KR101621153B1 - 태양 전지용 전자 전달체 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지에서 안정성이 향상된 전자전달체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 최근 고효율 태양전지로 활발히 연구 중인 페로브스카이트 태양전지에서 안정성이 향상된 전자 전달체를 제공할 수 있다.
본 발명은 기존 나노입자 기반 전자전달체 표면에 조해성이 큰 산화물 반도체를 도포하여 수분을 흡수하는 안정화 전자전달체를 제조하고 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용하여 기존 페로브스카이트 태양전지의 수분의 취약한 문제를 극복하고 장기 안정성을 보장하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 기존 나노입자 기반 전자전달체 표면에 조해성이 큰 산화물 반도체를 도포하여 수분을 흡수하는 안정화 전자전달체를 제조하고 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용하여 기존 페로브스카이트 태양전지의 수분의 취약한 문제를 극복하고 장기 안정성을 보장하는 것을 목적으로 한다.
Description
본 발명은 태양전지에서 안정성이 향상된 전자전달체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 최근 고효율 태양전지로 활발히 연구 중인 페로브스카이트 태양전지에서 안정성이 향상된 전자 전달체를 제공할 수 있다.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.
현재 광에너지 변환효율이 20%가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 변환효율이 우수한 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 있다. 그러나 이러한 무기 반도체 기반의 태양전지는 고효율화를 위하여 매우 고순도로 정제한 소재가 필요하므로 원소재의 정제에 많은 에너지가 소비되고, 또한 원소재를 이용하여 단결정 혹은 박막화 하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조비용을 낮게 하는 데에는 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어왔다.
이에 따라 태양전지를 저가로 제조하기 위해서는 태양전지에 핵심으로 사용되는 소재 혹은 제조 공정의 비용을 대폭 감소시킬 필요가 있으며, 무기 반도체 기반 태양전지의 대안으로 저가의 소재와 공정으로 제조가 가능한 염료 감응형 태양전지와 유기태양전지가 활발히 연구되고 있다.
최근들어 태양전지 개발에 있어서 실리콘 기반, 유기 염료 기반, 그리고 새롭게 페로브스카이트 기반 태양 전지가 각축을 벌이고 있으며, 현재 페로브스카이트 기반 태양전지는 가장 유망한 태양광 기술로 각광받고 있다. 현재까지 보고된 페로브스카이트 태양전지의 최고 효율은 15% 이며 이는 더욱 향상될 것으로 기대되고 있다.
페로브스카이트는 칼슘 티타늄 디옥사이드와 같은 특별한 결정 구조를 갖기 때문에 페로브스카이트 태양 전지는 매력적이며, 이러한 구조는 태양전지에 높은 전하 운반 이동성과 긴 확산거리를 가능하게 하여 생성된 전자와 홀이 에너지 손실 없이 장거리를 이동할 수 있게 해주며, 결과적으로 전자와 홀은 더 두꺼운 태양 전지를 통과할 수 있어서 더 많은 빛을 흡수하게 된다.
페로브스카이트 태양전지의 광흡수 및 활성체로 사용되는 CH3NH3PbI3 페로브스카이트 흡광체는 높은 흡광계수 특성을 바탕으로 초박막 저가 태양전지 개발에 높은 가능성을 가지고 있다. 그러나 페로브스카이트 광흡수체는 우수한 광특성에 비하여 수분에 분해가 되어 낮은 안정성을 지니고 있으며, 이는 태양전지의 상용화에 있어서 한계가 있다. 따라서 이러한 안정성 문제를 극복하는 것은 매우 중요한 이슈가 되고 있다.
페로브스카이트 태양전지에서 페로브스카이트 광흡수체는 수분에 낮은 안정성을 나타내여 이를 극복하기 위하여 본 발명은 기존 페로브스카이트 태양전지에 조해성이 우수한 전자전달체의 적용을 통해 페로브스카이트 광흡수체의 낮은 안정성을 획기적으로 극복하여 장기 안정적 태양전지특성을 제공하고자 한다.
본 발명은 기존 나노입자 기반 전자전달체 표면에 조해성이 큰 산화물 반도체를 도포하여 수분을 흡수하는 안정화 전자전달체를 제조하고 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용하여 기존 페로브스카이트 태양전지의 수분의 취약한 문제를 극복하고 장기 안정성을 보장하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 투명 전극층; 상기 투명 전극층 상에 배치된 전자 전달체; 상기 전자 전달체 상에 배치된 페로브스카이트 광흡수층; 및 상기 광흡수층 상에 배치된 금속 전극층을 포함하고, 이 경우, 상기 전자 전달체는 제1 금속의 산화물로 이루어진 다공성 전자 전달체 나노 입자층; 및 상기 전자 전달체 나노 입자층의 표면에 코팅되고 상기 페로브스카이트 광흡수층으로부터 수분을 흡수하도록 조해성을 갖는 제2 금속의 금속 산화물층을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 금속의 금속 산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO) 및 산화란타늄(La2O3)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 금속의 금속 산화물층의 두께는 터널링 효과에 의해 전자가 통과할 수 있도록 0nm 초과 10nm 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 투명 전극층 상에 제1 금속의 산화물로 이루어진 다공성 전자 전달체 나노 입자층을 형성하는 단계; 상기 제1 금속과 다른 제2 금속의 금속염을 포함한 용액을 상기 전자 전달체 나노 입자층 상에 도포하는 단계; 상기 금속염으로부터 상기 제2 금속의 수산화물을 상기 전자 전달체 나노 입자층 표면에 코팅하는 단계; 상기 제2 금속의 수산화물을 열처리하여 상기 전자 전달체 나노 입자층 표면에 상기 제2 금속의 금속 산화물층을 형성하는 단계; 상기 제2 금속의 금속 산화물층이 형성된 상기 전자 전달체 나노 입자층 상에 페로브스카이트 광흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 상기 페로브스카이트 광흡수층 상에 금속 전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 금속의 금속 산화물층은 조해성을 갖고 상기 페로브스카이트 광흡수층으로부터 수분을 흡수할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속염은 상기 제2 금속의 탄산염, 황산염, 암모늄 염, 질산 염, 유기산 염, 클로이드, 및 알콕사이드를 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 금속의 수산화물은 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화알루미늄(Al(OH)3), 수산화철(FeOOH), 수산화니켈(Ni(OH2)), 수산화코발트(Co(OH)2), 및 수산화란타늄(La(OH)3)을 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 그리고 상기 제2 금속의 금속 산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO) 및 산화란타늄(La2O3)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 금속의 금속 산화물층의 두께는 터널링 효과에 의해 전자가 통과할 수 있도록 0nm 초과 10nm 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속염을 포함한 용액을 상기 전자 전달체 나노 입자층에 도포하는 단계는 스핀 코팅을 이용하여 도포될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 금속의 금속 산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO) 및 산화란타늄(La2O3)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 금속의 금속 산화물층의 두께는 터널링 효과에 의해 전자가 통과할 수 있도록 0nm 초과 10nm 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 투명 전극층 상에 제1 금속의 산화물로 이루어진 다공성 전자 전달체 나노 입자층을 형성하는 단계; 상기 제1 금속과 다른 제2 금속의 금속염을 포함한 용액을 상기 전자 전달체 나노 입자층 상에 도포하는 단계; 상기 금속염으로부터 상기 제2 금속의 수산화물을 상기 전자 전달체 나노 입자층 표면에 코팅하는 단계; 상기 제2 금속의 수산화물을 열처리하여 상기 전자 전달체 나노 입자층 표면에 상기 제2 금속의 금속 산화물층을 형성하는 단계; 상기 제2 금속의 금속 산화물층이 형성된 상기 전자 전달체 나노 입자층 상에 페로브스카이트 광흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 상기 페로브스카이트 광흡수층 상에 금속 전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 금속의 금속 산화물층은 조해성을 갖고 상기 페로브스카이트 광흡수층으로부터 수분을 흡수할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속염은 상기 제2 금속의 탄산염, 황산염, 암모늄 염, 질산 염, 유기산 염, 클로이드, 및 알콕사이드를 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 금속의 수산화물은 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화알루미늄(Al(OH)3), 수산화철(FeOOH), 수산화니켈(Ni(OH2)), 수산화코발트(Co(OH)2), 및 수산화란타늄(La(OH)3)을 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 그리고 상기 제2 금속의 금속 산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO) 및 산화란타늄(La2O3)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 금속의 금속 산화물층의 두께는 터널링 효과에 의해 전자가 통과할 수 있도록 0nm 초과 10nm 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속염을 포함한 용액을 상기 전자 전달체 나노 입자층에 도포하는 단계는 스핀 코팅을 이용하여 도포될 수 있다.
본 발명에 따르면, 다공성의 조해성이 우수한 금속 산화물층을 기존 나노입자 기반 전자전달체 위에 형성함으로써 수분에 민감한 페로브스카이트 광흡수층으로부터 수분을 흡수하여 페로브스카이트 광흡수층의 분해를 막아 태양전지 소자의 장기안정성을 향상시켜주는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정성이 향상된 태양 전지용 전자 전달체를 포함한 태양 전지의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안정성이 향상된 태양전지용 전자 전달체를 제조하는 방법의 순서도를 도시한다.
도 3은 TiO2 나노입자에 MgO 가 코팅된 투과전자현미경 이미지의 모습을 도시한다.
도 4는 TiO2 나노입자에 MgO 가 코팅된 태양전지와 비교예의 태양전지 특성 평가를 도시한다.
도 5는 TiO2 나노입자에 MgO를 코팅 후 페로브카이트가 코팅된 실시예와 비교예의 광학적 특성 평가를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안정성이 향상된 태양전지용 전자 전달체를 제조하는 방법의 순서도를 도시한다.
도 3은 TiO2 나노입자에 MgO 가 코팅된 투과전자현미경 이미지의 모습을 도시한다.
도 4는 TiO2 나노입자에 MgO 가 코팅된 태양전지와 비교예의 태양전지 특성 평가를 도시한다.
도 5는 TiO2 나노입자에 MgO를 코팅 후 페로브카이트가 코팅된 실시예와 비교예의 광학적 특성 평가를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
본 발명은 기존 나노입자 기반 전자전달체 표면에 조해성이 큰 산화물 반도체를 도포하여 수분을 흡수하는 안정화 전자전달체를 제조하고 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용하여 기존 페로브스카이트 태양전지의 수분의 취약한 문제를 극복하고 장기 안정성을 보장하기 위한 내용이다.
이와 같이 수분에 취약한 문제를 달성하기 위해 안정성이 향상된 태양 전지용 전자 전달체를 제공하려고 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안정성이 향상된 태양 전지용 전자 전달체는, 전자 전달체 나노 입자 박막층; 및 전자 전달체 나노 입자 박막층의 표면에 코팅된 금속 산화물을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정성이 향상된 태양 전지용 전자 전달체를 포함한 태양 전지의 모식도이다.
도 1에서 보는 것처럼 전자 전달 나노 입자층이 있고, 그 표면에 금속 산화물층을 코팅함으로써 수분의 침투를 막을 수 있어 페로브스카이트 광흡수체의 우수한 광특성을 유지하면서 수분에 분해가 되는 낮은 안정성을 보완할 수 있게 된다.
이 경우 금속 산화물층은 반드시 조해성이 높은 물질로 형성되어야 한다. 여기서 높은 조해성이라고 함은 조해성이 높으면 높을수록 좋다는 의미를 나타내며, 특별히 수치를 한정하려고 하는 의도는 아니다. 왜냐하면 조해성이 높은 금속 산화물이 전자 전달체 나노 입자층 표면에 코팅되어 수분을 흡수할 수 있고, 이에 의해 페로브스카이트 태양 전지의 수분의 취약한 문제를 해결할 수 있기 때문이다.
조해성이 높은 금속 산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO) 및 산화란타늄(La2O3)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 위에서 열거된 금속 산화물들은 모두 조해성이 뛰어나서 전자 전달체 나노 입자층 표면에 코팅되어 충분히 수분을 흡수할 수 있다.
한편, 이러한 조해성이 높은 금속 산화물층의 두께는 중요한 포인트이다. 왜냐하면 산화마그네슘(MgO) 같은 경우 밴드갭이 큰 물질이고, 따라서 전자의 주입(injection)이 어려우므로 그 두께가 두껍다면 전자의 이동이 어렵다는 문제점이 있어 오히려 태양 전지의 효율을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다.
따라서, 두께 역시 중요한 포인트가 되며, 조해성이 높은 금속 산화물층의 두께는 얇을 수록 좋으며 바람직하게는 0nm 초과 10nm 이하의 두께를 가짐이 바람직하다. 이와 같이 10nm 이하의 두께를 가질 경우에는 터널링 효과(tunneling effect)가 발생되어 전자의 주입이 가능하게 되어 금속 산화물 코팅층이 존재하더라도 페로브스카이트 태양 전지의 효율이 유지되면서 동시에 수분에도 안정성을 나타내게 할 수 있다. 두께가 10nm를 초과하는 경우에는 터널링 효과가 발생되기 어렵다는 문제점이 있으므로 두께에 대한 한정이 중요하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안정성이 향상된 태양전지용 전자 전달체를 제조하는 방법의 순서도를 도시한다.
도 2에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안정성이 향상된 태양전지용 전자 전달체를 제조하는 방법은, 전자 전달체 나노 입자층을 준비하는 단계(S 210); 금속 산화물의 소스인 금속염을 포함한 용액을 준비하는 단계(S 220); 금속염을 포함한 용액을 전자 전달체 나노 입자층에 도포하는 단계(S 230); 금속염을 수화시켜 수산화물을 전자 전달체 나노 입자층 표면에 코팅하는 단계(S 240); 및 전자 전달체 나노 입자층 표면에 코팅된 수산화물로부터 금속 산화물 코팅층을 형성하는 단계(S 250)를 포함한다.
S 210 단계에서 전자 전달체 나노 입자층은, 투명전극 위에 정공차단층으로 20~100nm 두께로 치밀한(dense) TiO2 박막을 형성한 후, 약 20nm 크기의 구형 TiO2 나노입자 페이스트를 스핀 코팅(spin coating) 후 열처리를 하여 준비한다. 이러한 전자 전달체 나노 입자층은 도 1에서 보는 것처럼 바람직하게는 정공 차단층 위에 형성될 수 있다. 전자 전달체 나노 입자는 일반적으로 TiO2 또는 ZnO 등이 이용되나 이에 한정되는 것은 아니다.
S 220 단계에서는 전자 전달체 나노 입자층에 코팅될 금속 산화물의 소스인 금속염을 포함한 용액을 준비한다.
이 경우 금속염은 탄산염, 황산염, 암모늄 염, 질산 염, 유기산 염, 클로이드, 및 알콕사이드를 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
S 230 단계에서는 금속염을 포함한 용액을 금속염의 농도에 따라 도포하게 되며 바람직하게는 0wt% 초과 5wt% 이내의 용액을 도포해야 한다. 이와같이 금속염의 농도가 5wt% 이상일 경우에는 코팅되는 금속산화물의 두께가 매우 두꺼워져 전자의 전달이 용이하지 못하다. 이후에 전자 전달체 나노 입자 박막층 위에 도포 후 spin coating 과정을 거치고, 이후 S 240 단계에서는 금속염을 550℃ 미만에서 수화시켜 수산화물을 전자 전달체 나노 입자층 표면에 코팅을 시킨다.
S 230 단계에서 금속염을 포함한 용액을 전자 전달체 나노 입자층에 도포하는 단계는 스핀 코팅을 이용하여 도포하는 것이 바람직하다.
수산화물은 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화알루미늄(Al(OH)3), 수산화철(FeOOH), 수산화니켈(Ni(OH2)), 수산화코발트(Co(OH)2), 및 수산화란타늄(La(OH)3)을 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
마지막으로 S 250 단계에서는 전자 전달체 나노 입자층 표면에 코팅된 수산화물로부터 금속 산화물 코팅층을 형성하게 된다. S 250 단계에서는 열처리를 통해서 수산화물로부터 금속 산화물층을 얻게 되며, 통상적으로 열처리 온도는 약 300℃ 내지 500℃의 온도, 바람직하게는 400℃의 온도에서 수행된다.
금속 산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO) 및 산화란타늄(La2O3)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하며, 그 두께는 1nm 내지 10nm 인 것이 바람직하다. 이는 위에서 설명한 부분이므로 중복 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
<실시예 1>
메탄올에 6 wt%의 함량으로 용해되어있는 마그네슘메톡사이드 10 cc를 메탄올 6 cc에 혼합하여 약 10분 동안 교반시킨 후 혼합용액 1 cc를 메탄올 10 cc에 희석시켜 약 10분 동안 교반시킨다. 두 용액을 교반한 혼합용액을 TiO2 박막 위에 뿌린 후 스핀코팅을 이용하여 2500 rpm에서 20 초간 1회 코팅하여 TiO2 상부에 수산화마그네슘 막을 형성한다.
도 3은 얻어진 수산화 마그네슘을 400 ℃에서 열처리 하여 얻은 마그네슘 산화물층의 투과전자현미경 사진이다. 투과현미경사진에서 알 수 있듯이 20 nm 크기의 TiO2 나노입자 표면에 마그네슘 산화물층이 3 nm 두께로 균일하게 코팅되어 있는 것을 볼 수 있다.
<실시예 2>
도 1과 같은 구조로 기판 상부에 투명 전도층을 형성하고 형성된 투명 전도층 상부에 조밀한 TiO2 정공차단층을 형성한 후 형성된 정공차단층 위에 TiO2 전자 전달체 나노 입자층을 스핀코팅하여 200 nm 형성한다. 전자 전달체 나노 입자층 상부에 상기 실시예 1의 방법으로 마그네슘 산화물층을 형성하여 금속산화물 코팅된 TiO2 나노 입자로 이루어진 전자 전달체를 제조하였다. 상기 전자 전달체가 형성된 기판을 디메틸포르마이드에 녹은 PbI2 용액에 담가 코팅한 후 2-프로판올에 녹은 CH3NH3I 용액에 담가 결정화 하여 페로브스카이트 광흡수층을 형성한다. 형성된 광흡수층 상부에 thermal evaporation 방법을 사용하여 금 전극을 형성하여 태양전지 소자를 제작하여 측정하였다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 태양전지 소자의 I-V 그래프로 조해성이 큰 금속산화물 존재 유무에 관계없이 비슷한 효율을 나타내는 것을 확인 할 수 있다.
<실시예 3>
본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 태양전지 소자의 장기 안정성을 측정하기 위해서 대기중에서 시간에 따른 광흡수체의 안정성에 대하여 측정하였다. 그 결과는 도 5에서 도시되어 있다. MgO가 코팅되지 않은 TiO2 나노 입자로 형성된 전자 전달체 상에 형성된 페로브스카이트 광흡수체는 15일 경과 후 광흡수 특성이 크게 저하되었음에 반해, MgO 코팅된 TiO2 나노 입자로 형성된 전자 전달체 상에 형성된 페로브스카이트 광흡수체는 15 일이 경과한 후에도 초기 페로브스카이트 광흡수체와 비교하여 광흡수특성이 크게 저하되지 않은 것을 확인할 수 있고, 이로부터 MgO 코팅된 TiO2 나노 입자로 형성된 전자 전달체 상에 페로브스카이트 광흡수체를 형성하는 경우, 광흡수체의 안정성이 현저하게 향상되는 것을 알 수 있다. 시간에 따른 광흡수의 변화는 대기 중에 수분이 페로브스카이트와 반응하여 분해된다라는 것을 나타내고 있으며 MgO가 코팅된 셀에서는 크게 변화하지 않는 것을 확인 할 수 있었다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
Claims (10)
- 투명 전극층;
상기 투명 전극층 상에 배치된 전자 전달체;
상기 전자 전달체 상에 배치된 페로브스카이트 광흡수층; 및
상기 광흡수층 상에 배치된 금속 전극층을 포함하고,
상기 전자 전달체는,
제1 금속의 산화물로 이루어진 다공성 전자 전달체 나노 입자층; 및
상기 전자 전달체 나노 입자층의 표면에 코팅되고, 터널링 효과에 의해 전자가 통과할 수 있도록 0 nm 초과 10 nm 이하의 두께를 가지며, 상기 페로브스카이트 광흡수층으로부터 수분을 흡수하도록 조해성을 갖는 제2 금속의 산화물층을 포함하고,
상기 제1 금속의 산화물은 이산화티타늄(TiO2) 또는 산화아연(ZnO)를 포함하며,
상기 제2 금속의 산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO) 및 산화란타늄(La2O3)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 태양전지.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 투명 전극층 상에 제1 금속의 산화물로 이루어진 다공성 전자 전달체 나노 입자층을 형성하는 단계;
상기 제1 금속과 다른 제2 금속의 금속염을 포함한 용액을 상기 전자 전달체 나노 입자층 상에 도포하는 단계;
상기 금속염으로부터 상기 제2 금속의 수산화물을 상기 전자 전달체 나노 입자층 표면에 코팅하는 단계;
상기 제2 금속의 수산화물을 열처리하여 상기 전자 전달체 나노 입자층 표면에 0 nm 초과 10 nm 이하의 두께를 갖는 상기 제2 금속의 금속 산화물층을 형성하는 단계;
상기 제2 금속의 금속 산화물층이 형성된 상기 전자 전달체 나노 입자층 상에 페로브스카이트 광흡수층을 형성하는 단계; 및
상기 페로브스카이트 광흡수층 상에 금속 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제2 금속의 금속 산화물층은 조해성을 갖는 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO) 및 산화란타늄(La2O3)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하여 상기 페로브스카이트 광흡수층으로부터 수분을 흡수하는, 태양전지의 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 금속염은 상기 제2 금속의 탄산염, 황산염, 암모늄 염, 질산 염, 유기산 염, 클로이드, 및 알콕사이드를 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제5항에 있어서,
상기 금속염을 포함한 용액을 상기 전자 전달체 나노 입자층에 도포하는 단계는 스핀 코팅을 이용하여 도포되는 것을 특징으로 하는, 태양전지의 제조방법.
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
AMND | Amendment | ||
E601 | Decision to refuse application | ||
X091 | Application refused [patent] | ||
AMND | Amendment | ||
X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
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