KR20220037609A - Quantum dots solar cell having excellent photo-stability and preparing method of the same - Google Patents

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Abstract

A quantum dot solar cell is provided. The quantum dot solar cell includes: a transparent substrate; a charge transport layer formed on the transparent substrate; a photoactive layer formed on the charge transport layer; a hole transport layer formed on the photoactive layer; and an electrode formed on the hole transport layer. The charge transport layer includes quantum dots that selectively block high-energy photons. The photoactive layer includes an organic material.

Description

광안정성이 향상된 양자점 태양전지 및 이의 제조방법{QUANTUM DOTS SOLAR CELL HAVING EXCELLENT PHOTO-STABILITY AND PREPARING METHOD OF THE SAME}QUANTUM DOTS SOLAR CELL HAVING EXCELLENT PHOTO-STABILITY AND PREPARING METHOD OF THE SAME

본원은 광안정성이 향상된 양자점 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present application relates to a quantum dot solar cell with improved photostability and a method for manufacturing the same.

광전변환 소자(photovoltaic cell), 즉 태양전지(solar cell)는 무한한 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로써 친환경적인 차세대 에너지원으로써 대체에너지 개발 측면에서 많은 연구 개발이 이루어지고 있다. 이러한 태양전지로는 크게 실리콘과 같은 무기물을 이용한 태양전지와 유기물을 이용한 태양전지로 나눌 수 있고, 이들 중에서 실리콘이나 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 무기 화합물 반도체를 이용한 태양전지는 다양한 장점을 가지고 있음에도 불구하고, 성능 대비 가격이 높아 상용화에 한계가 있다는 큰 단점이 존재한다.A photovoltaic cell, that is, a solar cell, is a device that converts infinite solar energy into electrical energy, and as an eco-friendly next-generation energy source, a lot of research and development is being conducted in terms of alternative energy development. Such solar cells can be largely divided into solar cells using inorganic materials such as silicon and solar cells using organic materials. Among them, solar cells using inorganic compound semiconductors such as silicon or gallium arsenide (GaAs) have various advantages. Nevertheless, there is a big disadvantage that there is a limit to commercialization due to the high price compared to the performance.

이러한 단점을 극복할 수 있는 대안으로 유기태양전지가 제안되었다. 유기태양전지는 p 형 또는 n 형 유기반도체 재료를 광활성층으로 이용하고, 단순한 소자구조로 인해 제조공정이 간단하고 모듈화가 용이하며, 단위소자와 모듈간의 에너지 손실이 적으며, 흡광계수가 높아 얇은 두께의 박막에서도 50% 이상의 빛을 흡수할 수 있다는 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 궁극적으로 용액공정 기반으로 제작할 수 있기 때문에, 무기물 태양전지에 비해 획기적인 원가절감이 가능하다는 장점을 갖는다. 게다가 유기태양전지는 현재 10% 이상의 우수한 광전 변환 효율이 보고되어 있다.As an alternative to overcome these shortcomings, organic solar cells have been proposed. The organic solar cell uses a p-type or n-type organic semiconductor material as a photoactive layer, and due to its simple device structure, the manufacturing process is simple and modularization is easy, the energy loss between the unit device and the module is small, and the extinction coefficient is high, making it thin and thin. Not only does it have the advantage of being able to absorb more than 50% of light even in a thin film, but it also has the advantage of being able to cut costs significantly compared to inorganic solar cells because it can ultimately be manufactured based on a solution process. In addition, organic solar cells are currently reported to have excellent photoelectric conversion efficiency of 10% or more.

상술한 장점들에도 불구하고 유기태양전지는 빛에 대한 안정성이 매우 취약하고, 이로 인해 소자의 장기 안정성과 수명이 짧은 등의 문제가 있어, 유기태양전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.In spite of the above-described advantages, organic solar cells have very weak stability to light, which has problems such as long-term stability and short lifespan of the device, which is the biggest obstacle to commercialization of organic solar cells.

상술한 유기태양전지의 장기 안정성 문제점을 해결하기 위하여, 광활성층에 사용되는 흡광 물질, 전하 전달용 중간층 및 전극 소재에 대한 다양한 연구개발이 이루어지고 있으나, 아직까지 광안정성 개선을 위한 소재에 대해서는 보고된 바 없으므로, 이에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.In order to solve the above-mentioned long-term stability problem of organic solar cells, various research and development are being made on light absorbing materials used for photoactive layers, intermediate layers for charge transfer, and electrode materials. Since it has not been done, development for it is required.

본원의 배경이 되는 기술인 대한민국 등록특허공보 제 1969918 호는 광안정성이 향상된 유기태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 중간층의 도입을 통해 광안정성이 현저히 향상된 유기태양전지에 관한 것이다. 그러나, 상기 등록특허는 전하 수송층이 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하는 양자점 태양전지에 대해서는 언급하지 않고 있다.Republic of Korea Patent Publication No. 19969918, which is the background technology of the present application, relates to an organic solar cell with improved photostability and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an organic solar cell with significantly improved photostability through introduction of an intermediate layer. However, the registered patent does not mention a quantum dot solar cell including quantum dots in which the charge transport layer selectively blocks high energy photons.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광안정성이 향상된 양자점 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.The present application provides a quantum dot solar cell with improved photostability and a method for manufacturing the same in order to solve the problems of the prior art described above.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical problems to be achieved by the embodiments of the present application are not limited to the technical problems described above, and other technical problems may exist.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 형성된 전하 수송층; 상기 전하 수송층 상에 형성된 광활성층; 상기 광활성층 상에 형성된 정공 수송층; 및 상기 정공 수송층 상에 형성된 전극을 포함하는 양자점 태양전지에 있어서, 상기 전하 수송층은 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고, 상기 광활성층은 유기물을 포함하는 것인, 양자점 태양전지를 제공한다.As a technical means for achieving the above technical problem, the first aspect of the present application, a transparent substrate; a charge transport layer formed on the transparent substrate; a photoactive layer formed on the charge transport layer; a hole transport layer formed on the photoactive layer; and an electrode formed on the hole transport layer, wherein the charge transport layer includes quantum dots that selectively block high-energy photons, and the photoactive layer includes an organic material, providing a quantum dot solar cell do.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고에너지 광자는 300 nm 내지 400 nm 범위의 파장을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the high-energy photon may have a wavelength in the range of 300 nm to 400 nm, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 0.8 eV 내지 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the quantum dot may have a bandgap in the range of 0.8 eV to 1.7 eV, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 비화인듐(InAs), 인화인듐(InP), 황화납(PbS), 안티몬화인듐(InSb), 비화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 안티몬화갈륨(GaSb), 셀렌화카드뮴(CdSe), 황화카드뮴(CdS), 텔루르화카드뮴(CdTe), 셀레늄화아연(ZnSe), 텔루르화아연(ZnTe) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the quantum dots are indium arsenide (InAs), indium phosphide (InP), lead sulfide (PbS), indium antimonide (InSb), gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP), antimonide gallium (GaSb), cadmium selenide (CdSe), cadmium sulfide (CdS), cadmium telluride (CdTe), zinc selenide (ZnSe), zinc telluride (ZnTe), and combinations thereof It may include, but is not limited to.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점의 캐리어 농도는 1016 cm-3 내지 1017 cm-3 인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the carrier concentration of the quantum dots may be 10 16 cm -3 to 10 17 cm -3 , but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 n-layer 를 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the quantum dots may form an n-layer, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 특정 방향의 노출면을 포함하고, 상기 노출면에 리간드가 결합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the quantum dots may include an exposed surface in a specific direction, and a ligand may be bound to the exposed surface, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 상기 노출면의 비율 또는 상기 리간드의 양에 따라 에너지 준위가 상이한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the quantum dots may have different energy levels depending on the ratio of the exposed surface or the amount of the ligand, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 상기 노출면과 상기 리간드의 전기음성도 차이에 의해 에너지 준위가 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the energy level of the quantum dot may be controlled by a difference in electronegativity between the exposed surface and the ligand, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전하 수송층은 금속 산화물을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the charge transport layer may further include a metal oxide, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 산화물은 TiO2, NiOx, Zn2SnO4, ZnO, ZrO, Al2O3, SnO2, WO3, Nb2O5, TiSrO3 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal oxide is TiO 2 , NiO x , Zn 2 SnO 4 , ZnO, ZrO, Al 2 O 3 , SnO 2 , WO 3 , Nb 2 O 5 , TiSrO 3 and combinations thereof It may include one selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 투명 기판은 ITO, FTO, IZO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the transparent substrate is selected from the group consisting of ITO, FTO, IZO, ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , SnO 2 -Sb 2 O 3 and combinations thereof. It may include, but is not limited to.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성층은 벌크이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the photoactive layer may include a bulk heterojunction (BHJ) layer, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 정공 수송층은 MoO3, Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, P3HT, PCPDTBT, PCDTBT, PTAA, V2O5, NiO, WO3, CuI, CuSCN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the hole transport layer is MoO 3 , Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, P3HT, PCPDTBT, PCDTBT, PTAA, V 2 O 5 , NiO, WO 3 , CuI, CuSCN, and may include one selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Mo, Ir, Os, C, 전도성 고분자 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the electrode is selected from the group consisting of Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Mo, Ir, Os, C, a conductive polymer, and combinations thereof. It may include, but is not limited to.

본원의 제 2 측면은, 투명 기판 상에 전하 수송층을 형성하는 단계; 상기 전하 수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계; 상기 광활성층 상에 정공 수송층을 형성하는 단계; 및 상기 정공 수송층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 양자점 태양전지에 있어서, 상기 전하 수송층은 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고, 상기 광활성층은 유기물을 포함하는 것인, 양자점 태양전지의 제조 방법을 제공한다.A second aspect of the present application, the method comprising: forming a charge transport layer on a transparent substrate; forming a photoactive layer on the charge transport layer; forming a hole transport layer on the photoactive layer; and forming an electrode on the hole transport layer, wherein the charge transport layer includes quantum dots that selectively block high-energy photons, and the photoactive layer includes an organic material, quantum dot solar A method for manufacturing a battery is provided.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고에너지 광자는 300 nm 내지 400 nm 범위의 파장을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the high-energy photon may have a wavelength in the range of 300 nm to 400 nm, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 0.8 eV 내지 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the quantum dot may have a bandgap in the range of 0.8 eV to 1.7 eV, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전하 수송층 및 상기 광활성층을 형성하는 단계는 스핀코팅, 드롭캐스팅, 딥코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the step of forming the charge transport layer and the photoactive layer is spin coating, drop casting, dip coating, bar coating, inkjet printing, nozzle printing, spray coating, slot die coating, gravure printing, screen printing , electrohydrodynamic jet printing, electrospray, and may be performed by a method selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 정공 수송층을 형성하는 단계는 물리적기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD), 스퍼터링(sputtering), RF/DC 스퍼터링, 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD), 전자빔 증착(Electron-beam Evaporation), 이온빔 스퍼터링, 화학적기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD), 저압화학기상증착(LPCVD), 플라즈마화학기상증착(PECVD), 이온 플레이팅(ion plating) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the step of forming the hole transport layer is physical vapor deposition (Physical Vapor Deposition, PVD), sputtering (sputtering), RF / DC sputtering, atomic layer deposition (Atomic Layer Deposition, ALD), electron beam deposition (Electron-beam Evaporation), ion beam sputtering, Chemical Vapor Deposition (CVD), low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), plasma chemical vapor deposition (PECVD), ion plating and combinations thereof. It may be performed by a method selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.The above-described problem solving means are merely exemplary, and should not be construed as limiting the present application. In addition to the exemplary embodiments described above, additional embodiments may exist in the drawings and detailed description.

본원에 따른 양자점 태양전지는 전하 수송층이 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함함으로써, 종래의 유기 태양전지에 비하여 광안정성 및 효율이 현저히 향상된 양자점 태양전지를 제공한다.The quantum dot solar cell according to the present application provides a quantum dot solar cell with significantly improved photostability and efficiency compared to a conventional organic solar cell by including a quantum dot that selectively blocks high-energy photons in a charge transport layer.

종래의 유기 태양전지는 높은 광전 변환 효율을 가지지만 유기물 기반의 광활성층 소재를 사용함으로써 고에너지 빛에 의해 소자의 안정성이 단기간에 저하되는 한계점이 있었고, 종래의 전하 수송층 재료로 사용되는 ZnO, TiO2 등의 금속 산화물은 고에너지 빛을 차단시키기에는 비교적 큰 밴드갭을 가지기 때문에, 빛이 들어오는 전하 수송층에서 고에너지 빛을 차단시키지 못하는 한계점이 있었다. 반면, 본원에 따른 양자점 태양전지는 전하 수송층이 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 범위의 밴드갭을 가지는 양자점을 포함함으로써, 고에너지 빛을 차단하여 광안정성을 현저히 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있다.Conventional organic solar cells have high photoelectric conversion efficiency, but by using an organic-based photoactive layer material, the stability of the device is reduced in a short period of time due to high-energy light. Since metal oxides such as 2 have a relatively large bandgap to block high-energy light, there is a limitation in that they cannot block high-energy light in the charge transport layer through which light enters. On the other hand, the quantum dot solar cell according to the present application includes quantum dots having a band gap in a range where the charge transport layer selectively blocks high energy photons, thereby blocking high energy light to provide a quantum dot solar cell with significantly improved photostability. there is.

또한, 종래의 전하 수송층 재료인 ZnO, TiO2 등의 금속 산화물은 공핍 산소결함을 가지고 있어서 광촉매적 특성을 내재하고 있으므로, 유기 광활성층의 분해를 촉진하는 문제점이 있었으나, 본원에 따른 양자점 태양전지는 광촉매적 특성이 없는 새로운 전하 수송층을 도입함으로써, 유기 광활성층의 분해를 원천적으로 차단하여 광안정성을 현저히 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있다.In addition, since metal oxides such as ZnO and TiO 2 , which are conventional charge transport layer materials, have depleted oxygen defects and have photocatalytic properties, there was a problem in promoting the decomposition of the organic photoactive layer, but the quantum dot solar cell according to the present application By introducing a new charge transport layer without photocatalytic properties, it is possible to provide a quantum dot solar cell with significantly improved photostability by fundamentally blocking the decomposition of the organic photoactive layer.

또한, 본원에 따른 양자점 태양전지는 광촉매적 특성이 없는 새로운 전하 수송층을 도입함으로써, 외부 보호 필름 없이도 활성산소와의 직접 접촉을 차단함으로써 활성산소에 취약한 유기 광활성층의 흡광 물질을 보호하여 광안정성을 현저히 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있다.In addition, the quantum dot solar cell according to the present application protects the light absorbing material of the organic photoactive layer vulnerable to active oxygen by blocking direct contact with active oxygen without an external protective film by introducing a new charge transport layer without photocatalytic properties, thereby improving photostability. It is possible to provide a remarkably improved quantum dot solar cell.

또한, 본원에 따른 양자점 태양전지는 우수한 전하수송 능력을 가지는 양자점으로 고전도성 n-layer 를 형성하여 전하 수송층의 재료로 도입함으로써, 광전 변환 효율이 현저히 향상된 양자점 태양전지를 제공할 수 있다.In addition, the quantum dot solar cell according to the present application can provide a quantum dot solar cell with significantly improved photoelectric conversion efficiency by forming a highly conductive n-layer with quantum dots having excellent charge transport ability and introducing it as a material of the charge transport layer.

또한, 본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 전하 수송층 및 광활성층을 용액 공정을 이용하여 형성함으로써, 균일하게 대면적 박막을 형성할 수 있다.In addition, the manufacturing method of the quantum dot solar cell according to the present application can form a large-area thin film uniformly by forming the charge transport layer and the photoactive layer using a solution process.

또한, 본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 액체화된 샘플로 기판위에 스핀코팅하는 방법을 사용함으로써, 대면적과 플렉서블 소자에 적용이 가능한 장점이 있다.In addition, the manufacturing method of the quantum dot solar cell according to the present application has the advantage that it can be applied to a large area and a flexible device by using a method of spin coating on a substrate with a liquefied sample.

또한, 본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 액체화된 샘플로 기판위에 스핀코팅하는 방법을 사용함으로써, 대면적화가 용이하고 공정 과정이 단순하여 roll-to-roll 공정의 도입이 가능하기 때문에 편리성 및 경제성이 우수할 수 있다. In addition, the manufacturing method of the quantum dot solar cell according to the present application uses a method of spin coating on a substrate with a liquefied sample, so it is easy to enlarge the area and the process is simple. and economical efficiency.

또한, 본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 정공 수송층을 물리적기상증착을 이용하여 형성함으로써, 고진공에서 증착하기 때문에 결함이 적은 고품질의 박막을 얻을 수 있는 장점이 있다.In addition, the method for manufacturing a quantum dot solar cell according to the present application has an advantage in that a high-quality thin film with few defects can be obtained because the hole transport layer is formed using physical vapor deposition, so that it is deposited in a high vacuum.

다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.However, the effects obtainable herein are not limited to the above-described effects, and other effects may exist.

도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 모식도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 작동 원리를 나타낸 모식도이다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 구동 안정성을 시간에 따라 측정한 표준화된 광전변환효율(Normalized Power Conversion Efficiency, PCE)을 나타낸 그래프이다.
도 5 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6 은 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 전류-전압 곡선 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7 은 본원의 실시예에 따라 제조된 양자점 태양전지의 양자점 박막 두께에 따른 광전변환효율 및 구동 안정성을 측정한 그래프이다.
도 8 은 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 조사 광량에 따른 유기 광활성층 분해 정도를 유기 광활성층 흡수도 변화를 통해 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 구조에 따른 광학 시물레이션을 통해 태양광의 소자 내 투과 경로를 예측한 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a quantum dot solar cell according to an embodiment of the present application.
2 is a schematic diagram showing the operating principle of a quantum dot solar cell according to an embodiment of the present application.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a quantum dot solar cell according to an embodiment of the present application.
4 is a graph showing normalized power conversion efficiency (PCE) measured over time for driving stability of solar cells according to Examples and Comparative Examples of the present application.
5 is a graph showing absorption spectra of solar cells according to Examples and Comparative Examples of the present application.
6 is a graph showing a comparison result of current-voltage curves of solar cells according to Examples and Comparative Examples of the present application.
7 is a graph measuring the photoelectric conversion efficiency and driving stability according to the thickness of the quantum dot thin film of the quantum dot solar cell manufactured according to the embodiment of the present application.
8 is a graph showing the results of analyzing the degree of decomposition of the organic photoactive layer according to the amount of irradiation light of the solar cells according to Examples and Comparative Examples of the present application through changes in the absorbance of the organic photoactive layer.
9 is a graph showing a result of predicting a transmission path of sunlight within a device through optical simulation according to the structure of a solar cell according to Examples and Comparative Examples of the present application.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present application pertains can easily carry out. However, the present application may be implemented in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present application in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is "connected" with another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "electrically connected" with another element interposed therebetween. do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is positioned “on”, “on”, “on”, “on”, “under”, “under”, or “under” another member, this means that a member is positioned on the other member. It includes not only the case where they are in contact, but also the case where another member exists between two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.As used herein, the terms "about," "substantially," and the like are used in a sense at or close to the numerical value when the manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and to aid in the understanding of the present application. It is used to prevent an unconscionable infringer from using the mentioned disclosure in an unreasonable way. Also, throughout this specification, "step to" or "step to" does not mean "step for".

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination of these" included in the expression of the Markush form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the Markush form, and the components It is meant to include one or more selected from the group consisting of.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.Throughout this specification, reference to “A and/or B” means “A, B, or A and B”.

이하, 본원의 광안정성이 향상된 양자점 태양전지 및 이의 제조방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a quantum dot solar cell with improved photostability of the present application and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to embodiments, examples, and drawings. However, the present application is not limited to these embodiments and examples and drawings.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 투명 기판(100); 상기 투명 기판(100) 상에 형성된 전하 수송층(200); 상기 전하 수송층(200) 상에 형성된 광활성층(300); 상기 광활성층(300) 상에 형성된 정공 수송층(400); 및 상기 정공 수송층(400) 상에 형성된 전극(500)을 포함하는 양자점 태양전지에 있어서, 상기 전하 수송층(200)은 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고, 상기 광활성층(300)은 유기물을 포함하는 것인, 양자점 태양전지를 제공한다.As a technical means for achieving the above technical problem, the first aspect of the present application, the transparent substrate 100; a charge transport layer 200 formed on the transparent substrate 100; a photoactive layer 300 formed on the charge transport layer 200; a hole transport layer 400 formed on the photoactive layer 300; And in the quantum dot solar cell comprising an electrode 500 formed on the hole transport layer 400, the charge transport layer 200 includes quantum dots that selectively block high energy photons, the photoactive layer 300 is It provides a quantum dot solar cell comprising an organic material.

도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 모식도이고, 도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 작동 원리를 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram of a quantum dot solar cell according to an embodiment of the present application, and FIG. 2 is a schematic diagram showing an operating principle of a quantum dot solar cell according to an embodiment of the present application.

유기태양전지는 빛에 대한 안정성이 매우 취약하고, 이로 인해 소자의 장기 안정성과 수명이 짧은 등의 문제가 있어, 유기태양전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.Organic solar cells have very weak stability to light, which has problems such as long-term stability and short lifespan of the device, which is the biggest obstacle to the commercialization of organic solar cells.

본원에 따른 양자점 태양전지는 전하 수송층(200)이 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함함으로써, 종래의 유기 태양전지에 비하여 광안정성 및 효율이 현저히 향상된 양자점 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.The quantum dot solar cell according to the present application includes quantum dots in which the charge transport layer 200 selectively blocks high-energy photons, thereby providing a quantum dot solar cell with significantly improved photostability and efficiency compared to conventional organic solar cells. there is.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고에너지 광자는 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the high-energy photon may have a wavelength in the range of about 300 nm to about 400 nm, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 약 0.8 eV 내지 약 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the quantum dots may have a bandgap in the range of about 0.8 eV to about 1.7 eV, but is not limited thereto.

종래의 유기 태양전지는 높은 광전 변환 효율을 가지지만 유기물 기반의 광활성층(300) 소재를 사용함으로써 고에너지 빛에 의해 소자의 안정성이 단기간에 저하되는 한계점이 있었다.Conventional organic solar cells have high photoelectric conversion efficiency, but by using the organic-based photoactive layer 300 material, there is a limitation in that the stability of the device is deteriorated in a short period of time due to high energy light.

종래의 금속 산화물 전하 수송층(200)의 경우 고에너지 빛을 차단시키기에는 비교적 큰 밴드갭을 가지기 때문에, 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 고에너지가 전하 수송층(200)을 통과하여 광활성층(300)에 도달함으로써, 광활성층(300)의 유기물을 분해하여 광활성층(300)의 광전변환효율이 단기간에 떨어지는 문제점이 있다.Since the conventional metal oxide charge transport layer 200 has a relatively large bandgap to block high energy light, high energy having a wavelength in the range of about 300 nm to about 400 nm passes through the charge transport layer 200 and is photoactive. By reaching the layer 300 , there is a problem in that the organic material of the photoactive layer 300 is decomposed and the photoelectric conversion efficiency of the photoactive layer 300 falls in a short period of time.

본원에 따른 양자점 태양전지는 전하 수송층(200)이 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 약 0.8 eV 내지 약 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 양자점을 포함함으로써, 고에너지 빛을 차단하여 광안정성을 현저히 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.The quantum dot solar cell according to the present application comprises quantum dots having a bandgap in the range of about 0.8 eV to about 1.7 eV in which the charge transport layer 200 selectively blocks high energy photons having a wavelength in the range of about 300 nm to about 400 nm. , there is an advantage in that it is possible to provide a quantum dot solar cell with significantly improved photostability by blocking high-energy light.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 비화인듐(InAs), 인화인듐(InP), 황화납(PbS), 안티몬화인듐(InSb), 비화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 안티몬화갈륨(GaSb), 셀렌화카드뮴(CdSe), 황화카드뮴(CdS), 텔루르화카드뮴(CdTe), 셀레늄화아연(ZnSe), 텔루르화아연(ZnTe) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to one embodiment of the present application, the quantum dots are indium arsenide (InAs), indium phosphide (InP), lead sulfide (PbS), indium antimonide (InSb), gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP), antimonide gallium (GaSb), cadmium selenide (CdSe), cadmium sulfide (CdS), cadmium telluride (CdTe), zinc selenide (ZnSe), zinc telluride (ZnTe), and combinations thereof It may include, but is not limited to.

예를 들어, 상기 양자점은 비화인듐일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the quantum dot may be indium arsenide, but is not limited thereto.

물질의 크기가 나노 단위로 축소되면서 전기적, 광학적 성질이 크게 변화하게 되는데, 이러한 반도체 입자를 양자점(Quantum dot, QD)이라고 한다. 구체적으로 물질의 종류를 달리하는 것이 아닌 입자의 크기를 조절하여 양자점을 형성함으로써 방출 및 흡수 가능한 광의 파장 및 진동수를 효율적으로 조절할 수 있다.As the size of the material is reduced to the nano level, the electrical and optical properties are greatly changed. Such semiconductor particles are called quantum dots (QDs). Specifically, the wavelength and frequency of light that can be emitted and absorbed can be efficiently controlled by forming quantum dots by controlling the size of particles rather than changing the type of material.

그러나, 하기 화학식 1 을 참조하면, 벌크 상태의 화합물을 양자점으로 만드는 경우 밴드갭이 향상할 수 밖에 없기 때문에 300 nm 내지 400 nm 파장 범위의 빛(3.1 eV 내지 4.1 eV)을 차단하기 위해서는 벌크 상태의 밴드갭이 3.1 eV 보다 작아야 한다. 예를 들어, 벌크 InAs 의 밴드갭은 0.4 eV, 벌크 ZnO 의 밴드갭은 3.4 eV 이기 때문에 화학식 1 에 따른 양자구속효과를 받더라도 좁은 밴드갭을 형성 할 수 없고, 고에너지 광자를 선택적으로 차단할 수 없다. 따라서, 양자점이 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 약 0.8 eV 내지 약 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지도록 하는 것은 매우 중요한 의미를 갖는다.However, referring to Formula 1 below, in order to block light (3.1 eV to 4.1 eV) in the wavelength range of 300 nm to 400 nm, because the band gap is inevitably improved when the compound in the bulk state is made into quantum dots, the bulk state The bandgap must be less than 3.1 eV. For example, since the bandgap of bulk InAs is 0.4 eV and that of bulk ZnO is 3.4 eV, a narrow bandgap cannot be formed even if the quantum confinement effect according to Formula 1 is applied, and high energy photons cannot be selectively blocked . Therefore, it is very important that the quantum dots have a bandgap in the range of about 0.8 eV to about 1.7 eV that selectively blocks high-energy photons having a wavelength in the range of about 300 nm to about 400 nm.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

(상기 화학식 1에서, 상기 R 은 양자점의 반지름이고, mr 은 유효질량, Eg(NC) 는 양자점의 밴드갭, Eg(bulk) 는 벌크상태의 밴드갭, ħ 는 플랑크 상수임)(In Formula 1, R is the radius of the quantum dot, m r is the effective mass, E g (NC) is the band gap of the quantum dot, E g (bulk) is the band gap in the bulk state, ħ is the Planck constant)

상기 화학식 1 을 참조하면, 일반적으로 양자점 상태의 에너지 밴드갭은 벌크 상태일 때보다 향상하게 된다. 따라서, 양자점 상태에서 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 약 0.8 eV 내지 약 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 양자점 물질은 크게 제한된다.Referring to Formula 1, in general, the energy band gap of the quantum dot state is improved compared to that of the bulk state. Accordingly, quantum dot materials having a bandgap in the range of about 0.8 eV to about 1.7 eV that selectively block high-energy photons having a wavelength in the range of about 300 nm to about 400 nm in the quantum dot state are greatly limited.

또한, 종래의 전하 수송층(200) 재료인 ZnO, TiO2 등의 금속 산화물은 공핍 산소결함을 가지고 있어서 광촉매적 특성을 내재하고 있으므로, 유기 광활성층(300)의 분해를 촉진하는 문제점이 있었으나, 본원에 따른 양자점 태양전지는 광촉매적 특성이 없는 새로운 전하 수송층(200)을 도입함으로써, 유기 광활성층(300)의 분해를 원천적으로 차단하여 광안정성을 현저히 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.In addition, metal oxides such as ZnO and TiO 2 , which are materials of the conventional charge transport layer 200, have a depleted oxygen defect and have photocatalytic properties, so there is a problem in promoting the decomposition of the organic photoactive layer 300, By introducing a new charge transport layer 200 without photocatalytic properties, the quantum dot solar cell according to there is.

또한, 본원에 따른 양자점 태양전지는 광촉매적 특성이 없는 새로운 전하 수송층(200)을 도입함으로써, 외부 보호 필름 없이도 활성산소와의 직접 접촉을 차단함으로써 활성산소에 취약한 유기 광활성층(300)의 흡광 물질을 보호하여 광안정성을 현저히 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있다.In addition, the quantum dot solar cell according to the present application introduces a new charge transport layer 200 without photocatalytic properties, thereby blocking direct contact with active oxygen without an external protective film, thereby absorbing material of the organic photoactive layer 300 vulnerable to active oxygen It is possible to provide a quantum dot solar cell with significantly improved photostability by protecting it.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점의 캐리어 농도는 약 1016 cm-3 내지 약 1017 cm-3 인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the carrier concentration of the quantum dots may be from about 10 16 cm -3 to about 10 17 cm -3 , but is not limited thereto.

일반적으로 실리콘 반도체에서 도핑된 반도체는 1010 cm-3 내지 1018 cm-3 범위의 캐리어 농도를 가진다. 본원에 따른 양자점 태양전지는 약 1016 cm-3 내지 약 1017 cm-3 의 캐리어 농도를 가짐으로써, 도핑이 충분히 된 반도체(전하수송층)로서 원활한 전자 전달이 가능한 장점이 있다.In general, doped semiconductors in silicon semiconductors have carrier concentrations in the range of 10 10 cm -3 to 10 18 cm -3 . The quantum dot solar cell according to the present application has a carrier concentration of about 10 16 cm -3 to about 10 17 cm -3 , and as a semiconductor (charge transport layer) that has been sufficiently doped, has the advantage of enabling smooth electron transfer.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 n-layer 를 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the quantum dots may form an n-layer, but is not limited thereto.

본원에 따른 양자점 태양전지는 우수한 전하수송 능력을 가지는 양자점으로 고전도성 n-layer 를 형성하여 전하 수송층(200)의 재료로 도입함으로써, 광전 변환 효율이 현저히 향상된 양자점 태양전지를 제공할 수 있다.The quantum dot solar cell according to the present application forms a high conductivity n-layer with quantum dots having excellent charge transport ability and introduces it as a material of the charge transport layer 200, thereby providing a quantum dot solar cell with significantly improved photoelectric conversion efficiency.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 특정 방향의 노출면을 포함하고, 상기 노출면에 리간드가 결합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the quantum dots may include an exposed surface in a specific direction, and a ligand may be bound to the exposed surface, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 상기 노출면의 비율 또는 상기 리간드의 양에 따라 에너지 준위가 상이한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the quantum dots may have different energy levels depending on the ratio of the exposed surface or the amount of the ligand, but is not limited thereto.

구체적으로, 상기 특정 방향의 노출 면의 비율을 제어함으로써, 상기 노출 면과 결합되는 상기 리간드의 양을 조절하는 것이 가능하다. 예를 들어, 인화인듐(InP)의 경우 (111) 면은 인듐(In)으로만 노출된 패싯(facet)을 가지고 있다. 상기 인듐은 음이온성 리간드가 결합되어 안정화되기 때문에 (111) 면은 리간드가 잘 붙을 수 있다. 반면, (110) 면은 인듐-인(In-P)이 노출된 면으로서 In-P 의 노출된 불포화 결합은 자가 부동태화(self passivation)를 통해 표면을 안정화시킬 수 있고, 리간드가 잘 붙지 못하는 환경을 만들게 된다. 이러한 성질들을 이용하여 특정 방향의 면을 노출시키는가에 따라 표면에 붙는 리간드의 양을 조절할 수 있다.Specifically, by controlling the ratio of the exposed surface in the specific direction, it is possible to control the amount of the ligand bound to the exposed surface. For example, in the case of indium phosphide (InP), the (111) surface has a facet exposed only with indium (In). Since the indium is stabilized by binding to the anionic ligand, the (111) side may be well attached to the ligand. On the other hand, the (110) plane is the surface on which indium-phosphorus (In-P) is exposed, and the exposed unsaturated bond of In-P can stabilize the surface through self passivation, and the ligand does not adhere well. create an environment Using these properties, the amount of ligand attached to the surface can be controlled depending on whether the surface in a specific direction is exposed.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 상기 노출면과 상기 리간드의 전기음성도 차이에 의해 에너지 준위가 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the energy level of the quantum dot may be controlled by a difference in electronegativity between the exposed surface and the ligand, but is not limited thereto.

상술하였듯이, 양자점이 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 약 0.8 eV 내지 약 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지도록 하는 것은 매우 중요한 의미를 갖는다.As described above, it is very important that the quantum dots have a bandgap in the range of about 0.8 eV to about 1.7 eV that selectively blocks high-energy photons having a wavelength in the range of about 300 nm to about 400 nm.

본원에 따른 양자점 태양전지는 양자점의 특정 방향의 노출면과 상기 특정 방향의 노출면에 결합된 리간드의 전기음성도 차이를 이용함으로써 양자점의 에너지 준위를 조절할 수 있다.The quantum dot solar cell according to the present application can control the energy level of the quantum dot by using the difference in electronegativity between the exposed surface of the quantum dot in a specific direction and the ligand bound to the exposed surface in the specific direction.

특히, 상기 특정 방향의 노출면의 비율을 제어함으로써, 상기 노출면과 결합되는 상기 리간드의 양을 조절하는 것이 가능하다.In particular, by controlling the ratio of the exposed surface in the specific direction, it is possible to control the amount of the ligand bound to the exposed surface.

상기 특정 방향의 노출면의 비율 제어를 통한 리간드 교환 반응은 특정 방향의 노출 면에 따라 결합하는 리간드의 종류 및 양을 제어할 수 있기 때문에 소재의 에너지 준위를 미세하게 조절 할 수 있다.The ligand exchange reaction through the control of the ratio of the exposed surface in the specific direction can control the type and amount of binding ligand according to the exposed surface in the specific direction, so that the energy level of the material can be finely adjusted.

따라서, 에너지 준위를 조절한 양자점을 전하 수송층(200)으로 사용함으로써, 광안정성 및 광전변환효율을 향상시킨 양자점 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.Accordingly, there is an advantage in that a quantum dot solar cell with improved photostability and photoelectric conversion efficiency can be provided by using the quantum dot with the adjusted energy level as the charge transport layer 200 .

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전하 수송층(200)은 금속 산화물을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the charge transport layer 200 may further include a metal oxide, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 산화물은 TiO2, NiOx, Zn2SnO4, ZnO, ZrO, Al2O3, SnO2, WO3, Nb2O5, TiSrO3 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal oxide is TiO 2 , NiO x , Zn 2 SnO 4 , ZnO, ZrO, Al 2 O 3 , SnO 2 , WO 3 , Nb 2 O 5 , TiSrO 3 and combinations thereof It may include one selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 투명 기판(100)은 ITO, FTO, IZO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the transparent substrate 100 is a group consisting of ITO, FTO, IZO, ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , SnO 2 -Sb 2 O 3 and combinations thereof. It may include one selected from, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 투명 기판(100)은 전극역할을 하면서 광투과도가 우수한 고전도성 반도체 물질인 ITO 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the transparent substrate 100 may be ITO, which is a highly conductive semiconductor material having excellent light transmittance while serving as an electrode, but is not limited thereto.

상기 투명 기판(100)은 전도성을 가지는 물질을 포함할 수 있고, 본원에 따른 양자점 태양전지 상에서 전극(500)기판의 역할을 할 수 있다.The transparent substrate 100 may include a conductive material, and may serve as a substrate for the electrode 500 on the quantum dot solar cell according to the present disclosure.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광활성층(300)은 벌크이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the photoactive layer 300 may include a bulk heterojunction (BHJ) layer, but is not limited thereto.

상기 벌크이종접합 구조는 도너(donor) 물질과 억셉터(acceptor) 물질이 수십 nm 이내의 사이즈로 섞여 있는 구조이다. 이러한 벌크이종접합 구조에서는 도너/억셉터 계면 면적이 PN 이중층(bilayer) 구조에 비해 월등히 크기 때문에, 그만큼 전하 분리(charge-separation) 효율이 높아질 수 있고, 결과적으로, 광전변환 효율이 개선될 수 있다.The bulk heterojunction structure is a structure in which a donor material and an acceptor material are mixed with a size of several tens of nm or less. In such a bulk heterojunction structure, since the donor/acceptor interface area is significantly larger than that of the PN bilayer structure, charge-separation efficiency can be increased as much as that, and as a result, the photoelectric conversion efficiency can be improved. .

예를 들어, 광활성층(300)은 P3HT(poly-3(hexylthiophene) 및 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 이 혼합된 P3HT:PCBM 을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the photoactive layer 300 may include P3HT:PCBM in which poly-3 (hexylthiophene) (P3HT) and phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) are mixed, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 정공 수송층(400)은 MoO3, Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, P3HT, PCPDTBT, PCDTBT, PTAA, V2O5, NiO, WO3, CuI, CuSCN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the hole transport layer 400 is MoO 3 , Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, P3HT, PCPDTBT, PCDTBT, PTAA, V 2 O 5 , NiO, WO 3 , CuI, CuSCN, and may include one selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 정공 수송층(400)은 MoO3 를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. For example, the hole transport layer 400 may include MoO 3 , but is not limited thereto.

상기 정공 수송층(400)이 에너지 준위가 낮은 금속 산화물인 MoO3 를 포함하는 경우, 상부 전극인 Ag 와 에너지 레벨 조합이 좋은 장점이 있다.When the hole transport layer 400 includes MoO 3 which is a metal oxide having a low energy level, there is a good advantage in combining the energy level with Ag as the upper electrode.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극(500)은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Mo, Ir, Os, C, 전도성 고분자 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the electrode 500 is a group consisting of Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Mo, Ir, Os, C, a conductive polymer, and combinations thereof. It may include one selected from, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 전극(500)은 Ag 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. Ag 를 전극(500)으로 사용하는 경우, 외부 환경에 안정하고 전도도가 높은 장점이 있다.For example, the electrode 500 may be Ag, but is not limited thereto. When Ag is used as the electrode 500, there is an advantage of being stable in an external environment and having high conductivity.

또한, 본원에 따른 양자점 태양전지는 기본적으로 유기물 계열의 광활성층(300)을 포함하는 유기물 기반 태양전지로서, 플렉서블(flexible)한 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 태양전지를 플렉서블(flexible)한 별도의 기판에 부착하여 사용할 수도 있는 장점이 있다.In addition, the quantum dot solar cell according to the present application is basically an organic material-based solar cell including an organic material-based photoactive layer 300 , and may have flexible characteristics. Therefore, there is an advantage that such a solar cell can be used by attaching it to a separate flexible substrate.

도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 양자점 태양전지의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a quantum dot solar cell according to an embodiment of the present application.

본원의 제 2 측면은, 투명 기판(100) 상에 전하 수송층(200)을 형성하는 단계; 상기 전하 수송층(200) 상에 광활성층(300)을 형성하는 단계; 상기 광활성층(300) 상에 정공 수송층(400)을 형성하는 단계; 및 상기 정공 수송층(400) 상에 전극(500)을 형성하는 단계를 포함하는 양자점 태양전지에 있어서, 상기 전하 수송층(200)은 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고, 상기 광활성층(300)은 유기물을 포함하는 것인, 양자점 태양전지의 제조 방법을 제공한다.A second aspect of the present application, forming a charge transport layer 200 on the transparent substrate 100; forming a photoactive layer 300 on the charge transport layer 200; forming a hole transport layer 400 on the photoactive layer 300; and forming an electrode 500 on the hole transport layer 400, wherein the charge transport layer 200 includes quantum dots that selectively block high-energy photons, and the photoactive layer ( 300) provides a method for manufacturing a quantum dot solar cell, which includes an organic material.

본원의 제 2 측면에 따른 양자점 태양전지의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.With respect to the method of manufacturing a quantum dot solar cell according to the second aspect of the present application, detailed descriptions of parts overlapping with the first aspect of the present application are omitted, but even if the description is omitted, the contents described in the first aspect of the present application The same can be applied to the second aspect.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고에너지 광자는 약 300 nm 내지 약 400 nm 범위의 파장을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the high-energy photon may have a wavelength in the range of about 300 nm to about 400 nm, but is not limited thereto.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 양자점은 약 0.8 eV 내지 약 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the quantum dots may have a bandgap in the range of about 0.8 eV to about 1.7 eV, but is not limited thereto.

먼저, 상기 투명 기판(100) 상에 상기 전하 수송층(200)을 형성한다(S100).First, the charge transport layer 200 is formed on the transparent substrate 100 (S100).

본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 전하 수송층(200) 및 광활성층(300)을 용액 공정을 이용하여 형성함으로써, 균일하고 빠르게 대면적 박막을 형성할 수 있다.The manufacturing method of the quantum dot solar cell according to the present application can form a large-area thin film uniformly and quickly by forming the charge transport layer 200 and the photoactive layer 300 using a solution process.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전하 수송층(200) 및 상기 광활성층(300)을 형성하는 단계는 스핀코팅, 드롭캐스팅, 딥코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the step of forming the charge transport layer 200 and the photoactive layer 300 is spin coating, drop casting, dip coating, bar coating, inkjet printing, nozzle printing, spray coating, slot die coating , gravure printing, screen printing, electrohydrodynamic jet printing, electrospray, and may be performed by a method selected from the group consisting of combinations thereof, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 전하 수송층(200)은 스핀코팅방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the charge transport layer 200 may be formed by a spin coating method, but is not limited thereto.

본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 액체화된 샘플로 기판위에 스핀코팅하는 방법을 사용함으로써, 대면적과 플렉서블 소자에 적용이 가능한 장점이 있다.The manufacturing method of the quantum dot solar cell according to the present application has the advantage of being applicable to a large area and a flexible device by using a method of spin coating on a substrate with a liquefied sample.

또한, 본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 액체화된 샘플로 기판위에 스핀코팅하는 방법을 사용함으로써, 대면적화가 용이하고 공정 과정이 단순하여 roll-to-roll 공정의 도입이 가능하기 때문에 편리성 및 경제성이 우수할 수 있다. In addition, the manufacturing method of the quantum dot solar cell according to the present application uses a method of spin coating on a substrate with a liquefied sample, so it is easy to enlarge the area and the process is simple. and economical efficiency.

이어서, 상기 전하 수송층(200) 상에 상기 광활성층(300)을 형성한다(S200).Then, the photoactive layer 300 is formed on the charge transport layer 200 (S200).

본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 광활성층(300) 용액을 샘플위에 스핀코팅하는 방법을 사용함으로써, 하부층에 고르게 적층이 가능한 장점이 있다.The manufacturing method of the quantum dot solar cell according to the present application has an advantage in that the photoactive layer 300 solution is spin-coated on the sample, so that it can be evenly stacked on the lower layer.

이어서, 상기 광활성층(300) 상에 상기 정공 수송층(400)을 형성한다(S300).Next, the hole transport layer 400 is formed on the photoactive layer 300 (S300).

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 정공 수송층(400)을 형성하는 단계는 물리적기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD), 스퍼터링(sputtering), RF/DC 스퍼터링, 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD), 전자빔 증착(Electron-beam Evaporation), 이온빔 스퍼터링, 화학적기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD), 저압화학기상증착(LPCVD), 플라즈마화학기상증착(PECVD), 이온 플레이팅(ion plating) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the step of forming the hole transport layer 400 is physical vapor deposition (Physical Vapor Deposition, PVD), sputtering (sputtering), RF / DC sputtering, atomic layer deposition (Atomic Layer Deposition, ALD) , Electron-beam Evaporation, Ion Beam Sputtering, Chemical Vapor Deposition (CVD), Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD), Plasma Chemical Vapor Deposition (PECVD), ion plating, and their It may be performed by a method selected from the group consisting of combinations, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 정공 수송층(400)은 물리적기상증착 방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. For example, the hole transport layer 400 may be formed by a physical vapor deposition method, but is not limited thereto.

본원에 따른 양자점 태양전지의 제조방법은 정공 수송층(400)을 고진공에서 증착하기 때문에 결함이 적은 고품질의 박막을 얻을 수 있는 장점이 있다.The manufacturing method of the quantum dot solar cell according to the present application has the advantage of obtaining a high-quality thin film with few defects because the hole transport layer 400 is deposited in a high vacuum.

이어서, 상기 정공 수송층(400) 상에 전극(500)을 형성한다(S400).Next, an electrode 500 is formed on the hole transport layer 400 (S400).

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. The present invention will be described in more detail through the following examples, but the following examples are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present application.

[실시예] 양자점 태양전지(ITO/InAs QD/BHJ/MoO3/Ag)의 제조[Example] Preparation of quantum dot solar cell (ITO/InAs QD/BHJ/MoO 3 /Ag)

In 전구체 및 As 전구체를 고온에서 반응시켜 핵 생성 후, 원하는 사이즈로 성장시켜 InAs 양자점(QD)을 합성하였다.After nucleation by reacting the In precursor and the As precursor at a high temperature, InAs quantum dots (QDs) were synthesized by growing them to a desired size.

이어서, InAs 양자점에 리간드를 처리하여 용액 상태의 InAs 양자점 용액을 준비하였다.Then, a solution of the InAs quantum dot was prepared by treating the InAs quantum dot with a ligand.

이어서, ITO 박막이 코팅된 기판 위에 상기 InAs 양자점 용액을 스핀코팅한 후, 열처리하여 균일하고 결함없는 전하 수송층을 형성하였다. Then, the InAs quantum dot solution was spin-coated on the ITO thin film-coated substrate, and then heat-treated to form a uniform and defect-free charge transport layer.

이어서, 광활성층 BHJ 용액을 스핀코팅한 후, 열처리 하여 결정을 형성하였다.Then, the photoactive layer BHJ solution was spin-coated and then heat-treated to form crystals.

이어서, MoO3 정공수송층 및 Ag 전극을 물리적기상증착 장비를 이용하여 순차적으로 적층하여 양자점 태양전지(ITO/InAs QD/BHJ/MoO3/Ag)를 제조하였다.Then, a MoO 3 hole transport layer and an Ag electrode were sequentially stacked using a physical vapor deposition equipment to prepare a quantum dot solar cell (ITO/InAs QD/BHJ/MoO 3 /Ag).

[비교예] 태양전지(ITO/ZnO/BHJ/MoO3/Ag)의 제조[Comparative Example] Preparation of solar cells (ITO/ZnO/BHJ/MoO 3 /Ag)

ITO 박막이 코팅된 기판 위에 ZnO 용액을 스핀코팅한 후, 열처리하여 ZnO 전하 수송층을 형성하였다.A ZnO solution was spin-coated on the ITO thin film-coated substrate, and then heat-treated to form a ZnO charge transport layer.

이어서, 광활성층 BHJ 용액을 스핀코팅한 후, 열처리 하여 결정을 형성하였다.Then, the photoactive layer BHJ solution was spin-coated and then heat-treated to form crystals.

이어서, MoO3 정공수송층 및 Ag 전극을 물리적기상증착 장비를 이용하여 순차적으로 적층하여 태양전지(ITO/ZnO/BHJ/MoO3/Ag)를 제조하였다.Then, a MoO 3 hole transport layer and an Ag electrode were sequentially stacked using a physical vapor deposition equipment to prepare a solar cell (ITO/ZnO/BHJ/MoO 3 /Ag).

[실험예 1][Experimental Example 1]

도 4 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 구동 안정성을 시간에 따라 측정한 표준화된 광전변환효율(Normalized Power Conversion Efficiency, PCE)을 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing normalized power conversion efficiency (PCE) measured over time for driving stability of solar cells according to Examples and Comparative Examples of the present application.

구체적으로, 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지를 솔라시물레이터 장비를 이용하여, 연속적인 태양광(AM 1.5 G, 100 mW/cm2)을 ITO 방향으로 조사하였다. 빛 조사 후, 15 분마다 태양전지의 효율을 측정하여 성능을 평가 하였다.Specifically, the solar cells according to Examples and Comparative Examples of the present application were irradiated with continuous sunlight (AM 1.5 G, 100 mW/cm 2 ) in the ITO direction using a solar simulator equipment. After light irradiation, the efficiency of the solar cell was measured every 15 minutes to evaluate the performance.

이를 통하여, 본원의 실시예에 따른 양자점 태양전지는 태양광(AM 1.5G, 100 mW/cm2) 조건하에서 15 분 내지 60 분 동안 노출시켰을 때, 초기 광전변환효율의 90% 이상의 효율을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 금속 산화물을 전하 수송층(200)으로 사용하는 비교예에 따른 태양전지의 경우, 태양광(AM 1.5G, 100 mW/cm2) 조건하에서 15 분 내지 60 분 동안 노출되었을 때 초기 광전변환효율의 20% 정도만을 유지하는 것을 확인할 수 있는데, 이를 통해 본원의 실시예에 따른 양자점 태양전지가 매우 우수한 광안정성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.Through this, the quantum dot solar cell according to the embodiment of the present application maintains an efficiency of 90% or more of the initial photoelectric conversion efficiency when exposed for 15 to 60 minutes under sunlight (AM 1.5G, 100 mW/cm 2 ). could confirm that In the case of the solar cell according to the comparative example using the metal oxide as the charge transport layer 200, the initial photoelectric conversion efficiency when exposed for 15 to 60 minutes under sunlight (AM 1.5G, 100 mW/cm 2 ) is 20 It can be confirmed that only about % is maintained, and through this, it can be confirmed that the quantum dot solar cell according to the embodiment of the present application exhibits very good photostability.

이는, 비교예의 경우, 고에너지 빛을 차단시키기에는 비교적 큰 밴드갭을 가지는 ZnO 를 전하 수송층으로 사용하기 때문에, 빛이 들어오는 전하 수송층에서 고에너지 빛을 차단시키지 못하는 반면, 본원에 따른 양자점 태양전지는 InAs 양자점 전하 수송층이 고에너지 광자를 선택적으로 차단함으로써 광안정성을 현저하게 향상시킴을 시사하는 것이다.This is because, in the case of the comparative example, since ZnO having a relatively large bandgap to block high energy light is used as the charge transport layer, high energy light cannot be blocked in the charge transport layer through which light enters, whereas the quantum dot solar cell according to the present application is This suggests that the InAs quantum dot charge transport layer significantly improves photostability by selectively blocking high-energy photons.

[실험예 2][Experimental Example 2]

도 5 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing absorption spectra of solar cells according to Examples and Comparative Examples of the present application.

구체적으로, 도 5 의 (A) 의 경우, 광활성층을 유리기판 위에 실제 태양전지와 동일한 박막을 제작하고, UV-vis-NIR spectroscopy 를 이용하여 흡수도를 측정하였다. 도 5 의 (B) 의 경우, 전하 수송층을 유리기판 위에 실제 태양전지와 동일하게 박막을 제작하고, UV-vis-NIR spectroscopy 를 이용하여 흡수도를 측정하였다. 그래프의 뒷배경은 태양광의 파장에 따른 스펙트럼을 나타내는 것이다. Specifically, in the case of (A) of FIG. 5 , a thin film identical to that of an actual solar cell was fabricated with the photoactive layer on a glass substrate, and absorbance was measured using UV-vis-NIR spectroscopy. In the case of (B) of FIG. 5 , a thin film of the charge transport layer was fabricated on a glass substrate in the same manner as in an actual solar cell, and absorbance was measured using UV-vis-NIR spectroscopy. The background of the graph shows the spectrum according to the wavelength of sunlight.

이를 통하여, 본원의 실시예에 따른 InAs 전하 수송층이 300 nm 내지 400 nm 범위의 고에너지 광자를 흡수하여 차단하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예의 경우, 300 nm 내지 400 nm 범위의 고에너지 광자를 차단하지 못하는 것을 확인할 수 있었다.Through this, it was confirmed that the InAs charge transport layer according to the embodiment of the present application absorbs and blocks high energy photons in the range of 300 nm to 400 nm. On the other hand, in the case of the comparative example, it was confirmed that high energy photons in the range of 300 nm to 400 nm could not be blocked.

[실험예 3][Experimental Example 3]

도 6 의 (A) 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 ZnO 전자수송층, InAs 전하 수송층, BHJ 광활성층의 에너지레벨을 나타낸 그래프이다.6A is a graph showing the energy levels of the ZnO electron transport layer, the InAs charge transport layer, and the BHJ photoactive layer according to Examples and Comparative Examples of the present application.

이를 통하여, ZnO, InAs 의 에너지 준위 값이 BHJ 와 근접함을 확인할 수 있었다. 이는 원활한 전자전달을 의미하는 것이다.Through this, it was confirmed that the energy level values of ZnO and InAs were close to those of BHJ. This means smooth electron transfer.

도 6 의 (B) 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 각각에 대한 전압에 대한 전류밀도(Current Density) 그래프이고, 도 6 의 (C) 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 각각에 대하여 개방전압(open-circuit voltage, Voc), 단락전류(Jsc), 충전율(Fill factor, FF) 및 전력변환효율(power conversion efficiency, PCE)을 비교하여 나타낸 표이다. Figure 6 (B) is a current density (Current Density) graph with respect to voltage for each of the solar cells according to Examples and Comparative Examples of the present application, Figure 6 (C) is a graph according to Examples and Comparative Examples of the present application This is a table showing comparison of open-circuit voltage (Voc), short-circuit current (Jsc), fill factor (FF), and power conversion efficiency (PCE) for each solar cell.

구체적으로, 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지를 각각 구동하여 솔라 시물레이터를 이용하여 전류-전압 곡선을 측정하였다.Specifically, current-voltage curves were measured using a solar simulator by driving the solar cells according to Examples and Comparative Examples of the present application, respectively.

이를 통하여, InAs 태양전지가 고에너지 차단을 하여도 전하 수송층 역할에 문제가 없어 태양전지 광전변환 효율이 ZnO 태양전지와 대등함을 확인할 수 있었다.Through this, it could be confirmed that the photoelectric conversion efficiency of the solar cell was comparable to that of the ZnO solar cell because the InAs solar cell had no problem in the role of the charge transport layer even when high energy was blocked.

[실험예 4][Experimental Example 4]

도 7 은 본원의 실시예에 따라 제조된 양자점 태양전지의 양자점 박막 두께에 따른 광전변환효율 및 구동 안정성을 측정한 그래프이다.7 is a graph measuring the photoelectric conversion efficiency and driving stability according to the thickness of the quantum dot thin film of the quantum dot solar cell manufactured according to the embodiment of the present application.

구체적으로, InAs 농도를 조절하여 두께를 늘리고 줄이면서 태양전지를 제작하였고, 솔라 시물레이터를 이용하여 효율을 측정하였다(노란색). 또한 솔라시물레이터를 이용하여 2 시간의 광조사후 초기 효율대비 유지되는 효율의 비율을 같이 나타내었다(초록색).Specifically, a solar cell was manufactured while increasing and decreasing the thickness by controlling the concentration of InAs, and the efficiency was measured using a solar simulator (yellow). In addition, the ratio of the maintained efficiency compared to the initial efficiency after 2 hours of light irradiation using a solar simulator is also shown (green).

이를 통하여, InAs 두께를 늘림에 따라, 고에너지 빛 차단 역할이 증대되면서, 광안정성이 좋아지는 결과를 확인할 수 있었다. 이에 따라, 최적의 InAs 두께에서 높은 효율과 안정성을 갖는 태양전지를 제작하였음을 확인할 수 있었다.Through this, it was confirmed that as the thickness of InAs was increased, the role of blocking high-energy light was increased and the photostability was improved. Accordingly, it could be confirmed that a solar cell having high efficiency and stability at the optimum InAs thickness was fabricated.

[실험예 5] [Experimental Example 5]

도 8 은 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 조사 광량에 따른 유기 광활성층 분해 정도를 유기 광활성층 흡수도 변화를 통해 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the results of analyzing the degree of decomposition of the organic photoactive layer according to the amount of irradiation light of the solar cells according to Examples and Comparative Examples of the present application through changes in the absorbance of the organic photoactive layer.

구체적으로, 도 8 의 (A) 는 흡수도를 나타낸 그래프이다. 광활성층을 유리기판 위에 실제 태양전지와 동일한 박막을 제작하고, UV-vis-NIR spectroscopy 를 이용하여 흡수도를 측정하였다. 이어서, 솔라 시물레이터를 이용하여 태양광을 각각 30 분, 60 분 조사 후 흡수도를 재측정하였다. Specifically, (A) of FIG. 8 is a graph showing the absorbance. A thin film identical to that of an actual solar cell was fabricated on the photoactive layer on a glass substrate, and absorbance was measured using UV-vis-NIR spectroscopy. Then, the absorbance was measured again after irradiating sunlight for 30 minutes and 60 minutes, respectively, using a solar simulator.

이를 통하여, 광활성층이 빛 차단 역할을 하는 양자점이 없을 때 빛에 의해 고유 성질을 잃어버려 성능이 크게 감소됨을 확인할 수 있었다. Through this, it was confirmed that the photoactive layer loses its intrinsic properties due to light when there is no quantum dot that blocks light, and thus the performance is greatly reduced.

도 8 의 (B) 는 광활성층을 각각 태양전지에 이용되는 실제 두께(original) 및 계면 영향을 볼 수 있는 얇은 두께(thin)로 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 전자수송층에 적층한 뒤, 솔라 시물레이터로 각각 30 분, 60 분 광 조사 후 흡수도를 측정하여 초기 대비 어느 정도 유지되는지를 나타낸 그래프이다. (B) of FIG. 8 is a photoactive layer stacked on the electron transport layer of the solar cell according to the Examples and Comparative Examples of the present application, each with an actual thickness (original) used in the solar cell and a thin thickness (thin) that can see the interfacial effect Then, it is a graph showing how much is maintained compared to the initial level by measuring the absorbance after 30 minutes and 60 minutes of light irradiation with a solar simulator, respectively.

이를 통하여, 본원의 비교예에 따른 태양전지의 전하 수송층인 ZnO 는 고에너지 빛 차단 역할을 하지 못하기 때문에 광 조사 시간이 늘어남에 따라 광활성층의 흡수도가 크게 떨어지는 반면, 본원의 실시예에 따른 태양전지의 전하 수송층인 InAs 는 고에너지 빛 차단 역할을 함으로써 광활성층의 흡수도가 유지되는 것을 확인할 수 있었다.Through this, since ZnO, which is the charge transport layer of the solar cell according to the comparative example of the present application, does not play a role of blocking high energy light, the absorbance of the photoactive layer decreases significantly as the light irradiation time increases, whereas the It was confirmed that the absorption of the photoactive layer was maintained by InAs, which is the charge transport layer of the solar cell, as a high-energy light blocking layer.

[실험예 6][Experimental Example 6]

도 9 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 구조에 따른 광학 시물레이션을 통해 태양광의 소자 내 투과 경로를 예측한 결과를 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing a result of predicting a transmission path of sunlight within a device through optical simulation according to the structure of a solar cell according to Examples and Comparative Examples of the present application.

구체적으로, Transfer matrix method (TMM) 광학 시물레이션을 통해서 본원의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 전하 수송층인 ZnO 및 InAs, ITO, BHJ, Ag 의 광학 정보를 입력하고, 빛이 조사되었을 때 빛이 어떻게 투과되고 흡수되는지를 계산하여 나타내었다.Specifically, optical information of ZnO and InAs, ITO, BHJ, Ag, which are charge transport layers of the solar cell according to the Examples and Comparative Examples of the present application, is input through the transfer matrix method (TMM) optical simulation, and when light is irradiated, light How it is transmitted and absorbed is calculated and shown.

도 9 의 (A) 를 참조하면, 본원의 비교예에 따른 ZnO 태양전지에서는 단파장에서 흡수가 없어 흡수정도를 나타내는 Light intensity fraction 이 낮고 그만큼 BHJ 가 흡수하는 부분이 큰 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 9A , in the ZnO solar cell according to the comparative example of the present application, there was no absorption at a short wavelength, so the light intensity fraction indicating the degree of absorption was low, and it was confirmed that the portion absorbed by the BHJ was large.

반면, 도 9 의 (B) 를 참조하면, 본원의 실시예에 따른 InAs 태양전지에서는 단파장에서 많은 빛을 흡수하고, BHJ 가 단파장영역에서 흡수하는 세기가 감소됨을 확인할 수 있었다.On the other hand, referring to FIG. 9B , it was confirmed that the InAs solar cell according to the embodiment of the present application absorbs a lot of light at a short wavelength, and the intensity that BHJ absorbs in the short wavelength region is reduced.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present application is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present application pertains will understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present application.

100: 투명 기판
200: 전하 수송층
300: 광활성층
400: 정공 수송층
500: 전극
100: transparent substrate
200: charge transport layer
300: photoactive layer
400: hole transport layer
500: electrode

Claims (20)

투명 기판;
상기 투명 기판 상에 형성된 전하 수송층;
상기 전하 수송층 상에 형성된 광활성층;
상기 광활성층 상에 형성된 정공 수송층; 및
상기 정공 수송층 상에 형성된 전극;
을 포함하는 양자점 태양전지에 있어서,
상기 전하 수송층은 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고,
상기 광활성층은 유기물을 포함하는 것인,
양자점 태양전지.
transparent substrate;
a charge transport layer formed on the transparent substrate;
a photoactive layer formed on the charge transport layer;
a hole transport layer formed on the photoactive layer; and
an electrode formed on the hole transport layer;
In the quantum dot solar cell comprising a,
The charge transport layer includes quantum dots that selectively block high-energy photons,
The photoactive layer will include an organic material,
Quantum dot solar cells.
제 1 항에 있어서,
상기 고에너지 광자는 300 nm 내지 400 nm 범위의 파장을 가지는 것인, 양자점 태양전지.
The method of claim 1,
The high-energy photon will have a wavelength in the range of 300 nm to 400 nm, a quantum dot solar cell.
제 1 항에 있어서,
상기 양자점은 0.8 eV 내지 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 것인, 양자점 태양전지.
The method of claim 1,
The quantum dot will have a bandgap in the range of 0.8 eV to 1.7 eV, a quantum dot solar cell.
제 1 항에 있어서,
상기 양자점은 비화인듐(InAs), 인화인듐(InP), 황화납(PbS), 안티몬화인듐(InSb), 비화갈륨(GaAs), 인화갈륨(GaP), 안티몬화갈륨(GaSb), 셀렌화카드뮴(CdSe), 황화카드뮴(CdS), 텔루르화카드뮴(CdTe), 셀레늄화아연(ZnSe), 텔루르화아연(ZnTe) 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
The method of claim 1,
The quantum dots are indium arsenide (InAs), indium phosphide (InP), lead sulfide (PbS), indium antimonide (InSb), gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP), gallium antimonide (GaSb), cadmium selenide (CdSe), cadmium sulfide (CdS), cadmium telluride (CdTe), zinc selenide (ZnSe), zinc telluride (ZnTe), and a quantum dot solar cell comprising one selected from the group consisting of combinations thereof .
제 1 항에 있어서,
상기 양자점의 캐리어 농도는 1016 cm-3 내지 1017 cm-3 인 것인, 양자점 태양전지.
The method of claim 1,
The quantum dot carrier concentration is 10 16 cm -3 to 10 17 cm -3 , the quantum dot solar cell.
제 1 항에 있어서,
상기 양자점은 n-layer 를 형성하는 것인, 양자점 태양전지.
The method of claim 1,
The quantum dot will form an n-layer, quantum dot solar cell.
제 1 항에 있어서,
상기 양자점은 특정 방향의 노출면을 포함하고,
상기 노출면에 리간드가 결합되는 것인, 양자점 태양전지.
The method of claim 1,
The quantum dots include an exposed surface in a specific direction,
The ligand is bound to the exposed surface, quantum dot solar cell.
제 7 항에 있어서,
상기 양자점은 상기 노출면의 비율 또는 상기 리간드의 양에 따라 에너지 준위가 상이한 것인, 양자점 태양전지.
8. The method of claim 7,
The quantum dot will have a different energy level depending on the ratio of the exposed surface or the amount of the ligand, the quantum dot solar cell.
제 7 항에 있어서,
상기 양자점은 상기 노출면과 상기 리간드의 전기음성도 차이에 의해 에너지 준위가 조절되는 것인, 양자점 태양전지.
8. The method of claim 7,
In the quantum dot, the energy level is controlled by the difference in electronegativity between the exposed surface and the ligand, a quantum dot solar cell.
제 1 항에 있어서,
상기 전하 수송층은 금속 산화물을 추가 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
The method of claim 1,
The charge transport layer will further include a metal oxide, quantum dot solar cell.
제 10 항에 있어서,
상기 금속 산화물은 TiO2, NiOx, Zn2SnO4, ZnO, ZrO, Al2O3, SnO2, WO3, Nb2O5, TiSrO3 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
11. The method of claim 10,
wherein the metal oxide is selected from the group consisting of TiO 2 , NiO x , Zn 2 SnO 4 , ZnO, ZrO, Al 2 O 3 , SnO 2 , WO 3 , Nb 2 O 5 , TiSrO 3 and combinations thereof. Quantum dot solar cell.
제 1 항에 있어서,
상기 투명 기판은 ITO, FTO, IZO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
The method of claim 1,
Wherein the transparent substrate is selected from the group consisting of ITO, FTO, IZO, ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , SnO 2 -Sb 2 O 3 and combinations thereof, quantum dot solar battery.
제 1 항에 있어서,
상기 광활성층은 벌크이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 층을 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
The method of claim 1,
The photoactive layer is a quantum dot solar cell comprising a bulk heterojunction (BHJ) layer.
제 1 항에 있어서
상기 정공 수송층은 MoO3, Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, P3HT, PCPDTBT, PCDTBT, PTAA, V2O5, NiO, WO3, CuI, CuSCN 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
2. The method of claim 1
The hole transport layer is MoO 3 , Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, P3HT, PCPDTBT, PCDTBT, PTAA, V 2 O 5 , NiO, WO 3 , CuI, CuSCN And, which includes those selected from the group consisting of combinations thereof, quantum dot solar cells.
제 1 항에 있어서,
상기 전극은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Mo, Ir, Os, C, 전도성 고분자 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 양자점 태양전지.
The method of claim 1,
The electrode is a quantum dot aspect, including one selected from the group consisting of Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Mo, Ir, Os, C, conductive polymers and combinations thereof battery.
투명 기판 상에 전하 수송층을 형성하는 단계;
상기 전하 수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계;
상기 광활성층 상에 정공 수송층을 형성하는 단계; 및
상기 정공 수송층 상에 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 양자점 태양전지에 있어서,
상기 전하 수송층은 고에너지 광자를 선택적으로 차단하는 양자점을 포함하고,
상기 광활성층은 유기물을 포함하는 것인,
양자점 태양전지의 제조 방법.
forming a charge transport layer on the transparent substrate;
forming a photoactive layer on the charge transport layer;
forming a hole transport layer on the photoactive layer; and
forming an electrode on the hole transport layer;
In a quantum dot solar cell comprising a,
The charge transport layer includes quantum dots that selectively block high-energy photons,
The photoactive layer will include an organic material,
A method for manufacturing a quantum dot solar cell.
제 16 항에 있어서,
상기 고에너지 광자는 300 nm 내지 400 nm 범위의 파장을 가지는 것인, 양자점 태양전지의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
The high-energy photon has a wavelength in the range of 300 nm to 400 nm, the method of manufacturing a quantum dot solar cell.
제 16 항에 있어서,
상기 양자점은 0.8 eV 내지 1.7 eV 범위의 밴드갭을 가지는 것인, 양자점 태양전지의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
The quantum dot will have a bandgap in the range of 0.8 eV to 1.7 eV, a method of manufacturing a quantum dot solar cell.
제 16 항에 있어서,
상기 전하 수송층 및 상기 광활성층을 형성하는 단계는 스핀코팅, 드롭캐스팅, 딥코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것인, 양자점 태양전지의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
The step of forming the charge transport layer and the photoactive layer is spin coating, drop casting, dip coating, bar coating, inkjet printing, nozzle printing, spray coating, slot die coating, gravure printing, screen printing, electrohydrodynamic jet printing, electricity A method of manufacturing a quantum dot solar cell, which is performed by a method selected from the group consisting of spraying and combinations thereof.
제 16 항에 있어서,
상기 정공 수송층을 형성하는 단계는 물리적기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD), 스퍼터링(sputtering), RF/DC 스퍼터링, 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD), 전자빔 증착(Electron-beam Evaporation), 이온빔 스퍼터링, 화학적기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD), 저압화학기상증착(LPCVD), 플라즈마화학기상증착(PECVD), 이온 플레이팅(ion plating) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것인, 양자점 태양전지의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
Forming the hole transport layer is physical vapor deposition (Physical Vapor Deposition, PVD), sputtering (sputtering), RF / DC sputtering, atomic layer deposition (Atomic Layer Deposition, ALD), electron-beam deposition (Electron-beam Evaporation), ion beam By a method selected from the group consisting of sputtering, chemical vapor deposition (CVD), low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), plasma chemical vapor deposition (PECVD), ion plating, and combinations thereof A method of manufacturing a quantum dot solar cell that is performed.
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