KR102014645B1 - 유무기 복합 광활성 물질, 상기 광활성 물질을 적용한 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신규한 유무기 복합 광활성물질, 상기 유무기 복합 광활성물질을 적용한 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 결정성의 화학식 1 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimethylsulfoxonium lead triiodide)를 포함한 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 유무기 복합 광활성물질 및 이를 적용한 태양전지는 수분, UV, 열, 산소 등의 환경에 노출시 취약한 특성을 보이는 종래 결정성 광활성층 물질의 취약한 내구성을 비약적으로 개선하였다.
Description
본 발명은 신규한 유무기 복합 광활성 물질, 상기 유무기 복합 광활성물질을 적용한 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하기 화학식 1의 결정성 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimethylsulfoxonium lead triiodide) 유무기 복합 광활성물질, 상기 화학식 1의 유무기 복합 광활성물질을 포함한 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
[화학식 1]
염료감응형 태양전지(dye-sensitized photovoltaic cell)는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 광전기화학 태양전지로 대표되는 것으로서, 일반적으로 가시광선을 흡수하는 감광성 염료, 넓은 밴드갭 에너지를 갖는 금속산화물 나노입자, 촉매작용을 하는 상대전극(counter electrode), 그리고 그 사이에 채워진 전해질로 구성되어 있다. 염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지나 화합물 반도체 태양전지에 비해 그 제작비용이 저렴하고, 유기 태양전지에 비하여 그 효율이 높으며 이 외에도 친환경적이고 투명화가 가능하다는 장점을 가진다. 현재까지 보고된 액체형 염료감응태양전지의 최고 효율은 약 20년 동안 11-12%에 머물고 있다. 액체형 염료감응태양전지의 효율은 상대적으로 높아 상용화 가능성이 있으나, 휘발성 액체 전해질에 의한 시간에 따른 안정성 문제와 고가의 루테늄(Ru)계 염료 사용에 의한 저가화에도 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 휘발성 액체 전해질 대신에 이온성 용매를 이용한 비휘발성 전해질 사용, 고분자 젤형 전해질 사용 및 저가의 순수 유기물 염료 사용 등이 연구되고 있으나, 휘발성 액체 전해질과 루테늄계 염료를 이용한 염료감응태양전지에 비하여 효율이 낮은 문제가 있다.
한편, 최근 페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양전지로서 고효율 저비용 용액공정이 가능하다는 큰 장점을 갖는다. 단일 소자의 전력 변환 효율이 15% 이상 될 정도이며 단가 또한 매우 저렴하다. 또한 저온공정의 태양전지도 개발되고 있어서 유연한 기판 위의 유연한 태양전지 제작이 가능하다. 일반적인 페로브스카이트 태양전지의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 기판(101)/ 투명 전극층(102)/ 고밀도 무기산화물층(103)/ 다공성 무기산화물층(104)/ 광활성층(106)/ 정공전달층(107)/ 금속 전극층(108)으로 구성되며, 상기 투명전극층(102)은 낮은 일함수를 갖는 ITO (Indium Tin Oxide) 또는 FTO(Fluorine doped Tin Oxide)를, 높은 일함수를 갖는 Au 또는 Ag 등을 금속 전극 (108, 양극) 물질로 사용한다. 광활성층 (106)은 페로브스카이트 구조를 갖는 결정성 광흡수제로 구성되어 있다. 상기 광활성층 구조의 화합물로 일반적으로 사용되는 CH3NH3PbI3의 경우 수분, UV, 열, 산소에 의해 분해가 되어 안정성이 떨어지게 된다. 아래 스킴 1(SCHEME 1)은 종래 광활성층 구조 물질인 CH3NH3PbI3의 분해 메카니즘을 나타낸 것이다.
[SCHEME 1]
따라서, 상기 페로브스카이트 화합물의 단점을 보완하기 위한 노력이 있어왔다. 대한민국 특허 제1608281호에는 산화 리튬(Li2O), 산화 나트륨(Na2O), 산화 바륨(BaO), 산화 칼슘(CaO) 및 산화 마그네슘(MgO)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 흡습제 금속 산화물 나노 분말과, 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지용 광흡수물을 포함한 페로브스카이트 태양전지가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 공개특허공보 제 10-2016-0069460 호에는 하기 화학식 2 또는 화학식 3으로 표시되는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물을 적용한 페로브스카이트 태양전지가 개시되어 있다.
[화학식 2]
AMX3
[화학식 3]
A2MX4
상기 식에서, A는 CD3-aHaN+D3-bHb이고, 여기서 a는 0 내지 3의 실수이고, b는 0 내지 3의 실수이고, 단, a가 3이고 b가 3이거나, a가 3이고 b가 0이거나, 또는 a가 0이고 b가 3인 경우는 제외하고, M은 2가의 금속 이온이고, X는 할로겐 이온이다. 또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0139604호에는 기판 상에 순차 적층 된 투명 전극, 전자 추출 층, 광 활성 층, 정공 이동 층 및 금속 전극 층을 포함하고, 완성된 소자는 플루오르 원소로 이루어진 Cyclic Transparency Optical Polymer(CYTOP) 을 봉지 층으로 사용하여 기밀성을 높이는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 전술한 문헌들에 개시된 방법은 근본적인 해결책이 되지 못하여 한계를 가질 수 밖에 없다. 종래 페로브스카이트 태양전지에 있어 페로브스카이트 화합물의 구조적 불안정으로 인한 내구성 저하는 피할 수 없는 것으로 알려져 있다. 특히, 자외선 및 열은 태양전지라는 물품에 있어 필수적으로 발생할 수 밖에 없고 이를 회피할 수단이 없는 것이어서 CH3NH3PbI3의 화학식을 갖는 페로브스카이트의 사용은 내구성 및 효율에 문제가 있다. 따라서, 신규한 광활성층 물질의 개발도 있어 왔다. 일예가 Sn계 페로브스카이트 물질이다. 2014년, 미국 노스웨스턴 대학의 Kanatzidis 교수는 MASnI3 소재 기반의 태양전지를 개발하여 5.7%의 효율을 발표하기도 하였다. 그러나, Sn 소재는 산소에 의해 쉽게 Sn2+에서 Sn4+로 산화되어 페로브스카이트 구조의 전하 중성(charge neutrality)을 파괴하고 태양전지 소자의 급격한 효율 감소를 초래한다. 이러한 소재 특성으로 인해 소자 제작에 있어 산소가 배제된 질소 환경의 글로브박스에서 진행되지만 산소에 매우 민감하여 소자의 재현성이 저하되고 소자 제작 후 12시간 만에 초기 효율의 약 80% 정도 감소하는 결과도 보고된 바 있다. 대한민국 특허 제1753643호에는 하기 화학식 4를 만족하는 화합물, 하기 화학식 5를 만족하는 할로겐화 주석, SnF2, 루이스 염기 화합물 및 용매를 포함하는 페로브스카이트 전구체 용액을 기재 상에 도포하고 열처리하여 SnF2와 루이스 염기 화합물의 착물로 도핑된 페로브스카이트층을 형성하는 단계를 포함하는 Sn계 페로브스카이트 태양전지의 제조방법이 개시되어 있다
[화학식 4]
AX
(상기 화학식 4 에서, A는 Cs+ 또는 유기양이온이며; X는 Br-, Cl- 또는 I-이다.)
[화학식 5]
SnX2
(상기 화학식 5에서, X는 Br-, Cl- 또는 I-이다.).
Sn계 페로브스카이트 물질 기반 태양전지는 납을 포함하지 않아 환경 문제의 해결에는 도움이 될 수 있어도, Pb계 페로브스카이트 물질보다 내구성이 취약하여 상용화에 어려움이 있다.
본 발명의 기술적 과제는 태양전지에 적용되는 수분, UV, 열, 산소 등의 환경에 노출시 취약한 특성을 보이는 종래 결정성 광활성층 물질의 취약한 내구성을 비약적으로 개선한 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimythylsulfoxonium lead triiodide)를 제공한다.
[화학식 1]
또한, 본 발명은 결정성의 하기 화학식 1 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimethylsulfoxonium lead triiodide)을 포함한 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지를 제공한다.
[화학식 1]
또한, 본 발명은 상기 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지가 투명 전도성 전극과, 상기 투명 전도성 전극상에 위치한 무기산화물층과, 상기 무기산화물층상에 형성된 유무기 복합 광활성층과, 상기 유무기 복합 광활성층상에 형성된 정공전달체층 및 상기 정공전달체층상에 형성된 상대전극을 포함한 구조인 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 투명 전도성전극이 FTO(SnO2:F), ITO, 금속, 금속질화물, 금속산화물, 탄소화합물 및 전도성 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 무기산화물층이 고밀도 무기산화물층 및 다공성 무기산화물층의 이중구조인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 고밀도 무기산화물층 및 다공성 무기산화물층이 각각 독립적으로 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 타이타늄산화물(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 정공전달체층이 spiro-MeOTAD (2,2',7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9'spirobifluorene), CuSCN 및 P3HT(poly(3-hexylthiophene))로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 상대전극이 금속, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물 및 전도성 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 ⅰ)기재상에 투명 전도성전극을 형성하는 단계,; ⅱ)상기 투명 전도성전극상에 무기산화물층을 형성하는 단계,; ⅲ)상기 무기산화물층상에 하기 화학식 1의 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimethylsulfoxonium lead triiodide) 유무기 복합 광활성층을 형성하는 단계,;
[화학식 1]
ⅳ)상기 유무기 복합 광활성층 상에 정공전달체층을 형성하는 단계 및; ⅴ)상기 정공전달체층상에 상대전극을 형성하는 단계를 포함한 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 유무기 복합 광활성층을 형성하는 단계가, a)상기 무기산화물층상에 PbI2를 코팅한 후 트리메틸설폭소늄 아이오다이드(trimethylsulfoxonium iodide, TMSOI) 용액에 침지하는 단계 및 b)트리메틸설폭소늄 아이오다이드(trimethylsulfoxonium iodide, TMSOI) 용액에서 꺼낸 후 건조하여 결정성의 화학식 1의 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimethylsulfoxonium lead triiodide)층으로 하는 단계를 포함한 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 투명전도성전극이 FTO, ITO, 평균 두께가 1 내지 1000nm인 금속, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물 및 전도성 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 무기산화물층이 고밀도 무기산화물층 및 다공성 무기산화물층의 이중구조인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 고밀도 및 다공성 무기산화물층이 각각 독립적으로 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 타이타늄산화물(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 정공전달체층이 spiro-MeOTAD (2,2',7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9'spirobifluorene), CuSCN 및 P3HT(poly(3-hexylthiophene))로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 상대전극이 금속, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물 및 전도성 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법을 제공한다.
본 발명의 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지는 종래 유무기 복합 광활성층 물질의 취약점인 광, 수분, 열 등에 대한 내구성을 비약적으로 향상시켜 상용화가 가능한 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
도 1은 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지의 일반적인 구조를 설명하기 위한 모식도
도 2은 본 발명에 따른 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조 방법을 설명하기 위한 공정도
도 3은 본 발명에 따른 유무기 복합 광활성물질의 합성 개요도
도 4은 본 발명에 따른 유무기 복합 광활성물질과 대비되는 유사물질들의 화학구조 모델링
도 5은 본 발명에 따른 유무기 복합 광활성물질 용액의 사진
도 6은 본 발명에 따른 유무기 복합 광합성물질의 양이온 크기
도 7은 본 발명에 따른 유무기 광활성물질의 흡광도
도 8은 본 발명에 따른 태양전지 전극의 흡광도
도 9는 본 발명에 따른 태양전지 전극의 위한 XRD 그래프
도 10은 본 발명에 따른 태양전지 전극의 위한 단면의 전자현미경 사진
도 11는 본 발명에 따른 태양전지 전극의 위한 UPS 그래프
도 12는 본 발명에 따른 태양전지 전극의 위한 XPS 그래프
도 13은 본 발명의 실시예 1 에 따른 태양전지의 전류-전압 곡선을 비교하여 도시한 그래프
도 14은 본 발명에 따른 태양전지 전극의 시간에 따른 XRD 그래프
도 15은 본 발명에 따른 태양전지의 시간에 따른 특성 그래프
도 2은 본 발명에 따른 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조 방법을 설명하기 위한 공정도
도 3은 본 발명에 따른 유무기 복합 광활성물질의 합성 개요도
도 4은 본 발명에 따른 유무기 복합 광활성물질과 대비되는 유사물질들의 화학구조 모델링
도 5은 본 발명에 따른 유무기 복합 광활성물질 용액의 사진
도 6은 본 발명에 따른 유무기 복합 광합성물질의 양이온 크기
도 7은 본 발명에 따른 유무기 광활성물질의 흡광도
도 8은 본 발명에 따른 태양전지 전극의 흡광도
도 9는 본 발명에 따른 태양전지 전극의 위한 XRD 그래프
도 10은 본 발명에 따른 태양전지 전극의 위한 단면의 전자현미경 사진
도 11는 본 발명에 따른 태양전지 전극의 위한 UPS 그래프
도 12는 본 발명에 따른 태양전지 전극의 위한 XPS 그래프
도 13은 본 발명의 실시예 1 에 따른 태양전지의 전류-전압 곡선을 비교하여 도시한 그래프
도 14은 본 발명에 따른 태양전지 전극의 시간에 따른 XRD 그래프
도 15은 본 발명에 따른 태양전지의 시간에 따른 특성 그래프
이하에서 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지의 일반적인 구조를 설명하기 위한 모식도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지의 일실시예는 투명전도성전극과, 상기 투명전도성전극상에 형성된 무기산화물층과, 상기 무기산화물층상에 형성된 유무기 복합 광활성층과, 상기 유무기 복합 광활성층상에 형성된 정공전달체층 및 상기 정공전달체층상에 형성된 상대전극을 포함한 구조를 가질 수 있다. 본 발명의 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지는 상기 유무기 복합 광활성층이 결정성의 하기 화학식 1의 물질을 포함하는데 그 특징이 있다.
[화학식 1]
본 명세서에서 '광활성물질'또는 '광활성층'의 용어는 태양광을 받아 엑시톤(exiton, 전자-정공 쌍)을 발생하는 물질 또는 상기 광활성물질로 이루어지고 광활성을 이용하기에 유의미한 두께를 갖는 층(layer)을 의미하고, '나노'는 원칙적으로 1 내지 1,000nm 범위를 의미하며 경우에 따라 마이크로미터 크기까지도 포함하는 개념일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 '고밀도'의 용어는 기공률은 10% 이하를 의미하고, '다공성'의 용어는 산화물 필름의 기공률은 20% 내지 80%, 좋게는 40 내지 60%를 의미한다
본 발명에 있어 상기 투명 전도성 전극 (TCO: transparent conducting oxide)은 FTO (F-doped SnO2: SnO2:F), ITO, 평균 두께가 1 내지 1000nm인 금속, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물, 또는 전도성 고분자를 포함하는 전도성 필름일 수 있다. 상기 금속 질화물의 예로는 IVB족 금속원소의 질화물, VB족 금속원소의 질화물, VIB족 금속원소의 질화물, 질화알루미늄, 질화갈륨, 질화인듐, 질화실리콘, 질화게르마늄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있다. 또한, 상기 금속산화물은 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 타이타늄산화물(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 바람직하게는 티타늄산화물을 사용한다. 상기 탄소화합물은 활성탄, 흑연, 카본 나노튜브, 카본블랙, 그라펜 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택될 수 있다. 상기 전도성 고분자는 PEDOT (폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))- PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린-CSA, 펜타센, 폴리아세틸렌, P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 폴리피롤, 폴리설퍼나이트라이드, 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다. 본 발명에 있어 투명전도성전극이 형성되는 기판은 용도에 따라 실리콘, 플라스틱, 종이, 세라믹, 유리 등 다양하게 바꿀 수 있으며, 태양전지의 특성상 태양광을 투과할 수 있는 재질이면 특별히 제한되지는 않는다.
본 발명의 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지는 상기 투명전도성전극상에 형성된 무기산화물층을 포함한다. 상기 무기산화물층은 일반적으로 고밀도 무기산화물층 및 다공성 무기산화물층의 이중 구조일 수 있다. 상기 고밀도 무기산화물층은 금속 입자를 포함하여, 전자 전도성이 우수하다. 그러므로, 상기 고밀도 무기산화물층에 의하여, 상기 태양전지는 낮은 내부 전위(built in potential)에서의 전자와 정공의 재결합이 억제되고, 태양전지의 전류 밀도 및 충전율(fill factor: FF)이 향상될 수 있으며, 표면 거칠기 값을 낮출 수 있다. 그러므로, 다른 층과의 계면 접합성이 높아 전자 및/또는 정공의 이동이 원활하게 될 수 있다. 상기 고밀도 무기산화물층은 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 타이타늄산화물(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고 바람직하게는 티타늄산화물을 사용한다.
상기 고밀도 무기산화물층의 두께는 50 내지 1000 나노미터 범위로 투명전도성전극상에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 고밀도 무기산화물층의 두께가 50 미만인 경우에는 전자와 정공의 재결합이 쉽게 일어나는 문제가 있고, 반면 1000 를 초과하는 경우에는 전자전달을 못하는 비전도체 특성을 나타나는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
상기 다공성 무기산화물층은 전자 및/또는 정공의 이동이 원활하게 하는 역할을 수행하며, 금속산화물 나노입자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. 상기 다공성 무기산화물층의 두께는 50내지 1000 나노미터 범위로 투명전도성전극상에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 다공성 무기산화물 나노입자는 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 타이타늄산화물(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고 바람직하게는 티타늄산화물을 사용한다.
상기 다공성 무기산화물층의 두께가 적절한 수준에서 다른 층과의 계면 접합성이 높아 전자 및/또는 정공의 이동이 원활하지만 10 미만인 경우에는 이러한 문제가 있고, 반면 1000를 초과하는 경우에는 다공성 무기산화물층이 비전도체 특성을 가지는 때문에 태양전지의 충전율(fill factor: FF)이 낮아지는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
본 발명의 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지는 상기 무기산화물층상에 형성된 결정상의 하기 화학식 1의 화합물을 포함한 유무기 복합 광활성층을 포함한다.
[화학식 1]
전술한 바와 같이, 종래 페로브스카이트 태양전지에 주로 적용되는 CH3NH3PbI3의 경우 물, 습기는 물론 태양전지에서 피할 수 없는 빛과 열에도 취약하여 상용화가 불가능한 것으로 여겨졌다. 본 발명자들은 이러한 종래 페로브스카이트 물질을 대체하여 상기 화학식 1의 신규한 유무기 복합 화합물을 결정화하여 광활성물질로 사용하는 경우 습기, 열 및 빛에 대한 장기 내구성이 강하다는 것을 발견하여 본 발명에 이르게 되었다. 특히, 본 발명에서 상기 유무기 복합 광활성층의 경우 안정성뿐 아니라 페로브스카이트 태양전지의 가장 큰 문제점인 히스테리시스(hysteresis)가 없다는 것이다. 이러한 히스테리시스는 안정적인 소자 동작에 여러 문제를 야기할 수 있다. 히스테리시스는 격자 결함, 페로브스카이트의 강유전성, 이동하는 이온 등이 원인으로 간주되고 있고 정확한 원인이 원자수준에서 규명되지는 않았지만 이러한 문제점이 적다는 것을 의미한다. 도 3 내지 도 6은 각각 본 발명에 따른 유무기 복합 광활성물질의 합성 개요도, 본 발명에 따른 유무기 복합 광활성물질과 대비되는 유사물질들의 화학구조 모델링, 본 발명에 따른 유무기 복합 활성물질 용액의 사진 및 유무기 복합 광활성물질의 양이온 크기이다.
상기 유무기 복합 광활성층의 두께는 10 내지 1000 나노미터 범위인 것이 바람직하다. 상기 유무기 복합 광활성층의 두께가 10 미만인 경우에는 빛의 받아 전자를 매우 적게 내는 문제가 있고, 반면 1000를 초과하는 경우에는 전자 전달에 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
상기 유무기 복합 광활성층은 a)상기 무기산화물층상에 PbI2를 코팅한 후 트리메틸설폭소늄 아이오다이드(trimethylsulfoxonium iodide, TMSOI) 용액에 침지하는 단계 및 b)트리메틸설폭소늄 아이오다이드(trimethylsulfoxonium iodide, TMSOI) 용액에서 꺼낸 후 건조하는 방법으로 결정형의 화학식 1의 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimethylsulfoxonium lead triiodide)층으로 하는 단계를 거쳐 제조된다. 상기 건조는 특별히 제한 것은 아니나 본 발명에서는 120 내지 150℃ 범위에서 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 건조 과정을 거친 화학식 1의 유무기 복합 광활성층은 결정성 구조를 가지며 x-선 회절분석 결과 페로브스카이트 구조임이 확인되었다.
본 발명의 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지는 상기 유무기 복합 광활성층 상에 형성된 정공전달체층을 포함한다. 정공전달체층은 정공수송층이라고도 불리우며 상기 단분자 정공전달 물질 또는 고분자 정공전달물질을 사용할 수 있으며, 그 예로는 spiro-MeOTAD (2,2',7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9'spirobifluorene), CuSCN 또는 P3HT(poly(3-hexylthiophene))를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 또한, 예를 들어, 상기 정공전달층에는 도핑 물질로서 Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트, 또는 Li 계열 도펀트 및 Co 계열 도펀트 모두가 추가 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 예를 들어, 상기 정공전달층에는 tBP 등의 첨가제가 추가 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 정공전달층을 구성하는 물질로서 spiro-MeOTAD, tBP, 및 Li-TFSI의 혼합물을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, p-type의 정공전달 물질을 사용하는 경우 spiro-MeOTAD에 비해 홀 이동성(hole mobility)이 104 정도 크기 때문에 두꺼운 필름에서도 효율적인 정공전달이 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 정공전달체층의 두께는 10 내지 1000 나노미터 범위로 투명전도성전극상에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 정공전달체층의 두께가 10 미만인 경우에는 제 2전극의 침투로 인해 전지의 쇼트 문제가 있고, 반면 1000를 초과하는 경우에는 정공의 전달이 어려워 FF가 감소하는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
상기 상대전극(counter electrode) 역시 공지의 태양전지의 상대전극을 사용할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 상대전극을 이루는 부분을 형성하기 위해서 Pt 등을 이용한 나노입자금속필름을 이용하였다. 상대전극을 이루는 상기 나노입자금속으로는 백금(Pt), 활성탄(activated carbon), 흑연(graphite), 카본 나노튜브, 카본블랙, p-형 반도체, PEDOT (폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))- PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린-CSA, 펜타센, 폴리아세틸렌, P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 폴리피롤, 폴리설퍼나이트라이드, 이들의 유도체 및 이들의 공중합체로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. 정공전달체층에서 넘어온 정공을 전달해주며 정공전달체와 에너지 레벨이 맞는 도전성 물질로 이루어져 있다. 상기 금속전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os 및 C로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택할 수 있다.
상기 금속 질화물은 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf)을 포함하는 IVB족 금속원소의 질화물; 나이오븀(Nb), 탄탈륨(Ta) 및 바나듐(V)을 포함하는 VB족 금속원소의 질화물; 크로뮴(Cr), 몰리브데늄(Mo) 및 텅스텐(W)를 포함하는 VIB족 금속원소의 질화물, 질화알루미늄, 질화갈륨, 질화인듐, 질화실리콘 및 질화게르마늄으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택할 수 있다.
상기 금속 산화물은 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZNSNO), 타이타늄산화물(TIO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물 및 티타늄(Ti)산화물로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다.
상기 탄소화합물은 활성탄, 흑연, 카본 나노튜브, 카본블랙, 그라펜으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다.
상기 전도성 고분자는 PEDOT (폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))- PSS(폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린-CSA, 펜타센, 폴리아세틸렌, P3HT(폴리(3-헥실티오펜), 폴리실록산 카르바졸, 폴리아닐린, 폴리에틸렌 옥사이드, (폴리(1-메톡시-4-(0-디스퍼스레드1)-2,5-페닐렌-비닐렌), 폴리인돌, 폴리카르바졸, 폴리피리디아진, 폴리이소티아나프탈렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리비닐피리딘, 폴리티오펜, 폴리플루오렌, 폴리피리딘, 폴리피롤, 폴리설퍼나이트라이드 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명의 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지는 ⅰ)기재상에 투명전도성 전극을 형성하는 단계,; ⅱ)상기 투명전도성 전극상에 무기산화물층을 형성하는 단계,; ⅲ)상기 무기산화물층상에 결정상의 화학식 1의 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimethylsulfoxonium lead triiodide) 유무기 복합 광활성층을 형성하는 단계.; ⅳ)상기 유무기 복합 광활성층상에 정공전달체층을 형성하는 단계 및; ⅴ)상기 정공전달체층상에 상대전극을 형성하는 단계를 포함한 방법으로 제조될 수 있다.
이하에서 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 이해하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예로 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
광전극에 사용되는 투명 전도성 기판은 fluorine doped tin oxide glass(8 Ω/Sq., Pilkington, USA)을 사용하였다. FTO glass에 유기물을 제거하기 위하여 (1)Mucasol(Sigma-Aldrich), (2)유기용매 세척, (3)UV-03표면처리 순서로 클리닝하였다. 세척이 끝난 FTO glass 위에 고밀도의 무기산화물 필름을 0.1 M Ti(IV) 비스(에틸아세토아세테이토)-디이소프로폭사이드(Aldirch 사의 제품)/1-부탄올(Aldrich 사의 제품) 용액을 사용하여을 스핀코팅 방법을 통해 die 100nm 두께로 올린 후 고온 500℃에서 소성한 한다. 그리고 TiO2 페이스트(Dyesol, 18NR-T)와 에탄올을 2:8로 섞은 후 초음파 교반기를 이용하여 고루 섞이게 교반한 후 교반한다. 그런다음 TiO2 용액을 이용하여 스핀코팅 공정을 통해 약 2500rpm에서 20초동안 코팅하여 150nm두꼐의 다공성 필름을 형성한다. 그런 다음 PbI2용액을 5000rpm(추가 기입)으로 스핀코팅 한 후 TMSOI를 물에 녹여 만든 용액에 담군 후 약 130도에서 건조를 하면 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimethylsulfoxonium lead triiodide, TMSOPbI3) 활성층 물질이 만들어진다. 그런 다음 CuSCN 용액을 닥터블레이딩 방법을 통해 필름을 형성한 후 금속 증착장비를 이용하여 골드를 증착하여 약 80nm두께의 필름을 형성한다.
[실험예 1]
실시예 1에서 제조한 태양전지에 대하여 하기와 같은 방법으로 개방전압, 광전류밀도, 에너지 변환효율(energy conversion efficiency), 및 충진계수(fill factor)를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 도 13 에는 AM 1.5G 1 Sun 조건에서 얻은 실시예 1 태양전지의 전류-전압 곡선의 그래프를 도시하였다
(1) 개방전압(V) 및 광전류밀도(㎃/㎠)
: 개방전압과 광전류 밀도는 Keithley SMU2400 을 이용하여 측정하였다.
(2) 에너지 변환효율(%) 및 충진계수(%)
: 에너지 변환효율의 측정은 1.5AM 100mW/cm2의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[200W, Polaronix K201,McScience,Korea], AM1.5 filter로 구성됨)를 이용하였고, 충진계수는 앞서 얻은 변환효율 및 하기 계산식을 이용하여 계산하였다.
[계산식]
상기 계산식에서, J는 변환효율 곡선의 Y축 값이고, V는 변환효율 곡선의 X축 값이며, Jsc및 Voc는 각 축의 절편 값이다.
| Voc (V) |
Jsc (㎃/cm2) |
FF (％) |
효율 (％) |
Area (㎠) |
|
| 실시예 1 | 0.93 | 4.42 | 54.46 | 2.23 | 0.16 |
도 13에 나타낸 바와 같이 TMSOPbI3 물질을 이용하여 태양전지를 제작하였을 경우 전압이 0.9V이상으로 잘 작동을 하는 것을 알 수 있고 전류 값이 일반적으로 사용되는MAIPbI3보다 낮지만 도면 14, 15에서 보는 것처럼 오랜 시간이 지난도 특성이 크게 변화하지 않고 안정성이 우수한 것을 알 수 있다.
앞에서 설명된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
101: 투명 유리 기판
102: 투명 전도성 전극
103: 고밀도 무기산화물 필름
104: 다공성 무기산화물 필름
105: PbI2
106: 유무기 복합 광활성층
107: 정공전달체인 물질
108: 상대전극
102: 투명 전도성 전극
103: 고밀도 무기산화물 필름
104: 다공성 무기산화물 필름
105: PbI2
106: 유무기 복합 광활성층
107: 정공전달체인 물질
108: 상대전극
Claims (15)
- 하기 화학식 1 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimethylsulfoxonium lead triiodide).
[화학식 1]
- 결정성의 하기 화학식 1 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimethylsulfoxonium lead triiodide)을 포함한 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지.
[화학식 1]
- 제2항에 있어서,
상기 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지는 투명전도성 전극과, 상기 투명전도성 전극상에 형성된 무기산화물층과, 상기 무기산화물층상에 형성된 유무기 복합 광활성층과, 상기 유무기 복합 광활성층상에 형성된 정공전달체층 및 상기 정공전달체층상에 형성된 상대전극을 포함한 구조인 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지. - 제3항에 있어서,
상기 투명 전도성 전극은 FTO, ITO, 평균 두께가 1 내지 1000nm인 금속, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물 및 전도성 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지. - 제3항에 있어서,
상기 무기산화물층은 고밀도 무기산화물층 및 다공성 무기산화물층의 이중구조인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지. - 제5항에 있어서,
상기 고밀도 및 다공성 무기산화물층은 각각 독립적으로 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 타이타늄산화물(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지. - 제3항에 있어서,
상기 정공전달체층은 spiro-MeOTAD (2,2',7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9'spirobifluorene), CuSCN 및 P3HT(poly(3-hexylthiophene))로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지. - 제3항에 있어서,
상기 상대전극은 금속, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물 및 전도성 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지. - ⅰ)기재상에 투명전도성 전극을 형성하는 단계,;
ⅱ)상기 투명전도성 전극상에 무기산화물층을 형성하는 단계,;
ⅲ)상기 무기산화물층상에 결정상의 하기 화학식 1의 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimethylsulfoxonium lead triiodide)를 포함한 유무기 복합 광활성층을 형성하는 단계,;
[화학식 1]
ⅳ)상기 유무기 복합 광활성층상에 정공전달체층을 형성하는 단계 및;
ⅴ)상기 정공전달체층상에 상대전극을 형성하는 단계를 포함한 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 유무기 복합 광활성층을 형성하는 ⅲ)단계는,
a)상기 무기산화물층상에 PbI2를 코팅한 후 트리메틸설폭소늄 아이오다이드(trimethylsulfoxonium iodide, TMSOI) 용액에 침지하는 단계 및
b)트리메틸설폭소늄 아이오다이드(trimethylsulfoxonium iodide, TMSOI) 용액에서 꺼낸 후 건조하여 결정성의 화학식 1의 트리메틸설폭소늄 리드 트리아이오다이드(trimethylsulfoxonium lead triiodide)층으로 형성하는 단계를 포함한 방법으로 제조한 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 투명 전도성 전극은 FTO, ITO, 평균 두께가 1 내지 1000nm인 금속, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물 및 전도성 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 무기산화물층은 고밀도 무기산화물층 및 다공성 무기산화물층의 이중구조인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 고밀도 및 다공성 무기산화물층은 각각 독립적으로 주석(Sn)산화물, 안티몬(Sb), 나이오븀(Nb) 또는 불소 도핑된 주석(Sn)산화물, 인듐(In)산화물, 주석 도핑된 인듐(In)산화물, 아연(Zn)산화물, 알루미늄(Al), 붕소(B), 갈륨(Ga), 수소(H), 인듐(In), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 주석(Sn) 도핑된 아연(Zn)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 캐드뮴(Cd)산화물, 마그네슘아연(MgZn)산화물, 인듐아연(InZn)산화물, 구리알루미늄(CuAl)산화물, 실버(Ag)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 아연주석산화물(ZnSnO), 타이타늄산화물(TiO2) 및 아연인듐주석(ZIS)산화물, 니켈(Ni)산화물, 로듐(Rh)산화물, 루세늄(Ru)산화물, 이리듐(Ir)산화물, 구리(Cu)산화물, 코발트(Co)산화물, 텅스텐(W)산화물, 티타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 정공전달체층은 spiro-MeOTAD (2,2',7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9'spirobifluorene), CuSCN 및 P3HT(poly(3-hexylthiophene))로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 상대전극은 금속, 금속 질화물, 금속 산화물, 탄소화합물 및 전도성 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유무기 복합 광활성층을 적용한 태양전지 제조방법.
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| KR1020180045005A KR102014645B1 (ko) | 2018-04-18 | 2018-04-18 | 유무기 복합 광활성 물질, 상기 광활성 물질을 적용한 태양전지 및 그 제조방법 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117809985A (zh) * | 2024-02-29 | 2024-04-02 | 山东恒嘉高纯铝业科技股份有限公司 | 一种含有六铝酸钙的薄膜电极及其制备方法和应用 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101608281B1 (ko) | 2014-11-14 | 2016-04-04 | 서울시립대학교 산학협력단 | 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 태양 전지용 광흡수물 및 이를 포함하는 태양 전지, 염료 감응 태양 전지, 유기 태양 전지 및 페로브스카이트 태양 전지 |
| KR20160139604A (ko) | 2015-05-28 | 2016-12-07 | 서울대학교산학협력단 | CYTOP을 이용한 수명 효율적 Planar 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조 방법. |
| KR101753643B1 (ko) | 2016-02-01 | 2017-07-05 | 한국화학연구원 | Sn계 페로브스카이트 태양전지, 및 이의 제조방법 |
| KR101811243B1 (ko) * | 2017-01-13 | 2018-01-25 | 포항공과대학교 산학협력단 | Pb 이온 누출 방지를 위한 신규한 전도성 화합물, 그를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 |
-
2018
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Patent Citations (4)
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| KR20160139604A (ko) | 2015-05-28 | 2016-12-07 | 서울대학교산학협력단 | CYTOP을 이용한 수명 효율적 Planar 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조 방법. |
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| CN117809985A (zh) * | 2024-02-29 | 2024-04-02 | 山东恒嘉高纯铝业科技股份有限公司 | 一种含有六铝酸钙的薄膜电极及其制备方法和应用 |
| CN117809985B (zh) * | 2024-02-29 | 2024-05-10 | 山东恒嘉高纯铝业科技股份有限公司 | 一种含有六铝酸钙的薄膜电极及其制备方法和应用 |
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