KR101666309B1 - 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지의 제조방법 - Google Patents

이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화규소 나노입자를 지지층으로 사용한 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 기존에 지지층에 사용 되던 산화알루미늄, 이산화티타늄, 산화아연 등이 아닌 이산화규소 나노입자를 처음으로 사용하여 태양전지를 설계한 것 이다.

Description

이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지의 제조방법 {Method for manufacturing SiO2-based perovskite solar cell}
본 발명은 이산화규소 나노입자를 지지층(scaffold layer)으로 사용한 유-무기 혼성 페로브스카이트 태양전지(organic-inorganic hybrid perovskite solar cell)의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 졸-겔(sol-gel)법을 통해 제조한 이산화규소 나노입자를 용매에 고르게 분산시킨 후 투명 전극 위에 지지층으로 코팅(coating)하는 방법에 관한 것이다. 또한 지지층 내 이산화규소 나노입자의 크기에 따라 달라지는 태양전지 성능변화를 분석하여 최적화된 페로브스카이트 태양전지 설계를 제시한다.
최근 20년간 고체 상태 태양전지(Solid-state sensitized solar cell) 는 장기적인 안정성과 값싼 비용 때문에 매우 흥미로운 연구분야로 자리잡고 있다. 그러나 고체 상태 태양전지의 큰 단점은 낮은 전력변환효율 (power conversion efficiency, PCE) 이다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 리튬 염 (lithium salt) 혹은 코발트(Ⅲ) 염 (cobalt salt) 과 같은 첨가제를 홀(hole) 전도체인 spiro-MeOTAD (2,2'7,7'-tetrakis. (N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9'-spirobifluorene)에 도입하였고, 이를 통해 전도성과 전력변환효율(power conversion efficiency, PCE)을 증가시켰다. 또한 4-터트-뷰틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 첨가해 전자와 홀간의 재결합(electron-hole recombination), 표면 결함(surface defect) 비중을 동시에 줄여 개로전압(open-circuit voltage, Voc)을 증가시켰다.
최근 고체 상태 태양전지 분야에서 각광받는 물질은 유-무기 혼성 페로브스카이트다. 페로브스카이트는 태양광 파장범위에서 뛰어난 집광성 능력을 가지고 있기 때문에 태양전지에 적용되면 높은 전력변환효율을 낼 수 있다. 이러한 페로브스카이트의 흡광 계수는 1.5 X 104 cm- 1 으로서 이전에 보고된 루테늄(ruthenium) 기반의 N719 염료 보다 10배 더 높은 수치이다.
이러한 페로브스카이트를 기반으로 한 고효율의 태양전지를 만들기 위해서는 페로브스카이트가지지층으로 쉽게 침투할 수 있어야 하고 페로브스카이트 층의 표면 덮힘(surface coverage)이 좋아야 한다. 이뿐만 아니라 고효율의 태양전지를 위해서는 결정화 온도와 시간 조절을 통해 적절한 표면 형태(surface morphology)의 페로브스카이트 층을 만드는 것이 중요하다.
페로브스카이트 태양전지 지지층에는 이산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화아연(ZnO) 등 다양한 나노재료가 사용될 수 있다. 이들 중 산화알루미늄이나 산화지르코늄의 경우, 두 물질의 전도대(conduction band)가 페로브스카이트의 전도대보다 높기 때문에 태양광에 의해 들뜬(excitation) 페로브스카이트 내 전자(electron)들이 산화알루미늄과 산화지르코늄으로 전달되지 않으나, 이 경우 페로브스카이트가 들뜬 전자를 직접 작업전극으로 전달하게 된다. 이는 페로브스카이트가 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 감광제(sensitizer)면서 동시에 전자와 홀을 전달할 수 있는 양극성 전하전달(ambipolar charge transport)물질이기 때문에 가능하다. 따라서, 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 제조하기 위해서 페로브스카이트를 지지층 내에 빈틈없이 침투시켜야 전하전달의 저항을 줄일 수 있으며, 페로브스카이트가 잘 침투할 수 있는 페로브스카이트 태양전지 지지층 소재와 제조방법이 강력히 요구되고 있다.
본 발명은 기존 페로브스카이트 태양전지 지지층의 구조를 다양하게 변화시키기 어려웠던 문제를 일거에 해결하기 위한 것으로, 페로브스카이트 태양전지의 설계를 저렴하고 쉬우며, 다양하게 할 수 있도록 하는데 본 발명의 목적이 있다. 또한 본 발명은 페로브스카이트 태양전지 내부의 비효율적인 지지층 구조로 인한 페로브스카이트 침투 방해를 해결하는데 목적이 있다. 그리하여 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 만들기 위한 최적화된 구조를 설계한다.
본 발명자들은 수많은 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 상업적으로 값이 싸며 손쉽게 만들 수 있을 뿐만 아니라 다양한 모양을 만들 수 있는 이산화규소 입자를 지지층에 처음으로 적용하였다. 또한 이산화규소 입자의 크기 조절을 통해 페로브스카이트가 지지층 공간을 모두 채울 수 있도록 설계하였다. 그리하여 기존 페로브스카이트 태양전지에 비해 페로브스카이트 침투량과 개로 전압 및 전력변환효율이 현저히 향상된 것을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.
페로브스카이트 태양전지 지지층에 일반적으로 사용되었던 산화알루미늄의 전기적 거동에 기초하여 이와 비슷한 전도대를 가지고 페로브스카이트 태양전지에서 전기적 거동이 산화알루미늄과 비슷할 것으로 예상되는 이산화규소 나노입자를 지지층에 도입한다.
또한 지지층으로 페로브스카이트의 침투를 최대화하기 위해 이산화규소 나노입자 크기를 조절하여 침투를 더 용이하게 한다. 이를 통해 지지층 내부를 페로브스카이트로 빈 공간 없이 채워 빈 공간 때문에 생기는 전기적 저항을 줄이고 더 높은 전력변환효율을 나타내는 페로브스카이트 태양전지를 설계한다.
본 발명의 이산화규소 나노입자를 페로브스카이트 태양전지의 지지층으로 도입한 결과 산화알루미늄을 사용했을 때와 비슷한 개로전압과 단락전류밀도(short circuit current density, Jsc) 및 전력변환효율을 달성하였다. 즉 이산화규소로 대체하여도 기존 성능을 유지할 수 있었으며 나아가 모양 변화, 크기변화, 구조변화 등 보다 더 다양한 시도를 할 수 있는 가능성을 가진다.
본 발명의 15 nm ~ 1000 nm 로 크기 조절된 이산화규소 나노입자를 페로브스카이트의 지지층으로 구성할 때 입자크기에 따라 입자 간 공간의 크기가 다르며, 50 nm 이상 입자로 지지층을 구성할 때 빈틈없이 페로브스카이트를 침투시킬 수 있었다. 또한 50 nm 미만의 입자들로 지지층을 구성한 것과 비교하여 더 높은 흡광도가 나타났으며, 이를 통해 개로전압과 충전률(fill factor) 및 전력변환효율이 향상되었다.
도 1은 본 발명의 페로브스카이트 태양전지 구조에 관한 주사전자현미경 측면 사진이다. 도 2는 350 nm ~ 900 nm 파장에서 이산화규소 나노입자 크기에 따른 흡광도 변화 그래프와 페로브스카이트가 지지층으로 침투할 때 이산화규소 나노입자 크기에 따라 달라지는 침투 양상을 도식화한 것이다. 도 3은 지지층의 이산화규소 나노입자의 크기에 따른 페로브스카이트 태양전지의 성능, 즉 개로전압, 단락전류밀도, 충전률 및 전력변환효율을 나타낸 그래프이다. 도 4는 이산화티타늄 혹은 이산화규소 나노입자로 지지층을 구성한 페로브스카이트 태양전지의 전류밀도-전압 그래프이다. 도 5는 이산화티타늄과 혹은 이산화규소 나노입자로 지지층을 구성한 페로브스카이트 층의 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 6는 페로브스카이트와 지지층 물질 사이에 전자와 홀의 이동을 도식화한 것이다.
본 발명은 제조한 이산화규소 나노입자 및/또는 이산화규소 전구체를 용매와 균일하게 혼합하는 단계;
상기 혼합 용액을 이산화티타늄 장벽층이 코팅된 전극 위에 코팅하는 단계;
혼합 용액이 코팅된 전극을 어닐링하여 이산화규소 나노입자 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 나타낸다.
본 발명은 페로브스카이트 태양전지 지지층에 일반적으로 사용되는 산화알루미늄 나노입자를 이산화규소 나노입자로 대체하여 저렴하고 쉬우며 다양하게 지지층을 설계할 수 있는 페로브스카이트 태양전지 제작방법을 나타낸다. 또한 이산화규소 입자크기 조절을 통해 페로브스카이트 용액의 침투를 보다 더 용이하게 하여 고효율의 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 제조한다.
본 발명에 사용되는 이산화규소 나노입자를 졸-겔법을 이용하여 15 nm ~ 1000 nm 크기로 균일하게 제조하였다. 탄소수 1 ~ 10 개의 알코올과 증류수를 용매로 섞고, 촉매인 암모니아수를 첨가하였다. 그 다음에 이산화규소 전구체(precursor)인 테트라에틸 오소실리케이트(tetraethyl orthesilicate, TEOS)를 첨가하고 이 용액을 자기교반봉(magnetic bar)을 이용해 상온에서 교반(stirring)시킨다. 이 때 용액의 온도 조절을 통해 이산화규소 입자 크기를 조절할 수 있다.반응이 끝난 용액을 상온까지 냉각시킨 후 이산화규소 나노입자를 침전 및/또는 원심분리기(centrifuge)를 이용하여 얻은 후 25 ℃ ~ 150 ℃ 의 온도에서 상기 용매가 없어질 때까지 완전히 건조할 수 있다.
본 발명은 상기에서 언급한 방법에 의해 이산화규소 나노입자를 제조하여 이를 지지층에 도입한 페로브스카이트 태양전지를 포함한다.
상기에서 페로브스카이트 태양전지는 불소(Fluorine) 혹은 인듐(Indium)이 도핑(doping)된 이산화주석(SnO2) 전극(Fluorine-doped tin oxide, FTO or Indium-doped tin oxide, ITO)위에 이산화티타늄 장벽층(blocking layer)을 스핀 코팅하여 전극과 홀 전달 물질(hole transfer material)간의 직접적인 접촉을 막는 구조의 광전극을 구비할 수 있다.
상기에서 언급한 이산화규소 나노입자는 용매와 혼합하여 균일하게 분산시킨 후 이산화규소 질량을 용매의 부피로 나누어 농도를 결정한다. 이 용액을 이산화티타늄 장벽층 위에 코팅하여 페로브스카이트 지지층이 포함된 광전극을 구비할 수 있다.
상기에서 용매 및 용매에 혼합된 원료물질을 100 RPM ~ 1000 RPM 으로 30분 ~ 24시간 동안 교반 및/또는 50 ~ 100 kHz의 주파수를 발산할 수 있는 초음파 진동장치를 이용하여 균일한 조성이 되도록 혼합할 수 있다.
상기 용매의 일예로 메탄올(methanol)을 사용할 수 있다
상기 용매의 일예로 에탄올(ethanol)을 사용할 수 있다.
상기 용매의 일예로 프로판올(propanol)을 사용할 수 있다.
상기 용매의 일예로 아세톤(acetone)을 사용할 수 있다.
상기 용매의 일예로 물(water)을 사용할 수 있다.
상기에서 언급한 이산화규소 나노입자 대신 이산화규소 전구체 용액을 만들 수 있다.
상기에서 언급한 이산화규소 전구체 용액을 장벽층위에 코팅한 후 졸-겔법으로 이산화규소층(layer)을 만들 수 있다.
상기에서 언급한 페로브스카이트 태양전지 지지층에 구성되는 이산화규소 나노 입자의 크기는 15 nm ~ 1000 nm 이다.
상기에서 언급한 이산화규소 용액의 코팅은 딥 코팅(dip coating), 스핀 코팅(spin coating), 드랍캐스팅(drop casting), 화학증착 (chemical vapor deposition, CVD), 전기 방사(electro spinning)를 사용할 수 있다.
상기에서 언급한 이산화규소 용액의 스핀 코팅은 100 rpm ~ 10000 rpm 속도로 실시 할 수 있다.
상기에서 언급한 이산화규소 용액의 스핀 코팅은 1회 ~ 5회까지 실시 할 수 있다.
상기에서 언급한 이산화규소 용액 층의 두께는 50 nm ~ 1000 nm 로 조절 할 수 있다.
상기에서 언급한 이산화규소 용액의 농도는 0.01 mg/mL ~ 0.3 g/mL 농도로 희석 할 수 있다.
상기에서 언급한 이산화규소는 구형 나노입자로 합성할 수 있다.
상기에서 언급한 이산화규소는 중공 구형 나노입자로 합성할 수 있다
상기에서 언급한 이산화규소는 이중 중공 나노입자로 합성할 수 있다.
상기에서 언급한 이산화규소는 구멍(pore) 크기를 1 nm ~ 50 nm 로 하는 다공성 구형 나노입자로 합성 할 수 있다.
상기에서 언급한 이산화규소는 종횡비(aspect ratio) 가 1:1 ~ 1:50 인 막대(rod) 형태로 합성할 수 있다.
상기에서 언급한 지지층은 스핀 코팅 후 용매의 증발과 유기물의 제거 및 구조의 긴밀함을 위해 탄화로에서 고온으로 어닐링(annealing) 하여 불순물이 없는 광전극을 구비할 수 있다.
상기에서 언급한 어닐링의 온도는 100 ℃ ~ 1000 ℃ 로 설정 할 수 있다.
상기에서 언급한 페로브스카이트 태양전지는 유기물, 무기물, 할로겐 원소로 이루어진 페로브스카이트 구조체를 감광제로 사용하였고 이는 메틸암모늄 아이오다이드(CH3NH2I)와 염화납(PbCl2) 또는 요오드화납(PbI2)을 특정 몰 비로 반응시켜 얻을 수 있다.
상기에서 언급한 페로브스카이트 태양전지의 감광제는 메틸암모늄 아이오다이드(CH3NH2I)와 염화납(PbCl2) 또는 요오드화납(PbI2)을 다이메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF) 혹은 다이메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO)와 같은 용매에 혼합하여 전구체 용액을 만들수 있으며, 이를 회전속도와 시간을 변수로 페로브스카이트 태양전지의 지지층 위에 스핀 코팅하여 페로브스카이트 전구체 용액층이 코팅된 광전극을 구비할 수 있다.
상기에서 언급한 전구체 용액을 80 ℃ ~ 150 ℃ 온도에서 어닐링 시켜주어 페로브스카이트 감광제 층이 생성된 광전극을 구비할 수 있다.
상기에서 언급한 페로브스카이트 태양전지의 감광제 층 위로 홀 전달 물질을 회전속도와 시간을 변수로 스핀 코팅하여 홀 전달이 용이한 광전극을 구비할 수 있다.
상기에서 언급한 페로브스카이트 태양전지의 홀 전달 층 위로 금 또는 은을 진공 증착해 전류가 흐르는 광전극을 구비할 수 있다.
본 발명의 페로브스카이트 태양전지 제조방법에 대해 다양한 조건으로 실시한 바, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 상기에서 언급한 조건에 의해 페로브스카이트 태양전지의 구조 및 이의 설계 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 내용을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들은 본 발명을 보다상세하게 설명하기 위한 일 예로서 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 이산화규소 나노입자를 지지층에 도입한 페로브스카이트 태양전지 제조방법을 나타낸다. 먼저 불소가 도핑된 이산화주석 전극을 초음파 분해기를 통해 세척해준다. 순서는 증류수, 아세톤 및 2-프로판올(2-propanol) 순으로 각각 60분 동안 세척한다.
이후 홀 전달 물질이 직접적으로 전극과 접촉하지 않도록 장벽층을 전극 위에 코팅한다. 부탄올(butanol)을 용매로 한 0.15M 의 티타늄 다이아이소프로폭사이드 비스아세틸아세토네이트 (titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)) 용액을 전극 위에 2500 rpm 으로 스핀 코팅하고 이 후 125 ℃ 에서 5분간 건조시켜준다. 이후 0.3 M 농도의 티타늄 다이아이소프로폭사이드 비스아세틸아세토네이트(titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)) 용액을 그 위에 2500 RPM으로 두번 스핀 코팅 한다. 이 후 450 ℃ 온도에서 30분간 어닐링을 한다.
장벽층 위로 200 nm 두께의 지지층을 스핀 코팅한다. 이산화규소 나노입자를 지지층으로 사용할 경우, 에탄올을 용매로 하여 0.01 g/mL 농도의 50 nm 이산화규소 나노입자 용액을 혼합하고 이 용액을 장벽층위에 떨어뜨린 후 5000 RPM 으로 스핀코팅 한다.
지지층 위로 페로브스카이트 전구체 용액을 3000 RPM 속도로 5분간 스핀 코팅 한다. 이 후 100 ℃ 에서 60분간 어닐링 시켜 페로브스카이트 감광제 층을 생성한다.
페로브스카이트 감광제 층 위로 홀 전달 물질을 3000 rpm 속도로 45초간 스핀 코팅 한다. 클로로벤젠(chlorobenzene) 용액(72.3 mg/mL Spiro-OMeTAD)과 28.8 μL 의 터트-뷰틸피리딘 (butylpyridine)을 혼합하고 520 mg 의 리튬 비스(트라이플루오로메틸시포닐)이미드 (lithium bis(trifluoromethylsyfonyl)imide))와 1mL 의 아세토나이트릴(acetonitrile)이 혼합된 용액 17.5 μL 를 첨가하여 홀 전달 물질을 만들 수 있다
홀 전달 물질 층 위로 70nm 두께의 금 층을 진공 증착하여 전류가 흐르는 광전극을 제조한다.
메탄올을 용매로 혼합한 이산화규소 나노입자 용액을 지지층으로 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
에탄올을 용매로 혼합한 이산화규소 나노입자 용액을 지지층으로 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
아세톤을 용매로 혼합한 이산화규소 나노입자 용액을 지지층으로 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
프로판올을 용매로 혼합한 이산화규소 나노입자 용액을 지지층으로 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
물을 용매로 혼합한 이산화규소 나노입자 용액을 지지층으로 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
15 nm 크기의 이산화규소 나노 입자 용액을 지지층에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
30 nm 크기의 이산화규소 나노 입자 용액을 지지층에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
75 nm 크기의 이산화규소 나노 입자 용액을 지지층에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
100 nm 크기의 이산화규소 나노 입자 용액을 지지층에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
250 nm 크기의 이산화규소 나노 입자 용액을 지지층에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
500 nm 크기의 이산화규소 나노 입자 용액을 지지층에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
1000 nm 크기의 이산화규소 나노 입자 용액을 지지층에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
이산화규소 나노입자 용액의 농도를 0.01 mg/mL 로 희석하여 지지층에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다
10000 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 50 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
8000 RPM으로 45초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 15와 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
8000 RPM 으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 100 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
5000 RPM으로 45초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 14와 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
5000 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 150 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
2000 RPM으로 45초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 14와 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
2000 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 250 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
100 RPM으로 45초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 14와 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
100 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 500 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
이산화규소 나노입자 용액의 농도를 1 mg/mL 로 희석하여 지지층에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다
10000 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 80 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
5000 RPM으로 45초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 19와 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
5000 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 150 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
2000 RPM으로 45초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 19와 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
2000 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 300 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
100 RPM으로 45초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 19와 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
100 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 700 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
이산화규소 나노입자 용액의 농도를 0.3 g/mL 로 희석하여 지지층에 코팅한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다
10000 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 100 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
7000 RPM으로 45초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 23과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
7000 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 150 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
5000 RPM으로 45초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 23과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
5000 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 350 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
2000 RPM으로 45초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 23과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
2000 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 600 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
100 RPM으로 45초간 스핀 코팅한 것을 제외하고는 실시예 23과 동일한 방법을 이용해 이산화규소 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
100 RPM으로 45초간 스핀 코팅 한 결과 1000 nm 두께의 지지층이 코팅 되었다.
이산화티타늄 나노입자를 지지층으로 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용해 이산화티타늄 나노입자 지지층 페로브스카이트 태양전지를 조립하였다.
이산화티타늄을 나노입자는 상업용 이산화티타늄 페이스트(Paste, Dyesol 18NR-T)를 사용하였고 이를 터피놀(terpineol)에 1:2 질량 비율로 분산시킨 후 사용하였다.
상기 실시예 1 및 실시예 7 내지 10의 과정을 통해 조립한 페로브스카이트 태양전지의 측면을 주사전자현미경으로 관찰 하였고 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1 에서처럼, 페로브스카이트 태양전지 전체 두께는 약 1000 nm 정도이며, 50nm 이산화규소 구형 나노입자를 지지층으로 사용했을 경우 지지층 내 빈 공간이 최소화 되었다. 15 nm, 30 nm 70 nm, 100 nm 로 지지층을 구성했을 경우 지지층 내 페로브스카이트가 침투하지 못한 공간들이 많이 관찰되었다.
상기 실시예 1 및 7 내지 10 에서 사용한 15 nm ~ 100 nm 이산화규소 구형 나노 입자를 지지층으로 사용하는 페로브스카이트 층의 흡광도 측정을 350 nm 부터 900 nm 파장 범위에서 측정하였고 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2의 (a)에서, 450 nm ~ 900 nm 파장에서 이산화규소 나노입자의 크기가 커질수록 흡광도가 높아졌으며 300 nm ~ 450 nm 파장에서는 50 nm, 70 nm, 100 nm 크기 순으로 높은 흡광도를 나타냈다. 15nm 와 30 nm 의 경우는 파장 전 범위에서 낮은 흡광도가 나타났다. 이는 도 2의 (b) 에서, 50 nm 미만의 나노입자로 지지층을 구성할 경우 입자간 공간이 좁은 나머지 페로브스카이트가 지지층 내로 완전히 침투할 수 없게 되고, 따라서 빛의 흡광도 또한 낮아진다.
상기의 실시예 1 및 실시예 7 내지 실시예 10 에서 제조한 각각의 이산화규소 나노입자를 페로브스카이트 태양전지의 지지층으로 사용하여 단락전류밀도, 개로전압, 충전률 및 전력변환효율을 측정하고 이들의 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3 에서처럼, 페로브스카이트 태양전지 지지층의 이산화규소 나노입자의 크기가 15 nm 에서 50 nm 로 커질수록 단락전류밀도, 개로전압, 충전률 및 전력변환효율이 증가한다. 하지만 나노입자의 크기가 50 nm 에서 100 nm 로 커질 때 단락전류밀도, 개로전압, 충전률 및 전력변환효율은 반대로 감소한다. 이는 실시예 30 의 결과와 마찬가지로 페로브스카이트의 침투가 50 nm 에서 최적화 되어 지지층을 빈 공간 없이 채웠기 때문이다.
상기 실시예 1 및 실시예 28 에서 제조한 페로브스카이트 태양전지의 성능을 측정하여 전류밀도-전압 그래프로 분석하였고 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4 에서처럼, 이산화규소 나노입자를 지지층으로 사용한 페로브스카이트 태양전지는 이산화티타늄을 지지층으로 사용한 페로브스카이트 태양전지의 효율인 10.29 %에 비해 1.16% 더 증가한 11.45 % 로서, 더욱더 우수한 전력변환효율을 나타냈으며, 개로전압 또한 0.94 V에서 1.05 V로 증가했음을 확인하였다. 그 이유는 첫째, 이산화규소의 전도대가 이산화티타늄의 전도대 보다 더 높기 때문이며 둘째, 지지층을 구성하는 나노입자의 크기 조절을 통해 페로브스카이트의 침투를 최대화 시켰고, 이를 통해 전하 전달을 방해하는 전기적 저항을 줄였기 때문이다.
상기 실시예 1 및 실시예 28 에서 제조한 이산화규소, 이산화티타늄 나노입자를 지지층으로 각각 사용했을 때, 각각의 지지층 위에 코팅된 페로브스카이트 층의 발광 스펙트럼을 측정하였다. 525 nm 파장의 여기 하에서 측정하였고 그 범위는 600 nm 부터 850 nm 파장이며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서는 725 nm 부터 825 nm 발광하는 것을 알 수 있고 775 nm 전후 영역에서 가장 높음을 알 수 있다. 또한 이산화규소 나노입자를 지지층으로 사용했을 때 이산화티타늄 나노입자를 지지층으로 사용했을 때 보다 발광 강도가 더 높음을 확인 할 수 있었다.
도 6에서 나타나듯이 페로브스카이트보다 더 높은 전도대를 가지는 이산화규소로 지지층을 구성한 페로브스카이트 태양전지의 경우, 태양광에 의해 들뜬 페로브스카이트 내 전자가 지지층으로 전달되지 못하여 발광 강도가 강하고 이는 페로브스카이트가 들뜬 전자를 직접 작업전극으로 전달한다는 것을 나타낸다. 반대로 페로브스카이트보다 전도대가 더 낮은 이산화티타늄으로 지지층을 구성한 경우, 페로브스카이트 내 들뜬 전자는 이산화티타늄으로 전달되고 이 때문에 발광 강도가 더 약한 것을 알 수 있다.
없음

Claims (12)

  1. 제조한 이산화규소 나노입자 및/또는 이산화규소 전구체를 용매와 균일하게 혼합하는 단계;
    상기 혼합 용액을 이산화티타늄 장벽층이 코팅된 전극 위에 코팅하는 단계;
    혼합 용액이 코팅된 전극을 어닐링하여 이산화규소 나노입자 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 15 nm ~ 1000 nm 크기의 이산화규소 중공 구형 나노입자를 지지층으로 도입하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
  2. 제조한 이산화규소 나노입자 및/또는 이산화규소 전구체를 용매와 균일하게 혼합하는 단계;
    상기 혼합 용액을 이산화티타늄 장벽층이 코팅된 전극 위에 코팅하는 단계;
    혼합 용액이 코팅된 전극을 어닐링하여 이산화규소 나노입자 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 15 nm ~ 1000 nm 크기의 이산화규소 이중 중공 구형 나노입자를 지지층으로 하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
  3. 제조한 이산화규소 나노입자 및/또는 이산화규소 전구체를 용매와 균일하게 혼합하는 단계;
    상기 혼합 용액을 이산화티타늄 장벽층이 코팅된 전극 위에 코팅하는 단계;
    혼합 용액이 코팅된 전극을 어닐링하여 이산화규소 나노입자 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 구멍 크기가 1 nm ~ 50 nm 이며 입자의 크기가 15 nm ~ 1000 nm 인 다공성 구형 나노입자를 지지층으로 도입하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
  4. 제조한 이산화규소 나노입자 및/또는 이산화규소 전구체를 용매와 균일하게 혼합하는 단계;
    상기 혼합 용액을 이산화티타늄 장벽층이 코팅된 전극 위에 코팅하는 단계;
    혼합 용액이 코팅된 전극을 어닐링하여 이산화규소 나노입자 지지층을 형성하는 단계를 포함하는 종횡비(aspect ratio) 가 1:1 ~ 1:50 인 막대(rod) 형태의 이산화규소 입자를 지지층으로 도입하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
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