 있고, 이에 따라 전지의 구동 안정성이 향상되어, 장기간 높은 효율을 유지할 수 있는 고수명특성을 나타낼 수 있다.
상기 비전도성 고분자는, 전기절연성 고분자로서, 폴리(메틸메타크릴레이트) (poly(methyl methacrylate), PMMA), 에틸렌-비닐아세테이트 (ethylene-vinyl acetate, EVA), 폴리비닐 클로라이드 (polyvinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 (polyethylene, PE), 폴리카보네이트 (polycarbonate, PC), 폴리부틸렌 (Polybutylene, PB) 또는 이들의 혼합물인 것일 수 있다. 보다 구체적으로는 PMMA인 것일 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니고, 탄소나노튜브 및 정공수송물질의 복합체를 내부에 분산시킬 수 있는 매트릭스 형태의 물성을 갖아 상술한 효과를 구현할 수 있다면, 다른 고분자 매트릭스의 채용이 가능하다.
상기 정공수송물질은, 유기 정공수송물질일 수 있으며, 구체적으로는 티오펜계 유기물일 수 있다. 보다 구체적으로는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), P3AT(poly(3-alkylthiophene)), P3OT(poly(3-octylthiophene), PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate)) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 보다 구체적으로는 P3HT(poly(3-hexylthiophene)일 수 있다. 그러나, 상기 정공수송물질은 정공수송기능을 수행할 수 있는 다른 유기 정공수송물질의 채용이 가능할 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 탄소나노튜브는, 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube, MWCNT), 또는 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube, SWCNT)인 것일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 다만, 단일벽 탄소나노튜브인 것인 바람직할 수 있는데, 이는 단일벽 탄소나노튜브는 직경, 2차원 탄소격자의 대칭성 등의 구조에 의해 금속성 및 p-type 반도체 성질을 갖기 때문이다.
상기 정공수송층(50)은 상기 광활성층(40) 상에, 탄소나노튜브 및 정공수송물질을 포함하는 전구체 용액을 도포한 뒤, 곧이어 비전도성 고분자 용액을 도포 및 건조함으로써 형성할 수 있다. 상기 전구체 용액의 용매는 사용되는 정공수송물질의 종류에 따라 적절히 채용될 수 있다. 예를 들면, 정공수송물질이 PEDOT:PSS인 경우 물을 포함하는 극성 용매를 이용할 수 있으며, 정공수송물질이 P3AT인 경우 톨루엔, 클로로벤젠, 클로로폼과 같은 무극성 용매를 이용하여 전구체 용액을 제조할 수 있다. 상기 비전도성 고분자 용액에서, 비전도성 고분자가 PMMA인 경우 예시적인 용매로 클로로벤젠을 사용할 수 있다. 상기 전구체 용액의 코팅은, 탄소나노튜브 및 정공수송물질의 복합체가 균일하게 분산될 수 있도록 드랍 코팅(drop coating) 방식으로 코팅할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 비전도성 고분자 용액의 도포는, 통상적인 도포방법에 의할 수 있다. 예를 들어, 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 드롭핑(dropping), 디스펜싱(dispensing), 프린팅(printing), 닥터블레이드(doctor blade), 랭뮤어 블로젯(Langmuir Blodgett) 등의 공정을 이용할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 정공수송층(50)의 두께는, 광활성층(40)과 대향 전극(60)이 물리적으로 안전하게 분리되며 원활한 정공의 전달이 이루어지는 두께일 수 있다. 구체적 일 예로, 정공수송층(50)의 두께는 40nm 내지 200 nm일 수 있다.
상기 태양 전지에서, 상기 광활성층(40)은 양자점층인 것일 수 있다. 이에, 본 발명의 일 구현예에 따른 정공수송재료를 포함함으로써, 양자점 태양 전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
상기 양자점은, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbSxSe1 -x(0<x<1), Bi2S3, Bi2Se3, InP, InCuS2, In(CuGa)Se2, Sb2S3, Sb2Se3, SnSx(1≤x≤2), NiS, CoS, FeSx(1≤x≤2), In2S3, MoS , MoSe, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 양자점은 상기 물질에 주기율표상 13족에서 선택되는 원소가 도핑된 물질일 수 있다.
또한, 상기 양자점은 양자점의 안정적인 용매 분산상을 확보하기 위해 표면에 계면활성제 역할을 하는 올레산(oleic acid), 올레아민(oleyamine) 등의 리간드를 더 포함할 수 있다. 그러나, 상기 리간드는 전도성이 없기 때문에 전자와 정공의 이동에 대해 저항으로 작용할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 상기 양자점은 길이가 짧은 리간드로 리간드 치환된 것을 사용할 수 있다. 이에, 양자점간의 거리를 좁혀, 양자점 사이의 접촉 저항을 줄일 수 있다. 구체적으로, 상기 양자점은 표면에 무기물질인 요오드화물(iodide) 리간드를 포함할 수 있다. 상기 요오드화물(iodide) 리간드를 포함함으로써, 캐리어(carrier)의 이동도(mobility)가 향상되어, 태양 전지의 전지 특성이 향상될 수 있다. 다만, 리간드의 종류를 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 양자점은 보다 구체적으로 표면에 iodide 리간드를 포함하는 PbS 양자점일 수 있나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 iodide 리간드를 포함하는 PbS 양자점은, 올레이트와 같은 유기 리간드가 형성된 양자점을 리간드 교환 반응(ligand exchange reaction) 처리하여 제조할 수 있다. 비한정적인 예시로, 표면에 올레이트와 같은 유기 리간드가 형성된 PbS 양자점을 메틸암모니움 아이오다이드(methylammonium iodide) 용액과 혼합시키는 방식에 의해 제조될 수 있다. 이후, 상기 표면 처리된 양자점을 포함하는 용액을 상기 전자수송층(30) 상에 도포 및 건조시켜 양자점층을 형성시킬 수 있다. 도포는 통상적인 도포방법에 의할 수 있다. 예를 들어, 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 드롭핑(dropping), 디스펜싱(dispensing), 프린팅(printing), 닥터블레이드(doctor blade), 랭뮤어 블로젯(Langmuir Blodgett) 등의 공정을 이용할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 광활성층(40)의 두께는, 150nm 이상 및 300nm 이하인 것일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 전자수송층(30)은, TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, In2O3 또는 이들의 혼합물이거나, 상기 물질들에 주기율표상 15족에서 선택되는 원소가 도핑된 물질일 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 전자수송층(30)은 해당 물질을 포함하는 전구체 용액을 상기 투명 전극 상에 도포 및 건조시켜 형성시킬 수 있다. 도포는 통상적인 도포방법에 의할 수 있다. 예를 들어, 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 드롭핑(dropping), 디스펜싱(dispensing), 프린팅(printing), 닥터블레이드(doctor blade), 랭뮤어 블로젯(Langmuir Blodgett) 등의 공정을 이용할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 전자수송층(30)의 두께는 태양 전지의 효율을 고려하여 50nm 내지 150nm 일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 본 발명의 일 구현예의 태양 전지는 상기 투명 전극(20)의 하부에 위치하는 투명 기판(10)을 더 포함할 수 있다. 투명 기판(10)은 기판 상부의 구조물을 지지하기 위한 지지체의 역할을 수행하며 광이 투과되는 기판이면 사용 가능하다. 일 예로, 리지드 기판으로 유리 기판을 들 수 있으며, 플렉시블 기판으로 포함하는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 트리아세틸셀룰로오스, 폴리에테르술폰 기판등을 들 수 있다. 다만 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 투명 기판 상에 위치하는 투명 전극(20)은, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide), 불소-도핑 주석 산화물(fluorine doped tin oxide), 알루미늄-도핑 아연 산화물(aluminum doped zinc oxide), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 대향 전극(60)은, 백금, 금, 알루미늄, 은, 티타늄, 크롬, 니켈 등을 포함할 수 있으며, 동일 금속의 단일층, 또는 서로 다른 금속을 포함하는 다층 구조를 가질 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 대향 전극(60)은, 상기 정공수송층(50) 상에 증착방식을 통해 형성될 수 있으며, 예를 들면, 물리적 증착 또는 화학적 증착 방식에 의해 형성될 수 있으며, 열증착에 의해 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 전극의 목적하는 형상에 따라 패터닝 공정이 부가될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예
(1) PbS 콜로이달 양자점의 합성
10g의 1-옥타데센(1-octadecene)에 2.1mmol의 PbO와 5.7mmol의 올레익산(oleic acid)를 혼합한 후, 진공에서 90℃에서 2시간 동안 유지하였다. 이후, 혼합액의 온도를 105℃로 조절하고, 5g의 1-옥타데센에 1mmol의 비스(트리메틸실릴)설파이드 (bis(trimethylsilyl)sulfide)가 혼합된 용액을 투입하여 교반한 후, 상온에서 냉각하였다. 이렇게 제조된 올레이트 리간드가 형성된 PbS 양자점을 원심분리를 통해 회수하였으며, 세척 용액은 순서대로 아세톤, 헥산, 두 차례의 메탄올을 사용하였다. 최종적으로 50mg/ml의 농도로 옥탄(octane)에 분산시켰다.
(2) PbS 콜로이달 양자점의 리간드 교환(ligand exchange)
상기 (1)에서 제조된 PbS 콜로이달 양자점 0.8mL에 용매인 옥탄을 가하여, 10mg/ml 농도의 4mL 용액으로 희석하였다. 이 희석액을 강한 교반 하에 0.63M의 메틸암모니움 아이오다이드(methylammonium iodide)용액 (용매는 N,N-dimethylformamide, DMF)과 혼합하였다. 옥탄에서 DMF로 PbS 나노입자의 이동이 완료된 후, 옥탄을 이용해 원심분리를 통해 3차례 세척하였다. 마지막 세척 이후 옥탄을 제거 한 후, 0.2mL의 톨루엔으로 용매를 교체한 후, 원심분리를 재차 수행한 뒤, 얻어진 나노입자 침전물을 질소분위기에서 건조하였다. 이후, 160uL의 뷰틸아민(butylamine)을 투입하여 용해시켰다.
(3) ZnO 나노입자의 합성
125 ml 메탄올에 13.4mmol의 Zinc acetate dihydrate이 녹아있는 용액과, 65ml의 메탄올에 26.9mmol의 potassium hydroxide가 녹아있는 용액을 제조하고, 각각 60℃에서 교반하였다. 이후, 상기 potassium hydroxide 용액을 상기 Zinc acetate dehydrate 용액에 점적 투입(dropwise)하고, 2.5시간동안 60℃에서 교반하였다.
이후, 제조된 ZnO 나노입자를 메탄올을 이용해 2차례 원심분리로 세척하고, 5ml의 클로로폼(chloroform) 및 5ml의 메탄올의 혼합액에 녹였다.
(4) 단일벽탄소나노튜브/P3HT 용액의 제조
Chlorobenzene에 P3HT를 첨가하여 0.6mg/ml의 농도의 용액으로 제조하고, SWCNT 2.5mg을 첨가하였다. 이 용액을 냉각하면서 Ultra-sonication을 10분간 실시하였다. 이후, Chlorobenzene 5ml를 첨가하였다. 10000g로 8분간 원심분리기를 이용해 상층액을 회수하였다. 회수한 용액에 Toluene 10ml를 첨가하고, 70℃에서 30분간 방치하였다. 용액을 꺼내 16000g로 4분간 원심분리를 하고, 침전물을 회수하였다. 위 과정을 5번 반복하였다. 최종 침전물의 무게에 맞춰 1:8의 비율로 Chloroform에 분산한다. 만들어진 용액을 10%의 power로 2분간 Ultra-sonication 과정을 거친 후 사용하였다.
실시예
ITO 코팅된 유리기판 상에 상기 제조예의 (3)에서 제조된 ZnO 용액을 2000rpm으로 30초 동안 스핀 코팅한 후, 100℃에서 10분간 건조하여 100nm의 전자수송층을 형성하였다.
이후, 상기 제조예의 (2)에서 제조된 PbS 혼합액을 그 위에 2500rpm으로 90초 동안 스핀 코팅 한 후, 100℃에서 10분간 건조하여 220nm의 양자점층을 형성하였다.
다음으로, 상기 제조예의 (4)에서 제조된 SWNT/P3HT 용액 200uL를 상기 양자점층 상에 3000rpm으로 90초간 드랍 코팅(drop coating)하고, 바로 이어서 0.65mg/ml의 PMMA 용액 (용매는 클로로벤젠)을 2000rpm으로 45초간 스핀 코팅한 뒤, 100℃에서 10분간 건조하여 70nm 두께의 정공수송층을 형성하였다.
이후, 열증착을 이용하여 100nm 두께의 Au 전극을 형성하였다.
비교예
SWNT/P3HT 용액을 사용하지 않고 정공수송층을 형성한 점을 제외하고는, 상기 실시예와 같은 방법으로 태양전지를 제조하였다.
실험예
(1) 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM ) 및 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM) 사진
도 2는 실시예에서 제조된 태양전지의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
투명 전극 상에, ZnO 전자수송층, Iodide 리간드 치환된 PbS 양자점층 및 SWNT/P3HT-PMMA 정공수송층이 형성된 모습을 확인할 수 있다.
도 3은 실시예의 제조과정 중, SWNT/P3HT 용액이 드랍 코팅된 표면의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 양자점 층 상에, SWNT/P3HT 복합체가 균일하게 코팅된 것을 확인할 수 있다. 이후 PMMA 용액의 스핀 코팅 및 건조를 통해 PMMA에 상기 SWNT/P3HT 복합체가 균일하게 분포되며, P3HT가 SWNT를 감싸고 있는 형태의 정공수송층이 형성된 것으로 보인다.
(2) 광전변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE) 측정
상기 실시예 및 비교예의 태양전지의 전기적 특성을 측정하였다. 구체적으로, 단락전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc), 필팩터(Fill Factor, FF), 및 광전변환효율(PCE)를 측정하였으며, 측정은 표준조건(100mW/Cm2) 하에서 이루어졌다.
도 4는 전기적 특성 측정 결과를 나타내는 그림이다. 도 4로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 정공 수송층을 구비한 실시예의 경우 단락전류밀도 및 개방전압의 현저한 향상에 의해 광전변환효율이 비교예에 비해 약 1.5배 향상된 것을 확인할 수 있다.
(3) 빛 흡수율(Absorbance) 측정
상기 실시예 및 비교예의 태양전지의 파장에 따른 빛 흡수율을 측정하였다. 그 결과는 도 5와 같다. 도 5에서,'control'은 비교예이고, 'SWNT'는 실시예를 나타낸다.
도 5에서 알 수 있듯이, 전 파장 영역에서 실시예의 흡수율이 향상된 것을 확인할 수 있다. 특히, 약 500 내지 650nm 대 빛에 대한 흡수율이 증가한 것을 알 있다.
(4) 셀 안정성 측정
상기 실시예 및 비교예의 태양전지를 35일간 습도조절이 없는 통상적인 환경(ambient air)에서 작동시키면서, 전기적 특성의 변화를 측정하였다. 측정 방식은 상기 실험예 2에서와 같다. 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6에서,'control'은 비교예이고, 'SWNT'는 실시예를 나타낸다.
도 6에서 알 수 있듯이, 실시예의 태양 전지의 경우, 비교예에 비해 35일 내내 안정적인 전기적 특성을 유지하는 것을 알 수 있다.
100 : 광전 소자 10 : 기판 20 : 투명 전극
30 : 전자수송층 40 : 광활성층 50 : 정공수송층
60 : 대향 전극

Claims (15)

  1. 비전도성 고분자 매트릭스 및 상기 비전도성 고분자 매트릭스 내 위치하는 탄소나노튜브와 정공수송물질의 복합체를 포함하는 것인,
    정공수송재료.
  2. 제 1항에서,
    상기 비전도성 고분자는,
    폴리(메틸메타크릴레이트) (poly(methyl methacrylate), PMMA), 에틸렌-비닐아세테이트 (ethylene-vinyl acetate, EVA), 폴리비닐 클로라이드 (polyvinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 (polyethylene, PE), 폴리카보네이트 (polycarbonate, PC), 폴리부틸렌 (Polybutylene, PB) 또는 이들의 혼합물인 것인,
    정공수송재료.
  3. 제 1항에서,
    상기 정공수송물질은,
    P3HT(poly(3-hexylthiophene)), P3AT(poly(3-alkylthiophene)), P3OT(poly(3-octylthiophene), PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate)) 또는 이들의 혼합물인 것인,
    정공수송재료.
  4. 제 1항에서,
    상기 탄소나노튜브는,
    단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube, SWCNT)인 것인,
    정공수송재료.
  5. 투명 전극;
    상기 투명 전극 상에 위치하는 전자수송층;
    상기 전자수송층 상에 위치하는 광활성층;
    상기 광활성층 상에 위치하는 정공수송층; 및
    상기 정공수송층 상에 위치하는 대향 전극을 포함하고,
    상기 정공수송층은, 비전도성 고분자 매트릭스 및 상기 비전도성 고분자 매트릭스 내 위치하는 탄소나노튜브와 정공수송물질의 복합체를 포함하는 것인,
    광전소자.
  6. 제 5항에서,
    상기 비전도성 고분자는,
    폴리(메틸메타크릴레이트) (poly(methyl methacrylate), PMMA), 에틸렌-비닐아세테이트 (ethylene-vinyl acetate, EVA), 폴리비닐 클로라이드 (polyvinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 (polyethylene, PE), 폴리카보네이트 (polycarbonate, PC), 폴리부틸렌 (Polybutylene, PB) 또는 이들의 혼합물인 것인,
    광전소자.
  7. 제 5항에서,
    상기 정공수송물질은,
    P3HT(poly(3-hexylthiophene)), P3AT(poly(3-alkylthiophene)), P3OT(poly(3-octylthiophene), PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate)) 또는 이들의 혼합물인 것인,
    광전소자.
  8. 제 5항에서,
    상기 탄소나노튜브는,
    단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube, SWCNT)인 것인,
    광전소자.
  9. 제 5항에서,
    상기 광활성층은,
    양자점층인 것인,
    광전소자.
  10. 제 9항에서,
    상기 양자점은,
    CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbSxSe1 -x(0<x<1), Bi2S3, Bi2Se3, InP, InCuS2, In(CuGa)Se2, Sb2S3, Sb2Se3, SnSx(1≤x≤2), NiS, CoS, FeSx(1≤x≤2), In2S3, MoS , MoSe, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인,
    광전소자.
  11. 제 10항에서,
    상기 양자점은,
    표면에 무기 리간드를 포함하는 것인,
    광전소자.
  12. 제 11항에서,
    상기 무기 리간드는,
    Iodide인 것인,
    광전소자.
  13. 제 5항에서,
    상기 전자수송층은,
    TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, In2O3 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인,
    광전소자.
  14. 제 5항에서,
    상기 정공수송층의 두께는,
    40nm 이상 및 200nm 이하인 것인,
    광전소자.
  15. 제 5항에서,
    상기 광활성층의 두께는,
    150nm 이상 및 300nm 이하인 것인,
    광전소자.
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