KR20210001197A - Nucleobase-Semiconductor Complexed Nanowires and Solar Cells thereby - Google Patents

Nucleobase-Semiconductor Complexed Nanowires and Solar Cells thereby Download PDF

Info

Publication number
KR20210001197A
KR20210001197A KR1020190076892A KR20190076892A KR20210001197A KR 20210001197 A KR20210001197 A KR 20210001197A KR 1020190076892 A KR1020190076892 A KR 1020190076892A KR 20190076892 A KR20190076892 A KR 20190076892A KR 20210001197 A KR20210001197 A KR 20210001197A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nanowire
cds
semiconductor
nucleotide
layer
Prior art date
Application number
KR1020190076892A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102238804B1 (en
Inventor
김의태
서동범
김송희
구다라 라제쉬
홍기현
Original Assignee
충남대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 충남대학교산학협력단 filed Critical 충남대학교산학협력단
Priority to KR1020190076892A priority Critical patent/KR102238804B1/en
Publication of KR20210001197A publication Critical patent/KR20210001197A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102238804B1 publication Critical patent/KR102238804B1/en

Links

Images

Classifications

    • H01L51/0067—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/649—Aromatic compounds comprising a hetero atom
    • H10K85/654—Aromatic compounds comprising a hetero atom comprising only nitrogen as heteroatom
    • H01L51/422—
    • H01L51/4266—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/10—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising heterojunctions between organic semiconductors and inorganic semiconductors
    • H10K30/15—Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
    • H10K30/35—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains comprising inorganic nanostructures, e.g. CdSe nanoparticles
    • H10K30/352—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains comprising inorganic nanostructures, e.g. CdSe nanoparticles the inorganic nanostructures being nanotubes or nanowires, e.g. CdTe nanotubes in P3HT polymer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L2031/0344—Organic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L2224/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
    • H01L2224/0554—External layer
    • H01L2224/05599—Material
    • H01L2224/05698—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/05798—Fillers
    • H01L2224/05799—Base material
    • H01L2224/05893—Base material with a principal constituent of the material being a solid not provided for in groups H01L2224/058 - H01L2224/05891, e.g. allotropes of carbon, fullerene, graphite, carbon-nanotubes, diamond
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/70—Nanostructure
    • Y10S977/811—Of specified metal oxide composition, e.g. conducting or semiconducting compositions such as ITO, ZnOx
    • Y10S977/812—Perovskites and superconducting composition, e.g. BaxSr1-xTiO3

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

The present invention relates to a nucleotide-semiconductor complex nanowire having a high aspect ratio, and an organic solar cell with increased efficiency and lifespan by improving interfacial properties of an electron transport layer by including a nanowire layer.

Description

핵산염기-반도체 복합체 나노선 및 이를 이용한 태양전지{Nucleobase-Semiconductor Complexed Nanowires and Solar Cells thereby}Nucleobase-Semiconductor Complexed Nanowires and Solar Cells thereby}

본 발명은 종횡비가 높은 핵산염기-반도체 복합체 나노선과 이를 이용하여 전자수송층의 계면특성을 향상시키는 것에 의해 효율과 수명이 증가된 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a nucleic acid base-semiconductor composite nanowire having a high aspect ratio and a solar cell with increased efficiency and lifetime by improving the interface characteristics of an electron transport layer using the same.

태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자이다. 태양전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기태양전지와 유기태양전지로 나뉘어지는데, 무기태양전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 한계를 보이고 있다. 유기태양전지(OSCs, organic solar cell)는 광활성층의 구조에 따라 p형 반도체가 별개의 층으로 이루어진 바이레이어 p-n 접합 구조와, p형 반도체와 n형 반도체가 혼합되어 하나의 층을 이루는 벌크 이종접합 구조로 나뉜다. 이 중 공액 고분자와 반도체의 벌크 이종접합 (BHJ) 복합재에 기반한 유기태양전지는 가격이 저렴하고 무게가 가벼우며, 가공이 쉽고, 반투명성, 유연성 등의 특성이 있어 다양한 적용이 가능하므로 유망한 재생 에너지 자원으로 광범위하게 연구되고 있다. 초기 실증이래 유기태양전지의 전력변환효율(PCE)은 지속적인 연구에 의해 단일접합소자에서 12.25%까지 증가하였다. 그럼에도 불구하고, 실제 상업화를 위해서는 유기태양전지의 PCE와 장기 신뢰성이 더욱 개선될 필요가 있다. A solar cell is a photoelectric conversion device that converts solar energy into electrical energy. Solar cells are divided into inorganic solar cells and organic solar cells depending on the material constituting the thin film. Inorganic solar cells are already showing limitations in terms of economy and material supply. Organic solar cells (OSCs) are a bilayer pn junction structure in which a p-type semiconductor is a separate layer according to the structure of a photoactive layer, and a bulk heterogeneous layer in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are mixed to form a single layer. It is divided into a junction structure. Among them, organic solar cells based on bulk heterojunction (BHJ) composites of conjugated polymers and semiconductors are inexpensive, light in weight, easy to process, and have various properties such as translucency and flexibility, so they are promising renewable energy. It is being studied extensively as a resource. Since the initial demonstration, the power conversion efficiency (PCE) of organic solar cells has increased to 12.25% in single junction devices through continuous research. Nevertheless, it is necessary to further improve PCE and long-term reliability of organic solar cells for actual commercialization.

일반적인 이종접합 유기태양전지는 기판/하부전극/정공수송층/광활성층/전자수송층/상부전극의 구조를 가진다. 그러나 통상적으로 사용되는 정공수송층 물질은 강한 산성을 나타내어 하부전극과 광활성층의 손상을 유발할 우려가 있으며, 상부전극으로 주로 사용되는 일함수가 낮은 Al과 같은 물질들이 공기와의 접촉 계면에서 산화막을 형성하여 유기태양전지의 수명을 단축시키고 효율을 저감시킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 기판/하부전극/전자수송층/광활성층/정공수송층/상부전극 구조를 가지며, 전자수송층으로는 금속 산화물을 이용하고 상부전극으로 일함수가 높은 금속을 사용한 역구조 유기태양전지가 제안되었다(등록특허 제10-1607478호, 등록특허 제10-1149782호). ZnO나 TiO2와 같은 금속 산화물은 높은 전자이동도, 광학적 투명성, 환경적 안정성 등 전자수송층(ETL)에 적합한 특성을 갖는다. 그러나 역구조 유기태양전지에서는 무기산화물 전자수송층/유기 고분자 광활성층 사이의 계면특성이 좋지 않기 때문에 전력변환효율 및 내구성을 개선하는데 제한이 있었다. 최근에는 산화물 전자수송층 상에 CdS나 Ge와 같은 n-형 반도체와 이러한 물질의 나노 구조물을 이용하여 패시베이션 층(passivation layer)을 형성하는 것에 의해 전자추출효율과 전력변환효율을 개선하려는 시도들이 있었다. 그러나 활성 유기고분자와 무기 전자수송층의 직접적인 접촉에 의한 불완전한 결합은 계면 트랩 상태를 야기하고, 산화 패시베이팅 반도체의 산화가 결함 상태를 초래하는 등 내재된 계면특성 문제는 여전히 불가피하다.A typical heterojunction organic solar cell has a structure of a substrate/lower electrode/hole transport layer/photoactive layer/electron transport layer/upper electrode. However, the commonly used hole transport layer material exhibits strong acidity and may cause damage to the lower electrode and the photoactive layer, and materials such as Al having a low work function, which are mainly used as the upper electrode, form an oxide film at the interface with air. Thus, it is possible to shorten the life of the organic solar cell and reduce the efficiency. As an alternative to solving this problem, it has a substrate/lower electrode/electron transport layer/photoactive layer/hole transport layer/upper electrode structure, and uses a metal oxide as the electron transport layer and a high work function metal as the upper electrode. Solar cells have been proposed (Registration Patent No. 10-1607478, Registration Patent No. 10-1149782). Metal oxides such as ZnO and TiO 2 have characteristics suitable for an electron transport layer (ETL) such as high electron mobility, optical transparency, and environmental stability. However, in an inverted structure organic solar cell, since the interface between the inorganic oxide electron transport layer/organic polymer photoactive layer is not good, there are limitations in improving power conversion efficiency and durability. Recently, there have been attempts to improve electron extraction efficiency and power conversion efficiency by forming a passivation layer using an n-type semiconductor such as CdS or Ge on an oxide electron transport layer and a nanostructure of such a material. However, incomplete bonding due to direct contact between the active organic polymer and the inorganic electron transport layer causes an interfacial trap state, and an inherent problem of interfacial characteristics such as oxidation of the oxidized passivating semiconductor causes a defect state is still inevitable.

트리-n-옥틸포스핀 옥사이드나 헥실-포스포닉산과 같은 다양한 계면활성제 리간드를 패시베이팅 반도체 표면에 적용하면 상기한 문제를 완화할 수 있다. 그러나 절연성 유기 물질로 이루어진 대부분의 리간드는 전자수송능력이 낮다는 또 다른 문제가 있다. 이와 같은 요인이 계면활성제와 패시베이션된 양자점의 높은 양자 효율에도 불구하고 양자점 태양전지(GDSCs)의 전력변환효율이 기대보다 매우 낮은 주된 이유로 여겨진다. 이에 유기태양전지의 성능을 향상시키기 위해서는 활성 유기고분자와 무기 전자수송층 간의 물리/화학적 결합을 용이하게 하는 것과 동시에 전자수송을 용이하게 하는 계면활성제 리간드 층의 도입이 많은 관심을 받고 있다. 더욱이 반도체 나노구조를 합성하기 위하여 이러한 계면활성제 리간드의 이용은 최적의 표면 질을 얻고, 양자 효율을 크게 감소시키는 후-합성 리간드 교환을 방지하기 위하여 매우 필요하다.The above problems can be alleviated by applying various surfactant ligands such as tri-n-octylphosphine oxide or hexyl-phosphonic acid to the passivating semiconductor surface. However, there is another problem that most of the ligands made of insulating organic materials have low electron transport capability. These factors are considered the main reason why the power conversion efficiency of quantum dot solar cells (GDSCs) is much lower than expected despite the high quantum efficiency of the quantum dots passivated with surfactants. Accordingly, in order to improve the performance of an organic solar cell, the introduction of a surfactant ligand layer that facilitates the physical/chemical bonding between the active organic polymer and the inorganic electron transport layer and at the same time facilitates electron transport has attracted much attention. Moreover, the use of such surfactant ligands to synthesize semiconductor nanostructures is very necessary in order to obtain optimum surface quality and prevent post-synthetic ligand exchange, which greatly reduces quantum efficiency.

최근 Dagar 등(ACS Energy Lett. 2016, 1, 510)은 데옥시리보핵산(DNA)이 우수한 전자수송 특성을 갖는 것에 착안하여, 하부전극과 유기고분자 광활성층 사이에 전자추출층으로서 DNA 나노층을 형성시키는 것이 유기태양전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보고하였다. 이에 더하여 유기발광 다이오드 및 박막트랜지스터에도 적용되어 우수한 효과를 나타내었다. 핵산염기의 다음이온적 성질은 금속 이온 및 금속 복합체와 상호작용을 위한 효과적인 배위 위치를 제공하여 유기-무기 물질의 구조적 다양성을 제공한다. 그러나 생체물질과 복합된 반도체 나노구조물을 유기태양전지의 성능을 개선하기 위해 사용된 선례는 없었다.Recently, Dagar et al. (ACS Energy Lett. 2016, 1, 510) focused on the fact that deoxyribonucleic acid (DNA) has excellent electron transport properties, and constructed a DNA nanolayer as an electron extraction layer between the lower electrode and the organic polymer photoactive layer. It has been reported that forming can greatly improve the performance of organic solar cells. In addition, it was applied to organic light-emitting diodes and thin-film transistors, showing excellent effects. The following ionic properties of the nucleobase provide an effective coordination site for interaction with metal ions and metal complexes, providing structural diversity of organic-inorganic materials. However, there has been no precedent of using semiconductor nanostructures combined with biomaterials to improve the performance of organic solar cells.

등록특허 제10-1607478호Registered Patent No. 10-1607478 등록특허 제10-1149782호Registered Patent No. 10-1149782

ACS Energy Lett. 2016, 1, 510ACS Energy Lett. 2016, 1, 510

본 발명은 종횡비가 높고 전하 수송 특성이 우수한 핵산염기-반도체 복합체 나노선을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a nucleotide-semiconductor complex nanowire having a high aspect ratio and excellent charge transport properties.

또한 본 발명은 상기 핵산염기-반도체 복합체 나노선을 이용하여 전자수송층의 계면특성을 향상시키는 것에 의해 효율과 수명이 증가된 유기태양전지를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide an organic solar cell with increased efficiency and lifetime by improving the interfacial properties of an electron transport layer using the nucleic acid base-semiconductor composite nanowire.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선에 관한 것이다.The present invention for achieving the above object relates to a nanowire made of a nucleotide-semiconductor complex.

본 발명은 유기-무기 복합체는 유기물과 무기물의 특성을 모두 나타낸다는 점에 착안한 것으로, 본 발명의 핵산염기-반도체 복합체 나노선은 유기층과 무기층의 계면에서 유기층과 무기층의 결합력을 강화시키는 것은 물론 종래기술에서 DNA의 전자수송능력이 우수하다는 것이 알려져 있기 때문에 DNA를 구성하는 핵산염기를 이용하는 경우 종래 절연성 유기물질로 이루어진 리간드로 인한 전력변환효율의 약화 문제를 해소할 수 있을 것이라는 기대에 근거하였다.The present invention is focused on the fact that the organic-inorganic complex exhibits both organic and inorganic properties, and the nucleic acid base-semiconductor complex nanowire of the present invention enhances the bonding strength of the organic layer and the inorganic layer at the interface between the organic layer and the inorganic layer. Of course, since it is known that DNA has excellent electron transport capability in the prior art, it is based on the expectation that the problem of weakening the power conversion efficiency due to the ligand made of the conventional insulating organic material can be solved when the nucleic acid base constituting the DNA is used. I did.

본 발명에 의한 나노선은 직경 수십 nm 단위이고, 길이는 수 ㎛로 종횡비가 100이상으로 종횡비가 높다. 상기 나노선의 분석결과에 의하면 CdS가 별도의 양자점으로 존재하는 것이 아니라 나노선 내에 핵산염기와 반도체가 모두 함유되어 있는 핵산염기-반도체 복합체 나노선으로 이루어져 있음을 확인하였다. 본 발명에 의한 복합체 나노선에서는 반도체인 CdS가 양자점이 아닌 나노선의 구성 성분으로 존재하기 때문에, 본 발명에 의한 나노선은 양자점의 응집 등에 의한 특성의 변화를 방지할 수 있어 내구성이 우수하다. The nanowire according to the present invention has a diameter of several tens of nm, a length of several µm, an aspect ratio of 100 or more, and a high aspect ratio. According to the analysis results of the nanowires, it was confirmed that CdS does not exist as a separate quantum dot, but consists of a nucleotide-semiconductor complex nanowire in which both a nucleotide base and a semiconductor are contained in the nanowire. In the composite nanowire according to the present invention, since CdS, which is a semiconductor, exists as a constituent of the nanowire rather than the quantum dot, the nanowire according to the present invention can prevent changes in properties due to aggregation of quantum dots, and thus has excellent durability.

본 발명에 의한 핵산염기-나노선 복합체에서 핵산염기에 함유된 N-H 및 C=O 결합은 수소결합에 의해 반도체와 복합체를 형성한다. 상기 핵산염기로는 우라실, 티민, 사이토신, 아데닌 및 구아닌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 염기를 사용할 수 있다. 더 나아가서는 예를 들면, 티오우라실이나 5-메틸 사이토신과 같은 상기 핵산염기의 유도체를 이용할 수도 있다. 하기 실시예에서는 우라실에 대한 데이터만을 제시하였으나, 동일한 방법에 의해 다른 핵산염기의 복합체 역시 제조할 수 있다.In the nucleic acid base-nanowire complex according to the present invention, the N-H and C=O bonds contained in the nucleic acid base form a complex with the semiconductor by hydrogen bonding. As the nucleotide base, one base selected from the group consisting of uracil, thymine, cytosine, adenine, and guanine may be used. Furthermore, it is also possible to use a derivative of the nucleotide base such as thiouracil or 5-methyl cytosine. In the following examples, only data for uracil are presented, but complexes of other nucleic acid bases can also be prepared by the same method.

본 발명에서 상기 반도체로는 CdS, CdSe, PbS 또는 PbSe인 것이 바람직하다. 상기 반도체 물질들은 가전대단(valence band edges) 및 전도 에너지 레벨이 전자 추출에 효율적이고, 광학적 전자적 특성이 우수하여 다양한 광전 태양전지의 n-형 완충층(예를 들면, 역구조 유기태양전지의 패시베이션층)으로 주로 사용된다. In the present invention, the semiconductor is preferably CdS, CdSe, PbS or PbSe. The semiconductor materials are effective in electron extraction with valence band edges and conduction energy levels, and excellent optical and electronic properties, so that the n-type buffer layer of various photovoltaic solar cells (for example, the passivation layer of an inverted organic solar cell ) Is mainly used.

본 발명의 핵산염기-반도체 복합체 나노선은 UV 및 FTIR에서 핵산염기 고유의 흡광피크가 관측되었으며, 핵산염기 자체에 비해 작용기에 따라 적색편이 또는 청색편이되어 핵산염기가 작용기들이 수소결합에 관여함을 시사하였다. 또한 반도체 물질의 밴드갭 에너지에서 강한 흡수단이 관측되었다.In the nucleotide-semiconductor complex nanowire of the present invention, the absorption peak inherent in the nucleotide base was observed in UV and FTIR, and the nucleotide is shifted in red or blue depending on the functional group compared to the nucleotide itself, indicating that the nucleotide base is involved in hydrogen bonding. Suggested. In addition, a strong absorption edge was observed in the bandgap energy of the semiconductor material.

본 발명의 핵산염기-반도체 복합체 나노선은 예를 들면, (A) 카드뮴 염 또는 납 염의 에틸렌디아민 수용액에 핵산염기를 혼합하여 반응하는 단계; (B) 상기 (A) 단계의 혼합물에 티오우레아 또는 셀레노우라아를 추가하여 반응하는 단계; 및 (C) 상기 (B) 단계의 반응에 의해 생성된 침전물을 수득하는 단계;를 포함하여 제조할 수 있다.The nucleic acid base-semiconductor complex nanowire of the present invention includes, for example, (A) reacting by mixing a nucleotide base in an aqueous solution of ethylenediamine of a cadmium salt or a lead salt; (B) reacting by adding thiourea or selenoura to the mixture of step (A); And (C) obtaining a precipitate produced by the reaction of step (B).

상기 카드뮴 전구체 또는 납 전구체는 카드뮴 또는 납의 가용성 유기염 또는 무기염일 수 있다. 예로서, 카드뮴 또는 납의 초안염, 탄산염, CdCl2, PbCl2 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. The cadmium precursor or lead precursor may be a soluble organic or inorganic salt of cadmium or lead. By way of example, it is mentioned a cadmium salt or lead draft, carbonates, CdCl 2, PbCl 2 and so on, but the embodiment is not limited thereto.

상기 (A) 단계에서 카드뮴 전구체 또는 납 전구체와 핵산염기의 몰비는 1 : 0.25~5인 것이 바람직하다. 핵산염기의 몰비가 상기 범위를 벗어나는 경우 나노선 형성이 어렵거나, 나노선이 형성된다고 하더라도 유기-무기 복합체로서 유용한 특성을 나타내지 못하였다.In the step (A), the molar ratio of the cadmium precursor or the lead precursor and the nucleotide base is preferably 1: 0.25-5. When the molar ratio of the nucleotide base is out of the above range, it is difficult to form nanowires, or even if nanowires are formed, useful properties as an organic-inorganic complex were not exhibited.

본 발명은 또한 상기 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지에 관한 것이다. 본 발명의 핵산염기-반도체 복합체 나노선은 종래 n-형 완충층을 포함하는 광전 태양전지의 n-형 완충층으로 사용할 수 있다. 예를 들면, 역구조 유기태양전지에서, 전자수송층과 활성 고분자층 사이에 형성된 패시베이션 층으로서 본 발명의 핵산염기-반도체 복합체 나노선 층을 형성시킬 수 있다.The present invention also relates to an organic solar cell comprising a nanowire layer made of the nucleic acid base-semiconductor complex. The nucleic acid base-semiconductor composite nanowire of the present invention can be used as an n-type buffer layer of a photovoltaic solar cell including a conventional n-type buffer layer. For example, in an inverted structure organic solar cell, a nucleotide-semiconductor composite nanowire layer of the present invention can be formed as a passivation layer formed between an electron transport layer and an active polymer layer.

상기 핵산염기-반도체 복합체 나노선 층은 제조된 상기 나노선을 용매에 현탁시킨 후 이를 코팅하는 방법에 의해 이루어질 수 있다. 코팅 방법은 스핀 코팅이나 바코팅, 드랍 코팅과 같은 통상의 코팅 방법을 사용할 수 있다.The nucleotide-semiconductor composite nanowire layer may be formed by suspending the prepared nanowire in a solvent and then coating it. The coating method may be a conventional coating method such as spin coating, bar coating, or drop coating.

본 발명의 핵산염기-반도체 복합체는 유기물인 핵산염기의 특성과 무기물인 반도체의 특성을 모두 지니고 있어 금속 전극은 물론 유기 고분자층과의 결합력이 우수하다. 또한 유기물로 함유된 핵산염기의 전자수송 특성이 우수하기 때문에 광전변환효율이 향상되는 효과를 나타내었다.The nucleic acid base-semiconductor complex of the present invention has both the characteristics of a nucleotide base, which is an organic material, and a semiconductor, which is an inorganic material, so that it has excellent bonding strength with an organic polymer layer as well as a metal electrode. In addition, since the nucleotides contained in organic matter have excellent electron transport properties, the photoelectric conversion efficiency is improved.

이와 더불어 본 발명에 의한 핵산염기-반도체 복합체 나노선을 포함되는 유기태양전지는 안정성이 개선되어 저장 수명이 증가하였다. 이러한 저장 수명의 증가 효과는 두 가지 측면에서 설명될 수 있다. 첫째, 핵산염기-반도체 복합체 나노선이 전자수송층과 활성 고분자층 사이의 밀착 결합을 가능하게 하여 산소나 수분의 침투가 어렵다. 둘째, 핵산염기-반도체 복합체 나노선은 금속 전자수송층에 비해 소수성이 더 크기 때문에 수분이 활성 고분자 층으로 침투하는 것이 더욱 어려워져 공기중에서 장기 안정성을 갖도록 한다.In addition, the organic solar cell including the nucleic acid base-semiconductor composite nanowire according to the present invention has improved stability and thus increased shelf life. The effect of increasing the shelf life can be explained in two aspects. First, the nucleotide-semiconductor complex nanowires enable tight bonding between the electron transport layer and the active polymer layer, making it difficult for oxygen or moisture to penetrate. Second, since the nucleotide-semiconductor composite nanowire has more hydrophobicity than that of the metal electron transport layer, it is more difficult for moisture to penetrate into the active polymer layer, so that it has long-term stability in air.

핵산염기-반도체 복합체 나노선으로서 우라실-CdS 복합체 나노선이 패시베이션 층으로 형성된 유기태양전지는 패시베이션 층이 형성되지 않은 유기태양전지에 비해 광전변환효율이 20% 이상까지 증가하였으며, 저장수명 역시 두배 이상 증가하였다. As a nucleotide-semiconductor complex nanowire, an organic solar cell in which the uracil-CdS complex nanowire is formed as a passivation layer has increased photoelectric conversion efficiency by more than 20% compared to an organic solar cell without a passivation layer, and the storage life is also more than doubled. Increased.

광전변환효율과 저장수명은 나노선 층의 형성 시 사용한 핵산염기-반도체 복합체의 나노선 농도에 영향을 받았으며, 핵산염기 및 반도체의 종류에 따라 최적의 농도와 나노선 층의 두께 등을 선정하는 것은 당업자에게는 용이할 것이다.Photoelectric conversion efficiency and storage life were influenced by the nanowire concentration of the nucleotide-semiconductor complex used to form the nanowire layer, and selecting the optimal concentration and the thickness of the nanowire layer according to the type of nucleotide and semiconductor It will be easy for those skilled in the art.

이상과 같이 본 발명의 온화한 조건에서 간단한 방법에 의해 핵산염기-반도체 복합체 나노선을 제조할 수 있으며, 본 발명의 핵산염기-반도체 복합체 나노선은 유기태양전지에 적용하였을 때 전하수송 능력이 우수하여 전자수송층의 계면특성을 개선하는 것에 의해 광전변환효율과 내구성을 향상시키는 효과가 있어 유기태양전지에 유용하게 사용될 수 있다. As described above, a nucleic acid base-semiconductor composite nanowire can be manufactured by a simple method under the mild conditions of the present invention, and the nucleic acid base-semiconductor composite nanowire of the present invention has excellent charge transport ability when applied to an organic solar cell. It has the effect of improving photoelectric conversion efficiency and durability by improving the interfacial characteristics of the electron transport layer, so it can be usefully used in organic solar cells.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 우라실-CdS 복합체 나노선의 전자현미경 이미지.
도 2는 우라실-CdS 복합체 나노선의 분광 분석 결과.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 역구조 유기태양전지의 모식도 및 에너지 밴드 다이아그램.
도 4는 우라실-CdS 복합체 나노선 층의 표면 거칠기를 보여주는 AFM 이미지 및 활성 고분자층에 대한 접촉각 측정 이미지.
도 5는 우라실-CdS 복합체 나노선 층의 UV 및 PL 스펙트럼.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 역구조 유기태양전지의 성능을 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 역구조 유기태양전지의 내구성을 보여주는 그래프 및 물에 대한 접촉각 측정 이미지.1 is an electron microscope image of a uracil-CdS composite nanowire according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a uracil-CdS composite nanowire spectroscopic analysis results.
3 is a schematic diagram and an energy band diagram of an inverted structure organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
4 is an AFM image showing the surface roughness of a uracil-CdS composite nanowire layer and an image of a contact angle measurement for an active polymer layer.
5 is a UV and PL spectrum of the uracil-CdS composite nanowire layer.
6 is a graph showing the performance of an inverted structure organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the durability of an inverted organic solar cell according to an embodiment of the present invention and an image of measuring a contact angle with water.

이하 첨부된 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying examples. However, these embodiments are only examples for easily explaining the content and scope of the technical idea of the present invention, thereby not limiting or changing the technical scope of the present invention. It will be obvious to those skilled in the art that various modifications and changes are possible within the scope of the technical idea of the present invention based on these examples.

[실시예][Example]

실시예 1 : 우라실-CdS 나노선의 제조Example 1: Preparation of uracil-CdS nanowire

1M Cd(CH3COO)2 수용액 2.5 ml, 7M N(CH2CH3)3 1.5 ml 및 14M NH4OH 5 ml를 상온에서 교반하여 혼합하였다. 상기 용액에 0.067M 우라실 수용액 40 ml를 가하고, 80℃로 승온하였다. 이어 1M CH4N2S 0.5 ml를 상기 혼합물에 빠르게 가하고 추가로 30분간 반응하였다. 반응에 의해 형성된 담황색 우라실-CdS(U-CdS) 나노선 침전을 원심분리에 의해 수거하고 DI수로 세척하였다.2.5 ml of 1M Cd(CH 3 COO) 2 aqueous solution, 1.5 ml of 7M N(CH 2 CH 3 ) 3 and 5 ml of 14M NH 4 OH were stirred and mixed at room temperature. 40 ml of 0.067M uracil aqueous solution was added to the solution, and the temperature was raised to 80°C. Then, 0.5 ml of 1M CH 4 N 2 S was quickly added to the mixture, followed by reaction for an additional 30 minutes. The pale yellow uracil-CdS (U-CdS) nanowire precipitate formed by the reaction was collected by centrifugation and washed with DI water.

실시예 2 : 우라실-CdS 나노선의 구조 분석Example 2: Structure analysis of uracil-CdS nanowire

실시예 1에서 제조한 U-CdS 나노선의 구조와 모폴로지를 SEM(S-4800, Hitachi) 및 TEM(G2 F30 S-Twin, Tecnai)으로 분석하였다. 도 1의 a는 저해상도 TEM 이미지, b는 고해상도 TEM 이미지 및 c는 SEM 이미지이다. 도 1에 의하면 실시예 1에서 제조된 U-CdS 복합체는 직경 10~20 nm, 길이 수 ㎛의 종횡비가 100 이상인 나노선 구조를 가진다. 도 1의 a의 내부도면은 SAD(selective-area diffraction) 패턴으로 확산된 링 패턴을 보여주어 U-CdS 나노선이 무정형 및/또는 나노결정 구조를 갖는 것을 보여준다. 고해상도 TEM 이미지는 U-CdS 나노선이 무정형에 가까운 모폴로지를 나타낸다. 전자현미경 이미지 관측 과정에서 U-CdS 나노선은 전자선 조사에 의해 쉽게 손상되고 분해되는 것을 확인하여, 실시예 1에서 제조된 침전물이 순수한 무기 CdS 결정이 아닌 유기 우라실과의 복합체임을 시사하였다.The structure and morphology of the U-CdS nanowire prepared in Example 1 were analyzed by SEM (S-4800, Hitachi) and TEM (G 2 F30 S-Twin, Tecnai). 1A is a low-resolution TEM image, b is a high-resolution TEM image, and c is a SEM image. Referring to FIG. 1, the U-CdS composite prepared in Example 1 has a nanowire structure having an aspect ratio of 10 to 20 nm in diameter and several μm in length of 100 or more. The internal diagram of FIG. 1A shows a ring pattern diffused in a selective-area diffraction (SAD) pattern, indicating that the U-CdS nanowire has an amorphous and/or nanocrystalline structure. High-resolution TEM images show the morphology of U-CdS nanowires close to amorphous. It was confirmed that U-CdS nanowires were easily damaged and decomposed by electron beam irradiation in the process of electron microscopic image observation, suggesting that the precipitate prepared in Example 1 was not a pure inorganic CdS crystal but a complex with organic uracil.

이에, U-CdS 나노선의 결정구조와 화학결합 특성은 XRD(Ru200B, Rigaku) 및 UV. FTIR(Nicolet iS5)로 각각 분석하고 그 결과를 도 2에 도시하였다. U-CdS의 XRD 패턴은 2θ가 28° 부근에서 브로드한 피크를 보여주어, 6방정계(100), (101) 및 입방체(111), (200) 상의 CdS 나노결정상이 존재함을 확인할 수 있었다(도 2의 a). 도 2의 b와 c는 U-CdS 나노선의 UV 스펙트럼이고, d는 FT-IR 스펙트럼이다. U-CdS 나노선은 258 nm에서 우라실의 π/π* 전이에 기인한 강한 흡광 피크를 나타내어, 나노선 내에 상당한 양의 우라실이 함유됨을 확인할 수 있었다. 상기 흡광 피크는 순수한 우라실에 비해 적색편이 되어 있었는데, 이는 우라실과 CdS의 복합체 형성에 기인한다. U-CdS 나노선은 560 nm 영역에서도 강한 흡수단(absorption edge)을 보여주었는데, 이는 CdS의 밴드갭 에너지(~2.4 eV)에 해당한다. FTIR 스펙트럼은 순수한 우라실의 화학결합 특성을 반영한다. 우라실의 N-H 결합에 의한 1416, 1453 및 1509 cm-1의 피크는 U-CdS 나노선에서는 N-H 결합의 수소결합 커플링으로 인해 1413, 1450 및 1507cm-1로 약간 청색편이하였다. 수소결합 시 N-H 기는 양성자 공여체로 작용한다. 그러나 편이의 값이 상대적으로 작아 나노선에서 우라실은 CdS와 약하게 결합되어 있음을 시사하였다.Thus, the crystal structure and chemical bonding properties of U-CdS nanowires are XRD (Ru200B, Rigaku) and UV. Each was analyzed by FTIR (Nicolet iS5) and the results are shown in FIG. 2. The XRD pattern of U-CdS showed a broad peak at 2θ around 28°, confirming the existence of CdS nanocrystalline phases in the hexagonal system (100), (101) and cubes (111) and (200). (Fig. 2a). 2b and c are UV spectra of U-CdS nanowires, and d is FT-IR spectra. The U-CdS nanowire showed a strong absorption peak due to the π/π* transition of uracil at 258 nm, confirming that a significant amount of uracil was contained in the nanowire. The absorption peak was red shifted compared to pure uracil, which is due to the formation of a complex of uracil and CdS. The U-CdS nanowire showed a strong absorption edge even in the 560 nm region, which corresponds to the bandgap energy (~2.4 eV) of CdS. The FTIR spectrum reflects the chemical bonding properties of pure uracil. The peaks at 1416, 1453 and 1509 cm -1 due to the NH bond of uracil were slightly blue shifted to 1413, 1450 and 1507 cm -1 due to the hydrogen bond coupling of the NH bond in the U-CdS nanowire. Upon hydrogen bonding, the NH group acts as a proton donor. However, the value of the shift was relatively small, suggesting that uracil was weakly bound to CdS in the nanowire.

실시예 3 : 우라실-CdS 나노선 박막을 포함한 유기태양전지Example 3: Organic solar cell including uracil-CdS nanowire thin film

1) 유기태양전지의 제조1) Manufacture of organic solar cell

ITO 전극이 패턴된 유리 기재를 아세톤, 이소프로필 알콜 및 DI수에서 순차적으로 초음파 세척하였다. 전자수송층 형성을 위하여 ZnO 타겟을 사용하여 6 mTorr의 작업압력, 100W의 RF 파워 조건에서 스퍼터링에 의해 ITO 기판 상에 20 nm 두께의 ZnO 박막을 형성하였다. The glass substrate patterned with the ITO electrode was ultrasonically washed sequentially in acetone, isopropyl alcohol, and DI water. In order to form the electron transport layer, a 20 nm thick ZnO thin film was formed on the ITO substrate by sputtering at a working pressure of 6 mTorr and RF power of 100 W using a ZnO target.

여러 가지 두께의 U-CdS 나노선층을 형성하기 위하여 실시예 1에서 제조한 U-CdS 나노선을 클로로벤젠에 0.25, 0.5, 1.0, 5.0 또는 50 mg/ml의 농도로 현탁시켰다. 질소 분위기의 글로브 박스에서 상기 용액을 사용하여 ITO/ZnO 상에 700 rpm으로 30초간 스핀 코팅하고 130℃ 핫플레이트에서 10분간 건조하였다. In order to form a U-CdS nanowire layer having various thicknesses, the U-CdS nanowire prepared in Example 1 was suspended in chlorobenzene at a concentration of 0.25, 0.5, 1.0, 5.0 or 50 mg/ml. The solution was spin-coated on ITO/ZnO at 700 rpm for 30 seconds in a glove box in a nitrogen atmosphere, and dried on a hot plate at 130° C. for 10 minutes.

활성 고분자층의 형성을 위하여 클로로벤젠에 20 mg/ml의 농도로 용해된 P3HT(poly(3-hexylthiophene); Rieke Metals)와 12 mg/ml 농도로 용해된 PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester; Sigma-Aldrich)를 혼합한 활성 BHJ 고분자를 ITO/ZnO/U-CDS 나노선 상에 700 rpm으로 30초간 스핀 코팅하고 130℃에서 10분간 열처리하였다. 이후, 1 ml PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylene dioxythiophene) polystyrene sulfonate)을 이소 프로프로판올 4 ml와 혼합하여 제조한 용액으로 활성 고분자 층 상에 2000 rpm으로 30초간 스핀코팅하고 150℃에서 10분간 열처리하여 정공수송층을 형성하였다. 마지막으로 200 nm Ag 전극을 열 증착하였다. 유기태양전지의 유효 면적은 0.052 cm2였다.To form an active polymer layer, P3HT (poly(3-hexylthiophene); Rieke Metals) dissolved in chlorobenzene at a concentration of 20 mg/ml and PCBM (phenyl-C61-butyric acid methyl ester) dissolved at a concentration of 12 mg/ml ; Sigma-Aldrich) mixed active BHJ polymer was spin-coated on ITO/ZnO/U-CDS nanowires at 700 rpm for 30 seconds and heat treated at 130° C. for 10 minutes. Thereafter, 1 ml PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylene dioxythiophene) polystyrene sulfonate) is a solution prepared by mixing 4 ml of isopropanol. Spin-coating on the active polymer layer at 2000 rpm for 30 seconds and then at 150°C for 10 Heat treatment for minutes was performed to form a hole transport layer. Finally, a 200 nm Ag electrode was thermally evaporated. The effective area of the organic solar cell was 0.052 cm 2 .

도 3은 상기 방법에 의해 제조된 유기태양전지의 구조를 보여주는 모식도와 해당 구조의 에너지 밴드 다이아그램이다.3 is a schematic diagram showing the structure of an organic solar cell manufactured by the above method and an energy band diagram of the structure.

2) U-CdS 나노선 코팅층의 특성 분석2) Characterization of U-CdS nanowire coating layer

1)에서 스퍼터링에 의해 증착된 ZnO 층과 ZnO/U-CdS 나노선 층의 표면 특성을 AFM(MFP-3D BIO, Asylum)으로 관측하고 그 결과를 도 4의 a 및 b에 각각 도시하였다. 도 4는 b에서 U-CdS 나노선이 ZnO 박막 층 상에 균일하게 코팅된 것을 확인할 수 있으며, 표면 거칠기는 ZnO 박막의 표면거칠기 2.80 nm보다 다소 낮은 2.56 nm 값을 나타내었다. 별도로 도시하지는 않았으나, 대면적 코팅에 대한 결과도 도 4의 결과와 거의 일치하였다. U-CdS 나노선은 ZnO 표면의 굴곡을 메워주는 역할을 하여 표면 거칠기를 감소시키며, 표면 결함을 패시베이팅함을 나타낸다. Surface properties of the ZnO layer and the ZnO/U-CdS nanowire layer deposited by sputtering in 1) were observed with AFM (MFP-3D BIO, Asylum), and the results are shown in FIGS. 4A and 4B, respectively. In FIG. 4, it can be seen that the U-CdS nanowires are uniformly coated on the ZnO thin film layer in b, and the surface roughness is 2.56 nm, which is slightly lower than the 2.80 nm surface roughness of the ZnO thin film. Although not shown separately, the results for the large-area coating were also almost consistent with the results of FIG. 4. U-CdS nanowires play a role in filling the curves of the ZnO surface, reducing surface roughness, and passivating surface defects.

도 4의 b는 U-CdS 나노선 층의 형성여부에 따른 전자수송층(ZnO)에 대한 활성고분자의 접촉각을 시험한 결과이다. U-CdS 나노선층을 형성한 경우 접촉각(3.2°)이 ZnO 자체(6.9°)보다 훨씬 작아 U-CdS에 대한 젖음성이 더 우수하므로, ZnO/U-CdS 나노선과 활성 BHJ 고분자 사이의 계면에서 ZnO와 활성 BHJ 고분자 계면에서 보다 전하 수송이 개선될 수 있음을 보여준다.4B is a result of testing the contact angle of the active polymer to the electron transport layer (ZnO) according to the formation of the U-CdS nanowire layer. When the U-CdS nanowire layer is formed, the contact angle (3.2°) is much smaller than that of ZnO itself (6.9°), so the wettability to U-CdS is better, so at the interface between the ZnO/U-CdS nanowire and the active BHJ polymer. It is shown that the charge transport can be improved more than at the interface of ZnO and active BHJ polymer.

유기태양전지의 광학특성은 PL(여기파장 532 nm) 및 UV-Vis 스펙트로스코피(S-3100, SCINCO)로 관측하고 그 결과를 도 5에 도시하였다. 유기태양전지의 전하 수명(carrer lifetime)은 400 nm의 고정 파장에서의 picosecond-pulsed Ti:사파이어 레이저의 2차 조화광(second harmonic light)를 사용한 TRPL(time-resolved photoluminescence)에 의해 측정하였다. U-CdS를 사용하지 않은 유기태양전지는 전하 수명이 32 ps로 가장 길었으며, U-CdS의 농도를 증가시킴에 따라 점차 감소하여 0.5 mg/ml에서 최저값 25 ps를 나타내고, U-CdS의 농도가 더욱 증가하면 다시 증가하였다. 전하수명의 감소는 광여기된 전자가 ZnO/U-CdS 나노선 층을 통하여 ITO 전극으로 효과적으로 수송됨을 의미한다. PL 특성은 더욱 현저한 차이를 보여주었는데, U-CdS 나노선층이 형성된 유기태양전지는 PL 강도가 훨씬 약했다. 이러한 차이는 U-CdS 나노선층을 통한 효율적인 전자 수송으로 인하여 활성 고분자층에서 전자-정공 재결합이 감소되기 때문이다. 하기 실시예의 결과에서, U-CdS 나노선이 형성된 유기태양전지의 광전변환효율이 증가하기 때문에 결함 상태에서 비방사형 재결합의 증가 가능성은 제외시킬 수 있다. 따라서 개선된 전하수송성은 ZnO/U-CdS 나노선 /활성 BHJ 고분자의 계면 특성에 기인한다고 할 수 있다.The optical characteristics of the organic solar cell were observed with PL (excitation wavelength 532 nm) and UV-Vis spectroscopy (S-3100, SCINCO), and the results are shown in FIG. 5. The carrier lifetime of an organic solar cell was measured by time-resolved photoluminescence (TRPL) using a picosecond-pulsed Ti: second harmonic light of a sapphire laser at a fixed wavelength of 400 nm. The organic solar cell without U-CdS had the longest charge life of 32 ps, and gradually decreased as the concentration of U-CdS increased, showing the lowest value of 25 ps at 0.5 mg/ml, and the concentration of U-CdS When is further increased, it increased again. The decrease in charge life means that photo-excited electrons are effectively transported to the ITO electrode through the ZnO/U-CdS nanowire layer. The PL characteristics showed a more remarkable difference. The organic solar cell with the U-CdS nanowire layer had much weaker PL strength. This difference is because electron-hole recombination in the active polymer layer is reduced due to efficient electron transport through the U-CdS nanowire layer. In the results of the following examples, since the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell in which the U-CdS nanowires are formed increases, the possibility of an increase in non-radiative recombination in a defective state can be excluded. Therefore, it can be said that the improved charge transport is due to the interfacial properties of the ZnO/U-CdS nanowire/active BHJ polymer.

이러한 계면 특성 향상 효과는 U-CdS 나노선의 C=O기의 산소원자와 N-H기의 양성자가 수소결합을 통해 ZnO의 표면 결함을 패시베이팅하는 데 중요한 역할을 하고, 추가적으로 에너지 밴드 배열이 CdS로 인해 전자 추출에 유리하기 때문으로 사료된다.This interfacial property improvement effect plays an important role in passivating the surface defects of ZnO through hydrogen bonding between the oxygen atom of the C=O group and the proton of the NH group of the U-CdS nanowire, and the energy band arrangement is additionally converted to CdS. This is believed to be because it is advantageous for electron extraction.

3) 유기태양전지의 성능 평가3) Performance evaluation of organic solar cell

유기태양전지의 J-V 특성은 Keithley 2400 source meter를 사용하여 암조건solar simmulator(PEC-L01, Peccell Technology)에 의해 생성된 AM 1.5G 모의태양광 100 mW/cm2를 조사하여 측정하였다. 도 6은 그 결과를 보여주는 그래프로 (a)와 (b)는 각각 광조사 시 및 암조건에서의 유기태양전지의 J-V 곡선이고, (c)는 U-CdS 나노선 농도에 따른 광전변환효율과 충전율(fill factor)을 보여주는 그래프이며, (d)는 U-CdS 나노선 농도에 따른 VOC와 JSC 특성을 보여주는 그래프이다. The JV characteristics of the organic solar cell were measured by irradiating 100 mW/cm 2 of AM 1.5G simulated solar light generated by a dark condition solar simmulator (PEC-L01, Peccell Technology) using a Keithley 2400 source meter. 6 is a graph showing the results, (a) and (b) are JV curves of the organic solar cell under light irradiation and dark conditions, respectively, and (c) is the photoelectric conversion efficiency according to the concentration of U-CdS nanowires and It is a graph showing the fill factor, and (d) is a graph showing the characteristics of V OC and J SC according to the concentration of U-CdS nanowires.

U-CdS 나노선 층이 형성되지 않은 유기태양전지의 광전변환효율은 2.88%이고, 단락전류밀도(JSC)는 10.8 mA/cm2, 개방회로전압(VOC)은 0.602 V, 충전율(FF)는 44.3%였다. U-CdS 나노선 농도가 증가함에 따라 U-CdS 나노선 농도가 0.5 mg/ml에서 평균 광전변환효율은 3.52%까지 증가하였으며, 농도가 더욱 증가함에 따라 광전변환효율은 다시 감소하였다. 단락전류밀도와 개방회로전압은 U-CdS 나노선 농도가 1 mg/ml로 증가할 때까지 크게 변화하지 않지만, 광전변환효율은 충전율과 밀접하게 연관된다. 도 5의 a에 도시된 UV-Vis 스펙트럼에서 확인할 수 있듯이 U-CdS 나노선의 흡광도에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 활성 BHJ 고분자를 통한 광량자밀도(photon flux density)는 크게 변하지 않는다. 유기태양전지의 성능을 하기 표 1에 정리하였다. The photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell without the U-CdS nanowire layer is 2.88%, the short circuit current density (J SC ) is 10.8 mA/cm 2 , the open circuit voltage (V OC ) is 0.602 V, and the charging rate (FF) ) Was 44.3%. As the U-CdS nanowire concentration increased, the average photoelectric conversion efficiency increased from 0.5 mg/ml to 3.52% at the U-CdS nanowire concentration, and as the concentration further increased, the photoelectric conversion efficiency decreased again. The short-circuit current density and open circuit voltage do not change significantly until the U-CdS nanowire concentration increases to 1 mg/ml, but the photoelectric conversion efficiency is closely related to the charging rate. As can be seen from the UV-Vis spectrum shown in FIG. 5A, since the absorbance of U-CdS nanowires is not significantly affected, the photon flux density through the active BHJ polymer does not change significantly. The performance of the organic solar cell is summarized in Table 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 표 1에 기재하지는 않았으나, ZnO 층 위에 U-CdS 나노선 대신 uracil을 용해시켜 제조한 유기태양전지의 광전변환효율은 2.68%로 uracil 또는 U-CdS 나노선 층이 형성되지 않은 대조군의 유기태양전지에 비해 오히려 효율이 낮았다. Although not described in Table 1 above, the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell manufactured by dissolving uracil instead of U-CdS nanowire on the ZnO layer was 2.68%, and the organic solar of the control in which no uracil or U-CdS nanowire layer was formed. The efficiency was rather low compared to the battery.

U-CdS 나노선 층의 도입에 따른 충전율의 증가는 ZnO/U-CdS 나노선/활성 BHJ 고분자의 계면 특성이 향상되는 것에 기인한다. 암조건의 J-V 곡선은 ZnO만을 사용하는 경우에 비해 역누설전류가 작다. 이러한 결과는 U-CdS 나노선이 더 높은 분로저항(Shunt Resistance)을 나타내고 전하 재결합을 억제하여 충전율과 광전변환효율을 크게 개선하기 때문이다. 그러나 U-CdS 나노선의 농도가 1 mg/ml보다 증가하면, 광전변환효율은 물론 충전율, VOC, JSC 모두 감소하는데 이는 높은 농도에서는 U-CdS 나노선이 응집되기 때문이다(데이터 미도시). The increase in the filling rate due to the introduction of the U-CdS nanowire layer is due to the improved interfacial properties of the ZnO/U-CdS nanowire/active BHJ polymer. The JV curve under dark conditions has a smaller reverse leakage current than when only ZnO is used. This result is because U-CdS nanowires exhibit higher shunt resistance and suppress charge recombination, thereby greatly improving the charging rate and photoelectric conversion efficiency. However, when the concentration of U-CdS nanowires increases more than 1 mg/ml, the photoelectric conversion efficiency as well as the charging rate, V OC and J SC all decrease because U-CdS nanowires aggregate at high concentrations (data not shown). .

4) 유기태양전지의 저장 수명 평가4) Evaluation of the shelf life of organic solar cells

0.5 mg/ml U-CdS 나노선을 사용하여 제조한 유기태양전지의 수명을 측정하였다. 측정을 위하여 제조된 유기태양전지를 상대습도가 35~40%, 상온의 조건에서 별도의 봉지없이 270시간 방치하며 성능을 평가하였다. 도 7은 그 결과를 도시한 그래프로, 저장 기간이 경과함에 따라 산소와 수증기가 활성 고분자에 침투하는 것에 의해 광전변환효율과 단락전류밀도는 점차 감소하였다. 반면 개방회류전압과 충전율은 거의 변화가 없었다(데이터 미도시). 270 시간 후 U-CdS 나노선층을 포함하지 않는 유기태양전지는 광전변환효율이 약 32% 감소한 반면, U-CdS 나노선층이 포함된 경우에는 15%만이 감소하였다. The lifespan of the organic solar cell manufactured using 0.5 mg/ml U-CdS nanowire was measured. The organic solar cell manufactured for the measurement was allowed to stand for 270 hours without a separate bag under the conditions of 35-40% relative humidity and room temperature, and the performance was evaluated. 7 is a graph showing the result, as the storage period elapses, the photoelectric conversion efficiency and the short-circuit current density gradually decreased due to the penetration of oxygen and water vapor into the active polymer. On the other hand, the open circulating voltage and charging rate hardly changed (data not shown). After 270 hours, the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell not including the U-CdS nanowire layer decreased by about 32%, while only 15% when the U-CdS nanowire layer was included.

Claims (8)

핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선.
A nanowire made of a nucleotide-semiconductor complex.
 제 1 항에 있어서,
핵산염기는 우라실, 티민, 사이토신, 아데닌 및 구아닌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선.
The method of claim 1,
The nucleotide is one selected from the group consisting of uracil, thymine, cytosine, adenine, and guanine. The nanowire consisting of a nucleotide-semiconductor complex.
 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 반도체는 CdS, CdSe, PbS 또는 PbSe인 것을 특징으로 하는 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선.
The method according to claim 1 or 2,
The semiconductor is a nanowire made of a nucleotide-semiconductor complex, characterized in that CdS, CdSe, PbS or PbSe.
 제 3 항에 있어서,
(A) 카드뮴 전구체 또는 납 전구체의 에틸렌디아민 수용액에 핵산염기를 혼합하여 반응하는 단계;
(B) 상기 (A) 단계의 혼합물에 티오우레아 또는 셀레노우라아를 추가하여 반응하는 단계; 및
(C) 상기 (B) 단계의 반응에 의해 생성된 침전물을 수득하는 단계;
를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선.
The method of claim 3,
(A) reacting by mixing a nucleotide base in an aqueous solution of ethylenediamine of a cadmium precursor or a lead precursor;
(B) reacting by adding thiourea or selenoura to the mixture of step (A); And
(C) obtaining a precipitate produced by the reaction of step (B);
A nanowire made of a nucleotide-semiconductor complex, characterized in that produced, including.
 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 카드뮴 전구체 또는 납 전구체와 핵산염기의 몰비는 1 : 0.25~5인 것을 특징으로 하는 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선.
The method according to claim 1 or 2,
A nanowire made of a nucleotide-semiconductor complex, characterized in that the molar ratio of the cadmium precursor or lead precursor and the nucleotide base is 1: 0.25-5.
 제 1 항에 의한 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
An organic solar cell comprising a nanowire layer made of a nucleic acid base-semiconductor complex according to claim 1.
 제 6 항에 있어서,
상기 유기태양전지는 역구조 유기태양전지로,
핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선 층이 패시베이션층으로 전자수송층과 활성 고분자층 사이에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유기태양전지.
The method of claim 6,
The organic solar cell is an inverted structure organic solar cell,
An organic solar cell, characterized in that a nanowire layer made of a nucleic acid base-semiconductor complex is formed between the electron transport layer and the active polymer layer as a passivation layer.
 제 7 항에 있어서,
상기 핵산염기-반도체 복합체로 이루어진 나노선은 우라실-CdS 복합체 나노선인 것을 특징으로 하는 유기태양전지.The method of claim 7,
The organic solar cell, characterized in that the nanowire made of the nucleotide-semiconductor complex is a uracil-CdS complex nanowire.
KR1020190076892A 2019-06-27 2019-06-27 Nucleobase-Semiconductor Complexed Nanowires and Solar Cells thereby KR102238804B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190076892A KR102238804B1 (en) 2019-06-27 2019-06-27 Nucleobase-Semiconductor Complexed Nanowires and Solar Cells thereby

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190076892A KR102238804B1 (en) 2019-06-27 2019-06-27 Nucleobase-Semiconductor Complexed Nanowires and Solar Cells thereby

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210001197A true KR20210001197A (en) 2021-01-06
KR102238804B1 KR102238804B1 (en) 2021-04-09

Family

ID=74128619

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190076892A KR102238804B1 (en) 2019-06-27 2019-06-27 Nucleobase-Semiconductor Complexed Nanowires and Solar Cells thereby

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102238804B1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100082219A (en) * 2009-01-08 2010-07-16 삼성전자주식회사 Field electron emitter, field electron emitter device and method for preparing the same
KR101149782B1 (en) 2010-11-23 2012-06-08 건국대학교 산학협력단 Inverted organic photovoltaic cells and manufacturing method thereof
KR20160003274A (en) * 2013-05-02 2016-01-08 테크놀로지 이노베이션 모멘텀 펀드 (이스라엘) 리미티드 파트너쉽 Self-assembled peptide nucleic acids
KR101607478B1 (en) 2014-11-20 2016-03-30 한국과학기술연구원 Inverted polymer solar cells fabricated by using core-shell nanoparticles and fabrication process thereof
KR20170009929A (en) * 2014-05-22 2017-01-25 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지 Scalable nucleic acid-based nanofabrication
KR101829677B1 (en) * 2016-04-27 2018-02-19 고려대학교 산학협력단 Fluorescent complex comprising nucleic acid fixed organic semiconductor and method for preparing the same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100082219A (en) * 2009-01-08 2010-07-16 삼성전자주식회사 Field electron emitter, field electron emitter device and method for preparing the same
KR101149782B1 (en) 2010-11-23 2012-06-08 건국대학교 산학협력단 Inverted organic photovoltaic cells and manufacturing method thereof
KR20160003274A (en) * 2013-05-02 2016-01-08 테크놀로지 이노베이션 모멘텀 펀드 (이스라엘) 리미티드 파트너쉽 Self-assembled peptide nucleic acids
KR20170009929A (en) * 2014-05-22 2017-01-25 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지 Scalable nucleic acid-based nanofabrication
KR101607478B1 (en) 2014-11-20 2016-03-30 한국과학기술연구원 Inverted polymer solar cells fabricated by using core-shell nanoparticles and fabrication process thereof
KR101829677B1 (en) * 2016-04-27 2018-02-19 고려대학교 산학협력단 Fluorescent complex comprising nucleic acid fixed organic semiconductor and method for preparing the same

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. Kumar 등, "Electronic Properties of Q-CdS Clusters Stabilized by Adenine", Journal of Colloid and Interface Science (2001.07.12. 공고)* *
ACS Energy Lett. 2016, 1, 510
E. F. Gomez 등, "Engineering DNA and Nucleobases for Present and Future Device Applications", Green Materals for Electronics (2017.09.15. 공고)* *
R. N. Nurdillayeva 등, "Electronic and Eelctrochemical characterization of DNA-templated CdS nanowires", Materials Todays: Proceedings (2018.10.03. 공고)* *

Also Published As

Publication number Publication date
KR102238804B1 (en) 2021-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Balis et al. Graphene and transition metal dichalcogenide nanosheets as charge transport layers for solution processed solar cells
Beek et al. Hybrid polymer solar cells based on zinc oxide
Li et al. An inverted polymer photovoltaic cell with increased air stability obtained by employing novel hole/electron collecting layers
Xu et al. Conjugated polymer–inorganic semiconductor hybrid solar cells
Zhou et al. Bulk-heterojunction hybrid solar cells based on colloidal nanocrystals and conjugated polymers
Zhou et al. Hybrid nanocrystal/polymer solar cells based on tetrapod-shaped CdSexTe1− x nanocrystals
Arici et al. Hybrid solar cells based on nanoparticles of CuInS2 in organic matrices
Beek et al. Hybrid solar cells from regioregular polythiophene and ZnO nanoparticles
Im et al. All solid state multiply layered PbS colloidal quantum-dot-sensitized photovoltaic cells
US20110308613A1 (en) Photovoltaic Devices with Nanostructure/Conjugated Polymer Hybrid Layer and its Matched Electron Transporting Layer
Mbule et al. Effects of particle morphology of ZnO buffer layer on the performance of organic solar cell devices
JP2020506548A (en) Contact passivation for perovskite optoelectronics
Hyun et al. Heterojunction PbS nanocrystal solar cells with oxide charge-transport layers
Bi et al. Device performance correlated with structural properties of vertically aligned nanorod arrays in polymer/ZnO solar cells
Chang et al. Improved charge separation and transport efficiency in poly (3-hexylthiophene)–TiO 2 nanorod bulk heterojunction solar cells
Li et al. Improved photovoltaic performance of heterostructured tetrapod‐shaped CdSe/CdTe nanocrystals using C60 interlayer
US8742253B1 (en) Device configurations for CIS based solar cells
Yue et al. Incorporating CuInS2 quantum dots into polymer/oxide-nanoarray system for efficient hybrid solar cells
Seo et al. Synthesis and organic solar cell application of RNA-nucleobase-complexed CdS nanowires
Yue et al. TiO2/CuInS2-core/shell nanoarrays for polymer-based hybrid solar cells with aligned bulk heterojunctions
Zhou et al. Organic-inorganic hybrid solar cells: state of the art, challenges and perspectives
Du et al. Hybrid Solar Cells from Aqueous Polymers and Colloidal Nanocrystals
Yu et al. Surface modification on nanoripple-like ZnO nanorod arrays using two-dimensional (2D) Bi2OS2 to fabricate high-performance inverted polymer solar cells
KR102238804B1 (en) Nucleobase-Semiconductor Complexed Nanowires and Solar Cells thereby
Tan et al. Formation of cathode buffer layer by surface segregation of fluoroalkyl-modified ZnO for polymer solar cells

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant