KR100934732B1 - Solar cell using quantum dots and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양자점을 이용한 고효율 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 염료감응 태양전지에 있어서, 판상의 투명전극; 투명전극과 대향되는 판상의 대향전극; 투명전극의 일면에 코팅되고, 다수의 기공이 형성된 금속산화물을 포함하는 금속산화물 막; 금속산화물 막 위에 코팅되고, 염료 대신에 다양한 크기를 가진 양자점을 적어도 하나 이상 포함하는 양자점막; 및 대향전극과 투명전극의 사이에 구비된 전해질층을 포함하는 양자점을 이용한 고효율 태양전지에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 다양한 크기를 가진 적어도 하나 이상의 양자점을 이용하여 다양한 파장의 빛을 흡수할 수 있어 광흡수효율이 향상되고, 유기물질을 사용하지 않아 광에 안정한 고효율 태양전지를 제공할 수 있다.The present invention relates to a high efficiency solar cell using a quantum dot and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a dye-sensitized solar cell, a plate-shaped transparent electrode; A plate-shaped counter electrode facing the transparent electrode; A metal oxide film coated on one surface of the transparent electrode and including a metal oxide having a plurality of pores formed therein; A quantum dot film coated on the metal oxide film and including at least one or more quantum dots having various sizes instead of dyes; And it relates to a high efficiency solar cell using a quantum dot comprising an electrolyte layer provided between the counter electrode and the transparent electrode. According to the present invention, at least one or more quantum dots having various sizes can absorb light of various wavelengths, thereby improving light absorption efficiency and providing a high efficiency solar cell that is stable to light without using organic materials.
Description
도 1은 태양으로부터의 지구 도달 에너지 분포를 나타낸 그래프이고,1 is a graph showing the distribution of energy reaching the Earth from the sun,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 고효율 태양전지를 나타낸 개략도이고,2 is a schematic view showing a high efficiency solar cell using a quantum dot according to an embodiment of the present invention,
도 3은 다양한 크기를 가지는 양자점의 흡광계수와 흡수하는 빛의 파장들을 나타낸 그래프이고,3 is a graph showing absorption coefficients and wavelengths of absorbed light of quantum dots having various sizes,
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a high efficiency solar cell using a quantum dot according to an embodiment of the present invention.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 고효율 태양전지100: high efficiency solar cell
110 : 투명전극 120 : 대향전극110: transparent electrode 120: counter electrode
130 : 금속산화물 막 140 : 양자점막130
150 : 전해질층150: electrolyte layer
본 발명은 양자점을 이용한 고효율 태양전지에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 양자점을 이용하여 다양한 파장의 광흡수가 가능하도록 형성된 염료감응 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a high efficiency solar cell using a quantum dot, and more particularly to a dye-sensitized solar cell formed to enable light absorption of various wavelengths using the quantum dot.
광전환소재는 빛에너지를 화학에너지나 전기에너지로 변환시킬 수 있는 물질을 말한다. 빛에너지가 화학에너지로 바뀌는 경우는 광합성반응(Photosynthesis)이나 광촉매반응(Photocatalysis)이 대표적인 예다. Optical conversion material refers to a material that can convert light energy into chemical energy or electrical energy. When light energy is converted into chemical energy, photosynthesis or photocatalysis is a typical example.
반면에 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 것이 바로 태양전지(Solar Cell)다. 태양전지는 무한한 에너지원인 태양광을 이용해 전기를 생산하는 것으로, 이미 우리 생활에 널리 이용되고 있는 실리콘 태양전지가 대표적이다. On the other hand, it is a solar cell that converts light energy into electric energy. Solar cells produce electricity using sunlight, which is an infinite energy source, and silicon solar cells, which are already widely used in our lives, are typical.
1991년 스위스의 그래츨(Gratzel)교수는 광합성반응 원리를 이용한 신개념의 '염료감응 태양전지(DSSC: Dye-Sensitized Solar Cell)'를 세계 최초로 개발했다. 염료감응 태양전지는 금속산화물인 TiO2(이산화티탄) 표면에 염료(루테늄(Ru))를 담지(擔持)시켜 광전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 원리다. 실리콘 태양전지에 버금가는 에너지변환 효율을 갖고 있으며, 생산원가가 실리콘 태양전지의 5분의 1 수준으로 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. In 1991, Professor Gratzel of Switzerland developed the world's first new concept of Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs) using the principle of photosynthesis. Dye-sensitized solar cell is a principle of producing electricity by photoelectrochemical reaction by supporting dye (ruthenium (Ru)) on the surface of metal oxide TiO 2 (titanium dioxide). It has energy conversion efficiency comparable to that of silicon solar cells, and it is attracting attention as the next generation solar cell because its production cost is cheaper to one fifth of that of silicon solar cell.
그러나 종래 사용되어 오던 염료감응 태양전지는 염료를 포함하고 있는데, 염료는 전도성 막을 투과한 빛을 흡수하여 여기되는 층으로써 일반적으로 루테늄 색소와 같은 착물을 사용하는 것으로 알려져 있다.However, dye-sensitized solar cells that have been used conventionally include dyes, and dyes are generally known to use a complex such as a ruthenium pigment as a layer that absorbs and transmits light transmitted through a conductive film.
그러나 루테늄 색소를 염료로 사용하는 경우에는 폭 넓은 파장의 빛을 모두 흡수하는 것이 곤란하다는 문제가 있다.However, when using a ruthenium pigment as a dye, there is a problem that it is difficult to absorb all the light of a wide wavelength.
이에 공개특허공보 제10-2006-0085109호에 기재된 발명은 루테늄 착물 등의 제1염료 및 양자점 화합물 등의 제2염료를 포함하는 광흡수층을 구비한 태양전지에 대하여 개시하고 있어서, 흡수할 수 있는 파장의 영역을 넓히고 광흡수효율을 높인 염료감응 태양전지를 제공하고 있다.Accordingly, the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2006-0085109 discloses a solar cell having a light absorption layer containing a first dye such as a ruthenium complex and a second dye such as a quantum dot compound. Dye-sensitized solar cells with wider wavelength range and higher light absorption efficiency are provided.
그러나 상기 공개특허공보 제10-2006-0085109호에 기재된 발명은 제1염료로 종래 사용하여 오던 유기물질을 사용하고, 이에 제2염료로 양자점을 사용하고 있는데, 유기물질은 광에 불안정하다는 문제점이 있기 때문에 상기 제1염료 및 제2염료를 동시에 사용하는 경우 제1염료의 불안정성으로 인해 전체 흡광효율을 낮추는 문제를 야기할 수 있다.However, the invention described in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2006-0085109 uses an organic material that has been conventionally used as the first dye, and uses a quantum dot as the second dye, and the organic material is unstable to light. Therefore, when using the first dye and the second dye at the same time may cause a problem of lowering the overall light absorption efficiency due to the instability of the first dye.
또한, 기공을 가지는 금속산화물에 흡착 될 수 있는 제1염료(유기물질)나 제2염료(양자점)의 양은 한정적인데, 도 2에서 볼 수 있듯이 루테늄화합물의 빛 흡광계수에 비하여 양자점의 흡광계수는 매우 크기 때문에 루테늄과 양자점을 함께 사용한 경우, 양자점만을 사용할 경우에 비하여 낮은 효율을 보이는 문제점이 있다.In addition, the amount of the first dye (organic material) or the second dye (quantum dot) that can be adsorbed to the metal oxide having pores is limited, as shown in FIG. Since the ruthenium and the quantum dot is used together because it is very large, there is a problem that shows a lower efficiency than when using only the quantum dot.
또한, 공개특허공보 제10-2006-0085109호에서는 한 가지의 크기의 양자점을 제2염료로 사용하기에 제1염료와 제2염료로 흡수할 수 있는 빛의 파장이 제한되는 문제점이 있다. In addition, Korean Patent Publication No. 10-2006-0085109 has a problem in that the wavelength of light that can be absorbed by the first dye and the second dye is limited because the quantum dot of one size is used as the second dye.
따라서 광흡수효율을 보다 높일 수 있도록 흡광계수가 크면서 다양한 파장 영역의 태양광을 흡수할 수 있으며 광에 대하여 안정한 염료감응 태양전지의 개발이 요구되고 있다.Therefore, it is required to develop a dye-sensitized solar cell that is capable of absorbing sunlight in a wide range of wavelengths while having a large extinction coefficient to increase light absorption efficiency.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 다양한 크기를 가진 양자점을 이용하여 다양한 파장영역의 태양광을 흡수하여 광흡수효율을 높인 양자점을 이용한 고효율 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and provides a high-efficiency solar cell using a quantum dot to increase the light absorption efficiency by absorbing sunlight in a variety of wavelength region using a quantum dot having a different size and its manufacturing method There is a purpose.
또한, 본 발명은 유기물질을 염료로 사용하지 않고 금속산화물과의 효율적인 전자전달이 가능하도록 표면을 개질한 양자점을 사용하여 광에 대하여 안정한 양자점을 이용한 고효율 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a high efficiency solar cell using a quantum dot that is stable to light using a quantum dot whose surface is modified to enable efficient electron transfer with a metal oxide without using an organic material as a dye, and another object thereof. There is this.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, The present invention for achieving the above object,
염료감응 태양전지에 있어서, 판상의 투명전극; 상기 투명전극과 대향되는 판상의 대향전극; 상기 투명전극의 일면에 코팅되고, 다수의 기공이 형성된 금속산화물을 포함하는 금속산화물 막; 상기 금속산화물 막 위에 코팅되고, 염료 대신에 다양한 크기를 가진 양자점을 적어도 하나 이상 포함하는 양자점막; 및 상기 대향전극과 투명전극의 사이에 구비된 전해질층을 포함하는 양자점을 이용한 고효율 태양전지를 제공한다.A dye-sensitized solar cell comprising: a plate-shaped transparent electrode; A plate-shaped counter electrode facing the transparent electrode; A metal oxide film coated on one surface of the transparent electrode and including a metal oxide having a plurality of pores formed therein; A quantum dot film coated on the metal oxide film and including at least one or more quantum dots having various sizes instead of dyes; And it provides a high efficiency solar cell using a quantum dot including an electrolyte layer provided between the counter electrode and the transparent electrode.
여기서, 상기 양자점은 직경이 1~10nm이고, 표면에 -OH, =O, -O-, -S-S-, -SH, -P=O, -P 및 -PH로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 작용기를 코팅한 것이 바람직하다.Here, the quantum dot has a diameter of 1 ~ 10nm, any one functional group selected from the group consisting of -OH, = O, -O-, -SS-, -SH, -P = O, -P and -PH on the surface It is preferable to coat.
또한, 상기 양자점은 2족, 12족, 13족 및 14족에서 선택된 제 1원소 및 16족의 원소에서 선택된 제 2원소로 이루어진 화합물; 13족에서 선택된 제 1원소 및 15 족에서 선택된 제 2원소로 이루어진 화합물; 및 14족에서 선택된 원소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물인 것이 바람직하다.In addition, the quantum dot is a compound consisting of a first element selected from
게다가, 상기 양자점은 CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, PbSe, PbS 및 PbTe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물일 수 있다.In addition, the quantum dots are CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, PbSe, PbS And one or more compounds selected from the group consisting of PbTe.
아울러 상기 양자점막은 5~500nm의 두께로 이루어진 것이 바람직하다.In addition, the quantum mucosa is preferably made of a thickness of 5 ~ 500nm.
또한, 상기 투명전극은 ITO, FTO 및 고분자필름으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것이 바람직하다.In addition, the transparent electrode is preferably made of any one selected from the group consisting of ITO, FTO and a polymer film.
아울러, 상기 금속산화물은 5~30nm의 크기로 이루어지고, 이산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 삼산화텅스텐(WO3), 산화니오븀(Nb2O5), 티탄산스트론튬(TiSrO3) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.In addition, the metal oxide has a size of 5 ~ 30nm, titanium dioxide (TiO 2 ) , tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), tungsten trioxide (WO 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ) It is preferred that any one selected from the group consisting of, strontium titanate (TiSrO 3 ) and mixtures thereof.
게다가 상기 대향전극은 백금, 금 및 탄소로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질을 포함하고, 표면적이 커지도록 미세구조로 이루어진 전극인 것이 바람직하다.In addition, the counter electrode may include any one material selected from the group consisting of platinum, gold, and carbon, and may be an electrode made of a microstructure to increase the surface area.
또한, 본 발명은 a)ITO, FTO 및 고분자필름으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 소재로 사용하여 판상의 투명전극을 구비하는 단계; b)금속산화물의 분말을 균일하게 분산시켜 페이스트를 제조하고, 상기 투명전극의 일면에 코팅하는 단계; c)다양한 크기를 가진 적어도 하나 이상의 양자점 나노입자를 균일하게 분산 시켜 상기 금속산화물 막 위에 코팅하는 단계; d)상기 투명전극과 대향되도록 대향전극을 구비하는 단계; 및 e)상기 투명전극과 대향전극의 사이에 전해질층을 구비하는 단계를 포함하는 고효율 태양전지의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of: a) using any one selected from the group consisting of ITO, FTO and a polymer film as a material to provide a plate-shaped transparent electrode; b) preparing a paste by uniformly dispersing a powder of metal oxide, and coating a surface of the transparent electrode; c) uniformly dispersing at least one or more quantum dot nanoparticles of various sizes and coating the same on the metal oxide film; d) providing an opposing electrode to face the transparent electrode; And e) providing an electrolyte layer between the transparent electrode and the counter electrode.
상기 양자점 나노입자는 표면에 -OH, =O, -O-, -S-S-, -SH, -P=O, -P 및 -PH로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 작용기를 포함하는 것이 바람직하다.The quantum dot nanoparticles preferably include any functional group selected from the group consisting of -OH, = O, -O-, -S-S-, -SH, -P = O, -P and -PH on the surface.
여기서, 상기 b)단계 및 c)단계에서 상기 코팅은 스프레이, 스핀코팅, 자기조립, 드롭캐스팅, 딥코팅, 닥터블레이드, 프린팅 또는 스퍼터링 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 사용한 것이 바람직하다.In the above steps b) and c), the coating may be any one selected from spray, spin coating, self-assembly, drop casting, dip coating, doctor blade, printing or sputtering.
상기 b)단계는 상기 코팅 후에 50~100℃의 온도에서 건조하고 400~550℃의 온도에서 소성하는 과정을 더 포함하는 것이 바람직하다.The step b) preferably further comprises a step of drying at a temperature of 50 ~ 100 ℃ and firing at a temperature of 400 ~ 550 ℃ after the coating.
또한, 상기 c)단계는 상기 코팅 후에 25~170°C의 온도에서 건조하는 과정을 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the step c) preferably further comprises a step of drying at a temperature of 25 ~ 170 ° C after the coating.
뿐만 아니라 상기 b) 및 c)단계에서, 상기 금속산화물 분말과 양자점 나노입자를 함께 균일하게 분산시켜 스프레이, 드롭캐스팅, 자기조립, 스핀코팅, 딥코팅, 닥터블레이드, 프린팅 또는 스퍼터링 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 사용하여 코팅하고, 상기 코팅 후에 25 내지 170°C에서 건조하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, in steps b) and c), the metal oxide powder and the quantum dot nanoparticles are uniformly dispersed together so that any one selected from spray, drop casting, self-assembly, spin coating, dip coating, doctor blade, printing or sputtering Coating using the method, it may be characterized in that after drying at 25 to 170 ° C.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
이하, 도 1 내지 도 3을 참고하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 고효율 태양전지를 설명하도록 한다.Hereinafter, a high efficiency solar cell using quantum dots according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
도 1은 태양으로부터의 지구 도달 에너지 분포를 나타낸 그래프이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 고효율 태양전지를 나타낸 개략도이고, 도 3은 다양한 크기를 가지는 양자점의 흡광계수와 흡수하는 빛의 파장들을 나타낸 그래프이다. 1 is a graph showing the distribution of energy to reach the earth from the sun, Figure 2 is a schematic diagram showing a high efficiency solar cell using a quantum dot according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is an extinction coefficient of the quantum dots having various sizes and It is a graph showing the wavelengths of light to absorb.
도 1을 참고하면, 태양으로부터 다양한 파장영역을 가진 빛이 지구에 도달하기 때문에 광흡수 효율을 높이려면 다양한 파장영역의 광을 흡수하여야 한다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 1, since light having various wavelength ranges from the sun reaches the earth, it can be seen that light of various wavelength ranges must be absorbed to increase light absorption efficiency.
도 2를 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 고효율 태양전지(100)는 투명전극(110), 대향전극(120), 금속산화물 막(130), 양자점막(140) 및 전해질층(150)을 포함한다.Referring to FIG. 2, the highly efficient
상기 투명전극(110)은 ITO, FTO 및 고분자필름으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하고 보다 바람직하게는 도전성, 투명성 및 내열 성면에서 우수한 ITO 또는 FTO중에서 어느 하나를 포함한다.The
다만, 상기 ITO, FTO 및 고분자필름으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질에 한정되는 것은 아니고, 기타 본 발명의 목적에 따라 투명성을 가질 수 있는 다른 모든 물질을 포함할 수 있다.However, the material is not limited to any one material selected from the group consisting of ITO, FTO, and polymer films, and may include all other materials that may have transparency according to the object of the present invention.
상기 대향전극(120)은 도전성 물질이면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있으나 절연성의 물질이라도 투명전극에 마주보는 측에 도전층이 설치되어 있으면 사용할 수 있다. 단, 전기화학적으로 안정한 재료를 전극으로서 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 백금, 금 및 탄소로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.The
상기 대향전극(120)은 표면적이 커져야 산화환원의 촉매효과를 높일 수 있으므로 표면적이 커지도록 미세구조로 이루어진 것이 바람직하다.Since the
상기 금속산화물 막(130)은 이산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 삼산화텅스텐(WO3), 산화니오븀(Nb2O5), 티탄산스트론튬(TiSrO3) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속산화물을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 금속산화물은 이산화티탄인 것이 보다 바람직하다. 여기서 상기 금속산화물은 이들에 한정되는 것은 아니며, 기타 본 발명의 목적에 따라 사용될 수 있는 모든 반도체 미립자를 포함할 수 있다.The
또한, 상기 금속산화물은 표면에 흡착된 양자점이 보다 많은 빛을 흡수할 수 있도록 표면적을 크게 하는 것이 바람직하며, 직경이 5~30nm인 것이 바람직하다. 상기 5nm미만의 크기인 경우 금속산화물들이 서로 엉겨 붙는 문제가 있고, 30nm를 초과하는 경우 표면적이 작아 흡착되는 양자점의 수가 작아 광전환 효율이 감소되는 문제가 있다. In addition, the metal oxide is preferably to increase the surface area to absorb more light quantum dots adsorbed on the surface, it is preferable that the diameter is 5 ~ 30nm. When the size is less than 5 nm, metal oxides are entangled with each other, and when the size is larger than 30 nm, the surface area has a small surface area, so that the number of quantum dots adsorbed is small, thereby reducing light conversion efficiency.
상기 양자점막(140)은 높은 흡광계수를 보이며 파장영역이 상이한 태양광을 동시에 흡수하여 다중전자를 생성할 수 있도록 다양한 크기를 가진 양자점을 적어도 하나 이상 포함한다.The
도 3을 참고하면, 다양한 크기의 양자점이 다양한 파장영역의 빛을 흡수하므로 크기가 다른 양자점을 다수 사용하여 다양한 파장영역의 태양광을 흡수하는 경우 일반적인 염료감응 태양전지보다 에너지 변환효율을 높일 수 있다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, since quantum dots of various sizes absorb light in various wavelength ranges, energy conversion efficiency may be improved when compared with general dye-sensitized solar cells when a plurality of quantum dots having different sizes absorb sunlight in various wavelength regions. It can be seen that.
상기 양자점막(140)은 5~500nm의 두께로 이루어진 것이 바람직하다. 상기 양자점막(140)이 5nm미만의 두께로는 실질적으로 생산하기가 어려워 작업성이 떨어진다는 문제가 있고, 500nm를 초과한 두께인 경우 표면에서 빛이 거의 다 흡수되고, 이때 생성된 전자들이 효율적으로 전달되어 금속산화물까지 도달하기 어렵다는 문제가 있다.The
상기 양자점은 직경이 1~10nm이고, 표면에 -OH, =O, -O-, -S-S-, -SH, -P=O, -P 및 -PH로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 작용기를 코팅한 것이 바람직하다.The quantum dot has a diameter of 1 ~ 10nm, the surface is coated with any functional group selected from the group consisting of -OH, = O, -O-, -SS-, -SH, -P = O, -P and -PH. One is preferable.
상기 양자점이 상기와 같이 다양한 크기의 직경으로 이루어짐으로써 크기가 다른 상기 양자점을 적어도 하나 이상 포함하는 양자점막(140)은 큰 흡광계수를 가 지고 다양한 파장영역의 태양광을 흡수하여 다중전자·정공쌍생성의 효과로 다중전자를 생성할 수 있다. 즉 충돌 이온화(impact ionization)를 통한 다중여기자 생성(multi-exciton generation)의 효과가 나타난다. As the quantum dot is made of a diameter of various sizes as described above, the
또한, 표면에 상기 작용기를 코팅하는 경우 상기 작용기는 길이가 매우 짧고 금속산화물과 양자점이 직접 결합을 할 수 있도록 하여 전자전달이 효율적으로 이루어지도록 해주는 역할을 하며, 유기물이지만 빛을 흡수하지는 않기 때문에 광안정성에 있어서도 문제가 되지 않는다.In addition, in the case of coating the functional group on the surface, the functional group is very short in length and allows the metal oxide and the quantum dot to directly bond, which serves to efficiently carry out the electron, organic material, but because it does not absorb light It is not a problem in stability either.
또한, 상기 양자점은 2족, 12족, 13족 및 14족에서 선택된 제 1원소 및 16족의 원소에서 선택된 제 2원소로 이루어진 화합물; 13족에서 선택된 제 1원소 및 15족에서 선택된 제 2원소로 이루어진 화합물; 및 14족에서 선택된 원소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물인 것이 바람직하다. In addition, the quantum dot is a compound consisting of a first element selected from
나아가 상기 양자점은 CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, PbSe, PbS 및 PbTe로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 사용한 것이 바람직하다.Further, the quantum dots are CdS, MgSe, MgO, CdO, CdSe, CdTe, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, PbSe, PbS and Preference is given to using at least one compound selected from the group consisting of PbTe.
상기 양자점은 단일물질을 사용하거나 두 가지 종류 이상의 양자점을 섞어 사용하는데, 태양의 흡수가 많이 일어나면서 동시에 다중전자를 생성하기 시작하는 에너지가 낮은 양자점들을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 양자점의 물질과 크기를 다양하게 변화시켜 광전환 효율을 높일 수 있다.The quantum dot is used a single material or a mixture of two or more kinds of quantum dots, it is preferable to use a low-energy quantum dots to generate a large number of electrons at the same time a lot of absorption of the sun occurs. That is, the light conversion efficiency can be improved by varying the material and size of the quantum dots.
이하, 도 4를 참고하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법을 설명하도록 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a high efficiency solar cell using quantum dots according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a high efficiency solar cell using a quantum dot according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양자점을 이용한 고효율 태양전지의 제조방법은 (a)투명전극 준비단계(S110), (b)금속산화물 코팅단계(S120), (c)양자점 코팅단계(S130), (d)대향전극 준비단계 및 (e)전해질층 형성단계를 포함한다.Method for manufacturing a high efficiency solar cell using a quantum dot according to an embodiment of the present invention is (a) transparent electrode preparation step (S110), (b) metal oxide coating step (S120), (c) quantum dot coating step (S130) (d) preparing a counter electrode and (e) forming an electrolyte layer.
상기 (a)투명전극 준비단계는 ITO, FTO 및 고분자필름으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 소재로 사용하여 판상의 투명전극을 준비하는 단계이다(S110).The transparent electrode preparation step (S110) is a step of preparing a transparent electrode of the plate using any one selected from the group consisting of ITO, FTO and polymer film (S110).
상기 (b)금속산화물 코팅단계는 금속산화물의 분말을 균일하게 분산시켜 페이스트를 제조하고, 상기 투명전극의 일면에 코팅하는 단계이다(S120). 상기 금속산화물 분말은 이산화티탄(TiO2), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 삼산화텅스텐(WO3), 산화니오븀(Nb2O5), 티탄산스트론튬(TiSrO3) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.The (b) metal oxide coating step is to prepare a paste by uniformly dispersing the powder of the metal oxide, and to coat on one surface of the transparent electrode (S120). The metal oxide powder is titanium dioxide (TiO 2 ) , tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), tungsten trioxide (WO 3 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), strontium titanate (TiSrO 3 ) and their It is preferably any one selected from the group consisting of mixtures.
상기 (b)금속산화물 코팅단계에서 상기 코팅방법으로 스프레이, 스핀코팅, 딥코팅, 닥터블레이드, 프린팅 및 스퍼터링 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 사용하고, 보다 바람직하게는 닥터 블레이드나 프린팅방법을 사용한다. 상기 닥터 블레이드나 프린팅방법을 사용하는 경우 매우 쉽게 균일한 막을 형성할 수 있는 장점이 있다.In the (b) metal oxide coating step, the coating method may be any one selected from spray, spin coating, dip coating, doctor blade, printing, and sputtering, and more preferably, a doctor blade or a printing method. In the case of using the doctor blade or the printing method, there is an advantage in that a uniform film can be formed very easily.
또한, 코팅 후에 50~100℃의 온도에서 건조하고 400~550℃의 온도에서 소성하는 과정을 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to further include a step of drying at a temperature of 50 ~ 100 ℃ after the coating and firing at a temperature of 400 ~ 550 ℃.
상기 금속산화물 막의 건조 및 소성 시에 온도범위가 상기 온도범위를 벗어나는 경우 전극의 일부원소가 손실되거나(ITO전극의 경우, In이 손실), 원자로의 성분이 금속산화물 막에 삽입되어 불순물로 되는 문제가 야기될 수 있다.When the temperature range is out of the temperature range during drying and firing of the metal oxide film, some elements of the electrode are lost (In is lost in the case of ITO electrode), or a component of the reactor is inserted into the metal oxide film and becomes an impurity. May be caused.
상기 (c)양자점 코팅단계는 다양한 크기를 가진 적어도 하나 이상의 양자점 나노입자를 균일하게 분산시켜 상기 금속산화물 막 위에 코팅하는 단계이다(S130).The (c) quantum dot coating step is a step of uniformly dispersing at least one or more quantum dot nanoparticles having various sizes to coat on the metal oxide film (S130).
상기 양자점 나노입자는 표면에 -OH, =O, -O-, -S-S-, -SH, -P=O, -P 및 -PH로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 작용기를 포함하는 것이 바람직하다.The quantum dot nanoparticles preferably include any functional group selected from the group consisting of -OH, = O, -O-, -S-S-, -SH, -P = O, -P and -PH on the surface.
상기 작용기는 길이가 매우 짧고 금속산화물과 양자점이 직접 결합을 할 수 있도록 하여 전자전달이 효율적으로 이루어지도록 해주는 역할을 하며, 광에 안정하지 않은 유기물이지만 빛을 흡수하지는 않기 때문에 안정성에 있어서도 영향을 미치지 않는다.The functional group is very short in length and allows metal oxides and quantum dots to be directly bonded, thereby enabling efficient electron transfer. The organic group is not stable to light, but does not absorb light, and thus does not affect stability. Do not.
상기 (c)양자점 코팅단계에서, 상기 코팅은 스프레이, 드롭캐스팅, 자기조립, 스핀코팅, 딥코팅, 닥터블레이드. 프린팅 및 스퍼터링 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 사용하고, 보다 바람직하게는 드롭캐스팅과 프린팅방법을 사용한다. 상기 드롭캐스팅과 프린팅방법을 사용하는 경우 매우 쉽게 균일한 막을 형성할 수 있는 장점이 있다.In the (c) quantum dot coating step, the coating is spray, drop casting, self-assembly, spin coating, dip coating, doctor blade. Any one selected from printing and sputtering is used, and more preferably, drop casting and printing methods are used. In the case of using the drop casting and printing method, there is an advantage in that a uniform film can be formed very easily.
상기 양자점을 코팅한 후에 25 내지 170°C에서 건조하는 것이 바람직하다. 상기 양자점막을 건조하는 온도가 25~170℃를 벗어나는 경우 양자점이 상변화를 일으켜 고유의 성질을 잃어버리는 문제가 있다.After coating the quantum dot is preferably dried at 25 to 170 ° C. If the temperature of drying the quantum mucosa is 25 ~ 170 ℃ outside the quantum dots cause a problem that loses its intrinsic properties.
다만, 상기 (b)금속산화물 코팅단계 및 (c)양자점 코팅단계는 상기한 바와 같이 각각 이루어질 수도 있으나, 상기 금속산화물 분말과 양자점 나노입자를 함께 균일하게 분산시켜 스프레이, 드롭캐스팅, 자기조립, 스핀코팅, 딥코팅, 닥터블레이드, 프린팅 또는 스퍼터링 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 사용하여 코팅하고, 상기 코팅 후에 25 내지 170°C에서 건조하는 방법으로 이루어질 수 있다.However, the (b) metal oxide coating step and (c) quantum dot coating step may be made as described above, respectively, by uniformly dispersing the metal oxide powder and quantum dot nanoparticles together spray, drop casting, self-assembly, spin Coating by any one method selected from coating, dip coating, doctor blade, printing or sputtering, and may be made by drying at 25 to 170 ° C after the coating.
상기와 같이 금속산화물과 양자점 나노입자를 한 용매에 균일하게 분산시킨 후 코팅을 하게 되는 경우 공정시간이 단축되고, 금속산화물의 기공 사이에 양자점 나노입자들이 보다 잘 혼합될 수 있다는 장점이 있다. As described above, when the metal oxide and the quantum dot nanoparticles are uniformly dispersed in one solvent and coated, the process time is shortened, and the quantum dot nanoparticles can be better mixed between the pores of the metal oxide.
상기 (d)대향전극 준비단계는 상기 투명전극과 대향되도록 대향전극을 준비하는 단계이다(S140).The preparing of the counter electrode (d) is preparing a counter electrode to face the transparent electrode (S140).
상기 (e)전해질층 형성단계는 상기 투명전극과 대향전극의 사이에 전해질층을 형성하는 단계이다(S150).The (e) electrolyte layer forming step is a step of forming an electrolyte layer between the transparent electrode and the counter electrode (S150).
상기 각 단계는 시계열적인 순서와 관계없이 나타낸 것이며, 상기 기재한 순서는 본 발명의 바람직한 일 실시예를 나타낸 것에 불과하므로 기타 본 발명의 목적에 따라 각 단계가 동시에 진행되거나 상기 실시예와 다른 다양한 순서로 진행될 수 있다.Each step is shown regardless of the time-series order, and the order described above is only an example of a preferred embodiment of the present invention. May proceed to.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated by the limited embodiment and drawing, this invention is not limited by this, The person of ordinary skill in the art to which this invention belongs, Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalent claims.
상술한 바와 같은 본 발명은, 염료 대신에 다중전자·정공쌍생성의 효과를 보이면서, 흡수 파장영역이 상이한 다양한 크기의 양자점을 적어도 하나 이상 포함하는 양자점막을 구비하여 에너지 변환효율을 획기적으로 개선한 고효율의 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.The present invention as described above has a quantum dot film containing at least one or more quantum dots of various sizes having different absorption wavelength ranges while showing the effect of multi-electron-hole pair generation instead of dyes, and dramatically improving energy conversion efficiency. It provides a solar cell and a method of manufacturing the same.
또한, 유기물질을 염료로 사용하지 않고, 양자점의 표면을 개질하여 금속산화물과의 전자전달이 효율적으로 일어나도록 함으로써 광에 안정한 고효율의 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a highly efficient solar cell and a method for manufacturing the same, which are stable to light by modifying the surface of a quantum dot without using an organic material as a dye to efficiently transfer electrons with a metal oxide.
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