WO2015167230A1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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WO2015167230A1
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electrode
buffer layer
metal
solar cell
present specification
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방지원
이재철
이행근
김진석
장송림
최두환
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LG Chem Ltd
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
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    • 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
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present specification relates to a solar cell and a method of manufacturing the same.
  • the main energy sources currently used are oil, coal and gas. This represents 80% of the total energy source used.
  • the current depletion of petroleum and coal energy is becoming a serious problem, and the increasing emissions of carbon dioxide and other greenhouse gases into the air are causing serious problems.
  • the use of renewable energy, pollution-free green energy is still only about 2% of the total energy source. Therefore, the worries for solving the problem of the energy source is accelerating the research on new and renewable energy development.
  • renewable energy such as wind, water and sun
  • solar energy the most attention is solar energy. Solar cells using solar energy are expected to be an energy source that can solve future energy problems due to low pollution, infinite resources and a semi-permanent lifetime.
  • Solar cells are devices that can directly convert solar energy into electrical energy by applying the photovoltaic effect.
  • Solar cells can be divided into inorganic solar cells and organic solar cells according to the material constituting the thin film.
  • Typical solar cells are made of p-n junctions by doping crystalline silicon (Si), an inorganic semiconductor. Electrons and holes generated by absorbing light diffuse to the p-n junction and are accelerated by the electric field to move to the electrode.
  • the power conversion efficiency of this process is defined as the ratio of the power given to the external circuits and the solar power entered into the solar cell, and is now up to 24% when measured under standardized virtual solar irradiation conditions.
  • the conventional inorganic solar cell has already shown a limit in the economic and material supply and demand, organic solar cells with easy processing, low cost and various functionalities are spotlighted as long-term alternative energy sources.
  • the organic solar cell has the advantage that the monomolecular organic material or the polymer material used is easy, fast and inexpensive and large area process is possible.
  • the organic solar cell has a disadvantage of low energy conversion efficiency. Therefore, efficiency improvement is very important to secure competitiveness with other solar cells at this time.
  • the present specification provides a solar cell and a method of manufacturing the same that can improve current density and charge rate.
  • An exemplary embodiment of the present specification includes a first electrode; Second electrode; A photoactive layer provided between the first electrode and the second electrode; And
  • An electrode buffer layer disposed between the first electrode and the photoactive layer, wherein the electrode buffer layer includes a matrix including a metal oxide and one or more metal particles, and the metal particles are provided in direct contact with the matrix.
  • One embodiment of the present specification comprises the steps of preparing a preparation 1 electrode; menstruum; Metal oxide precursors; And preparing a solution comprising a metal salt; Coating the solution on the first electrode and then performing heat treatment to form an electrode buffer layer; Forming a photoactive layer on the electrode buffer layer; And forming a second electrode on the photoactive layer, wherein the electrode buffer layer comprises a matrix including a metal oxide and one or more metal particles, wherein the metal particles are provided in direct contact with the matrix.
  • the electrode buffer layer comprises a matrix including a metal oxide and one or more metal particles, wherein the metal particles are provided in direct contact with the matrix.
  • the metal particles in the electrode buffer layer have an advantage of being uniformly dispersed without a phase separation phenomenon with the matrix.
  • the electrode buffer layer suppresses recombination of electrons and holes at a low built in potential due to high electron conductivity, so that the current density and fill rate of the solar cell factor: FF).
  • the electrode buffer layer may achieve high light conversion efficiency by condensing light having a wavelength in the visible light region with the photoactive layer.
  • the electrode buffer layer can be formed by a simple method to achieve a reduction in process time and process cost.
  • FIG. 1 illustrates a schematic diagram of a solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification.
  • FIG 2 shows the optical characteristics of the electrode buffer layer prepared according to the embodiment.
  • Figure 3 shows the current density according to the voltage of the solar cell according to the embodiment and the comparative example.
  • An exemplary embodiment of the present specification includes a first electrode; Second electrode; A photoactive layer provided between the first electrode and the second electrode; And an electrode buffer layer provided between the first electrode and the photoactive layer, the electrode buffer layer comprising a matrix comprising a metal oxide and one or more metal particles, wherein the metal particles are provided in direct contact with the matrix.
  • a battery Provide a battery.
  • the electrode buffer layer forms a stable structure by forming a continuous phase structure in which a matrix including metal oxide and metal particles are not phase separated. Further, the metal particles in the electrode buffer layer are uniformly dispersed in the matrix, and have uniform light transmittance and uniform electrical conductivity. In addition, since the electrode buffer layer is uniformly dispersed in the matrix without agglomeration of metal particles, the shape of the electrode buffer layer may be kept constant. Therefore, another member provided on the electrode buffer layer can be easily formed.
  • the metal particles may not be combined with an additive for dispersing the metal particles on the surface.
  • the metal particles may not include a surfactant on the surface.
  • the metal particles may not be bonded to a ligand on the surface of the metal particles.
  • the metal particles may be made of a metal derived from a metal salt.
  • the matrix may mean a layer in which the metal particles may be provided. Specifically, the matrix may mean a layer in which the metal particles may be embedded. In addition, the matrix may be made of a metal oxide. That is, the matrix may be a metal oxide matrix.
  • the metal oxide matrix as the electrode buffer layer has an advantage of excellent electrical conductivity and excellent stability since the metal oxide forms a crystal structure. On the contrary, in the case of the polymer matrix, the stability is greatly reduced, and electrical conductivity is also low.
  • the present inventors have prepared a buffer layer by coating a surfactant on the surface of the metal particles so that the metal particles can be uniformly dispersed in the electrode buffer layer in the buffer layer, but the electrical conductivity of the electrode buffer layer is lowered by the surfactant. Found.
  • the present inventors have attempted to increase the dispersibility of the metal particles in the buffer layer by bonding a substituent to the surface ligand of the metal particles, but in the case of the metal particles to which the substituent is bonded, the electrical conductivity is lowered, and the dispersibility is not greatly improved. there was.
  • the present inventors add a metal salt to a solution containing a metal oxide precursor for forming a buffer layer, so that the metal particles can be uniformly dispersed in the electrode buffer layer, and then the metal in the matrix containing the metal oxide through a heat treatment method.
  • a method of growing particles has been developed.
  • the metal particles may provide high electrical conductivity to the electrode buffer layer. Furthermore, since the metal particles are not gasified and included in the matrix precursor solution, that is, the solution including the metal oxide precursor, the metal particles may be evenly dispersed in the buffer layer.
  • the electrode buffer layer may include anion or negative atomic group ions at a concentration of 50 ppm or more and 500000 ppm or less with respect to the electrode buffer layer.
  • the anion or negative atomic group ion may be a residual anion or negative atomic group ion derived from a metal salt for forming the metal particles.
  • the atomic ions of the anion or negative is Cl -, No 3 -, I -, F -, Br - , and (C 2 H 7 O 2) - may be at least one of.
  • the content of the metal particles may be 0.005% by volume or more and 50% by volume or less with respect to the total volume of the electrode buffer layer.
  • the average particle diameter of the metal particles may be 1 nm or more and 5 ⁇ m or less.
  • the particle diameter may mean the size of the metal particles, and may mean the maximum length passing through the inside of the metal particles.
  • the shape of the metal particles may be in the form of a sphere, plate, rod, or prism.
  • the spherical shape means having a spherical shape as a whole, and does not necessarily mean a perfect spherical shape.
  • the plate shape may mean that the thickness is smaller than the maximum diameter of the particles, the maximum diameter of the particles may mean the maximum diameter based on the widest surface of the plate-shaped particles.
  • the rod form includes rod and wire forms, and may include all forms having an aspect ratio of more than one.
  • the prism shape means a shape having a triangle in cross section, and may include all shapes such as a triangular pyramid and a triangular pyramid.
  • the thickness of the electrode buffer layer may be 1 nm or more and 10 ⁇ m or less. Specifically, according to the exemplary embodiment of the present specification, the thickness of the electrode buffer layer may be 1 nm or more and 200 nm or less.
  • the electrode buffer layer may be provided in physical contact with the first electrode.
  • an additional layer may be provided between the electrode buffer layer and the first electrode.
  • FIG. 1 illustrates a schematic diagram of a solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification. Specifically, FIG. 1 illustrates that the electrode buffer layer 301, the photoactive layer 401, and the anode 201 are sequentially stacked on the cathode 101. According to one embodiment of the present specification, it is not limited to the structure of FIG. 1, and an additional member may be further included to form a solar cell.
  • the electrode buffer layer includes metal particles, and has excellent electrical conductivity. Therefore, by the buffer layer of the electrode, the solar cell can suppress the recombination of electrons and holes at a low built in potential, and the current density and the fill factor (FF) of the solar cell can be improved. .
  • the solar cell may achieve high light conversion efficiency.
  • the solar cell further includes a substrate, the first electrode may be provided on the substrate, and the first electrode may be a cathode.
  • the solar cell may be an inverted solar cell.
  • the first electrode is a transparent electrode
  • the solar cell may absorb light via the first electrode.
  • the first electrode may be provided on a transparent substrate.
  • the maximum condensing wavelength of the electrode buffer layer may be included in the light absorption wavelength band of the photoactive layer.
  • the metal particles included in the electrode buffer layer have an effect of condensing light of a specific wavelength band due to the surface plasmon resonance effect. Therefore, the light conversion efficiency of the photoactive layer may be increased by including metal particles capable of collecting light in the wavelength band absorbed by the photoactive layer in the electrode buffer layer.
  • the metal particles may include one or more metals selected from the group consisting of Ag, Au, Al, Pt, W, and Cu. Specifically, according to one embodiment of the present specification, the metal particles may include Ag.
  • the maximum condensing wavelength of the buffer layer may be 400 nm or more and 1,000 nm or less.
  • the metal oxide is titanium oxide (TiO x ); Zinc oxide (ZnO); It may include one or more selected from the group consisting of molybdenum oxide (MoO 3 ) and cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ).
  • the electrode buffer layer may be a cathode buffer layer including metal particles in a matrix including ZnO.
  • An exemplary embodiment of the present specification provides a method of manufacturing the solar cell.
  • One embodiment of the present specification comprises the steps of preparing a first electrode; menstruum; Metal oxide precursors; And preparing a solution comprising a metal salt; Coating the solution on the first electrode and then performing heat treatment to form an electrode buffer layer; Forming a photoactive layer on the electrode buffer layer; And forming a second electrode on the photoactive layer, wherein the electrode buffer layer comprises a matrix including a metal oxide and one or more metal particles, wherein the metal particles are provided in direct contact with the matrix.
  • the electrode buffer layer comprises a matrix including a metal oxide and one or more metal particles, wherein the metal particles are provided in direct contact with the matrix.
  • the metal salt is reduced in the solution to grow into metal particles, and at the same time, a matrix may be formed.
  • an electrode buffer layer free of impurities such as a reducing agent, a surfactant, and a substituent may be formed, and the metal particles may be uniformly distributed in the matrix without aggregation.
  • the metal salt may include at least one selected from the group consisting of Ag metal salt, Au metal salt, Al metal salt, Cu metal salt, W metal salt and Pt metal salt.
  • the Ag metal salt may include one or more selected from the group consisting of AgCl, AgNO 3 and AgI.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the Au metal salt may include one or more selected from the group consisting of HAuCl 4 , AuCl and AuCl 3 .
  • the present invention is not limited thereto.
  • the Cu metal salt may include one or more selected from the group consisting of CuI, CuF 3 and CuNO 3 .
  • the present invention is not limited thereto.
  • the Pt metal salt may include one or more selected from the group consisting of PtCl 2 , PtCl 4 , PtBr 2, and Pt (C 5 H 7 O 2 ) 2 .
  • the present invention is not limited thereto.
  • the solvent may be used without limitation so long as it is a solvent capable of dissolving the metal salt.
  • the solvent may be a water-soluble solvent or an organic solvent.
  • the content of the metal oxide precursor may be 0.1 wt% or more and 50 wt% or less with respect to the solution. Specifically, the content of the metal oxide precursor may be 0.5 wt% or more and 10 wt% or less with respect to the solution.
  • the content of the metal oxide precursor is 0.1 wt% or less, voids may exist on the metal oxide film, and when the content of the metal oxide precursor is 50 wt% or more, a metal oxide thin film having a non-uniform thickness may be formed. have.
  • the metal oxide precursor may include at least one or more of zinc salts, titanium salts, and molybdenum salts.
  • the metal oxide precursor is zinc acetate, titanium isopropoxide, or bis (2,4-pentanedionate) molybdenum (VI).
  • Dioxide Bis (2,4-pentanedionato) molybdenum (VI) Dioxide
  • VI Dioxide
  • the content of the metal salt may be 0.0001 wt% or more and 10 wt% or less with respect to the solution. Specifically, the content of the metal salt may be 0.001% by weight or more and 10% by weight or less with respect to the solution.
  • the metal salts When the content of the metal salt is less than 0.0001% by weight, the metal salts do not aggregate and it is difficult to form the metal nanoparticles, and when the content of the metal salt is 10% by weight or more, a metal electrode is formed in the metal oxide buffer layer to short the device. This can happen.
  • the forming of the electrode buffer layer may include applying the solution to a thickness of 1 nm or more and 1 ⁇ m or less.
  • the forming of the electrode buffer layer may include applying the solution to a thickness of 1 nm or more and 200 nm or less.
  • the heat treatment may be performed at a temperature of 50 ° C. or more and 400 ° C. or less. Specifically, the heat treatment may be performed at a temperature of more than 80 °C 200 °C. When the heat treatment is 80 °C or less, it is difficult to form the metal nanoparticles, the metal nanoparticles may be oxidized above 200 °C may inhibit the characteristics of the metal nanoparticles.
  • the solar cell may further include a substrate.
  • the substrate may be provided under the first electrode.
  • the substrate may use a substrate having excellent transparency, surface smoothness, ease of handling, and waterproofness.
  • a glass substrate, a thin film glass substrate, or a transparent plastic substrate may be used.
  • the plastic substrate may include a film such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyether ether ketone (PEEK), and polyimide (PI) in the form of a single layer or a multilayer.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PEEK polyether ether ketone
  • PI polyimide
  • the substrate is not limited thereto, and a substrate commonly used in solar cells may be used.
  • the first electrode may be an anode, and the second electrode may be a cathode.
  • the first electrode may be a cathode, and the second electrode may be an anode.
  • the first electrode may be a transparent electrode.
  • the first electrode When the first electrode is a transparent electrode, the first electrode may be a conductive oxide such as tin indium oxide (ITO) or zinc indium oxide (IZO). Furthermore, the first electrode may be a translucent electrode. When the first electrode is a translucent electrode, it may be made of a translucent metal such as Ag, Au, Mg, Ca or an alloy thereof. When the translucent metal is used as the first electrode, the solar cell may have a microcavity structure.
  • the electrode of the present specification is a transparent conductive oxide layer
  • the electrode is in addition to glass and quartz plate, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthelate (PEN), polyperopylene (PP), polyimide (PI), polycarbonate (PC), PS ( conductive on flexible and transparent materials such as polystylene, POM (polyoxyethlene), AS resin (acrylonitrile styrene copolymer), ABS resin (acrylonitrile butadiene styrene copolymer) and plastics including TAC (Triacetyl cellulose), PAR (polyarylate), etc. Doped materials may be used.
  • ITO indium tin oxide
  • FTO fluorine doped tin oxide
  • AZO aluminum doped zink oxide
  • IZO indium zink oxide
  • ZnO-Ga 2 O 3 ZnO-Al 2 O 3 and antimony tin oxide (ATO)
  • ATO antimony tin oxide
  • the forming of the transparent electrode may sequentially wash the patterned ITO substrate with a detergent, acetone, and isopropanol (IPA), and then, in the heating plate, at a temperature of 100 to 250 ° C. for 1 to 30 ° C.
  • the surface of the substrate can be modified to be hydrophilic if it is dried for 10 minutes, specifically at 250 ° C. for 10 minutes and the substrate is thoroughly cleaned.
  • Pretreatment techniques for this are a) surface oxidation using parallel planar discharge, b) oxidation of the surface through ozone generated using UV ultraviolet light in a vacuum state, and c) oxygen radicals generated by plasma. To oxidize.
  • the bonding surface potential can be maintained at a level suitable for the surface potential of the hole injection layer, the formation of the polymer thin film on the ITO substrate can be facilitated, and the quality of the thin film can be improved.
  • One of the above methods is selected according to the state of the substrate. In any of these methods, the effective effect of pretreatment can be expected by preventing oxygen escape from the surface of the substrate and restraining the remaining of moisture and organic matter as much as possible.
  • the surface modification method of the patterned ITO substrate in this invention does not need to specifically limit, Any method may be used as long as it is a method of oxidizing a substrate.
  • the second electrode may be a metal electrode.
  • the metal electrode may be silver (Ag), aluminum (Al), platinum (Pt), tungsten (W), copper (Cu), molybdenum (Mo), gold (Au), nickel (Ni), and palladium ( It may include one or two or more selected from the group consisting of Pd).
  • the solar cell may have an inverted structure.
  • the second electrode may be silver (Ag), MoO 3 / Al, MoO 3 / Ag, MoO 3 / Au, or Au.
  • the inverted solar cell of the present specification may mean that the anode and the cathode of the solar cell of the general structure are configured in the reverse direction.
  • Al layer used in the solar cell of the general structure is very vulnerable to oxidation reaction in the air, it is difficult to ink and there is a limitation in commercializing it through the printing process.
  • the inverted solar cell according to the exemplary embodiment of the present specification may use Ag instead of Al, and is more stable in oxidation reaction than the solar cell having a general structure, and easy to manufacture Ag ink. There is an advantage.
  • the solar cell may have a normal structure.
  • the second electrode may be Al.
  • the organic material layer may further include one or more layers selected from the group consisting of a hole injection layer, a hole transport layer, an electron blocking layer, an electron transport layer and an electron injection layer.
  • the electron transport layer may include one or two or more selected from the group consisting of a conductive oxide and a metal.
  • the conductive oxide of the electron transport layer may be electron-extracting metal oxides, specifically, titanium oxide (TiO x ); Zinc oxide (ZnO); And cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ) It may include one or more selected from the group consisting of.
  • the electron transport layer may be formed by being applied to one surface of the first electrode or coated in a film form using sputtering, E-Beam, thermal deposition, spin coating, screen printing, inkjet printing, doctor blade or gravure printing.
  • the electron transport layer may be a cathode buffer layer.
  • the solar cell may include an organic material in the photoactive layer.
  • the solar cell may include a quantum dot in the photoactive layer.
  • the photoactive layer includes a quantum dot
  • CdSe, CdTe, ZnTe, PbS PbSe, InP, Ag 2 S and Ag 2 Se may include one or more selected quantum dots
  • the quantum dots It may be dispersed in the conductive polymer matrix.
  • the solar cell may include a material of a perovskite structure in the photoactive layer.
  • the photoactive layer includes a material having a perovskite structure
  • CH 3 NH 3 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbBr 3 , CH 3 NH 3 PbI x Br 3 -x and CH 3 NH 3 PbI ( Br) 3 may include one or more materials selected from the group consisting of.
  • the photoactive layer may include a material of the perovskite structure and a conductive polymer.
  • the photoactive layer may have a material of the perovskite structure dispersed in a conductive polymer matrix.
  • the photoactive layer may include an electron donor material and an electron acceptor material as a photoactive material.
  • the photoactive material may mean the electron donor material and the electron acceptor material.
  • the photoactive layer forms excitons in which the electron donor material pairs electrons and holes by photoexcitation, and the excitons are separated into electrons and holes at the interface of the electron donor / electron acceptor.
  • the separated electrons and holes move to the electron donor material and the electron acceptor material, respectively, and are collected by the first electrode and the second electrode, respectively, so that they can be used as electrical energy from the outside.
  • the photoactive layer may be a bulk heterojunction structure or a double layer junction structure.
  • the bulk heterojunction structure may be a bulk heterojunction (BHJ) junction type
  • the bilayer junction structure may be a bi-layer junction type.
  • the mass ratio of the electron donor material and the electron acceptor material may be 1:10 to 10: 1. Specifically, the mass ratio of the electron acceptor material and the electron donor material of the present specification may be 1: 0.5 to 1: 5.
  • the electron donor material is at least one electron donor; Or a polymer of at least one kind of electron acceptor and at least one kind of electron donor.
  • the electron donor may include at least one kind of electron donor.
  • the electron donor includes a polymer of at least one kind of electron acceptor and at least one kind of electron donor.
  • the electron donor material is thiophene-based, fluorene-based, carbazole-based, starting with MEH-PPV (poly [2-methoxy-5- (2'-ethyl-hexyloxy) -1,4-phenylene vinylene]) It may be a variety of polymer materials and monomolecular materials such as.
  • the monomolecular substance is copper (II) phthalocyanine, zinc phthalocyanine, tris [4- (5-dicynomethylidemethyl-2-thienyl) phenyl] Amine (tris [4- (5-dicyanomethylidenemethyl-2-thienyl) phenyl] amine), 2,4-bis [4- (N, N-dibenzylamino) -2,6-dihydroxyphenyl] squalane (2,4-bis [4- (N, N-dibenzylamino) -2,6-dihydroxyphenyl] squaraine), benz [b] anthracene, and pentacene It may include one or more materials.
  • the polymer material is poly 3-hexyl thiophene (P3HT: poly 3-hexyl thiophene), PCDTBT (poly [N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5- (4'-) 7'-di-2-thienyl-2 ', 1', 3'-benzothiadiazole)]), PCPDTBT (poly [2,6- (4,4-bis- (2, ethylhexyl) -4H-cyclopenta [2, 1-b; 3,4-b '] dithiophene) -alt-4,7- (2,1,3-benxothiadiazole)]), PFO-DBT (poly [2,7- (9,9-dioctyl-fluorene) ) -alt-5,5- (4,7-di 2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole)]), PTB7 (Poly [[4,8-bis
  • the electron acceptor material may be a fullerene derivative or a nonfullerene derivative.
  • the fullerene derivative is a fullerene derivative of C60 to C90.
  • the fullerene derivative may be a C60 fullerene derivative or a C70 fullerene derivative.
  • the C60 fullerene derivative or C70 fullerene derivative are each independently hydrogen; heavy hydrogen; Halogen group; Nitrile group; Nitro group; Imide group; Amide group; Hydroxyl group; Substituted or unsubstituted alkyl group; A substituted or unsubstituted cycloalkyl group; Substituted or unsubstituted alkoxy group; Substituted or unsubstituted aryloxy group; Substituted or unsubstituted alkylthioxy group; Substituted or unsubstituted arylthioxy group; Substituted or unsubstituted alkyl sulfoxy group; Substituted or unsubstituted aryl sulfoxy group; Substituted or unsubstituted alkenyl group; Substituted or unsubstituted silyl group; Substituted or unsubstituted or unsubstitute
  • the fullerene derivative may be selected from the group consisting of C76 fullerene derivative, C78 fullerene derivative, C84 fullerene derivative, and C90 fullerene derivative.
  • the C76 fullerene derivative, C78 fullerene derivative, C84 fullerene derivative, and C90 fullerene derivative are each independently hydrogen; heavy hydrogen; Halogen group; Nitrile group; Nitro group; Imide group; Amide group; Hydroxyl group; Substituted or unsubstituted alkyl group; A substituted or unsubstituted cycloalkyl group; Substituted or unsubstituted alkoxy group; Substituted or unsubstituted aryloxy group; Substituted or unsubstituted alkylthioxy group; Substituted or unsubstituted arylthioxy group; Substituted or unsubstituted alkyl sulfoxy group; Substituted or unsubstituted aryl sulfoxy group; Substituted or unsubstituted alkenyl group; Substituted or unsubstitute
  • the fullerene derivative has an ability to separate electron-hole pairs (exciton, electron-hole pair) and charge mobility compared to the non-fullerene derivative, which is advantageous for efficiency characteristics.
  • the electron donor material and the electron acceptor material may form a bulk heterojunction (BHJ).
  • the photoactive layer of the present specification may be annealed at 30 ° C. to 300 ° C. for 1 second to 24 hours to maximize properties after the electron donor material and the electron acceptor material are mixed.
  • the photoactive layer is a poly 3-hexyl thiophene [P3HT: poly 3-hexyl thiophene] as an electron donor material, [6,6] -phenyl-C 61 -butyl acid methyl ester (PC 61 BM) and / or [6,6] -phenyl-C 71 -butyl acid methyl ester (PC 71 BM) as the electron acceptor material.
  • P3HT poly 3-hexyl thiophene
  • the mass ratio of the electron donor material and the electron acceptor material may be 1: 0.4 to 1: 2, specifically 1: 0.7.
  • the photoactive layer is not limited to the above material.
  • the photoactive materials are dissolved in an organic solvent and then the solution is introduced into the photoactive layer in a thickness ranging from 50 nm to 280 nm by spin coating or the like.
  • the photoactive layer may be applied to a method such as dip coating, screen printing, spray coating, doctor blade, brush painting.
  • the electron acceptor may include other fullerene derivatives such as C70, C76, C78, C80, C82, C84, including PC 61 BM, and the coated thin film may be heat-treated at 80 ° C. to 160 ° C. to determine the conductive polymer. It is good to increase the sex.
  • the solar cell of the present specification has an inverted structure, and in this case, pre-annealing may be performed at 120 ° C.
  • the hole transport layer and / or the electron transport layer material of the present specification may be a material that increases the probability that the generated charge is transferred to the electrode by efficiently transferring electrons and holes to the photoactive layer, but is not particularly limited.
  • the hole transport layer may be an anode buffer layer.
  • a hole transport layer may be introduced through spin coating, dip coating, inkjet printing, gravure printing, spray coating, doctor blade, bar coating, gravure coating, brush painting, thermal deposition, and the like.
  • poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (4-styrenesulfonate) [PEDOT: PSS] is mainly used as a conductive polymer solution, and is used as a hole-extracting metal oxides material.
  • Molybdenum oxide (MoO x ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), nickel oxide (NiO), tungsten oxide (WO x ) and the like can be used.
  • the hole transport layer may be formed with a thickness of 5 nm to 10 nm through MoO 3 through a thermal deposition system.
  • ITO glass was prepared as a first electrode.
  • Acid zinc (zinc acetate) 1g and 0.28 g ethanol amine after forming a ZnO precursor solution was added to 2-methoxyethanol solvent of ethanol 10 ml, AgNO 3 30 mL was added to the ZnO precursor solution and applied by spin coating on the first electrode.
  • heat treatment was performed at 200 ° C. for 10 minutes to form an electrode buffer layer including Ag nanoparticles in the ZnO metal oxide matrix.
  • a photoactive layer was formed on the buffer layer using PC 60 BM, and a MoO 3 layer was formed on the photoactive layer.
  • a second electrode was formed using Ag to manufacture a solar cell.
  • FIG. 2 shows optical characteristics of the electrode buffer layer prepared according to the above embodiment. Specifically, FIG. 2 shows the light condensing characteristics due to Ag particles in the electrode buffer layer, and it can be seen that the light having the maximum wavelength for condensing is around 450 nm wavelength. More specifically, FIG. 2 shows that blue-based visible light resonates with free electrons of Ag nanoparticles contained in a ZnO metal oxide matrix, and thus the electromagnetic wave density of visible light is increased around Ag nanoparticles, thereby reducing the light absorbing ability of the photoactive layer. It shows what can be improved.
  • V oc denotes an open voltage
  • J sc denotes a short circuit current
  • FF denotes a fill factor
  • PCE denotes an energy conversion efficiency.
  • the open-circuit and short-circuit currents are the X- and Y-axis intercepts in the four quadrants of the voltage-current density curve, respectively. The higher these two values, the higher the efficiency of the solar cell.
  • the fill factor is the area of the rectangle drawn inside the curve divided by the product of the short circuit current and the open voltage. By dividing these three values by the intensity of the emitted light, the energy conversion efficiency can be obtained, and higher values are preferable.
  • the solar cell according to the embodiment shows excellent efficiency compared to the solar cell according to the comparative example.
  • the solar cell according to the embodiment improves the current density by improving the light absorption capacity of the photoactive layer due to the light condensing effect of the Ag nanoparticles, the conductivity of the buffer layer is improved by the Ag nanoparticles Since the decrease in current density due to the voltage is small, it can be confirmed that the charging rate is large.

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 태양전지에 관한 것으로서, 금속 산화물을 포함하는 매트릭스 및 1 이상의 금속 입자를 포함하며, 상기 금속 입자는 상기 매트릭스와 직접 접하여 구비된 전극 버퍼층을 포함하는 태양 전지를 제시하고 있고, 상기 태양전지는 전극 버퍼층 내의 금속 입자가 매트릭스와 상분리 현상 없이 균 일하게 분산되므로, 높은 전자 전도성으로 인하여 전류 밀도 및 충전을 항상시키는효과가 있다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법
본 명세서는 2014년 4월 30일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2014-0052654호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
미국 국립연구소인 NREL의 에너지 리뷰 자료에 따르면 현재 주로 사용되고 있는 에너지원은 석유, 석탄, 가스이다. 이는 전체 사용되고 있는 에너지원의 80 %에 달한다. 그러나, 현재 석유 및 석탄 에너지 고갈 상태가 점차 큰 문제가 되고 있으며, 증가하는 이산화탄소와 다른 온실가스들의 공기 중으로의 배출은 점차 심각한 문제를 발생시키고 있다. 그에 반하여, 무공해 그린 에너지인 재생 에너지의 이용은 아직까지 전체 에너지원의 약 2% 밖에 되지 않는다. 그래서 에너지원의 문제 해결을 위한 고민들은 더욱더 신재생 에너지 개발 연구에 박차를 가하는 계기가 되고 있다. 바람, 물, 태양 등 신재생 에너지 중에서도 가장 관심을 받고 있는 것은 태양에너지이다. 태양에너지를 이용한 태양전지는 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반 영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
태양전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양전지와 유기태양전지로 나뉠 수 있다. 전형적인 태양전지는 무기 반도체인 결정성 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 p-n 접합으로 만든 것이다. 빛을 흡수하여 생기는 전자와 정공은 p-n 접합점까지 확산되고 그 전계에 의하여 가속되어 전극으로 이동한다. 이 과정의 전력변환 효율은 외부 회로에 주어지는 전력과 태양전지에 들어간 태양전력의 비로 정의되며, 현재 표준화된 가상 태양 조사 조건으로 측정 시 24 %정도까지 달성되었다. 그러나 종래 무기 태양전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 한계를 보이고 있기 때문에, 가공이 쉬우며 저렴하고 다양한 기능성을 가지는 유기태양전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다.
초기 유기태양전지는 미국 UCSB의 Heeger 교수 그룹에서 주도적으로 기술 개발을 이끌었다. 유기태양전지는 사용되는 단분자 유기물질 또는 고분자 재료는 쉽고, 빠르게 저가, 대면적 공정이 가능한 장점을 가지고 있다.
그러나, 현재까지의 연구에서는 아직 유기태양전지는 에너지 변환 효율이 낮은 단점이 있다. 그러므로 현 시점에서 다른 태양전지와의 경쟁력을 확보하기 위해서는 효율 향상이 매우 중요하다고 할 수 있다.
[선행기술문헌]
한국 공개공보: 10-2014-0011681
본 명세서는 전류 밀도 및 충전율을 향상될 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법에 대하여 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극; 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층; 및
상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 구비된 전극 버퍼층을 포함하고, 상기 전극 버퍼층은 금속 산화물을 포함하는 매트릭스 및 1 이상의 금속 입자를 포함하며, 상기 금속 입자는 상기 매트릭스와 직접 접하여 구비되는 태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 제제1 전극을 준비하는 단계; 용매; 금속 산화물 전구체; 및 금속염을 포함하는 용액을 준비하는 단계; 상기 제1 전극 상에 상기 용액을 도포한 후 열처리하여 전극 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 전극 버퍼층 상에 광활성층을 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고 상기 전극 버퍼층은 금속 산화물을 포함하는 매트릭스 및 1 이상의 금속 입자를 포함하며, 상기 금속 입자는 상기 매트릭스와 직접 접하여 구비되는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 따르면, 상기 전극 버퍼층 내의 금속 입자가 매트릭스와 상분리 현상 없이 균일하게 분산되는 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 따르면, 상기 전극 버퍼층은 높은 전자 전도성으로 인하여 낮은 내부 전위(built in potential)에서의 전자와 정공의 재결합을 억제하여, 태양전지의 전류 밀도 및 충전율(fill factor: FF)을 향상시킬 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 따르면, 상기 전극 버퍼층은 가시광선 영역의 파장의 빛을 광활성층으로 집광하여 높은 광전환 효율을 달성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지의 제조방법에 따르면, 상기 전극 버퍼층을 간단한 방법으로 형성할 수 있어 공정 시간 단축 및 공정 비용 절감을 달성할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예에 따라 제조된 전극 버퍼층의 광학 특성을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 도시한 것이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극; 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층; 및 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 구비된 전극 버퍼층을 포함하고, 상기 전극 버퍼층은 금속 산화물을 포함하는 매트릭스 및 1 이상의 금속 입자를 포함하며, 상기 금속 입자는 상기 매트릭스와 직접 접하여 구비되는 태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 있어서, 상기 전극 버퍼층은 금속 산화물을 포함하는 매트릭스와 금속 입자가 상분리 되지 않는 연속상 구조를 형성하여 안정적인 구조를 형성한다. 나아가, 상기 전극 버퍼층 내의 금속 입자는 상기 매트릭스 내에서 균일하게 분산되어, 균일한 광투과도 및 균일한 전기 전도도를 가진다. 또한, 상기 전극 버퍼층은 금속 입자가 뭉치는 현상 없이 상기 매트릭스 내에 균일하게 분산되어 있으므로, 전극 버퍼층의 형태를 일정하게 유지할 수 있다. 그러므로, 상기 전극 버퍼층 상에 구비되는 다른 부재를 용이하게 형성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자는 표면에 상기 금속 입자의 분산을 위한 첨가제가 결합되어 있지 않을 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자는 표면에 계면활성제를 포함하지 않을 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자는 금속 입자 표면의 리간드에 치환기가 결합하지 않을 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자는 금속염에서 유래된 금속으로 이루어진 것일 수 있다.
상기 매트릭스는 상기 금속 입자들이 구비될 수 있는 층을 의미할 수 있다. 구체적으로, 상기 매트릭스는 상기 금속 입자들이 임베드(embed)될 수 있는 층을 의미할 수 있다. 또한, 상기 매트릭스는 금속 산화물로 이루어진 것일 수 있다. 즉, 상기 매트릭스는 금속 산화물 매트릭스일 수 있다.
상기 전극 버퍼층으로서의 금속 산화물 매트릭스는 금속 산화물이 결정구조를 형성하고 있어 전기 전도성이 우수하고, 안정성이 뛰어난 장점이 있다. 이에 반하여, 고분자 매트릭스의 경우에는 안정성이 크게 떨어지며, 전기 전도도도 낮은 문제점이 있다.
본 발명자들은 버퍼층 내에서 금속 입자가 전극 버퍼층 내에 균일하게 분산할 수 있도록 금속 입자의 표면에 계면활성제를 코팅하여 버퍼층을 제조하였으나, 계면활성제에 의하여 전극 버퍼층의 전기 전도성이 낮아지는 문제점이 발생하는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 금속 입자의 표면 리간드에 치환기를 결합하여 버퍼층 내의 금속 입자의 분산성을 높이고자 하였으나, 치환기가 결합한 금속 입자의 경우에도 전기 전도성이 저하되고, 분산성이 크게 개선되지 않는 문제가 있었다.
그리하여, 본 발명자들은 전극 버퍼층 내에 금속 입자가 균일하게 분산될 수 있도록 하기 위하여, 버퍼층을 형성하는 금속 산화물 전구체를 포함하는 용액에 금속염을 추가한 후 열처리 방법을 통하여 금속 산화물을 포함하는 매트릭스 내에서 금속 입자를 성장시키는 방법을 개발하였다.
상기 금속 입자는 표면에 계면활성제 또는 치환기가 결합하지 않으므로, 상기 전극 버퍼층에 높은 전기 전도도를 제공할 수 있다. 나아가, 상기 금속 입자는 기합성되어 상기 매트릭스 전구체 용액, 즉 금속 산화물 전구체를 포함하는 용액에 포함되는 것이 아니므로, 상기 금속 입자가 버퍼층 내에 고르게 분산될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 버퍼층은 음이온 또는 음의 원자단 이온이 상기 전극 버퍼층에 대하여 50 ppm 이상 500000 ppm 이하의 농도로 포함할 수 있다.
상기 음이온 또는 음의 원자단 이온은 상기 금속 입자를 형성하기 위한 금속염에서 유래된 잔류 음이온 또는 음의 원자단 이온일 수 있다. 구체적으로, 상기 음이온 또는 음의 원자단 이온은 Cl-, No3 -, I-, F-, Br- 및 (C2H7O2)- 중 적어도 1 종 이상일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자의 함량은 상기 전극 버퍼층 전체 부피에 대하여 0.005 부피% 이상 50 부피% 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자의 평균 입경은 1 ㎚ 이상 5 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 입경은 금속 입자의 크기를 의미할 수 있으며, 상기 금속 입자의 내부를 통과하는 최대 길이를 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자의 형태는 구, 판상, 로드(rod), 또는 프리즘 형태일 수 있다.
상기 구 형태는 전체적으로 구 형상을 가지는 것을 의미하며, 반드시 완벽한 구 형상을 의미하는 것은 아니다.
상기 판상 형태는 두께가 입자의 최대 직경보다 작은 것을 의미할 수 있으며, 상기 입자의 최대 직경은 판상형 입자의 가장 넓은 면을 기준으로 한 최대 직경을 의미할 수 있다.
상기 로드(rad) 형태는 막대, 와이어 형태를 포함하는 것으로서, 1 초과의 종횡비를 갖는 형태를 모두 포함할 수 있다.
상기 프리즘 형태는 단면이 삼각형을 갖는 형태를 의미하며, 삼각뿔, 삼각 기등 등의 형상을 모두 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 버퍼층의 두께는 1 ㎚ 이상 10 ㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 버퍼층의 두께는 1 ㎚ 이상 200 ㎚ 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 버퍼층은 상기 제1 전극에 물리적으로 접하여 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 버퍼층과 상기 제1 전극 사이에 추가의 층이 구비될 수도 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지의 모식도를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 1은 캐소드(101) 상에 전극 버퍼층(301), 광활성층(401) 및 애노드(201)가 순차적으로 적층된 것을 도시한 것이다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 도 1의 구조에 국한되지 않으며, 추가의 부재가 더 포함되어 태양전지를 형성할 수 있다.
상기 전극 버퍼층은 금속 입자를 포함하여, 전기 전도성이 우수하다. 그러므로, 상기 전극의 버퍼층에 의하여, 상기 태양전지는 낮은 내부 전위(built in potential)에서의 전자와 정공의 재결합이 억제되고, 태양전지의 전류 밀도 및 충전율(fill factor: FF)이 향상될 수 있다.
또한, 상기 전극 버퍼층은 가시광선 영역의 파장의 빛을 광활성층으로 집광하므로, 상기 태양전지는 높은 광전환 효율을 달성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 기판을 더 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 기판상에 구비되며, 상기 제1 전극은 캐소드일 수 있다. 구체적으로, 상기 태양전지는 인버티드 구조의 태양전지일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 투명전극이고, 상기 태양전지는 상기 제1 전극을 경유하여 빛을 흡수할 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 투명 기판 상에 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 버퍼층의 최대 집광 파장은 상기 광활성층의 광흡수 파장대에 포함될 수 있다.
상기 전극 버퍼층에 포함되는 금속 입자는 표면 플라즈몬 공명 효과로 인하여 특정 파장대의 빛을 집광하는 효과가 있다. 그러므로, 광활성층에서 흡수하는 파장대의 빛을 집광할 수 있는 금속 입자를 전극 버퍼층에 포함시켜 광활성층의 광전환 효율을 증가시킬 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자는 Ag, Au, Al, Pt, W 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자는 Ag를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 버퍼층의 최대 집광 파장은 400 ㎚ 이상 1,000 ㎚ 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물은 티타늄 산화물(TiOx); 아연 산화물(ZnO); 몰리브덴 산화물(MoO3) 및 세슘 카보네이트(Cs2CO3)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 버퍼층은 ZnO를 포함하는 매트릭스 내에 금속 입자를 포함하는 캐소드 버퍼층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 상기 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극을 준비하는 단계; 용매; 금속 산화물 전구체; 및 금속염을 포함하는 용액을 준비하는 단계; 상기 제1 전극 상에 상기 용액을 도포한 후 열처리하여 전극 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 전극 버퍼층 상에 광활성층을 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고 상기 전극 버퍼층은 금속 산화물을 포함하는 매트릭스 및 1 이상의 금속 입자를 포함하며, 상기 금속 입자는 상기 매트릭스와 직접 접하여 구비되는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 열처리에 의하여, 상기 용액 내에서 금속염을 환원시켜 금속 입자로 성장시키는 것과 동시에, 매트릭스를 형성할 수 있다. 상기 매트릭스와 상기 금속 입자를 동시에 형성하는 과정을 통하여, 환원제나 계면활성제, 치환기 등과 같은 불순물이 없는 전극 버퍼층을 형성할 수 있으며, 상기 금속 입자가 상기 매트릭스 내에 뭉침현상 없이 균일하게 분포할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속염은 Ag 금속염, Au 금속염, Al 금속염, Cu 금속염, W 금속염 및 Pt 금속염으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Ag 금속염은 AgCl, AgNO3 및 AgI로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Au 금속염은 HAuCl4, AuCl 및 AuCl3로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Cu 금속염은 CuI, CuF3 및 CuNO3로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 Pt 금속염은 PtCl2, PtCl4, PtBr2 및 Pt(C5H7O2)2로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 용매는 상기 금속염을 녹일 수 있는 용매라면 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 용매는 수용성 용매 또는 유기 용매일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물 전구체의 함량은 상기 용액에 대하여 0.1 중량% 이상 50 중량% 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 산화물 전구체의 함량은 상기 용액에 대하여 0.5 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있다.
상기 금속 산화물 전구체의 함량이 0.1 중량% 이하일 경우에는 금속 산화물 필름상에 공동(void)가 존재할 수 있으며, 금속 산화물 전구체의 함량이 50 중량% 이상일 경우에는 두께가 불균일한 금속 산화물 박막이 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물 전구체는 아연염, 티타늄염, 몰리브데늄염 중 적어도 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 산화물 전구체는 초산아연(zinc acetate), 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide) 또는 비스(2,4-펜탄디오나토)몰리브데늄(VI)다이옥사이드(Bis(2,4-pentanedionato)molybdenum(VI)Dioxide) 일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속염의 함량은 상기 용액에 대하여 0.0001 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속염의 함량은 상기 용액에 대하여 0.001 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있다.
상기 금속염의 함량이 0.0001 중량% 이하일 경우에는 금속염들이 뭉치지 않아 금속 나노입자를 형성하기 어려우며, 금속염의 함량이 10 중량% 이상일 경우에는 금속 산화물 버퍼층 내에 금속 전극이 형성되어 소자가 단락(short)되는 현상이 발생할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극 버퍼층을 형성하는 단계는 상기 용액을 1 ㎚ 이상 1 ㎛ 이하의 두께로 도포하는 것을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전극 버퍼층을 형성하는 단계는 상기 용액을 1 ㎚ 이상 200 ㎚ 이하의 두께로 도포하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 열처리는 50 ℃ 이상 400 ℃ 이하의 온도에서 수행하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 열처리는 80 ℃ 이상 200 ℃ 이하의 온도에서 수행하는 것일 수 있다. 열처리가 80℃ 이하일 경우에는 금속 나노입자가 형성되기 어려우며, 200 ℃ 이상에서는 금속 나노입자가 산화되어 금속 나노입자의 특성이 저해될 수 있다
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 기판을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 기판은 제1 전극의 하부에 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 기판을 사용할 수 있다. 구체적으로, 유리 기판, 박막유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 상기 플라스틱 기판은 PET(polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PEEK(Polyether ether ketone) 및 PI(Polyimide) 등의 필름이 단층 또는 복층의 형태로 포함될 수 있다. 다만, 상기 기판은 이에 한정되지 않으며, 태양전지에 통상적으로 사용되는 기판을 사용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2 전극은 캐소드일 수 있다. 또한, 상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 제2 전극은 애노드일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 투명전극일 수 있다.
상기 제1 전극이 투명전극인 경우, 상기 제1 전극은 산화주석인듐(ITO) 또는 산화아연인듐(IZO) 등과 같은 전도성 산화물일 수 있다. 나아가, 상기 제1 전극은 반투명 전극일 수도 있다. 상기 제1 전극이 반투명 전극인 경우, Ag, Au, Mg, Ca 또는 이들의 합금 같은 반투명 금속으로 제조될 수 있다. 반투명 금속이 제1 전극으로 사용되는 경우, 상기 태양전지는 미세공동구조를 가질 수 있다.
본 명세서의 상기 전극이 투명 전도성 산화물층인 경우, 상기 전극은 유리 및 석영판 이외에 PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthelate), PP (polyperopylene), PI(polyimide), PC (polycarbornate), PS (polystylene), POM (polyoxyethlene), AS 수지 (acrylonitrile styrene copolymer), ABS 수지 (acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 및 TAC (Triacetyl cellulose), PAR (polyarylate)등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질 위에 도전성을 갖는 물질이 도핑된 것이 사용될 수 있다. 구체적으로, ITO (indium tin oxide), 플루오린이 도핑된 틴 옥사이드 (fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드 (aluminium doped zink oxide, AZO), IZO (indium zink oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 ATO (antimony tin oxide) 등이 될 수 있으며, 보다 구체적으로 ITO일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 투명 전극을 형성하는 단계는 패터닝된 ITO 기판을 세정제, 아세톤, 이소프로판올(IPA)로 순차적으로 세정한 다음 수분제거를 위해 가열판에서 100 ~ 250 ℃로 1 ~ 30분간, 구체적으로 250 ℃에서 10분간 건조하고, 기판이 완전히 세정되면 기판 표면을 친수성으로 개질할 수 있다. 이를 위한 전처리 기술로는 a) 평행평판형 방전을 이용한 표면 산화법, b) 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 및 c) 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 산화하는 방법 등을 이용할 수 있다. 상기와 같은 표면 개질을 통하여 접합표면전위를 정공주입층의 표면 전위에 적합한 수준으로 유지할 수 있으며, ITO 기판 위에 고분자 박막의 형성이 용이해지고, 박막의 품질이 향상될 수 있다. 기판의 상태에 따라 상기 방법 중 한가지를 선택하게 되는데 어느 방법을 이용하든지 공통적으로 기판 표면의 산소이탈을 방지하고 수분 및 유기물의 잔류를 최대한 억제해야 전처리의 실질적인 효과를 기대할 수 있다.
본 명세서의 하기 기술한 실시예에서, UV를 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법을 사용하였으며, 초음파 세정 후 패턴된 ITO 기판을 가열판 (hot plate)에서 베이킹 (baking)하여 잘 건조시킨 다음 챔버에 투입하고 UV 램프를 작용시켜 산소 가스가 UV광과 반응하여 발생하는 오존에 의해 패턴된 ITO 기판을 세정하게 된다. 그러나, 본 발명에 있어서의 패턴된 ITO 기판의 표면 개질방법은 특별히 한정시킬 필요는 없으며, 기판을 산화시키는 방법이라면 어떠한 방법도 무방하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극은 금속 전극일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 니켈(Ni), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지가 인버티드 구조일 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지가 인버티드 구조인 경우, 상기 제2 전극은 은(Ag), MoO3/Al, MoO3/Ag, MoO3/Au 또는 Au 일 수 있다.
본 명세서의 상기 인버티드 구조의 태양전지는 일반적인 구조의 태양전지의 애노드와 캐소드가 역방향으로 구성된 것을 의미할 수 있다. 일반적인 구조의 태양전지에서 사용되는 Al층은 공기 중에서 산화반응에 매우 취약하고, 잉크화하기 곤란하여 이를 인쇄공정을 통하여 상업화하는데 제약이 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 상기 인버티드 구조의 태양전지는 Al 대신 Ag를 사용할 수 있으므로, 일반적인 구조의 태양전지에 비하여 산화반응에 안정적이고, Ag 잉크의 제작이 용이하므로 인쇄공정을 통한 상업화에 유리한 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지가 노말 구조일 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지가 노말 구조인 경우, 상기 제2 전극은 Al일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유기물층은 정공주입층, 정공수송층, 전자차단층, 전자수송층 및 전자주입층으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 층을 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수송층은 전도성 산화물 및 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 전자수송층의 전도성 산화물은 전자추출금속 산화물(electron-extracting metal oxides)이 될 수 있으며, 구체적으로 티타늄 산화물(TiOx); 아연 산화물(ZnO); 및 세슘 카보네이트(Cs2CO3)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전자수송층은 스퍼터링, E-Beam, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 제1 전극의 일면에 도포되거나 필름 형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자수송층은 캐소드 버퍼층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 광활성층에 유기물을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 광활성층에 양자점을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 광활성층에 양자점을 포함하는 경우, CdSe, CdTe, ZnTe, PbS PbSe, InP, Ag2S 및 Ag2Se로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상의 양자점을 포함할 수 있으며, 상기 양자점은 전도성 고분자 매트릭스 내에 분산되어 있을 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 다르면, 상기 태양전지는 광활성층에 페로브스카이트 구조의 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 광활성층에 페로브스카이트 구조의 물질을 포함하는 경우, CH3NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbIxBr3 -x 및 CH3NH3PbI(Br)3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 상기 페로브스카이트 구조의 물질 및 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 전도성 고분자 매트릭스 내에 상기 페로브스카이트 구조의 물질이 분산되어 있을 수 있다.
본 명세서의 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 광활성 물질로서, 전자주개 물질 및 전자 받개 물질을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 광활성 물질은 상기 전자주개 물질 및 상기 전자받개 물질을 의미할 수 있다.
상기 광활성층은 광 여기에 의하여 상기 전자주개 물질이 전자와 정공이 쌍을 이룬 엑시톤(exciton)을 형성하고, 상기 엑시톤이 전자주개/전자받개의 계면에서 전자와 정공으로 분리된다. 분리된 전자와 정공은 전자주개 물질 및 전자받개 물질로 각각 이동하고 이들이 각각 제1 전극과 제2 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 벌크 이종 접합구조 또는 이중층 접합구조일 수 있다. 상기 벌크 이종 접합 구조는 벌크 헤테로정션(BHJ: bulk heterojunction) 접합형일 수 있으며, 상기 이중층 접합구조는 바이레이어(bi-layer) 접합형일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비는 1:10 내지 10:1일 수 있다. 구체적으로 본 명세서의 상기 전자받개 물질과 전자 주개 물질의 질량비는 1: 0.5 내지 1: 5일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자주개 물질은 적어도 한 종의 전자 공여체; 또는 적어도 한 종의 전자수용체와 적어도 한 종의 전자 공여체의 중합체를 포함할 수 있다. 상기 전자 공여물질은 적어도 한 종의 전자 공여체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전자 공여물질은 적어도 한 종의 전자 수용체와 적어도 한 종의 전자 공여체의 중합체를 포함한다.
구체적으로, 상기 전자주개 물질은 MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene])를 시작으로 티오펜계, 플루오렌계, 카바졸계 등의 다양한 고분자 물질 및 단분자 물질일 수 있다.
구체적으로, 상기 단분자 물질은 구리(Ⅱ)프탈로시아닌(Copper(Ⅱ) phthalocyanine), 아연프탈로시아닌(zinc phthalocyanine), 트리스[4-(5-디사이노메틸이덴메틸-2-티에닐)페닐]아민(tris[4-(5-dicyanomethylidenemethyl-2-thienyl)phenyl]amine), 2,4-비스[4-(N,N-디벤질아미노)-2,6-디히드록시페닐]스쿠아레인(2,4-bis[4-(N,N-dibenzylamino)-2,6-dihydroxyphenyl]squaraine), 벤즈[b]안트라센(benz[b]anthracene), 및 펜타센(pentacene)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 고분자 물질은 폴리 3-헥실 티오펜 (P3HT: poly 3-hexyl thiophene), PCDTBT(poly[N-9'-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4'-7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2,ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benxothiadiazole)]), PFO-DBT(poly[2,7-(9,9-dioctyl-fluorene)-alt-5,5-(4,7-di 2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole)]), PTB7(Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl]]), PSiF-DBT(Poly[2,7-(9,9-dioctyl-dibenzosilole)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole])로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자받개 물질은 플러렌 유도체 또는 비플러렌 유도체일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 플러렌 유도체는 C60 내지 C90의 플러렌 유도체이다. 구체적으로, 상기 플러렌 유도체는 C60 플러렌 유도체 또는 C70 플러렌 유도체일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 C60 플러렌 유도체 또는 C70 플러렌 유도체는 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성하는 치환기로 추가로 치환될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 플러렌 유도체는 C76 플러렌 유도체, C78 플러렌 유도체, C84 플러렌 유도체 및 C90 플러렌 유도체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 C76 플러렌 유도체, C78 플러렌 유도체, C84 플러렌 유도체 및 C90 플러렌 유도체는 각각 독립적으로 수소; 중수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 이미드기; 아미드기; 히드록시기; 치환 또는 비치환된 알킬기; 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 치환 또는 비치환된 알콕시기; 치환 또는 비치환된 아릴옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬티옥시기; 치환 또는 비치환된 아릴티옥시기; 치환 또는 비치환된 알킬술폭시기; 치환 또는 비치환된 아릴술폭시기; 치환 또는 비치환된 알케닐기; 치환 또는 비치환된 실릴기; 치환 또는 비치환된 붕소기; 치환 또는 비치환된 알킬아민기; 치환 또는 비치환된 아랄킬아민기; 치환 또는 비치환된 아릴아민기; 치환 또는 비치환된 헤테로아릴아민기; 치환 또는 비치환된 아릴기; 및 N, O, S 원자 중 1개 이상을 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 인접한 2개의 치환기는 축합고리를 형성하는 치환기로 추가로 치환될 수 있다.
상기 플러렌 유도체는 비플러렌유도체에 비하여, 전자-정공 쌍(exciton, electron- hole pair)을 분리하는 능력과 전하 이동도가 우수해 효율 특성에 유리하다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 광활성층은 전자주개 물질 및 전자받개 물질이 벌크헤테로 정션(BHJ: bulk heterojunction)을 형성할 수 있다. 본 명세서의 상기 광활성층은 상기 전자주개 물질 및 전자받개 물질이 혼합된 후에 특성을 최대화 시키기 위하여 30 ℃ 내지 300 ℃에서 1 초 내지 24 시간동안 어닐링할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 폴리 3-헥실 티오펜 [P3HT: poly 3-hexyl thiophene]을 전자주개 물질로 하고, [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르 (PC61BM) 및/또는 [6,6]-페닐-C71-부틸산 메틸에스테르 (PC71BM)를 전자받개 물질로 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자주개 물질과 전자받개 물질의 질량비는 1: 0.4 내지 1: 2일 수 있으며, 구체적으로 1: 0.7일 수 있다. 다만 상기 광활성층은 위 물질에만 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 광활성 물질들은 유기 용매에 용해시킨 후 용액을 스핀 코팅 등의 방법으로 50 nm에서 280 nm 범위의 두께로 광활성층을 도입한다. 이때, 광활성층은 딥코팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 브러쉬 페인팅 등의 방법을 응용할 수 있다.
또한, 상기 전자수용체는 PC61BM을 포함하여, C70, C76, C78, C80, C82, C84등의 다른 플러렌 유도체를 사용할 수도 있으며, 코팅된 박막은 80 ℃ ~ 160 ℃에서 열처리하여 전도성 고분자의 결정성을 높여주는 것이 좋다. 구체적으로, 본 명세서의 태양전지는 역방향(inverted) 구조이며, 이 경우 120 ℃로 어닐링 전처리(pre-annealing)를 할 수 있다.
본 명세서의 상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 전자와 정공을 광활성층으로 효율적으로 전달시킴으로써, 생성되는 전하가 전극으로 이동되는 확률을 높이는 물질이 될 수 있으나, 특별히 제한되지는 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 정공수송층은 애노드 버퍼층일 수 있다.
상기 전처리된 광활성층의 상부에는 정공수송층이 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅, 열증착 등의 방법을 통해 도입될 수 있다. 이 경우, 주로 전도성 고분자 용액으로서 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트) [PEDOT:PSS]이 사용되며, 정공추출금속 산화물(hole-extracting metal oxides) 물질로는 몰리브덴 산화물(MoOx), 바나듐 산화물(V2O5), 니켈 산화물(NiO), 텅스텐 산화물(WOx) 등을 사용할 수 있다. 본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 정공 수송층은 MoO3를 열증착 시스템을 통해 5 nm 내지 10 nm 의 두께로 형성될 수 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[ 실시예 ]
제1 전극으로서 ITO 글라스(glass)을 준비하였다. 초산아연(zinc acetate) 1g 및 에탄올아민 0.28 g을 2-메톡시에탄올 10 ㎖의 용매에 첨가하여 ZnO 전구체 용액을 형성한 후, AgNO3 30 ㎖을 상기 ZnO 전구체 용액에 첨가하고, 상기 제1 전극 상에 스핀코팅법으로 도포하였다. 그리고, 200 ℃에서 10 분간 열처리를 하여 ZnO 금속 산화물 매트릭스 내에 Ag 나노 입자가 포함된 전극 버퍼층을 형성하였다. 그리고, 상기 버퍼층 상에 PC60BM 을 이용하여 광활성층을 형성하고, 상기 광활성층 상에 MoO3층을 형성한 후, Ag를 이용하여 제2 전극을 형성하여 태양전지를 제조하였다.
상기 실시예에 따라 제조된 전극 버퍼층의 광학 특성을 도 2에 나타내었다. 구체적으로, 도 2는 전극 버퍼층 내의 Ag 입자로 인한 집광 특성을 나타낸 것이며, 집광하는 최대 파장의 빛은 450 ㎚ 파장 부근인 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로, 도 2는 청색 계통의 가시광선이 ZnO 금속 산화물 매트릭스 내에 포함된 Ag 나노입자의 자유 전자와 공명을 일으켜, 가시광선의 전자기파 밀도가 Ag 나노입자 주변에서 높아짐으로써, 광활성층의 흡광 능력을 향상시킬 수 있는 것을 나타낸다.
상기 실시예 1에 따른 태양전지는 빛이 전극 버퍼층을 통과하여 450 ㎚ 파장 부근의 빛이 광활성층에 집중하게 되어 높은 효율을 달성할 수 있다.
[ 비교예 ]
상기 실시예에서 전극 버퍼층에 Ag 나노 입자가 제외된 태양전지를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 물성은 하기 표 1에 나타내었다.
Voc(V) Jsc(mA/cm2) FF PCE(%)
비교예 0.923 12.76 0.586 6.90
실시예 0.962 12.95 0.650 8.10
본 명세서에서 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)를, PCE는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류는 각각 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축과 Y축 절편이며, 이 두 값이 높을수록 태양전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한, 충전율(Fill factor)는 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 넓이를 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세 가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다.
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 실시예에 따른 태양전지는 비교예에 따른 태양전지에 비하여 우수한 효율을 나타낸다.
또한, 실시예 및 비교예에 따른 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도는 도 3에 도시하였다.
표 1 및 도 3에서 알 수 있듯이, 실시예에 따른 태양전지는 Ag 나노 입자의 집광효과로 인해 광활성층의 빛 흡수 능력을 향상시켜 전류 밀도를 향상시키며, Ag 나노 입자에 의해 버퍼층의 전도성이 향상되어 전압에 의한 전류 밀도의 감소가 작으므로, 충전률이 큰 것을 확인할 수 있다.
[부호의 설명]
101: 캐소드
201: 애노드
301: 전극 버퍼층
401: 광활성층

Claims (15)

  1. 제1 전극;
    제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비된 광활성층; 및
    상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 구비된 전극 버퍼층을 포함하고,
    상기 전극 버퍼층은 금속 산화물을 포함하는 매트릭스 및 1 이상의 금속 입자를 포함하며,
    상기 금속 입자는 상기 매트릭스와 직접 접하여 구비되는 태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 입자의 함량은 상기 전극 버퍼층 전체 부피에 대하여 0.005 부피% 이상 50 부피% 이하인 것인 태양전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 전극 버퍼층은 캐소드 버퍼층인 것인 태양전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 입자의 평균 입경은 1 ㎚ 이상 5 ㎛ 이하인 것인 태양전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 입자의 형태는 구, 판상, 로드(rod), 또는 프리즘 형태인 것인 태양전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 입자는 표면에 계면활성제를 포함하지 않고, 금속 입자 표면의 리간드에 치환기가 결합하지 않는 것인 태양전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 버퍼층의 두께는 1 ㎚ 이상 10 ㎛ 이하인 것인 태양전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극은 투명전극이고,
    상기 태양전지는 상기 제1 전극을 경유하여 빛을 흡수하는 것인 태양전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 버퍼층의 최대 집광 파장은 상기 광활성층의 광흡수 파장대에 포함되는 것인 태양전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 버퍼층의 최대 집광 파장은 400 ㎚ 이상 1,000 ㎚ 이하인 것인 태양전지.
  11. 제1 전극을 준비하는 단계;
    용매; 금속 산화물 전구체; 및 금속염을 포함하는 용액을 준비하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 상기 용액을 도포한 후 열처리하여 전극 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 전극 버퍼층 상에 광활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 전극 버퍼층은 금속 산화물을 포함하는 매트릭스 및 1 이상의 금속 입자를 포함하며, 상기 금속 입자는 상기 매트릭스와 직접 접하여 구비되는 태양전지의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 금속염은 Ag 금속염, Au 금속염, Al 금속염, Cu 금속염, W 금속염 및 Pt 금속염으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 태양전지의 제조방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 금속 산화물 전구체의 함량은 상기 용액에 대하여 0.1 중량% 이상 50 중량% 이하인 것인 태양전지의 제조방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 금속염의 함량은 상기 용액에 대하여 0.0001 중량% 이상 10 중량% 이하인 것인 태양전지의 제조방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 열처리는 50 ℃ 이상 400 ℃ 이하의 온도에서 수행하는 것인 태양전지의 제조방법.
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