KR102012228B1 - Quantum Dot Solar Cell and the Fabrication Method Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양자점 기반 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 본 발명에 따른 양자점 기반 태양전지는 투명 전도성 전극; 상기 투명 전도성 전극 상부에 형성된 유기 정공전달층; 상기 유기 정공전달층 상부에 형성되며 무기 반도체 양자점을 포함하는 양자점층; 상기 양자점층 상부에 형성되며 금속산화물 양자점을 포함하는 전자 전달층; 상기 전자 전달층 상부에 형성된 대향전극;을 포함한다. The present invention relates to a quantum dot based solar cell, and more particularly, to a quantum dot based solar cell according to the present invention; An organic hole transport layer formed on the transparent conductive electrode; A quantum dot layer formed on the organic hole transport layer and including an inorganic semiconductor quantum dot; An electron transport layer formed on the quantum dot layer and including a metal oxide quantum dot; And an opposite electrode formed on the electron transport layer.
Description
본 발명은 양자점 기반 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a quantum dot-based solar cell and a method of manufacturing the same.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. In order to solve the global environmental problems caused by the depletion of fossil energy and its use, researches on renewable and clean alternative energy sources such as solar energy, wind power and hydropower are being actively conducted.
이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다. Among these, interest in solar cells that directly change electrical energy from sunlight is increasing. Here, the solar cell refers to a battery that generates current-voltage using a photovoltaic effect of absorbing light energy from sunlight and generating electrons and holes.
현재 광에너지 변환효율이 20%가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 변환효율이 우수한 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 있다. 그러나 이러한 무기 반도체 기반의 태양전지는 고효율화를 위하여 매우 고순도로 정제한 소재가 필요하므로 원소재의 정제에 많은 에너지가 소비되고, 또한 원소재를 이용하여 단결정 혹은 박막화 하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조비용을 낮게 하는 데에는 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어왔다.Currently, np diode-type silicon (Si) single crystal-based solar cells capable of producing photovoltaic energy conversion efficiency of more than 20% are used for photovoltaic power generation, and compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs), which are more efficient than this, are used. There is also a solar cell using. However, these inorganic semiconductor-based solar cells require highly refined materials for high efficiency, which requires a lot of energy to purify raw materials, and also requires expensive process equipment for single crystal or thin film using raw materials. As a result, there is a limit to lowering the manufacturing cost of solar cells, which has been an obstacle to large-scale utilization.
그 대안으로, 염료감응형 태양전지, 유기기반 태양전지 및 양자점기반 태양전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 중, 미국 공개특허 제 20090260682호와 같이, 양자점기반 태양전지는 양자점 나노입자를 광흡수체로 이용함에 따라, 나노입자의 크기 조절에 의해 밴드갭 에너지의 조절이 용이하여 근적외선에 이르기까지 광 흡수가 가능하며, 흡수계수가 커 광의 흡수율이 높으며, 다중여기에 의해 광전류의 증가가 가능하고, 무기물 기반임에 따라 광 안정성이 우수한 장점이 있다. As an alternative, research is being actively conducted on dye-sensitized solar cells, organic-based solar cells, and quantum dot-based solar cells. Among them, as disclosed in US Patent Publication No. 20090260682, quantum dot-based solar cells use the quantum dot nanoparticles as light absorbers, so that the band gap energy can be easily controlled by controlling the size of the nanoparticles, and thus the light absorption up to near infrared rays is achieved. It is possible, the absorption coefficient is large, the absorption rate of light is high, the multi-excitation is possible to increase the photocurrent, and the inorganic material-based has the advantage of excellent light stability.
그러나, 아직까지, 종래의 실리콘 단결정 기반 태양전지를 대체할 수 있을 정도로 우수한 효율을 가지며 상업화 가능한 태양전지는 아직 요원한 실정이다.However, a solar cell having high efficiency and commercialization that can replace the conventional silicon single crystal based solar cell is still a long way off.
본 발명은 우수한 전력 변환 효율(PCE; Power Conversion Efficiency)을 갖는 양자점 기반 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이며, 상세하게, 광음극을 갖는 양자점 기반 태양전지 대비 1.5배 이상의 전력 변환 효율(PCE; Power Conversion Efficiency)이 향상된 신규한 구조의 양자점 기반 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. The present invention provides a quantum dot based solar cell having a superior power conversion efficiency (PCE) and a method for manufacturing the same, and in detail, 1.5 times or more power conversion efficiency (PCE;) compared to a quantum dot based solar cell having a photocathode; The present invention provides a quantum dot-based solar cell having a novel structure with improved power conversion efficiency and a method of manufacturing the same.
본 발명에 따른 양자점 기반 태양전지는 투명 전도성 전극; 투명 전도성 전극 상부에 형성된 유기 정공전달층; 유기 정공전달층 상부에 형성되며 무기 반도체 양자점을 포함하는 양자점층; 양자점층 상부에 형성되며 금속산화물 양자점을 포함하는 전자 전달층; 전자 전달층 상부에 형성된 대향전극;을 포함한다.Quantum dot based solar cell according to the present invention is a transparent conductive electrode; An organic hole transport layer formed on the transparent conductive electrode; A quantum dot layer formed on the organic hole transport layer and including an inorganic semiconductor quantum dot; An electron transport layer formed on the quantum dot layer and including a metal oxide quantum dot; It includes; the counter electrode formed on the electron transport layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 전자전달층의 두께와 양자점층의 두께는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the thickness of the electron transport layer and the thickness of the quantum dot layer may satisfy the following Equation 1.
(관계식1) (Relationship 1)
0.2 Tqd ≤ Te ≤ Tqd0.2 Tqd ≤ Te ≤ Tqd
관계식 1에서 Te는 전자전달층의 두께이며, Tqd는 양자점층의 두께이다.In relation 1, Te is the thickness of the electron transport layer, Tqd is the thickness of the quantum dot layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 전자전달층의 두께와 양자점층의 두께는 하기 관계식 2를 만족할 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the thickness of the electron transport layer and the thickness of the quantum dot layer may satisfy the following Equation 2.
(관계식2) (Relationship 2)
0.2 Tqd ≤ Te ≤ 0.5Tqd0.2 Tqd ≤ Te ≤ 0.5Tqd
관계식 2에서 Te는 전자전달층의 두께이며, Tqd는 양자점층의 두께이다In relation 2, Te is the thickness of the electron transport layer and Tqd is the thickness of the quantum dot layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 양자점층의 두께는 100nm 내지 220nm 일 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the thickness of the quantum dot layer may be 100nm to 220nm.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 무기 반도체 양자점과 금속 산화물 양자점의 평균 결정립 크기는 하기 관계식 3을 만족할 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the average grain size of the inorganic semiconductor quantum dot and the metal oxide quantum dot may satisfy the following Equation 3.
(관계식 3) (Relationship 3)
0.5Det ≤ Dps ≤ Det0.5 Det ≤ Dps ≤ Det
관계식 3에서 Dps는 무기 반도체 양자점의 평균 결정립 크기이며, Det는 금속 산화물 양자점의 평균 결정립 크기이다.In relation 3, Dps is the average grain size of the inorganic semiconductor quantum dots, Det is the average grain size of the metal oxide quantum dots.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 무기 반도체 양자점의 평균 결정립 크기는 2 내지 5nm일 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the average grain size of the inorganic semiconductor quantum dots may be 2 to 5nm.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 투명 전도성 전극은 리지드 또는 플렉시블 투명 기판의 적어도 일 표면에 ITO(Indium-Tin Oxide) 층이 형성된 전극이며, 대향 전극은 Al 전극일 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the transparent conductive electrode may be an electrode having an indium tin oxide (ITO) layer formed on at least one surface of a rigid or flexible transparent substrate, and the opposite electrode may be an Al electrode. .
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 무기 반도체 양자점은 PbS 양자점일 수 있다. In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the inorganic semiconductor quantum dot may be a PbS quantum dot.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 금속산화물 양자점은 ZnO 양자점일 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the metal oxide quantum dot may be a ZnO quantum dot.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 유기 정공전달층의 유기 정공전달물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate))일 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the organic hole transport material of the organic hole transport layer may be PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate)).
본 발명에 따른 양자점 기반 태양전지의 제조방법은 a) 투명 전도성 전극 상부에 유기 정공전달층을 형성하는 단계; b) 유기 정공전달층 상부에 무기 반도체 양자점을 포함하는 양자점층을 형성하는 단계; c) 양자점층 상부에 금속산화물 양자점을 포함하는 전자전달층을 형성하는 단계; d) 전자전달층 상부에 대향전극을 형성하는 단계;를 포함한다.Method for manufacturing a quantum dot-based solar cell according to the present invention comprises the steps of: a) forming an organic hole transport layer on the transparent conductive electrode; b) forming a quantum dot layer including an inorganic semiconductor quantum dot on the organic hole transport layer; c) forming an electron transport layer including a metal oxide quantum dot on the quantum dot layer; and d) forming a counter electrode on the electron transport layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지의 제조방법에 있어, c) 단계는 유기 금속화합물 용액을 도포하고 산소의 존재 하에 100 내지 120℃의 저온 열처리를 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, step c) may include applying an organometallic compound solution and performing a low temperature heat treatment of 100 to 120 ° C. in the presence of oxygen. .
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지의 제조방법에 있어, 유기 금속화합물은 디에틸징크일 수 있다.In the method of manufacturing a quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the organometallic compound may be diethyl zinc.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지의 제조방법에 있어, b) 단계는 무기 반도체 양자점 분산액을 도포하는 단계;를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, step b) may include applying an inorganic semiconductor quantum dot dispersion.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지의 제조방법에 있어, 무기 반도체 양자점은 PbS 양자점일 수 있다.In the method of manufacturing a quantum dot based solar cell according to an embodiment of the present invention, the inorganic semiconductor quantum dot may be a PbS quantum dot.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지의 제조방법에 있어, b) 단계는 무기 반도체 양자점 분산액을 도포하는 단계;를 일 단위 공정으로 하고, c) 단계는 유기 금속화합물 용액을 도포하고 산소의 존재 하에 100 내지 120℃의 저온 열처리를 수행하는 단계;를 다른 일 단위 공정으로 하여, b) 단계의 단위 공정을 반복 수행하고, c) 단계의 단위 공정을 반복하여 수행함으로써, 전자전달층의 두께와 양자점층의 두께가 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.In the method of manufacturing a quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, step b) is a step of applying an inorganic semiconductor quantum dot dispersion; as a unit process, step c) is applied to the organic metal compound solution and oxygen Performing a low temperature heat treatment of 100 to 120 ℃ in the presence of; as another unit process, by repeating the unit process of step b), by repeating the unit process of step c), The thickness and the thickness of the quantum dot layer may satisfy the following Equation 1.
(관계식1) (Relationship 1)
0.2 Tqd ≤ Te ≤ Tqd0.2 Tqd ≤ Te ≤ Tqd
관계식 1에서 Te는 전자전달층의 두께이며, Tqd는 양자점층의 두께이다.In relation 1, Te is the thickness of the electron transport layer, Tqd is the thickness of the quantum dot layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지의 제조방법에 있어, a) 단계는 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate))를 함유하는 유기 정공전달 용액을 도포 및 건조하는 단계;를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing a quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, step a) is applied and dried an organic hole transfer solution containing PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate)) It may include;
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지의 제조방법에 있어, 투명 전도성 전극은 리지드 또는 플렉시블 투명 기판의 적어도 일 표면에 ITO(Indium-Tin Oxide)층이 형성된 전극이며, 대향 전극은 Al 전극일 수 있다. In the method of manufacturing a quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the transparent conductive electrode is an electrode formed with an indium tin oxide (ITO) layer on at least one surface of a rigid or flexible transparent substrate, the opposite electrode is an Al electrode Can be.
본 발명에 따른 태양전지는 광양극 구조를 가지며, 무기 반도체 양자점의 양자점층 및 금속 산화물 양자점의 전자전달층 구조를 가짐에 따라, 광흡수영역(양자점층)에서의 보강광간섭(constructive optical interference) 및 양자점층과 전자전달층의 계면 특성 향상에 의해 단락전류 밀도, 개방 전압, 성능 지수 및 전력변환효율이 향상된 장점이 있다.The solar cell according to the present invention has a photoanode structure, and has a structure of an electron transport layer of a quantum dot layer of an inorganic semiconductor quantum dot and an electron transfer layer of a metal oxide quantum dot, thereby constructing optical interference in a light absorption region (quantum dot layer). The short circuit current density, the open voltage, the figure of merit, and the power conversion efficiency are improved by improving the interfacial characteristics of the quantum dot layer and the electron transfer layer.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 단락전류 밀도, 개방 전압, 성능 지수 및 전력변환효율이 향상된 태양전지의 제조가 가능하며, 저온 열처리에 의해 금속 산화물 양자점의 전자전달층이 제조됨에 따라, 양자점층의 무기 반도체 양자점이 손상되지 않고 우수한 계면 특성을 갖는 장점이 있다.The solar cell manufacturing method according to the present invention is capable of manufacturing a solar cell with improved short-circuit current density, open voltage, performance index and power conversion efficiency, and as the electron transfer layer of the metal oxide quantum dot is manufactured by low temperature heat treatment, the quantum dot There is an advantage that the inorganic semiconductor quantum dots of the layer are not damaged and have excellent interfacial properties.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양전지의 투과전자현미경 사진이며,
도 2는 자외선-근적외선의 광조사시 PbS 양자점 용액과 ZnO 양자점 전자전달층의 파장별 광흡수율을 도시한 도면이다.
1 is a transmission electron micrograph of a solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a diagram illustrating wavelength absorption of each PbS quantum dot solution and a ZnO quantum dot electron transfer layer during light irradiation of ultraviolet-NIR.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 양자점 기반 태양전지 및 이의 제조방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. Hereinafter, a quantum dot-based solar cell of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided by way of example so that the spirit of the invention to those skilled in the art can fully convey. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. Also, like reference numerals denote like elements throughout the specification.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, the gist of the present invention in the following description and the accompanying drawings Descriptions of well-known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.
본 발명에 따른 양자점 기반 태양전지는 투명 전도성 전극; 투명 전도성 전극 상부에 형성된 유기 정공전달층; 유기 정공전달층 상부에 형성되며 무기 반도체 양자점을 포함하는 양자점층; 양자점층 상부에 형성되며 금속산화물 양자점을 포함하는 전자 전달층; 전자 전달층 상부에 형성된 대향전극;을 포함한다.Quantum dot based solar cell according to the present invention is a transparent conductive electrode; An organic hole transport layer formed on the transparent conductive electrode; A quantum dot layer formed on the organic hole transport layer and including an inorganic semiconductor quantum dot; An electron transport layer formed on the quantum dot layer and including a metal oxide quantum dot; It includes; the counter electrode formed on the electron transport layer.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지는 투명 전도성 전극-전자전달층-양자점이 적층된 광음극이 아닌, 광양극을 이용한 태양전지이다. 즉, 투명 전도성 전극 상부에는 전자전달층이 아닌 광정공을 전달하는 유기 정공전달층이 위치하며, 이러한 유기 정공전달층 상부에 양자점층이 위치하는 광양극 구조를 가지며, 광양극 상부에 전자 전달층과 대향전극이 순차적으로 위치하는 구조를 갖는다.As described above, the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention is a solar cell using a photocathode, not a photocathode in which a transparent conductive electrode-electron transfer layer-quantum dots are stacked. That is, an organic hole transport layer for transmitting light holes, not an electron transport layer, is positioned on the transparent conductive electrode, and has a photoanode structure in which a quantum dot layer is positioned on the organic hole transport layer, and an electron transport layer on the light anode. And the counter electrode are sequentially arranged.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지는 전자전달층으로 금속산화물을 채택하되, 광흡수체인 무기 반도체 양자점과 유사하게 전자전달층이 금속산화물의 양자점을 함유한다. 즉, 광양극 상부에는 금속산화물 양자점을 함유하는 전자 전달층과 대향전극이 순차적으로 위치한다.As described above, the quantum dot-based solar cell according to the exemplary embodiment of the present invention adopts a metal oxide as the electron transport layer, but the electron transport layer contains the quantum dots of the metal oxide similarly to the inorganic semiconductor quantum dots which are light absorbers. That is, the electron transport layer containing the metal oxide quantum dots and the counter electrode are sequentially positioned on the photoanode.
이러한 광양극의 구조에 의해 단락전류 밀도(Jsc), 개방 전압(Voc) 및 성능 지수(FF)가 향상될 수 있으며, 양자점 크기의 금속산화물을 함유하는 전자전달층에 의해 광흡수체(무기 반도체 양자점)와 전자전달체(금속산화물 양자점)간 우수한 계면 특성을 얻을 수 있고, 치밀 막 형태로 전자전달층의 형성됨에 따라 전자전달층을 통한 광전자의 원활한 이동이 가능하며, 광전자의 이동시 재결합에 의한 손실을 방지할 수 있다. By the structure of the photoanode, the short-circuit current density (Jsc), the open circuit voltage (Voc) and the figure of merit (FF) can be improved, and the light absorber (inorganic semiconductor quantum dot) is formed by an electron transfer layer containing a metal oxide having a quantum dot size. ) And excellent interfacial properties between the electron transporter (metal oxide quantum dot) and the formation of the electron transport layer in the form of a dense film enables the smooth movement of the photoelectrons through the electron transport layer, and the loss of recombination during the transport of the photoelectrons You can prevent it.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지는 광이 입사되는 투명 전도성 전극 상부에 유기 정공전달층이 위치하며, 유기 정공전달층 상부로 균일한 두께의 막 형상으로 무기 반도체 양자점으로 이루어진 양자점층이 형성될 수 있다. 이러한 양자점층의 형성은 대량의 광을 흡수하면서도 보다 소형화된 태양전지의 구현을 가능하게 한다. 또한 금속산화물 양자점으로 이루어진 전자전달층이 양자점층 상부에 위치하여 양자점층과 접함에 따라, 전자전달층과 양자점층간의 우수한 계면특성에 의해 보다 깊은(두꺼운) 공핍 영역(depletion region)이 생성되어, 광전자의 분리 및 이동 효율을 높일 수 있다.In a quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, an organic hole transport layer is positioned on a transparent conductive electrode to which light is incident, and a quantum dot layer made of an inorganic semiconductor quantum dot has a uniform thickness over the organic hole transport layer. This can be formed. The formation of such a quantum dot layer enables the implementation of a miniaturized solar cell while absorbing a large amount of light. In addition, as the electron transport layer made of the metal oxide quantum dots is located on the quantum dot layer and contacts the quantum dot layer, a deeper (thick) depletion region is generated by the excellent interface property between the electron transport layer and the quantum dot layer. The efficiency of separation and movement of optoelectronics can be improved.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 전자전달층의 두께와 양자점층의 두께는 태양전지의 효율에 영향을 미칠 수 있으며, 구체적으로, 전자전달층의 두께와 양자점층의 두께는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the thickness of the electron transfer layer and the thickness of the quantum dot layer may affect the efficiency of the solar cell, specifically, the thickness of the electron transfer layer and the thickness of the quantum dot layer May satisfy the following Equation 1.
(관계식1) (Relationship 1)
0.2 Tqd ≤ Te ≤ Tqd0.2 Tqd ≤ Te ≤ Tqd
관계식 1에서 Te는 전자전달층의 두께이며, Tqd는 양자점층의 두께이다.In relation 1, Te is the thickness of the electron transport layer, Tqd is the thickness of the quantum dot layer.
상술한 광양극 구조를 가지며, 양자점층 상부로 금속산화물 양자점으로 이루어진 전자전달층이 위치하는 경우, 양자점층과 전자전달층의 상대적 두께에 의해 전력 변환 효율이 영향을 받을 수 있다.When the electron transport layer having the photoanode structure described above and the metal oxide quantum dots is positioned above the quantum dot layer, the power conversion efficiency may be affected by the relative thicknesses of the quantum dot layer and the electron transport layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 전자전달층의 두께는 양자점층의 두께와 같거나 얇을 수 있으며, 적어도 양자점층 두께를 기준으로 0.2배 이상의 두께를 가질 수 있다. 전자전달층의 두께가 양자점층의 두께보다 두꺼울 경우, 단락전류 밀도(Jsc), 개방 전압(Voc) 및 성능 지수(FF)의 감소가 발생할 수 있으며, 특히 성능 지수가 현저하게 감소할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 전자전달층의 두께는 극히 얇아도 무방하나, 전자전달층과 양자점층간 완전한 공핍영역의 형성, 물리적 안정성 및 양자점층과 대향전극의 원치 않는 접촉 방지 측면에서 실질적으로 양자점층 두께를 기준으로 0.2배 이상의 두께를 가질 수 있다. In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the thickness of the electron transport layer may be the same as or thinner than the thickness of the quantum dot layer, and may have a thickness of at least 0.2 times based on the thickness of the quantum dot layer. When the thickness of the electron transport layer is thicker than the thickness of the quantum dot layer, reductions in the short-circuit current density (Jsc), the open voltage (Voc) and the figure of merit (FF) may occur, in particular, the figure of merit may be significantly reduced. In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the thickness of the electron transport layer may be extremely thin, but the formation of a complete depletion region between the electron transport layer and the quantum dot layer, the physical stability and the unwanted of the quantum dot layer and the counter electrode It may have a thickness of at least 0.2 times based on the thickness of the quantum dot layer in terms of contact prevention.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 전자전달층의 두께와 양자점층의 두께는 하기 관계식 2를 만족할 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the thickness of the electron transport layer and the thickness of the quantum dot layer may satisfy the following Equation 2.
(관계식2) (Relationship 2)
0.2 Tqd ≤ Te ≤ 0.5Tqd0.2 Tqd ≤ Te ≤ 0.5Tqd
관계식 2에서 Te는 전자전달층의 두께이며, Tqd는 양자점층의 두께이다In relation 2, Te is the thickness of the electron transport layer and Tqd is the thickness of the quantum dot layer.
관계식 2와 같이, 전자전달층의 두께가 양자점층의 두께를 기반으로 0.2배 내지 0.5배의 두께를 가질 경우, 단락전류 밀도(Jsc), 개방 전압(Voc) 및 성능 지수(FF)를 보다 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 광음극 구조의 양자점 기반 태양전지 대비 1.5배 이상의 전력 변환 효율을 가질 수 있다. 이때, 광음극 구조의 양자점 기반 태양전지는 투명 전도성 전극, 전자전달층, 양자점층, 유기 정공전달층 및 대향전극이 순차적으로 적층된 구조일 수 있으며, 전력 변환 효율의 비교에 있어 비교대상이 되는 광음극 구조의 양자점 기반 태양전지는 그 물질 및 각 층의 두께가 본원발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지와 동일하며 단지 각 층의 적층 구조가 본원발명과 상이한 전지일 수 있다. As in Equation 2, when the thickness of the electron transport layer has a thickness of 0.2 to 0.5 times based on the thickness of the quantum dot layer, the short-circuit current density (Jsc), the open voltage (Voc), and the figure of merit (FF) are further improved. You can. Specifically, it may have a power conversion efficiency of more than 1.5 times compared to the quantum dot-based solar cell of the photocathode structure. In this case, the quantum dot-based solar cell of the photocathode structure may have a structure in which a transparent conductive electrode, an electron transport layer, a quantum dot layer, an organic hole transport layer, and a counter electrode are sequentially stacked, and are compared in comparison of power conversion efficiency. The quantum dot based solar cell of the photocathode structure may be a cell whose material and the thickness of each layer are the same as the quantum dot based solar cell according to an embodiment of the present invention, and only the laminated structure of each layer is different from the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 양자점층의 두께는 100nm 내지 220nm, 상세하게 110nm 내지 200nm일 수 있다. 양자점층의 두께가 100nm 미만으로 얇은 경우 태양광을 흡수하여 광전자-광정공을 생성하는 광흡수체의 양 자체가 작아 전력변환효율이 감소될 수 있으며, 양자점층의 두께가 220nm를 초과하도록 두꺼운 경우, 광전자-광정공의 분리효율 및 이동이 저하되어 전력변환효율이 감소될 수 있다. In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the thickness of the quantum dot layer may be 100nm to 220nm, in detail 110nm to 200nm. When the thickness of the quantum dot layer is less than 100nm, the amount of light absorber that absorbs sunlight to generate photoelectron-optical holes itself is small, so the power conversion efficiency can be reduced, and when the thickness of the quantum dot layer exceeds 220nm, Separation efficiency and movement of the opto-optical hole may be reduced, thereby reducing power conversion efficiency.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 무기 반도체 양자점과 금속 산화물 양자점의 평균 결정립 크기는 하기 관계식 3을 만족할 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the average grain size of the inorganic semiconductor quantum dot and the metal oxide quantum dot may satisfy the following Equation 3.
(관계식 3) (Relationship 3)
0.5Det ≤ Dps ≤ Det0.5 Det ≤ Dps ≤ Det
관계식 3에서 Dps는 무기 반도체 양자점의 평균 결정립 크기이며, Det는 금속 산화물 양자점의 평균 결정립 크기이다.In relation 3, Dps is the average grain size of the inorganic semiconductor quantum dots, Det is the average grain size of the metal oxide quantum dots.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 전자전달층을 이루는 금속 산화물 입자가 양자점일 수 있으며, 광을 흡수하여 광전자-광정공 쌍을 생성하는 무기 반도체 양자점(광흡수체)의 평균 결정립 크기를 기준으로 0.5배 내지 1배의 크기를 가질 수 있다. 이러한 양자점층(광흡수층)을 이루는 무기 반도체 양자점 대비 전자전달층을 이루는 금속산화물 양자점의 크기는 광흡수체(무기 반도체 양자점)와 전자전달체(금속산화물 양자점)간 우수한 계면 특성에 의해 광전자의 분리 및 이동을 향상시킬 수 있으며, 전자전달층을 이루는 금속산화물이 치밀막을 이룰 수 있음에 따라, 광전자의 이동시 재결합에 의한 손실을 방지하고 원활한 전류 이동을 가능하게 할 수 있으며, 양자점층(광흡수층)과 전자전달층간 접촉 면적을 향상시킬 수 있다.As described above, in the solar cell according to the embodiment of the present invention, the metal oxide particles forming the electron transport layer may be quantum dots, and the inorganic semiconductor quantum dots (light absorbers) may absorb light to generate a photoelectron-light hole pair. It may have a size of 0.5 to 1 times based on the average grain size. The size of the metal oxide quantum dots constituting the electron transport layer compared to the inorganic semiconductor quantum dots constituting the quantum dot layer (light absorbing layer) is separated and moved by the excellent interfacial properties between the light absorber (inorganic semiconductor quantum dots) and the electron carrier (metal oxide quantum dots). As the metal oxide constituting the electron transport layer can form a dense film, it is possible to prevent loss due to recombination during the movement of the photoelectrons and to enable smooth current transfer, and the quantum dot layer (light absorption layer) and electrons The contact area between the transport layers can be improved.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 무기 반도체 양자점의 평균 결정립 크기는 2 내지 5nm일 수 있다. In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the average grain size of the inorganic semiconductor quantum dots may be 2 to 5nm.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 투명 전도성 전극은 리지드 또는 플렉시블 투명 기판의 적어도 일 표면에 투명 전도성 물질층이 형성된 것일 수 있다. In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the transparent conductive electrode may be a transparent conductive material layer formed on at least one surface of the rigid or flexible transparent substrate.
투명 기판은 기판 상부의 구조물을 지지하기 위한 지지체의 역할을 수행하며 광이 투과되는 기판이면 사용 가능하다. 일 예로, 리지드 기판으로 유리 기판을 들 수 있으며, 플렉시블 기판으로 포함하는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 트리아세틸셀룰로오스, 폴리에테르술폰 기판등을 들 수 있다.The transparent substrate serves as a support for supporting the structure on the substrate and may be used as long as the substrate transmits light. For example, a glass substrate may be used as a rigid substrate, and polyethylene terephthalate, polyimide, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polypropylene, triacetyl cellulose, polyether sulfone substrate, etc. may be included as the flexible substrate.
투명 기판의 적어도 일 면에 형성되는 투명 전도성 물질층은 전자의 에너지를 기준한 에너지 밴드 다이어그램상 유기 정공전달층의 유기 정공전달물질과 오믹 접합(정공 기준)되는 물질이면 사용 가능하다. 일 예로, 불소 함유 산화주석(FTO; Fouorine doped Tin Oxide), 인듐 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide), 또는 이들의 복합물을 들 수 있다. The transparent conductive material layer formed on at least one surface of the transparent substrate may be used as long as the material is ohmic-bonded (hole-based) with the organic hole transport material of the organic hole transport layer on the energy band diagram based on the energy of electrons. For example, fluorine-containing tin oxide (FTO; Fouorine doped Tin Oxide), indium-containing tin oxide (ITO; Indium doped Tin Oxide), or a combination thereof.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 대향 전극은 전자전달층과 오믹 접합(전자 기준)되는 물질이면 사용 가능하며, 일 예로, 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리 또는 알루미늄등의 금속 물질을 들 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the counter electrode may be used as long as the material is an ohmic junction (electron reference) with the electron transport layer. For example, gold, silver, platinum, palladium, copper, or aluminum And metal materials.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 무기 반도체 양자점은 CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbSxSe1 -x(0<x<1), Bi2S3, Bi2Se3, InP, InCuS2, In(CuGa)Se2, Sb2S3, Sb2Se3, SnSx(1≤x≤2), NiS, CoS, FeSx(1≤x≤2), In2S3, MoS 및 MoSe에서 하나 또는 둘 이상 선택된 것일 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the inorganic semiconductor quantum dots are CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbS x Se 1 -x (0 <x <1), Bi 2 S 3 , Bi 2 Se 3 , InP, InCuS 2 , In (CuGa) Se 2 , Sb 2 S 3 , Sb 2 Se 3 , SnS x (1≤x≤2), NiS, CoS, FeS x (1≤x≤2), In It may be one or more selected from 2 S 3 , MoS and MoSe.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 금속산화물 양자점은 타이타늄산화물, 아연산화물, 인듐산화물, 주석산화물, 텅스텐산화물, 나이오븀산화물, 몰리브덴산화물, 마그네슘산화물, 지르코늄산화물, 스트론튬산화물, 이트륨산화물, 라타늄산화물, 바나튬산화물, 알루미늄산화물, 갈륨산화물 및 이들의 복합산화물에서 하나 또는 둘 이상 선택된 것일 수 있다. 이때, 무기 반도체 양자점 및 금속산화물 양자점은 양자구속효과에 의해 크기에 따라 밴드갭 에너지(Eg; band gap energy) 및 에너지 밴드 다이어그램이 달라질 수 있음은 물론이며, 물질 고유의 특성과 함께 양자점 크기에 의한 영향을 모두 고려한 에너지 밴드 다이어그램을 기준으로 금속산화물 양자점의 물질이 선택될 수 있음은 물론이다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the metal oxide quantum dots are titanium oxide, zinc oxide, indium oxide, tin oxide, tungsten oxide, niobium oxide, molybdenum oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, strontium oxide, It may be one or two or more selected from yttrium oxide, uranium oxide, vanadium oxide, aluminum oxide, gallium oxide and composite oxides thereof. In this case, the band gap energy (Eg) and the energy band diagram of the inorganic semiconductor quantum dot and the metal oxide quantum dot may vary depending on the size due to the quantum confinement effect. Of course, the material of the metal oxide quantum dot can be selected based on the energy band diagram considering all the effects.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 유기 정공전달층의 유기 정공전달물질은 티오펜계 유기물일 수 있으며, 상세하게, P3HT(poly(3-hexylthiophene)), P3AT(poly(3-alkylthiophene)), P3OT(poly(3-octylthiophene), PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate)) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 유기 정공전달층의 두께는 양자점층과 투명 전도성 전극이 물리적으로 안전하게 분리되며 원활한 정공의 전달이 이루어지는 두께이면 무방하다. 구체적일 일 예로, 정공전달층의 두께는 40nm 내지 200 nm일 수 있다. In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the organic hole transport material of the organic hole transport layer may be a thiophene-based organic material, and in detail, P3HT (poly (3-hexylthiophene)), P3AT (poly ( 3-alkylthiophene)), P3OT (poly (3-octylthiophene), PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate)) or a mixture thereof. The thickness of the organic hole transport layer may be The transparent conductive electrode may be physically and safely separated, and may have a thickness in which smooth hole transfer is performed, for example, the thickness of the hole transport layer may be 40 nm to 200 nm.
전자 기준 에너지 밴드 다이어그램 상 태양전지를 구성하는 각층(투명 전도성 전극, 유기 정공전달층, 양자점층, 전자전달층, 대향전극)의 에너지 레벨은 광전자 광정공의 자발적 분리 및 자발적 이동에 영향을 미치며, 이러한 각층의 에너지 레벨 매칭(matching)에 의해 태양전지의 전력변환효율 향상이 가능하다. 또한, 각층의 물질들이 달라짐에 따라 인접하는 층간 계면에서의 접착력등이 달라질 수 있다. The energy level of each layer (transparent conductive electrode, organic hole transport layer, quantum dot layer, electron transport layer, counter electrode) constituting the solar cell on the electron reference energy band diagram affects the spontaneous separation and spontaneous movement of the photoelectron hole. The energy level matching of each layer may improve the power conversion efficiency of the solar cell. In addition, as the materials of each layer are different, the adhesive strength at an interface between adjacent layers may be changed.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지에 있어, 투명 전도성 전극은 리지드 또는 플렉시블 투명 기판의 적어도 일 표면에 ITO(Indium-Tin Oxide) 층이 형성된 전극일 수 있으며, 대향 전극은 Al 전극일 수 있다. 무기 반도체 양자점은 PbS 양자점일 수 있으며, 금속산화물 양자점은 ZnO 양자점이고, 유기 정공전달층의 유기 정공전달물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate))일 수 있다.In the quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the transparent conductive electrode may be an electrode having an indium tin oxide (ITO) layer formed on at least one surface of a rigid or flexible transparent substrate, and the opposite electrode may be an Al electrode. Can be. The inorganic semiconductor quantum dots may be PbS quantum dots, the metal oxide quantum dots may be ZnO quantum dots, and the organic hole transport material of the organic hole transport layer may be PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate)).
본 발명에 따른 양자점 기반 태양전지의 제조방법은 a) 투명 전도성 전극 상부에 유기 정공전달층을 형성하는 단계; b) 유기 정공전달층 상부에 무기 반도체 양자점을 포함하는 양자점층을 형성하는 단계; c) 양자점층 상부에 금속산화물 양자점을 포함하는 전자전달층을 형성하는 단계; d) 전자전달층 상부에 대향전극을 형성하는 단계;를 포함한다.Method for manufacturing a quantum dot-based solar cell according to the present invention comprises the steps of: a) forming an organic hole transport layer on the transparent conductive electrode; b) forming a quantum dot layer including an inorganic semiconductor quantum dot on the organic hole transport layer; c) forming an electron transport layer including a metal oxide quantum dot on the quantum dot layer; and d) forming a counter electrode on the electron transport layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지의 제조방법에 있어, a) 단계의 투명 전도성 전극은 리지드 또는 플렉시블 투명 기판의 적어도 일 표면에 투명 전도성 물질층이 형성된 것일 수 있다. 유기 정공전달층은 투명 전도성 전극 상에 유기 정공전달물질을 함유하는 용액을 도포 및 건조하여 수행될 수 있다. 유기 정공전달층을 형성하기 위해, 유기 정공전달물질의 용매로 사용되는 물질은 유기 정공전달물질이 용해되며, 태양전지의 다른 구성요소(일 예로, 투명 전도성 전극)와 화학적으로 반응하지 않는 용매이면 무방하다. 비 한정적인 일 예로, 무극성 용매, 폴리욜계 용매, 아민계 용매, 포스핀계 용매, 알코올계 용매 또는 극성 용매일 수 있다. 보다 더 구체적인 일 예로, 유기 정공전달물질이 PEDOT:PSS인 경우 물을 포함하는 극성 용매를 이용하여 유기 정공전달물질을 함유하는 용액을 제조할 수 있으며, 유기 정공전달물질이 P3AT인 경우 톨루엔, 클로로벤젠과 같은 무극성 용매를 이용하여 유기 정공전달물질을 함유하는 용액을 제조할 수 있다. 용액의 도포는 통상의 액상 도포 방법을 사용하여 수행될 수 있으며, 구체적인 일 예로, 스핀 코팅에 의해 수행될 수 있다. 건조는 유기 정공전달물질이 손상되지 않으며 용매 휘발에 의해 균일한 건조막이 수득되는 적절한 온도에서 수행될 수 있다. 비한정적인 일 예로, 건조는 60 내지 150℃에서 수행될 수 있다. 이때, 도포 및 건조에 의해 형성되는 유기 정공전달층의 두께는 40nm 내지 200 nm일 수 있다.In the method of manufacturing a quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, the transparent conductive electrode of step a) may be a transparent conductive material layer formed on at least one surface of the rigid or flexible transparent substrate. The organic hole transport layer may be performed by applying and drying a solution containing an organic hole transport material on the transparent conductive electrode. In order to form the organic hole transport layer, the material used as the solvent of the organic hole transport material is a solvent in which the organic hole transport material is dissolved and does not chemically react with other components of the solar cell (for example, a transparent conductive electrode). It's okay. As a non-limiting example, it may be a nonpolar solvent, a polyol solvent, an amine solvent, a phosphine solvent, an alcohol solvent or a polar solvent. As a more specific example, when the organic hole transport material is PEDOT: PSS, a solution containing the organic hole transport material may be prepared using a polar solvent including water, and toluene and chloro when the organic hole transport material is P3AT. A nonpolar solvent such as benzene may be used to prepare a solution containing an organic hole transport material. Application of the solution may be performed using a conventional liquid coating method, and in one specific example, may be performed by spin coating. Drying can be carried out at an appropriate temperature at which the organic hole transport material is not damaged and a uniform dry film is obtained by solvent volatilization. As a non-limiting example, drying may be performed at 60 to 150 ℃. In this case, the thickness of the organic hole transport layer formed by coating and drying may be 40nm to 200nm.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지의 제조방법에 있어, 유기 정공전달층의 유기 정공전달물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate))일 수 있다.In the method of manufacturing a quantum dot based solar cell according to an embodiment of the present invention, the organic hole transport material of the organic hole transport layer may be PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate)).
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 기반 태양전지의 제조방법에 있어, b) 단계는 무기 반도체 양자점이 분산된 분산액을 유기 정공전달층 상부에 도포 및 건조하여 수행될 수 있다. 양자점 분산액의 분산매질은 양자점이 안정적으로 분산되며, 태양전지의 다른 구성요소(일 예로, 유기 정공전달층)와 화학적으로 반응하지 않는 용매이면 무방하다. 비 한정적인 일 예로, 양자점 분산액의 분산매질은 옥탄과 같은 6 내지 14의 탄소수를 가지는 탄화수소계 용매일 수 있다. In the method of manufacturing a quantum dot-based solar cell according to an embodiment of the present invention, step b) may be performed by applying and drying a dispersion in which an inorganic semiconductor quantum dot is dispersed on an organic hole transport layer. The dispersion medium of the quantum dot dispersion may be a solvent in which the quantum dots are stably dispersed and do not chemically react with other components of the solar cell (eg, an organic hole transport layer). As a non-limiting example, the dispersion medium of the quantum dot dispersion may be a hydrocarbon solvent having 6 to 14 carbon atoms such as octane.
무기 반도체 양자점은 통상의 열분해법을 이용하여 합성될 수 있으며, 열분해법에 의한 합성시 통상적으로 양자점 표면에는 유기 리간드가 부착되어 있을 수 있다. 구체적으로, 무기 반도체 양자점은 유기 용매, 금속전구체 및 입자의 안정성을 향상시켜 줄 유기성 표면 안정제 등을 혼합하여 일정 온도로 가열하여 양자점을 핵생성 및 성장 시킨 후, 급냉(quenching)하는 방법을 사용하여 제조될 수 있다.The inorganic semiconductor quantum dots may be synthesized using a conventional pyrolysis method, and when synthesized by the pyrolysis method, an organic ligand may be attached to the surface of the quantum dot. Specifically, the inorganic semiconductor quantum dots are mixed with an organic solvent, a metal precursor and an organic surface stabilizer to improve the stability of the particles, heated to a predetermined temperature to nucleate and grow the quantum dots, and then quenched. Can be prepared.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 무기 반도체 양자점은 PbS 양자점일 수 있으며, PbS 양자점은 ACS Nano 2010,4,3374-3380와 같이 기 알려진 방법을 통해 제조될 수 있다. 상술한 바와 같이, 통상의 열분해법에 의해 제조된 양자점은 올레이트와 같은 유기기가 표면에 형성되어 있을 수 있다. 이때, 무기 반도체 양자점의 평균 결정립 크기는 2 내지 5nm일 수 있다.In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the inorganic semiconductor quantum dots may be PbS quantum dots, PbS quantum dots may be prepared by a known method such as ACS Nano 2010,4,3374-3380. As described above, in the quantum dot produced by a conventional pyrolysis method, an organic group such as oleate may be formed on the surface. In this case, the average grain size of the inorganic semiconductor quantum dots may be 2 to 5nm.
양자점 분산액의 도포는 통상의 액상 도포 방법을 사용하여 수행될 수 있으며, 구체적인 일 예로, 스핀 코팅에 의해 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, b) 단계는 층대층(layer by layer) 용액 증착(도포)를 이용하여 수행될 수 있다. 층대층 용액 증착은 올레이트와 같은 유기 리간드가 형성된 양자점이 분산된 양자점 분산액의 도포 및 3-mercaptopropionic acid(MPA) 용액의 도포를 일 단위공정으로 하여, 이러한 단위 공정을 반복 수행함으로써 이루어질 수 있다. 무기 반도체 양자점은 유기 용매에서의 분산성을 향상시키며, 양자점끼리 서로 응집되는 것을 방지하기 위해, 올레이트 리간드와 같은 유기 리간드가 표면을 감싸고 있을 수 있는데, 이러한 올레이트 리간드는 전자와 정공의 이동을 방해할 수 있다. 이러한 3-mercaptopropionic acid(MPA) 용액의 도포를 통해 올레이트 리간드와 같은 양자점에 부착된 유기 리간드를 제거할 수 있으며, 무기 반도체 양자점들이 보다 치밀하게 접촉되도록 하여, 광전자 및 광정공의 보다 원활한 이동을 가능하게 한다. 양자점층의 두께는 상술한 양자점 분산액의 도포 및 MPA 용액의 도포를 일 단위 공정으로 하여, 이러한 단위 공정을 반복 수행하여 양자점층을 반복적으로 적층함으로써 그 두께가 용이하게 조절될 수 있다.Application of the quantum dot dispersion may be carried out using a conventional liquid coating method, a specific example, it may be carried out by spin coating. More specifically, step b) may be performed using layer by layer solution deposition (application). Layer-to-layer solution deposition may be performed by repeating such a unit process by applying a quantum dot dispersion solution in which an organic ligand such as oleate is dispersed and a 3-mercaptopropionic acid (MPA) solution as one unit process. Inorganic semiconductor quantum dots improve dispersibility in organic solvents, and organic ligands such as oleate ligands may surround the surface to prevent agglomeration of quantum dots from each other. Can interfere. The application of this 3-mercaptopropionic acid (MPA) solution removes organic ligands attached to quantum dots such as oleate ligands, and allows the inorganic semiconductor quantum dots to be in close contact with each other, resulting in more smooth movement of optoelectronic and light holes. Make it possible. The thickness of the quantum dot layer may be easily controlled by repeatedly laminating the quantum dot layer by repeatedly performing such a unit process by applying the above-described quantum dot dispersion and applying the MPA solution as one unit process.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, c) 단계는 유기 금속화합물 용액을 도포하고 산소의 존재 하에 100 내지 120℃의 저온 열처리를 수행하는 단계;를 포함할 수 있다. In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, step c) may include applying an organometallic compound solution and performing a low temperature heat treatment at 100 to 120 ° C. in the presence of oxygen.
c) 단계의 유기 금속화합물은 제조하고자 하는 금속 산화물 양자점의 금속을 함유하는 유기 금속화합물로, 보다 구체적으로 C1-C7의 저탄소 알킬기와 금속이 결합된 유기 금속화합물일 수 있다. 유기 금속화합물 용액을 도포한 후 산소의 존재 하게 100 내지 120℃의 저온 열처리를 수행하여 금속산화물 양자점을 포함하는 전자전달층을 제조함에 따라, 기 형성된 무기 반도체 양자점의 손상 없이 금속산화물 양자점의 전자전달층을 제조할 수 있다.The organometallic compound of step c) is an organometallic compound containing a metal of a metal oxide quantum dot to be prepared, and more specifically, may be an organometallic compound in which a metal is bonded to a low carbon alkyl group of C1-C7. After applying the organometallic compound solution and performing the low temperature heat treatment at 100 to 120 ° C. in the presence of oxygen to prepare an electron transport layer including the metal oxide quantum dots, electron transfer of the metal oxide quantum dots without damaging the formed inorganic semiconductor quantum dots Layers can be prepared.
유기 금속화합물을 함유하는 용액의 도포는 통상의 액상 도포 방법을 사용하여 수행될 수 있으며, 구체적인 일 예로, 스핀 코팅에 의해 수행될 수 있다. 저온 열처리는 통상의 열처리를 이용하여 수행될 수 있으며, 공기 분위기에서 수행될 수 있다.Application of the solution containing the organometallic compound may be carried out using a conventional liquid coating method, for example, it may be carried out by spin coating. The low temperature heat treatment may be performed using a conventional heat treatment, and may be performed in an air atmosphere.
금속산화물 양자점으로 이루어지는 전자전달층의 두께는 유기 금속화합물을 함유하는 용액의 도포 및 저온 열처리를 일 단위공정으로 하여, 이러한 단위 공정을 반복 수행함으로써 조절될 수 있다. The thickness of the electron transport layer formed of the metal oxide quantum dots may be controlled by repeatedly performing such a unit process by applying a solution containing an organometallic compound and a low temperature heat treatment as one unit process.
본 발명이 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 금속산화물 양자점은 ZnO 양자점일 수 있다. 이때, c) 단계의 유기 금속화합물은 다이에틸 징크일 수 있다. 다이에틸 징크는 강한 반응성을 가져, 특히 저온(100 내지 120℃) 열처리를 통해 상술한 관계식 3을 만족하는 산화 아연 양자점을 제조할 수 있다.In the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, the metal oxide quantum dots may be ZnO quantum dots. In this case, the organometallic compound of step c) may be diethyl zinc. Diethyl zinc has a strong reactivity, in particular, can be produced zinc oxide quantum dots satisfying the above-mentioned equation 3 through low temperature (100 to 120 ℃) heat treatment.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, b) 단계는 무기 반도체 양자점 분산액을 도포하는 단계;를 일 단위 공정으로 하고, c) 단계는 유기 금속화합물 용액을 도포하고 산소의 존재 하에 100 내지 120℃의 저온 열처리를 수행하는 단계;를 다른 일 단위 공정으로 하여, b) 단계의 단위 공정을 반복 수행하고, c) 단계의 단위 공정을 반복하여 수행함으로써, 전자전달층의 두께와 양자점층의 두께가 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, step b) is a step of applying an inorganic semiconductor quantum dot dispersion; as a unit process, step c) is applied to the organic metal compound solution and 100 to 100 in the presence of oxygen Performing a low temperature heat treatment at 120 ° C. as another unit process, repeating the unit process of step b), and repeating the unit process of step c), thereby resolving the thickness of the electron transport layer and the quantum dot layer. The thickness may satisfy the following Equation 1.
(관계식1) (Relationship 1)
0.2 Tqd ≤ Te ≤ Tqd0.2 Tqd ≤ Te ≤ Tqd
관계식 1에서 Te는 전자전달층의 두께이며, Tqd는 양자점층의 두께이다.In relation 1, Te is the thickness of the electron transport layer, Tqd is the thickness of the quantum dot layer.
이때, b) 단계의 단위공정은 무기 반도체 양자점 분산액을 도포하는 단계 및 도포된 도포막에 3-mercaptopropionic acid(MPA) 용액을 도포한 후 건조하는 단계를 포함할 수 있다.In this case, the unit process of step b) may include applying an inorganic semiconductor quantum dot dispersion and applying a 3-mercaptopropionic acid (MPA) solution to the applied coating film and then drying.
구체적으로, b) 단계의 단위공정 및 c) 단계의 단위공정을 반복 수행하여, 관계식 2를 만족하도록 전자전달층과 양자점층을 형성할 수 있다.Specifically, the electron transfer layer and the quantum dot layer may be formed to repeat the unit process of step b) and the unit process of step c) to satisfy the equation (2).
(관계식2)(Relationship 2)
0.2 Tqd ≤ Te ≤ 0.5Tqd0.2 Tqd ≤ Te ≤ 0.5Tqd
이때, b) 단계는 양자점층의 두께가 100nm 내지 220nm이 되도록 단위공정을 반복 수행할 수 있다. In this case, step b) may be repeated the unit process so that the thickness of the quantum dot layer is 100nm to 220nm.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, d) 단계의 대향전극은 반도체 공정에서 사용되는 통상의 금속 증착 방법을 통해 수행되면 족하다. 일 예로, 제2전극은 물리적 증착(physical vapor deposition) 또는 화학적 증착(chemical vapor deposition)을 이용하여 형성될 수 있으며, 열 증착(thermal evaporation)에 의해 형성될 수 있다.In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the counter electrode of step d) may be performed through a conventional metal deposition method used in a semiconductor process. For example, the second electrode may be formed using physical vapor deposition or chemical vapor deposition, and may be formed by thermal evaporation.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어, 대향전극은 Al 전극일 수 있다. Al 전극의 두께는 안정적인 통전이 가능한 두께이면 무방하며, 비한정적인 일 예로, 50 내지 200nm 두께일 수 있다. In the manufacturing method according to an embodiment of the present invention, the counter electrode may be an Al electrode. The thickness of the Al electrode may be any thickness capable of stable energization. For example, the Al electrode may have a thickness of 50 to 200 nm.
(제조예)(Production example)
ACS Nano 2010,4,3374-3380를 참고하여 올레이트 리간드가 형성된 PbS 양자점을 제조하였다. 구체적으로, 0.44g PbO, 1.5 ml 올레익 산 및 3 ml의 1-옥타데센을 플라스트에 혼합한 후 진공에서 100℃ 로 12시간 유지한 후 15 ml 의 1-옥타데센을 주입 후 아르곤으로 분위기를 변화시키며 125℃로 가열하였다. 헥사메틸디실란티안(hexamethyldisilathiane) 180μl과 1-옥타데센 10ml을 혼합한 후 플라스크에 신속히 투입한 후 1분 동안 125℃의 가열을 유지하고 상온으로 냉각하여 PbS 양자점을 제조하였다. 제조된 PbS 양자점은 원심분리를 통해 회수하였으며, 톨루엔(3ml), 에탄올(15ml) 및 아세톤(15ml)이 혼합된 혼합액을 이용하여 세척하였다.PbS quantum dots in which an oleate ligand was formed were prepared by referring to ACS Nano 2010, 4, 3374-3380. Specifically, 0.44 g PbO, 1.5 ml oleic acid and 3 ml of 1-octadecene were mixed in the flask, and then maintained at 100 ° C. in vacuum for 12 hours, and then 15 ml of 1-octadecene was injected into the atmosphere with argon. Heated to 125 ° C. PbS quantum dots were prepared by mixing 180 μl of hexamethyldisilathiane and 10 ml of 1-octadecene and then rapidly adding the flask to the flask, maintaining the heating at 125 ° C. for 1 minute, and cooling to room temperature. The prepared PbS quantum dots were recovered by centrifugation, and washed with a mixed solution of toluene (3 ml), ethanol (15 ml) and acetone (15 ml).
(실시예)(Example)
ITO 코팅된 유리기판 상에 PEDOT:PSS 용액(Clevios PH, H.C.Statck, Germany)을 5000rpm으로 60초 동안 스핀 코팅한 후 140℃에서 10분 동안 건조하여 유기 정공전달층을 형성하였다.The PEDOT: PSS solution (Clevios PH, H.C. Statck, Germany) was spin-coated at 5000 rpm for 60 seconds on an ITO coated glass substrate and dried at 140 ° C. for 10 minutes to form an organic hole transport layer.
유기 정공전달층 상에, 제조예에서 제조된 PbS 양자점이 옥탄(octane)에 분산된 양자점 분산액(10mg/mL)을 1500rpm으로 15초 동안 스핀 코팅한 후, 양자점이 코팅된 기판을 3-mercaptopropionic acid를 10 부피% 함유하는 메탄올 용액에 1분 동안 침지시켰다. 이후, 메탄올과 옥탄을 1500rpm으로 15초 동안 스핀 코팅하여 세척을 수행하였다. On the organic hole transport layer, after spin coating the quantum dot dispersion (10 mg / mL) prepared in the preparation example in octane at 1500 rpm for 15 seconds, the substrate coated with the quantum dot 3-mercaptopropionic acid Was immersed in a methanol solution containing 10% by volume for 1 minute. Thereafter, washing was performed by spin coating methanol and octane at 1500 rpm for 15 seconds.
이러한 양자점 분산액의 도포, 3-mercaptopropionic acid 용액에의 침지 및 세척을 반복하여, 두께가 110nm, 160nm, 210nm 또는 260nm인 양자점층을 제조하였다.Application of the quantum dot dispersion, immersion and washing in the 3-mercaptopropionic acid solution were repeated to prepare a quantum dot layer having a thickness of 110 nm, 160 nm, 210 nm or 260 nm.
15 중량%의 디에틸징크가 용해된 톨루엔 용액과 테트라하이드로퓨란을 1 : 2의 부피비로 혼합하여 희석된 전구체 용액을 제조하였다. 희석된 전구체 용액을 0.45μm의 실린지 필터로 필터링한 후, 필터링된 전구체 용액을 양자점층 상부에 3000rpm으로 30초 동안 공기중 스핀코팅한 후 핫 플레이트를 이용하여 110℃에서 10분 동안 공기중 열처리하여 ZnO 양자점으로 이루어진 전자전달층을 제조하였다.Toluene solution in which 15% by weight of diethyl zinc was dissolved and tetrahydrofuran were mixed at a volume ratio of 1: 2 to prepare a diluted precursor solution. After diluting the precursor solution with a 0.45 μm syringe filter, the filtered precursor solution was spin-coated in the air for 30 seconds at 3000 rpm on top of the quantum dot layer, and then heat-treated in air at 110 ° C. for 10 minutes using a hot plate. To prepare an electron transport layer consisting of ZnO quantum dots.
이때, 스핀 코팅과 핫 플레이트를 이용한 열처리를 반복함으로써, 두께가 60nm, 120nm, 180nm 또는 240nm인 전자전달층을 제조하였다.At this time, by repeating the heat treatment using a spin coating and a hot plate, an electron transport layer having a thickness of 60nm, 120nm, 180nm or 240nm was prepared.
이후, 전자전달층이 형성된 기판을 진공 챔버에 장입한 후, 열증착을 이용하여 100nm 두께의 Al 전극을 형성하였다. 이때, Al 전극의 면적은 13mm2이었다.Thereafter, the substrate on which the electron transport layer was formed was charged into a vacuum chamber, and then an Al electrode having a thickness of 100 nm was formed using thermal deposition. At this time, the area of the Al electrode was 13 mm 2 .
(비교예)(Comparative Example)
실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하되, ITO 코팅된 유리기판 상에 두께가 60nm인 전자전달층을 형성한 후, 전자전달층 상에 두께가 160nm인 PbS 양자점층을 형성하고, 양자점층 상에 PEDOT:PSS 용액을 도포하여 유기 정공전달층을 형성하여 광음극 구조의 태양전지를 제조하였다.A solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that an electron transport layer having a thickness of 60 nm was formed on an ITO-coated glass substrate, and then a PbS quantum dot layer having a thickness of 160 nm was formed on the electron transport layer. A PEDOT: PSS solution was applied on the surface to form an organic hole transport layer, thereby manufacturing a solar cell having a photocathode structure.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 실 제조된 태양전지의 투과전자현미경 사진으로, 오른쪽 상부에는 ZnO의 HR-TEM(High Resolution TEM) 사진을, 오른쪽 하부에는 PbS의 HR-TEM 사진을 함께 도시하였다. 도 1에서 알 수 있듯이 치밀한 층으로 PbS 양자점으로 이루어진 양자점층과 ZnO 양자점으로 이루어진 전자전달층이 형성되었다. 또한, 도 1의 HR-TEM 사진에서 알 수 있듯이, PbS 양자점의 평균 결정립 크기(diameter)는 3.7nm이었으며, ZnO 양자점의 평균 결정립 크기(diameter)는 5.1nm이었다. 도 2는 자외선-근적외선의 광조사시 PbS 양자점 용액과 ZnO 양자점 전자전달층의 광흡수율을 도시한 도면으로, 도 2에서 일차 여기자 전이 피크(first exciton transition peak)가 950nm에서 발생함을 알 수 있으며, 이러한 PbS 양자점의 광흡수 특성은 HR-TEM을 통해 관찰한 평균 결정립 크기 결과와 일치함을 알 수 있다. 1 is a transmission electron micrograph of a solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention, the upper right of the HR-TEM (High Resolution TEM) picture of ZnO, the lower right of the HR-TEM picture together with Shown. As can be seen in FIG. 1, a dense layer was formed of a quantum dot layer made of PbS quantum dots and an electron transfer layer made of ZnO quantum dots. In addition, as can be seen in the HR-TEM photograph of FIG. 1, the average grain size of PbS quantum dots was 3.7 nm, and the average grain size of ZnO quantum dots was 5.1 nm. FIG. 2 is a diagram illustrating the light absorption of the PbS quantum dot solution and the ZnO quantum dot electron transport layer when irradiated with UV-NIR light. In FIG. 2, a first exciton transition peak occurs at 950 nm. It can be seen that the light absorption characteristics of the PbS quantum dots are consistent with the average grain size observed through HR-TEM.
표 1은 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지의 특성을 정리 도시한 것으로, 태양전지의 특성은 100mW/cm2, AM1.5G의 조건으로 인공태양장치와 소스미터를 이용하여 측정하였다.Table 1 summarizes the characteristics of the solar cells manufactured in Examples and Comparative Examples. The characteristics of the solar cells were measured using an artificial solar device and a source meter under conditions of 100 mW / cm 2 and AM1.5G.
(표 1)Table 1
표 1에서 *는 비교예에서 제조된 광음극 구조를 갖는 태양전지의 결과를 의미하며, PbS Thickness는 실시예에서 제조된 태양전지의 양자점층 두께를, ZnO Thickness는 전자전달층의 두께를 의미한다.In Table 1, * means the result of the solar cell having the photocathode structure manufactured in Comparative Example, PbS Thickness is the quantum dot layer thickness of the solar cell manufactured in Example, ZnO Thickness means the thickness of the electron transport layer. .
표 1에서 알 수 있듯이, 광음극 구조를 갖는 태양전지 대비 동일 양자점층의 두께 및 전자전달층의 두께를 갖는 광양극 구조를 갖는 태양전지의 경우 1.7배 이상의 전력변환효율을 가짐을 알 수 있다.As can be seen from Table 1, it can be seen that a solar cell having a photocathode structure having a thickness of the same quantum dot layer and an electron transport layer has a power conversion efficiency of 1.7 times or more compared with a solar cell having a photocathode structure.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양전지의 경우, 통상의 광음극 구조를 갖는 태양전지 대비, 단락전류 밀도(Jsc), 개방 전압(Voc) 및 성능 지수(FF)가 모두 향상됨을 알 수 있다. In the case of the solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention, it can be seen that the short circuit current density (Jsc), the open circuit voltage (Voc), and the figure of merit (FF) are all improved compared to a solar cell having a conventional photocathode structure. have.
표 1을 통해, 전자전달층의 두께 및 양자점층의 두께에 의해 태양전지의 특성이 현저하게 영향을 받음을 알 수 있는데, ZnO 양자점으로 이루어진 전자전달층의 두께가 양자점층의 두께보다 두꺼워지는 경우 전력변환효율이 감소함을 알 수 있다. 또한, 260nm와 같이 양자점층의 두께가 과도하게 두꺼운 경우 전력변환효율이 감소함을 알 수 있으며, 동일한 전자전달층의 두께에서 110nm 두께의 양자점층이 형성된 경우 160nm 두께의 양자점층이 형성된 태양전지 대비 전력변환효율이 감소함을 알 수 있다.From Table 1, it can be seen that the characteristics of the solar cell are significantly affected by the thickness of the electron transport layer and the thickness of the quantum dot layer. When the thickness of the electron transport layer made of ZnO quantum dots becomes thicker than the thickness of the quantum dot layer It can be seen that the power conversion efficiency is reduced. In addition, when the thickness of the quantum dot layer is excessively thick, such as 260 nm, it can be seen that the power conversion efficiency is reduced. It can be seen that the power conversion efficiency is reduced.
이를 통해, 전자전달층의 두께가 양자점층 두께와 같거나 더 얇은 경우 전력변환효율을 증가시킬 수 있음을 알 수 있으며, 상세하게, 전자전달층의 두께가 양자점층 두께를 기준으로 0.5배 이하의 두께를 가질 때 전력변환효율이 크게 향상됨을 알 수 있다. 또한, 양자점층의 두께가 100nm 내지 220nm의 두께일 때 전련변환효율을 증가시킬 수 있음을 알 수 있으며, 상세하게, 양자점층의 두께가 110nm 내지 200nm 일 때 전력변환효율이 크게 향상됨을 알 수 있다.Through this, it can be seen that when the thickness of the electron transport layer is equal to or thinner than the quantum dot layer thickness, the power conversion efficiency can be increased. In detail, the thickness of the electron transport layer is 0.5 times or less based on the thickness of the quantum dot layer. It can be seen that the power conversion efficiency is greatly improved when having a thickness. In addition, it can be seen that the thickness conversion efficiency can be increased when the thickness of the quantum dot layer is 100nm to 220nm, in detail, it can be seen that the power conversion efficiency is greatly improved when the thickness of the quantum dot layer is 110nm to 200nm. .
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. In the present invention as described above has been described by specific embodiments and limited embodiments and drawings, but this is only provided to help a more general understanding of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiments, the present invention Those skilled in the art can make various modifications and variations from this description.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all the things that are equivalent to or equivalent to the claims as well as the following claims will belong to the scope of the present invention. .
Claims (18)
상기 전자전달층의 두께와 상기 양자점층의 두께는 하기 관계식 2를 만족하며,
상기 무기 반도체 양자점과 상기 금속 산화물 양자점의 평균 결정립 크기는 하기 관계식 3을 만족하고,
상기 양자점층의 두께는 100nm 내지 220nm인 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지.
(관계식 2)
0.2 Tqd ≤ Te ≤ 0.5Tqd
(상기 관계식 2에서 Te는 전자전달층의 두께이며, Tqd는 양자점층의 두께이다)
(관계식 3)
0.5Det ≤ Dps ≤ Det
(관계식 3에서 Dps는 무기 반도체 양자점의 평균 결정립 크기이며, Det는 금속 산화물 양자점의 평균 결정립 크기이다)Transparent conductive electrodes; An organic hole transport layer formed on the transparent conductive electrode; A quantum dot layer formed on the organic hole transport layer and including an inorganic semiconductor quantum dot; An electron transport layer formed on the quantum dot layer and including a metal oxide quantum dot; It includes; the counter electrode formed on the electron transport layer;
The thickness of the electron transport layer and the thickness of the quantum dot layer satisfies the following relation 2,
The average grain size of the inorganic semiconductor quantum dot and the metal oxide quantum dot satisfies the following relation 3,
The thickness of the quantum dot layer is 100nm to 220nm solar cell of the quantum dot-based photoanode structure.
(Relationship 2)
0.2 Tqd ≤ Te ≤ 0.5Tqd
(In relation 2, Te is the thickness of the electron transport layer, Tqd is the thickness of the quantum dot layer)
(Relationship 3)
0.5 Det ≤ Dps ≤ Det
(Dps is the average grain size of the inorganic semiconductor quantum dots, and Det is the average grain size of the metal oxide quantum dots in relation 3)
상기 무기 반도체 양자점의 평균 결정립 크기는 2 내지 5nm 인 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지.The method of claim 1,
A solar cell having a quantum dot-based photoanode structure having an average grain size of the inorganic semiconductor quantum dots is 2 to 5nm.
상기 투명 전도성 전극은 리지드 또는 플렉시블 투명 기판의 적어도 일 표면에 ITO(Indium-Tin Oxide) 층이 형성된 전극이며, 상기 대향 전극은 Al 전극인 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지.The method of claim 1,
The transparent conductive electrode is an electrode in which an indium-tin oxide (ITO) layer is formed on at least one surface of a rigid or flexible transparent substrate, and the counter electrode is an Al electrode.
상기 무기 반도체 양자점은 PbS 양자점인 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지.The method of claim 1,
The inorganic semiconductor quantum dot is a PbS quantum dot solar cell having a quantum dot-based photoanode structure.
상기 금속산화물 양자점은 ZnO 양자점인 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지.The method of claim 8,
The metal oxide quantum dot is a ZnO quantum dot solar cell having a quantum dot-based photoanode structure.
상기 유기 정공전달층의 유기 정공전달물질은 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate))인 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지.The method of claim 9,
The organic hole transport material of the organic hole transport layer is PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate)) is a quantum dot-based photoanode structured solar cell.
b) 상기 유기 정공전달층 상부에 무기 반도체 양자점을 포함하는 양자점층을 형성하는 단계;
c) 상기 양자점층 상부에 금속산화물 양자점을 포함하는 전자전달층을 형성하는 단계;
d) 상기 전자전달층 상부에 대향전극을 형성하는 단계;
를 포함하되,
상기 전자전달층의 두께와 상기 양자점층의 두께는 하기 관계식 2를 만족하며,
상기 무기 반도체 양자점과 상기 금속 산화물 양자점의 평균 결정립 크기는 하기 관계식 3을 만족하고,
상기 양자점층의 두께는 100nm 내지 220nm인 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지의 제조방법.
(관계식 2)
0.2 Tqd ≤ Te ≤ 0.5Tqd
(상기 관계식 2에서 Te는 전자전달층의 두께이며, Tqd는 양자점층의 두께이다)
(관계식 3)
0.5Det ≤ Dps ≤ Det
(관계식 3에서 Dps는 무기 반도체 양자점의 평균 결정립 크기이며, Det는 금속 산화물 양자점의 평균 결정립 크기이다)a) forming an organic hole transport layer on the transparent conductive electrode;
b) forming a quantum dot layer including an inorganic semiconductor quantum dot on the organic hole transport layer;
c) forming an electron transport layer including a metal oxide quantum dot on the quantum dot layer;
d) forming a counter electrode on the electron transport layer;
Including,
The thickness of the electron transport layer and the thickness of the quantum dot layer satisfies the following relation 2,
The average grain size of the inorganic semiconductor quantum dot and the metal oxide quantum dot satisfies the following relation 3,
The thickness of the quantum dot layer is a manufacturing method of a solar cell having a quantum dot-based photoanode structure of 100nm to 220nm.
(Relationship 2)
0.2 Tqd ≤ Te ≤ 0.5Tqd
(In relation 2, Te is the thickness of the electron transport layer, Tqd is the thickness of the quantum dot layer)
(Relationship 3)
0.5 Det ≤ Dps ≤ Det
(Dps is the average grain size of the inorganic semiconductor quantum dots, and Det is the average grain size of the metal oxide quantum dots in relation 3)
상기 c) 단계는 유기 금속화합물 용액을 도포하고 산소의 존재 하에 100 내지 120℃의 저온 열처리를 수행하는 단계;를 포함하는 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지의 제조방법.The method of claim 11,
Wherein c) is a method of manufacturing a solar cell having a quantum dot-based photoanode structure comprising the step of applying an organic metal compound solution and performing a low temperature heat treatment of 100 to 120 ℃ in the presence of oxygen.
상기 유기 금속화합물은 디에틸징크인 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지의 제조방법.The method of claim 12,
The organometallic compound is a diethyl zinc quantum dot-based photoanode structure of a solar cell manufacturing method.
상기 b) 단계는 무기 반도체 양자점 분산액을 도포하는 단계;를 포함하는 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지의 제조방법.The method of claim 11,
The step b) is a method of manufacturing a solar cell having a quantum dot-based photoanode structure comprising the step of applying an inorganic semiconductor quantum dot dispersion.
상기 무기 반도체 양자점은 PbS 양자점인 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지의 제조방법. The method of claim 13,
The inorganic semiconductor quantum dot is a PbS quantum dot manufacturing method of a solar cell having a quantum dot-based photoanode structure.
상기 b) 단계는 무기 반도체 양자점 분산액을 도포하는 단계;를 일 단위 공정으로 하고,
상기 c) 단계는 유기 금속화합물 용액을 도포하고 산소의 존재 하에 100 내지 120℃의 저온 열처리를 수행하는 단계;를 다른 일 단위 공정으로 하여,
상기 b) 단계의 단위 공정을 반복 수행하고, 상기 c) 단계의 단위 공정을 반복하여 수행하는 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지의 제조방법.The method of claim 11,
B) the step of applying an inorganic semiconductor quantum dot dispersion; as a unit process,
Step c) is a step of applying an organometallic compound solution and performing a low temperature heat treatment of 100 to 120 ℃ in the presence of oxygen;
The method of manufacturing a solar cell of a quantum dot-based photoanode structure is performed by repeating the unit process of step b), and repeating the unit process of step c).
상기 a) 단계는 PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate))를 함유하는 유기 정공전달 용액을 도포 및 건조하는 단계;를 포함하는 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지의 제조방법.The method of claim 15,
The step a) is a method of manufacturing a solar cell having a quantum dot-based photoanode structure comprising the step of applying and drying an organic hole transport solution containing PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate)) .
상기 투명 전도성 전극은 리지드 또는 플렉시블 투명 기판의 적어도 일 표면에 ITO(Indium-Tin Oxide) 층이 형성된 전극이며, 상기 대향 전극은 Al 전극인 양자점 기반 광양극 구조의 태양전지의 제조방법.
The method of claim 17,
The transparent conductive electrode is an electrode in which an indium-tin oxide (ITO) layer is formed on at least one surface of a rigid or flexible transparent substrate, and the counter electrode is an Al electrode.
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