KR102429174B1 - 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법 및 양자점 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
양자점 태양 전지용 광활성층 제조 방법은 용액 치환법으로 양자점 용액을 치환하여 양자점 잉크를 형성하는 단계, 기판 상에 Pb를 포함하는 상기 양자점 잉크를 스프레이 코팅하여 양자점층을 형성하는 단계, 및 상기 양자점층을 후처리하여 광활성층을 형성하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법 및 양자점 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
양자점 태양 전지는 차세대 태양 전지 후보군 중 하나로 꾸준히 개발되고 있다. '양자점'(Quantun dot)은 빛 등의 에너지로 자극하면 빛을 발하는 나노 크기의 반도체적 구조물 입자로써, 입자의 크기에 따라 방출하는 빛의 색상이 달라지는 물질이다. 물질의 크기가 작아져서 물질의 차원이 낮아지면 전자상태밀도와 에너지가 다르기 때문에 물질의 특성도 차원에 따라 각기 다르게 나타나는데, 예를 들면, 수 나노미터(nm) 크기의 작은 나노입자에서는 일반적인 물질에서 나타나지 않는 양자구속효과(quantum confinement effect)가 나타난다.
자동차, 버스와 같은 운송 수단은 면적이 넓어 태양 전지 장착시 전지의 출력을 증가시킬 수 있다. 다만, 종래의 태양 전지들은 접합 필름을 통해 운송 수단에 장착하였고, 이에 따라, 비용, 무게 증가 등으로 태양 전지의 효율성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상온에서 안정하고, 운송 수단과 일체형으로 형성 가능한 양자점 태양 전지용 광활성층을 제공할 수 있는 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상온에서 안정하고, 운송 수단과 일체형으로 형성 가능한 양자점 태양 전지를 제공할 수 있는 양자점 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층 제조 방법은 용액 치환법으로 양자점 용액을 치환하여 양자점 잉크를 형성하는 단계, 기판 상에 Pb를 포함하는 상기 양자점 잉크를 스프레이 코팅하여 양자점층을 형성하는 단계, 및 상기 양자점층을 후처리하여 광활성층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 광활성층을 형성하는 단계는 상기 양자점층을 PbI2 리간드 용액으로 후처리하는 것일 수 있다.
상기 광활성층을 형성하는 단계는 상기 양자점층을 후처리 한 후, 상기 리간드 용액을 80 내지 100℃에서 30초 내지 90초 동안 건조하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 광활성층을 형성하는 단계는 용매 증기 소킹법(Solvent vapor soaking)으로 30초 내지 250초 동안 수행되는 것일 수 있다.
상기 용매 증기 소킹법은 다이메틸포름아미드(Dimethylformamide) 또는 다이메틸포름아미드(Dimethylformamide) 및 부틸아민(Butylamine)의 혼합 용매로 수행되는 것일 수 있다.
상기 광활성층을 형성하는 단계는 딥코팅법(Dip coating), 드롭핑(Dropping), 또는 스핀 코팅법(Spin coating)으로 수행되는 것일 수 있다.
상기 양자점 용액은 다이메틸포름아미드(Dimethylformamide) 및 부틸아민(Butylamine)을 용매로 포함하고, 상기 다이메틸포름아미드 및 상기 부틸아민의 중량% 비율은 1:100 내지 1:300인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지의 제조 방법은 양극을 제공하는 단계, 상기 양극 상에 광활성층을 제공하는 단계, 및 상기 광활성층 상에 음극을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 광활성층을 제공하는 단계는 용액 치환법으로 양자점 용액을 치환하여 양자점 잉크를 형성하는 단계, 기판 상에 Pb를 포함하는 상기 양자점 잉크를 스프레이 코팅하여 양자점층을 형성하는 단계, 및 상기 양자점층을 후처리하여 광활성층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 따르면, 상온에서 안정하고, 운송 수단과 일체형으로 형성 가능한 양자점 태양 전지용 광활성층을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지의 제조 방법에 따르면, 상온에서 안정하고, 운송 수단과 일체형으로 형성 가능한 양자점 태양 전지를 제공할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 포함되는 양자점층을 형성하는 단계를 순차적으로 나타낸 단면도이다.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 의해 제조된 광활성층의 개략적인 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 포함되는 양자점층을 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 포함되는 양자점층을 형성하는 단계에 사용되는 스프레이 기기의 개략적인 평면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 포함되는 광활성층을 형성하는 단계를 수행하는 예시적인 단면도이다.
도 5는 실험예 2의 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 도 6d는 실험예 8에서 날짜별 전력변환효율(Power Conversion Efficiency(PCE)), 오픈-써킷 전압(open-circuit voltage(VOC)), 숏-써킷 전류(short-circuit current(JSC)), 및 필 팩터(fill factor(FF))의 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7는 실험예 9의 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8는 실험예 10의 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 포함되는 양자점층을 형성하는 단계를 순차적으로 나타낸 단면도이다.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 의해 제조된 광활성층의 개략적인 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 포함되는 양자점층을 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 포함되는 양자점층을 형성하는 단계에 사용되는 스프레이 기기의 개략적인 평면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 포함되는 광활성층을 형성하는 단계를 수행하는 예시적인 단면도이다.
도 5는 실험예 2의 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 도 6d는 실험예 8에서 날짜별 전력변환효율(Power Conversion Efficiency(PCE)), 오픈-써킷 전압(open-circuit voltage(VOC)), 숏-써킷 전류(short-circuit current(JSC)), 및 필 팩터(fill factor(FF))의 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7는 실험예 9의 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8는 실험예 10의 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법의 개략적인 순서도이다. 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지의 제조 방법은 양극을 제공하는 단계(S10), 양극 상에 광활성층을 제공하는 단계(S20), 및 광활성층 상에 음극을 제공하는 단계(S30)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층 제조 방법은 용액 치환법으로 양자점 용액을 치환하여 양자점 잉크를 형성하는 단계(S100), 기판 상에 Pb를 포함하는 양자점 잉크를 스프레이 코팅하여 양자점층을 형성하는 단계(S200), 및 양자점층을 후처리하여 광활성층을 형성하는 단계(S300)를 포함한다.
양자점 잉크를 형성하는 단계(S100)는 용액 치환법으로 치환된 양자점 용액으로 양자점 잉크를 형성한다. 양자점층을 형성한 후 리간드를 치환하여야 하는 고상 치환법과 달리, 본 발명의 일실시예에 포함되는 용액 치환법은 양자점층을 형성하기 이전에 리간드를 치환하여 공정을 간소화할 수 있고, 운송 수단에 직접 양자점층을 형성할 경우 운송 수단에 생길 수 있는 결함을 최소화할 수 있다.
양자점 용액은 예를 들어, 다이메틸포름아미드(Dimethylformamide) 및 부틸아민(Butylamine)을 용매로 포함하고, 다이메틸포름아미드 및 부틸아민의 중량% 비율은 1:100 내지 1:300인 것일 수 있다. 중량% 비율이 1:100 미만이면, 부틸아민이 적어, 아민기가 충분히 확보되지 않아, 양자점의 분산도 및 양자점 계면에서의 표면 결합력이 떨어질 수 있고, 중량% 비율이 1:300 초과이면, 다이메틸포름아미드의 비율이 낮아 용매의 용해도가 떨어진다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 포함되는 양자점층을 형성하는 단계를 순차적으로 나타낸 단면도이다. 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 의해 제조된 광활성층의 개략적인 단면도이다. 도 2a 내지 도 2c에서는 설명의 편의상 기판(100)을 간략하게 도시하였으나, 이 때 기판(100)은 운송 수단, 또는 운송 수단의 일부일 수 있다. 운송 수단은 자동차, 버스, 비행기, 자전거, 배 등 사람 또는 물건을 운송할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않는다. 기판(100)은 예를 들어 배치 기판(10) 상에 제공될 수 있다.
도 1a, 도 1b, 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 양자점층(200)을 형성하는 단계는 스프레이 코팅법으로 수행된다. 스핀 코팅법은 소면적의 양자점층을 수행할 때 적합하고, 연속적인 공정에 사용하기 어렵다. 따라서, 운송 수단에 직접 광활성층(300)을 형성하는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층(300)의 제조 방법에는 바람직하지 않다. 스프레이 코팅법은 운송 수단의 구조물에 직접 용액(30)을 스프레이하여 제작이 가능하여, 공정을 간소화할 수 있고, 대면적에도 균일하게 양자점층(200)을 형성할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 포함되는 양자점층을 형성하는 단계를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1b 및 도 3a를 참조하면, 양자점층(200)을 형성하는 단계(S200)는 스프레이 기기(20)을 통해 수행되는 것일 수 있다. 양자점층(200)을 형성하는 단계(S200)는 기판(100)을 X축 및 Y축으로 이동할 수 있는 배치 기판(10) 상에 배치하여 연속적으로 수행할 수도 있다. 도 3a에서는 설명의 편의상 기판(100)을 간략하게 도시하였으나, 이 때 기판(100)은 운송 수단, 또는 운송 수단의 일부일 수 있다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 포함되는 양자점층을 형성하는 단계에 사용되는 스프레이 기기의 개략적인 평면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 스프레이 기기(20)는 오르피스 노즐(24)을 포함할 수 있다. 오르피스 노즐(24)의 크기 및 오르피스 노즐(24)과 기판(100) 사이의 거리를 조절하여 양자점층(도 2c의 200)의 도포 두께, 도포 면적 등을 조절할 수 있다. 스프레이 기기(20)는 예를 들어 양자점 제공부(21), 애터마이제이션부(atomization)(22), 및 압력 조절부(23)를 포함할 수 있다. 양자점 제공부(21)는 교질의 양자점(Colloidal quantum dot)를 제공하는 것일 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법에 포함되는 광활성층을 형성하는 단계를 수행하는 예시적인 단면도이다. 도 4a 내지 도 4c에서는 설명의 편의상 도 3a의 기판(100)을 생략하였으나, 이는 생략되지 않을 수 있다.
광활성층(300)을 형성하는 단계(S300)는 양자점층(200)을 PbI2 리간드 용액으로 후처리하는 것일 수 있다. 종래의 PbS 대신, PbI2를 사용하여, 태양 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
광활성층(300)을 형성하는 단계(S300)는 양자점층(200)을 후처리 한 후, 리간드 용액을 80 내지 100℃에서 30초 내지 90초 동안 건조하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. 리간드는 유기물로, 상기 온도 및 상기 시간 범위 내에서 건조를 수행하여야, 리간드의 손상을 줄일 수 있다. 리간드를 고온에서 급속하게 건조하면 양자점층(200)에 결함이 생겨 태양 전지의 성능이 하락할 수 있다.
도 1b, 도 2a 내지 도 2d 및 도 4a를 참조하면, 광활성층(300)을 형성하는 단계(S300)는 용매 증기 소킹법(Solvent vapor soaking)으로 30초 내지 250초 동안 수행되는 것일 수 있다. 용매 증기 소킹법은 다이메틸포름아미드 또는 다이메틸포름아미드 및 부틸아민(Butylamine)의 혼합 용매로 수행되는 것일 수 있다. 용매 증기 소킹법을 통해 기판(100) 상에 미리 건조되어 불안정하게 도포된 양자점층(200)을 재배열하여 균일한 광활성층(300)을 형성할 수 있다. 용매 증기 소킹법을 30초 미만으로 수행하면, 양자점층(200)을 재배열하기 위한 시간이 부족할 수 있고, 250초 이상 수행되면 열에 의해 양자점층(200)에 손상이 가해질 수 있다.
도 1b, 도 2a 내지 도 2d, 도 4b, 및 도 4c 를 참조하면, 광활성층(300)을 형성하는 단계(S300)는 딥코팅법(Dip coating), 드롭핑(Dropping), 또는 스핀 코팅법(Spin coating)으로 수행되는 것일 수 있다. 도 4b를 참조하면, 용기(50)에 용매(40)를 담고 양자점층(200)을 침지하여 광활성층(300)을 형성할 수 있다. 도 4c를 참조하면, 드롭기기(60)를 통해 양자점층(200)에 용매(40)를 떨어뜨려 광활성층(300)을 형성할 수도 있다. 또한, 도시하지는 않았으나, 작은 전지의 경우 스핀 코팅법을 통해서 광활성층(300)을 형성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지용 광활성층의 제조 방법은 상온에서 안정하고, 공정을 간소화할 수 있고, 운송 수단의 구조물에 직접적으로, 균일하게 광활성층을 제조할 수 있다. 또한 이를 활용한 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 태양 전지의 제조 방법은 종래의 양자점 태양 전지보다 성능이 향상된 양자점 태양 전지를 제공할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
표 1에 나타난 용매로 각각 후처리 없이 양자점층 제조하였고, TiO2로 양극, MoO3/Au/Ag로 음극을 형성하여 태양 전지를 제조하였다. 각각의 전력변환효율(Power Conversion Efficiency(PCE)), 오픈-써킷 전압(open-circuit voltage(VOC)), 숏-써킷 전류(short-circuit current(JSC)), 및 필 팩터(fill factor(FF))를 측정하였다.
| 용매 | PCE (%) | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | FF |
| BA:DMF 100:1 | 0.33 | 0.26 | 3.76 | 0.34 |
| BA:DMF 1:50 | 2.73 | 0.47 | 13.06 | 0.45 |
| DMF | 3.01 | 0.49 | 12.71 | 0.49 |
| BA:DMF 1:200 | 3.55 | 0.49 | 14.82 | 0.49 |
양자점 용액은 용매에 따라 성능 차이가 10배 이상 차이가 나기 때문에 용매 선정이 중요하다. 부틸아민(BA) 보다 다이메틸포름아미드(DMF)를 사용하였을 때 태양 전지의 성능이 10배 이상 향상되는 것을 확인 할 수 있었다. 다만, 표 1을 참조하면, DMF만 단독으로 사용시보다, BA를 소량 (BA:DMF = 1:200) 혼합하게 되면 DMF 만 단독으로 사용하는 것보다 약 16% 정도 성능이 향상되는것을 확인하였다.
실험예 2
양자점층을 표 2에 나타난 리간드로 각각 후처리하여 광활성층을 제조하였고, TiO2로 양극, MoO3/Au/Ag로 음극을 형성하여 태양 전지를 제조하였다. 각각의 전력변환효율(Power Conversion Efficiency(PCE)), 오픈-써킷 전압(open-circuit voltage(VOC)), 숏-써킷 전류(short-circuit current(JSC)), 및 필 팩터(fill factor(FF))를 측정하였다. 각각의 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 도 5에 도시하였다.
| 리간드 | PCE (%) | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | FF |
| PbI2 | 4.99 | 0.54 | 17.31 | 0.53 |
| TBAI | 4.58 | 0.53 | 16.14 | 0.53 |
표 1의 BA:DMF = 1:200와 비교하면, PbI2로 후처리하면 4.99% 까지 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 표 2 및 도 5를 참조하면, TBAI(tetrabutylammonium iodide)를 사용하여 후처리한 경우보다도 성능이 좋음을 확인할 수 있었다. 이는 Pd 기반의 양자점과 PbI2 리간드의 결합력이 우수하고 PbI2의 분자 크기가 TBAI보다 작기 때문에 양자점층 안쪽까지 후처리가 되었기 때문으로 예측된다.
실험예 3
표 3의 방법을 통해 양자점층의 후처리를 실시하여 광활성층을 형성하였고, TiO2로 양극, MoO3/Au/Ag로 음극을 형성하여 태양 전지를 제조하였다. 각각의 전력변환효율(Power Conversion Efficiency(PCE)), 오픈-써킷 전압(open-circuit voltage(VOC)), 숏-써킷 전류(short-circuit current(JSC)), 및 필 팩터(fill factor(FF))를 측정하였다.
| Ligand exchange | PCE (%) | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | FF |
| Dip coating | 3.43 | 0.50 | 13.15 | 0.53 |
| dropping/ spin coating |
3.64 | 0.48 | 14.53 | 0.52 |
표 1과 표 3을 비교하면, 양자점을 후처리한 경우 태양 전지의 성능이 향상됨을 확인할 수 있다.
실험예 4 및 5
기판과 노즐 사이의 최소 거리를 18, 15, 13cm로 하여 양자점층을 형성하였고, TiO2로 양극, MoO3/Au/Ag로 음극을 형성하여 태양 전지를 제조하였다. 각각의 전력변환효율(Power Conversion Efficiency(PCE)), 오픈-써킷 전압(open-circuit voltage(VOC)), 숏-써킷 전류(short-circuit current(JSC)), 및 필 팩터(fill factor(FF))를 측정하였다. 또한 노즐의 직경을 0.74, 0.75, 0.76mm로 하여 양자점층을 형성하였고, 실험예 4와 동일하게 실험예 5를 진행하였다.
| Distance (cm) | PCE (%) | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | FF |
| 18 | 4.36 | 0.53 | 16.55 | 0.50 |
| 15 | 4.07 | 0.50 | 15.60 | 0.52 |
| 13 | 3.82 | 0.52 | 16.87 | 0.44 |
| Size (mm) | PCE (%) | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | FF |
| 0.74 | 6.55 | 0.57 | 17.60 | 0.66 |
| 0.75 | 6.82 | 0.56 | 20.00 | 0.61 |
실험예 4 및 실험예 5를 참조하면, 기판과 노즐 사이의 최소 거리, 노즐의 직경에 따라 태양 전지의 성능이 차이가 남을 확인할 수 있다.
실험예 6
PbI2로 양자점층을 후처리한 후, 표 6에 기재된 온도로 60초 동안 건조하였고, TiO2로 양극, MoO3/Au/Ag로 음극을 형성하여 태양 전지를 제조하였다. 각각의 전력변환효율(Power Conversion Efficiency(PCE)), 오픈-써킷 전압(open-circuit voltage(VOC)), 숏-써킷 전류(short-circuit current(JSC)), 및 필 팩터(fill factor(FF))를 측정하였다.
| Temperature (℃) | PCE (%) | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | FF |
| 열처리 전 | 0.82 | 0.41 | 4.51 | 0.44 |
| 90 | 2.85 | 0.47 | 12.73 | 0.48 |
| 100 | 2.30 | 0.48 | 10.46 | 0.46 |
표 6을 참조하면, 양자점층을 후처리하여 광활성층을 형성한 후, 건조하여 태양 전지의 성능이 향상되었음을 확인할 수 있다.
실험예 7
용매 증기 소킹법으로 양자점층을 후처리하여 광활성층을 형성하고, TiO2로 양극, MoO3/Au/Ag로 음극을 형성하여 태양 전지를 제조하였다. 각각의 전력변환효율(Power Conversion Efficiency(PCE)), 오픈-써킷 전압(open-circuit voltage(VOC)), 숏-써킷 전류(short-circuit current(JSC)), 및 필 팩터(fill factor(FF))를 측정하였다.
| 용매 증기 소킹법 | PCE (%) | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | FF |
| 미실시 | 3.73 | 0.54 | 15.16 | 0.45 |
| 60초 | 4.09 | 0.56 | 15.75 | 0.47 |
| 300초 | 3.25 | 0.51 | 14.43 | 0.44 |
표 7을 참조하면, 용매 증기 소킹법을 60초 동안 수행하면 미실시한 경우보다 태양 전지의 효율이 향상되지만, 300초 동안 수행하면 미실시한 경우보다 태양 전지의 효율이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 8
양자점층을 PbI2로 후처리하여 광활성층을 형성하고, TiO2로 양극, MoO3/Au/Ag로 음극을 형성하여 태양 전지를 제조하였다. 95일 동안 전력변환효율(Power Conversion Efficiency(PCE)), 오픈-써킷 전압(open-circuit voltage(VOC)), 숏-써킷 전류(short-circuit current(JSC)), 및 필 팩터(fill factor(FF))를 측정하여 도 6a 내지 도 6d에 도시하였다.
| 날짜 | PCE (%) | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | FF |
| 0 | 5.37 | 0.56 | 15.60 | 0.62 |
| 95 | 5.25 | 0.55 | 14.42 | 0.66 |
표 8 및 도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 본원 발명의 태양 전지는 상온에서 안정하고 95일동안 공기 중에 방치하여도 95%의 효율을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 양자점층으로 사용된 무기물계 양자점을 상온에서 안정하기 때문으로 예측된다.
실험예 9
광활성층의 두께 250, 300, 350 nm로 하고, TiO2로 양극, MoO3/Au/Ag로 음극을 형성하여 태양 전지를 제조하였다. 각각의 전력변환효율(Power Conversion Efficiency(PCE)), 오픈-써킷 전압(open-circuit voltage(VOC)), 숏-써킷 전류(short-circuit current(JSC)), 및 필 팩터(fill factor(FF))를 측정하였다. 각각의 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 도 7에 도시하였다.
| 양자점층의 두께 | PCE (%) | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | FF |
| 350 nm | 6.82 | 0.56 | 20.00 | 0.61 |
| 300 nm | 6.98 | 0.57 | 18.31 | 0.67 |
| 250 nm | 5.89 | 0.56 | 17.73 | 0.60 |
종래의 태양전지는 10nm의 두께 차이로도 태양 전지의 성능이 크게 차이났었다. 다만, 본원 발명의 경우, 표 9 및 도 7을 참조하면, 300nm의 광활성층과 350nm의 광활성층의 성능이 유사함을 확인할 수 있고, 이는 ±25nm 오차가 허용됨을 의미하여, 이에 따라 제조 공정상에서 핸들링이 유용하게 활용할 수 있다.
실험예 10
이동식 배치 기판, 고정식 배치 기판으로 양자점층을 형성하고, TiO2로 양극, MoO3/Au/Ag로 음극을 형성하여 태양 전지를 제조하였다. 각각의 전력변환효율(Power Conversion Efficiency(PCE)), 오픈-써킷 전압(open-circuit voltage(VOC)), 숏-써킷 전류(short-circuit current(JSC)), 및 필 팩터(fill factor(FF))를 측정하였다. 각각의 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 도 8에 도시하였다.
| 배치 기판 | PCE (%) | VOC (V) | JSC (mA cm-2) | FF |
| 이동식 | 6.98 | 0.57 | 18.31 | 0.67 |
| 고정식 | 5.34 | 0.53 | 16.55 | 0.60 |
표 10 및 도 8을 참조하면, 이동식 배치 기판을 사용하여 양자점층을 형성하여도, 태양 전지의 성능을 향상 시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
기판: 100 양자점층: 200
광활성층: 300
광활성층: 300
Claims (8)
- 용액 치환법으로 양자점 용액을 치환하여 양자점 잉크를 형성하는 단계;
기판 상에 Pb를 포함하는 상기 양자점 잉크를 스프레이 코팅하여 양자점층을 형성하는 단계; 및
상기 양자점층을 후처리하여 광활성층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 양자점 용액은 다이메틸포름아미드(Dimethylformamide) 및 부틸아민(Butylamine)을 용매로 포함하고, 상기 다이메틸포름아미드 및 상기 부틸아민의 중량% 비율은 1:100 내지 1:300인 것인 양자점 태양 전지용 광활성층 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 광활성층을 형성하는 단계는
상기 양자점층을 PbI2 리간드 용액으로 후처리하는 것인 양자점 태양 전지용 광활성층 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 광활성층을 형성하는 단계는
상기 양자점층을 후처리 한 후, 상기 리간드 용액을 80 내지 100℃에서 30초 내지 90초 동안 건조하는 단계를 더 포함하는 것인 양자점 태양 전지용 광활성층 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 광활성층을 형성하는 단계는
용매 증기 소킹법(Solvent vapor soaking)으로 30초 내지 250초 동안 수행되는 것인 양자점 태양 전지용 광활성층 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 용매 증기 소킹법은
다이메틸포름아미드(Dimethylformamide) 또는 다이메틸포름아미드(Dimethylformamide) 및 부틸아민(Butylamine)의 혼합 용매로 수행되는 것인 양자점 태양 전지용 광활성층 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 광활성층을 형성하는 단계는
딥코팅법(Dip coating), 드롭핑(Dropping), 또는 스핀 코팅법(Spin coating)으로 수행되는 것인 양자점 태양 전지용 광활성층 제조 방법. - 삭제
- 양극을 제공하는 단계;
상기 양극 상에 상기 제1항에 의해 제조된 상기 광활성층을 제공하는 단계; 및
상기 광활성층 상에 음극을 제공하는 단계;를 포함하는 양자점 태양 전지의 제조 방법.
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