WO2011090300A2 - 다양한 종류의 나노입자를 함유한 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

다양한 종류의 나노입자를 함유한 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2011090300A2
WO2011090300A2 PCT/KR2011/000342 KR2011000342W WO2011090300A2 WO 2011090300 A2 WO2011090300 A2 WO 2011090300A2 KR 2011000342 W KR2011000342 W KR 2011000342W WO 2011090300 A2 WO2011090300 A2 WO 2011090300A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
photoactive layer
solar cell
electrode
inorganic hybrid
semiconductor nanoparticles
Prior art date
Application number
PCT/KR2011/000342
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2011090300A3 (ko
Inventor
김태환
정재훈
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Publication of WO2011090300A2 publication Critical patent/WO2011090300A2/ko
Publication of WO2011090300A3 publication Critical patent/WO2011090300A3/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0725—Multiple junction or tandem solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281—Shape of the body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0384—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including other non-monocrystalline materials, e.g. semiconductor particles embedded in an insulating material
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • H10K30/57—Photovoltaic [PV] devices comprising multiple junctions, e.g. tandem PV cells
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
    • H10K30/35—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains comprising inorganic nanostructures, e.g. CdSe nanoparticles
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a stacked solar cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a stacked organic-inorganic hybrid solar cell containing various kinds of nanoparticles and a method for manufacturing the same.
  • a solar cell is a semiconductor device that directly converts light energy into electrical energy by using a photovoltaic effect.
  • the solar cell may be broadly classified into an inorganic solar cell and an organic solar cell according to the material of the photoactive layer.
  • silicon solar cells are widely commercialized on the basis of relatively high power generation efficiency compared to solar cells of other materials, but there is a problem that the cost of power generation is expensive because purified silicon is expensive.
  • the dye-sensitized solar cell of the organic solar cell has the advantage that the material price is cheaper than the silicon solar cell and the process is simple, but the power generation efficiency is lower than the silicon solar cell due to the narrow wavelength range of light absorbed by the dye there is a problem.
  • As a way to lower the cost of power generation by increasing the power generation efficiency of silicon solar cells there is a method of increasing the absorption rate of sunlight by introducing silicon nanoparticles or metal nanoparticles, and as a way to lower the power generation cost of dye-sensitized solar cells.
  • There is a method of absorbing light of various wavelengths by forming a multi-layered dye layer or by attaching various dyes to one nanoparticle.
  • the method of using silicon nanoparticles or metal nanoparticles uses scattering, diffraction, and surface plasmon effects of light by nanoparticles, and the nanoparticles do not directly receive light and generate electricity. There is a limit to improving efficiency.
  • the method of forming a multi-layer dye layer has a problem that the existing dye layer is damaged by high temperature heat treatment in the process of sintering the nanoparticles to which the dye is attached.
  • the method of attaching a plurality of dyes to a single nanoparticle has a problem that the dye is locally attached to the surface of the nanoparticles has a problem of offsetting the effect of improving the power generation efficiency due to the reduction of the effective area of the dye.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a highly efficient stacked organic-inorganic hybrid solar cell using a variety of nanoparticles.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a highly efficient stacked organic-inorganic hybrid solar cell.
  • the solar cell is disposed on a first electrode, the first electrode, a first photoactive layer containing first semiconductor nanoparticles and a first conductive polymer, a graphene layer positioned on the first photoactive layer, and on the graphene layer. And a second photoactive layer positioned on the second photoactive layer, the second photoactive layer containing the second semiconductor nanoparticle and the second conductive polymer, wherein the first semiconductor nanoparticle and the second semiconductor nanoparticle each other. Has a different bandgap.
  • the semiconductor nanoparticles of the photoactive layer close to the incident surface of light may be selected to have a wider bandgap than the semiconductor nanoparticles of the photoactive layer farther from the incident surface of light. Can be.
  • the first semiconductor nanoparticle and the second semiconductor nanoparticle are, for example, MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, Cu 2 O, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al 2 S 3 , Al 2 Se 3 , Al 2 Te 3 , Ga 2 O 3 , Ga 2 S 3 , Ga 2 Se 3 , Ga 2 Te 3 , In 2 O 3 , In 2 S 3 , In 2 Se 3 , In 2 Te 3 , GeO 2 , SnO 2 , SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO 2 , It may be selected from the group consisting of PbS
  • At least one of the first semiconductor nanoparticle and the second semiconductor nanoparticle may be coupled to a carbon nanotube.
  • the first conductive polymer and the second conductive polymer may be formed of at least one of polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polystyrene, polyphenylenevinylene and polyvinylcarbazole compounds regardless of each other. It may include.
  • the first electrode is ITO, IZO, ZnO, Al-doped ZnO (AZO), Ga-doped ZnO (GZO), Mg-doped ZnO (MZO), Mo-doped ZnO, Al-doped MgO and It may be a film of either Ga-doped MgO.
  • the second electrode may be a metal electrode of any one of Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd, and an alloy thereof.
  • first electrode or the second electrode may be an organic electrode of any one of graphene, carbon nanotubes, fullerenes, conductive polymers, and composites thereof.
  • the method includes preparing a substrate on which a first electrode is formed, forming a first photoactive layer containing first semiconductor nanoparticles and a first conductive polymer on the first electrode, and forming a substrate on the first photoactive layer. Forming a fin layer, forming a second photoactive layer containing a second semiconductor nanoparticle and a second conductive polymer on the graphene layer, and forming a second electrode on the second photoactive layer; The first semiconductor nanoparticle and the second semiconductor nanoparticle have different band gaps.
  • the semiconductor nanoparticles of the photoactive layer close to the incident surface of light may be selected to have a wider bandgap than the semiconductor nanoparticles of the photoactive layer farther from the incident surface of light. Can be.
  • the first semiconductor nanoparticle and the second semiconductor nanoparticle are, for example, MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, Cu 2 O, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al 2 S 3 , Al 2 Se 3 , Al 2 Te 3 , Ga 2 O 3 , Ga 2 S 3 , Ga 2 Se 3 , Ga 2 Te 3 , In 2 O 3 , In 2 S 3 , In 2 Se 3 , In 2 Te 3 , GeO 2 , SnO 2 , SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO 2 , It may be selected from the group consisting of PbS
  • Forming each of the photoactive layers may include applying a conductive polymer solution in which semiconductor nanoparticles are dispersed and removing a solvent of the solution.
  • the first conductive polymer and the second conductive polymer may be formed of at least one of polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polystyrene, polyphenylenevinylene and polyvinylcarbazole compounds regardless of each other. It may include.
  • the forming of the graphene layer may include forming a graphene thin film using chemical vapor deposition on a substrate on which a sacrificial metal layer is formed, selectively separating the graphene thin film by etching the metal layer and the substrate, and the separated graphene.
  • the fin thin film may be disposed on the second photoactive layer.
  • the light absorption band of the photoactive layer can be extended by dispersing and stacking nanoparticles having different wavelength bands of absorbed light in each polymer thin film.
  • the heat generation of the solar cell is minimized and the light is maximized.
  • the absorption rate can be maximized.
  • erosion of the lower photoactive layer that may occur during the stacking process of the photoactive layer may be prevented by inserting a graphene layer between the photoactive layers.
  • the graphene layer since the graphene layer has high electrical conductivity, power loss due to the series resistance of the device can be reduced, and since the graphene layer has high transparency, it is possible to minimize the loss of incident amount of sunlight.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a stacked organic-inorganic hybrid solar cell having two photoactive layers according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a stacked organic-inorganic hybrid solar cell having three photoactive layers according to another embodiment of the present invention.
  • 3 to 7 are longitudinal cross-sectional views showing respective configurations of a stacked organic-inorganic hybrid solar cell having two photoactive layers manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows a schematic energy band diagram of a stacked organic-inorganic hybrid solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • a first photoactive layer is disposed on a first electrode, the first electrode, and includes a first semiconductor nanoparticle and a first conductive polymer, and the first photoactive layer.
  • a second photoactive layer disposed on the graphene layer, the second photoactive layer containing the second semiconductor nanoparticles and the second conductive polymer, and a second electrode positioned on the second photoactive layer.
  • the semiconductor nanoparticles and the second semiconductor nanoparticles have different band gaps.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a stacked organic-inorganic hybrid solar cell having two photoactive layers according to an embodiment of the present invention.
  • the stacked organic-inorganic hybrid solar cell includes a substrate 100, a first electrode 110, a first photoactive layer 120, a graphene layer 130, a second photoactive layer 140, and
  • the second electrode 210 may include a stacked structure.
  • the substrate 100 is not an essential component of the solar cell according to the present embodiment, and may be removed as necessary.
  • the substrate 100 is used to support a solar cell, a transparent inorganic substrate selected from glass, quartz, Al 2 O 3 and SiC, or polyethylene terephthlate (PET), polyethersulfone (PES), polystyrene (PS), and PC ( It may be a light transmissive plastic substrate selected from polycarbonate, polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN), polyarylate (PAR), and the like.
  • PET polyethylene terephthlate
  • PES polyethersulfone
  • PS polystyrene
  • PC It may be a light transmissive plastic substrate selected from polycarbonate, polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN), polyarylate (PAR), and the like.
  • the first electrode 110 is positioned on the substrate 100, and is preferably a light transmissive material so that light passing through the substrate 100 reaches the photoactive layers 120 and 140.
  • the first electrode 110 is a conductive material having a low resistance, and may serve as an anode that receives holes generated in the photoactive layers 120 and 140 positioned thereon and transfers the holes to the external circuit.
  • the first electrode 110 may be formed of indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), fluorine-doped tin oxide (FTO), zinc oxide (ZnO), Al-doped ZnO (AZO), Ga A film of any one of -doped ZnO (GZO), Mg-doped ZnO (MZO), Mo-doped ZnO, Al-doped MgO and Ga-doped MgO.
  • ITO indium tin oxide
  • IZO indium zinc oxide
  • FTO fluorine-doped tin oxide
  • ZnO zinc oxide
  • Al-doped ZnO AZO
  • Ga A film of any one of -doped ZnO (GZO), Mg-doped ZnO (MZO), Mo-doped ZnO, Al-doped MgO and Ga-doped MgO Ga A film of any one of -doped ZnO (G
  • the second electrode 210 is positioned on the second photoactive layer 140 and is a conductive material having a low resistance.
  • the second electrode 210 receives electrons generated from the photoactive layers 120 and 140 disposed below and transfers the electrons to an external circuit. It can serve as a negative electrode.
  • the second electrode 210 may be any one metal electrode selected from Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd, and alloys thereof.
  • At least one of the first electrode 110 and the second electrode 210 may be an organic electrode of any one of graphene, carbon nanotubes, fullerenes, conductive polymers, and composites thereof.
  • first electrode 110 is formed of an organic electrode
  • second electrode 210 is formed of a light-transmissive organic electrode, the light is received from the top of the cell. This is possible.
  • the graphene layer 130 is interposed between the first photoactive layer 120 and the second photoactive layer 140, and the electrons and the second photoactive layer 140 generated in the first photoactive layer 120. Receiving the holes generated in the can act as an interlayer responsible for recombination of the charge or transport of the charge.
  • the graphene layer 130 having a high electrical conductivity can reduce the internal resistance of the device, there is an advantage of reducing the power loss due to the series resistance generated in the stacked structure.
  • the first photoactive layer 120 may be a thin film containing the first semiconductor nanoparticles 122 and the first conductive polymer 124
  • the second photoactive layer 140 may be the second semiconductor nanoparticles 142.
  • a thin film containing the second conductive polymer 144 That is, the photoactive layers 120 and 140 include a conductive polymer 124 and 144 matrix and semiconductor nanoparticles 122 and 142 dispersed in the conductive polymer 124 and 144 matrix.
  • the semiconductor nanoparticles 122 and 142 are selected to have different band gaps (energy inhibiting bands) for each photoactive layer.
  • the semiconductor nanoparticles of the photoactive layer positioned close to the incident surface of the light may be It may be selected to have a relatively wider bandgap than the semiconductor nanoparticles of the remotely located photoactive layer. If the nanoparticles of the photoactive layer near the incident surface of light have a narrow band gap and can form electron-hole pairs only by absorbing light in a long wavelength band, the excess light energy of light in the short wavelength band is absorbed. This is because the lifetime of the solar cell can be shortened by heat because the probability of conversion to heat energy increases.
  • the first semiconductor nanoparticles 122 contained in the first photoactive layer 120 are included in the second photoactive layer 140.
  • the semiconductor nanoparticle 142 may be configured to have a wider band gap.
  • the light absorption band can be widened by configuring the semiconductor nanoparticles 122 and 142 of the photoactive layers 120 and 140 to have different band gaps for each photoactive layer.
  • the closer to the light incident surface the wider the band gap.
  • the first semiconductor nanoparticles 122 and the second semiconductor nanoparticles 142 are MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, Cu 2 O, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al 2 S 3 , Al 2 Se 3 , Al 2 Te 3 , Ga 2 O 3 , Ga 2 S 3 , Ga 2 Se 3 , Ga 2 Te 3 , In 2 O 3 , In 2 S 3 , In 2 Se 3 , In 2 Te 3 , GeO 2 , SnO 2 , SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO 2 , PbSe, PbTe, P
  • first semiconductor nanoparticles 122 and the second semiconductor nanoparticles 142 may be present in the photoactive layer in the form of being bonded to a carbon nanotube.
  • the carbon nanotubes may be single-wall carbon nanotubes, multi-wall carbon nanotubes, or a combination thereof.
  • the first conductive polymer 124 and the second conductive polymer 144 is an organic material having electrical conductivity, regardless of each other polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polystyrene, polyphenylene At least one of a vinylene-based and polyvinylcarbazole-based compound may be included. However, the present invention is not limited thereto.
  • each of the photoactive layers 120 and 140 is preferably 100 nm or less in order to minimize internal resistance of the battery.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a stacked organic-inorganic hybrid solar cell having three photoactive layers according to an embodiment of the present invention.
  • the stacked organic-inorganic hybrid solar cell includes all of the structures shown in FIG. 1, and is interposed between the second photoactive layer 140 and the second electrode 210 and has a second photoactive layer.
  • the graphene layer 150 and the third photoactive layer 160 which are sequentially positioned on the 140 may be further included.
  • the graphene layer 150 receives electrons generated in the second photoactive layer 140 and holes generated in the third photoactive layer 160 to serve as an intermediate layer that is responsible for recombination of charges or transport of charges.
  • the effect of introducing the graphene layer 150 is as described with reference to FIG.
  • the third photoactive layer 160 may be a thin film containing the third semiconductor nanoparticles 162 and the third conductive polymer 164. That is, the third photoactive layer 160 includes a conductive polymer 164 matrix and semiconductor nanoparticles 162 dispersed in the conductive polymer 164 matrix.
  • the third semiconductor nanoparticle 162 has a different band gap from the first semiconductor nanoparticle 122 and the second semiconductor nanoparticle 142, and if the first photoactive layer 120 is closest to the incident surface of light In this case, it is preferable that the first semiconductor nanoparticles 122 have a relatively widest band gap, and the third semiconductor nanoparticles 162 have a relatively narrowest band gap.
  • the third semiconductor nanoparticle 162 may include MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, Cu 2 O, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al 2 S 3 , Al 2 Se 3 , Al 2 Te 3 , Ga 2 O 3 , Ga 2 S 3 , Ga 2 Se 3 , Ga 2 Te 3 , In 2 O 3 , In 2 S 3 , In 2 Se 3 , In 2 Te 3 , GeO 2 , SnO 2 , SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO 2 , PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, Al
  • the third conductive polymer 164 may include at least one of polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polystyrene, polyphenylenevinylene and polyvinylcarbazole compounds. However, the present invention is not limited thereto.
  • the stacked organic-inorganic hybrid solar cell according to the present embodiment may have a structure in which two or more photoactive layers are laminated with a graphene thin film interposed therebetween, and light absorbing semiconductor nanoparticles are configured differently for each photoactive layer (preferably Preferably, the photoactive layer closer to the incident surface of light contains semiconductor nanoparticles having a relatively wide bandgap, and the photoactive layer farther from the incident surface of light contains semiconductor nanoparticles having a relatively narrow bandgap.
  • the overall light absorption of the battery can be increased. However, as the number of photoactive layers increases, power loss inside the battery may increase due to an increase in series resistance, and thus, the number of photoactive layers is preferably stacked at five or less.
  • a method of manufacturing a stacked organic-inorganic hybrid solar cell is provided.
  • 3 to 7 are longitudinal cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a stacked organic-inorganic hybrid solar cell having two photoactive layers according to an embodiment of the present invention.
  • the substrate 100 on which the first electrode 110 is formed is prepared.
  • an inorganic transparent electrode such as ITO may be manufactured by a sputtering method, or the like, and in the case of using a plastic substrate, a graphene thin film or a carbon nanotube thin film may be laminated on a substrate and manufactured as a transparent electrode.
  • a first photoactive layer 120 containing a first semiconductor nanoparticle 122 and a first conductive polymer 124 is formed on the first electrode 110.
  • Forming the first photoactive layer 120 may include applying a solution of the first conductive polymer 124 in which the first semiconductor nanoparticles 122 are dispersed, and removing the solvent of the solution.
  • the coating of the first conductive polymer 124 solution in which the first semiconductor nanoparticles 122 are dispersed may include, for example, spin coating, dip coating, drop coating, It may be carried out by a solution process such as ink-jet printing, spray coating or screen printing.
  • the first conductive polymer 124 may include any one of polyacetylene-based, polyaniline-based, polypyrrole-based, polythiophene-based, polystyrene-based, polyphenylenevinylene-based, and polyvinylcarbazole-based compounds.
  • a graphene layer 130 is formed on the first photoactive layer 120.
  • the method of forming the graphene layer 130 may include forming a graphene thin film using chemical vapor deposition (CVD) on a substrate on which a sacrificial metal layer is formed, and etching the metal layer and the substrate. Selectively separating the fin thin film and disposing the separated graphene thin film on the first photoactive layer 120.
  • the graphene thin film disposed on the first photoactive layer 120 may be firmly attached to the first photoactive layer 120 without a separate adhesive material by van der Waals force.
  • a second photoactive layer 140 containing a second semiconductor nanoparticle 142 and a second conductive polymer 144 is formed on the graphene layer 130.
  • the second conductive polymer 144 may include any one of a polyacetylene-based, polyaniline-based, polypyrrole-based, polythiophene-based, polystyrene-based, polyphenylenevinylene-based, and polyvinylcarbazole-based compound.
  • the second photoactive layer 140 may be formed by the same method as the method of forming the first photoactive layer 120 described with reference to FIG. 4.
  • the graphene has a strong chemical resistance
  • the graphene layer 130 is lowered by the solvent of the second conductive polymer 144 solution.
  • the formed first photoactive layer 120 may serve to prevent chemical erosion.
  • the first semiconductor nanoparticles 122 of the first photoactive layer 120 and the second semiconductor nanoparticles 142 of the second photoactive layer 140 are selected to have different band gaps, and preferably The semiconductor nanoparticles of the photoactive layer located closer to the incident surface may be selected to have a relatively wider bandgap than the semiconductor nanoparticles of the photoactive layer located far from the incident surface of light.
  • the first semiconductor nanoparticles 122 and the second semiconductor nanoparticles 142 are MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, Cu 2 O, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al 2 S 3 , Al 2 Se 3 , Al 2 Te 3 , Ga 2 O 3 , Ga 2 S 3 , Ga 2 Se 3 , Ga 2 Te 3 , In 2 O 3 , In 2 S 3 , In 2 Se 3 , In 2 Te 3 , GeO 2 , SnO 2 , SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO 2 , PbSe, PbTe, P
  • a second electrode 210 is formed on the second photoactive layer 140.
  • the second electrode 210 is a metal electrode
  • the second electrode 210 may be formed by thermal image deposition, electron beam deposition, sputtering, or chemical vapor deposition, or may be formed by applying an electrode forming paste including a metal and then heat treatment.
  • an organic material electrode such as graphene or carbon nanotubes may be formed on the second photoactive layer 140 by a suitable method to form a transparent electrode.
  • the method of manufacturing a stacked organic-inorganic hybrid solar cell according to the present embodiment may be formed on the second photoactive layer 140 after the second photoactive layer 140 is formed and before the second electrode 210 is formed.
  • the graphene layer 150 to be additionally stacked may be formed by the same method as described with reference to FIG. 5.
  • the third semiconductor nanoparticle 162 has a band gap different from that of the first semiconductor nanoparticle 122 and the second semiconductor nanoparticle 142, and if the first photoactive layer 120 is incident on light In the closest case, it is preferable that the first semiconductor nanoparticles 122 have a relatively widest band gap, and the third semiconductor nanoparticles 162 have a relatively narrowest band gap.
  • the third photoactive layer 160 may be formed by the same method as the method of forming the first photoactive layer 120 described with reference to FIG. 4.
  • FIG. 8 shows a schematic energy band diagram of a stacked organic-inorganic hybrid solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • the solar cell includes a transparent electrode 110, a first photoactive layer 120, a graphene layer 130, a second photoactive layer 140, and a metal electrode 210 sequentially stacked on a transparent substrate (not shown).
  • the first photoactive layer 120 is formed of a conductive polymer thin film in which first semiconductor nanoparticles having a short absorption wavelength are dispersed because of a wide band gap
  • the second photoactive layer 140 has a light absorption wavelength due to a relatively narrow band gap. It consists of a conductive polymer thin film in which the long second semiconductor nanoparticles are dispersed.
  • the first semiconductor nanoparticles of the first photoactive layer 120 are first absorbed by the first semiconductor nanoparticles of the first photoactive layer 120 to be electron-hole. Form a pair.
  • long-wavelength light not absorbed by the first semiconductor nanoparticles is absorbed by the second semiconductor nanoparticles of the second photoactive layer 140 to form an electron-hole pair.
  • the generated electron-hole pairs are separated and moved by the work function difference of both electrodes and are moved toward each electrode through the conductive polymer thin film. In this case, electrons move to an electrode having a relatively small work function (for example, the metal electrode 210), and holes move to an electrode having a relatively large work function (for example, the transparent electrode 110). .
  • the graphene layer 130 receives the electrons generated in the first photoactive layer 120 and the holes generated in the second photoactive layer 140 and is responsible for recombination of charges or transport of charges. It will serve as a role.
  • photovoltaic generation can be performed by the same mechanism as described above.
  • PVK polyvinylcarbazole
  • the SiO 2 substrate was sonicated with acetone and ethanol and then washed with deionized water.
  • the washed substrate was dried with N 2 gas and a Ni thin film was thermally deposited to a thickness of 200 nm or more on a SiO 2 substrate.
  • Ni deposited SiO 2 substrate was placed in a chamber for chemical vapor deposition (CVD), and vacuum was formed. Then, the mixture was filled with a gas of hydrogen and argon 1: 4, and brought to atmospheric pressure.
  • the graphene-grown SiO 2 substrate was placed in an HF solution to etch SiO 2 , and then immersed in TFG solution to etch Ni to finally extract only the graphene thin film.
  • the graphene thin film was placed on the first photoactive layer to form a graphene layer.
  • PVK solution in which Cu 2 O nanoparticles are dispersed on the graphene layer was applied by spin coating for 10 to 20 seconds at a speed of 1000 to 2000 rpm. Next, heat was applied for 30 minutes in an oven or hotplate to evaporate the solvent to form a second photoactive layer.
  • Al was deposited to a thickness of 200 to 300 nm using a thermal evaporator on the second photoactive layer to form an Al electrode.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

다양한 종류의 나노입자를 함유한 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다. 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하고 제1 반도체 나노입자 및 제1 전도성 고분자를 함유하는 제1 광활성층, 상기 제1 광활성층 상에 위치하는 그래핀층, 상기 그래핀층 상에 위치하고 제2 반도체 나노입자 및 제2 전도성 고분자를 함유하는 제2 광활성층 및 상기 제2 광활성층 상에 위치하는 제2 전극을 포함하며, 상기 제1 반도체 나노입자와 상기 제2 반도체 나노입자는 서로 다른 밴드갭을 갖는다. 본 발명에 따르면, 광활성층의 광흡수 대역을 확장할 수 있으며, 태양전지의 발열을 최대한 줄이고 광흡수율을 극대화할 수 있다. 또한, 그래핀층의 도입으로 광활성층의 적층 과정에서 발생할 수 있는 하부 광활성층의 침식을 방지하고, 소자의 직렬 저항에 의한 전력 손실을 줄이는 한편, 태양광의 입사량 손실을 최소화할 수 있다.

Description

다양한 종류의 나노입자를 함유한 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법
본 발명은 적층형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 종류의 나노입자를 함유한 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경 문제와 고유가 문제에 직면하여 청정 대체에너지 개발에 대한 관심이 높아지면서 태양전지 개발에도 많은 연구가 이루어지고 있다. 태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 그 광활성층의 구성 물질에 따라 크게 무기물 태양전지와 유기물 태양전지로 구분할 수 있다. 무기물 태양전지 중 실리콘 태양전지는 다른 재료의 태양전지에 비해 상대적으로 높은 발전 효율을 바탕으로 널리 상용화되고 있으나, 정제된 실리콘이 고가이기 때문에 발전 단가가 비싸다는 문제가 있다. 또한, 유기물 태양전지 중 염료감응형 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 소재의 가격이 저렴하고 공정 과정이 간단하다는 장점이 있으나, 염료가 흡수하는 빛의 파장대가 좁아 발전 효율이 실리콘 태양전지에 비해 낮은 문제가 있다. 이에 실리콘 태양전지의 발전 효율을 더욱 높여 발전 단가를 낮추기 위한 방안으로는 실리콘 나노입자 또는 금속 나노입자를 도입하여 태양광의 흡수율을 높이는 방법이 있으며, 염료감응형 태양전지의 발전 단가를 낮추기 위한 방안으로는 다층의 염료층을 형성하거나 하나의 나노입자에 여러 종류의 염료를 부착하여 여러 파장대의 빛을 흡수하는 방법이 있다. 그러나, 실리콘 나노입자 또는 금속 나노입자를 사용하는 방법은 나노입자에 의한 빛의 산란과 회절, 그리고 표면 플라즈몬(surface plasmon) 효과를 이용한 것으로 나노입자가 직접 빛을 받아 발전을 하는 것이 아니어서, 발전 효율의 개선에는 한계가 있다. 또한, 다층의 염료층을 형성하는 방법은 염료가 부착된 나노입자를 소결하는 과정에서 고온의 열처리에 의해 기존의 염료층이 손상되는 문제가 있다. 한편, 하나의 나노입자에 여러 종류의 염료를 부착하는 방법은 염료가 나노입자 표면에 국부적으로 부착되는 문제가 있어 염료의 유효 면적 감소로 인해 발전 효율의 개선 효과를 상쇄시키는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 다양한 나노입자를 사용한 고효율의 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 고효율의 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지를 제공한다. 상기 태양전지는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하고 제1 반도체 나노입자 및 제1 전도성 고분자를 함유하는 제1 광활성층, 상기 제1 광활성층 상에 위치하는 그래핀층, 상기 그래핀층 상에 위치하고 제2 반도체 나노입자 및 제2 전도성 고분자를 함유하는 제2 광활성층 및 상기 제2 광활성층 상에 위치하는 제2 전극을 포함하며, 상기 제1 반도체 나노입자와 상기 제2 반도체 나노입자는 서로 다른 밴드갭을 갖는다.
이 경우, 상기 제1 반도체 나노입자 및 상기 제2 반도체 나노입자 중 빛의 입사면에 가까운 광활성층의 반도체 나노입자가 빛의 입사면에서 먼 광활성층의 반도체 나노입자보다 넓은 밴드갭을 갖도록 선택될 수 있다. 상기 제1 반도체 나노입자 및 상기 제2 반도체 나노입자는 예를 들어, MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, Cu2O, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2O3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, GeO2, SnO2, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, BP, Si 및 Ge 나노입자로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
또한, 상기 제1 반도체 나노입자 및 상기 제2 반도체 나노입자 중 적어도 어느 하나는 탄소나노튜브에 결합된 것일 수 있다.
상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 전도성 고분자는 서로에 관계없이 폴리아세틸렌계, 폴리아닐린계, 폴리피롤계, 폴리티오펜계, 폴리스티렌계, 폴리페닐렌비닐렌계 및 폴리비닐카바졸계 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 ITO, IZO, ZnO, Al-도핑된 ZnO(AZO), Ga-도핑된 ZnO(GZO), Mg-도핑된 ZnO(MZO), Mo-도핑된 ZnO, Al-도핑된 MgO 및 Ga-도핑된 MgO 중 어느 하나의 막일 수 있다.
상기 제2 전극은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 및 이들의 합금 중 어느 하나의 금속전극일 수 있다.
또한, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 그래핀, 탄소나노튜브, 풀러렌, 전도성 고분자 및 이들의 복합체 중 어느 하나의 유기물 전극일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법을 제공한다. 상기 방법은 제1 전극이 형성된 기판을 준비하는 단계, 상기 제1 전극 상에 제1 반도체 나노입자 및 제1 전도성 고분자를 함유하는 제1 광활성층을 형성하는 단계, 상기 제1 광활성층 상에 그래핀층을 형성하는 단계, 상기 그래핀층 상에 제2 반도체 나노입자 및 제2 전도성 고분자를 함유하는 제2 광활성층을 형성하는 단계 및 상기 제2 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제1 반도체 나노입자와 상기 제2 반도체 나노입자는 서로 다른 밴드갭을 갖는다.
이 경우, 상기 제1 반도체 나노입자 및 상기 제2 반도체 나노입자 중 빛의 입사면에 가까운 광활성층의 반도체 나노입자가 빛의 입사면에서 먼 광활성층의 반도체 나노입자보다 넓은 밴드갭을 갖도록 선택될 수 있다. 상기 제1 반도체 나노입자 및 상기 제2 반도체 나노입자는 예를 들어, MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, Cu2O, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2O3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, GeO2, SnO2, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, BP, Si 및 Ge 나노입자로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 광활성층들 각각을 형성하는 단계는 반도체 나노입자가 분산된 전도성 고분자 용액을 도포하는 단계 및 상기 용액의 용매를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 전도성 고분자는 서로에 관계없이 폴리아세틸렌계, 폴리아닐린계, 폴리피롤계, 폴리티오펜계, 폴리스티렌계, 폴리페닐렌비닐렌계 및 폴리비닐카바졸계 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 그래핀층을 형성하는 단계는 희생 금속층이 형성된 기판 상에 화학기상증착법을 이용하여 그래핀 박막을 형성하는 단계, 상기 금속층 및 기판을 식각하여 그래핀 박막을 선택적으로 분리하는 단계 및 상기 분리된 그래핀 박막을 제2 광활성층 상에 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 흡수하는 빛의 파장대가 다른 나노입자를 각각의 고분자 박막에 분산시키고 이를 적층함으로써 광활성층의 광흡수 대역을 확장할 수 있다. 특히, 빛의 입사면에 가까운 광활성층에 넓은 밴드갭을 갖는 반도체 나노입자를 배치하고, 빛의 입사면에서 먼 광활성층일수록 좁은 밴드갭을 갖는 나노입자를 배치함으로써 태양전지의 발열을 최대한 줄이고 광흡수율을 극대화할 수 있다. 한편, 광활성층의 적층 과정에서 발생할 수 있는 하부 광활성층의 침식은 광활성층 사이에 그래핀층을 삽입하여 방지할 수 있다. 또한, 그래핀층은 높은 전기 전도도를 가지므로 소자의 직렬 저항에 의한 전력 손실을 줄일 수 있으며, 높은 투명성을 가지므로 태양광의 입사량 손실을 최소화할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 광활성층을 갖는 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지를 나타낸 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3개의 광활성층을 갖는 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지를 나타낸 종단면도이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 2개의 광활성층을 갖는 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지의 각 구성을 나타낸 종단면도들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지의 개략적인 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 위치하고 제1 반도체 나노입자 및 제1 전도성 고분자를 함유하는 제1 광활성층, 상기 제1 광활성층 상에 위치하는 그래핀층, 상기 그래핀층 상에 위치하고 제2 반도체 나노입자 및 제2 전도성 고분자를 함유하는 제2 광활성층 및 상기 제2 광활성층 상에 위치하는 제2 전극을 포함하며, 상기 제1 반도체 나노입자와 상기 제2 반도체 나노입자는 서로 다른 밴드갭을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 광활성층을 갖는 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지를 나타낸 종단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지는 기판(100), 제1 전극(110), 제1 광활성층(120), 그래핀층(130), 제2 광활성층(140) 및 제2 전극(210)이 순차 적층된 구조를 포함할 수 있다. 그러나, 상기 기판(100)은 본 실시예에 따른 태양전지의 필수 구성요소는 아니며, 필요에 따라 제거될 수 있다.
상기 기판(100)은 태양전지를 지지하기 위해 사용되는 것으로 유리, 석영, Al2O3 및 SiC 등에서 선택된 광투과성 무기물 기판 또는 PET(polyethylene terephthlate), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate) 및 PAR(polyarylate) 등에서 선택된 광투과성 플라스틱 기판일 수 있다.
상기 제1 전극(110)은 상기 기판(100) 상에 위치하며, 기판(100)을 통과한 빛이 광활성층들(120, 140)에 도달하도록 광투과성 물질인 것이 바람직하다. 상기 제1 전극(110)은 낮은 저항을 갖는 전도성 물질로서, 그 상부에 위치한 광활성층(120, 140)에서 생성된 정공을 받아 외부 회로로 전달하는 양극의 역할을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 전극(110)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), ZnO(zinc oxide), Al-도핑된 ZnO(AZO), Ga-도핑된 ZnO(GZO), Mg-도핑된 ZnO(MZO), Mo-도핑된 ZnO, Al-도핑된 MgO 및 Ga-도핑된 MgO 중 어느 하나의 막일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 전극(210)은 상기 제2 광활성층(140) 상에 위치하며, 낮은 저항을 갖는 전도성 물질로서, 그 하부에 위치한 광활성층(120, 140)에서 생성된 전자를 받아 외부 회로로 전달하는 음극의 역할을 수행할 수 있다. 상기 제2 전극(210)은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 전극일 수 있다.
또한, 상기 제1 전극(110) 및 상기 제2 전극(210) 중 적어도 어느 하나는 그래핀, 탄소나노튜브, 풀러렌, 전도성 고분자 및 이들의 복합체 중 어느 하나의 유기물 전극일 수 있다. 특히, 제1 전극(110)을 유기물 전극으로 형성한 경우 가요성 플라스틱 기판 상에 태양전지를 형성하는 것이 가능하며, 제2 전극(210)을 광투과성 유기물 전극으로 형성한 경우 전지의 상부에서도 수광이 가능하다.
상기 그래핀(graphene)층(130)은 제1 광활성층(120)과 제2 광활성층(140) 사이에 개재되며, 제1 광활성층(120)에서 생성된 전자와 제2 광활성층(140)에서 생성된 정공을 받아 전하의 재결합 내지 전하의 수송을 담당하는 중간층으로서의 역할을 수행할 수 있다. 특히, 높은 전기 전도도를 갖는 그래핀층(130)은 소자의 내부 저항을 줄일 수 있으므로 적층 구조에서 발생하는 직렬 저항에 의한 전력 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.
상기 제1 광활성층(120)은 제1 반도체 나노입자(122) 및 제1 전도성 고분자(124)를 함유하는 박막일 수 있고, 상기 제2 광활성층(140)은 제2 반도체 나노입자(142) 및 제2 전도성 고분자(144)를 함유하는 박막일 수 있다. 즉, 상기 광활성층들(120, 140)은 전도성 고분자(124, 144) 매트릭스 및 상기 전도성 고분자(124, 144) 매트릭스 내에 분산된 반도체 나노입자(122, 142)를 포함한다.
상기 반도체 나노입자(122, 142)는 광활성층마다 서로 다른 밴드갭(에너지 금지대역)을 갖도록 선택되며, 바람직하게는 빛의 입사면에 가까이 위치하는 광활성층의 반도체 나노입자가 빛의 입사면에서 멀리 위치하는 광활성층의 반도체 나노입자보다 상대적으로 넓은 밴드갭을 갖도록 선택될 수 있다. 만일, 빛의 입사면에 가까운 광활성층의 나노입자가 좁은 밴드갭을 가져 긴 파장대의 빛의 흡수만으로도 전자-정공쌍을 형성할 수 있는 경우에는, 흡수된 짧은 파장대의 빛이 갖는 과잉의 광에너지가 열에너지로 전환될 수 있는 확률이 커지므로 열에 의해 태양전지의 수명이 단축될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 제1 광활성층(120)이 빛의 입사면에 가까운 경우 제1 광활성층(120)에 함유된 제1 반도체 나노입자(122)가 제2 광활성층(140)에 함유된 제2 반도체 나노입자(142)에 비해 넓은 밴드갭을 갖도록 구성할 수 있다. 이처럼, 광활성층들(120, 140)의 반도체 나노입자(122, 142)를 광활성층마다 다른 밴드갭을 갖도록 구성함으로써 광흡수 대역을 넓힐 수 있으며, 특히 빛의 입사면에 가까울수록 밴드갭이 넓어 흡광 파장이 짧은 나노입자를 배치함으로써 태양전지의 발열을 최대한 줄이고 광흡수율을 극대화할 수 있다. 상기 제1 반도체 나노입자(122) 및 상기 제2 반도체 나노입자(142)는 MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, Cu2O, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2O3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, GeO2, SnO2, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, BP, Si 및 Ge 나노입자로 이루어진 군에서 각각 선택될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 제1 반도체 나노입자(122) 및 상기 제2 반도체 나노입자(142) 중 적어도 어느 하나는 탄소나노튜브(carbon nanotube)에 결합된 형태로 광활성층 내에 존재할 수 있다. 상기 탄소나노튜브는 단일 벽면(single-wall) 탄소 나노튜브, 다중 벽면(multi-wall) 탄소 나노튜브 또는 이들의 조합물일 수 있다. 반도체 나노입자와 탄소나노튜브를 결합함으로써, 반도체 나노입자에서 생성된 전자-정공쌍의 분리 및 전자와 정공의 전달 효율을 개선시킬 수 있다.
상기 제1 전도성 고분자(124) 및 상기 제2 전도성 고분자(144)는 전기 전도도를 갖는 유기물로서, 서로에 관계없이 폴리아세틸렌계, 폴리아닐린계, 폴리피롤계, 폴리티오펜계, 폴리스티렌계, 폴리페닐렌비닐렌계 및 폴리비닐카바졸계 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 각 광활성층(120, 140)의 두께는 전지의 내부 저항을 최소화하기 위해 100 nm 이하로 형성함이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3개의 광활성층을 갖는 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지를 나타낸 종단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 적층형 유기- 무기 하이브리드 태양전지는 상기 도 1에서 도시된 구조를 모두 포함하며, 제2 광활성층(140)과 제2 전극(210) 사이에 개재되고 제2 광활성층(140) 상에 차례로 위치하는 그래핀층(150) 및 제3 광활성층(160)을 더 포함할 수 있다. 상기 그래핀층(150)은 제2 광활성층(140)에서 생성된 전자와 제3 광활성층(160)에서 생성된 정공을 받아 전하의 재결합 내지 전하의 수송을 담당하는 중간층으로서의 역할을 수행할 수 있으며, 그래핀층(150) 도입에 따른 효과는 상기 도 1을 참조하며 설명한 바와 같다.
상기 제3 광활성층(160)은 제3 반도체 나노입자(162) 및 제3 전도성 고분자(164)를 함유하는 박막일 수 있다. 즉, 상기 제3 광활성층(160)은 전도성 고분자(164) 매트릭스 및 상기 전도성 고분자(164) 매트릭스 내에 분산된 반도체 나노입자(162)를 포함한다.
상기 제3 반도체 나노입자(162)는 제1 반도체 나노입자(122) 및 제2 반도체 나노입자(142)와는 다른 밴드갭을 가지며, 만일 제1 광활성층(120)이 빛의 입사면에서 가장 가까운 경우에는 제1 반도체 나노입자(122)가 상대적으로 가장 넓은 밴드갭을 갖도록 하고, 제3 반도체 나노입자(162)가 상대적으로 가장 좁은 밴드갭을 갖도록 함이 바람직하다. 상기 제3 반도체 나노입자(162)는 MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, Cu2O, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2O3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, GeO2, SnO2, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, BP, Si 및 Ge 나노입자로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제3 전도성 고분자(164)는 폴리아세틸렌계, 폴리아닐린계, 폴리피롤계, 폴리티오펜계, 폴리스티렌계, 폴리페닐렌비닐렌계 및 폴리비닐카바졸계 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이처럼, 본 실시예에 따른 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지는 2 이상의 광활성층들이 그래핀 박막을 사이에 두고 적층된 구조를 가질 수 있으며, 광흡수 반도체 나노입자를 각각의 광활성층마다 다르게 구성(바람직하게는, 빛의 입사면에 가까운 광활성층일수록 상대적으로 넓은 밴드갭을 갖는 반도체 나노입자를 함유하고, 빛의 입사면에서 먼 광활성층일수록 상대적으로 좁은 밴드갭을 갖는 반도체 나노입자를 함유)함으로써 태양전지의 전체적인 광흡수율을 높일 수 있다. 다만, 광활성층의 수가 증가할수록 직렬 저항의 증가로 인해 전지 내부에서의 전력 손실이 증가할 수 있으므로 광활성층의 수는 5개 이하로 적층함이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지의 제조방법을 제공한다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 광활성층을 갖는 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지의 제조방법을 나타낸 종단면도들이다.
도 3을 참조하면, 제1 전극(110)이 형성된 기판(100)을 준비한다. 무기물 기판을 사용할 경우 ITO 등과 같은 무기물 투명 전극을 스퍼터링법 등에 의해 제조할 수 있으며, 플라스틱 기판을 사용할 경우 그래핀 박막이나 탄소나노튜브 박막을 기판 상에 적층하여 투명전극으로 제조할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 전극(110) 상에 제1 반도체 나노입자(122) 및 제1 전도성 고분자(124)를 함유하는 제1 광활성층(120)을 형성한다. 상기 제1 광활성층(120)을 형성하는 단계는 제1 반도체 나노입자(122)가 분산된 제1 전도성 고분자(124) 용액을 도포하는 단계 및 상기 용액의 용매를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 반도체 나노입자(122)가 분산된 제1 전도성 고분자(124) 용액을 도포하는 단계는 예를 들어, 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 드롭 코팅(drop coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating) 또는 스크린 프린팅(screen printing) 등의 용액 공정에 의해 수행할 수 있다. 상기 제1 전도성 고분자(124)는 폴리아세틸렌계, 폴리아닐린계, 폴리피롤계, 폴리티오펜계, 폴리스티렌계, 폴리페닐렌비닐렌계 및 폴리비닐카바졸계 화합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 광활성층(120) 상에 그래핀층(130)을 형성한다. 상기 그래핀층(130)을 형성하는 방법은 일 예로, 희생 금속층이 형성된 기판 상에 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)을 이용하여 그래핀 박막을 형성하는 단계, 상기 금속층 및 기판을 식각하여 그래핀 박막을 선택적으로 분리하는 단계 및 상기 분리된 그래핀 박막을 제1 광활성층(120) 상에 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 광활성층(120) 상에 배치된 그래핀 박막은 반데르발스(van der Waals) 힘에 의해 별도의 접착 물질 없이도 제1 광활성층(120)에 견고하게 부착될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 그래핀층(130) 상에 제2 반도체 나노입자(142) 및 제2 전도성 고분자(144)를 함유하는 제2 광활성층(140)을 형성한다. 상기 제2 전도성 고분자(144)는 폴리아세틸렌계, 폴리아닐린계, 폴리피롤계, 폴리티오펜계, 폴리스티렌계, 폴리페닐렌비닐렌계 및 폴리비닐카바졸계 화합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 광활성층(140)은 상기 도 4를 참조하며 설명한 제1 광활성층(120)을 형성하는 방법과 동일한 방법에 의해 형성할 수 있다.
또한, 그래핀은 강한 내화학성을 가지므로 그래핀층(130) 상부에 제2 광활성층(140)을 형성하는 과정에서, 제2 전도성 고분자(144) 용액의 용매에 의해 그래핀층(130) 하부에 형성되어 있는 제1 광활성층(120)이 화학적으로 침식되는 것을 막는 역할을 할 수 있다.
상기 제1 광활성층(120)의 제1 반도체 나노입자(122)와 상기 제2 광활성층(140)의 제2 반도체 나노입자(142)는 서로 다른 밴드갭을 갖도록 선택되며, 바람직하게는 빛의 입사면에 가까이 위치하는 광활성층의 반도체 나노입자가 빛의 입사면에서 멀리 위치하는 광활성층의 반도체 나노입자보다 상대적으로 넓은 밴드갭을 갖도록 선택될 수 있다. 상기 제1 반도체 나노입자(122) 및 상기 제2 반도체 나노입자(142)는 MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, Cu2O, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2O3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, GeO2, SnO2, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, BP, Si 및 Ge 나노입자로 이루어진 군에서 각각 선택될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 제2 광활성층(140) 상에 제2 전극(210)을 형성한다. 상기 제2 전극(210)이 금속 전극인 경우 열기상증착, 전자빔증착, 스퍼터링 또는 화학적 증착에 의해 형성하거나, 금속을 포함한 전극 형성용 페이스트를 도포한 후 열처리하여 형성할 수 있다. 또한, 유기물 전극의 경우 그래핀이나 탄소나노튜브 등과 같은 유기물을 적절한 방법에 의해 제2 광활성층(140) 상에 적층함으로써 투명전극으로 형성할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법은 상기 제2 광활성층(140)을 형성한 후 제2 전극(210)을 형성하기 전에, 상기 제2 광활성층(140) 상에 그래핀층(150)을 형성하는 단계 및 상기 그래핀층(150) 상에 제3 반도체 나노입자(162) 및 제3 전도성 고분자(164)를 함유하는 제3 광활성층(160)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 추가 적층되는 그래핀층(150)은 상기 도 5를 참조하며 설명한 방법과 동일한 방법에 의해 형성할 수 있다.
상기 제3 반도체 나노입자(162)는 상기 제1 반도체 나노입자(122) 및 상기 제2 반도체 나노입자(142)와는 다른 밴드갭을 가지며, 만일 제1 광활성층(120)이 빛의 입사면에서 가장 가까운 경우에는 제1 반도체 나노입자(122)가 상대적으로 가장 넓은 밴드갭을 갖도록 하고, 제3 반도체 나노입자(162)가 상대적으로 가장 좁은 밴드갭을 갖도록 함이 바람직하다. 상기 제3 광활성층(160)은 상기 도 4를 참조하며 설명한 제1 광활성층(120)을 형성하는 방법과 동일한 방법에 의해 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지의 개략적인 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 것이다.
본 예에서의 태양전지는 투명기판(미도시) 상에 순차 적층된 투명전극(110), 제1 광활성층(120), 그래핀층(130), 제2 광활성층(140) 및 금속전극(210)으로 이루어진다. 상기 제1 광활성층(120)은 밴드갭이 넓어 흡광 파장이 짧은 제1 반도체 나노입자가 분산되어 있는 전도성 고분자 박막으로 이루어지며, 상기 제2 광활성층(140)은 상대적으로 밴드갭이 좁아 흡광 파장이 긴 제2 반도체 나노입자가 분산되어 있는 전도성 고분자 박막으로 이루어진다.
도 8에 도시된 바와 같이, 투명기판 및 투명전극(110)을 통해 입사된 태양광 중 상대적으로 단파장의 빛은 먼저 제1 광활성층(120)의 제1 반도체 나노입자에 의해 흡수되어 전자-정공쌍을 형성한다. 또한, 제1 반도체 나노입자에 의해 흡수되지 않은 장파장의 빛은 제2 광활성층(140)의 제2 반도체 나노입자에 의해 흡수되어 전자-정공쌍을 형성한다. 생성된 전자-정공쌍은 양 전극의 일함수 차이에 의해 분리 이동되며 전도성 고분자 박막을 거쳐 각 전극 방향으로 이동된다. 이 경우, 상대적으로 일함수가 작은 전극(예를 들어, 금속전극(210))으로 전자가 이동하며, 상대적으로 일함수가 큰 전극(예를 들어, 투명전극(110))으로 정공이 이동한다. 전자와 정공의 이동에 있어서, 그래핀층(130)은 제1 광활성층(120)에서 생성된 전자와 제2 광활성층(140)에서 생성된 정공을 받아 전하의 재결합 내지 전하의 수송을 담당하는 중간층으로서의 역할을 수행하게 된다.
한편, 3층 이상의 광활성층을 갖는 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지의 경우에도 상술한 메커니즘과 동일한 메커니즘에 의해 광발전을 할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지의 제조>
가. ITO 전극 상에 제1 광활성층 형성
유리 기판 상 증착된 ITO 전극 위에 ZnO 나노입자가 분산되어 있는 PVK(폴리비닐카바졸) 용액을 1000 ~ 2000 rpm의 속도로 10 ~ 20초 동안 스핀 코팅하여 도포하였다. 다음, 오븐 또는 핫플레이트 (hot-plate)에서 30분 동안 열을 가해 용매를 증발시켜 제1 광활성층을 형성하였다.
나. 제1 광활성층 상에 그래핀층 형성
SiO2 기판을 아세톤과 에탄올로 초음파 처리한 후, 탈이온수를 이용하여 세척하였다. 세척한 기판을 N2 가스로 건조시키고 SiO2 기판 위에 Ni 박막을 200 nm 이상의 두께로 열증착하였다. 다음, Ni이 증착된 SiO2 기판을 화학기상증착 (Chemical Vapor Deposition; CVD)을 위해 챔버 안에 넣고 진공 상태를 만든 후, 수소와 아르곤이 1:4 로 혼합된 가스를 채워 상압 상태로 만들었다. 상압을 유지한 상태로 800℃까지 온도를 높인 후, CH4 가스(50 sccm) 및 수소-아르곤 혼합 가스(200 sccm)를 30초 동안 흘려주고 -10℃/sec로 상온까지 냉각하였다. 이 과정을 통해 Ni 위에 그래핀이 성장하였다.
상기 그래핀이 성장된 SiO2 기판을 HF 용액에 넣어 SiO2를 식각한 다음, 다시 TFG 용액에 넣어 Ni을 식각하여 최종적으로 그래핀 박막만을 추출하였다. 다음, 제1 광활성층 위에 상기 그래핀 박막을 올려 그래핀층을 형성하였다.
다. 그래핀층 상에 제2 광활성층 형성
그래핀층 상에 Cu2O 나노입자가 분산되어 있는 PVK 용액을 1000 ~ 2000 rpm의 속도로 10 ~ 20초 동안 스핀 코팅하여 도포하였다. 다음, 오븐 또는 핫플레이트 에서 30분 동안 열을 가해 용매를 증발시켜 제2 광활성층을 형성하였다.
라. 제2 광활성층 상에 Al 전극 형성
제2 광활성층 상에 열증착기(thermal evaporator)를 이용하여 Al을 200~300 nm의 두께로 증착시켜 Al 전극을 형성하였다.
최종적으로 ITO 전극과 Al 전극에 외부 회로를 연결하여 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지를 제조하였다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (14)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 위치하고, 제1 반도체 나노입자 및 제1 전도성 고분자를 함유하는 제1 광활성층;
    상기 제1 광활성층 상에 위치하는 그래핀층;
    상기 그래핀층 상에 위치하고, 제2 반도체 나노입자 및 제2 전도성 고분자를 함유하는 제2 광활성층; 및
    상기 제2 광활성층 상에 위치하는 제2 전극을 포함하며,
    상기 제1 반도체 나노입자와 상기 제2 반도체 나노입자는 서로 다른 밴드갭을 갖는 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체 나노입자 및 상기 제2 반도체 나노입자 중 빛의 입사면에 가까운 광활성층의 반도체 나노입자가 빛의 입사면에서 먼 광활성층의 반도체 나노입자보다 넓은 밴드갭을 갖는 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체 나노입자 및 상기 제2 반도체 나노입자는 MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, Cu2O, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2O3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, GeO2, SnO2, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, BP, Si 및 Ge 나노입자로 이루어진 군에서 선택되는 것인 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체 나노입자 및 상기 제2 반도체 나노입자 중 적어도 어느 하나는 탄소나노튜브에 결합된 것인 적층형 유기-하이브리드 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 전도성 고분자는 서로에 관계없이 폴리아세틸렌계, 폴리아닐린계, 폴리피롤계, 폴리티오펜계, 폴리스티렌계, 폴리페닐렌비닐렌계 및 폴리비닐카바졸계 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것인 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 ITO, IZO, ZnO, Al-도핑된 ZnO(AZO), Ga-도핑된 ZnO(GZO), Mg-도핑된 ZnO(MZO), Mo-도핑된 ZnO, Al-도핑된 MgO 및 Ga-도핑된 MgO 중 어느 하나의 막인 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 및 이들의 합금 중 어느 하나의 금속전극인 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 그래핀, 탄소나노튜브, 풀러렌, 전도성 고분자 및 이들의 복합체 중 어느 하나의 유기물 전극인 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지.
  9. 제1 전극이 형성된 기판을 준비하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 제1 반도체 나노입자 및 제1 전도성 고분자를 함유하는 제1 광활성층을 형성하는 단계;
    상기 제1 광활성층 상에 그래핀층을 형성하는 단계;
    상기 그래핀층 상에 제2 반도체 나노입자 및 제2 전도성 고분자를 함유하는 제2 광활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 반도체 나노입자와 상기 제2 반도체 나노입자는 서로 다른 밴드갭을 갖는 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 반도체 나노입자 및 상기 제2 반도체 나노입자 중 빛의 입사면에 가까운 광활성층의 반도체 나노입자가 빛의 입사면에서 먼 광활성층의 반도체 나노입자보다 넓은 밴드갭을 갖는 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 반도체 나노입자 및 상기 제2 반도체 나노입자는 MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTe, ZnO, Cu2O, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2O3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, GeO2, SnO2, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, BP, Si 및 Ge 나노입자로 이루어진 군에서 선택되는 것인 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 광활성층들 각각을 형성하는 단계는
    반도체 나노입자가 분산된 전도성 고분자 용액을 도포하는 단계; 및
    상기 용액의 용매를 제거하는 단계를 포함하는 것인 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 전도성 고분자는 서로에 관계없이 폴리아세틸렌계, 폴리아닐린계, 폴리피롤계, 폴리티오펜계, 폴리스티렌계, 폴리페닐렌비닐렌계 및 폴리비닐카바졸계 화합물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것인 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 그래핀층을 형성하는 단계는
    희생 금속층이 형성된 기판 상에 화학기상증착법을 이용하여 그래핀 박막을 형성하는 단계;
    상기 금속층 및 기판을 식각하여 그래핀 박막을 선택적으로 분리하는 단계; 및
    상기 분리된 그래핀 박막을 제2 광활성층 상에 배치하는 단계를 포함하는 것인 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 제조방법.
PCT/KR2011/000342 2010-01-19 2011-01-18 다양한 종류의 나노입자를 함유한 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법 WO2011090300A2 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2010-0004875 2010-01-19
KR1020100004875A KR101139577B1 (ko) 2010-01-19 2010-01-19 다양한 종류의 나노입자를 함유한 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2011090300A2 true WO2011090300A2 (ko) 2011-07-28
WO2011090300A3 WO2011090300A3 (ko) 2011-11-10

Family

ID=44307378

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2011/000342 WO2011090300A2 (ko) 2010-01-19 2011-01-18 다양한 종류의 나노입자를 함유한 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101139577B1 (ko)
WO (1) WO2011090300A2 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013022405A1 (en) * 2011-08-11 2013-02-14 National University Of Singapore Tandem solar cell with graphene interlayer and method of making
US20140166090A1 (en) * 2011-08-24 2014-06-19 Murata Manufacturing Co., Ltd. Solar cell and method for producing solar cell
CN104465867A (zh) * 2014-11-21 2015-03-25 广西智通节能环保科技有限公司 一种新型太阳能电池的制作方法
CN104465869A (zh) * 2014-11-21 2015-03-25 广西智通节能环保科技有限公司 一种硅太阳能电池的制作方法
CN108140734A (zh) * 2015-07-29 2018-06-08 阿尔斯特大学 光伏装置
KR101976673B1 (ko) * 2017-12-19 2019-05-10 한국에너지기술연구원 실리콘 태양전지

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101339441B1 (ko) * 2011-10-31 2013-12-06 성균관대학교산학협력단 전해증착을 통한 그래핀과 전도성고분자의 다층구조 복합체 및 이의 제조 방법
KR101282041B1 (ko) * 2011-10-31 2013-07-04 한국화학연구원 고효율 무／유기 이종접합 무기반도체 감응형 광전소자 및 그 제조방법
KR101349505B1 (ko) * 2011-12-19 2014-01-10 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
KR101975852B1 (ko) * 2012-04-14 2019-05-07 세종대학교산학협력단 적층체, 그를 포함하는 전자소자 및 그 제조방법
WO2013176493A1 (ko) * 2012-05-25 2013-11-28 한국생산기술연구원 그래핀 코팅된 탄소나노웹을 구비한 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법
KR101480779B1 (ko) * 2012-05-25 2015-01-12 한국생산기술연구원 그래핀 코팅된 탄소나노웹을 구비한 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법
KR101316096B1 (ko) * 2012-05-31 2013-10-11 한국기계연구원 중간층이 삽입된 유·무기 복합 탠덤 태양전지 및 이의 제조방법
KR101989155B1 (ko) * 2012-08-01 2019-06-17 삼성전자주식회사 초음파 변환기, 이를 포함하는 초음파 발생 장치 및 시스템
KR101437070B1 (ko) * 2013-02-15 2014-09-02 서울시립대학교 산학협력단 광기전력 소자
KR101659119B1 (ko) * 2013-05-14 2016-09-22 동의대학교 산학협력단 태양전지의 광활성층 및 이의 제조 방법
KR101489217B1 (ko) * 2013-10-01 2015-02-04 서울시립대학교 산학협력단 유무기 복합 발광소자와 그 제조방법 및 유무기 복합 태양전지
KR102065110B1 (ko) 2013-11-12 2020-02-11 삼성전자주식회사 플렉서블 그래핀 스위칭 소자
RU196426U1 (ru) * 2019-12-27 2020-02-28 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Прозрачный гетеропереход на основе оксидов

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080006324A1 (en) * 2005-07-14 2008-01-10 Konarka Technologies, Inc. Tandem Photovoltaic Cells
US20080116536A1 (en) * 2006-11-20 2008-05-22 Forrest Stephen R Organic hybrid planar-nanocrystalline bulk heterojunctions
US20090211633A1 (en) * 2008-02-21 2009-08-27 Konarka Technologies Inc. Tandem Photovoltaic Cells

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080006324A1 (en) * 2005-07-14 2008-01-10 Konarka Technologies, Inc. Tandem Photovoltaic Cells
US20080116536A1 (en) * 2006-11-20 2008-05-22 Forrest Stephen R Organic hybrid planar-nanocrystalline bulk heterojunctions
US20090211633A1 (en) * 2008-02-21 2009-08-27 Konarka Technologies Inc. Tandem Photovoltaic Cells

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HONGWEI, Z. ET AL.: 'Applications of carbon materials in photovoltaic solar cells' SOLAR ENERGY MATERIALS & SOLAR CELLS vol. 93, 09 May 2009, pages 1461 - 1470 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013022405A1 (en) * 2011-08-11 2013-02-14 National University Of Singapore Tandem solar cell with graphene interlayer and method of making
US20140190550A1 (en) * 2011-08-11 2014-07-10 National University Of Singapore Tandem solar cell with graphene interlayer and method of making
US20140166090A1 (en) * 2011-08-24 2014-06-19 Murata Manufacturing Co., Ltd. Solar cell and method for producing solar cell
US9496434B2 (en) * 2011-08-24 2016-11-15 Murata Manufacturing Co., Ltd. Solar cell and method for producing solar cell
CN104465867A (zh) * 2014-11-21 2015-03-25 广西智通节能环保科技有限公司 一种新型太阳能电池的制作方法
CN104465869A (zh) * 2014-11-21 2015-03-25 广西智通节能环保科技有限公司 一种硅太阳能电池的制作方法
CN108140734A (zh) * 2015-07-29 2018-06-08 阿尔斯特大学 光伏装置
CN108140734B (zh) * 2015-07-29 2022-02-01 阿尔斯特大学 光伏装置
KR101976673B1 (ko) * 2017-12-19 2019-05-10 한국에너지기술연구원 실리콘 태양전지

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011090300A3 (ko) 2011-11-10
KR20110085216A (ko) 2011-07-27
KR101139577B1 (ko) 2012-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2011090300A2 (ko) 다양한 종류의 나노입자를 함유한 적층형 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법
WO2011090336A2 (ko) 전기장 향상 효과에 의하여 개선된 광전환 효율을 나타내는 태양전지
US20150228919A1 (en) Organic photovoltaic cell and method for manufacturing the same
US20080142079A1 (en) Photovoltaic cell
WO2014200312A1 (ko) 유기태양전지 및 이의 제조방법
US8907207B2 (en) Solar cell module
WO2013012271A2 (ko) 태양전지용 광흡수층의 제조방법, 광흡수층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법
WO2011062457A2 (ko) 유기-무기 하이브리드 태양전지 및 그 제조방법
WO2012115392A2 (ko) 양면 구조를 가지는 태양전지 및 이의 제조방법
WO2012002723A2 (ko) 투명 전도성막, 이의 제조 방법, 및 이를 이용한 투명전극 및 소자
JP5699524B2 (ja) 有機光電変換素子および太陽電池
US20090255585A1 (en) Flexible photovoltaic device
WO2013147517A1 (en) Solar cell and method of fabricating the same
WO2010107261A2 (ko) 태양 전지 및 그 제조 방법
WO2021107184A1 (ko) 일체형 탠덤 태양전지 및 그 제조방법
JP2012099592A (ja) 有機光電変換素子、太陽電池およびその製造方法
WO2010110590A2 (ko) 태양 전지 및 그 제조 방법
WO2010147392A2 (en) Solar cell and method of fabricating the same
WO2012015286A2 (ko) 태양광 발전장치 및 이의 제조방법
WO2017111030A1 (ja) 光電変換素子及び太陽電池モジュール
WO2013058521A1 (en) Solar cell and method of fabricating the same
WO2013002517A2 (ko) 무기반도체 감응형 광전소자 및 그 제조방법
JP2012109365A (ja) 有機光電変換素子および太陽電池
JP5582042B2 (ja) 有機光電変換素子および太陽電池
KR101206758B1 (ko) 이종 적층형 박막 태양전지 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11734849

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11734849

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2