KR20240092276A - MXene-Integrated Transparent Photovoltaics and Manufacturing Method Thereof - Google Patents

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김준동
탄타이 엥게이언
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무랄리
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인천대학교 산학협력단
국립한국교통대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 MXene 기반 투명 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2차원나노물질인 MXene를 전면전극으로 사용하여 투명 태양전지의 투과율을 확보하고 광발생 캐리어를 용이하게 수집하여 전력을 효과적으로 생산할 수 있는, MXene 기반 투명 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an MXene-based transparent solar cell and its manufacturing method. More specifically, it uses MXene, a two-dimensional nanomaterial, as a front electrode to secure the transmittance of the transparent solar cell and easily collect light-generated carriers to generate power. It relates to an MXene-based transparent solar cell that can be effectively produced and a method of manufacturing the same.

Description

MXene 기반 투명 태양전지 및 이의 제조방법{MXene-Integrated Transparent Photovoltaics and Manufacturing Method Thereof}MXene-based transparent solar cell and manufacturing method thereof {MXene-Integrated Transparent Photovoltaics and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 MXene 기반 투명 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2차원나노물질인 MXene를 전면전극으로 사용하여 투명 태양전지의 투과율을 확보하고 광발생 캐리어를 용이하게 수집하여 전력을 효과적으로 생산할 수 있는, MXene 기반 투명 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an MXene-based transparent solar cell and its manufacturing method. More specifically, it uses MXene, a two-dimensional nanomaterial, as a front electrode to secure the transmittance of the transparent solar cell and easily collect light-generated carriers to generate power. It relates to an MXene-based transparent solar cell that can be effectively produced and a method of manufacturing the same.

투명 태양전지는 기존의 불투명한 태양전지와는 다르게 시야를 차단하지 않고도 입사광을 전력으로 변환할 수 있다. 종래에는 무기 재료, 유기 재료, 염료 및 페로브스카이트 등의 재료가 투명 태양전지에 사용되고 있으며, 특히 ITO(인듐 주석 산화물)가 주로 사용되고 있다. 다만 ITO는 비용이 많이 들고 환경에 부담이 될 수 있으며, 차세대 태양전지 기술에는 적합하지 않은 문제점이 있다.Unlike existing opaque solar cells, transparent solar cells can convert incident light into power without blocking the view. Conventionally, materials such as inorganic materials, organic materials, dyes, and perovskites are used in transparent solar cells, and in particular, ITO (indium tin oxide) is mainly used. However, ITO is expensive, can be a burden on the environment, and has the problem of being unsuitable for next-generation solar cell technology.

이러한 ITO를 대체하기 위하여 박막 금속산화물, 전도성 폴리머, 금속그리드 및 나노와이어, 탄소나노튜브, 및 2차원 나노물질 등과 같은 다양한 대안이 제안되고 있다. 이 중에서 독특한 광학적, 전기적, 기계적특성을 지닌 2차원 나노물질은 가장 유망한 후보로서, 습식방식으로 제작할 수 있어 비교적 저렴한 가격으로 처리가 가능한 장점이 있다. 다만 종래의 2차원 나노물질 또한 생산공정이 비교적 복잡하여 태양전지 응용분야로의 적용에는 적합하지 않은 문제점이 있다.To replace ITO, various alternatives such as thin film metal oxides, conductive polymers, metal grids and nanowires, carbon nanotubes, and two-dimensional nanomaterials have been proposed. Among these, two-dimensional nanomaterials with unique optical, electrical, and mechanical properties are the most promising candidates, and have the advantage of being able to be manufactured at a relatively low price because they can be manufactured using a wet method. However, conventional two-dimensional nanomaterials also have a relatively complex production process, which makes them unsuitable for solar cell applications.

최근에는 2차원 나노물질로서 MXene가 주목을 받고 있다. MXene은 지구에 풍부하고 위험하지 않은 요소로 구성되고, 장치 효율 외에도 환경적으로 안전하고 저렴한 태양광 장치를 설계할 수 있도록 할 수 있다. 특히 MXene는 종래의 2차원 나노물질 대비 높은 전기전도도를 가지는 특징이 있다.Recently, MXene has been attracting attention as a two-dimensional nanomaterial. MXene is composed of elements that are abundant and non-hazardous on Earth, and can enable the design of environmentally safe and inexpensive solar devices in addition to device efficiency. In particular, MXene has the characteristic of having higher electrical conductivity compared to conventional two-dimensional nanomaterials.

다만 투명 태양전지에 Bare MXene를 사용하는 경우에는 수성 환경에서 쉽게 산화 및 가수분해되는 문제가 있어, 이를 해결할 수 있는 기술의 개발이 시급한 실정이다.However, when using bare MXene in transparent solar cells, there is a problem that it is easily oxidized and hydrolyzed in an aqueous environment, so there is an urgent need to develop technology to solve this problem.

본 발명은 2차원나노물질인 MXene를 전면전극으로 사용하여 투명 태양전지의 투과율을 확보하고 광발생 캐리어를 용이하게 수집하여 전력을 효과적으로 생산할 수 있는, MXene 기반 투명 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention provides an MXene-based transparent solar cell and a method of manufacturing the same, which secures the transmittance of the transparent solar cell using MXene, a two-dimensional nanomaterial, as a front electrode and can easily collect light-generated carriers to effectively produce power. It is for that purpose.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, MXene 기반 투명 태양전지로서, 투명기판층; 상기 투명기판층 위에 배치되고, FTO를 포함하는 제1투명전극층; 상기 투명전극층 위에 배치되고, TiO2를 포함하는 n타입산화물층; 상기 n타입산화물층 위에 배치되고, NiO를 포함하는 p타입산화물층; 및 상기 p타입산화물층 위에 배치되고, 2차원나노물질을 포함하는 제2투명전극층;을 포함하고, 상기 2차원나노물질은 MXene을 포함하는, MXene 기반 투명 태양전지를 제공한다.In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention is an MXene-based transparent solar cell, which includes a transparent substrate layer; a first transparent electrode layer disposed on the transparent substrate layer and including FTO; an n-type oxide layer disposed on the transparent electrode layer and containing TiO 2 ; a p-type oxide layer disposed on the n-type oxide layer and including NiO; and a second transparent electrode layer disposed on the p-type oxide layer and including a two-dimensional nanomaterial, wherein the two-dimensional nanomaterial includes MXene.

본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 2차원나노물질은 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the two-dimensional nanomaterial may include a TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution.

본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제2투명전극층은 상기 p타입산화물층 위에 상기 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액을 스핀코팅한 후에 건조하여 형성될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the second transparent electrode layer may be formed by spin coating the TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution on the p-type oxide layer and then drying it.

본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 MXene 기반 투명 태양전지는 광전소자를 구현할 수 있고, 상기 광전소자는 외부 전압이 없는 조건에서 스스로 동작하는 광전소자이거나 외부 전압을 인가하여 특성을 향상시키는 광전소자에 해당할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the MXene-based transparent solar cell can implement a photoelectric device, and the photoelectric device is a photoelectric device that operates on its own in the absence of external voltage or a photoelectric device that improves characteristics by applying an external voltage. It may apply.

본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 MXene 기반 투명 태양전지는, 상기 n타입산화물층 및 p타입산화물층에 의하여 형성된 n-TiO2/p-NiO 이종접합 구조를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the MXene-based transparent solar cell may include an n-TiO 2 /p-NiO heterojunction structure formed by the n-type oxide layer and the p-type oxide layer.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, MXene 기반 투명 태양전지의 제조방법으로서, 투명기판층을 배치하는 단계; 상기 투명기판층 위에, FTO를 포함하는 제1투명전극층을 배치하는 단계; 상기 투명전극층 위에, TiO2를 포함하는 n타입산화물층을 배치하는 단계; 상기 n타입산화물층 위에, NiO를 포함하는 p타입산화물층을 배치하는 단계; 및 상기 p타입산화물층 위에, 2차원나노물질을 포함하는 제2투명전극층을 배치하는 단계;를 포함하고, 상기 2차원나노물질은 MXene을 포함하는, MXene 기반 투명 태양전지의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, an embodiment of the present invention provides a method of manufacturing an MXene-based transparent solar cell, comprising the steps of disposing a transparent substrate layer; disposing a first transparent electrode layer including FTO on the transparent substrate layer; Disposing an n-type oxide layer containing TiO 2 on the transparent electrode layer; Disposing a p-type oxide layer containing NiO on the n-type oxide layer; and disposing a second transparent electrode layer containing a two-dimensional nanomaterial on the p-type oxide layer, wherein the two-dimensional nanomaterial includes MXene. A method of manufacturing an MXene-based transparent solar cell is provided. .

본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 2차원나노물질은 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the two-dimensional nanomaterial may include a TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution.

본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 MXene 기반 투명 태양전지는, 상기 n타입산화물층 및 p타입산화물층에 의하여 형성된 n-TiO2/p-NiO 이종접합 구조를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the MXene-based transparent solar cell may include an n-TiO 2 /p-NiO heterojunction structure formed by the n-type oxide layer and the p-type oxide layer.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 2차원나노물질인 MXene를 전면전극으로 사용하여, 투명 태양전지의 투과율을 확보하고 광발생 캐리어를 용이하게 수집하여 전력을 효과적으로 생산할 수 있는 MXene 기반 투명 태양전지를 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, an MXene-based transparent solar cell is provided that uses MXene, a two-dimensional nanomaterial, as a front electrode to secure the transmittance of the transparent solar cell and easily collect light-generated carriers to effectively produce power. can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, MXene를 포함하는 제2투명전극층의 형성시 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액의 스핀코팅의 횟수를 조절함으로써, MXene 기반 투명 태양전지의 광학적 특성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the optical properties and electrical properties of an MXene-based transparent solar cell are improved by controlling the number of spin coatings of the TFA-treated Ti 3 C 2 T It can have the effect of improving characteristics.

본 발명의 일 실시예에서, MXene의 면저항을 낮추고 MXene와 p-NiO/n-TiO2 이종접합 사이의 접촉을 개선함으로써 가시광선을 선택적으로 통과시키면서 자외선으로부터 전력을 생산할 수 있다.In one embodiment of the present invention, power can be produced from ultraviolet rays while selectively passing visible light by lowering the sheet resistance of MXene and improving the contact between MXene and p-NiO/n-TiO 2 heterojunction.

본 발명의 일 실시예에 따르면, MXene 기반 투명 태양전지가 p-NiO/n-TiO2 이종접합 구조를 포함함으로써, 빌트인전위를 자발적으로 형성하고 입사되는 광자에너지를 전력으로 변환할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, an MXene-based transparent solar cell includes a p-NiO/n-TiO 2 heterojunction structure, thereby achieving the effect of spontaneously forming a built-in potential and converting incident photon energy into power. It can be performed.

본 발명의 일 실시예에 따르면, MXene 기반 투명 태양전지는 높은 광전압을 유도하여 자제 전원 모드로 동작할 수 있어, 자가구동이 가능한 광검출기의 역할을 수행할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, an MXene-based transparent solar cell can operate in a self-powered mode by inducing a high photovoltage, thereby demonstrating the effect of performing the role of a self-driving photodetector.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 MXene 기반 투명 태양전지는 자체 전원 모드에서 빠른 광응답을 얻을 수 있어, 자립형 광전이 가능할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the MXene-based transparent solar cell can obtain a fast optical response in self-powered mode, enabling self-supporting photovoltaic cells.

본 발명의 일 실시예에 따르면, MXene 기반 투명 태양전지는 백색광 혹은 태양광과 유사한 색좌표를 가지고 있어, 현장 전원 공급 시스템으로서 건물 및 차량의 창문에 적용되기에 적합할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, MXene-based transparent solar cells have white light or color coordinates similar to sunlight, and may be suitable for application to windows of buildings and vehicles as an on-site power supply system.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지의 층상구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2투명전극층에 대한 사항을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2투명전극층 표면의 원소의 분포에 대한 사항을 도시한다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지, 이의 단면 FE-SEM이미지, MXene의 코팅횟수에 따른 투과율 스펙트럼, 및 CIE 색도 다이어그램에 대한 사항을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 n타입산화물층 및 p타입산화물층의 XRD패턴에 대한 사항을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2투명전극층의 저항에 따른 모빌리티에 대한 사항을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2투명전극층의 저항도에 따른 투과율에 대한 사항을 도시한다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지의 I-V특성에 대한 사항을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2투명전극층의 유전율에 대한 사항을 도시한다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지의 성능에 대한 사항을 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지의 과도 광전압 프로파일, 및 응답속도-광 주파수 의존성에 대한 사항을 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지의 안정성 테스트에 대한 사항을 도시한다.
Figure 1 schematically shows the layered structure of an MXene-based transparent solar cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows details of the second transparent electrode layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the distribution of elements on the surface of the second transparent electrode layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows details about an MXene-based transparent solar cell according to an embodiment of the present invention, its cross-sectional FE-SEM image, transmittance spectrum according to the number of coatings of MXene, and CIE chromaticity diagram.
Figure 5 shows details on the XRD patterns of the n-type oxide layer and the p-type oxide layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows details on mobility according to resistance of the second transparent electrode layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows details on transmittance according to resistivity of the second transparent electrode layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 shows the IV characteristics of an MXene-based transparent solar cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 shows details on the dielectric constant of the second transparent electrode layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 shows details on the performance of an MXene-based transparent solar cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 shows the transient photovoltage profile and response speed-light frequency dependence of an MXene-based transparent solar cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 shows details on a stability test of an MXene-based transparent solar cell according to an embodiment of the present invention.

이하에서는, 다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Various embodiments and/or aspects are now disclosed with reference to the drawings. In the following description, for purposes of explanation, numerous specific details are set forth to facilitate a general understanding of one or more aspects. However, it will also be appreciated by those skilled in the art that this aspect(s) may be practiced without these specific details. The following description and accompanying drawings set forth in detail certain example aspects of one or more aspects. However, these aspects are illustrative and some of the various methods in the principles of the various aspects may be utilized, and the written description is intended to encompass all such aspects and their equivalents.

또한, 다양한 양상들 및 특징들이 다수의 디바이스들, 컴포넌트들 및/또는 모듈들 등을 포함할 수 있는 시스템에 의하여 제시될 것이다. 다양한 시스템들이, 추가적인 장치들, 컴포넌트들 및/또는 모듈들 등을 포함할 수 있다는 점 그리고/또는 도면들과 관련하여 논의된 장치들, 컴포넌트들, 모듈들 등 전부를 포함하지 않을 수도 있다는 점 또한 이해되고 인식되어야 한다.Additionally, various aspects and features may be presented by a system that may include multiple devices, components and/or modules, etc. It is also understood that various systems may include additional devices, components and/or modules, etc. and/or may not include all of the devices, components, modules, etc. discussed in connection with the drawings. It must be understood and recognized.

본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다. As used herein, “embodiments,” “examples,” “aspects,” “examples,” etc. may not be construed to mean that any aspect or design described is better or advantageous over other aspects or designs. .

또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Additionally, the terms "comprise" and/or "comprising" mean that the feature and/or element is present, but exclude the presence or addition of one or more other features, elements and/or groups thereof. It should be understood as not doing so.

또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Additionally, terms including ordinal numbers, such as first, second, etc., may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be named a second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may also be named a first component. The term and/or includes any of a plurality of related stated items or a combination of a plurality of related stated items.

또한, 본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 이 때 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, in the embodiments of the present invention, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, are generally understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. It has the same meaning as becoming. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless clearly defined in the embodiments of the present invention, have an ideal or excessively formal meaning. It is not interpreted as

투명 태양전지의 재료로서, 종래에는 ITO를 투명전극층으로 사용하고 있었다. 다만 ITO는 비용적 측면 및 환경적 측면에서 차세대 태양전지 기술에 적합하지 않아, 최근 2차원 나노물질인 MXene가 ITO의 대안으로서 주목을 받고 있다.As a material for transparent solar cells, ITO was conventionally used as a transparent electrode layer. However, ITO is not suitable for next-generation solar cell technology in terms of cost and environment, so MXene, a two-dimensional nanomaterial, has recently been attracting attention as an alternative to ITO.

다만 Bare MXene를 투명 태양전지에 사용하는 경우에는 수성 환경에서 산화 및 가수분해가 발생되는 문제점이 있다.However, when using bare MXene in transparent solar cells, there is a problem in that oxidation and hydrolysis occur in an aqueous environment.

이를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 TFA처리된 MXene를 이용하여 투명 태양전지를 구현하였다.To solve this problem, the present invention implemented a transparent solar cell using TFA-treated MXene.

보다 상세하게는, 본 발명에서는 MXene가 전면전극으로 배치되고, MXene에 n-TiO2/p-NiO 이종접합이 접촉되도록 배치되는 구조를 포함하는 투명 광전소자를 제공하고, 상기 투명 광전소자는 상기의 구조를 통하여 MXene 기반 투명 태양전지(1)를 구현할 수 있다. 즉 본 발명은 MXene 기반 투명 태양전지(1)를 제공한다.More specifically, the present invention provides a transparent photoelectric device including a structure in which MXene is disposed as a front electrode and an n-TiO 2 /p-NiO heterojunction is placed in contact with the MXene, and the transparent photoelectric device includes the above Through the structure of , an MXene-based transparent solar cell (1) can be implemented. That is, the present invention provides an MXene-based transparent solar cell (1).

본 발명의 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액에 의하여 형성된 MXene를 구비하고 있어, 종래 투명 태양전지에 Bare MXene가 적용되는 경우의 문제점들을 해결할 수 있다. 즉 본 발명은 2차원나노물질인 MXene의 투명 태양전지로의 안정적인 사용가능성을 제공하고, 이를 토대로 MXene 기반 투명 태양전지(1)를 최초로 제공할 수 있다.The MXene-based transparent solar cell (1) of the present invention includes MXene formed by a TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution, and can solve problems when bare MXene is applied to a conventional transparent solar cell. In other words, the present invention provides the possibility of stable use of MXene, a two-dimensional nanomaterial, as a transparent solar cell, and based on this, can provide an MXene-based transparent solar cell (1) for the first time.

또한 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 전기 에너지를 생산하는 광학적으로 투명한 시스템을 구현하는 데에 적용하기에 적합하며, 예를들어 생체전자공학, 건물, 차량, 및 디스플레이의 창 등에 적용될 수 있다.In addition, the MXene-based transparent solar cell (1) is suitable for implementing an optically transparent system that produces electrical energy, and can be applied, for example, to bioelectronics, buildings, vehicles, and display windows, etc. .

한편 본 발명에서는 상기의 MXene 기반 구조를 통하여 후술하는 바와 같이, 광검출기의 역할을 수행하는 MXene 기반 투명 태양전지(1) 등이 구현될 수 있다.Meanwhile, in the present invention, an MXene-based transparent solar cell 1 that functions as a photodetector can be implemented through the above-mentioned MXene-based structure, as will be described later.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)에 대하여 보다 상세하게 서술하기로 한다. Hereinafter, the MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 층상구조를 개략적으로 도시한다.Figure 1 schematically shows the layered structure of an MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)는, 투명기판층(100); 상기 투명기판층(100) 위에 배치되고, FTO를 포함하는 제1투명전극층(200); 상기 투명전극층 위에 배치되고, TiO2를 포함하는 n타입산화물층(300); 상기 n타입산화물층(300) 위에 배치되고, NiO를 포함하는 p타입산화물층(400); 및 상기 p타입산화물층(400) 위에 배치되고, 2차원나노물질을 포함하는 제2투명전극층(500);을 포함하고, 상기 2차원나노물질은 MXene을 포함할 수 있다.An MXene-based transparent solar cell (1) according to an embodiment of the present invention includes a transparent substrate layer (100); a first transparent electrode layer 200 disposed on the transparent substrate layer 100 and including FTO; An n-type oxide layer 300 disposed on the transparent electrode layer and containing TiO 2 ; a p-type oxide layer 400 disposed on the n-type oxide layer 300 and containing NiO; and a second transparent electrode layer 500 disposed on the p-type oxide layer 400 and containing a two-dimensional nanomaterial. The two-dimensional nanomaterial may include MXene.

이와 같은 구성에서, 본 발명은 투명 태양전지의 투과율을 확보하고 광발생 캐리어를 용이하게 수집하여 전력을 효과적으로 생산할 수 있는 MXene 기반 투명 태양전지(1)를 구현할 수 있다.In this configuration, the present invention can implement an MXene-based transparent solar cell (1) that can secure the transmittance of the transparent solar cell and easily collect light-generated carriers to effectively produce power.

상기 제1투명전극층(200)은 투명 태양전지의 후면전극에 해당하는 구성으로, 양극단자에 연결될 수 있다.The first transparent electrode layer 200 corresponds to the back electrode of a transparent solar cell and can be connected to the anode terminal.

상기 n타입산화물층(300) 및 p타입산화물층(400)은 p-n 이종접합을 형성한다. 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는, 상기 n타입산화물층(300) 및 p타입산화물층(400)에 의하여 형성된 n-TiO2/p-NiO 이종접합 구조를 포함할 수 있다.The n-type oxide layer 300 and the p-type oxide layer 400 form a pn heterojunction. Preferably, the MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention is n-TiO 2 /p-NiO formed by the n-type oxide layer 300 and the p-type oxide layer 400. It may contain a heterojunction structure.

이와 같은 구성에서, 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 기본적인 투명 태양전지의 구조를 가질 수 있어 광기전 특성을 나타낼 수 있다. 특히 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 n-TiO2/p-NiO 이종접합 구조를 포함하여 자외선으로부터 전력을 생산할 수 있다.In this configuration, the MXene-based transparent solar cell 1 can have the structure of a basic transparent solar cell and thus exhibit photovoltaic characteristics. In particular, the MXene-based transparent solar cell (1) includes an n-TiO 2 /p-NiO heterojunction structure and can produce power from ultraviolet rays.

상기 제2투명전극층(500)은 투명 태양전지의 전면전극에 해당하는 구성으로, 음극단자에 연결될 수 있다.The second transparent electrode layer 500 corresponds to the front electrode of a transparent solar cell and can be connected to the cathode terminal.

또한 상기 제2투명전극층(500)은 2차원나노물질인 MXene를 포함한다. MXene는 무기 금속 산화물 층에 균일하게 내장되어 투명한 태양전지 및 광검출기를 위한 플랫폼을 생성할 수 있다.Additionally, the second transparent electrode layer 500 includes MXene, a two-dimensional nanomaterial. MXene can be uniformly embedded in inorganic metal oxide layers to create a platform for transparent solar cells and photodetectors.

전술한 바와 같이 MXene는 우수한 광학적 투명도 및 전도성을 가질 뿐만 아니라 대규모 형성이 가능하여 투명 태양전지의 투명전극층으로 적용되기에 적합하다. MXene는 기본적으로 2차원나노물질인 것 이외에도, 표면 작용기(-O 및 -OH)가 존재함에 따라 친수성을 가지고, 이러한 특징으로 인하여 드롭 캐스팅, 스핀 코팅, 및 잉크젯 인쇄를 포함하는 다양한 방법을 통하여 습식처리가 가능하다.As mentioned above, MXene not only has excellent optical transparency and conductivity, but can also be formed on a large scale, making it suitable for application as a transparent electrode layer in transparent solar cells. In addition to being basically a two-dimensional nanomaterial, MXene has hydrophilicity due to the presence of surface functional groups (-O and -OH), and due to these characteristics, it can be wet-processed through various methods including drop casting, spin coating, and inkjet printing. Processing is possible.

다만 MXene는 Bare MXene로 사용되는 경우에는 수성 환경에서 쉽게 산화 및 가수분해될 수 있어, 본 발명에서는 TFA(Trifluoroacetic acid)처리된 MXene를 사용하였다. 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 2차원나노물질은 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액을 포함한다. However, when MXene is used as bare MXene, it can be easily oxidized and hydrolyzed in an aqueous environment, so in the present invention, MXene treated with TFA (Trifluoroacetic acid) was used. Preferably, the two-dimensional nanomaterial according to an embodiment of the present invention includes a TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution.

TFA처리된 MXene는 1)8900Scm-1의 높은 전도도, 2)에탄올에서의 우수한 분산안정성, 및 3)AlF3의 방출, 에칭 부산물, 및 표면 작용기 그룹의 변조를 통해 저장 및 처리되는 중의 산화저항성을 나타내는 특징이 있다.TFA-treated MXene exhibits 1) high conductivity of 8900 Scm -1 , 2) excellent dispersion stability in ethanol, and 3) oxidation resistance during storage and processing through release of AlF3, etching by-products, and modulation of surface functional groups. There is a characteristic.

즉, 상기 제2투명전극층(500)은 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액에 의하여 형성되는 MXene를 포함한다. 상기 제2투명전극층(500)의 제조방법에 대해서는 후술하기로 한다.That is, the second transparent electrode layer 500 includes MXene formed by a TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution. The manufacturing method of the second transparent electrode layer 500 will be described later.

이와 같이 본 발명은 2차원나노물질인 MXene를 전면전극으로 사용하여, 투명 태양전지의 투과율을 확보하고 광발생 캐리어를 용이하게 수집하여 전력을 효과적으로 생산할 수 있는 MXene 기반 투명 태양전지(1)를 제공할 수 있다.As such, the present invention provides an MXene-based transparent solar cell (1) that uses MXene, a two-dimensional nanomaterial, as a front electrode to secure the transmittance of the transparent solar cell and easily collect light-generated carriers to effectively produce power. can do.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2투명전극층(500)에 대한 사항을 도시하고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2투명전극층(500) 표면의 원소의 분포에 대한 사항을 도시한다.Figure 2 shows details about the second transparent electrode layer 500 according to an embodiment of the present invention, and Figure 3 shows the distribution of elements on the surface of the second transparent electrode layer 500 according to an embodiment of the present invention. Show the details.

상기 제2투명전극층(500)의 형태는 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM; JSM-7610F, JEOL), 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM)(JEM-2100F, JEOL), 및 원자력 현미경(AFM, Multimode-N3-AM, Bruker)을 사용하여 확인했다.The shape of the second transparent electrode layer 500 was examined using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM; JSM-7610F, JEOL), high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) (JEM-2100F, JEOL), and atomic force microscopy (AFM). , Multimode-N3-AM, Bruker).

도 2(a)는 제2투명전극층(500)(이하, MXene)의 초저 두께, 전자빔에 대한 투명도 및 수 마이크로미터 확장되는 측면 치수를 나타낸다. Figure 2(a) shows the ultra-low thickness of the second transparent electrode layer 500 (hereinafter referred to as MXene), its transparency to electron beams, and its lateral dimensions extending several micrometers.

도 2(a)에 도시된 바와 같이, 도트 선택 영역 전자 회절(SAED) 패턴을 통해 MXene의 단일 결정성(single crystallinity)을 확인할 수 있다.As shown in Figure 2(a), the single crystallinity of MXene can be confirmed through a dot selected area electron diffraction (SAED) pattern.

도 2(b)는 MXene의 AFM 높이 프로파일을 도시한다. Figure 2(b) shows the AFM height profile of MXene.

흰색 선을 따라 측정된 AFM 높이 프로파일은 기판에 대한 MXene의 높이가 ~2.4nm인 것을 나타내고 있으며, 이는 단층 MXene의 두께(~1nm)보다 큰 두께에 해당한다. 이러한 결과는 공지된 바와 같이, MXene의 아래에 갇힌 표면 흡착제(예: 물 분자) 때문일 수 있다. MXene은 2차원나노물질의 전형적인 평면 내 적층구조를 가지는 것이 바람직하다.The AFM height profile measured along the white line shows that the height of MXene relative to the substrate is ~2.4 nm, which corresponds to a thickness greater than that of monolayer MXene (~1 nm). This result may be due to surface adsorbents (e.g. water molecules) trapped underneath the MXene, as is known. MXene preferably has an in-plane layered structure typical of two-dimensional nanomaterials.

도 2(c) 및 도 3은 MXene 표면의 Ti, C, O, F, 및 Cl 원소의 분포를 도시한다.Figures 2(c) and 3 show the distribution of Ti, C, O, F, and Cl elements on the MXene surface.

도 2(c) 및 도 3에 도시된 바와 같이 MXene 표면에는 Ti, C, O, F 및 Cl 원소가 균일하게 분포하고 있으며, 이는 MXene이 표면에 -O(및/또는 -OH), -F 및 -Cl을 가질 수 있음을 의미할 수 있다. As shown in Figures 2(c) and 3, Ti, C, O, F, and Cl elements are uniformly distributed on the MXene surface, which means that MXene has -O (and/or -OH), -F on the surface. It may mean that it may have and -Cl.

도 2(d)는 MXene의 XRD패턴을 도시한다. Figure 2(d) shows the XRD pattern of MXene.

MXene의 결정 구조는 Cu Kα 방사선(λ=0.1542nm)을 사용한 분말 X선회절(XRD; D2 Phaser, Bruker)를 사용하여 확인했다.The crystal structure of MXene was confirmed using powder X-ray diffraction (XRD; D2 Phaser, Bruker) using Cu Kα radiation (λ = 0.1542 nm).

도 2(d)에 도시된 바와 같이, MXene의 정렬된 적층구조에 의하여, MXene은 날카로운 (002) 피크를 포함하는 XRD 패턴을 생성하고 있다. 이와 같이 다른 불순물 피크가 없다는 것을 통해 MAX phase의 성공적인 에칭 및 박리를 확인할 수 있고, MXene 내에서 MXene의 산화된 부산물 또는 MAX phase의 에칭 부산물의 존재가 없는 것을 확인할 수 있다. 단층 MXene의 상기와 같은 특성, 및 상기 MXene을 형성하는 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene의 우수한 전기전도도(~8900Scm-1)는, MXene가 투명 태양전지용 투명전극층으로 적용되기에 적합함을 뒷받침할 수 있다.As shown in Figure 2(d), due to the aligned stacked structure of MXene, MXene generates an XRD pattern including a sharp (002) peak. The absence of other impurity peaks confirms the successful etching and peeling of the MAX phase, and the absence of oxidized by-products of MXene or etching by-products of the MAX phase within MXene. The above characteristics of single-layer MXene and the excellent electrical conductivity (~8900 Scm -1 ) of TFA-treated Ti 3 C 2 T It can be supported.

도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1), 이의 단면 FE-SEM이미지, MXene의 코팅횟수에 따른 투과율 스펙트럼, 및 CIE 색도 다이어그램에 대한 사항을 도시하고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 n타입산화물층(300) 및 p타입산화물층(400)의 XRD패턴에 대한 사항을 도시하고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2투명전극층(500)의 저항에 따른 모빌리티에 대한 사항을 도시하고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2투명전극층(500)의 저항도에 따른 투과율에 대한 사항을 도시한다.Figure 4 shows details of an MXene-based transparent solar cell (1) according to an embodiment of the present invention, its cross-sectional FE-SEM image, transmittance spectrum according to the number of coatings of MXene, and CIE chromaticity diagram, and Figure 5 shows Details of the XRD patterns of the n-type oxide layer 300 and the p-type oxide layer 400 according to an embodiment of the present invention are shown, and Figure 6 shows the second transparent electrode layer ( 500), and Figure 7 shows details about the transmittance according to the resistance of the second transparent electrode layer 500 according to an embodiment of the present invention.

도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)를 개략적으로 도시한다. Figure 4(a) schematically shows an MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention.

MXene는 도 4(a)에서와 같이 투명 태양전지의 전면전극에 해당하는 구성으로, 후술하는 스핀코팅에 의해 형성된다. 도 4(a)의 삽입도에서와 같이, 본 발명의 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 우수한 투명성을 가질 수 있다. 이때 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 n타입산화물층(300) 및 p타입산화물층(400)에 의하여 형성된 n-TiO2/p-NiO 이종접합을 포함하고, 상기 n-TiO2/p-NiO 이종접합은 일함수값의 차이로 인해 내부 전위를 자발적으로 형성하고 태양전지의 광활성 성분으로 작용하여 들어오는 광자 에너지를 전력으로 변환할 수 있다. 본 발명에서는 비교적 큰 면적(1cm2)을 갖는 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene을 제2투명전극층(500)으로 사용함으로써, 투명 태양전지의 투과율을 확보하고, 광발생 캐리어를 효과적으로 수집하여 전력을 생산할 수 있다.MXene is a structure corresponding to the front electrode of a transparent solar cell, as shown in Figure 4(a), and is formed by spin coating, which will be described later. As shown in the inset of FIG. 4(a), the MXene-based transparent solar cell 1 of the present invention can have excellent transparency. At this time, the MXene-based transparent solar cell 1 includes an n-TiO 2 /p-NiO heterojunction formed by an n-type oxide layer 300 and a p-type oxide layer 400, and the n-TiO 2 /p -NiO heterojunction spontaneously forms an internal potential due to the difference in work function value and acts as a photoactive component of a solar cell, converting incoming photon energy into power. In the present invention , by using TFA-treated Ti 3 C 2 T Can produce electricity.

도 4(b)는 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)로 구현된 투명 태양전지의 FE-SEM이미지를 나타낸다. Figure 4(b) shows a FE-SEM image of a transparent solar cell implemented with the MXene-based transparent solar cell (1).

본 발명에서, 상기 FE-SEM이미지는 FE-SEM(JSM-7001F, JEOL)을 사용하여 측정했고, 이를 통해 상기 투명 태양전지의 단면 및 상단 토폴로지를 확인했다.In the present invention, the FE-SEM image was measured using FE-SEM (JSM-7001F, JEOL), and the cross-section and top topology of the transparent solar cell were confirmed through this.

도 4(b)에서와 같이, 상기 투명 태양전지의 단면 FESEM 이미지는 일면에 투명전극층이 형성된 투명기판층(100)(이하, FTO/유리기판)에서의 n-TiO2/p-NiO 이종접합이 형성된 것을 명확하게 나타낸다.As shown in FIG. 4(b), the cross-sectional FESEM image of the transparent solar cell shows the n-TiO 2 /p-NiO heterojunction on the transparent substrate layer 100 (hereinafter referred to as FTO/glass substrate) with a transparent electrode layer formed on one side. It clearly shows that this was formed.

또한 도 4(b)의 우측도는 MXene이 증착되기 전 및 후 각각의 투명 태양전지의 평면 이미지를 나타내고 있으며, 이를 통해 MXene과 n-TiO2/p-NiO 이종접합 사이가 원활하게 접촉되어 있는 것을 확인할 수 있다. 스핀코팅에 의하여 형성된 MXene는 n-TiO2/p-NiO 표면에 평행한 도메인의 크기가 수 마이크로미터인 Ti3C2Tx 나노시트로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 2차원나노물질은 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene을 포함할 수 있다.In addition, the right view of Figure 4(b) shows planar images of each transparent solar cell before and after MXene is deposited, showing smooth contact between MXene and n-TiO 2 /p-NiO heterojunction. You can check that. MXene formed by spin coating can be composed of Ti 3 C 2 T x nanosheets with domains parallel to the n-TiO 2 /p-NiO surface having a size of several micrometers. Preferably, the two-dimensional nanomaterial according to an embodiment of the present invention may include TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene.

한편, 도 5에서와 같이 상기 n타입산화물의 XRD패턴은 25.4, 38.6 및 48.2도의 2θ에서 각각 아나타제 상 TiO2(Crystallography Open Database_COD-9007433)의 (101), (112) 및 (200) 평면으로 인덱싱되고, 상기 p타입산화물의 XRD패턴은 COD-AMSCD 9008693 표준을 준수하여 격자 매개변수 a=4.211인 입방 결정 시스템을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같은 n타입산화물 및 p타입산화물 각각의 XRD패턴을 통해, NiO 및 TiO2의 품질 결정 구조와 화학적 순도를 확인할 수 있다.Meanwhile, as shown in Figure 5, the The XRD pattern of the p-type oxide complies with the COD-AMSCD 9008693 standard and has a lattice parameter of a = 4.211. It is desirable to have a cubic crystal system. Through the XRD patterns of each of these n-type oxides and p-type oxides, the quality crystal structure and chemical purity of NiO and TiO 2 can be confirmed.

도 4(c) 및 도 4(d)는 MXene의 코팅횟수에 따른 투과율 스펙트럼에 대한 사항을 도시한다. Figures 4(c) and 4(d) show the transmittance spectrum according to the number of coatings of MXene.

MXene의 UV 가시스펙트럼은 PerkinElmer Lambda 750 분광기를 사용하여 200 내지 1200 nm의 파장 범위에서 확인했고, 투과 스펙트럼은 UV-가시광 확산 반사 분광 광도계(UV-2600, Shimadzu)를 사용하여 300 내지 1200nm의 파장(λ) 범위에서 측정했고, MXene의 전도도는 4점 프로브(CMTSR200N, Advanced Instrument Technology)를 사용하여 주변 조건(ambient conditions)에서 측정했다.The UV-visible spectrum of MXene was determined in the wavelength range of 200 to 1200 nm using a PerkinElmer Lambda 750 spectrometer, and the transmission spectrum was determined in the wavelength range of 300 to 1200 nm using a UV-vis diffuse reflectance spectrophotometer (UV-2600, Shimadzu). λ) range, and the conductivity of MXene was measured under ambient conditions using a four-point probe (CMTSR200N, Advanced Instrument Technology).

도 4(c)는 투명기판층(100)/제2투명전극층(500)의 구조에서, MXene의 코팅횟수에 따른 투과율 스펙트럼을 도시한다. MXene는 750 내지 800nm의 파장영역에서 표면 플라즈몬 공명에 따른 넓은 흡수 피크를 나타낼 수 있다. Figure 4(c) shows the transmittance spectrum according to the number of coatings of MXene in the structure of the transparent substrate layer 100/second transparent electrode layer 500. MXene can exhibit a wide absorption peak due to surface plasmon resonance in the wavelength range of 750 to 800 nm.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2투명전극층(500)은 상기 p타입산화물층(400) 위에 상기 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액을 스핀코팅한 후에 건조하여 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the second transparent electrode layer 500 may be formed by spin coating the TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution on the p-type oxide layer 400 and then drying it.

보다 상세하게는, 상기 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액은 4 내지 8회의 범위에서 선택된 코팅횟수로 코팅될 수 있다. MXene의 코팅횟수를 증가시키는 경우 제2투명전극층(500)의 전도도는 증가하는 반면, 제2투명전극층(500)의 두께가 두꺼워져 투명도가 감소할 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 적절한 조건을 도출하기 위하여 상기 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액의 스핀코팅의 횟수를 조절하여 제2투명전극층(500)을 형성했다.More specifically, the TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution may be coated with a number of coatings selected from the range of 4 to 8. When the number of coatings of MXene is increased, the conductivity of the second transparent electrode layer 500 increases, while the thickness of the second transparent electrode layer 500 may become thick, thereby reducing transparency. Considering this, in the present invention, the second transparent electrode layer 500 was formed by adjusting the number of spin coatings of the TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution in order to derive appropriate conditions.

도 4(c)에서, 550nm의 파장에서의 투과율을 기준으로, 4회 코팅하여 형성된 MXene(도 4(c)에서 290Ω/□, 검은색 선)은 55%, 6회 코팅하여 형성된 MXene(도 4(c)에서 200Ω/□, 빨간색 선)은 45%, 및 8회 코팅하여 형성된 MXene(도 4(c)에서 90Ω/□, 파란색 선)은 37%의 투과율을 나타낸다. 특히 상기 4회 코팅하여 형성된 MXene의 경우, 0.03cm2V-1s-1의 낮은 이동도 값을 가지고 있어, 0.28cm2V-1s-1로 크게 향상된 저항을 가질 수 있다(도 6 참고). 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제2투명전극층(500)은 공지된 Ti3C2Tx에 상응하는 전도성을 가지는 것이 바람직하다(도 7 참고).In Figure 4(c), based on the transmittance at a wavelength of 550 nm, MXene formed by coating 4 times (290Ω/□ in Figure 4(c), black line) is 55%, and MXene formed by coating 6 times (Figure 4(c) 4(c), 200Ω/□, red line) shows a transmittance of 45%, and MXene formed by coating eight times (90Ω/□, blue line in FIG. 4(c)) shows a transmittance of 37%. In particular, in the case of MXene formed by coating four times, it has a low mobility value of 0.03cm 2 V -1 s -1 and can have a greatly improved resistance of 0.28cm 2 V -1 s -1 (see FIG. 6 ). At this time, the second transparent electrode layer 500 according to an embodiment of the present invention preferably has conductivity corresponding to the known Ti 3 C 2 T x (see FIG. 7).

이와 같이 MXene의 광투과율과 전기전도도의 균형을 맞추는 것은 중요하며, 이는 MXene 기반 투명 태양전지(1)로 구현되는 투명 태양전지의 성능에 큰 영향을 줄 수 있다.As such, it is important to balance the light transmittance and electrical conductivity of MXene, which can greatly affect the performance of transparent solar cells implemented with MXene-based transparent solar cells (1).

즉 본 발명의 일 실시예에서, MXene를 포함하는 제2투명전극층(500)의 형성시 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액의 스핀코팅의 횟수를 조절함으로써, MXene 기반 투명 태양전지(1)의 광학적 특성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.That is, in one embodiment of the present invention, by controlling the number of spin coatings of the TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution when forming the second transparent electrode layer 500 containing MXene, an MXene-based transparent solar cell (1 ) can have the effect of improving the optical and electrical properties of the device.

도 4(d)는 본 발명의 투명 태양전지의 구조에서, MXene의 코팅횟수에 따른 투과율 스펙트럼을 도시한다.Figure 4(d) shows the transmittance spectrum according to the number of coatings of MXene in the structure of the transparent solar cell of the present invention.

도 4(d)를 통해 상기 투명 태양전지의 투명도를 확인할 수 있다. 또한 상기 투명 태양전지는 자외선 영역의 파장범위에서 강한 흡수특성을 가지고 있는 반면, 400nm 미만의 파장영역에서 투과율이 급격하게 감소하는 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 특성은 TiO2의 밴드갭 일치(bandgap matching)(3.2eV의 밴드갭)에 의한 것이 해당한다. 이에 따라, 상기 투명 태양전지는 자외선 빛을 흡수하면서 가시광선 범위(λ>400nm)의 빛을 통과시키는 선택적 파장 태양전지로 분류될 수 있다. 상기 투명 태양전지의 평균 가시광선 투과율(AVT)은 다음과 같이 산출된다.The transparency of the transparent solar cell can be confirmed through Figure 4(d). In addition, it can be seen that the transparent solar cell has strong absorption characteristics in the ultraviolet wavelength range, while its transmittance rapidly decreases in the wavelength range of less than 400 nm. These characteristics are due to the bandgap matching of TiO 2 (bandgap of 3.2 eV). Accordingly, the transparent solar cell can be classified as a selective wavelength solar cell that absorbs ultraviolet light and passes light in the visible range (λ>400 nm). The average visible light transmittance (AVT) of the transparent solar cell is calculated as follows.

여기서 T, P, S 및 λ는 각각 투과율, 포토픽 응답, 태양광 플럭스, 및 파장에 해당한다. 상기 투명 태양전지의 AVT는 MXene의 코팅횟수를 조절함에 따라 향상될 수 있고, 보다 상세하게는, 4 내지 8회의 범위의 코팅횟수에 있어서, 상기 4회 코팅하여 형성된 MXene(도 4(d)에서 290Ω/□, 빨간색 선)의 경우 가장 높은 AVT(39.73%)를 가지고, 상기 8회 코팅하여 형성된 MXene(도 4(d)에서 90Ω/□, 초록색 선)의 경우 가장 낮은 AVT(24.38%)를 가질 수 있다. where T, P, S, and λ correspond to transmittance, photopic response, solar flux, and wavelength, respectively. The AVT of the transparent solar cell can be improved by adjusting the number of coatings of MXene. More specifically, in the number of coatings ranging from 4 to 8, the MXene formed by coating 4 times (in FIG. 4(d)) 290Ω/□, red line) had the highest AVT (39.73%), and MXene formed by the above 8 coatings (90Ω/□, green line in Figure 4(d)) had the lowest AVT (24.38%). You can have it.

이와 같이 전반적으로 본 발명의 MXene 기반 투명 태양전지(1)로 구현된 투명 태양전지는 우수한 투명도를 보이는 것을 확인할 수 있다. 즉 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 MXene가 무기 금속산화물층에 균일하게 내장되어 투명한 태양전지 및 광검출기를 구현할 수 있고, 우수한 투명도(39.73%)를 가질 수 있어 창문 유형의 태양전지 응용분야로 적용되기에 적합할 수 있다.In this way, it can be seen that, overall, the transparent solar cell implemented with the MXene-based transparent solar cell (1) of the present invention exhibits excellent transparency. That is, the MXene-based transparent solar cell (1) can implement a transparent solar cell and photodetector by embedding MXene uniformly in the inorganic metal oxide layer, and has excellent transparency (39.73%), making it suitable for window-type solar cell applications. It may be suitable for application.

한편 본 발명에서는 CIE(International Commission on Illumination) 1931 표준에 따라, 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)로 구현된 투명 태양전지의 시각적 외관 및 색상 호환성을 확인했다.Meanwhile, in the present invention, the visual appearance and color compatibility of the transparent solar cell implemented with the MXene-based transparent solar cell (1) was confirmed in accordance with the CIE (International Commission on Illumination) 1931 standard.

도 4(e)는 MXene의 코팅횟수에 따른 상기 투명 태양전지의 CIE 공간 색도 다이어그램을 도시한다. 상기 표준은 시각적인 외관을 보여주기 위해 삼자극 값의 함수로 관심 색좌표(x,y)를 제시한다.Figure 4(e) shows the CIE spatial chromaticity diagram of the transparent solar cell according to the number of MXene coatings. The standard presents the color coordinates of interest (x,y) as a function of tristimulus values to show the visual appearance.

도 4(e)에서와 같이, 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 4회 코팅하여 형성된 MXene를 포함하는 경우 (0.368, 0.382), 6회 코팅하여 형성된 MXene를 포함하는 경우 (0.370, 0.383), 및 8회 코팅하여 형성된 MXene를 포함하는 경우 (0.373, 0.386)의 색좌표를 나타낸다. 상기의 색좌표들은 CIE 공간에서 각각 (0.325, 0.315) 및 (0.348, 0.347)로 표시된 백색광 스펙트럼(D65) 또는 표준 태양광(AM 1.5G)과 매우 유사하게 매핑된 것으로 나타났다. As shown in FIG. 4(e), the MXene-based transparent solar cell 1 includes MXene formed by coating 4 times (0.368, 0.382), and MXene formed by coating 6 times (0.370, 0.383). , and MXene formed by coating 8 times shows the color coordinates of (0.373, 0.386). The above color coordinates were found to be mapped very similarly to the white light spectrum (D65) or standard sunlight (AM 1.5G), denoted as (0.325, 0.315) and (0.348, 0.347), respectively, in CIE space.

즉 본 발명의 일 실시예에서, 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 백색광 혹은 태양광과 유사한 색좌표를 가지고 있어, 현장 전원 공급 시스템으로서 건물 및 차량의 창문에 적용되기에 적합할 수 있다.That is, in one embodiment of the present invention, the MXene-based transparent solar cell 1 has a color coordinate similar to white light or sunlight, and may be suitable for application to windows of buildings and vehicles as an on-site power supply system.

도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 I-V특성에 대한 사항을 도시하고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2투명전극층(500)의 유전율에 대한 사항을 도시한다.Figure 8 shows the I-V characteristics of the MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention, and Figure 9 shows the dielectric constant of the second transparent electrode layer 500 according to an embodiment of the present invention. It shows the details.

상기 투명 태양전지에서, MXene는 n-TiO2/p-NiO 이종접합의 광전특성에 영향을 줄 수 있다.In the transparent solar cell, MXene can affect the photoelectric properties of the n-TiO 2 /p-NiO heterojunction.

도 8(a)는 dark condition에서 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 I-V프로파일을 도시한다. 상기 I-V프로파일은 100mVs-1의 스캔 속도에서 선형 스위프 전압전류법을 사용하여 potentiostat/galvanostat(PGStat; ZIVE SP2, WonA Tech.)로 측정했다. Figure 8(a) shows the IV profile of the MXene-based transparent solar cell (1) in dark conditions. The IV profile was measured with a potentiostat/galvanostat (PGStat; ZIVE SP2, WonA Tech.) using linear sweep voltammetry at a scan rate of 100 mVs -1 .

도 8(a)에서와 같이 MXene의 저항값이 290Ω/□(도 8(a)에서 검은색 선)에서 200Ω/□(도 8(a)에서 빨간색 선)로 감소하더라도 상기 투명 태양전지의 암전류는 0.8μA cm-2 값을 유지하는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 MXene의 저항값이 290Ω/□에서 200Ω/□로 감소하더라도 n-TiO2/p-NiO 이종접합의 품질을 유지할 수 있다.As shown in Figure 8(a), even if the resistance value of MXene decreases from 290Ω/□ (black line in Figure 8(a)) to 200Ω/□ (red line in Figure 8(a)), the dark current of the transparent solar cell It can be seen that maintains the value of 0.8μA cm -2 . In this way, even if the resistance value of MXene decreases from 290Ω/□ to 200Ω/□, the quality of n-TiO 2 /p-NiO heterojunction can be maintained.

반면 MXene의 저항값이 200Ω/□에서 90Ω/□(도 8(a)에서 파란색 선)로 감소하는 경우에는, 상기 투명 태양전지의 암전류를 5μA cm-2로 증가시키는 것을 볼 수 있다. 암전류가 증가되는 경우에는 상기 투명 태양전지의 광기전 효과를 악화시킬 수 있다.On the other hand, when the resistance value of MXene decreases from 200Ω/□ to 90Ω/□ (blue line in FIG. 8(a)), it can be seen that the dark current of the transparent solar cell increases to 5μA cm -2 . If the dark current increases, the photovoltaic effect of the transparent solar cell may worsen.

도 8(b)는 365nm의 파장값을 갖는 UV light condition에서 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 I-V프로파일을 도시한다. 구체적으로 본 발명에서는 365 nm의 광원을 사용했고, UV 파워 미터(UV 340; Lutron)를 사용하여 상기 광원을 보정하여 도 8(b)의 I-V프로파일을 나타냈다.Figure 8(b) shows the I-V profile of the MXene-based transparent solar cell 1 under UV light condition with a wavelength of 365 nm. Specifically, in the present invention, a 365 nm light source was used, and the light source was corrected using a UV power meter (UV 340; Lutron) to show the I-V profile in Figure 8(b).

네 번째 사분면의 광유도 I-V를 통해, 상기 투명 태양전지가 외부 부하에 전원을 공급하기 위해 음의 전력 출력(즉, 음의 전류가 있는 양의 전압 곱)을 갖는 발전기로 작동할 수 있음을 확인할 수 있다.Photoinduced I-V in the fourth quadrant confirms that the transparent solar cell can operate as a generator with negative power output (i.e., positive voltage times negative current) to power an external load. You can.

이와 같이 상기 투명 태양전지의 광전효과는 MXene의 전도도에 따라 조절될 수 있다. 보다 상세하게는, 도 8(b)에서와 같은 동일한 조명 조건에서, MXene의 저항값이 200Ω/□인 경우(도 8(b)에서 빨간색 선) 0.3mAcm-2의 단락전류(ISC) 및 가장 높은 광전류를 가지는 반면, MXene의 저항값이 290Ω/□인 경우(도 8(b)에서 검은색 선) 0.15mAcm-2의 가장 낮은 단락전류(ISC)를 가질 수 있다. 다만 MXene의 저항값이 200Ω/□인 경우(도 8(b)에서 파란색 선)보다 더 감소하는 경우에는, 광전류 및 광전압이 감소하여 광기전력 효과가 전체적으로 저하될 수 있다.In this way, the photoelectric effect of the transparent solar cell can be adjusted depending on the conductivity of MXene. More specifically, under the same lighting conditions as in Figure 8(b), when the resistance value of MXene is 200Ω/□ (red line in Figure 8(b)), the short-circuit current (I SC ) of 0.3mAcm -2 and While it has the highest photocurrent, when the resistance value of MXene is 290Ω/□ (black line in FIG. 8(b)), it can have the lowest short-circuit current (I SC ) of 0.15mAcm -2 . However, if the resistance value of MXene decreases further than 200Ω/□ (blue line in FIG. 8(b)), the photocurrent and photovoltage may decrease, thereby deteriorating the overall photovoltaic effect.

이를 고려하여 설정된 MXene는 투명 태양전지의 Iphoto/Idark 비율이 375를 갖는 것이 바람직하고, 이는 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)가 새로운 광전자 응용분야에 있어서 중요한 자외선 광에 대한 높은 감도를 가지는 것을 의미할 수 있다.Considering this, the MXene set is preferably set to have an I photo /I dark ratio of 375, which means that the MXene-based transparent solar cell (1) has high sensitivity to ultraviolet light, which is important in new optoelectronic applications. It can mean something.

즉 본 발명의 일 실시예에서, MXene의 면저항을 낮추고 MXene와 p-NiO/n-TiO2 이종접합 사이의 접촉을 개선함으로써 가시광선을 선택적으로 통과시키면서 자외선으로부터 전력을 생산할 수 있다.That is, in one embodiment of the present invention, by lowering the sheet resistance of MXene and improving the contact between MXene and p-NiO/n-TiO 2 heterojunction, it is possible to selectively pass visible light and produce power from ultraviolet rays.

도 8(c)는 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 n-TiO2/p-NiO 이종접합에 의한 광생성 전력 프로파일에 대한 사항을 도시한다. Figure 8(c) shows the photo-generated power profile by the n-TiO 2 /p-NiO heterojunction of the MXene-based transparent solar cell (1).

도 8(c)에서와 같이, 200Ω/□의 저항값을 갖는 MXene를 포함하는 투명 태양전지(도 8(c)에서 빨간색 선)가 가장 효율적으로 에너지를 생성할 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 200Ω/□의 저항값을 갖는 MXene를 포함하는 투명 태양전지는 자외선 광이 입사되는 경우 18μWcm-2의 전력을 생성할 수 있고, 이는 290Ω/□의 저항값을 갖는 MXene를 포함하는 투명 태양전지(도 8(c)에서 검은색 선), 및 90Ω/□의 저항값을 갖는 MXene를 포함하는 투명 태양전지(도 8(c)에서 파란색 선) 대비 각각 1.3배 및 2.5배 더 높은 전력생산량에 해당한다.As shown in Figure 8(c), a transparent solar cell containing MXene with a resistance value of 200Ω/□ (red line in Figure 8(c)) can generate energy most efficiently. More specifically, a transparent solar cell containing MXene with a resistance value of 200Ω/□ can generate power of 18μWcm -2 when ultraviolet light is incident, which is equivalent to MXene with a resistance value of 290Ω/□. 1.3 and 2.5 times, respectively, compared to a transparent solar cell containing MXene (black line in Figure 8(c)) and a transparent solar cell containing MXene with a resistance value of 90Ω/□ (blue line in Figure 8(c)), respectively. Corresponds to higher power production.

상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 상기와 같이 종래 태양전지에 상응하는 기능을 구현하기 때문에 아래와 같은 기존의 방정식을 통해 UPCE(UV power conversion efficiency)를 산출할 수 있다.Since the MXene-based transparent solar cell 1 implements functions corresponding to conventional solar cells as described above, UPCE (UV power conversion efficiency) can be calculated through the existing equation below.

여기서 Pmax 및 Plight는 각각 투명 태양전지의 광 생성 전력 및 입사광 강도이다. 표 1은 본 발명의 MXene 기반 투명 태양전지(1)에 의해 구현된 투명 태양전지에 있어서, MXene의 코팅횟수(저항값)에 따른 광기전 특성값을 나타낸다.Here, P max and P light are the light generated power and incident light intensity of the transparent solar cell, respectively. Table 1 shows photovoltaic characteristic values according to the number of coatings (resistance value) of MXene in the transparent solar cell implemented by the MXene-based transparent solar cell (1) of the present invention.

MXene 저항값
(Ω/□)
MXene resistance value
(Ω/□)
JSC
(mA/cm2)
J.S.C.
(mA/ cm2 )
VOC
(V)
VOC
(V)
FF
(%)
FF
(%)
η
(%)
η
(%)
290290 0.150.15 0.210.21 25.925.9 0.340.34 200200 0.20.2 0.330.33 26.826.8 0.70.7 9090 0.10.1 0.160.16 25.725.7 0.170.17

본 발명의 일 실시예에서 200Ω/□의 저항값을 갖는 MXene를 포함하는 투명 태양전지는 2.5mWcm-2의 UV 강도에 대하여 0.7%의 UPCE를 가질 수 있고, 이는 AgNW를 전극으로 사용한 종래의 NiO/TiO2 이종접합을 포함하는 투명 태양전지에 상응하는 UPCE값에 해당한다. In one embodiment of the present invention, a transparent solar cell containing MXene with a resistance value of 200Ω/□ can have UPCE of 0.7% for a UV intensity of 2.5mWcm -2 , which is comparable to that of conventional NiO using AgNW as an electrode. /TiO 2 Corresponds to the UPCE value corresponding to a transparent solar cell containing a heterojunction.

전술한 도 4(b) 에서와 같이, 상기 투명 태양전지는 낮은 전도성을 가지고 있는 반면, MXene는 n-TiO2/p-NiO 이종접합의 표면을 완전히 덮도록 형성된다. 이로 인하여 MXene는 전력을 추출하는 전극으로서, 수많은 거대 공극으로 인하여 미세수준에서 전도성이 제한된 AgNW의 특성과 유사한 특성을 가질 수 있다.As shown in FIG. 4(b), the transparent solar cell has low conductivity, while MXene is formed to completely cover the surface of the n-TiO 2 /p-NiO heterojunction. Because of this, MXene, as an electrode that extracts power, can have characteristics similar to those of AgNW, which has limited conductivity at the microscopic level due to numerous large pores.

도 8(d)는 자외선 강도에 따른, 200Ω/□의 저항값을 갖는 MXene를 포함하는 투명 태양전지의 광생성 전력 프로파일에 대한 사항을 도시한다. Figure 8(d) shows the light-generated power profile of a transparent solar cell containing MXene with a resistance value of 200 Ω/□ depending on the intensity of ultraviolet rays.

A J.A. Woollam Alpha-SE 타원계는 CompleteEase 소프트웨어 패키지에 의한 반사율 데이터 모델링을 통해 MXene을 추정하는 데 사용되었다.A.J.A. The Woollam Alpha-SE ellipsometer was used to estimate MXene through modeling of reflectance data by the CompleteEase software package.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2투명전극층(500)은 1 내지 100nm의 두께를 가질 수 있고, 바람직하게는, 상기 투명 태양전지에 있어서, 상기 제2투명전극층(500)은 21.2nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 또한 이는 도 9에서와 같이 실수(ε1) 및 허수(ε2) 유전율을 포함하여 타원 측정결과 공지된 분광 타원 측정 모델과 일치하는 것을 확인했다. 도 8(d)에서와 같이, 상기 투명 태양전지는 입사되는 자외선의 강도가 증가할수록 발전 능력이 향상될 수 있고, 입사되는 자외선을 광범위한 강도를 갖는 전력으로 변환할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the second transparent electrode layer 500 may have a thickness of 1 to 100 nm, and preferably, in the transparent solar cell, the second transparent electrode layer 500 has a thickness of 21.2 nm. It is desirable to have a thickness. In addition, as shown in FIG. 9, it was confirmed that the ellipse measurement results, including real (ε 1 ) and imaginary (ε 2 ) dielectric constants, were consistent with the known spectroscopic ellipse measurement model. As shown in FIG. 8(d), the transparent solar cell can improve power generation ability as the intensity of incident ultraviolet rays increases, and can convert the incident ultraviolet rays into power with a wide range of intensities.

이와 같이 상기 투명 태양전지는 다양한 자외선 조건에서도 광생성 전력을 수집할 수 있고, 이를 통해 MXene 전극의 신뢰성을 확인할 수 있다. 즉 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 다양한 응용분야에 사용되기에 적합할 수 있다. 예를들어, 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 UV 광에서 약 30μW cm-2의 전력을 생성할 수 있고, 상기 전력은 스마트 윈도우의 기능 내지 사물인터넷의 기능 등을 충분히 구동시킬 수 있는 범위에 해당한다.In this way, the transparent solar cell can collect light-generated power even under various ultraviolet conditions, and through this, the reliability of the MXene electrode can be confirmed. That is, the MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention may be suitable for use in various application fields. For example, the MXene-based transparent solar cell (1) can generate power of about 30 μW cm -2 from UV light, and the power is in a range that can sufficiently drive the functions of smart windows and the Internet of Things. corresponds to

이와 더불어, 상기 투명 태양전지는 2차원나노물질 및 Si 박막과 같은 기능성 광흡수층을 채택함으로써 발전량을 향상시킬 수도 있다.In addition, the transparent solar cell can improve power generation by adopting a functional light absorption layer such as 2D nanomaterials and Si thin film.

도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 성능에 대한 사항을 도시한다.Figure 10 shows details on the performance of the MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention.

상기 투명 태양전지의 성능에 대한 MXene의 영향을 확인하기 위하여, 상기 투명 태양전지의 직렬 저항(RS)을 추정하여 MXene와 투명 태양전지 사이의 전하 이동을 확인했다.In order to confirm the effect of MXene on the performance of the transparent solar cell, the series resistance (R S ) of the transparent solar cell was estimated to confirm charge transfer between MXene and the transparent solar cell.

본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 직렬 저항에 있어서 n-TiO2/p-NiO 이종접합과 전극 사이의 접촉에 의한 영향을 받을 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 투명 태양전지는 FTO가 7Ω/□의 전도율을 가지는 것이 바람직하고, 이로 인하여 NiO와 MXene 사이의 접촉에 의하여 직렬저항이 영향을 받을 수 있다. 상기 직렬저항은 투명 태양전지의 성능에 있어서 중요한 역할을 하는 요소에 해당하며, 특히 상기 직렬저항이 감소되는 경우에는 상기 투명 태양전지의 ISC 및 FF가 증가할 수 있다.The series resistance of the MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention may be affected by contact between the n-TiO 2 /p-NiO heterojunction and the electrode. More specifically, the FTO of the transparent solar cell preferably has a conductivity of 7Ω/□, and as a result, the series resistance may be affected by contact between NiO and MXene. The series resistance is a factor that plays an important role in the performance of a transparent solar cell. In particular, when the series resistance is reduced, the I SC and FF of the transparent solar cell may increase.

도 10(a)는 MXene의 코팅횟수(저항값)에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 lnI-V프로파일에 대한 사항을 도시하고, 이의 기울기를 결정하여 RS를 추정했다.Figure 10(a) shows the lnI-V profile of the MXene-based transparent solar cell (1) according to the number of MXene coatings (resistance value), and RS was estimated by determining its slope.

보다 상세하게는, 도 10(a)에서와 같이 290Ω/□의 저항값을 갖는 MXene를 포함하는 투명 태양전지(도 10(a)에서 빨간색), 200Ω/□의 저항값을 갖는 MXene를 포함하는 투명 태양전지(도 10(a)에서 파란색), 및 90Ω/□의 저항값을 갖는 MXene를 포함하는 투명 태양전지(도 10(a)에서 노란색)의 직렬저항값은 각각 1391, 177 및 345Ω인 것으로 나타났다. More specifically, as shown in Figure 10(a), a transparent solar cell containing MXene with a resistance value of 290Ω/□ (red in Figure 10(a)), containing MXene with a resistance value of 200Ω/□. The series resistance values of the transparent solar cell (blue in Fig. 10(a)) and the transparent solar cell containing MXene (yellow in Fig. 10(a)) with a resistance value of 90 Ω/□ are 1391, 177, and 345 Ω, respectively. It was found that

즉 MXene의 코팅횟수를 증가시켜 저항을 290Ω/□에서 200Ω/□으로 낮추는 경우에는, 직렬저항값이 감소하여 더 많은 광 생성 전하를 수집할 수 있는 등 투명 태양전지의 성능이 향상될 수 있다. In other words, when the resistance is lowered from 290Ω/□ to 200Ω/□ by increasing the number of MXene coatings, the performance of the transparent solar cell can be improved, such as by reducing the series resistance value and allowing more photo-generated charges to be collected.

다만, MXene의 코팅횟수를 더욱 증가시켜 저항을 200Ω/□에서 90Ω/□으로 추가로 낮추는 경우에는, 직렬저항값이 증가하여 NiO/TiO2/FTO와 MXene 사이의 전하 이동이 방해를 받고 결과적으로 전술한 도 8(b)와 같이 투명 태양전지의 성능이 저하될 수 있다. 이와 같은 직렬저항값의 증가는 비교적 두꺼운 두께를 갖는 MXene에서 전하가 더 많이 이동해야 하기 때문인 것으로 판단될 수 있다. 또한 비교적 더 두꺼운 두께를 갖는 MXene에서는 비교적 더 많은 MXene 나노시트가 중첩되어 캐리어의 수집 길이가 더 길어질 수 있고, 접촉 계면에서 표면 결함을 유발할 수 있어 NiO/TiO2와 MXene 전극 사이의 전하 이동을 더욱 방해할 수 있다.However, when the resistance is further lowered from 200Ω/□ to 90Ω/□ by further increasing the number of MXene coatings, the series resistance value increases and charge transfer between NiO/TiO 2 /FTO and MXene is hindered, resulting in As shown in FIG. 8(b) described above, the performance of the transparent solar cell may deteriorate. This increase in series resistance can be considered to be due to the fact that charges must move more in MXene, which has a relatively thick thickness. Additionally, in MXene, which has a relatively thicker thickness, relatively more MXene nanosheets overlap, which may lead to a longer collection length of carriers and cause surface defects at the contact interface, further promoting charge transfer between NiO/TiO 2 and the MXene electrode. It can be a hindrance.

도 10(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.Figure 10(b) shows an energy band diagram of the MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention.

도 10(b)에서와 같이, TiO2는 자외선을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성(광생성 전자-정공 쌍에 해당)한다. 이러한 광생성 전자-정공 쌍은 p형 NiO와 n형 TiO2 사이의 페르미 준위 차이를 통해 설정되는 NiO/TiO2 계면에서의 빌트인 전기장(built-in electric field)에 의하여 분리될 수 있다. 또한 상기 페르미 준위의 차이는 NiO/TiO 계면에서 0.45eV의 빌트인 전위(built-in potential)를 초래할 수 있고, 상기 빌트인 전위는 전자가 TiO2에서 NiO로 전도되고 정공이 반대 방향으로 전도되는 것을 방지하기에 적합한 전위값에 해당한다.As shown in FIG. 10(b), TiO 2 absorbs ultraviolet rays and generates electron-hole pairs (corresponding to photogenerated electron-hole pairs). These photogenerated electron-hole pairs can be separated by a built-in electric field at the NiO/TiO 2 interface established through the Fermi level difference between p-type NiO and n-type TiO 2 . Additionally, the difference in the Fermi level can result in a built-in potential of 0.45 eV at the NiO/TiO interface, and the built-in potential prevents electrons from conducting from TiO 2 to NiO and holes from conducting in the opposite direction. It corresponds to the potential value suitable for the following.

즉 본 발명의 일 실시예에서, 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)가 p-NiO/n-TiO2 이종접합 구조를 포함함으로써, 빌트인전위를 자발적으로 형성하고 입사되는 광자에너지를 전력으로 변환할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.That is, in one embodiment of the present invention, the MXene-based transparent solar cell 1 includes a p-NiO/n-TiO 2 heterojunction structure, thereby spontaneously forming a built-in potential and converting incident photon energy into power. It can be effective.

또한 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 높은 광전압을 유도하여 자제 전원 모드로 동작할 수 있어, 자가구동이 가능한 광검출기의 역할을 수행할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.In addition, the MXene-based transparent solar cell 1 can operate in a self-powered mode by inducing a high photovoltage, which can serve as a self-driving photodetector.

공지된 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene의 일함수는 약 4.8eV이며, 이는 NiO에서 광 생성된 정공을 수집하는 데 효과적인 일함수에 해당한다. 이로 인하여 MXene에 의하여 투명 태양전지의 광전압 및 광전류를 추출할 수 있다.The work function of the known TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene is about 4.8 eV, which corresponds to the effective work function for collecting photogenerated holes in NiO. As a result, the photovoltage and photocurrent of a transparent solar cell can be extracted using MXene.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 과도 광전압 프로파일, 및 응답속도-광 주파수 의존성에 대한 사항을 도시하고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 안정성 테스트에 대한 사항을 도시한다.Figure 11 shows the transient photovoltage profile and response speed-light frequency dependence of the MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention, and Figure 12 shows the details of the photovoltage profile and the response speed-optical frequency dependence of the MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention. Details on the stability test of the MXene-based transparent solar cell (1) are shown.

한편 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 태양전지로서 전자 장치에 전력을 공급할 수 있다.Meanwhile, the MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention can supply power to electronic devices as a solar cell.

즉 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 p-NiO/n-TiO2 이종접합 구조를 갖는 고성능 광전소자를 구현하여, 향상된 동작특성 및 자가 구동이 가능한 광검출기의 역할을 할 수 있다. 이 경우 상기 투명 태양전지는 에너지 효율적이고 고감도 광센서를 구성하며 통신, 환경 모니터링 및 이미지 처리에 적용할 수 있고, 발전과 능동 감지 응용의 동시 기능은 지속 가능하고 휴대 가능한 전자 제품으로 적용되기에 적합하다.That is, the MXene-based transparent solar cell (1) according to an embodiment of the present invention implements a high-performance photoelectric device with a p-NiO/n-TiO 2 heterojunction structure, serving as a photodetector capable of improved operation characteristics and self-driving. can do. In this case, the transparent solar cell constitutes an energy-efficient and highly sensitive optical sensor that can be applied in communications, environmental monitoring, and image processing, and its simultaneous function in power generation and active sensing applications makes it suitable for application as a sustainable and portable electronic product. do.

이와 같은 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 광검출기로서의 역할에 대해 조사하기 위하여, 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)가 태양전지 모드로 동작할 때의 다양한 주파수의 펄스 UV광이 조사되는 경우의 응답을 분석했다. 상기 과도 광전압 및 광전류는 오실로스코프(2GHz 대역폭, TBS 1102B-EDU, Tektronix) 및 PGStat(크로노암페로메트리, 제로 바이어스)를 사용하여 확인했다.In order to investigate the role of the MXene-based transparent solar cell 1 as a photodetector, pulsed UV light of various frequencies is irradiated when the MXene-based transparent solar cell 1 operates in solar cell mode. responses were analyzed. The transient photovoltage and photocurrent were confirmed using an oscilloscope (2 GHz bandwidth, TBS 1102B-EDU, Tektronix) and PGStat (chronoamperometry, zero bias).

도 11(a)는 각각 10Hz 및 0.5kHz 주파수에 대한 상기 투명 태양전지의 과도 광전압을 나타낸다. Figure 11(a) shows the transient photovoltage of the transparent solar cell for frequencies of 10Hz and 0.5kHz, respectively.

도 11(a)에서와 같이, 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 높은 UV 광 주파수에서 반복 가능한 과도 광전압을 나타내고 있어, 고속 응답성을 가지는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 11(a), the MXene-based transparent solar cell 1 shows repeatable transient photovoltage at high UV light frequencies, confirming that it has high-speed response.

도 11(b)는 광 주파수에 따른 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 상승시간(τr) 및 하강시간(τf)을 도시한다. 상기 상승시간은 최대 광전압의 10%에서 90%까지 과도 광전압 프로파일의 상승 간격에서 결정되었고, 상기 하강시간은 최대 과도 광전압의 90%에서 10%까지 감소하는 프로파일에 대해 상기 상승시간에 상응하는 방식으로 결정되었다.Figure 11(b) shows the rise time (τ r ) and fall time (τ f ) of the MXene-based transparent solar cell 1 according to the optical frequency. The rise time was determined from the rise interval of the transient photovoltage profile from 10% to 90% of the maximum photovoltage, and the fall time corresponded to the rise time for the profile decreasing from 90% to 10% of the maximum transient photovoltage. It was decided in this way.

도 11(b)에서와 같이, 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 점등 주파수가 증가함에 따라 응답 속도가 크게 감소할 수 있다. 특히 상기 MXene 기반 투명태양전지의 상승시간 및 하강시간은 1kHz의 주파수에서 각각 80과 130μs였다. As shown in FIG. 11(b), the response speed of the MXene-based transparent solar cell 1 may greatly decrease as the lighting frequency increases. In particular, the rise time and fall time of the MXene-based transparent solar cell were 80 and 130 μs, respectively, at a frequency of 1 kHz.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에서, 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 자체 전원 모드에서 빠른 광응답(상승 시간 80μs 및 하강 시간 130μs)을 얻을 수 있어, 자립형 광전이 가능할 수 있다. 상기 자체 전원 모드는 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)가 자가구동이 가능한 상태에 해당한다.In this way, in one embodiment of the present invention, the MXene-based transparent solar cell (1) can obtain a fast optical response (rise time of 80 μs and fall time of 130 μs) in self-powered mode, making self-supporting photovoltaic possible. The self-power mode corresponds to a state in which the MXene-based transparent solar cell 1 is capable of self-driving.

상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 특성은 도 11(c)를 통해 추가로 검증할 수 있다. 도 11(c)는 제로 바이어스 작동모드에서의 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 과도 광전류를 나타낸다.The characteristics of the MXene-based transparent solar cell (1) can be further verified through FIG. 11(c). Figure 11(c) shows the transient photocurrent of the MXene-based transparent solar cell 1 in zero bias operating mode.

도 11(c) 및 도 12에서와 같이, 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 10000주기 동안 75μAcm-2의 일관된 광전류를 나타내고 있어, 우수한 안정성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 반응성(R) 및 검출성(D)는 아래 식에 따라 산출되었다.As shown in FIGS. 11(c) and 12, the MXene-based transparent solar cell 1 shows a consistent photocurrent of 75 μAcm -2 for 10,000 cycles, confirming that it has excellent stability. Accordingly, the reactivity (R) and detectability (D) of the MXene-based transparent solar cell (1) were calculated according to the equations below.

여기서 P, Idark 및 q는 각각 광도, 암전류 및 기본 전하(쿨롱)이다.where P, I dark , and q are the light intensity, dark current, and elementary charge (coulombs), respectively.

하기 표 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1), 및 복수의 비교예들의 광검출기 특성을 요약했다.Table 2 below summarizes the photodetector characteristics of the MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention and a plurality of comparative examples.

구조structure λ(nm),
bias(V)
λ(nm),
bias(V)
T
(%)
T
(%)
R
(AW-1)
R
(AW -1 )
검출성
(Jones)
Detectability
(Jones)
τrf τ rf 비고note
Au/NiO/TiO2/TiOx/FTOAu/NiO/ TiO2 /TiOx / FTO 365, 0365, 0 -- 6x10-3 6x10 -3 5.5x1011 5.5x10 11 <0.1/0.1s<0.1/0.1s 비교예 1Comparative Example 1 Ag/NiO/TiO2 nanowell/Ti foilAg/NiO/TiO 2 nanowell/Ti foil 350, 0350, 0 -- 42x10-6 42x10 -6 1.1x109 1.1x10 9 1.2/7.1s1.2/7.1s 비교예 2Comparative Example 2 Au/TiO2/P3HTAu/ TiO2 /P3HT 350, 0350, 0 -- 0.25x10-3 0.25x10 -3 1.1x1010 1.1x10 10 0.4/2.12s0.4/2.12s 비교예 3Comparative Example 3 AgNWs/NiO/TiO2/FTOAgNWs/NiO/TiO 2 /FTO 365, 0365, 0 5757 0.20.2 1.6x1011 1.6x10 11 0.4/0.43ms0.4/0.43ms 비교예 4Comparative Example 4 MXene/n-SiMXene/ n -Si 405, 0405, 0 -- 26.9x10-3 26.9x10 -3 -- 0.84/1.67ms0.84/1.67ms 비교예 5Comparative Example 5 ZnO-BiOCl/Ti3C2Tx//PDMSZnO-BiOCl/Ti 3 C 2 T x //PDMS 350, 5350, 5 -- 94.2x10-6 94.2x10 -6 5.86x1010 5.86x10 10 2.59/0.93s2.59/0.93s 비교예 6Comparative Example 6 TI3C2Tx/NiO/TiO2/FTOTI 3 C 2 T x /NiO/TiO 2 /FTO 365, 0365, 0 3333 20x10-3 20x10 -3 4.1x1010 4.1x10 10 80/130μs80/130μs 실시예Example

표 2에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 광전소자를 구현할 수 있고, 상기 광전소자는 외부 전압이 없는 조건에서 스스로 동작하는 광전소자이거나 외부 전압을 인가하여 특성을 향상시키는 광전소자에 해당할 수 있다. 바람직하게는, 상기 광전소자는, 제로 바이어스 조건에서 1.0x1010 내지 9.9x1010Jones의 검출성, 1x10-3 내지 100x10-3AW-1의 반응성, 1 내지 100μs의 상승 시간(τr), 및 1 내지 500μs의 하강 시간(τf)을 가질 수 있고, 더욱 바람직하게는 4.1x1010Jones의 검출성, 20x10-3AW-1의 반응성, 80μs의 상승 시간(τr), 및 130μs의 하강 시간(τf)을 가질 수 있다.As shown in Table 2, the MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention can implement a photoelectric device, and the photoelectric device is a photoelectric device that operates on its own in the absence of an external voltage or an external voltage. It may correspond to a photoelectric device whose characteristics are improved by application. Preferably, the photoelectric device has a detectability of 1.0x10 10 to 9.9x10 10 Jones under zero bias conditions, a reactivity of 1x10 -3 to 100x10 -3 AW -1 , a rise time (τ r ) of 1 to 100 μs, and It may have a fall time (τ f ) of 1 to 500 μs, and more preferably has a detectability of 4.1x10 10 Jones, a reactivity of 20x10 -3 AW -1 , a rise time (τ r ) of 80 μs, and a fall time of 130 μs. You can have (τ f ).

상기와 같은 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 성능은 상기 복수의 비교예들에 대비 우수하거나 상응하는 성능에 해당한다. 이와 같은 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 광검출기로서의 성능은, 아래의 요인에 의하여 구현된 것일 수 있다.The performance of the MXene-based transparent solar cell 1 as described above is superior to or equivalent to that of the plurality of comparative examples. The performance of the MXene-based transparent solar cell 1 as a photodetector may be achieved by the following factors.

(i) 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 길이방향 구조로 인하여 전극 간격을 단축시킴에 따른 응답 속도 감소(i) Due to the longitudinal structure of the MXene-based transparent solar cell (1), response speed is reduced by shortening the electrode gap.

(ii) NiO/TiO2 계면에서의 빌트인 전위로 인한 광발생 전하의 재결합 감소, 및 광발생 전하 수집 개선에 의한 검출성 향상(ii) Improved detection by reducing recombination of photogenerated charges due to built-in dislocations at the NiO/TiO 2 interface and improving photogenerated charge collection.

(iii) MXene 및 NiO/TiO2 사이의 우수한 접촉특성에 의하여 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)가 태양전지모드로 작동할 수 있어 응답속도 향상(iii) Due to the excellent contact characteristics between MXene and NiO/TiO 2 , the MXene-based transparent solar cell (1) can operate in solar cell mode, improving response speed.

상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 MXene을 대규모 투명 태양전지에 직접 통합하여 구현될 수 있고, 이를 통해 MXene는 보이지 않는 에너지 활용 및 인간 전자공학을 위한 확장성이 뛰어난 응용분야에 적용되기에 적합하다고 판단할 수 있다.The MXene-based transparent solar cell (1) can be implemented by directly integrating MXene into a large-scale transparent solar cell, which makes MXene suitable for application in highly scalable applications for invisible energy utilization and human electronics. It can be judged that it is.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에서, 상기 MXene 기반 투명 태양전지(1)는 높은 광전압을 유도하여 자제 전원 모드로 동작할 수 있어, 자가구동이 가능한 광검출기의 역할을 수행할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.In this way, in one embodiment of the present invention, the MXene-based transparent solar cell 1 can operate in a self-powered mode by inducing a high photovoltage, resulting in the effect of performing the role of a self-driving photodetector. It can be performed.

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 제조방법에 대하여 서술하기로 한다.Hereinafter, a method for manufacturing an MXene-based transparent solar cell 1 according to an embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 일 실시예에 따른 MXene 기반 투명 태양전지(1)의 제조방법은, 투명기판층(100)을 배치하는 단계; 상기 투명기판층(100) 위에, FTO를 포함하는 제1투명전극층(200)을 배치하는 단계; 상기 투명전극층 위에, TiO2를 포함하는 n타입산화물층(300)을 배치하는 단계; 상기 n타입산화물층(300) 위에, NiO를 포함하는 p타입산화물층(400)을 배치하는 단계; 및 상기 p타입산화물층(400) 위에, 2차원나노물질을 포함하는 제2투명전극층(500)을 배치하는 단계;를 포함하고, 상기 2차원나노물질은 MXene을 포함할 수 있다.A method of manufacturing an MXene-based transparent solar cell (1) according to an embodiment of the present invention includes the steps of disposing a transparent substrate layer (100); Disposing a first transparent electrode layer 200 including FTO on the transparent substrate layer 100; Disposing an n-type oxide layer 300 containing TiO 2 on the transparent electrode layer; Disposing a p-type oxide layer 400 containing NiO on the n-type oxide layer 300; and disposing a second transparent electrode layer 500 containing a two-dimensional nanomaterial on the p-type oxide layer 400, wherein the two-dimensional nanomaterial may include MXene.

상기 투명기판층(100)을 배치하는 단계 및 상기 제1투명전극층(200)을 배치하는 단계에서는, 상면에 제1투명전극층(200)이 형성된 투명기판층(100)을 배치할 수 있다.In the step of disposing the transparent substrate layer 100 and the step of disposing the first transparent electrode layer 200, the transparent substrate layer 100 with the first transparent electrode layer 200 formed on the upper surface may be disposed.

상기 상면에 제1투명전극층(200)이 형성된 투명기판층(100)(735159, Aldrich, 시트 저항=7Ω/□)은 아세톤, 메탄올 및 탈이온수로 10분 동안 초음파 처리한 후에, 질소 분위기 하에서 건조하여 배치될 수 있다.The transparent substrate layer 100 (735159, Aldrich, sheet resistance = 7Ω/□) on which the first transparent electrode layer 200 is formed on the upper surface is sonicated with acetone, methanol and deionized water for 10 minutes, and then dried under a nitrogen atmosphere. It can be placed like this.

상기 n타입산화물층(300)을 배치하는 단계에서는, Ti 타겟(iTASCO, 순도 99.99%)을 사용하여, 1 내지 1000℃의 증착온도, 1 내지 100sccm의 아르곤(Ar) 유량, 1 내지 50sccm의 산소(O2) 유량, 1 내지 1000W의 DC전력, 및 1 내지 100mTorr의 작동압력의 조건 하에서 1 내지 5시간 동안 반응성 스퍼터링(SNTEK, 한국)을 통해 n타입산화물층(300)을 형성할 수 있다.In the step of disposing the n-type oxide layer 300, a Ti target (iTASCO, purity 99.99%) is used, a deposition temperature of 1 to 1000 ° C., an argon (Ar) flow rate of 1 to 100 sccm, and oxygen of 1 to 50 sccm. The n-type oxide layer 300 can be formed through reactive sputtering (SNTEK, Korea) for 1 to 5 hours under the conditions of (O 2 ) flow rate, DC power of 1 to 1000 W, and operating pressure of 1 to 100 mTorr.

바람직하게는, 상기 n타입산화물층(300)은 Ti 타겟을 사용하여, 500℃의 증착온도, 50sccm의 아르곤(Ar) 유량, 2.5sccm의 산소(O2) 유량, 300W의 DC전력, 및 5mTorr의 작동압력의 조건 하에서 2시간 동안 반응성 스퍼터링을 통해 형성될 수 있다.Preferably, the n-type oxide layer 300 uses a Ti target, a deposition temperature of 500°C, an argon (Ar) flow rate of 50 sccm, an oxygen (O 2 ) flow rate of 2.5 sccm, a DC power of 300W, and 5mTorr. It can be formed through reactive sputtering for 2 hours under conditions of operating pressure.

상기 p타입산화물층(400)을 배치하는 단계에서는, 상기 n타입산화물층(300)과 이종접합 구조를 형성하기 위하여, Ni 타겟(iTASCO, 순도 99.99%)을 사용하여, 1 내지 100sccm의 아르곤(Ar) 유량, 1 내지 50sccm의 산소(O2) 유량, 1 내지 1000W의 DC전력, 및 1 내지 100mTorr의 작동압력의 조건 하에서 1 내지 60분 동안 반응성 스퍼터링(SNTEK, 한국)을 통해 p타입산화물층(400)을 형성할 수 있다.In the step of disposing the p-type oxide layer 400, in order to form a heterojunction structure with the n-type oxide layer 300, a Ni target (iTASCO, purity 99.99%) is used, and 1 to 100 sccm of argon ( Ar) p-type oxide layer through reactive sputtering (SNTEK, Korea) for 1 to 60 minutes under the conditions of an oxygen (O 2 ) flow rate of 1 to 50 sccm, a DC power of 1 to 1000 W, and an operating pressure of 1 to 100 mTorr. (400) can be formed.

바람직하게는, 상기 p타입산화물층(400)은 Ni 타겟을 사용하여, 20sccm의 아르곤(Ar) 유량, 5sccm의 산소(O2) 유량, 50W의 DC전력, 및 3mTorr의 작동압력의 조건 하에서 10분 동안 반응성 스퍼터링을 통해 형성될 수 있다.Preferably, the p-type oxide layer 400 uses a Ni target, and is formed at a temperature of 10 mTorr under the conditions of an argon (Ar) flow rate of 20 sccm, an oxygen (O 2 ) flow rate of 5 sccm, a DC power of 50 W, and an operating pressure of 3 mTorr. Can be formed through reactive sputtering for minutes.

또한 상기 p타입산화물층(400)을 배치하는 단계에서 상기 p타입산화물층(400)을 형성하기 위하여 아르곤 및 산소를 포함하는 스퍼터링 가스를 주입하기 전에, 1 내지 100x10-6mTorr의 기본압력, 및 1 내지 100rpm의 회전속도의 조건 하에서 1 내지 60분 동안 프리스퍼터링을 먼저 수행하는 것이 바람직하고, 이를 통해 상기 p타입산화물층(400)의 균일성을 확보할 수 있다.In addition, in the step of disposing the p-type oxide layer 400, before injecting the sputtering gas containing argon and oxygen to form the p-type oxide layer 400, a basic pressure of 1 to 100x10 -6 mTorr, and It is preferable to first perform pre-sputtering for 1 to 60 minutes under the condition of a rotation speed of 1 to 100 rpm, through which uniformity of the p-type oxide layer 400 can be secured.

바람직하게는, 상기 p타입산화물층(400)을 배치하는 단계는, 스퍼터링 가스를 주입하기 전에 5x10-6mTorr의 기본압력, 및 5rpm의 회전속도의 조건 하에서 10분 동안 프리스퍼터링을 먼저 수행할 수 있다.Preferably, in the step of disposing the p-type oxide layer 400, pre-sputtering may first be performed for 10 minutes under the conditions of a basic pressure of 5x10 -6 mTorr and a rotation speed of 5 rpm before injecting the sputtering gas. there is.

상기 제2투명전극층(500)을 배치하는 단계에서는 먼저 Bare물질을 형성하고 이를 TFA처리한 후에, 스핀코팅에 의하여 상기 제2투명전극층(500)을 형성할 수 있다.In the step of disposing the second transparent electrode layer 500, a bare material is first formed and TFA treated, and then the second transparent electrode layer 500 can be formed by spin coating.

보다 상세하게는, 상기 제2투명전극층(500)을 배치하는 단계에서는, 최소 집중층 박리법(modified minimally intensive layer delamination)을 통해 준비된 Bare Ti3C2Tx MXene를 상기 Bare Ti3C2Tx MXene를 공지된 방식에 따라 0℃에서 증류수에서 TFA처리함으로써, TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액을 합성했다. 상기 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액은 스핀코팅에 의해 형성된 후에, 100℃에서 핫플레이트를 이용하여 건조함으로써 상기 제2투명전극층(500)을 형성할 수 있다. More specifically, in the step of disposing the second transparent electrode layer 500 , Bare Ti 3 C 2 T A TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution was synthesized by treating x MXene with TFA in distilled water at 0°C according to a known method. The TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution can be formed by spin coating and then dried using a hot plate at 100°C to form the second transparent electrode layer 500.

상기 수정된 최소 집중층 박리법은 50℃의 온도에서, 12M LiF(98.5%, Acros)/9M HCl(37% HCl 용액에서 희석) 에칭액을 사용하여 Ti3AlC2 MAX 상 전구체(≥98.0%, 입자 크기≤20μm)로부터 Al층을 선택적으로 에칭하는 방법에 해당한다.The modified minimally concentrated layer stripping method uses a 12M LiF (98.5%, Acros)/9M HCl (diluted in 37% HCl solution) etchant to remove the Ti 3 AlC 2 MAX phase precursor (≥98.0%, It corresponds to a method of selectively etching the Al layer from the particle size ≤ 20 μm.

본 발명에서는 상기 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액의 코팅 수를 조절하여 MXene의 전도성 및 광학적 투명도를 조절했다.In the present invention, the conductivity and optical transparency of MXene were controlled by adjusting the number of coatings of the TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution.

바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제2투명전극층(500)은 상기 p타입산화물층(400) 위에 상기 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액을 스핀코팅한 후에 건조하여 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액은 4 내지 8회의 범위에서 선택된 코팅횟수로 코팅될 수 있다.Preferably, the second transparent electrode layer 500 according to an embodiment of the present invention is formed by spin coating the TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution on the p-type oxide layer 400 and then drying it. It can be. More preferably, the TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution may be coated with a number of coatings selected from the range of 4 to 8.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 2차원나노물질인 MXene를 전면전극으로 사용하여, 투명 태양전지의 투과율을 확보하고 광발생 캐리어를 용이하게 수집하여 전력을 효과적으로 생산할 수 있는 MXene 기반 투명 태양전지를 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, an MXene-based transparent solar cell is provided that uses MXene, a two-dimensional nanomaterial, as a front electrode to secure the transmittance of the transparent solar cell and easily collect light-generated carriers to effectively produce power. can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, MXene를 포함하는 제2투명전극층의 형성시 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액의 스핀코팅의 횟수를 조절함으로써, MXene 기반 투명 태양전지의 광학적 특성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the optical properties and electrical properties of an MXene-based transparent solar cell are improved by controlling the number of spin coatings of the TFA-treated Ti 3 C 2 T It can have the effect of improving characteristics.

본 발명의 일 실시예에서, MXene의 면저항을 낮추고 MXene와 p-NiO/n-TiO2 이종접합 사이의 접촉을 개선함으로써 가시광선을 선택적으로 통과시키면서 자외선으로부터 전력을 생산할 수 있다.In one embodiment of the present invention, power can be produced from ultraviolet rays while selectively passing visible light by lowering the sheet resistance of MXene and improving the contact between MXene and p-NiO/n-TiO 2 heterojunction.

본 발명의 일 실시예에 따르면, MXene 기반 투명 태양전지가 p-NiO/n-TiO2 이종접합 구조를 포함함으로써, 빌트인전위를 자발적으로 형성하고 입사되는 광자에너지를 전력으로 변환할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, an MXene-based transparent solar cell includes a p-NiO/n-TiO 2 heterojunction structure, thereby achieving the effect of spontaneously forming a built-in potential and converting incident photon energy into power. It can be performed.

본 발명의 일 실시예에 따르면, MXene 기반 투명 태양전지는 높은 광전압을 유도하여 자제 전원 모드로 동작할 수 있어, 자가구동이 가능한 광검출기의 역할을 수행할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, an MXene-based transparent solar cell can operate in a self-powered mode by inducing a high photovoltage, thereby demonstrating the effect of performing the role of a self-driving photodetector.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 MXene 기반 투명 태양전지는 자체 전원 모드에서 빠른 광응답을 얻을 수 있어, 자립형 광전이 가능할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the MXene-based transparent solar cell can obtain a fast optical response in self-powered mode, enabling self-supporting photovoltaic cells.

본 발명의 일 실시예에 따르면, MXene 기반 투명 태양전지는 백색광 혹은 태양광과 유사한 색좌표를 가지고 있어, 현장 전원 공급 시스템으로서 건물 및 차량의 창문에 적용되기에 적합할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, MXene-based transparent solar cells have white light or color coordinates similar to sunlight, and may be suitable for application to windows of buildings and vehicles as an on-site power supply system.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.

1: MXene 기반 투명 태양전지
100: 투명기판층 200: 제1투명전극층
300: n타입산화물층 400: p타입산화물층
500: 제2투명전극층
1: MXene-based transparent solar cell
100: transparent substrate layer 200: first transparent electrode layer
300: n-type oxide layer 400: p-type oxide layer
500: Second transparent electrode layer

Claims (8)

MXene 기반 투명 태양전지로서,
투명기판층;
상기 투명기판층 위에 배치되고, FTO를 포함하는 제1투명전극층;
상기 투명전극층 위에 배치되고, TiO2를 포함하는 n타입산화물층;
상기 n타입산화물층 위에 배치되고, NiO를 포함하는 p타입산화물층; 및
상기 p타입산화물층 위에 배치되고, 2차원나노물질을 포함하는 제2투명전극층;을 포함하고,
상기 2차원나노물질은 MXene을 포함하는, MXene 기반 투명 태양전지.
As an MXene-based transparent solar cell,
Transparent substrate layer;
a first transparent electrode layer disposed on the transparent substrate layer and including FTO;
an n-type oxide layer disposed on the transparent electrode layer and containing TiO 2 ;
a p-type oxide layer disposed on the n-type oxide layer and including NiO; and
A second transparent electrode layer disposed on the p-type oxide layer and containing a two-dimensional nanomaterial,
The 2D nanomaterial is an MXene-based transparent solar cell containing MXene.
청구항 1에 있어서,
상기 2차원나노물질은 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액을 포함하는, MXene 기반 투명 태양전지.
In claim 1,
The two-dimensional nanomaterial is an MXene-based transparent solar cell containing a TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution.
청구항 2에 있어서,
상기 제2투명전극층은 상기 p타입산화물층 위에 상기 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액을 스핀코팅한 후에 건조하여 형성될 수 있는, MXene 기반 투명 태양전지.
In claim 2,
The second transparent electrode layer is an MXene-based transparent solar cell that can be formed by spin coating the TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution on the p-type oxide layer and then drying it.
청구항 1에 있어서,
상기 MXene 기반 투명 태양전지는 광전소자를 구현할 수 있고,
상기 광전소자는 외부 전압이 없는 조건에서 스스로 동작하는 광전소자이거나 외부 전압을 인가하여 특성을 향상시키는 광전소자에 해당하는, MXene 기반 투명 태양전지.
In claim 1,
The MXene-based transparent solar cell can implement a photovoltaic device,
The photoelectric device is a photoelectric device that operates on its own in the absence of external voltage or a photoelectric device that improves characteristics by applying an external voltage. An MXene-based transparent solar cell.
청구항 1에 있어서,
상기 MXene 기반 투명 태양전지는,
상기 n타입산화물층 및 p타입산화물층에 의하여 형성된 n-TiO2/p-NiO 이종접합 구조를 포함하는, MXene 기반 투명 태양전지.
In claim 1,
The MXene-based transparent solar cell,
An MXene-based transparent solar cell comprising an n-TiO 2 /p-NiO heterojunction structure formed by the n-type oxide layer and the p-type oxide layer.
MXene 기반 투명 태양전지의 제조방법으로서,
투명기판층을 배치하는 단계;
상기 투명기판층 위에, FTO를 포함하는 제1투명전극층을 배치하는 단계;
상기 투명전극층 위에, TiO2를 포함하는 n타입산화물층을 배치하는 단계;
상기 n타입산화물층 위에, NiO를 포함하는 p타입산화물층을 배치하는 단계; 및
상기 p타입산화물층 위에, 2차원나노물질을 포함하는 제2투명전극층을 배치하는 단계;를 포함하고,
상기 2차원나노물질은 MXene을 포함하는, MXene 기반 투명 태양전지의 제조방법.
As a method of manufacturing an MXene-based transparent solar cell,
Disposing a transparent substrate layer;
disposing a first transparent electrode layer including FTO on the transparent substrate layer;
Disposing an n-type oxide layer containing TiO 2 on the transparent electrode layer;
Disposing a p-type oxide layer containing NiO on the n-type oxide layer; and
Comprising: disposing a second transparent electrode layer containing a two-dimensional nanomaterial on the p-type oxide layer,
A method of manufacturing an MXene-based transparent solar cell, wherein the two-dimensional nanomaterial includes MXene.
청구항 6에 있어서,
상기 2차원나노물질은 TFA처리된 Ti3C2Tx MXene 용액을 포함하는, MXene 기반 투명 태양전지의 제조방법.
In claim 6,
The two-dimensional nanomaterial is a method of manufacturing an MXene-based transparent solar cell, including a TFA-treated Ti 3 C 2 T x MXene solution.
청구항 6에 있어서,
상기 MXene 기반 투명 태양전지는,
상기 n타입산화물층 및 p타입산화물층에 의하여 형성된 n-TiO2/p-NiO 이종접합 구조를 포함하는, MXene 기반 투명 태양전지의 제조방법.
In claim 6,
The MXene-based transparent solar cell,
A method of manufacturing an MXene-based transparent solar cell, including an n-TiO 2 /p-NiO heterojunction structure formed by the n-type oxide layer and the p-type oxide layer.
KR1020220174888A 2022-12-14 MXene-Integrated Transparent Photovoltaics and Manufacturing Method Thereof KR20240092276A (en)

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