KR20120137837A - 금속 산화물 양자점을 이용한 중간밴드계 유기물 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
금속 산화물 양자점을 이용한 중간밴드계 유기물 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다. 금속 산화물 양자점을 이용한 중간밴드계 유기물 태양전지 및 이의 제조방법은 기판; 상기 기판 상에 형성된 p형 다결정 ZnO층; 상기 p형 다결정 ZnO층 상에 형성된 폴리이미드층; 상기 폴리이미드층 상에 형성된 n형 다결정 ZnO층; 및 상기 n형 다결정 ZnO층 상에 형성된 전극을 포함하고, 상기 폴리이미드층은 금속 산화물 양자점을 포함하는 중간밴드계 유기물 태양전지를 포함한다. 따라서, 다결정 ZnO층과 금속산화물 양자점을 이용한 다층구조의 양자우물구조를 이용한 중간밴드계 유기물 태양전지를 이용하여 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 중간밴드계 유기물 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 산화물 양자점을 이용한 중간밴드계 유기물 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 무한한 에너지원인 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 것으로 지난 수십년간 화석 연료를 대체할 것으로 주목 받아 왔다.
단결정 실리콘 태양전지의 경우 25% 이상의 높은 효율을 달성하였지만, 제조 과정에서의 생산 비용과 에너지 소비가 매우 높다. 최대 31%의 광전변환효율을 가지는 단일 밴드 갭 태양 전지는 반도체 밴드 갭에서 전자-포논 산란에 의한 열로 손실되기 때문이다. 따라서, 고효율 태양전지의 개발에 대한 관심이 커져왔다.
최근 양자점을 이용한 중간밴드계 태양전지는 3세대 고효율 태양전지로 그 연구가 활발히 진행되고 있다. 중간밴드계(intermediate band, IB)는 와이드 밴드갭(wide band gap)의 호스트(host) 재료에 양자점이나 불순물을 주입하여 형성된다. 중간밴드계가 형성되는 에너지 준위 위치는 주입되는 양자점이나 불순물에 의해 결정되고 형성되는 중간밴드계의 위치에 따라 광전 변환 효율이 결정된다. 즉, 작은 크기의 양자점을 사용하면 더 짧은 파장대의 빛을 흡수하며, 보다 큰 크기의 양자점을 사용하면 더 긴 파장의 빛을 흡수한다. 따라서, 하나의 태양전지에 서로 다른 크기의 양자점을 조합하면 더 많은 빛을 흡수하게 되어 일반 벌크 화합물 반도체에 비해 높은 광전변환 효율을 얻을 수 있다.
하지만, 기존의 양자점 태양전지의 경우 뚜렷한 효율 향상이 보이지 않고 있다. 또한, 양자점 주입 밀도가 높을 경우 호스트 재료의 전기적 성질이 저하되는 경향이 있다. 따라서, 이를 위해서는 보다 작은 사이즈의 불순물 주입을 통한 중간밴드계 형성의 시도가 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 광전변환효율을 향상시키기 위해 다결정 ZnO층과 금속 산화물 양자점을 포함한 폴리이미드층을 이용한 중간밴드계 유기물 태양전지를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 기판; 상기 기판 상에 형성된 p형 다결정 ZnO층; 상기 p형 다결정 ZnO층 상에 형성된 폴리이미드층; 상기 폴리이미드층 상에 형성된 n형 다결정 ZnO층; 및 상기 n형 다결정 ZnO층 상에 형성된 전극을 포함하고, 상기 폴리이미드층은 금속 산화물 양자점을 포함하는 중간밴드계 유기물 태양전지를 제공한다.
상기 기판은 단결정 Si 기판, 다결정 Si 기판, ITO 기판, 사파이어 기판 또는 유리 기판일 수 있다.
상기 p형 다결정 ZnO층 또는 n형 다결정 ZnO층은 나노 로드 구조를 포함할 수 있다.
상기 p형 다결정 ZnO층의 두께는 50nm 내지 300nm일 수 있다.
상기 폴리이미드층은 BPDA-PDA, PMDA-PDA, ODPA-PDA, 6FDA-PDA, BTDA-ODA, DMAc, BDSDA-ODA, DSDA, BPDA-Bz, TMA-PPD 또는 ODA-PI를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물 양자점은 In2O3, CuO, Cu2O3, PbO, Bi12SiO20, ZnO2, SnO2, GaO, MgO, GeO, BaO, SrO, Bi12GeO20, Bi12SiO20, Cd2SnO4, CdSnO3 및 Li3CuO3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물 양자점의 지름은 1nm 내지 100nm일 수 있다.
상기 금속 산화물 양자점은 2층 이상의 다층으로 형성될 수 있다.
상기 금속 산화물 양자점은 이종 물질들이 적층된 탠덤구조일 수 있다.
상기 전극은 ITO 전극일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 p형 다결정 ZnO층을 형성하는 단계; 상기 p형 다결정 ZnO층 상에 금속 박막을 형성하는 단계; 상기 금속 박막 상에 폴리이미드층을 형성하는 단계; 상기 금속 박막 상에 형성된 폴리이미드층을 건조시켜서 상기 금속 박막을 녹이고 금속이온을 생성하는 단계; 상기 폴리이미드층을 열처리하고 상기 생성된 금속이온과의 화학적 반응을 통하여 상기 폴리이미드층 내에 금속 산화물 양자점을 형성하는 단계; 상기 금속 산화물 양자점이 포함된 폴리이미드층 상에 n형 다결정 ZnO층을 형성하는 단계; 및 상기 n형 다결정 ZnO층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 중간밴드계 유기물 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 n형 다결정 ZnO층을 형성하는 단계 이전에, 상기 p형 다결정 ZnO층 상에 금속 박막을 형성하는 단계부터 상기 금속 산화물 양자점이 포함된 폴리이미드층을 형성하는 단계를 2회 이상 반복하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 금속 박막은 Zn, In 또는 Cu일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 p형 다결정 ZnO층을 형성하는 단계; 상기 p형 다결정 ZnO층의 상부를 패터닝하여 상부가 패턴된 p형 다결정 ZnO층을 형성하는 단계; 상기 상부가 패턴된 p형 다결정 ZnO층 상에 금속 박막을 형성하는 단계; 상기 금속 박막 상에 폴리이미드층을 형성하는 단계; 상기 금속 박막 상에 형성된 폴리이미드층을 건조시켜서 상기 금속 박막을 녹이고 금속이온을 생성하는 단계; 상기 폴리이미드층을 열처리하고 상기 생성된 금속이온과의 화학적 반응을 통하여 상기 폴리이미드층 내에 금속 산화물 양자점을 형성하는 단계; 상기 금속산화물 양자점을 포함하는 폴리이미드층 상에 n형 다결정 ZnO 박막을 형성하는 단계; 및 상기 n형 다결정 ZnO 박막 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 중간밴드계 유기물 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 다결정 ZnO 박막과 금속산화물 양자점을 이용한 다층구조의 양자우물구조를 이용한 중간밴드계 유기물 태양전지를 이용하여 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속산화물 양자점을 이용한 중간밴드계 유기물 태양전지의 제조방법을 공정단계에 따라 나타낸 사시도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴된 p형 다결정 ZnO층 상에 형성된 금속산화물 양자점을 이용한 중간밴드계 유기물 태양전지의 사시도이다.
도 3은 ZnO 다결정 박막 상에 In2O3 나노입자가 포함된 폴리이미드층(polyimide layer)의 단면 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴된 p형 다결정 ZnO층 상에 형성된 금속산화물 양자점을 이용한 중간밴드계 유기물 태양전지의 사시도이다.
도 3은 ZnO 다결정 박막 상에 In2O3 나노입자가 포함된 폴리이미드층(polyimide layer)의 단면 이미지이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
실시예
1
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 산화물 양자점을 포함하는 중간밴드계 유기물 태양전지의 제조 방법을 공정 단계에 따라 나타낸 사시도들이다.
도 1a을 참조하면, 기판(100)을 준비한다. 상기 기판(100)은 단결정 Si 기판, 다결정 Si 기판, ITO(Induim Tin Oxide) 기판, 사파이어 기판 또는 유리 기판일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 기판(100) 상에 p형 다결정 ZnO층(200)을 형성한다.
상기 p형 다결정 ZnO층(200)의 두께는 50nm 내지 300nm일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다. 만일 p형 다결정 ZnO층의 두께가 50nm 미만이면, 얇은 막질로 인해 엑시톤이 충분히 형성되지 않는 문제가 발생한다. 또한, p형 다결정 ZnO층의 두께가 300nm를 상회하는 경우, 형성된 엑시톤이 전극으로 충분히 전달되지 못하고, 결정구조의 벌크 내부에서 재결합하는 문제가 발생한다.
예를 들어, ITO 투명전극 기판 상에 N2, NO, N2O, NH3 또는 Zn3N4 가스 분위기에서 스퍼터링 방법 또는 Pulsed Laser Deposition(PLD)법을 통하여 p형 ZnO 다결정 박막을 약 200nm의 두께로 형성할 수 있다.
기존의 실리콘 및 화합물 반도체 태양전지에서 에너지 밴드갭이 3.4 eV인 ZnO는 윈도우 역할만을 수행하였다. 그러나, 본 발명에서는 윈도우 역할이 아닌 양자점 중간밴드 태양전지의 효율을 증가시키는 역할을 한다. 즉, ZnO 박막을 이용하여 자외선 영역의 태양광을 흡수하여 엑시톤을 형성하여 기전력을 발생시킨다. 또한, 본 발명에서 ZnO 박막은 단결정 구조가 아니고 다결정 구조로 되어 있음을 특징으로 한다.
단결정 p형 ZnO 박막은 500℃ 이상의 고온 열처리 공정이 필요하나, 다결정 p형 ZnO박막은 기판온도를 100℃ 내지 500℃로 한다.
상기 기판 온도가 상승하는 것을 방지하기 위하여 기판을 7회/분 내지 12회/분으로 회전을 시켜서 기판온도를 100℃ 내지 500℃로 유지시킬 수 있다. 만일 기판의 회전수가 7회/분 이하인 경우 수직구조의 다결정 ZnO 박막이 형성되지 않을 우려가 있고, 12회/분 이상인 경우 ZnO 다결정의 박막이 휘어지는 나노로드 형태로 제작될 수 있다. 기판을 12회/분 이상 회전시킬 경우 다결정 박막 내부에 보이드나 핀홀 등이 다량으로 형성되어 누설전류가 발생하여 광전변환 효율을 감소시킬 수 있다.
주입되는 N2, NO, N2O, NH3, 또는 Zn3N4 가스는 2sccm 내지 10sccm일 수 있다. 만일, 상기 가스가 2sccm 미만일 경우, 스퍼터링을 이용한 활성 플라즈마(reactive plasma)를 이용할 경우 충분히 이온화되지 않아 다결정 ZnO 박막 내부에 도핑이 충분하지 않을 우려가 있다. 또한, 상기 가스가 10sccm 이상일 경우 도핑 농도가 상승하여 1x1018 cm-3 이상이 되는데 이는 과도한 홀이 형성되어 p-n 접합특성이 태양전지로서 적합하지 않다. 또한, PLD를 이용하여 p형 ZnO 다결정 박막을 형성시킬 경우도 마찬가지다.
도 1b를 참조하면, 상기 p형 다결정 ZnO층(200) 상에 금속 박막(300)을 형성한다.
상기 금속 박막(300)은 Zn, In 또는 Cu일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다. 상기 금속 박막(300)의 두께는 5nm 내지 10nm일 수 있다.
만일, 상기 금속 박막(300)의 두께가 10nm를 상회하는 경우, 후술할 폴리이미드층과의 화학반응에서 모두 용해되지 않고 일부가 금속 박막으로 잔류할 우려가 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 금속 박막(300) 상에 폴리이미드층(400)을 형성한다.
상기 폴리이미드층은 BPDA-PDA(poly(p-phenylene biphenylene carboximide)), PMDA-PDA(poly(p-phenylene pyromellitimide)), ODPA-PDA(poly(p-phenylene 3,3',4,4'-oxydiphthalimide)), 6FDA-PDA(poly(p-phenylene 4,4'-hexafluoro isopropylidene diphthalimide)), BTDA-ODA(3,3',4,4'-Benzophenonetetracarboxylic dianhydride-4,4'-oxydianiline), DMAc(Dimethylacetamide), BDSDA-ODA(4,4'-bis(3,4-dicarboxyphenoxy)diphenylsulfide-oxydianhydride), DSDA(3,3',4,4'-diphenylsulfone tetracarboxylic acid dianhydride), BPDA-Bz (poly(4,4'-biphenylene biphenyltetracarboximide), TMA-PPD(trimellitic anhydride-p-phenylene diamine) 또는 ODA-PI (4,4'-oxydianiline-polyimide)일 수 있다.
상기 폴리이미드층(400)의 두께는 50nm 내지 100nm일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
예를 들어, Cu 금속박막 상에 BPDA-PDA를 스핀 코팅하여 폴리이미드층을 형성할 수 있다.
도 1d를 참조하면, 폴리머의 경화 과정을 거치면서 폴리이미드층 내에 금속 산화물 나노 입자가 제조되어 금속산화물 양자점(510)이 형성된다.
양자점(Quantum Dots)은 나노 크기의 0차원적 초미세 구조를 말한다. 이 나노 크기의 구조에서는 고전 물리에서 관찰되지 않았던 양자 구속 효과(quantum confinement effect), 양자 수송(quantum transport) 효과와 같은 양자 효과들이 나타나게 된다.
상기 금속 산화물 양자점(510)은 In2O3, CuO, Cu2O3, PbO, Bi12SiO20, ZnO2, SnO2, GaO, MgO, GeO, BaO, SrO, Bi12GeO20, Bi12SiO20, Cd2SnO4, CdSnO3 및 Li3CuO3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 금속 산화물 양자점(510)의 지름은 1nm 내지 100nm일 수 있다. 만일 금속 산화물 양자점의 지름이 1nm 미만이면, 양자점의 형성이 실질적으로 곤란해지며, 양자점의 입도의 조절이 곤란해진다. 또한, 금속 산화물 양자점의 지름이 100nm를 상회하는 경우, 양자점에 따른 엑시톤 형성의 고유의 효과를 기대하기 힘들다.
예를 들어, 금속 산화물 양자점이 포함된 폴리이미드층은 금속박막과 폴리아믹산(polyamic acid, PAA)의 화학적 반응 방법에 의해 형성한다.
상기 금속 산화물 양자점(510)은 2층 이상의 다층으로 형성될 수 있다.
후술할 n형 다결정 ZnO층(600)을 형성하는 단계 이전에, 상기 p형 다결정 ZnO층(200) 상에 금속 박막(300)을 형성하는 단계부터 상기 금속 산화물 양자점이 포함된 폴리이미드층(500)을 형성하는 단계를 2회 이상 반복하여 2층 이상의 다층 구조인 금속 산화물 양자점(510)을 형성할 수 있다.
상기 금속 산화물 양자점(510)은 이종 물질들이 적층된 탠덤(Tendem)구조일 수 있다.
예를 들어, 금속 박막을 5nm 내지 10nm 두께로 증착한 후 폴리이미드층을 10nm 이하의 두께로 스핀 코팅하여 소프트 베이킹(soft baking)하고 폴리머의 경화과정을 이용하여 금속 산화물 양자점을 형성하고, 이 과정을 반복 수행할 경우 다층의 금속 산화물 양자점 구조를 형성할 수 있다. 또한, 이종 물질의 금속 박막들을 사용하여 상기 과정을 반복 수행할 경우 탠덤 구조의 금속 산화물 양자점을 형성할 수 있다.
도 1e를 참조하면, 상기 금속 산화물 양자점이 포함된 폴리이미드층(500) 상에 다결정 n형 ZnO층(600)을 형성한다.
n형 다결정 ZnO층(600)은 태양광을 흡수한 금속산화물 양자점에 의하여 형성된 엑시톤(exciton)이 분리되어 전자 및 정공의 운반자가 전극으로 쉽게 전달될 수 있도록 한다.
상기 n형 다결정 ZnO층(600)의 두께는 50nm 내지 300nm일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 p형 다결정 ZnO층 또는 n형 다결정 ZnO층은 나노 로드 구조를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
예를 들어, 금속 산화물 양자점이 포함된 BPDA-PDA 고분자층 위에 물리적 증기 증착법을 통하여 n형 다결정 ZnO층을 약 34nm 증착한다.
도 1f를 참조하면, 상기 n형 다결정 ZnO층(600) 상에 전극(700)을 형성한다.
상기 전극(700)은 ITO 전극일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다.
예를 들어, n형 다결정 ZnO층 상에 ITO(Indium Tin Oxide)를 약 140nm의 두께로 증착한다. 상기 ITO의 게이트 전극의 직경은 약 200㎛이다.
금속 산화물 나노 입자의 경우 폴리이미드 내에 균일한 크기를 가지는 양자우물 구조를 형성하게 된다. 규칙적으로 배열된 동일한 폭을 가지는 양자 우물들에서 광조사에 의하여 형성되는 전자와 정공의 상태는 파동함수로 기술이 가능하다. 다층으로 형성된 동일한 폭을 가지는 양자우물 구조에서 형성되는 엑시톤은 재결합되어 소실되지 않고 동일한 위상을 가지는 파동함수를 가지는 전자들이 직접 터널링에 의하여 n형 ZnO층으로 움직이게 된다.
또한, 엑시톤에서 분리된 홀은 p형 ZnO층을 통하여 전극으로 움직인다. 이때 폴리이미드층 내부에 형성된 양자 우물 구조에 위상이 일치하는 파동함수가 존재할 확률이 가장 높은 에너지 준위가 결정이 되는데 이는 양자역학(quantum mechanics)의 시간 의존 슈뢰딩거 방정식(time-dependent Schrodinger equation)을 통하여 유추가 가능하다.
즉, 터널링 되어 방출되는 전자 및 정공의 에너지와 상태를 고려하면 WKB(Wentzel-Kramers-Brillouin) 근사를 사용하여 폴리이미드 내에 형성된 양자 우물에 엑시톤 형성과 동시에 위치하는 전자 및 정공 그리고 그들의 파동함수가 일치한다.
따라서, 직접 터널링으로 n형 ZnO층 및 p형 ZnO층으로 엑시톤 재결합하지 않고 방출되는 연속적인 에너지 준위가 형성된다. 이를 중간밴드(intermediated band)라고 정의를 할 수가 있으며 이는 양자점 뿐만 아니라 반도체 박막에 불순물을 추가하여 불순물 준위를 형성하여 중간밴드를 형성할 수 있다.
본 발명에서 자외선 영역(3.4eV)은 다결정 ZnO층이 흡수를 하고, 그 이외의 가시광 영역인 400nm 내지 700nm의 파장을 흡수하기 위하여 금속 산화물 양자점의 물질의 종류를 변환하거나 양자점의 크기를 조절함으로써 중간밴드의 위치를 임의로 조절할 수 있다.
따라서, 태양광 파장의 흡수 대역이 각기 다른 탠덤(Tandem)형 태양전지의 제작이 가능하다.
실시예
2
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴된 p형 다결정 ZnO층 상에 형성된 금속산화물 양자점을 이용한 중간밴드계 유기물 태양전지의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 태양전지의 효율을 극대화하기 위하여 p형 다결정 ZnO층(200)을 패터닝한다. 상기 도 1a 내지 도 1f의 제조공정에서, p형 다결정 ZnO층(200) 상에 금속 박막(300)을 형성하는 단계 이전에 p형 다결정 ZnO층(200)을 패터닝하는 단계를 더 추가하여 패턴된 p형 다결정 ZnO층(210)상에 형성된 금속산화물 양자점을 이용한 중간밴드계 유기물 태양전지를 제조할 수 있다.
상기 p형 다결정 ZnO층(200)의 상부를 패터닝을 하여 폴리이미드층과 만나는 ZnO층의 단면적을 증가시켜서 양자점에서 형성된 엑시톤에서 분리된 정공이 p형 다결정 ZnO 박막을 통하여 전극으로 흘러가는 밀도를 증가시키는 역할을 수행한다.
패턴의 모양은 한 변의 길이가 100㎛ 이하인 직사각형 또는 지름이 100㎛ 이하인 원형일 수 있다. 만일, 한 변의 길이 또는 지름이 100㎛ 이상인 경우 태양전지의 광전변환 효율의 향상 효과가 적어질 우려가 있다.
상기 패턴의 깊이는 폴리이미드의 두께와 다층으로 형성된 양자점의 지름 및 밀도를 고려하여 임의로 조절할 수 있다.
예를 들어, ITO 투명 전극 상부에 나노 로드처럼 성장된 패턴된 다결정 ZnO층을 물리적 증착법인 스퍼터링 방법으로 형성한다. 상기 패턴된 다결정 ZnO층은 종래의 다결정 Si 기판과 마찬가지로 효율이 증가하는 효과와 함께 금속산화물 양자점에서 형성된 엑시톤이 분리되어 전극으로 빠르게 움직이게 할 수 있는 효과도 동시에 가져온다.
도 3은 ZnO 다결정 박막 상에 In2O3 나노입자가 포함된 폴리이미드층(polyimide layer)의 단면 이미지이다.
도 3을 참조하면, ITO 박막 상에 스퍼터링 방법을 이용하여 ZnO 다결정 박막을 약 120nm의 두께로 증착한다.
상기 ZnO 다결정 박막 상에 열증착법을 이용하여 In을 약 5nm 두께로 증착한다. 그 후, 상기 In 금속박막에 약 50nm 두께의 폴리아믹산(polyamic acid, PAA)을 스핀코팅방법으로 증착한다. 이 실험에서 PAA용액은 N-methyl-2-pyrrolidone(3wt.%)에 BPDA-PDA를 섞어서 만든다.
진공 건조기 안에서 PAA와 금속은 상온에서 약 24시간 동안 용해된다. 이 과정에서 PAA는 In 금속박막을 녹이고 In 금속이온을 생성한다.
그 다음에, 135℃에서 30분간 가열 후, 급속열처리방법을 이용하여 질소 분위기에서 400℃로 1시간 동안 가열된다.
가열 과정 동안 금속이온과 산소에 노출된 PAA의 화학적 반응에 의해 고분자층 안에 금속 산화물 나노 입자가 형성되어 금속 산화물 양자점이 된다. 상기 In2O3 나노입자의 지름은 약 15nm임을 나타낸다.
상기 도 3에 개시된 바대로 나노입자는 양자점으로 작용하고, 형성된 나노입자는 폴리이미드층 내부에 장입된 것을 확인할 수 있다.
상술한 바대로, ZnO 다결정 박막 상에 폴리이미드층이 형성되고, 폴리이미드층 내부에 양자점이 형성된다. 따라서, 양자점의 크기 또는 재질을 조절하여 가시광선에 포함된 다양한 파장대의 빛을 흡수할 수 있으며, 이를 통해 광전변환효율을 상승시킴을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
100: 기판 200: p형 다결정 ZnO층
210: 패턴된 p형 다결정 ZnO층 300: 금속 박막
400: 폴리이미드층
500: 금속산화물 양자점이 포함된 폴리이미드층
510: 금속산화물 양자점 600: n형 다결정 ZnO층
700: 전극
210: 패턴된 p형 다결정 ZnO층 300: 금속 박막
400: 폴리이미드층
500: 금속산화물 양자점이 포함된 폴리이미드층
510: 금속산화물 양자점 600: n형 다결정 ZnO층
700: 전극
Claims (14)
- 기판;
상기 기판 상에 형성된 p형 다결정 ZnO층;
상기 p형 다결정 ZnO층 상에 형성된 폴리이미드층;
상기 폴리이미드층 상에 형성된 n형 다결정 ZnO층; 및
상기 n형 다결정 ZnO층 상에 형성된 전극을 포함하고,
상기 폴리이미드층은 금속 산화물 양자점을 포함하는 중간밴드계 유기물 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 단결정 Si 기판, 다결정 Si 기판, ITO 기판, 사파이어 기판 또는 유리 기판인 중간밴드계 유기물 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 p형 다결정 ZnO층 또는 n형 다결정 ZnO층은 나노 로드 구조를 포함하는 중간밴드계 유기물 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 p형 다결정 ZnO층의 두께는 50nm 내지 300nm인 중간밴드계 유기물 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 폴리이미드층은 BPDA-PDA, PMDA-PDA, ODPA-PDA, 6FDA-PDA, BTDA-ODA, DMAc, BDSDA-ODA, DSDA, BPDA-Bz, TMA-PPD 또는 ODA-PI를 포함하는 중간밴드계 유기물 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 양자점은 In2O3, CuO, Cu2O3, PbO, Bi12SiO20, ZnO2, SnO2, GaO, MgO, GeO, BaO, SrO, Bi12GeO20, Bi12SiO20, Cd2SnO4, CdSnO3 및 Li3CuO3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 중간밴드계 유기물 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 양자점의 지름은 1nm 내지 100nm인 중간밴드계 유기물 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속 산화물 양자점은 2층 이상의 다층으로 형성된 중간밴드계 유기물 태양전지. - 제8항에 있어서,
상기 금속 산화물 양자점은 이종 물질들이 적층된 탠덤구조인 중간밴드계 유기물 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 전극은 ITO 전극인 중간밴드계 유기물 태양전지. - 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상에 p형 다결정 ZnO층을 형성하는 단계;
상기 p형 다결정 ZnO층 상에 금속 박막을 형성하는 단계;
상기 금속 박막 상에 폴리이미드층을 형성하는 단계;
상기 금속 박막 상에 형성된 폴리이미드층을 건조시켜서 상기 금속 박막을 녹이고 금속이온을 생성하는 단계;
상기 폴리이미드층을 열처리하고 상기 생성된 금속이온과의 화학적 반응을 통하여 상기 폴리이미드층 내에 금속 산화물 양자점을 형성하는 단계;
상기 금속 산화물 양자점이 포함된 폴리이미드층 상에 n형 다결정 ZnO층을 형성하는 단계; 및
상기 n형 다결정 ZnO층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 중간밴드계 유기물 태양전지의 제조방법. - 제11항에 있어서,
n형 다결정 ZnO층을 형성하는 단계 이전에,
상기 p형 다결정 ZnO층 상에 금속 박막을 형성하는 단계부터 상기 금속 산화물 양자점이 포함된 폴리이미드층을 형성하는 단계를 2회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 중간밴드계 유기물 태양전지의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 금속 박막은 Zn, In 또는 Cu인 중간밴드계 유기물 태양전지의 제조방법. - 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상에 p형 다결정 ZnO층을 형성하는 단계;
상기 p형 다결정 ZnO층의 상부를 패터닝하여 상부가 패턴된 p형 다결정 ZnO층을 형성하는 단계;
상기 상부가 패턴된 p형 다결정 ZnO층 상에 금속 박막을 형성하는 단계;
상기 금속 박막 상에 폴리이미드층을 형성하는 단계;
상기 금속 박막 상에 형성된 폴리이미드층을 건조시켜서 상기 금속 박막을 녹이고 금속이온을 생성하는 단계;
상기 폴리이미드층을 열처리하고 상기 생성된 금속이온과의 화학적 반응을 통하여 상기 폴리이미드층 내에 금속 산화물 양자점을 형성하는 단계;
상기 금속산화물 양자점을 포함하는 폴리이미드층 상에 n형 다결정 ZnO 박막을 형성하는 단계; 및
상기 n형 다결정 ZnO 박막 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 중간밴드계 유기물 태양전지의 제조방법.
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