KR20210026476A - 양자점 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

양자점 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20210026476A
KR20210026476A KR1020190107303A KR20190107303A KR20210026476A KR 20210026476 A KR20210026476 A KR 20210026476A KR 1020190107303 A KR1020190107303 A KR 1020190107303A KR 20190107303 A KR20190107303 A KR 20190107303A KR 20210026476 A KR20210026476 A KR 20210026476A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
zinc oxide
quantum dot
oxide nanoparticles
solar cell
absorbing layer
Prior art date
Application number
KR1020190107303A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102661962B1 (ko
Inventor
오승주
강민수
우호균
Original Assignee
한국전력공사
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사, 고려대학교 산학협력단 filed Critical 한국전력공사
Priority to KR1020190107303A priority Critical patent/KR102661962B1/ko
Publication of KR20210026476A publication Critical patent/KR20210026476A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102661962B1 publication Critical patent/KR102661962B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H01L31/035209
    • H01L31/02167
    • H01L31/022483
    • H01L31/0392
    • H01L31/186
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 양자점 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판에 형성한 인듐 주석 산화물 투명전극과 상기 투명전극의 상부에 형성되며 합성한 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층과 상기 전자이동층의 상부에 형성되며 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납으로 이루어진 광 흡수층과 상기 광 흡수층의 상부에 형성되며 EDT 리간드 황화납 양자점으로 이루어진 정공흡수층과 상기 정공흡수층의 상부에 형성된 양극을 포함한다. 본 발명은 저온, 상압, 용액 공정을 통해 광 변환 효율 9%의 양자점 태양전지를 제조할 수 있는 이점이 있다.

Description

양자점 태양전지 및 그 제조방법{QUANTUM DOT SOLAR CELLS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 양자점 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 변환 효율을 향상시킬 수 있는 양자점 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
신재생 에너지에 대한 관심이 늘어남에 따라, 저가의 대량생산이 가능한 고효율 태양전지를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 양자점 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지와 다르게, 높은 이론적인 광 변환 효율, 저가 용액 공정, 선택적 흡수대역 선택 등 다양한 장점으로 인해 각광 받고 있다.
그러나 현재까지의 양자점 태양전지는 산화아연 나노입자를 이용한 전자이동층의 최적화가 되지 않아 광생성된 전하가 효과적으로 전극으로 빠져나가지 못하는 한계를 가진다.
이를 해결하기 위해 세슘, 포타슘과 같은 알칼리 이온을 도핑하여 산화아연 나노입자를 합성을 하거나, 산화아연 나노입자 필름의 표면처리를 통하여 밴드구조 개선을 통해 광전하 추출을 늘리거나, 나노입자의 트랩을 줄이는 연구 등이 진행되었지만 동시에 광전하 추출과 나노입자의 트랩을 줄이는 부분은 달성하기 어려운 한계를 보여왔다.
이에 따라, 종래 태양전지의 문제를 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 광전하 추출과 나노입자의 트랩을 줄여 전하 이동성을 향상시키고 광 변환 효율을 향상시킬 수 있도록 한 양자점 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 기판에 형성한 인듐 주석 산화물 투명전극과 상기 투명전극의 상부에 형성되며 합성한 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층과 상기 전자이동층의 상부에 형성되며 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납으로 이루어진 광 흡수층과 상기 광 흡수층의 상부에 형성되며 EDT 리간드 황화납 양자점으로 이루어진 정공흡수층과 상기 정공흡수층의 상부에 형성된 양극을 포함한다.
상기 전자이동층은 열처리한 산화아연 나노입자를 사용한다.
상기 합성한 산화아연 나노입자는 박막 열처리 또는 액상 열처리 공정을 통해 산화아연 나노입자 내에 존재하는 산소 공공(oxygen vacancy)을 줄여준 것이다.
상기 양극은 금(Au) 전극이다.
기판 상에 인듐 주석 산화물 투명전극을 형성하는 단계와 상기 투명전극의 상부에 합성된 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층을 형성하는 단계와 상기 전자이동층의 상부에 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납으로 이루어진 광 흡수층을 형성하는 단계와 상기 광 흡수층의 상부에 EDT 리간드 황화납 양자점으로 이루어진 정공흡수층을 형성하는 단계와 상기 정공흡수층의 상부에 양극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 전자이동층을 형성하는 단계는, 화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자를 합성하는 단계와 상기 합성된 산화아연 나노입자를 액상으로 열처리하여 전기적 특성을 향상시키는 단계와 상기 열처리된 산화아연 나노입자를 상기 인듐 주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법으로 코팅하는 단계를 포함한다.
상기 전자이동층을 형성하는 단계는, 화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자를 합성하는 단계와 상기 합성된 산화아연 나노입자를 상기 인듐 주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법으로 코팅하여 산화아연 나노입자 박막을 형성하는 단계와 상기 산화아연 나노입자 박막을 열처리하여 단계를 포함한다.
상기 산화아연 나노입자는 아세트산 아연과 수산화 칼륨을 포함하는 반응 혼합물로부터 합성하고, 상기 합성된 산화아연 나노입자를 클로로포름에 분산시켜 산화아연 나노입자 용액으로 준비한다.
상기 열처리는 50~200℃ 온도에서 15~30분간 수행한다.
상기 정공흡수층을 형성하는 단계는, 상기 광 흡수층의 상부에 긴 유기물 리간드를 가지고 있는 황화납 양자점을 코팅한 다음, EDT 리간드로 치환하여 전기적 특성을 향상시킨다.
상기 정공흡수층의 상부에 양극을 형성하는 단계는, 금(Au) 전극을 열 증착시켜 형성한다.
본 발명은 전자이동층에 액상 또는 박막 열처리된 산화아연 나노입자 박막을 적용하므로 산소 공공이 감소되어 전하의 이동성을 향상시켜 광생성된 전하가 효과적으로 전극을 빠져나갈 수 있고 광 변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 열처리를 통한 산화아연 나노입자의 전기적 특성을 향상시켜 광전하 추출 및 나노입자 트랩이 감소하여 트랩 준위 재결합 확률을 감소하므로 양자점 태양전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 양자점 태양전지를 보인 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 양자점 태양전지 제조방법을 보인 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전자이동층을 설명하기 위한 도면.
도 4의 (a)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막의 X-선 광전자 분광 스펙트럼이고, (b)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막의 광 루미너센스 스펙트럼이고, (c),(d)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막의 자외광 전자 분광법 스펙트럼의 고저 에너지 스펙트럼이고, (e)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막의 그래프이고, (f)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막의 전기 밴드 다이어그램.
도 5의 (a)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 제작된 양자점 태양전지의 전기적 특성을 나타내는 그래프이고, (b)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 한 양자점 태양전지의 시간에 따른 특성 변화를 보여주는 그래프이고, (c)와 (d)는 열처리 없는, 박막 열처리, 액상 열처리한 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 한 양자점 태양전지의 조도에 따른 단락전류와 개방전압을 보여주는 그래프.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 양자점 태양전지(1)는 기판(10), 기판(10) 상에 형성한 투명전극(20), 투명전극(20)의 상부에 형성한 전자이동층(30), 전자이동층(30)의 상부에 형성한 광 흡수층(40), 광 흡수층(40)의 상부에 형성한 정공흡수층(50) 및 정공흡수층(50)의 상부에 형성한 양극(60)을 포함한다.
기판(10)은 유리 또는 유연성이 있는 플라스틱으로 형성된 투명기판을 이용할 수 있다. 예를 들어, 기판은 유리(glass) 기판, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylenenaphthelate), PP(polypropylene), PI(polyamide), TAC(tri acetyl cellulose), PES(polyethersulfone) 등을 포함하는 플라스틱 중 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판, 알루미늄 포일(aluminum foil), 스테인리스 스틸 포일(stainlessteel foil) 중 어느 하나를 포함하는 플렉서블(flexible) 기판 등을 사용할 수 있다. 실시예에서는 유리 기판을 사용한다.
기판(10) 상에 투명전극(20)을 형성한다. 투명전극(20)은 인듐 주석 산화물(ITO), FTO(fluorine deped tin oxide), AZO(aluminum doped zinc oxide), IZO(indium zine oxide)일 수 있다. 투명전극(20)은 기판(10) 상에 증착에 의해 형성되거나, 파티클이나 졸겔 타입으로 용액화 상태로 제조되어 코팅 또는 인쇄 공정으로 기판(10) 상에 도포될 수 있다. 실시예에서는 인듐 주석 산화물(ITO) 투명전극을 사용한다. 인듐 주석 산화물 투명전극은 전기적 성능과 투명성이 우수하다.
전자이동층(30)은 합성한 산화아연 나노입자로 이루어진다. 합성한 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층(30)은 생성된 광전자만을 선별적으로 이동시킨다. 이러한 전자이동층(30)은 전자 이동과 층간 계면 특성을 우수하게 만들어 광 변환 효율의 증가에 기여한다.
전자이동층(30)은 열처리한 산화아연 나노입자(ZnO NPs)로 이루어진다. 바람직하게는, 전자이동층(30)은 합성한 산화아연 나노입자를 박막 열처리 또는 액상 열처리하여 산화아연 나노입자 내에 존재하는 산소 공공(oxygen vacancy)을 줄여준 것이다.
합성된 직후의 산화아연 나노입자는 산소 공공이 존재한다. 산소 공공은 광 생성된 전자가 통과할 때 재결합을 일으키고 이는 낮은 광 변환 효율의 원인이 된다. 또한, 산소 공공은 산화아연 나노입자에 트랩으로 존재하면서 전자를 머금고 있어 낮은 전기적 특성과 페르미 에너지 레벨을 형성한다.
이는 광 흡수층(40)인 양자점 입자와 이상적인 밴드를 형성하지 못하고 광 생성된 전하가 충분히 전극으로 이동하지 못하는 결과를 야기한다. 따라서 합성한 산화아연 나노입자는 박막 열처리 또는 액상 열처리 공정을 통해 산화아연 나노입자 내에 존재하는 산소 공공(oxygen vacancy)을 줄여준다. 산소 공공이 채워지면 나오는 전자는 전자의 수를 증가시켜 산화아연 나노입자가 보다 N 타입을 띄게 한다.
열처리에 의해 산소 공공을 줄여주는 원리는 아래의 반응식에 의한 것이다.
Zn- -Zn + 2OH- →Zn-OH+-Zn + OH- → Zn-O-Zn + H2O
예컨데, 액상 열처리의 경우, 분산이 용이하여 산소 공공 제거에 보다 효과적이다.
광 흡수층(40)은 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납(PbS-PbI2)으로 이루어진다. 광 흡수층(40)은 광 흡수율을 높이기 위해 일정 두께 이상으로 형성한다.
정공흡수층(50)은 EDT 리간드 황화납 양자점(PbS-EDT)으로 이루어진다.
양극(60)은 금(Au) 전극으로 형성된다. 그러나 양극(60)을 형성하는 물질은 특별히 제한하지 않고, 기존 양극 형성물질을 비제한적으로 사용할 있다. 예를 들어, 공기 중에서 산화가 방지되는 금속물질인 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 마그네슘(Mg) 중 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
도 2에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 양자점 태양전지 제조방법은 기판 상에 인듐 주석 산화물 투명전극을 형성하는 단계와, 투명전극의 상부에 합성된 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층을 형성하는 단계와, 전자이동층의 상부에 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납으로 이루어진 광 흡수층을 형성하는 단계와, 광 흡수층의 상부에 EDT 리간드 황화납 양자점으로 이루어진 정공흡수층을 형성하는 단계와, 정공흡수층의 상부에 양극을 형성하는 단계를 포함한다.
전자이동층(30)을 형성하는 단계는, 화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자를 합성하는 단계와 합성된 산화아연 나노입자를 액상으로 열처리하여 전기적 특성을 향상시키는 단계와 열처리된 산화아연 나노입자를 상기 인듐 주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법으로 코팅하는 단계를 포함한다.
또는, 전자이동층(30)을 형성하는 단계는, 화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자를 합성하는 단계와 합성된 산화아연 나노입자를 상기 인듐 주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법으로 코팅하여 산화아연 나노입자 박막을 형성하는 단계와 산화아연 나노입자 박막을 열처리하여 단계를 포함한다.
산화아연 나노입자는 화학 습식 방법을 통해 대량 합성한다.
구체적으로, 산화아연 나노입자는 아세트산 아연(ZnC4H6O4)과 수산화 칼륨(KOH)을 포함하는 반응 혼합물로부터 합성하고, 합성된 산화아연 나노입자를 클로로포름에 분산시켜 산화아연 나노입자 용액으로 준비할 수 있다.
산화아연 나노입자 용액이 준비되면, 산화아연 나노입자 용액을 준비된 기판에 스핀코팅하여 얇은 막(film)의 형태로 산화아연 나노입자 박막을 생성한다. 여기서, 산화아연 나노입자가 코팅되는 기판은 태양전지의 음극인 인듐주석 산화물 투명전극이 증착된 유리 기판이다.
합성한 산화아연 나노입자는 기판에 나노입자 박막을 생성한 다음 열처리를 수행하는 박막 열처리 또는 산화아연 나오입자 용액 상태에서 열처리를 수행하는 액상 열처리 공정을 통해 산화아연 나노입자 내에 존재하는 산소 공공(oxygen vacancy)을 줄여준다.
즉, 액상 열처리의 경우 산화아연 나노입자를 스핀코팅하기 전 열처리를 수행하고, 박막 열처리의 경우 산화아연 나노입자를 스핀코팅한 후 열처리를 수행한다. 열처리는 저온 열처리로 50~200℃ 온도에서 15~30분간 수행한다. 실시예의 경우 액상 열처리하며 80℃에서 수행하였다. 저온 열처리는 통상의 열처리를 이용하여 수행할 수 있으며, 공기 분위기에서 수행할 수 있다.
열처리는 50℃ 미만에서는 산소 공공을 채우는 효과가 미비하고 200℃를 초과하면 소결을 유도하므로 바람직하지 않다.
도 3에 도시된 바와 같이, 합성된 직후의 산화아연 나노입자는 산소 공공이 존재하여, 광 생성된 전자가 산화아연 나노입자 박막을 통과할 때, 재결합을 일으키고, 이는 낮은 광 변환 효율의 원인이 된다. 또한 산소 공공은 산화아연 나노입자에 트랩으로 존재하여 전자를 머금고 있어 낮은 전기적 특성과 페르미 에너지 레벨을 형성한다. 이는 광 흡수층인 황화 납 양자점 입자와 이상적인 밴드를 형성하지 못하여 광 생성된 전하가 충분히 전극으로 이동하지 못하는 결과를 야기한다.
박막 열처리의 경우, 산소가 분리되어 공공을 채우고, 액상 열처리의 경우, 용액 속의 OH- 이온이 산소 공공을 채우게 된다. 2차원 박막 대비 용액 속 0차원 나노입자는 표면 대 부피비가 크고 산소 분리 과정이 필요 없기 때문에 저온(50~200℃)에서 보다 효율적으로 산소 공공을 채울 수 있다. 또한, 산소 공공이 채워지면서 나오는 전자는 전자의 수를 증가시켜 산화아연 나노입자가 보다 N타입을 띄게 한다.
산소 공공(oxygen vacancy)은 열처리 과정에서 산소가 공급되어 채워지게 된다.
광 흡수층(40)을 형성하는 단계는, 전자이동층(30)의 상부에 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납을 코팅하여 형성한다. 액상 리간드 치환은 표면 결함을 최소화하여 전기적 특성을 역할을 한다.
정공흡수층(50)을 형성하는 단계는, 화학 습식 방법을 통해 황화납 양자점을 대량 합성한다. 다음으로 광 흡수층의 상부에 긴 유기물 리간드를 가지고 있는 황화납 양자점을 코팅한 다음, EDT(1,2-Ethanedithiol) 리간드로 치환하여 전기적 특성을 향상시킨다. 코팅은 스핀코팅에 의해 수행될 수 있다.
정공흡수층(50)의 상부에 양극을 형성하는 단계는, 금(Au) 전극을 열 증착시켜 형성한다.
상술한 양자점 태양전지 제조방법은 화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자와 황화 납 양자점을 대량 합성하여, 전자이동층(30), 광 흡수층(40), 정공흡수층(50)을 코팅 공정으로 형성하므로, 제조공정을 단순화시킬 수 있고, 대면적 태양전지를 상대적으로 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 합성된 산화아연 나노입자를 인듐주석 산화물이 증착된 기판에 코팅하기 전 액상으로 열처리하여 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 열처리된 산화아연 나노입자를 인듐주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법을 통해 전자이동층(30)을 형성하고, 전자이동층(30)의 상부에 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납을 코팅하여 광 흡수층(40)을 형성하므로 전기적 특성을 향상시킨다.
또한, 광 흡수층(40)의 상부에 긴 유기물 리간드를 갖고 있는 황화 납 양자점을 코팅한 다음 EDT(1,2-Ethanedithiol) 리간드로 치환하여 전기적 특성을 향상시키고, 광 흡수층(40)의 상부에 양극(60)으로 금 전극을 열 증차시킴으로써 양자점 태양전지를 제작할 수 있다.
양극(60)은 80nm의 두께로 형성할 수 있다.
이하에서는 본 발명을 실험예를 통해 설명하기로 한다.
산화아연 나노입자는 생성된 광전자만을 선별적으로 이동시키는 전자이동층이다. 전자이동층(30)은 스퍼터링을 통해 제작된 인듐주석 산화물 유리 기판(10)의 상부에 산화아연 나노입자를 스핀코팅하여 형성한다. 그 후 광 흡수층(40)인 황화납 양자점을 액상 치환기법으로 리간드 치환하여 스핀코팅하고, 그 후 정공흡수층(50)인 EDT 리간드 황화 납 양자점을 박막치환 기법으로 코팅하며, 마지막으로 양극(60)으로 금 전극을 형성하여 양자점 태양전지(1)를 제작한다.
인듐주석 산화물 유리 기판은 아세톤 및 이소프로판올로 세정하고 탈이온수에서 5분 동안 초음파 처리하고, 30분 동안 UV-오존 처리하여 준비한다. 전자이동층은 2500 rpm의 속도로 30초 동안 산화아연 나노입자를 코팅한 다음 80℃에서 15분 동안 가열한다.
도 4의 (a)에 도시된 바에 의하면, 530.2eV에서 피크는 산소 공공을 나타낸다. 산화아연 나노입자 샘플에서 열처리하지 않은 샘플의 경우 산소 공공이 20.6at%에서, 박막 열처리한 경우 13.0at%로, 액상 열처리의 경우 12.0at%로 산소 공공이 감소했다. 위 결과로부터 액상 열처리는 박막 열처리에 비해 산소 공공을 줄이는데 효과적임을 알 수 있다.
산화아연 나노입자 샘플에서 결함 밀도의 감소는 광학 특성을 변화시킬 것으로 예상된다. 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 광 발광(PL) 특성을 측정하였다.
모든 PL데이터는 ~365nm에서 밴드 에지 방출로 정상화되었으며, ~550nm에서 피크 주변의 넓은 신호는 산화아연 나노입자의 표면 결함에서 주로 발생하는 결함 방출에 해당한다. XPS 분석에서 액상 열처리한 경우 결함 방출이 가장 낮았으며, 박막 열처리한 경우가 그 다음으로 낮았다.
도 4의 (c)에 도시된 바에 의하면, 열처리 변화와 상관없이 비슷한 준위의 페르미 레벨을 갖는 것을 알 수 있다.
또한, 도 4의 (d) 및 (e)에 도시된 그래프를 통해 전체적인 밴드의 형상을 유추하였을 때, 도 4의 (f)에 도시된 바와 같이, 액상 열처리 및 박막 열처리한 경우 페르미 에너지 레벨이 상대적으로 위쪽으로 이동하였고, 이는 n형의 증가를 나타낸다.
위 결과로부터, 액상 열처리의 경우 가장 깊은 전도대를 보여주고 높은 태양전지 효율을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다.
도 5의 (a)에 도시된 바에 의하면, 태양전지의 PCE 값에서 열처리가 없는 박막은 8.05%(JSC 21.85mA/㎠, VOC 0.606, 충전율(FF) 60.8%), 박막 열처리된 경우 ~8.76%(JSC 21.46mA/㎠, VOC 0.617, 충전율(FF) 63.1%), 액상 열처리된 경우 9.28%(JSC 23.08mA/㎠, VOC 0.635, 충전율(FF) 63.3%)로 액상 열처리된 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 한 양자점 태양전지에서 광 변환 효율이 가장 높았다.
이는 저온 열처리 과정에서 산소 공공 결함이 감소하고 n형 도핑을 통해 광 생성된 전하를 더 빠르게 소멸시켜 광 흡수층에서 더 큰 내장 전압과 더 큰 공핍 폭을 유도하고 전하 분리 및 수집을 최적화하는 에너지 정렬을 통해 광 변환 효율 증가시키기 때문으로 확인된다.
도 5의 (b)에 도시된 바에 의하면, 모든 태양전지의 PCE가 증가했다. 그러나 120일 후 열처리가 없는 박막은 PCE 유지율이 84%를 나타내지만, 박막 열처리의 경우 94%, 액상 열처리된 경우 98%의 유지율을 나타내었다.
도 5의 (c)에 도시된 바에 의하면, 액상 열처리된 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 한 양자점 태양전지에서 높은 A(기울기)값이 얻어졌다. 이는 전자이동층과 정공흡수층 사이의 재조합 감소를 의미하며, 열처리된 산화아연 나노입자 박막의 밴드 다운으로 인해 내부 전계가 증가했기 때문으로 확인된다.
도 5의 (d)에 도시된 바에 의하면, 트랩에 의한 재결합 확률은 기울기가 감소함에 의해 감소하며, 열처리된 산화아연 나노입자 박막을 사용하는 양자점 태양전지의 경우, 개방회로 조건하에서 트랩 부위로부터 재조합이 감소하고 열처리 공정동안 트랩 부위가 채워짐이 확인된다.
상술한 실험 결과로부터, 액상 열처리된 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 한 양자점 태양전지는 효율적인 충전을 나타내고, 추출, 재조합 감소로 9.29%의 향상된 광 변환 효율(PCE)을 나나태며, 열처리하지 않은 산화아연 나노입자 박막을 기반으로 한 태양전지와 비교하여 열처리한 산화아연 나노입자 박막의 경우 120일 후에도 98%의 유지율로 개선된 공기 안정성을 가짐을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 산화아연 나노입자의 산소 공공을 저온 액상 열처리를 통해 제어할 수 있으며, 이를 기반으로 광 변환 효율 9.29%를 달성할 수 있으며, 시간에 따라 광 변환 효율이 악화되는 정도를 지연시킬 수 있다.
특히, 본 발명은 모든 공정이 저온, 상압에서 용액 공정으로 진행되므로 제조 비용을 절감하면서 대량 생산을 가능하게 하고, 나아가 높은 태양전지 효율과 안정성을 기반으로 차세대 태양전지 및 웨어러블 센서와 결합하여 헬스케어 및 다양한 산업 분야에 응용할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 양자점 태양전지 10: 기판
20: 투명전극(음극) 30: 전자이동층
40: 광 흡수층 50: 정공흡수층
60; 양극(전극)

Claims (11)

  1. 기판에 형성한 인듐 주석 산화물 투명전극;
    상기 투명전극의 상부에 형성되며 합성한 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층;
    상기 전자이동층의 상부에 형성되며 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납으로 이루어진 광 흡수층;
    상기 광 흡수층의 상부에 형성되며 EDT 리간드 황화납 양자점으로 이루어진 정공흡수층; 및
    상기 정공흡수층의 상부에 형성된 양극;
    을 포함하는 양자점 태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자이동층은 열처리한 산화아연 나노입자를 사용하는 양자점 태양전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 합성한 산화아연 나노입자는
    박막 열처리 또는 액상 열처리 공정을 통해 산화아연 나노입자 내에 존재하는 산소 공공(oxygen vacancy)을 줄여준 것인 양자점 태양전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극은 금(Au) 전극인 양자점 태양전지.
  5. 기판 상에 인듐 주석 산화물 투명전극을 형성하는 단계;
    상기 투명전극의 상부에 합성된 산화아연 나노입자로 이루어진 전자이동층을 형성하는 단계;
    상기 전자이동층의 상부에 액상 리간드 치환 기법으로 합성한 아이오드화 납을 리간드로 갖고 있는 황화 납으로 이루어진 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층의 상부에 EDT 리간드 황화납 양자점으로 이루어진 정공흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 정공흡수층의 상부에 양극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 양자점 태양전지의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전자이동층을 형성하는 단계는,
    화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자를 합성하는 단계;
    상기 합성된 산화아연 나노입자를 액상으로 열처리하여 전기적 특성을 향상시키는 단계; 및
    상기 열처리된 산화아연 나노입자를 상기 인듐 주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법으로 코팅하는 단계;
    를 포함하는 양자점 태양전지의 제조방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 전자이동층을 형성하는 단계는,
    화학 습식 방법을 통해 산화아연 나노입자를 합성하는 단계;
    상기 합성된 산화아연 나노입자를 상기 인듐 주석 산화물 투명전극의 상부에 스핀코팅기법으로 코팅하여 산화아연 나노입자 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 산화아연 나노입자 박막을 열처리하여 단계;
    를 포함하는 양자점 태양전지의 제조방법.
  8. 청구항 6 또는 7에 있어서,
    상기 산화아연 나노입자는 아세트산 아연과 수산화 칼륨을 포함하는 반응 혼합물로부터 합성하고, 상기 합성된 산화아연 나노입자를 클로로포름에 분산시켜 산화아연 나노입자 용액으로 준비하는 양자점 태양전지의 제조방법.
  9. 청구항 6 또는 7에 있어서,
    상기 열처리는 50~200℃ 온도에서 15~30분간 수행하는 양자점 태양전지의 제조방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 정공흡수층을 형성하는 단계는,
    상기 광 흡수층의 상부에 긴 유기물 리간드를 가지고 있는 황화납 양자점을 코팅한 다음, EDT 리간드로 치환하여 전기적 특성을 향상시킨 것인 양자점 태양전지의 제조방법.
  11. 청구항 5에 있어서,
    상기 정공흡수층의 상부에 양극을 형성하는 단계는,
    금(Au) 전극을 열 증착시켜 형성하는 양자점 태양전지의 제조방법.
KR1020190107303A 2019-08-30 2019-08-30 양자점 태양전지 및 그 제조방법 KR102661962B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190107303A KR102661962B1 (ko) 2019-08-30 2019-08-30 양자점 태양전지 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190107303A KR102661962B1 (ko) 2019-08-30 2019-08-30 양자점 태양전지 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210026476A true KR20210026476A (ko) 2021-03-10
KR102661962B1 KR102661962B1 (ko) 2024-05-02

Family

ID=75148923

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190107303A KR102661962B1 (ko) 2019-08-30 2019-08-30 양자점 태양전지 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102661962B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115881841A (zh) * 2022-11-29 2023-03-31 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 硫化铅量子点太阳能电池结构及其制备方法和应用
CN116130531A (zh) * 2022-09-07 2023-05-16 德州学院 一种量子点叠层太阳能电池及其制备方法
KR20240058465A (ko) * 2022-10-26 2024-05-03 고려대학교 산학협력단 황화납 양자점 포토다이오드와 그 제조방법 및 응용 제품

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130094136A (ko) * 2012-02-15 2013-08-23 영남대학교 산학협력단 산화아연 단결정 나노 로드를 구비한 태양전지 및 그의 제조방법
KR20140091623A (ko) * 2012-12-27 2014-07-22 에스케이이노베이션 주식회사 양자점 기반 태양전지 및 이의 제조방법
KR101943875B1 (ko) * 2016-12-19 2019-01-30 국민대학교산학협력단 양자점 잉크 제조방법, 이로부터 제조된 양자점 잉크 및 이를 포함하는 태양전지

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130094136A (ko) * 2012-02-15 2013-08-23 영남대학교 산학협력단 산화아연 단결정 나노 로드를 구비한 태양전지 및 그의 제조방법
KR20140091623A (ko) * 2012-12-27 2014-07-22 에스케이이노베이션 주식회사 양자점 기반 태양전지 및 이의 제조방법
KR101943875B1 (ko) * 2016-12-19 2019-01-30 국민대학교산학협력단 양자점 잉크 제조방법, 이로부터 제조된 양자점 잉크 및 이를 포함하는 태양전지

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Cao, Yiming, et al. "The role of surface passivation for efficient and photostable PbS quantum dot solar cells." Nature Energy 1.4 (2016): 1-6.(2016.04.04.)* *
Mengfan Gu et al., J. Mater. Chem. A (2019) 7 15951-15959 (2019.06.13.)공개 *
Zhiwen Jin et al., Scientific Reports 6 37106 (2016) (2016.11.15.)공개 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116130531A (zh) * 2022-09-07 2023-05-16 德州学院 一种量子点叠层太阳能电池及其制备方法
KR20240058465A (ko) * 2022-10-26 2024-05-03 고려대학교 산학협력단 황화납 양자점 포토다이오드와 그 제조방법 및 응용 제품
CN115881841A (zh) * 2022-11-29 2023-03-31 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 硫化铅量子点太阳能电池结构及其制备方法和应用
CN115881841B (zh) * 2022-11-29 2024-05-07 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 硫化铅量子点太阳能电池结构及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
KR102661962B1 (ko) 2024-05-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tan et al. Thermal stability of mixed cation metal halide perovskites in air
Zhang et al. α-CsPbBr3 perovskite quantum dots for application in semitransparent photovoltaics
Huang et al. Facile fabrication of highly efficient ETL-free perovskite solar cells with 20% efficiency by defect passivation and interface engineering
Wu et al. Enhancing the efficiency of perovskite solar cells using mesoscopic zinc-doped TiO 2 as the electron extraction layer through band alignment
Zhang et al. High efficiency solution-processed thin-film Cu (In, Ga)(Se, S) 2 solar cells
Rhee et al. A perspective of mesoscopic solar cells based on metal chalcogenide quantum dots and organometal-halide perovskites
US8373060B2 (en) Semiconductor grain microstructures for photovoltaic cells
JP2022519403A (ja) MXene改質ハイブリッド光変換器
WO2017073472A1 (ja) 高信頼性ペロブスカイト太陽電池
KR102661962B1 (ko) 양자점 태양전지 및 그 제조방법
Zhang et al. Organics filled one-dimensional TiO 2 nanowires array ultraviolet detector with enhanced photo-conductivity and dark-resistivity
US11557689B2 (en) Integrated tandem solar cell and manufacturing method thereof
CN111509131B (zh) 发光器件及其制备方法和显示装置
EP3208860A1 (en) Solar cell
Huang et al. Efficiency enhancement of regular-type perovskite solar cells based on Al-doped ZnO nanorods as electron transporting layers
Punnoose et al. Exploring the effect of manganese in lead sulfide quantum dot sensitized solar cell to enhance the photovoltaic performance
Ling et al. High-performance light-soaking-free polymer solar cells based on a LiF modified ZnO electron extraction layer
Mokarian Zanjani et al. Tailored ZnO Functional Nanomaterials for Solution‐Processed Quantum‐Dot Light‐Emitting Diodes
US20160226009A1 (en) Thin film solar cell, semiconductor thin film and coating liquid for forming semiconductor
JP5626079B2 (ja) 色素増感太陽電池およびその製造方法
WO2014001817A1 (en) Photovoltaic device and method of fabricating thereof
US20140291147A1 (en) Target materials for fabricating solar cells
JP2016541124A (ja) 薄膜太陽電池用層系
KR101628952B1 (ko) 탠덤 태양전지 및 그 제조방법
Wang et al. Perovskite with inhomogeneous composition: Presence of the Cl-rich layer improves the device performance

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right