KR101890595B1 - 내구성이 향상된 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 내구성이 향상된 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 내구성이 향상된 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
화석 연료의 연소에서 발생하는 환경오염이 심각한 사회 문제로 대두되고 있으며 청정한 신재생에너지원의 개발은 국가의 에너지 주권 확보와 환경오염 개선의 관점에서 매우 중요하다. 현재 상용화되어 있는 실리콘 태양전지는 높은 시장점유율을 가지고 있다. 실리콘 태양전지의 경우 20% 이상의 높은 광전변환 효율 및 수명이 길다는 장점을 가지고 있으나, 실리콘의 순도를 높이기 위해 고가의 공정이 요구된다.
이에 따라 저가의 제조공정을 사용하면서도 광전변환 효율이 우수한 태양전지에 대한 연구가 진행되었으며, 대표적으로 염료감응형 태양전지(Dye-sensitized solar cell, DSSC)과 유기 태양전지가 개발되고 있다.
염료감응형 태양전지는 액체 전해질을 포함하기 때문에 장시간 노출될 경우 광전변환 효율이 감소하는 단점이 있다. 유기 태양전지는 유기 재료의 용이한 가공성과 다양성, 낮은 단가로 저가의 제조 공정이 가능하나, 전도성 고분자가 수분과 산소에 취약하며 광전변환 효율 또한 10%로 상용화가 어려운 실정이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 액체 전해질이 아닌 고체의 광활성층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지가 연구되었다. 페로브스카이트 태양전지는 용액 공정을 통해 제조 단가를 낮추고 박막 형태의 광활성층을 제조할 수 있는 가장 큰 장점을 가지고 있다. 현재까지 개발된 페로브스카이트 태양전지 중 가장 높은 광전변환 효율은 20% 이상으로 매우 높은 수치를 나타내고 있다.
이러한 장점에도 불구하고, 페로브스카이트 태양전지의 광활성층은 대기중의 수분이나 산소 등에 노출될 경우, 태양전지의 특성이 열화되는 문제점이 있다. 이에 따라, 페로브스카이트 태양전지의 광전변환 효율 등 태양전지의 고유 물성의 저하를 방지 또는 최소화하면서도 내구성을 향상시킬 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 산소, 수분 안정성이 향상된 태양전지를 제공하는데 목적이 있다. 구체적으로는 고유물성의 저해를 방지 또는 최소화하면서도 내구성이 향상된 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 내구성이 향상된 태양전지의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 내구성이 향상된 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 내구성이 향상된 태양전지는 페로브스카이트계 성분을 포함하는 광활성층을 구비한 광전변환부; 및 상기 광전변환부의 일부 또는 전부를 덮도록 형성된 보호부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 보호부는 상기 광전변환부 일면 전체 면적의 40 내지 75%를 덮도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 보호부는 소수성 탄소계 성분을 포함할 수 있다.
또한, 상기 소수성 탄소계 성분은 할로겐 원소가 결합된 그래핀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광전변환부는 상기 광활성층 상부에 배치된 전자추출층을 더 포함할 수 있고, 상기 광활성층 하부에 배치된 정공추출층을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 내구성이 향상된 태양전지 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 내구성이 향상된 태양전지 제조방법은 (1) 광활성층을 포함하는 광전변환부를 제조하는 단계; 및 (2) 상기 광활성층의 적어도 일면상에 보호부를 형성시키는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (2) 단계는 (2-1) 소수성 탄소계 성분을 포함하는 보호부 형성 용액을 제조하는 단계; 및 (2-2) 상기 보호부 형성 용액을 상기 광활성층 상에 처리하여 보호부를 형성시키는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 보호부 형성 용액은 상기 소수성 탄소계 성분을 3 내지 7mg/ml의 농도로 포함할 수 있다.
또한, 상기 (2-2) 단계는 상기 보호부 형성 용액을 2000 내지 4000rpm의 회전속도로 1 내지 60초간 상기 광활성층 상에 스핀코팅 하여 수행할 수 있다.
본 발명에 의하면, 대기중의 수분이나 산소 등에 대한 내구성이 향상된 태양전지를 제공할 수 있다. 또한, 광전변환효율 등과 같은 태양전지의 고유 물성의 저하를 방지 또는 최소화하면서도 내구성이 향상된 태양전지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4를 통해 제조된 광활성층의 흡광도 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4를 통해 제조된 광활성층의 접촉각을 물방울을 떨어뜨린 시점으로부터 (a) 5초 후, (b) 30초 후, (c) 60초 후에 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4를 통해 제조된 광활성층의 흡광도를 (a) 제조 직후, (b) 10일 후, (c) 30일 후에 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4를 통해 제조된 태양전지의 (a) 초기, (b) 상대습도 50% 조건에서 30일 간 노출시켰을 때의 모습을 찍은 사진이다.
도 6(a)는 본 발명의 비교예 1을 통해 제조된 광전변환부의 표면을 나타낸 것이다.
도 6(b) 내지 도 6(d)는 본발명의 실시예 1 내지 실시예 3을 통해 제조된 보호부가 구비된 광전변환부의 표면을 나타낸 것이다.
도 7(a)는 본 발명의 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4를 통해 제조된 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7(b)는 본 발명의 비교예 1, 실시예 1 내지 실시예 3을 통해 제조된 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8(a)는 본 발명의 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4를 통해 제조된 태양전지의 정규화된 광전변환 효율(Normalized power conversion efficiency, NPCE)을 상대습도 50% 조건의 환경에 노출된 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 8(b)는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3을 통해 제조된 태양전지의 정규화된 광전변환 효율(Normalized power conversion efficiency, NPCE)을 상대습도 50% 조건의 환경에 노출된 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4를 통해 제조된 광활성층의 흡광도 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4를 통해 제조된 광활성층의 접촉각을 물방울을 떨어뜨린 시점으로부터 (a) 5초 후, (b) 30초 후, (c) 60초 후에 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4를 통해 제조된 광활성층의 흡광도를 (a) 제조 직후, (b) 10일 후, (c) 30일 후에 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4를 통해 제조된 태양전지의 (a) 초기, (b) 상대습도 50% 조건에서 30일 간 노출시켰을 때의 모습을 찍은 사진이다.
도 6(a)는 본 발명의 비교예 1을 통해 제조된 광전변환부의 표면을 나타낸 것이다.
도 6(b) 내지 도 6(d)는 본발명의 실시예 1 내지 실시예 3을 통해 제조된 보호부가 구비된 광전변환부의 표면을 나타낸 것이다.
도 7(a)는 본 발명의 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4를 통해 제조된 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7(b)는 본 발명의 비교예 1, 실시예 1 내지 실시예 3을 통해 제조된 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8(a)는 본 발명의 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4를 통해 제조된 태양전지의 정규화된 광전변환 효율(Normalized power conversion efficiency, NPCE)을 상대습도 50% 조건의 환경에 노출된 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 8(b)는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3을 통해 제조된 태양전지의 정규화된 광전변환 효율(Normalized power conversion efficiency, NPCE)을 상대습도 50% 조건의 환경에 노출된 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
태양전지내 광활성층은 전자와 정공을 분리시켜 전류를 만들어내는 광전변환층의 역할로써, 페로브스카이트계 성분은 용액의 도포 및 건조라는 간단한 공정을 통해 광활성층을 형성할 수 있는 장점이 있고, 전자와 정공 모두에 대한 전도도가 우수하다. 그러나, 낮은 생산단가와 높은 광전변환 효율에도 불구하고, 페로브스카이트 태양전지가 상용화되기 위해서는 광활성층이 대기중의 수분에 노출되는 환경에서 열화되는 문제점을 개선할 필요가 있다. 이에 본 발명에서는 광활성층의 열화를 방지하는 보호부를 포함하는 태양전지를 제공함으로써 상술한 문제의 해결을 모색하였다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지(100)는 페로브스카이트계 성분의 광활성층(132)을 포함하는 광전변환부(130) 및 상기 광전변환부(130)의 적어도 일면상에 구비되는 보호부(140)를 포함한다.
상기 광전변환부(130)에 대해 설명하면, 상기 광전변환부(130)는 광활성층(132)를 구비한다. 상기 광활성층(132)은 페로브스카이트계 성분을 포함한다.
상기 페로브스카이트계 성분은 반도체, 부도체 및 초전도 현상을 나타내는 물질이다. 이러한 페로브스카이트계 성분을 광활성층(132)으로 사용할 경우, 흡광계수가 높아 우수한 집광효과를 나타내기 때문에 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로 상기 페로브스카이트계 성분은 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 공지된 페로브스카이트계 성분을 제한없이 사용할 수 있고, 일예로, CH3NH3PbI3일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 광전변환부(130)는 상기 광활성층(132) 상부에 배치된 전자추출층(133)을 더 포함할 수 있고, 상기 광활성층(132) 하부에 배치된 정공추출층(131)을 더 포함할 수 있다.
상기 정공추출층(131)은 상기 광활성층(132)에서 분리된 정공이 제 1전극(120)으로 수송되는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 정공추출층(131)은 페브로스카이트계의 광활성층과 태양전지를 형성하는 공지된 정공추출층의 경우 제한없이 사용될 수 있고, 일예로 폴리아닐린/폴리(4-스티렌설포네이트)(PANI/PSS), 폴리아닐린/캠퍼술폰산(PANI/CSA), 폴리아닐린/도데실벤젠술폰산(PANI/DBSA) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(4-스티렌설포네이트)(PEDOT/PSS)로 이루어진 군에서 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 전자추출층(133)은 상기 광활성층(132)에서 생성된 전자를 제2전극(150)에 효율적으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 전자추출층(133)은 페로브스카이트계 성분의 광활성층과 태양전지를 형성하는 공지된 전자추출층의 경우 제한없이 사용될 수 있고, 일예로 PC61BM((6,6)-phenyl-C61-butyric acid-methylester) 일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 보호부(140)는 상기 광전변환부(130) 일부 또는 전부를 덮도록 형성될 수 있으며, 바람직하게는 상기 보호부(140)는 상기 전자추출층(133) 상에 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 보호부(140)를 상기 전자추출층(133) 일면 전체 면적의 40 내지 75%를 덮도록 형성할 수 있다. 더욱 더 바람직하게는 보호부(140)를 상기 전자추출층(133) 일면 전체 면적의 50 내지 65%를 덮도록 형성할 수 있다. 만일, 상기 보호부(140)가 전자추출층(133)의 일면 전체면적의 40% 미만을 덮도록 구비되는 경우 태양전지의 내구성이 저하되는 우려가 있고, 75%를 초과하여 덮도록 형성되는 경우 태양전지의 광전변환효율이 저하되는 우려가 있을 수 있다.
상기 보호부(140)는 소수성 탄소계 성분을 포함할 수 있다. 상세하게는 상기 소수성 탄소계 성분은 할로겐 원소가 결합된 그래핀을 포함할 수 있다.
상기 할로겐 원소가 결합된 그래핀은 볼밀링법을 수행하여 제조할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지(100)는 제1전극(120)및 제2전극(150)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1전극(120)은 광전변환부(130) 상부에 배치될 수 있고, 상기 제2전극(150)은 상기 광전변환부(130) 하부에 배치될 수 있다.
상기 제1전극(120)은 태양전지의 양극으로써, 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 공지된 양극을 제한없이 사용할 수 있고, 투명 전도성 산화물 또는 전도성 고분자로 형성된 것을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 투명 전도성 산화물은, 예를 들어, 인듐 주석 산화물(ITO), 불소 도핑 산화 주석(FTO), 인듐 아연 산화물(IZO)일 수 있다. 또한, 상기 전도성 고분자는, 예를 들어, 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아닐린/캠퍼술폰산(PANI/CSA), 폴리아닐린/도데실술폰산(PANI/DBSA), 폴리아닐린/폴리(4-스티렌설포네이트)(PANI/PSS) 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(4-스티렌설포네이트)(PEDOT/PSS)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제 2전극(150)은 상기 광전변환부(130)에서 생성된 전자를 수집하는 음극 역할을 수행하는 것으로, 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 공지된 음극을 제한없이 사용할 수 있고, 일예로 알루미늄을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지는 후술하는 제조방법으로 제조될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지는 (1) 광활성층을 포함하는 광전변환부를 제조하는 단계; 및 (2) 상기 광전변환부의 적어도 일면상에 보호부를 형성시키는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
본 발명의 상기 (1) 단계를 수행하기에 앞서 기판(110) 상에 제1전극(120)을 형성하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 기판은 투명성을 갖는 기판을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 유리, 석영 또는 투명 유기물 기판을 포함할 수 있다.
상기 기판 상에 상기 제1전극을 형성하는 방법은 태양전지의 양극을 형성하는 공지된 방법을 제한없이 사용할 수 있고, 일예로 공열 기상증착(thermal evaporation)법, 전자빔 증착(electron beam evaporation)법 또는 스퍼터링(sputtering)법을 이용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 형성된 제1전극의 두께는 100 내지 200 nm일 수 있다.
다음으로, 상기 제1전극(120) 상에 본 발명에 따른 (1) 단계로써, 광활성층을 포함하는 광전변환부를 형성하는 단계를 수행한다.
상기 광전변환부는 광활성층을 형성시키는 단계를 포함하며, 바람직하게는 정공추출층, 전자수송층의 형성단계를 더 포함할 수 있고, 구체적으로 (1) 단계는 제1전극상에 순차적으로 정공추출층, 광활성층 및 전자수송층을 형성하도록 수행될 수 있다. 상기 제 1전극(120) 상에 상기 정공추출층(131)을 형성하는 단계는, 딥 코팅(dip coating)법, 스핀 코팅(spin coating)법, 스프레이 코팅(spray coating)법, 바 코팅(bar coating)법, 닥터블레이드(doctor blade)법, 잉크젯 프린팅(inkjet printing)법 및 스크린 프린팅(screen printing)법 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 방법을 이용할 수 있다. 형성된 정공추출층의 두께는 50 내지 100 nm일 수 있다.
다음으로, 상기 정공추출층(131) 상에 광활성층(132)을 형성하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 광활성층(132)은 페로브스카이트계 성분을 용매에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계 및 상기 전구체 용액을 상기 정공추출층 상에 처리한 후, 건조시켜 광활성층(132)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 용매는 페로브스카이트 태양전지의 광활성층 제조에 사용되는 공지된 용매를 제한없이 사용할 수 있고, 일예로 디메틸포름아미드(Dimethylformamide)일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 전구체 용액은 상기 용매 100 중량부에 대하여 페로브스카이트계 성분이 60 내지 70 중량부로 포함될 수 있다. 형성된 광활성층의 두께는 200 내지 700 nm일 수 있다.
다음으로, 상기 광활성층(132) 상에 전자추출층(133)을 형성할 수 있다. 상기 전자추출층(133)은 플러렌 유도체를 용매에 용해시켜 용액을 제조하는 단계 및 상기 용액을 상기 광활성층 상에 처리하여 상기 전자추출층(133)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 플러렌 유도체는 페로브스카이트 태양전지의 전자추출층에 사용되는 공지된 플러렌 유도체를 제한없이 사용할 수 있고, 일예로 PC61BM일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 용매는 플러렌 유도체를 용해시킬 수 있는 공지된 용매를 제한없이 사용할 수 있고, 일예로 클로로벤젠(chlorobenzene) 또는 클로로폼(chloroform)일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 형성된 전자추출층의 두께는 50 내지 300 nm일 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 (2) 단계로써, 상기 (1) 단계에서 제조된 광전변환부의 적어도 일면 상에 보호부를 형성하는 단계를 수행한다.
상기 (2) 단계는 (2-1) 소수성 탄소계 성분을 포함하는 보호부 형성 용액을 제조하는 단계; 및 (2-2) 상기 보호부 형성 용액을 상기 광전변환부(130) 상에 처리하여 보호부(140)를 형성시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (2-1) 단계의 보호부 형성 용액은 상기 소수성 탄소계 성분을 3 내지 7mg/ml의 농도로 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 소수성 탄소계 성분을 4.5 내지 5.5mg/ml의 농도로 포함할 수 있다. 만일, 상기 소수성 탄소계 성분의 농도가 3mg/ml 미만일 경우 상기 보호부(140)의 소수성이 저하되는 우려가 있고, 7mg/ml를 초과하는 경우 태양전지의 광전변환효율이 저하되는 우려가 있을 수 있다.
상기 (2-2) 단계는 상기 보호부 형성 용액을 2000 내지 4000rpm의 회전속도로 1 내지 60초간 상기 광전변환부(130) 상에 스핀코팅하여 수행할 수 있다. 만일, 상기 회전속도가 2000rpm 미만 또는 4000rpm을 초과하는 경우 상기 보호부(140)의 두께가 불균일해질 우려가 있다.
상기 보호부(140)는 전류 밀도 및 광전변환효율의 저하를 유발하지 않으면서 내구성을 갖도록 상기 광전변환부(130) 일면 전체 면적의 30 내지 60%을 덮을 수 있다. 만일, 상기 보호부(140)가 상기 광전변환부(130) 일면 전체 면적의 30% 미만으로 형성될 경우 태양전지의 내구성이 저하되는 우려가 있고, 70%를 초과하는 경우 태양전지의 광전변환효율이 저하되는 우려가 있을 수 있다.
다음으로, 상기 보호부(140) 상에 제2전극(150)을 형성할 수 있다. 상기 제2전극은 태양전지의 음극을 형성하는 공지된 방법을 제한없이 사용할 수 있으며, 일예로 열증착법을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 형성된 제2전극의 두께는 60 내지 200 nm일 수 있다.
상술한 제조방법을 통해 제조된 본 발명의 내구성이 향상된 태양전지(100)는 소수성 탄소계 성분을 포함한 보호부(140)를 광전변환부(130) 상부에 구비하고 있으며, 광전변환효율 등 태양전지의 고유 물성의 저하를 방지 또는 최소화하면서도 내구성이 향상된 태양전지를 제공할 수 있다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예1>
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 제조하였다.
먼저 ITO 기판(ITO가 코팅된 유리 기판)을 준비한 후, ITO 상에 PEDOT:PSS 용액(CLEVIOS™ PVP Al 4083, Heraeus)을 4000rpm의 속도로 40초 동안 스핀 코팅한 후 150 ℃에서 15분 동안 열처리하여 정공추출층을 형성하였다. 제조된 정공추출층의 두께는 50 nm이었다.
CH3NH2(40 중량% 수용액) 30ml와 HI(57중량% 수용액) 30ml을 혼합한 후 0 ℃에서 2시간 동안 교반한 후, 60 ℃ 및 진공분위기에서 혼합용액의 침전물을 얻었다. 상기 침전물을 에탄올 및 다이에틸에테르에 용해시키고, 60 ℃ 및 진공분위기에서 24시간 동안 건조하여 Methylammonium iodide(MAI)를 얻었다. MAI와 PbI2를 1:1의 몰비로 dimethylformamide(DMF) 용매에 40중량%로 용해시켜 CH3NH3PbI3(MAPbI3) 전구체 용액을 제조하였다.
상기 정공추출층 상에 상기 MAPbI3 전구체 용액을 2500rpm의 속도로 30초 동안 스핀코팅하고, 100 ℃에서 10분 동안 건조하여 광활성층을 형성하였다. 제조된 광활성층의 두께는 500 nm이었다.
상기 광활성층 상에 1:1의 부피비로 혼합된 클로로벤젠과 클로로폼 용매에 25mg/ml의 농도로 PC61BM을 용해시킨 용액을 2000rpm의 속도로 30초간 스핀코팅하여 전자추출층을 형성하여 광전변환부를 제조하였다. 제조된 전자추출층의 두께는 70 nm 이었다.
상기 광전변환부 상에 할로겐화 그래핀을 1mg/ml의 농도로 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)에 용해시킨 용액을 2000rpm의 속도로 30초간 스핀코팅하여 보호부를 형성하고, 그 위에 100nm 두께의 알루미늄을 진공열증착시켜 음전극을 형성함으로써, 태양전지를 제작하였다. 제조된 태양전지에서 보호부는 광활성층 일면 전체 면적의 29%를 덮도록 형성되었다.
<실시예2>
상기 할로겐화 그래핀 용액의 농도를 5mg/ml으로 한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다. 제조된 태양전지에서 보호부는 광활성층 일면 전체 면적의 58%를 덮도록 형성되었다.
<실시예3>
상기 할로겐화 그래핀 용액의 농도를 10mg/ml으로 한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다. 제조된 태양전지에서 보호부는 광활성층 일면 전체 면적의 91%를 덮도록 형성되었다.
<실시예4>
광전변환부 상에 보호부로 OH기를 도핑한 그래핀을 사용하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법을 이용하여 태양전지를 제작하였다.
<비교예1>
광전변환부 상에 보호부를 형성하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 태양전지를 제작하였다.
<실험예1> XPS 측정
비교예 1의 광전변환부 및 실시예 2의 보호부를 구비하는 광전변환부의 조성을 X선 광전자 분광기(X-ray Photoelectron Spectroscopy, ESCALAB 250XI, Thermo Fisher Scientific)를 통하여 분석하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
구체적으로 도 2를 참조하면, 실시예 2의 보호부를 구비하는 광전변환부는 F 1s 궤도에 상응하는 피크를 나타내며 이를 통해 광전변환부 상에 할로겐화 그래핀이 존재함을 알 수 있다.
<실험예2> 접촉각 측정
비교예 1의 광전변환부, 실시예 2 및 실시예 4의 보호부를 구비하는 광전변환부의 물 접촉각을 접촉각계(DSA100, KRUSS)를 통하여 상온에서 시간에 따라 측정하였으며, 그 결과를 도 3 및 하기 표1에 나타내었다. 이때 시간은 (a) 5초; (b) 30초; (c) 60초 이다.
구체적으로 보호부를 구비하지 않은 비교예 1보다 보호부를 구비하는 실시예 4 및 실시예 2의 접촉각이 높게 측정되었으며, OH기를 도핑한 그래핀을 보호부로 사용하는 실시예 4보다 할로겐화 그래핀을 보호부로 사용하는 실시예 2의 접촉각이 더 높게 측정되었다. 이를 통해 할로겐화 그래핀을 보호부로 사용한 실시예 2의 광전변환부는 상대적으로 우수한 소수성을 갖는 것을 알 수 있다.
| 접촉각(°) | |||
| 시간 | 5초 | 30초 | 60초 |
| 비교예1 | 30.2 | 25.6 | 22.4 |
| 실시예4 | 38.1 | 18.6 | 16.5 |
| 실시예2 | 65.5 | 62.8 | 58.6 |
<실험예3> 시간에 따른 광활성층의 흡광도 및 모습 분석
30일 동안 상대습도 50%의 대기 중에 방치하였을 때, 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4의 광전변환부의 흡광도를 흡광도측정장치(Cary-5000, Varian)를 통하여 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 구체적으로 비교예 1 및 실시예 4의 광전변환부를 30일 동안 상대습도 50%의 대기 중에 방치할 경우, 근적외선 영역의 흡광 특성이 감소하는 것을 알 수 있으며, 이는 페로브스카이트계 성분을 포함하는 광활성층이 수분에 의해 열화 되었기 때문이다. 실시예 2의 광전변환부는 30일동안 상대습도 50%의 대기 중에 방치하여도 근적외선 영역의 흡광 특성이 유지되는 것을 알 수 있었으며, 이는 할로겐화 그래핀이 광활성층의 열화를 방지하였기 때문이라고 판단된다.
30일 동안 상대습도 50%의 대기 중에 방치하였을 때, 비교예 1, 실시예 2 및 실시예 4의 광전변환부의 색변화를 사진을 도 5에 나타내었다.
비교예 1의 광전변환부는 상대습도 50% 대기 중에 30일 동안 방치하였을 때, 완전히 노란색으로 변하였으며, 실시예 4의 광전변환부 또한 대부분 노란색으로 변하였다. 반면에 실시예 2의 광전변환부는 상대적으로 거의 변하지 않았으며 이를 통해 실시예 2의 광전변화부는 상대적으로 우수한 수분 안정성을 갖는다고 판단된다.
<실험예4> SEM 촬영 및 보호부의 면적 계산
비교예 1, 실시예 1 내지 실시예 3의 광전변환부의 표면을 전자주사현미경(S-4800, Hitachi)을 통해 촬영하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
구체적으로 실시예 1 내지 실시예 3의 광전변환부를 덮는 보호부의 면적은 각각 29%, 58%, 91% 이며, 이를 통해 보호부 형성 용액 내 할로겐화 그래핀의 농도가 증가할수록 광전변환부를 덮는 보호부의 면적이 증가함을 알 수 있다.
상기 보호부의 면적은 임의의 3 구역에서 전체 면적 대비 보호부가 차지하는 면적의 비율의 평균값으로 구하였다.
<실험예5> 전압-전류 밀도 특성 평가
비교예 1 및 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 태양전지의 전압-전류 밀도 특성은 100mW/cm2의 광을 조사하는 솔라 시뮬레이터(Air Mass 1.5 Global solar simulator)를 통하여 측정되었으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
또한, 비교예 1 및 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 태양전지의 단락 전류(JSC), 개방 전압(VOC), 필 팩터(FF), 광전변환 효율(PCE)(%)을 계산하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
먼저 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 태양전지의 광전변환효율을 통해 보호부 형성 용액 내 할로겐화 그래핀의 농도의 영향을 살펴보면, 실시예 3에 따른 태양전지의 광전변환효율은 11.6%로 보호부를 구비하지 않은 비교예 1에 따른 태양전지의 14.7%보다 낮은 광전변환효율을 나타낸다. 반면에 실시예 1 및 실시예 2에 따른 태양전지의 광전변환효율은 비교예 1에 따른 태양전지의 광전변환효율과 0.2 내지 0.4%의 차이를 나타내고 있다. 이를 통해 보호부 형성 용액 내 할로겐화 그래핀의 농도가 과도하게 높을 경우 태양전지의 특성이 저하되는 것을 알 수 있다.
또한, OH기를 도핑한 그래핀을 보호부로 사용하는 실시예 4보다 할로겐화 그래핀을 보호부로 사용하는 실시예 1 및 실시예 2의 광전변환효율이 더 우수하였다.
| JSC(mA/cm2) | VOC(V) | FF | PCE(%) | |
| 비교예1 | 19.1 | 0.98 | 0.78 | 14.7 |
| 실시예4 | 18.1 | 0.98 | 0.78 | 13.0 |
| 실시예1 | 18.6 | 0.98 | 0.78 | 14.5 |
| 실시예2 | 18.5 | 0.98 | 0.78 | 14.3 |
| 실시예3 | 17.1 | 0.96 | 0.70 | 11.6 |
<실험예6> 태양전지의 수분 안정성 평가
30일 동안 상대습도 50%의 대기 중에서 실험예 5와 동일한 측정 장비를 통해 비교예 1 및 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 태양전지의 정규화된 광전변환효율(Normalized power conversion efficiency, NPCE)을 하기 계산식 1을 통해 계산하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
<계산식 1>
NPCE = 시간에 따른 PCE/초기 PCE
먼저 도8(a)를 참조하여 설명하면, 비교예 1 및 실시예 4에 따른 태양전지는 상대습도 50%의 대기 중에 노출되었을 때, NPCE가 급격하게 감소하는 반면에 실시예 2에 따른 태양전지는 상대적으로 느리게 감소하는 것을 알 수 있다. 이를 통해 할로겐화 그래핀을 보호부로 사용할 경우, 태양전지의 수분에 대한 안정성이 향상될 수 있음을 알 수 있다. 다음으로 도8(b)를 참조하여 설명하면, 실시예 1에 따른 태양전지의 NPCE는 시간이 지남에 따라 점차 감소하였으며, 30일 후의 NPCE는 0.6 수준이다. 30일 후의 실시예 2에 따른 태양전지의 NPCE는 0.8 수준이며 실시예 1보다 수분 안정성이 개선되었음을 확인할 수 있다. 30일 후의 실시예 3에 따른 태양전지의 NPCE는 0.9 수준이며 실시예 1 및 실시예 2보다 더 수분 안정성이 개선되었음을 알 수 있다.
다만, 실시예 3에 따른 태양전지의 PCE가 11.6%로 실시예 2에 따른 태양전지의 PCE인 14.3%보다 낮기 때문에 수분 안정성과 태양전지의 성능 모두를 고려한다면, 실시예 2에 따른 태양전지가 바람직할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100: 태양전지
110: 기판
120: 제1전극
130: 광전변환부
131: 정공추출층
132: 광활성층
133: 전자추출층
140: 보호부
150: 제2전극
110: 기판
120: 제1전극
130: 광전변환부
131: 정공추출층
132: 광활성층
133: 전자추출층
140: 보호부
150: 제2전극
Claims (10)
- 정공추출층, 상기 정공추출층 상에 형성된 페로브스카이트계 성분을 포함하는 광활성층 및 상기 광활성층 상에 형성된 전자추출층을 포함하는 광전변환부; 및
상기 광전변환부의 적어도 일면상에 할로겐 원소가 결합된 그래핀으로 형성되고 상기 광전변환부 일면 전체 면적의 40 내지 75%를 덮도록 구비되는 보호부;
를 포함하는 내구성이 향상된 태양전지.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- (1) 정공추출층, 상기 정공추출층 상에 형성된 광활성층 및 상기 광활성층 상에 형성된 전자추출층을 포함하는 광전변환부를 제조하는 단계; 및
(2) 상기 광전변환부의 적어도 일면상에 할로겐 원소가 결합된 그래핀을 3 내지 7mg/ml의 농도로 포함하는 보호부 형성 용액을 처리하여 보호부를 형성시키는 단계;
를 포함하는 내구성이 향상된 태양전지 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 (2) 단계는 상기 보호부 형성 용액을 2000 내지 4000rpm의 회전속도로 1 내지 60초간 상기 광전변환부 상에 스핀코팅 하여 수행하는 내구성이 향상된 태양전지 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170078799A KR101890595B1 (ko) | 2017-06-21 | 2017-06-21 | 내구성이 향상된 태양전지 및 이의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR101890595B1 true KR101890595B1 (ko) | 2018-08-22 |
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ID=63453061
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| KR (1) | KR101890595B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101571528B1 (ko) | 2014-07-01 | 2015-11-25 | 한국화학연구원 | 광전변환효율이 향상된 페로브스카이트 태양전지 및 페로브스카이트 태양전지의 제조방법 |
| CN105449104A (zh) * | 2015-12-10 | 2016-03-30 | 东华大学 | 一种在空气环境中性能稳定的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 |
| KR20160118847A (ko) * | 2015-04-03 | 2016-10-12 | 한국과학기술연구원 | 무기 나노물질 기반 소수성 전하 수송체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지 |
| JP2017135379A (ja) * | 2016-01-21 | 2017-08-03 | 株式会社東芝 | 透明電極、電子デバイス、および電子デバイスの製造方法 |
-
2017
- 2017-06-21 KR KR1020170078799A patent/KR101890595B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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