KR101638366B1 - 페로브스카이트 태양전지용 전자 전달층의 형성 방법 및 페로브스카이트 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 최근 고효율 태양전지로 활발히 연구 중인 페로브스카이트 태양전지내 광안정성 제어 전자전달체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 기존 페로브스카이트 태양전지와 전자전달체의 광분해 반응제어를 통해 장기 안정적 태양전지 특성을 제공한다.
본 발명에 따르면, 전자 전달체층은 전자 전달체 나노 입자 코어층; 및 상기 전자 전달체 나노 입자의 표면을 감싸는 금속 산화물로 이루어진 쉘층을 포함한 코어-쉘 구조의 전자 전달체 입자들을 포함하고, 이러한 코어-쉘 구조에 의해 상기 전자 전달체 나노 입자가 상기 페로브스카이트 물질과 직접 접촉하는 것이 방지된다.
본 발명에 따르면, 전자 전달체층은 전자 전달체 나노 입자 코어층; 및 상기 전자 전달체 나노 입자의 표면을 감싸는 금속 산화물로 이루어진 쉘층을 포함한 코어-쉘 구조의 전자 전달체 입자들을 포함하고, 이러한 코어-쉘 구조에 의해 상기 전자 전달체 나노 입자가 상기 페로브스카이트 물질과 직접 접촉하는 것이 방지된다.
Description
본 발명은 최근 고효율 태양전지로 활발히 연구 중인 페로브스카이트 태양전지내 광안정성 제어 전자전달체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 기존 페로브스카이트 태양전지와 전자전달체의 광분해 반응제어를 통해 장기 안정적 태양전지 특성을 제공한다.
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.
페로브스카이트는 칼슘 티타늄 디옥사이드와 같은 특별한 결정 구조를 가지며, 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 흡광체는 우수한 광특성에 비하여 낮은 안정성으로 인하여 상용화에 있어서 한계가 있다. 왜냐하면 페로브스카이트 흡광체는 전자 전달체 물질과 접촉한 상태로 배치되어 있는데, 전자 전달체 물질로는 보통 TiO2 또는 ZnO 등이 이용되며 이러한 전자 전달체는 태양 빛이 입사될 경우 광촉매 특성으로 인하여 접촉된 페로브스카이트의 분해를 유발하기 때문이다. 도 1의 좌측에서 보듯이 종래 기술에 따른 페로브스카이트 태양 전지의 경우 광이 조사되었을 때 전자 전달체 물질인 TiO2 나노 입자의 광촉매 특성에 의해 전자 전달체 물질과 접촉하고 있는 페로브스카이트 물질의 분해가 발생된다. 이러한 분해 과정에 의해 태양 전지의 안정성이 떨어지게 되는 문제점이 항시 존재하고 있다.
본 발명은 위와 같은 페로브스카이트 흡광체의 안정성이 저하되는 문제점을 해결하고, 궁극적으로 페로브스카이트 태양 전지의 안정성을 보장하여 효율을 극대화함을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기판; 전극층; 전자전달체층; 광활성층; 정공전달층; 전극층을 포함하며, 상기 전자 전달체층은, 전자 전달체 나노 입자 코어층; 및 상기 전자 전달체 나노 입자의 표면을 감싸는 금속 산화물로 이루어진 쉘층을 포함한 코어-쉘 구조의 전자 전달체 입자들을 포함하고, 상기 코어-쉘 구조에 의해 상기 전자 전달체 나노 입자가 상기 광활성층인 페로브스카이트 물질과 직접 접촉하는 것이 방지된다.
상기 금속 산화물은 밴드갭의 크기가 3.5 eV 이상인 것이 바람직하다. 상기 금속 산화물로 이루어진 쉘 층의 두께는 0 내지 10nm 이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지용 전자 전달층의 형성 방법은, 코어 입자로 전자 전달체 나노 입자들을 준비하는 단계; 금속염을 포함한 용액을 준비하는 단계; 상기 금속염을 포함한 용액을 전자 전달체 나노 입자들이 표면에 도포하는 단계; 상기 금속염을 수화시켜 상기 전자 전달체 나노 입자들의 표면에 코팅하는 단계; 열처리에 의해 상기 수화물로부터 금속 산화물 코팅층이 쉘로 형성되는 단계를 포함하고, 상기 금속 산화물 쉘이 상기 전자 전달체 나노 입자 코어의 표면에 형성됨으로써 페로브스카이트 태양전지에서 상기 코어-쉘 구조에 의해 상기 전자 전달체 나노 입자가 광활성층인 페로브스카이트 물질과 직접 접촉하는 것이 방지된다.
상기 금속 산화물은 밴드갭의 크기가 3.5 eV 이상인 것이 바람직하다. 상기 금속 산화물로 이루어진 쉘 층의 두께는 0 내지 10nm 이다.
한편, 상기 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃인 것이 바람직하다.
본 발명의 방법에 따르면, 전자전달체 물질보다 밴드갭이 큰 산화물 반도체 층을 전자전달체 나노입자 위에 형성함으로써 전자전달체 입자와 페로브스카이트와의 접촉을 차단시켜 광학적 분해 현상을 제어한다. 왜냐하면 이미 언급한 것처럼 TiO2 및 ZnO 등의 전자전달체는 태양 빛 입사시 광촉매특성으로 인하여 접촉된 페로브스카이트의 분해를 유발하기 때문이다. 본 발명에서는 이를 제어하기 위해 전자전달체보다 전자대 레벨이 높고 큰 밴드갭 물질을 표면에 형성하여 패로브스카이트와 전자전달체의 광촉매 효과에 의한 분해를 제어하고자 한다.
도 1은 페로브스카이트 태양전지에서 광이 조사되었을 때 전자 전달체와 페로브스카이트 물질 간의 반응 관계에 대한 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 비교 모습이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지 구조의 단면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지용 전자 전달층의 형성 방법의 순서도를 도시한다.
도 4는 얻어진 수산화 마그네슘을 400 ℃에서 열처리 하여 얻은 산화마그네슘 산화물 층의 투과전자현미경 사진이다.
도 5는 태양전지 소자의 대기중에서 빛 조사시간에 따른 I-V 그래프를 도시한다.
도 6은 태양전지 소자의 광침투(light soaking) 시간에 따른 XRD를 분석한 그래프를 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 페로브스카이트 태양전지 구조의 단면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지용 전자 전달층의 형성 방법의 순서도를 도시한다.
도 4는 얻어진 수산화 마그네슘을 400 ℃에서 열처리 하여 얻은 산화마그네슘 산화물 층의 투과전자현미경 사진이다.
도 5는 태양전지 소자의 대기중에서 빛 조사시간에 따른 I-V 그래프를 도시한다.
도 6은 태양전지 소자의 광침투(light soaking) 시간에 따른 XRD를 분석한 그래프를 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.
도 1은 페로브스카이트 태양전지에서 광이 조사되었을 때 전자 전달체와 페로브스카이트 물질 간의 반응 관계에 대한 종래 기술 및 본 발명의 일 실시예에 따른 비교 모습이다.
종래 기술 부분에서 언급한 것처럼, 페로브스카이트 태양전지의 광흡수 및 활성체로 사용되는 CH3NH3PbI3 페로브스카이트 흡광체는 전자 전달체 물질과 접촉한 상태로 배치되어 있는데, 도 1의 좌측(종래 기술)에서 보듯이 종래 기술에 따른 페로브스카이트 태양 전지의 경우 광이 조사되었을 때 전자 전달체 물질인 TiO2 나노 입자의 광촉매 특성에 의해 전자 전달체 물질과 접촉하고 있는 페로브스카이트 물질의 분해가 발생되고, 이러한 분해 과정에 의해 태양 전지의 안정성이 떨어지게 되는 문제점이 항시 존재하고 있다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 도 1의 우측(본 발명 경우)에서 보는 것처럼 전자 전달체 물질을 코어로 이용하고 이를 둘러싸는 쉘 물질로서 금속 산화물을 코팅하게 된다. 이러한 금속 산화물의 코팅에 의해 전자 전달체 물질과 페로브스카이트 물질이 직접 접촉하지 아니하게 되고, 따라서 광이 조사되었을 때 위에서 언급한 것과 같은 광촉매 특성에 따른 페로브스카이트 물질의 분해가 억제될 수 있게 되는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지 구조의 단면 모식도이다.
도 2에서 보는 것처럼, 기판; 전극층; 정공차단층; 전자전달체층; 광활성층; 정공전달층; 전극층을 포함한다.
기판은 투명 기판이 통상적으로 이용되며 기판에 대한 특별한 제한은 없다.
전극층은 투명 전극층이 이용되는 것이 일반적이며, 대표적으로는 ITO, FTO 등이 이용되며, 이에 대한 특별한 제한은 없다.
정공차단층은 투명 전극층으로 정공이 침투하는 것을 방지하는 역할을 하며, 이용되는 물질에 특별한 제한은 없다.
전자전달체층과 광활성층에는 전자 전달체 나노 입자와 광활성체로서 페로브스카이트 물질이 배치되어 있다. 전자 전달체의 입자의 사이사이 공간에 페로브스카이트 물질이 배치되며 전체적으로 볼 때 도 1의 모식도와 같은 모습으로 배치되는 것이 일반적이나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 전자 전달체를 통해 광이 조사되었을 때 발생된 전자들이 전극층에 도달할 수 있는 구조이면 어느 것이든 가능하다. 전자 전달체 나노 입자로 일반적으로 이용되는 물질은 TiO2, ZnO 등이 있다. 페롭스카이트 물질로는 일반적으로 CH3NH3PbI3 등이 이용된다. 일 실시예에 따르면 광활성층인 페로브스카이트층은 페로브스카이트 구조를 갖는 유무기 혼합 형태의 광흡수 재료 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
광활성층 상에는 정공전달층이 존재하며, 정공 전달층은 고전도성의 고분자 물질 중 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하며, 광이 조사되었을때 발생된 정공이 정공 전달층에 도달하도록 배치되면 어느 구조이든 가능하다.
정공전달층 위의 금속 전극층은 높은 일함수를 갖는 금속 물질 중 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 핵심 내용은 위에서 설명한 것처럼, 전자 전달체층에서 전자 전달체 나노 입자로 이용되는 TiO2, ZnO 등이 광촉매 특성을 갖기 때문에 이러한 광특성 촉매 특성에 의하여 전자 전달체 나노 입자와 접촉하고 있는 페로브스카이트 물질(CH3NH3PbI3 등)의 분해가 발생하는 문제점을 막겠다는 것이다.
이를 위해 전자 전달체층은 코어-쉘 구조를 이루는 전자 전달체 입자들로 이루어져 있으며, 코어-쉘 구조의 전자 전달체 나노 입자는 코어 물질로서 전자 전달체 나노 물질이 존재하고 코어를 둘러싸는 쉘 물질로 금속 산화물이 배치된다.
코어-쉘 구조의 모습은, 도 1의 우측 모습 및 도 2에서 보듯이 전자 전달체 나노 입자의 물질이 코어로 존재하고 이를 감싸는 금속 산화물인 쉘이 나노 입자를 둘러싸고 있는 모습을 확인할 수 있다.
금속 산화물로 이루어진 쉘에 의해 코어 물질인 나노 입자와 페로브스카이트 물질 간의 접촉을 막을 수 있고, 이에 의해 전자 전달체 나노 입자의 광촉매 특성에 따른 페로브스카이트 물질의 분해를 막을 수 있게 된다.
금속 산화물은 전자 전달체 나노 입자 물질보다 전자대 레벨이 높고 큰 밴드갭을 갖는 물질이 이용된다. 금속 산화물은 밴드갭의 크기가 3.5eV 이상인 것이 이용되는 것이 바람직하다. 왜냐하면 전자 전달체의 광촉매 특성의 제어가 가능하기 위해서는 태양광의 UV에 의해 광전기 효과가 발생되지 않아야 하며, 이 경우 태양광의 UV의 에너지는 3~3.5eV의 에너지를 가지므로 이보다 큰 밴드갭을 갖는 금속 산화물이 이용되어야 하기 때문이다. 이러한 금속 산화물 물질은 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO) 및 산화란타늄(La2O3) 등에서 선택된 하나 이상을 포함한다.
또한, 쉘 물질인 금속 산화물 물질의 두께도 매우 중요한데, 왜냐하면 페로브스카이트 태양 전지의 태양 전지로서의 목적을 달성하기 위해서는 광활성층에서 발생된 전자가 전자 전달층 물질에 도달해야 되는데, 전자 전달층 물질을 밴드갭이 큰 금속 산화물 물질이 쉘로 감싸고 있으므로 전자의 주입이 어렵기 때문이다. 따라서, 두께가 너무 두꺼우면 오히려 태양전지의 자체 효율을 떨어뜨릴 우려가 있다.
따라서, 쉘 물질인 금속 산화물의 두께는 중요한 포인트가 되며, 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 코어 물질인 전자 전달체 나노 입자의 광촉매 특성에 따른 페로브스카이트 물질의 분해를 막을 수 있기 때문이다. 두께가 10nm를 초과하는 경우에는 터널링 효과가 발생되기 어렵다는 문제점이 있으므로 두께에 대한 한정이 중요하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지용 전자 전달층의 형성 방법의 순서도를 도시한다.
도 3에 따르면 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지용 전자 전달층의 형성 방법은, 코어 입자로 전자 전달체 나노 입자들을 준비하는 단계(S 310); 금속염을 포함한 용액을 준비하는 단계(S 320); 금속염을 포함한 용액을 전자 전달체 나노 입자들이 표면에 도포하는 단계(S 330); 금속염을 수화시켜 전자 전달체 나노 입자들의 표면에 코팅하는 단계(S 340); 수화물로부터 금속 산화물 코팅층이 쉘로 형성되는 단계(S 350)를 포함한다.
S 310 단계에서는 코어 입자로 전자 전달체 나노 입자를 준비하게 되는데, 위에서 설명한 것처럼 전자 전달체 나노 입자는 일반적으로 TiO2 또는 ZnO 등이 이용되나 이에 한정되는 것은 아니다.
S 320 단계에서는 전자 전달체 나노 입자 상에 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 330 단계에서는 금속염을 포함한 용액을 전자 전달체 나노 입자들이 표면에 도포하는데, 금속염을 포함한 용액을 금속염의 농도에 따라 도포하게 되며 바람직하게는 0wt% 초과 5wt% 이내의 용액을 도포해야한다. 이와같이 금속염의 농도가 5wt% 이상일 경우에는 코팅되는 금속산화물의 두께가 매우 두꺼워져 전자의 전달이 용이하지 못하다. 금속염을 포함한 용액을 전자 전달체 나노 입자들에 도포 후 스핀 코팅(spin coating) 과정을 거치고, 이후 S 340 단계에서는 금속염을 550℃ 미만에서 수화시켜 수화물을 전자 전달체 나노 입자 표면에 코팅을 시킨다.
수화물은 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) 등에서 선택하는 것이 바람직하다.
S 350 단계에서는 수화물로부터 금속 산화물 코팅층이 쉘로 형성되게 되며, 이는 열처리를 통해 수화물로부터 금속 산화물층을 얻게 되며, 통상적으로 열처리 온도는 약 300℃ 내지 500℃의 온도, 바람직하게는 400℃의 온도에서 수행된다.
위와 같은 단계에 의해 금속 산화물 쉘이 전자 전달체 나노 입자 코어의 표면에 형성됨으로써 페로브스카이트 태양전지에서 코어-쉘 구조에 의해 전자 전달체 나노 입자가 광활성층인 페로브스카이트 물질과 직접 접촉하는 것이 방지되게 된다.
금속 산화물은 밴드갭의 크기가 3.5eV 이상인 것이 이용되는 것이 바람직하다. 금속 산화물은 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO) 및 산화란타늄(La2O3) 등에서 선택하는 것이 바람직하며, 그 두께는 1nm 내지 10nm 인 것이 바람직하다. 이는 위에서 설명한 부분이므로 중복 설명은 생략하기로 한다.
위에서 설명한 것처럼, 본 발명에 따르면 전자 전달체 나노 입자 표면에 금속 수화물을 입힌 후 형성된 수화물을 높은 온도에서 열처리 함에 의해 금속 산화물로 산화시켜 전자 전달체 나노 입자의 표면에 나노 두께의 금속 산화물 코팅을 형성한다. 이러한 금속 산화물 코팅층이 형성된 광분해에 대해 안정화된 전자 전달체는 금속 산화물층의 높은 밴드갭을 바탕으로 소자의 장기 안정성을 보장하는데 기여할 수 있다.
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 4는 얻어진 수산화 마그네슘을 400 ℃에서 열처리 하여 얻은 산화마그네슘 산화물 층의 투과전자현미경 사진이다. 투과현미경사진에서 알 수 있듯이 20 nm 크기의 TiO2 나노입자를 다공성의 산화마그네슘 산화물 층이 3 nm 두께로 균일하게 코팅되어 있는 것을 볼 수 있다. 실시예 1은 TiO2 가 전자 전달체 나노 입자이며 그 표면에 금속 산화물을 코팅한 것이다.
[실시예 2]
도 2와 같은 구조로 기판 상부에 투명 전도층을 형성하고 형성된 투명 전도층 상부에 조밀한 TiO2 정공차단층을 형성한 후 형성된 정공차단층 위에 TiO2 전자 전달나노입자층을 스핀코팅하여 100-500 nm 형성한다. 전자 전달나노입자층 상부에 상기 실시예 1의 방법으로 혼합한 산화마그네슘 층을 형성하여 금속산화물-TiO2 이중구조의 전자전달체를 제작한다. 상기 전자전달체가 형성된 기판을 디메틸포르마이드에 녹은 PbI2 용액에 담가 코팅한 후 2-프로판올에 녹은 CH3NH3I 용액에 담가 결정화 하여 페로브스카이트 광흡수층을 형성한다. 형성된 광흡수층 상부에 열증착(thermal evaporation) 방법을 사용하여 금 전극을 형성하여 태양전지 소자를 제작하여 측정하였다.
[실시예 3]
상기 제작한 태양전지 소자의 장기 안정성을 측정하기 위해서 도 5와 같이 대기중에서 빛 조사시간에 따른 태양전지 소자의 I-V 그래프로 빛의 조사시간에 따라 TiO2 기반보다 MgO가 코팅된 태양전지 소자의 우수한 안정성을 보여주고 있다.
[실시예 4]
상기 제작한 태양전지 소자효율 저하에 대한 원인을 분석하기 위하여 도 6과 같이 광침투(light soaking) 시간에 따른 XRD를 분석하였다. TiO2 기반 태양전지는 UV 입사에 의한 광촉매 특성에 의하여 페로브스카이트의 결정분해가 일어나 PbI2 결정생성이 일어나는 것을 관찰할 수 있으며, MgO가 코팅된 태양전지는 페로브스카이트 결정이 변하지 않는 것을 관찰 할 수 있다.
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 (7)
- 기판; 전극층; 전자전달체층; 광활성층; 정공전달층; 전극층을 포함하며,
상기 전자 전달체층은, 전자 전달체 나노 입자 코어층; 및 상기 전자 전달체 나노 입자의 표면을 감싸는 금속 산화물로 이루어진 쉘층을 포함한 코어-쉘 구조의 전자 전달체 입자들을 포함하고,
상기 코어-쉘 구조에 의해 상기 전자 전달체 나노 입자가 상기 광활성층인 페로브스카이트 물질과 직접 접촉하는 것이 방지되는,
코어-쉘 구조의 전자 전달체층에 의해 안정성이 향상된 페로브스카이트 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속 산화물은 밴드갭의 크기가 3.5 eV 이상인,
코어-쉘 구조의 전자 전달체층에 의해 안정성이 향상된 페로브스카이트 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속 산화물로 이루어진 쉘 층의 두께는 0 내지 10nm 인,
코어-쉘 구조의 전자 전달체층에 의해 안정성이 향상된 페로브스카이트 태양전지.
- 코어 입자로 전자 전달체 나노 입자들을 준비하는 단계;
금속염을 포함한 용액을 준비하는 단계;
상기 금속염을 포함한 용액을 전자 전달체 나노 입자들이 표면에 도포하는 단계;
상기 금속염을 수화시켜 상기 전자 전달체 나노 입자들의 표면에 코팅하는 단계;
열처리에 의해 상기 수화물로부터 금속 산화물 코팅층이 쉘로 형성되는 단계를 포함하고,
상기 금속 산화물 쉘이 상기 전자 전달체 나노 입자 코어의 표면에 형성됨으로써 페로브스카이트 태양전지에서 코어-쉘 구조에 의해 상기 전자 전달체 나노 입자가 광활성층인 페로브스카이트 물질과 직접 접촉하는 것이 방지되는,
페로브스카이트 태양전지의 안정성 향상을 위한 코어-쉘 구조의 전자 전달체층의 형성 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 금속 산화물은 밴드갭의 크기가 3.5 eV 이상인,
페로브스카이트 태양전지의 안정성 향상을 위한 코어-쉘 구조의 전자 전달체층의 형성 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 금속 산화물로 이루어진 쉘 층의 두께는 0 내지 10nm 인,
페로브스카이트 태양전지의 안정성 향상을 위한 코어-쉘 구조의 전자 전달체층의 형성 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 열처리 온도는 300℃ 내지 500℃인,
페로브스카이트 태양전지의 안정성 향상을 위한 코어-쉘 구조의 전자 전달체층의 형성 방법.
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