KR101838844B1 - 스탬핑 기법을 이용한 태양전지의 중간층 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스탬핑 기법을 이용한 태양전지의 중간층 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 친수성 및 소수성 물질 각각으로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용하여 스탬핑 기법을 통해 건식 조건에서 태양전지의 중간층 제조하기 때문에 스핀 코팅과 같은 습식 코팅 과정에서 용매가 페로브스카이트층에 침투될 경우 발생하는 내구성 및 결정성 악화 문제를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막에 친수성 또는 소수성 물질로 기능화함으로써, 표면 에너지를 조절하고, 표면 에너지가 조절된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용하여 대면적으로 태양전지의 중간층, 활성층, 투명전극까지 스탬핑 전사 공정이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 상기 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막에 친수성 또는 소수성 물질로 기능화함으로써, 표면 에너지를 조절하고, 표면 에너지가 조절된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용하여 대면적으로 태양전지의 중간층, 활성층, 투명전극까지 스탬핑 전사 공정이 가능한 장점이 있다.
Description
본 발명은 스탬핑 기법을 이용한 태양전지의 중간층 제조방법에 관한 것이다.
페로브스카이트 태양전지는 광 활성층인 페로브스카이트의 높은 흡수율과 빠른 전하 이동, 낮은 온도에서 제작이 가능하다는 여러 장점 등으로 인해서 연구되고 있다. 이로 인해, 최근에는 페로브스카이트 박막을 개선하여 효율을 증가시키는 연구에만 집중되어 있으며, 전하 수송 중간층이 전하의 이동도와 내구성에 영향을 주기 때문에 이러한 중간층의 개선을 통한 향상된 효율 보고가 주된 연구주제로 진행되고 있다. 하지만, 중간층의 도입은 기존의 소면적, 싱글셀 단위의 스핀코팅 공정으로 이루어져 획기적인 공정 개선이 필요한 실정이다.
구체적으로 이전에 보고된 연구들은 페로브스카이트 태양전지 중간층을 형성하는데 스핀 코팅과 같이 용매를 사용하는 wet-coating 방식으로만 제작하였다. 구체적으로, 페로브스카이트 기반 소재에 중간층 물질을 코팅하게 되면 페로브스카이트 층 내부에 용매의 침투에 의한 내구성 및 결정성을 악화시킬 가능성이 있다. 또한 스핀코팅은 대면적 소자를 제작하는데 있어서 한계점을 갖고 있기 때문에, 대면적으로 페로브스카이트 태양전지의 중간층, 활성층, 투명전극까지 전사하기 위한 개발이 필요하다.
본 발명은 친수성 및 소수성 물질 각각으로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용하여 스탬핑 기법을 통해 건식 조건에서 태양전지의 중간층 제조하는데 목적이 있다.
본 발명은 스탬핑 기법을 이용한 태양전지의 중간층 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로, 상기 태양전지의 중간층 제조방법은,
소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막; 및
친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용한 태양전지의 중간층 제조방법을 제공할 수 있다.
하나의 예로서, 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막에 친수성 용액을 코팅하여 친수성 전사막을 형성하고,
상기 친수성 전사막을 기재 상에 전사할 수 있다.
다른 하나의 예로서, 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막에 소수성 용액을 코팅하여 소수성 전사막을 형성하고,
상기 소수성 전사막을 기재 상에 전사하할 수 있다.
이때, 상기 태양전지는 페로브스카이트 태양전지일 수 있다.
본 발명은 친수성 및 소수성 물질 각각으로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용하여 스탬핑 기법을 통해 건식 조건에서 태양전지의 중간층 제조하기 때문에 스핀 코팅과 같은 습식 코팅 과정에서 용매가 페로브스카이트층에 침투될 경우 발생하는 내구성 및 결정성 악화 문제를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막에 친수성 또는 소수성 물질로 기능화함으로써, 표면 에너지를 조절하고, 표면 에너지가 조절된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용하여 대면적으로 태양전지의 중간층, 활성층, 투명전극까지 스탬핑 전사 공정이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지의 중간층 및 제조방법의 모식도이다.
도 2는 일 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지 중간층에 있어서, 각 층의 AFM 측정 결과이다.
도 3은 일 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지 중간층에 있어서, 각 층의 SEM 사진이다.
도 4는 일 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지 중간층을 포함하는 태양전지의 내구성 테스트 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 친수성 및 소수성 물질 각각으로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막의 안정성 테스트 결과이다.
도 2는 일 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지 중간층에 있어서, 각 층의 AFM 측정 결과이다.
도 3은 일 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지 중간층에 있어서, 각 층의 SEM 사진이다.
도 4는 일 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지 중간층을 포함하는 태양전지의 내구성 테스트 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 친수성 및 소수성 물질 각각으로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막의 안정성 테스트 결과이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 친수성 및 소수성 물질 각각으로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용하여 스탬핑 기법을 통해 건식 조건에서 태양전지의 중간층 제조방법에 관한 것이다.
페로브스카이트 태양전지의 중간층을 제조하기 위해서, 기존에는 스핀 코팅과 같은 용액 공정을 사용하였다. 그러나, 용액 공정으로 제조할 경우에 용매가 페로브스카이트층에 침투하여 전지의 내구성 및 결정성을 악화시키고, 이로 인해 전지의 효율을 저하하는 문제가 발생하였다.
이에 대해, 본 발명은 친수성 및 소수성 물질 각각으로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용하여 스탬핑 기법을 통해 건식 조건에서 태양전지의 중간층 제조하기 때문에 스핀 코팅과 같은 습식 코팅 과정에서 용매가 페로브스카이트층에 침투될 경우 발생하는 내구성 및 결정성 악화 문제를 방지할 수 있다.
또한, 기존의 스핀 코팅 공정을 통해 페로브스카이트 태양전지를 제조할 경우에는 대면적으로 제조하는데 어려움이 있었다.
이에 대해, 본 발명은 상기 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막에 친수성 또는 소수성 물질로 기능화함으로써, 표면 에너지를 조절하고, 표면 에너지가 조절된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용하여 태양전지의 중간층, 활성층, 투명전극까지 스탬핑 전사 공정이 가능하기 때문에, 대면적으로 페로브스카이트 태양전지의 제조가 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 표면 에너지가 조절된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막은 종래의 기술을 발전시킬 수 있는 획기적인 기술이다.
특히, 기존의 스탬핑 전사 공정 시에는, 몰드 재료로서 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 고분자를 사용하였다. 그러나 PDMS는 특정 유기 용매에 취약하여 용매 선택의 폭이 한정된다는 단점이 있다. 또한, PDMS 고분자를 사용한 몰드 박막의 표면 물성을 변화시키 위해서는 소모성 화학물질 처리가 요구되고, 비영구적이라는 단점이 있다.
이에 대해, 본 발명에 따른 몰드 박막은 폴리우레탄아크릴레이트(Polyurethane acrylate, PUA) 고분자를 사용하기 때문에, 안정성을 기반에 둔 표면 에너지가 조절된 몰드 박막을 이용한 전사 기술을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 태양전지의 중간층 제조방법을 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 태양전지의 중간층 제조방법은,
소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막; 및
친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용한 방법일 수 있다.
상기 소수성 물질은 플루오르기, 알킬기, 알케닐기, 알콕시기, 아릴기, 헤테로시클릭기 및 헤테로알킬기 중 하나 이상의 작용기를 포함하는 물질일 수 있다.
예를 들어, 상기 소수성 물질은 퍼플루오로폴리에테르 및 트리플루오로에틸메타크릴레이트, 옥타플루오로펜틸메타크릴레이트 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
이렇게 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막의 표면에너지는 25 mJ/m2 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막의 표면에너지는 0.1 내지 25 mJ/m2, 1 내지 25 mJ/m2, 5 내지 25 mJ/m2, 10 내지 25 mJ/m2, 15 내지 25 mJ/m2 또는 18 내지 23 mJ/m2 범위일 수 있다.
상기와 같이 표면 에너지가 조절되고, 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막은 친수성 필름을 전사하는데 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막의 일면에 친수성 용액을 코팅하여 친수성 전사막을 형성하고, 상기 친수성 전사막을 기재 상에 스탬핑 전사하는 방법으로 기재 상에 친수성 층을 적층할 수 있다.
상기 친수성 물질은 히드록시기, 아미노기, 카르복시기, 카르보닐기, 에스테르기, 알데히드기, 포스페이트기 및 설폰기 중 하나 이상의 작용기를 포함하는 물질일 수 있다.
예를 들어, 상기 친수성 물질은, 히드록시에틸메타크릴레이트, 히드록시에틸아크릴레이트, 카르복실에틸아크릴레이트, 아크릴릭에시드 및 메타크릴릭에시드 중 1 종 이상을 포함할 수 있다.
이렇게 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막의 표면에너지는 55 mJ/m2 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막의 표면에너지는 55 내지 100 mJ/m2, 50 내지 90 mJ/m2, 50 내지 80 mJ/m2, 50 내지 70 mJ/m2 또는 55 내지 65 mJ/m2 범위일 수 있다.
상기와 같이 표면 에너지가 조절되고, 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막은 소수성 필름을 전사하는데 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막의 일면에 소수성 용액을 코팅하여 소수성 전사막을 형성하고, 상기 소수성 전사막을 기재 상에 스탬핑 전사하는 방법으로 기재 상에 소수성 층을 적층할 수 있다.
구체적으로, 상기 본 발명은 친수성 또는 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용하여 태양전지의 중간층을 건식 조건에서 간단한 방법으로 형성할 수 있고, 대면적 형성에 용이하다.
페로브스카이트 태양전지의 중간층을 예로 들면, 페로브스카이트 태양전지의 중간층은 ITO층 상에 PEDOT:PSS층을 형성하고, 상기 PEDOT:PSS층 상에 광활성층으로서 MAPbI3(CH3NH3PbI3)층을 형성하고, 상기 MAPbI3(CH3NH3PbI3)층 상에 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxy-carbonyl)propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM)층을 형성하고, 상기 PCBM층 상에 전자전달층으로서 TiOx층을 형성하고, 알루미늄 전극(Al)을 증착함으로써 형성할 수 있다.
이때, 상기 PEDOT:PSS층은 친수성을 띄고 있어, 본 발명에 따른 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용하여 형성할 수 있다.
예를 들어, 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막에 친수성 용액을 코팅하여 친수성 전사막을 형성하는 단계; 및
상기 친수성 전사막을 기재 상에 전사하는 단계를 통해 PEDOT:PSS층을 ITO층 상에 스탬핑 전사할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막 상에 PEDOT:PSS을 포함하는 친수성 용액을 코팅하여 친수성 전사막을 형성하고, 상기 친수성 전사막을 ITO층 상에 스탬핑 전사하고 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 제거하는 방법으로 형성할 수 있다.
이렇게 스탬핑 기법으로 PEDOT:PSS층을 전사할 경우, 스핀 코팅 방법으로 형성하였을 때와 다르게, PEDOT:PSS층 표면의 응집 등을 유도하여 표면이 매우 거칠어지며 울퉁불퉁한 영역이 많이 나타난다. 이로 인해, PEDOT:PSS층 상에 MAPbI3(CH3NH3PbI3)층을 코팅할 경우, 입자 사이즈와 평균 표면 거칠기(Rq, RMS)에 차이가 생기게 된다.
또한, 상기 PCBM층은 소수성을 띄고 있어, 본 발명에 따른 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 이용하여 형성할 수 있다.
예를 들어, 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막에 소수성 용액을 코팅하여 소수성 전사막을 형성하는 단계; 및
상기 소수성 전사막을 기재 상에 전사하는 단계를 통해 제조할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막 상에 PCBM을 포함하는 소수성 용액을 코팅하여 소수성 전사막을 형성하고, 상기 소수성 전사막을 MAPbI3(CH3NH3PbI3)층 상에 스탬핑 전사하고 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 제거하는 방법으로 형성할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이 스탬핑 기법으로 PEDOT:PSS층을 전사하여 스핀 코팅 방법으로 형성하였을 때와 다르게, PEDOT:PSS층 표면이 매우 거칠어지며 울퉁불퉁한 영역이 많이 나타나, PEDOT:PSS층 상에 MAPbI3(CH3NH3PbI3)층을 코팅할 경우, 입자 사이즈와 평균 표면 거칠기(Rq, RMS)에 차이가 생기게 된다.
그런 다음, 상기 MAPbI3(CH3NH3PbI3)층 상에 또 다시 스탬핑 기법으로 PCBM층을 형성할 경우, 스핀 코팅 방법으로 형성하였을 경우와 비교하여, 평평한 표면을 이루며, 전체적으로 감소된 평균 표면 거칠기를 보인다. 이를 통해, 본 발명에 따른 방법으로 태양전지의 중간층을 형성할 경우, 안정적인 공정에 의한 표면 모폴로지를 구현할 수 있다.
구체적으로, 전사된 소수성 전사막의 평균 표면 거칠기(Rq, RMS)는 1 nm 이하일 수 있다. 예를 들어, 전사된 소수성 전사막의 평균 표면 거칠기는 0.1 내지 1 nm, 0.2 내지 1 nm, 0.3 내지 1 nm, 0.4 내지 1 nm, 0.5 내지 0.9 nm, 0.6 내지 0.9 nm 또는 0.6 내지 0.8 nm 범위일 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따라 스탬핑 기법으로 제조한 태양전지의 중간층은 표면 모폴로지가 우수한 것을 알 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 태양전지의 중간층을 포함하는 태양전지는 높은 효율과 동시에 우수한 내구성을 구현할 수 있다.
상기 태양전지의 중간층인 ITO층, PEDOT:PSS층, MAPbI3(CH3NH3PbI3)층, PCBM층 및 TiOx층 등은 일 예로 설명한 것일 뿐, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 태양전지의 중간층 제조방법은 페로브스카이트 태양전지를 제조하는데 적용할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 페로브스카이트 태양전지는 광 활성층인 페로브스카이트의 높은 흡수율과 빠른 전하 이동, 낮은 온도에서 제작이 가능하다는 여러 장점 등으로 인해서 연구되고 있다. 이로 인해, 최근에는 페로브스카이트 박막을 개선하여 효율을 증가시키는 연구에만 집중되어 있으며, 전하 수송 중간층이 전하의 이동도와 내구성에 영향을 주기 때문에 이러한 중간층의 개선을 통한 향상된 효율 보고가 주된 연구주제로 진행되고 있다. 하지만, 중간층의 도입은 기존의 소면적, 싱글셀 단위의 스핀 코팅 공정으로 이루어져 획기적인 공정 개선이 필요하였다.
이에 본 발명은, 스탬핑 기법으로 페로브스카이트 태양전지의 중간층을 형성함으로써, 기존의 스핀 코팅 시 페로브스카이트 층 내부에 용매의 침투에 의한 내구성 및 결정성 저하를 방지하여 우수한 내구성 및 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 제공할 수 있다.
이하 실시예 등을 통해 본 발명을 더 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예 등은 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 것은 아니다.
실시예
1:
스탬핑
기법을 이용한 태양전지 중간층 제조
(1) 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막 제조
폴리우레탄아크릴레이트(PUA) 올리고머와 퍼플루오로폴리에테르(PFPE) 혼합 용액을 실리콘 웨이퍼 상에 도포하고 폴리카보네이트(PC) 필름으로 덮어준 후 UV 경화하여 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막(PFPE-PUA)을 제조하였다.
(2) 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막 제조
폴리우레탄아크릴레이트(PUA) 올리고머와 히드록시에틸메타크릴레이트 (HEMA) 혼합 용액을 실리콘 웨이퍼 상에 도포하고 폴리카보네이트(PC) 필름으로 덮어준 후 UV 경화하여 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막(HEMA-PUA)을 제조하였다.
(3) (1) 및 (2)에서 제조한 몰드 박막을 이용한 중간층 제조
상기 (1) 및 (2)에서 제조한 PFPE-PUA 및 HEMA-PUA 몰드 박막을 이용해서 태양전지의 중간층을 제조하였다.
구체적으로, 하기 도 1의 (a)와 같이, ITO층, PEDOT:PSS층, MAPbI3층, PCBM층 및 TiOx층을 순차 적층하고 알루미늄 전극(Al)을 형성하였다.
이때, PEDOT:PSS층은 도 1의 (b)와 같이, PFPE-PUA 몰드 박막의 일면에 PEDOT:PSS 및 물을 혼합한 용액을 코팅한 후 경화하여 UVO 처리된 ITO층 상에 스탬핑 전사한 후, PFPE-PUA 몰드 박막을 제거하는 방법으로 제조하였다.
또한, PCBM층은 도 1의 (c)와 같이, HEMA-PUA 몰드 박막의 일면에 PCBM과 클로로벤젠을 혼합한 용액을 코팅 후 경화하여 MAPbI3층 상에 스탬핑 전사한 후, HEMA-PUA 몰드 박막을 제거하는 방법으로 제조하였다.
실시예
2:
스탬핑
기법을 이용한 태양전지 중간층 제조
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, (1) 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막 제조 과정에서, 폴리우레탄아크릴레이트(PUA) 올리고머와 트리플루오로에틸메타크릴레이트(2,2,2-Trifluoroethyl methacrylate) 혼합 용액을 이용하여 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 제조하였다.
실시예
3:
스탬핑
기법을 이용한 태양전지 중간층 제조
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, (1) 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막 제조 과정에서, 폴리우레탄아크릴레이트(PUA) 올리고머와 옥타플루오로펜틸메타크릴레이트(2,2,3,3,4,4,5,5-Octafluoropentyl methacrylate) 혼합 용액을 이용하여 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 제조하였다.
실시예
4:
스탬핑
기법을 이용한 태양전지 중간층 제조
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, (2) 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막 제조 과정에서, 폴리우레탄아크릴레이트(PUA) 올리고머와 히드록시에틸아크릴레이트(hydroxyethyl acrylate) 혼합 용액을 이용하여 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 제조하였다.
실시예
5:
스탬핑
기법을 이용한 태양전지 중간층 제조
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, (2) 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막 제조 과정에서, 폴리우레탄아크릴레이트(PUA) 올리고머와 카르복실에틸아크릴레이트(hydroxyethyl acrylate) 혼합 용액을 이용하여 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 제조하였다.
실시예
6:
스탬핑
기법을 이용한 태양전지 중간층 제조
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, (2) 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막 제조 과정에서, 폴리우레탄아크릴레이트(PUA) 올리고머와 아크릴릭에시드(acrylic acid) 혼합 용액을 이용하여 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 제조하였다.
실시예
7:
스탬핑
기법을 이용한 태양전지 중간층 제조
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, (2) 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막 제조 과정에서, 폴리우레탄아크릴레이트(PUA) 올리고머와 메타크릴릭에시드(methacrylic acid) 혼합 용액을 이용하여 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 제조하였다.
비교예
: 스핀 코팅 방법을 이용한 태양전지 중간층 제조
상기 실시예 1과 같이 ITO층, PEDOT:PSS층, MAPbI3층, PCBM층 및 TiOx층을 순차 적층하고 알루미늄 전극(Al)을 형성하여 태양전지의 중간층을 제조하였으나, PEDOT:PSS층 및 PCBM층을 몰드 박막을 제조하여 스탬핑 전사하는 대신에 스핀 코팅으로 형성하였다.
실험예
1: 표면 에너지 측정
상기 실시예 1의 (1) 및 (2)에서 제조한 PFPE-PUA 및 HEMA-PUA 몰드 박막의 표면 에너지(surface energy)를 PUA와 비교하였다. 그 결과는 하기 표 1과 같다.
| PFPE-PUA | PUA | HEMA-PUA | |
| 표면 에너지 (mJ/m2) | 20 | 35 | 60 |
상기 표 1을 참조하면, PUA와 비교하여 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트(PFPE-PUA)는 표면에너지가 작아진 것을 확인할 수 있고, 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트(HEMA-PUA)는 표면에너지가 증가한 것을 확인할 수 있다.
실험예
2: 표면
모폴로지
측정
(1) AFM(atomic force microscope) 분석
실시예 1 및 비교예에 따른 제조방법으로 제조된 태양전지 중간층의 각 층에 대한 표면 구조를 AFM 분석기를 이용하여 측정하였다.
그 결과는 하기 도 2에 나타내었다.
구체적으로, 도 2의 (a)는 ITO층 상에 스핀 코팅 방법(비교예)으로 PEDOT:PSS를 코팅한 후 PEDOT:PSS의 AFM 측정 결과 사진과 평균 표면 거칠기(Rq, RMS)를 나타낸 것이다. 그리고 도 2의 (c)는 상기 (a)의 PEDOT:PSS 상에 형성된 MAPbI3층의 AFM 측정 결과 사진과 평균 표면 거칠기(Rq, RMS)를 나타낸 것이다. 그리고, 도 2의 (e)는 상기 (c)의 MAPbI3층 상에 스핀 코팅 방법으로 PCBM을 코팅한 후 PCBM의 AFM 측정 결과 사진과 평균 표면 거칠기(Rq, RMS)를 나타낸 것이다.
또한, 도 2의 (b)는 ITO층 상에 스탬핑 전사 방법(실시예 1)으로 PEDOT:PSS를 전사한 후 PEDOT:PSS의 AFM 측정 결과 사진과 평균 표면 거칠기(Rq, RMS)를 나타낸 것이다. 그리고 도 2의 (d)는 상기 (b)의 PEDOT:PSS 상에 형성된 MAPbI3층의 AFM 측정 결과 사진과 평균 표면 거칠기(Rq, RMS)를 나타낸 것이다. 그리고, 도 2의 (f)는 상기 (d)의 MAPbI3층 상에 스탬핑 전사 방법으로 PCBM을 전사한 후 PCBM의 AFM 측정 결과 사진과 평균 표면 거칠기(Rq, RMS)를 나타낸 것이다.
그 결과, 비교예와 같이, 스핀 코팅 방법으로 태양전지의 중간층과 실시예 1과 같이 스탬핑 전사 방법으로 태양전지의 중간층을 제조한 결과, 각 층의 모폴로지와 평균 표면 거칠기가 상이한 것을 확인할 수 있다.
특히, 스탬핑 전사 방법으로 PEDOT:PSS층 및 PCBM층을 모두 형성한 경우에, PCBM층의 평균 표면 거칠기는 1 nm 이하고, 구체적으로는 0.776 nm로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 태양전지의 중간층은 안정적인 공정에 의한 표면 모폴로지를 구현할 수 있다는 것을 알 수 있다.
(2) SEM(scanning electron microscope) 분석
상기 AFM(atomic force microscope) 분석에서 도 2의 (a) 내지 (f)에 해당하는 각각의 표면에 대한 SEM 분석 결과를 하기 도 3의 (a) 내지 (f)에 나타내었다. 도 3을 보면, 스핀 코팅으로 PEDOT:PSS층을 형성한 경우 표면이 비교적 매끄럽고, 스탬핑 전사 방법으로 전사된 PEDOT:PSS의 표면은 상대적으로 거친 것을 알 수 있다.
또한, 상기 각각의 PEDOT:PSS 상에 형성된 MAPbI3층의 표면 구조 또한 상이한 것을 알 수 있다.
특히, 상기 MAPbI3층 상에 형성된 PCBM층의 표면 구조는 스핀 코팅 방법으로 형성된 경우(비교예)와 비교하여 스탬핑 전사 방법을 통해 형성된 경우(실시예 1)에 더욱 평평한 것을 확인할 수 있다.
실험예
3: 내구성 측정
상기 실시예 1 및 비교예에서 제조된 태양전지 중간층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 대하여, 내구성 테스트를 수행하였다.
구체적으로, 상기 각각의 태양전지를 평균 습도 50% 조건에서 500 시간 동안 방치하면서 에너지 변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)(%) 변화를 측정하였다. 그 결과는 하기 도 4에 나타내었다.
도 4를 보면, 본 발명에 따른 실시예 1의 중간층을 포함하는 태양전지가 가혹 조건에서 장기간 방치 시, 에너지 변환효율의 저하가 비교적 적어, 내구성이 우수한 것을 알 수 있다.
실험예
4: 안정성 측정
(a) 상기 실시예 1의 (1)에서 제조한 PFPE-PUA 몰드 박막에 PEDOT:PSS의 용매인 물을 사용하여 코팅하였고, (b) 실시예 1의 (2)에서 제조한 HEMA-PUA 몰드 박막에 PCBM의 용매인 클로로벤젠(CB)를 코팅하였다. 그런 다음, 상기 각각의 물 및 CB의 코팅 전 후의 파장에 따른 광흡수도를 측정하였다. 그 결과는 하기 도 5에 나타내었다.
도 5의 (a)를 보면, 물 코팅 전과 후의 파장 차이가 다소 있으나, 이는 PFPE-PUA 몰드 박막 표면에 잔존하는 물로 인한 것으로, 변화는 거의 없는 것으로 확인되었다.
또한, 도 5의 (b)를 보면, CB 코팅 전 후의 광흡수도 파장 변화가 보이지 않는 것을 알 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 친수성 또는 소수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막은 안정성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
Claims (11)
- 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막에 퍼플루오로폴리에테르, 트리플루오로에틸메타크릴레이트 및 옥타플루오로펜틸메타크릴레이트 중 1 종 이상을 포함하는 소수성 용액을 코팅하여 소수성 전사막을 형성하는 단계;
상기 소수성 전사막을 기재 상에 전사하는 단계; 및
상기 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막을 제거하는 단계를 포함하며,
상기 친수성 물질로 기능화된 폴리우레탄아크릴레이트 몰드 박막의 표면에너지는 55mJ/m2이상이고,
상기 기재상에 전사된 소수성 전사막의 평균 표면 거칠기(Rq, RMS)는 0.5 내지 0.9nm인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지의 전하 수송 중간층 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
친수성 물질은 히드록시기, 아미노기, 카르복시기, 카르보닐기, 에스테르기, 알데히드기, 포스페이트기 및 설폰기 중 하나 이상의 작용기를 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 전하 수송 중간층 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
친수성 물질은, 히드록시에틸메타크릴레이트, 히드록시에틸아크릴레이트, 카르복실에틸아크릴레이트, 아크릴릭에시드 및 메타크릴릭에시드 중 1 종 이상을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 전하 수송 중간층 제조방법. - 삭제
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| KR1020170022126A KR101838844B1 (ko) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | 스탬핑 기법을 이용한 태양전지의 중간층 제조방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111540807A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-08-14 | 华南师范大学 | 一种具有高开路电压的全无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
| KR20210090812A (ko) * | 2020-01-13 | 2021-07-21 | 중앙대학교 산학협력단 | 전사 몰드용 수지 조성물 및 이를 포함하는 전사 몰드를 이용한 전사 방법 |
-
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| KR20210090812A (ko) * | 2020-01-13 | 2021-07-21 | 중앙대학교 산학협력단 | 전사 몰드용 수지 조성물 및 이를 포함하는 전사 몰드를 이용한 전사 방법 |
| KR102306431B1 (ko) * | 2020-01-13 | 2021-09-30 | 중앙대학교 산학협력단 | 전사 몰드용 수지 조성물 및 이를 포함하는 전사 몰드를 이용한 전사 방법 |
| CN111540807A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-08-14 | 华南师范大学 | 一种具有高开路电压的全无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
| CN111540807B (zh) * | 2020-04-03 | 2021-10-15 | 华南师范大学 | 一种具有高开路电压的全无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
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