원자층 증착법을 이용한 양자점 감응형 태양전지의 효율 향상 연구

Abstract

The emergence of quantum dot-sensitized solar cells (QDSSCs) has provided an alternative way to harvest sunlight for energy conversion by utilizing unique quantum dots (QDs) characteristics as a sensitizer. Nevertheless, their efficiency is fettered by high recombination rate, which can be controlled by interfacial passivation layer (IPL). We successfully applied ultrathin ZnS IPL to CdS QDSSCs via atomic layer deposition (ALD). To gauge efficacy of ultrathin ZnS IPL, it was applied pre QDs loading, TiO2/ALD-ZnS(bottom)/CdS and post QDs loading, TiO2/CdS/ALD-ZnS(top) on QDSSCs. Top layer was found to enhance the absorbance by acting as anti-reflective coating, bottom layer lead to uniform size distribution of QDs due to its surface energy, and both layer could be used as a recombination barrier layer. Layer thickness being stringent parameter in IPL, was optimized to 2 cycles of ALD for both ZnS IPLs, resulting in approximately 8 % and 11 % increase in photocurrent density (JSC) in top and bottom ZnS IPL, respectively. Enhancement of approximately 15 % and 30 % of photo conversion efficiency (PCE) can be obtained in top and bottom ZnS IPL respectively.|신재생에너지 시장의 확대됨에 따라 태양전지의 수요도 늘어나고 있다. 저비용 고효율 태양전지에 대한 관심으로 3세대 태양전지인 양자점 감응형 태양전지 (Quantum dot sensitized solar cells, QDSSCs)의 연구개발이 꾸준히 이루어져왔다. QDSSCs는 광전기화학을 기반으로, 흡수체로써 밴드갭 조절이 가능하고, 다중 엑시톤 형성 및 높은 빛 흡수율 등 우수한 특성을 가지는 양자점을 이용하는 태양전지이다. 고효율 달성에 적합하며 성장 잠재력이 무궁무진함에도 불구하고 계면에서의 재결합반응, 이론값에 미치지 못하는 빛 흡수율, 느린 전자전달 반응으로 효율 향상 한계에 다다르게 되었다. 본 연구에서는 고효율 양자점 태양전지 제작을 위한 전략인 interfacial passivation layer (IPL)를 atomic layer deposition (ALD) 방법을 이용하여 ZnS를 증착하였다. Self-limited reaction으로 균일한 두께와 우수한 step-coverage를 가지는 박막을 증착하는 ALD 기술을 활용하여 ZnS IPL을 CdS 양자점 감응 전후에 증착함으로써 위치에 따른 ALD-ZnS IPL의 역할을 확인하였다. TiO2/CdS/ALD-ZnS 구조를 가지는 top layer는 UV-vis 측정을 통해 anti-reflective coating의 역할을 수행하였고, TiO2/ALD-ZnS/CdS 구조를 가지는 bottom layer는 표면의 surface energy를 변화시켜 균일하고 작은 크기의 QDs nucleus를 많이 성장시킬 수 있었다. 각 위치에서 ZnS IPL의 두께는 ALD 2 사이클에서 최적화되었고, 특히 photo current density (Jsc) 증가에 기여해 태양전지의 효율을 향상시켰다. 앞으로 ALD 공정을 이용한 다양한 sulfide material의 개발은 QDSSCs 분야에서 태양전지 효율을 향상시키는 하나의 전략이 될 것으로 기대한다.; The emergence of quantum dot-sensitized solar cells (QDSSCs) has provided an alternative way to harvest sunlight for energy conversion by utilizing unique quantum dots (QDs) characteristics as a sensitizer. Nevertheless, their efficiency is fettered by high recombination rate, which can be controlled by interfacial passivation layer (IPL). We successfully applied ultrathin ZnS IPL to CdS QDSSCs via atomic layer deposition (ALD). To gauge efficacy of ultrathin ZnS IPL, it was applied pre QDs loading, TiO2/ALD-ZnS(bottom)/CdS and post QDs loading, TiO2/CdS/ALD-ZnS(top) on QDSSCs. Top layer was found to enhance the absorbance by acting as anti-reflective coating, bottom layer lead to uniform size distribution of QDs due to its surface energy, and both layer could be used as a recombination barrier layer. Layer thickness being stringent parameter in IPL, was optimized to 2 cycles of ALD for both ZnS IPLs, resulting in approximately 8 % and 11 % increase in photocurrent density (JSC) in top and bottom ZnS IPL, respectively. Enhancement of approximately 15 % and 30 % of photo conversion efficiency (PCE) can be obtained in top and bottom ZnS IPL respectively.