Due to limitation of resources and environmental issue of conventional energy sources, demand for renewable energy is increasing. Though the silicon photovoltaics are highly developed device, next generation photovoltaics are still in need in terms of utility and low processing cost. Next generation photovoltaics are solution processible, and should be fabricated in thin film, applicable for flexible device. Among them, colloidal quantum dot photovoltaics (CQDPV) have great potential in terms of efficiency and stability. The development of CQDPV started in 2010, and reached the best efficiency of 10.7% in 2015, and all inorganic passivated colloidal quantum dots (CQD) are very stable in air.1 But still further efficiency improvement is required to compete silicon photovoltaics.
To prevent schottky junction formation, hole transport materials are inserted between active layer and top metal. Many materials have been studied and so far, n-type transition metal oxide, such as molybdenum oxide and vanadium oxides are found to provide the best efficiency to the device. However, molybdenum oxide is poor hole conductor and unstable in air. Due to its poor hole conductivity, the thickness of molybdenum oxide has to be delicately controlled; otherwise, the device loses its performance, and current density characteristic becomes poor. Also, oxidation of vacancy oxygen site of molybdenum oxide is very critical for cell performance. In 10 days, the photovoltaic loses its performance under 25% of its own.
In this research, we used PEDOT:PSS layer as hole transport material. Diluting PEDOT:PSS solution in methanol could successfully reserve active layer quality, and current density was increased around 20%. Additional alpha-sexithiophene $(\alpha -6T)$ layer could boost open circuit voltage by blocking leakage current. Α-6T has huge band gap of 2.2eV which forms huge potential barrier. Also $\alpha -6T$ could improve the stability. Due to hygroscopic PEDOT:PSS, colloidal quantum dot layer is degraded and results in poor device performance. But $\alpha -6T$ could block direct contact and improve stability and efficiency. Compared to Molybdenum oxide device, $\alpha -6T$ and PEDOT:PSS layer could improve the efficiency from 5.8% to 8.06%.
기존 에너지 연료는 자원 매장량에 한계가 있고 환경오염 문제가 있어 재생 가능한 에너지의 요구가 늘어나고 있다. 실리콘 태양전지는 매우 완성된 기술이지만, 차세대 태양전지는 활용도와 저가 공정가 측면에서 꼭 필요한 기술이다. 차세대 태양전지는 용액 공정이 가능하며, 얇은 필름으로 생산이 가능하여 유연한 장비에 적용이 가능하다. 차세대 태양전지 중에서도 양자점 태양전지는 효율과 안정성 측면에서 높은 잠재력이 있다. 양자점 태양전지는 2010년에 본격적인 개발이 시작되어 2015년에는 최고 효율이 10.7%를 달성하였다.1 또 무기물 피막이 개발되면서 공기 중 안정성도 극대화 되었다. 하지만 기존의 실리콘 태양전지를 대체하려면 아직 효율성에서 많은 개선이 필요하다.
Schottky junction의 형성을 막기 위해 정공 전도 물질이 양자점과 전극 사이에 삽입이 된다. 많은 재료들이 정공 전도 물질로 연구가 되었는데, $MoO_3$ 나 $VO_2$ 같은 n-type 산화전이금속 물질이 현재 가장 좋은 효율을 보이는 정공 전도 물질 중에 하나이다. 하지만 $MoO_3는 정공 전도성이 좋지 않고, 공기 중에서 안정성이 떨어진다. 낮은 정공 전도성 때문에 $MoO_3$ 의 두께는 약 10nm 정도의 두께로 매우 섬세하게 조절이 되야 하는 어려움이 있고 또 태양전지 작동 시 전류 밀도가 낮다. 또한 공기 중에 산화 반응이 활발하여 태양전지 효율이 급격히 저하하여 공기 중에 10 일 이면 효율이 25% 이하로 떨어진다.
본 연구에서는 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)를 정공 전도 물질로 적용하였다. PEDOT:PSS 용액을 메탄올에 희석 시켜 양자점을 보존하면서 증착에 성공하였다. 이 물질을 사용하여 태양전지의 전류 밀도를 20% 가량 향상 시키는데 성공하였다. 추가적으로 alpha-sexithiophene( $\alpha -6T$ ) 층을 삽입하였는데, $\alpha -6T$ 는 2.2eV의 큰 밴드갭을 가져 전자 에너지 장벽을 형성 한다. 누설전류를 줄여 최종적으로는 개회로전압을 향상시킬 수 있었다. 또한 $\alpha -6T$ 는 안정성 또한 향상시키는데 기여를 했다. 이는 PEDOT:PSS가 흡습성이 커 접촉하고 있는 양자점을 산화시키는 영향이 있어 공기 중에서 시간이 지나면 태양전지 효율이 저하되는데, $\alpha -6T$ 는 이 접촉을 막는 층으로 작용을 하여 효율성과 동시에 안정성을 확보할 수 있었다. $MoO_3$ 와 비교하여 $\alpha -6T$ 와 PEDOT:PSS 층을 적용한 태양전지는 효율을 평균 5.8% 에서 8.06% 로 향상하였다.
