KR102108191B1 - 2차원 물질로 패시베이션된 할라이드 페로브스카이트 기반 광전소자 - Google Patents

2차원 물질로 패시베이션된 할라이드 페로브스카이트 기반 광전소자 Download PDF

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Abstract

실시예들은 기판; 상기 기판 상에 형성된, 빛을 수신하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광활성층; 상기 광활성층의 양면에 형성된 전자 전달층과 정공 전달층; 상기 기판과 광활성층 사이에 형성된 제1 전극; 및 상기 광활성층에서 제1 전극의 반대 측에 형성된 패시베이션층을 포함하는 광전소자에 관련된다.

Description

2차원 물질로 패시베이션된 할라이드 페로브스카이트 기반 광전소자{OPTOELECTRONIC DEVICES BASED ON HALIDE PEROVSKITES PASSIVATED WITH 2 DIMENSIONAL MATERIALS}
본 발명은 광전소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 확산 방지 특성 및 광학적, 전기적, 기계적 특성을 가진 2차원 물질(예컨대, 그래핀(graphene), 산화그래핀(graphene oxide) 등)을 이용하여 패시베이션된(passivated) 할라이드 페로브스카이트 기반 광전소자 및 이를 제조하는 방법에 관련된다.
도 1은, 할라이드 페로브스카이트 화합물의 결합 구조를 설명하기 위한 도면이다.
페로브스카이트 화합물이란 통상적으로 결정 구조가 CaTiO3와 동일한 구조를 가진 화합물을 지칭한다. 이러한 결정 구조를 페로브스카이트 구조라고 지칭하며, 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이 ABX3의 구조를 가진다. 여기서 A와 B는 양이온, X는 이들과 결합하고 있는 음이온이다. A 양이온은 AX12로 12개의 X 음이온과 결합하여 입방 팔면체 구조를 형성하고, B 양이온은 BX6로 6개의 음이온과 팔면체 구조로 결합한다. 특히, 페로브스카이트 화합물이 적어도 1종 또는 상이한 2종 이상의 할라이드 음이온(예를 들어, -F, -Cl, -Br, -I 등을 포함함)을 포함하는 경우, 할라이드 페로브스카이트 화합물로 지칭될 수 있다.
이러한 할라이드 페로브스카이트 화합물은 저가의 원료 및 공정으로 합성이 가능하면서도, 기존 반도체 공정과의 호환성이 높다. 또한, 할라이드 페로브스카이트 화합물은 뛰어난 광학적/전기적 특성을 갖고 있어 차세대 광전소자 (태양전지, 발광다이오드, 광검출기 등) 재료로 각광받고 있다.
다만, 할라이드 페로브스카이트 화합물은 수분 또는 열(예컨대, 150 °C를 초과하는 열)에 노출될 경우, 손상 및 분해되며 광활성 재료로서의 특성을 잃게 된다. 일 예에서, 할라이드 페로브스카이트 화합물이 CH3NH3PbI3(s) 인 경우, 각 경우에 따른 구체적인 손상 과정은 다음과 같다: 1) 수분: CH3NH3PbI3(s) →PbI2(s) + CH3NH3I(aq), 2) 열: CH3NH3PbI3(s) →PbI2(s) + CH3NH2↑ + HI↑
따라서, 할라이드 페로브스카이트 기반 광소자의 상용화를 위해서는 재료 자체 또는 소자 차원에서의 안정성 개선이 필수적이며, 그렇지 않은 경우 결국 할라이드 페로브스카이트 기반 광전소자는 광전소자로의 동작이 담보되지 않는다.
패시베이션(passivation)은 임의의 물질을 수분 또는 열 등으로부터 보호하는데 유용한 기술이다. 할라이드 페로브스카이트 화합물은 수분, 열 및 화학적 내구성이 낮기 때문에, 일반적으로 사용되는 진공증착법에 기반하여 직접적으로 할라이드 페로브스카이트 화합물을 포함한 층에 대한 페시베이션층을 형성하는 것이 불가능하다.
한편, 간접적으로 할라이드 페로브스카이트 화합물을 패시베이션하는 기술로서, 벌크 캡슐화(bulk encapsulation) 기술이 있다. 광전소자에 벌크 캡슐화(bulk encapsulation)를 적용하면 광전소자의 안정성이 개선된다. 그러나, 상기 벌크 캡슐화 기술은 할라이드 페로브스카이트 화합물을 수분으로부터 보호할 수 있지만, 열에 노출 시 할라이드 페로브스카이트 화합물 내의 유기 이온이 유출될 수 있는 한계가 있다.
특허공개공보 제10-2016-0139986호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 우수한 확산 방지 특성 및 광학적, 전기적, 기계적 특성을 가진 2차원 물질(예컨대, 그래핀(graphene), 산화 그래핀(graphene oxide) 등)을 이용하여 패시베이션된(passivated) 할라이드 페로브스카이트 기반 광전소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 광전소자는 기판; 상기 기판 상에 형성된, 빛을 수신하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광활성층; 상기 광활성층의 양면에 형성된 전자 전달층과 정공 전달층; 상기 기판과 광활성층 사이에 형성된 제1 전극; 및 상기 광활성층에서 제1 전극의 반대 측에 형성된 패시베이션층을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패시베이션층은 2차원 물질로 이루어지며, 상기 광활성층에서 생성된 정공-전자 쌍 중 일 유형의 전하를 포획하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광전소자는, 상기 기판 상에 형성된, 전자를 포획하는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 전자 전달층; 상기 전자 전달층 상에 형성된 광활성층; 상기 광활성층 상에 형성된 정공 전달층; 및 상기 정공 전달층 상에 형성된, 2차원 물질로 이루어진 패시베이션층을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패시베이션층은 그래핀을 포함한 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패시베이션층은 상기 광활성층에서 생성된 전자-정공 쌍의 정공을 상기 정공 전달층을 통해 포획하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패시베이션층은 광전소자의 제2 전극으로 동작 가능할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판 상에 형성된, 전자를 포획하는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 전자 전달층; 상기 전자 전달층 상에 형성된 광활성층; 상기 광활성층 상에 형성된 정공 전달층; 및 상기 정공 전달층 상에 형성된, 2차원 물질로 이루어진 패시베이션층; 상기 패시베이션층 상에 형성된, 제3 전극을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제3 전극은 금속으로 이루어진다.
일 실시예에서, 상기 패시베이션층은 산화 그래핀(graphene oxide)을 포함한 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패시베이션층은 상기 광활성층에서 생성된 정공을 상기 정공 전달층을 통해 전달받아 상기 제3 전극으로 전달 가능하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 제3 전극의 금속은 산화그래핀(graphene oxide)의 일함수 보다 높은 일함수를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패시베이션층의 산화그래핀은 오존 클리닝(ozone cleaning) 또는 산소 플라즈마(oxygen plasma) 처리되어 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광활성층은 할라이드 페로브스카이트 화합물을 포함한 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide: ITO), 플루오린 도핑 주석 산화물(fluorine doped tin oxide: FTO), 주석 산화물, 아연 산화물, 및 이들의 조합들을 포함한 그룹으로부터 선택되는 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정공 전달층은 spiro-MeoTAD를 포함한 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 전달층은 TiO2, 및 ZnO 및 이들의 조합을 포함한 그룹으로부터 선택되는 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광전소자는, 상기 기판 상에 형성된, 정공을 포획하는 제2 전극; 상기 제2 전극 상에 형성된 정공 전달층; 상기 정공 전달층 상에 형성된 광활성층; 상기 광활성층 상에 형성된 전자 전달층; 및 상기 전자 전달층 상에 형성된, 2차원 물질로 이루어진 패시베이션층을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패시베이션층은 상기 광활성층에서 생성된 전자-정공 쌍의 전자를 상기 전자 전달층을 통해 포획하여 광전소자의 제1 전극으로 동작 가능할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정공 전달층은 NiOx 또는 PEDOT:PSS를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 전달층은 상기 광활성층의 전도 대역(Conduction band)이 페로브스카이트 태양전지의 전도 대역 보다 낮은 풀러렌 유도체를 포함한 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자 전달층은 PC61BM([6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester)을 포함한 물질로 이루어질 수 있다.
상술한 실시예들에 따른 상기 광전소자는 태양전지일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 할라이드 페로브스카이트 기반 광전소자는 우수한 확산 방지 특성 및 광학적, 전기적, 기계적 특성을 가진 그래핀을 이용하여 할라이드 페로브스카이트 광활성층을 패시베이션할 수 있다. 이로 인해, 그래핀 패시베이션이 적용된 할라이드 페로브스카이트 광활성층을 포함한 광전소자의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
특히, 할라이드 페로브스카이트 물질로 이루어진 광활성층 상에 그래핀을 이용하여 직접적으로 패시베이션함으로써, 할라이드 페로브스카이트 내의 유기 이온이 유출될 우려가 전혀 없다.
또한, 그래핀에 기초한 패시베이션층을 포함하므로, 패시베이션층이 전극으로 동작할 수 있다. 그 결과, 상기 할라이드 페로브스카이트 기반 광전소자는 투명 광전소자로 제조될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1은, 할라이드 페로브스카이트 화합물의 결합 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 태양전지의 장치 구조를 도시한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 도 2의 태양전지의 에너지 밴드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 패시베이션층을 형성하는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 태양전지의 장치 구조를 도시한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 도 5의 태양전지의 에너지 밴드를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 본 발명의 제3 실시예에 따른, 태양전지의 장치 구조를 도시한 도면이다.
도 8은, 본 발명의 제3 실시예에 따른, 도 7의 태양전지의 에너지 밴드를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는, 본 발명의 제3 실시예에 따른, 패시베이션층을 형성하는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 확정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이지, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명 및 첨부 된 특허청구의 범위에서 사용되는 단수 표현은 아래위 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현도 포함하는 것을 의도한다. 또한 본 발명에서 사용한 “및/또는”이라는 용어에 대해서는 하나 또는 복수의 관련되는 열거한 항목들의 임의 또는 모든 가능한 조합들을 포함하는 것으로 이해 하여야 한다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90° 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서, 광전소자는 빛(예컨대, 태양광)을 수신할 경우, 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, LED칩, LED 조명(LED가로등, LED형광등 등), 중적외선 LED, 광섬유 조명시스템, 가정용 태양전지, 발전용 태양전지, CCD, CMOS 등을 포함한다. 이하, 설명의 명료성을 위해 태양전지를 기초로 본 발명을 서술하나, 본 발명이 태양 전지에 한정되는 것으로 이해되지 않는 것이 통상의 기술자들에게 명백할 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 광전소자는 기판; 상기 기판 상에 형성된, 빛을 수신하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광활성층; 상기 광활성층의 양면에 형성된 전하를 포획하는 두 개의 전하 포획층(전자 포획층 및 정공 포획층), 각 전하 포획층에 전하를 전달하는 두 개의 전하 전달층(전자 전달층 및 정공 전달층)을 포함한다. 상기 전하 포획층들 중 하나는 외부로부터 광전소자 내부의 구성요소를 보호하는 패시베이션층으로 더 동작한다.
상기 광전소자의 내부 구조는 각 층의 구성 성분의 물리적 특성에 따라 정구조(N-I-P structure), 역구조(P-I-N structure)로 구성될 수 있다. 이에 대해서는 아래의 도 2 및 도 7 등을 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
제1 실시예
도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 태양전지의 장치 구조를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 태양전지(1)는 기판(110) 상에 형성된, 전자를 포획하는 전자 전극(120); 전극(120) 상에 형성된 전자 전달층(130); 전자 전달층(130) 상에 형성된 광활성층(140); 광활성층(140) 상에 형성된 정공 전달층(150); 정공 전달층(150) 상에 형성된 패시베이션층(160)을 포함한다. 상기 패시베이션층(160)은 정공을 포획하는 정공 포획층으로 더 동작한다.
일 실시예에서, 광활성층(140)은 할라이드 페로브스카이트 화합물을 포함한 물질로 이루어질 수 있다.
페로브스카이트 화합물이란 도 1에 도시된 바와 같이, ABX3의 결정 구조를 갖는 화합물을 지칭한다. 여기서 A와 B는 양이온, X는 이들과 결합하고 있는 음이온이다. 예를 들어, A 양이온은 AX12로 12개의 X 음이온과 결합하여 입방 팔면체 구조를 형성하고, B 양이온은 BX6로 6개의 음이온과 결합하여 팔면체 구조를 형성할 수 있다.
페로브스카이트 화합물이 적어도 1종 또는 상이한 2종 이상의 할라이드 음이온(예를 들어, -F, -Cl, -Br, -I 등을 포함함)을 포함하는 경우, 할라이드 페로브스카이트 화합물로 지칭될 수 있다.
할라이드 페로브스카이트 화합물은 A 양이온 자리에 유기물 양이온을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 유기물 양이온은 C 1-20 의 알킬기, 아민기에 의해 치환된 C 1-20 의 알킬기, 및 알칼리 금속으로부터 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들의 2이상의 조합을 포함할 수 있다. 여기서, 알칼리 금속은 Li, Na, K, Rb, Cs, Fs 등을 포함할 수 있다.
할라이드 페로브스카이트 화합물은 B 양이온 자리에 금속 양이온을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 금속 양이온은 Pb, Sn, Ti, Nb, Zr, Ce 등을 포함한다.
이와 같이, 할라이드 페로브스카이트 화합물은, 예를 들어 CH3NH3 +, NC(NH2)2 + 등을 포함하는, 3차원 구조의 유무기 복합 화합물질일 수 있다. 상기 할라이드 페로브스카이트 화합물은 밴드 갭 에너지가 1.5eV(CH3NH3PbI3)에서 2.3eV(CH3NH3PbBr3) 정도이므로, 태양전지의 흡광물질로서 동작할 수 있다.
제1 실시예에 따른 할라이드 페로브스카이트 기반 태양전지(1)의 동작 원리에 대하여 예시적으로 설명하면 다음과 같다: 태양광이 입사되면 광양자가 먼저 광활성층(140) 내의 할라이드 페로브스카이트에 흡수되고, 이에 따라 할라이드 페로브스카이트 내부에서는 기저 상태에서 여기 상태로 전자 전이(즉, 에너지 전이)가 발생한다. 상기 전자 전이에 의해 광활성층(140)은 전자-정공 쌍을 생성하며, 상기 여기 상태의 전자는 전자 전달층(130)을 통해 전극(120)으로 전달된다. 전극(120)이 외부 회로를 통해 패시베이션층(160)과 전기적으로 연결된 경우, 상기 전자는 외부 회로를 통해 패시베이션층(160)으로 이동할 수 있다. 한편, 광활성층(140)에서 생성된 정공은 정공 전달층(150)을 통해 패시베이션층(160)에서 포획된다. 그 결과, 태양전지(1)로 동작할 수 있다.
기판(110)은 태양 전지(1)를 지지하는 구성요소로서, 일 실시예에서, 기판(110)은 유리(glass) 또는 플라스틱 물질로 이루어질 수 있다. 상기 플라스틱 물질은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly(ethylene terephthalate), PET), 폴리에틸렌나프탈레이트 (poly(ethylene naphthalate), PEN), 폴리이미드(Polyimide, PI) 및 이들의 조합들을 포함한 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 기판(110)은 투명한 물질로 이루어질 수도 있다. 여기서, “투명”은 가시광선 대부분이 물질을 통과하여 사람의 망막세포, 또는 기타 외부 전자 장치가 물질의 반사광을 거의 수신하지 못하는 상태를 의미한다.
전극(제1 전극 또는 전자 전극)(120)은 태양광에 의해 발생한 전자를 전자 전달층(130)을 통해 전달받아 포획하는 전자 포획층으로 동작한다.
전극(120)은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide: ITO), 플루오린 도핑 주석 산화물(fluorine doped tin oxide: FTO), 주석 산화물, 아연 산화물, 및 이들의 조합들을 포함한 그룹으로부터 선택되는 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.　일 실시예에서, 전극(120)은 FTO를 포함한 물질로 이루어진다.
전극(120)은 기판(110) 상에 형성된다. 전극(120)은 전해 도금, 스퍼터링, 전자빔 증착법 등과 같은 물리 증기 증착법(PVD)에 의해 기판(110) 상에 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
전자 전달층(130)은 광활성층(140)에서 여기된 전자를 전극(120)으로 효과적으로 전달하도록 구성된다. 일반적으로 태양전지에서 광활성층(140)이 가지는 전자 이동 거리는 짧다. 따라서 여기된 전자가 전극(120)까지 도달하지 못할 수 있다. 상대적으로 전자 이동 거리가 긴 물질로 이루어진 전자 전달층(130)은 전자를 전극(120)에 전달할 수 있어, 상기 이동 거리에 의한 문제를 해결할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 도 2의 태양전지의 에너지 밴드를 설명하기 위한 도면이다.
전자 전달층(130)은 전도 대역(Conduction band)이 페로브스카이트 태양전지의 전도 대역 보다 낮은 물질로 형성된다. 일 실시예에서, 전자 전달층(130)은 TiO2, ZnO와 같은 금속 산화물(즉, 세라믹 물질)로 이루어질 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 전술한 바와 같이, 전자 전달층(130) 상에 형성된 광활성층(140)은 할라이드 페로브스카이트 화합물을 포함하며, 빛(예컨대, 태양광)을 수신하고 빛 에너지로부터 전자 에너지를 생성한다.
정공 전달층(150)은 광활성층(140)에서 여기된 정공을 패시베이션층(160)으로 효과적으로 전달하도록 구성된다. 이로 인해, 광활성층(140)이 가지는 짧은 정공 이동 거리의 한계를 극복할 수 있다.
정공 대역(Valence band)이 페로브스카이트 태양전지의 정공 대역 보다 높은 물질로 형성된다. 일 실시예에서, 정공 전달층(150)은 spiro-MeOTAD을 포함한 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되진 않는다.
정공 전달층(150)은 광활성층(140) 상에 형성된다. 정공 전달층(150)은 스핀 코팅 방식, 또는 열 증착(thermal evaporation) 방식에 의해 을 광활성층(140) 상에 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
패시베이션층(160)은 광활성층(140)이 열 또는 수분 등에 의해 분해 및/또는 손상되는 것을 방지한다. 패시베이션층(160)은 확산 방지 가능하고, 전도성이 있는 2차원 물질로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 패시베이션층(160)을 구성하는 2차원 물질은 그래핀(graphene)을 포함할 수 있다.
그래핀은 우수한 열/화학적 환산 방지막이다. 또한, 원자 단위의 두께를 갖고 있기 때문에, 광 투과율이 높아 광전소자에 적용될 경우, 흡광/발광 효율을 저하시키지 않는다. 또한, 그래핀과 같은 2차원 물질은 산화막 기반의 패시베이션 물질과 달리 우수한 기계적 특성을 갖고 있어 유연소자에도 적용이 가능하다. 나아가, 그래핀과 같은 2차원 물질은 전기적 특성을 광범위하게 제어할 수 있기 때문에 전극뿐만 아니라 전하 수송층으로도 활용이 가능하다.
전술한 바와 같이, 상기 할라이드 페로브스카이트 화합물을 포함한 물질로 이루어진 광활성층(140)은 태양광을 수신할 경우, 내부에서 전자-정공 쌍이 생성된다. 광활성층(140)에서 생성된 전자는 전자 전달층(130)을 통해 전자 포획층(120)으로 전달된다. 또한, 광활성층(140)에서 생성된 정공은 정공 전달층(150)을 통해 패시베이션층(160)으로 전달되고, 결국 그래핀에서 포획된다. 그 결과, 태양전지(1)는 전류를 생성하게 된다.
도 4는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 패시베이션을 적용하는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
패시베이션층(160)은 정공 전달층(150) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 패시베이션층(160)은 그래핀을 상기 정공 전달층(150) 상에 전사하여 형성될 수 있다.
그래핀의 전사는 PDMS를 이용한 전사 방식 또는 PMMA를 이용한 전사 방식 등에 의해 수행될 수 있다.
일 예에서, 금속(예컨대, Ni 또는 Cu) 상에서 성장된 그래핀을 PDMS 또는 PMMA(Poly(methylmethacrylate))을 지지층으로 활용하여 금속을 식각함으로써 그래핀을 정공 전달층(150) 상에 전사할 수 있다.
다른 일 예에서, 화학 증기 증착법(CVD)을 이용하여 그래핀의 전사가 수행될 수도 있다.
그러나, 전술한 그래핀의 전사 방식은 예시적인 것으로서, 이에 제한되진 않는다.
이와 같이, 제1 실시예에 따른 태양전지(1)는 그래핀 기반 패시베이션층(160)을 포함하는 정구조(N-I-P structure)를 가진다. 따라서, 높은 전력 효율을 가질 수 있다.
나아가, 상기 패시베이션층(160)은 수분 및 열화학적 반응을 방지하는 패시베이션 기능을 수행함과 동시에, 전극(120)이 수신하는 전하(즉, 전자)와 상이한 유형의 전하(즉, 정공)을 포획하고, 전극(정공 전극 또는 제2 전극)으로 기능할 수 있다. 이로 인해, 내부 구조가 보다 단순해져 부피가 줄어들고 소형화에 이점이 있다.
또한, 기존의 금속 기반 전극과 달리 투명하게 구성되어, 제1 실시예에 따른 태양전지(1)는 투명 태양전지로도 활용될 수 있다.
제2 실시예
도 5는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 태양전지의 장치 구조를 도시한 도면이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 할라이드 페로브스카이트 기반 태양전지(1)는 도 2의 제1 실시예에 따른 할라이드 페로브스카이트 기반 태양전지와 상당부분 유사하므로, 차이점을 위주로 설명한다.
제2 실시예에 따른 태양전지(1)는 기판(110) 상에 형성된 전극(120); 전극(120) 상에 형성된 전자 전달층(130); 전자 전달층(130) 상에 형성된 광활성층(140); 광활성층(140) 상에 형성된 정공 전달층(150); 정공 전달층(150) 상에 형성된 패시베이션층(165), 및 금속으로 이루어진 전극(170)을 포함한다.
제2 실시예에 따른 할라이드 페로브스카이트 기반 태양전지(1)의 동작 원리에 대하여 예시적으로 설명하면 다음과 같다: 상기 할라이드 페로브스카이트 화합물을 포함한 물질로 이루어진 광활성층(140)은 태양광을 수신할 경우, 내부에서 전자-정공 쌍이 생성된다. 광활성층(140)에서 생성된 전자는 전자 전달층(130)을 통해 전극(120)으로 전달된다. 또한, 광활성층(140)에서 생성된 정공은 정공 전달층(150) 및 패시베이션층(165)을 통해 금속 전극(170)으로 전달되고, 결국 금속 전극(170)의 금속에서 포획된다. 그 결과, 태양전지(1)는 전류를 생성하게 된다.
상기 구성요소들(110 내지 150)은 제1 실시예의 태양전지(1)와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
패시베이션층(165)은 2차원 물질로 이루어진 층으로서, 광활성층(140)에 대해 수분 및 열화학적 패시베이션이 가능하도록 구성된다. 패시베이션층(165)은 또한, 정공 전달이 가능하도록 더 구성된다. 즉, 전극으로 동작하는 제1 실시예의 패시베이션층(160)과 달리, 제2 실시예의 패시베이션층(165)은 정공 전달층(150)과 상이한 또 다른 정공 전달층으로도 활용된다.
일 실시예에서, 패시베이션층(165)은 산화 그래핀(graphene oxide)을 포함한 물질로 이루어진다.
도 6은, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 도 5의 태양전지의 에너지 밴드를 설명하기 위한 도면이다.
산화 그래핀(graphene oxide)은 산화정도에 따라 일함수(work function)가 약 3.7 eV에서 약 5.1 eV 까지 조절이 가능하다. 따라서, 제1 실시예에서 언급된 정공 전달층(150)의 물질(예컨대, spiro-OMeTAD) 이외에, 현존하는 거의 대부분의 정공 전달 물질과 알맞은 밴드 정렬(band alignment)을 확보할 수 있어, 제조 가능한 태양 전지(1)의 범위가 넓어지는 장점이 있다.
일 실시예에서, 패시베이션층(165)은 도 2의 패시베이션층(160)에 기초하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 패시베이션층(160)이 그래핀을 포함한 물질로 이루어진 경우, 도 5의 패시베이션층(165)은 도 2의 그래핀을 산화 처리함으로써 형성될 수 있다.
예를 들어, 패시베이션층(165)은 도 2의 그래핀에 오존 클리닝(ozone cleaning) 또는 산소 플라즈마(oxygen plasma) 처리가 적용되어 형성될 수 있다.
금속 전극(170)은 패시베이션층(165) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 금속 전극(170)은 금(Au)을 포함한 물질로 이루어지나, 이에 제한되지 않으며, 산화 그래핀의 일함수 보다 높은 일함수를 갖는 다양한 금속 물질로 이루어질 수 있다. 즉, 산화 그래핀(graphene oxide)의 일함수에 따라 금속의 선택이 달라질 수 있다.
이와 같이 제2 실시예에 따른 태양 전지(1)는 제1 실시예에 따른 태양 전지(1)와 동일한 정구조를 가지지만, 제1 실시예에 따른 태양 전지(1) 보다 더 높은 에너지 준위를 갖는 물질을 전극으로 사용함으로써, 전하의 이동이 보다 원활하게 이루어진다.
<제3 실시예>
도 7은, 본 발명의 제3 실시예에 따른, 태양전지의 장치 구조를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 제3 실시예에 따른 태양 전지(1)는 기판(210) 상에 형성된 전극(260), 전극(260) 상에 형성된 정공 전달층(250), 정공 전달층(250) 상에 형성된 광활성층(240), 광활성층(240) 상에 형성된 전자 전달층(230), 전자 전달층(230) 상에 형성된 패시베이션층(220)을 포함한다.
도 7의 기판(210)은 도 2의 기판(110)에 대응하고, 도 7의 광활성층(240)은 도 2의 광활성층(140)에 대응하며, 도 7의 패시베이션층(220)은 도 2의 패시베이션층(160)에 대응한다. 따라서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 할라이드 페로브스카이트 기반 태양 전지(1)에 대해서는 제1 실시예에 따른 할라이드 페로브스카이트 기반 태양 전지(1)과의 차이점(260, 250, 230)을 위주로 설명한다.
제3 실시예에 따른 할라이드 페로브스카이트 기반 태양전지(1)의 동작 원리에 대하여 예시적으로 설명하면 다음과 같다: 태양광이 입사되면 광양자가 먼저 광활성층(240) 내의 할라이드 페로브스카이트에 흡수되고, 이에 따라 할라이드 페로브스카이트 내부에서는 기저 상태에서 여기 상태로 전자 전이(즉, 에너지 전이)가 발생한다. 상기 전자 전이에 의해 광활성층(240)은 전자-정공 쌍을 생성하며, 생성된 정공은 정공 전달층(250)을 통해 전극(260)으로 전달된다. 한편, 광활성층(240)에서 생성된 전자는 전자 전달층(230)을 통해 패시베이션층(220)에서 포획된다. 그 결과, 태양전지(1)로 동작할 수 있다.
전극(정공 전극 또는 제2 전극)(260)은 태양광에 의해 발생한 광활성층(240)의 정공을 정공 전달층(250)을 통해 전달받아 포획하는 정공 포획층으로 동작한다.
전극(260)은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide: ITO), 플루오린 도핑 주석 산화물(fluorine doped tin oxide: FTO), 주석 산화물, 아연 산화물, 및 이들의 조합들을 포함한 그룹으로부터 선택되는 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.　일 실시예에서, 전극(260)은 ITO를 포함한 물질로 이루어진다.
전극(260)은 기판(210) 상에 형성된다. 전극(260)은 전해 도금, 스퍼터링, 전자빔 증착법 등과 같은 물리 증기 증착법(PVD)에 의해 기판(210) 상에 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
정공 전달층(250)은 광활성층(240)에서 여기된 전자를 전극(260)으로 효과적으로 전달하도록 구성된다. 일반적으로 태양전지에서 광활성층(240)이 가지는 정공 이동 거리는 짧다. 따라서 생성된 정공이 전극(260)까지 도달하지 못할 수 있다. 상대적으로 정공 이동 거리가 긴 물질로 이루어진 정공 전달층(250)은 정공을 전극(260)에 전달할 수 있어, 상기 이동 거리에 의한 문제를 해결할 수 있다.
도 8은, 본 발명의 제3 실시예에 따른, 도 7의 태양전지의 에너지 밴드를 설명하기 위한 도면이다.
정공 전달층(250)은 정공 대역(Valence band)이 페로브스카이트 태양전지의 정공 대역 보다 높은 물질로 형성된다. 일 실시예에서, 정공 전달층(250)은 NiOx와 같은 금속 산화물(즉, 세라믹 물질) 또는 유기재료(예컨대, PEDOT:PSS)와 같은 전도성 고분자 물질로 이루어질 수 있다.
다시 도 7를 참조하면, 전술한 바와 같이, 정공 전달층(250) 상에 형성된 광활성층(240)은 할라이드 페로브스카이트 화합물을 포함하며, 빛(예컨대, 태양광)을 수신하고 빛 에너지로부터 전자 에너지를 생성한다.
전자 전달층(230)은 전자 전달에 효과적인 물질로 구성된다. 예를 들어, 전자 전달층(230)은 전도 대역이 페로브스카이트 태양전지의 전도 대역 보다 낮은 물질로 형성된다.
일 실시예에서, 전자 전달층(230)은 TiO2, PC61BM ([6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 등을 포함한 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되진 않는다.
전자 전달층(230)은 광활성층(240) 상에 형성된다. 전자 전달층(230)은 스핀 코팅 방식, 또는 열 증착(thermal evaporation) 방식에 의해 광활성층(240) 상에 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
패시베이션층(220)은 전자 전달층(230) 상에 형성되는 층으로서, 광활성층(240)이 열 또는 수분 등에 의해 분해 및/또는 손상되는 것을 방지한다. 패시베이션층(220)은 확산 방지 가능하고, 전도성이 있는 2차원 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 패시베이션층(220)을 구성하는 2차원 물질은 그래핀(graphene)을 포함할 수 있다. 따라서, 도 7의 패시베이션층(220)은 도 2의 패시베이션층(160)과 동일하게 패시베이션 기능을 수행한다. 또한, 도 2의 패시베이션층(160)과 유사하게, 기판(210)에 접촉한 전극(260)이 포획하는 전화와 상이한 유형의 전하를 포획하는 전극으로 더 동작할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 제3 실시예에 따른, 패시베이션층을 형성하는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
패시베이션층(220)은 도 9에 도시된 바와 같이, 전자 전달층(230) 상에 전사되어 형성될 수 있다. 패시베이션층(220)의 전사는 도 4를 참조하여 서술하였는바, 자세한 설명은 생략한다.
이와 같이, 제3 실시예에 따른 태양전지(1)는 그래핀 기반 패시베이션층(220)을 포함하는 역구조(P-I-N structure)를 가진다. 따라서, 플렉서블 소자로 활용도가 높다.
나아가, 상기 패시베이션층(220)은 수분 및 열화학적 반응을 방지하는 패시베이션 기능을 수행함과 동시에, 전극(260)이 수신하는 전하(즉, 정공)와 상이한 유형의 전하(즉, 전자)을 포획하고, 전극(전극 전극 또는 제1 전극)으로 기능할 수 있다. 이로 인해, 내부 구조가 보다 단순해져 부피가 줄어들고 소형화에 이점이 있다.
또한, 기존의 금속 기반 전극과 달리 투명하게 구성되어, 제3 실시예에 따른 태양전지(1)는 투명 태양전지로도 활용될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (21)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된, 전자를 포획하는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 전자 전달층;
    상기 전자 전달층 상에 형성된, 빛을 수신하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광활성층 - 상기 광활성층은 할라이드 페로브스카이트 화합물을 포함한 물질로 이루어짐;
    상기 광활성층 상에 형성된 정공 전달층; 및
    수분으로부터 상기 광활성층을 보호하기 위해 상기 정공 전달층 상에 형성된, 2차원 물질로 이루어진 패시베이션층을 포함하되,
    상기 패시베이션층은 원자 단위의 두께를 갖는 그래핀을 포함한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광활성층에서 생성된 정공-전자 쌍 중 일 유형의 전하를 포획하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 광활성층에서 생성된 전자-정공 쌍의 정공을 상기 정공 전달층을 통해 포획하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광전소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 광전소자의 제2 전극으로 동작 가능한 것을 특징으로 하는 광전소자.
  7. 기판;
    상기 기판 상에 형성된, 전자를 포획하는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 전자 전달층;
    상기 전자 전달층 상에 형성된, 빛을 수신하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광활성층 - 상기 광활성층은 할라이드 페로브스카이트 화합물을 포함한 물질로 이루어짐;
    상기 광활성층 상에 형성된 정공 전달층;
    수분으로부터 상기 광활성층을 보호하기 위해 상기 정공 전달층 상에 형성된, 2차원 물질로 이루어진 패시베이션층; 및
    상기 패시베이션층 상에 형성된, 제3 전극을 더 포함하되,
    상기 패시베이션층은 산화 그래핀(graphene oxide)을 포함한 물질로 이루어지며, 상기 산화 그래핀은 상기 정공 전달층 상에 형성된 원자 단위의 두께를 갖는 그래핀을 산화하여 형성되며, 상기 산화 그래핀의 산화 정도는 상기 패시베이션층이 상기 광활성층 및 정공 전달층 보다 높은 정공 대역을 가지도록 조절되고,
    상기 제3 전극은 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전소자.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 광활성층에서 생성된 정공을 상기 정공 전달층을 통해 전달받아 상기 제3 전극으로 전달 가능한 것을 특징으로 하는 광전소자.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제3 전극의 금속은 산화그래핀(graphene oxide)의 일함수 보다 높은 일함수를 갖는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 패시베이션층의 산화그래핀은 오존 클리닝(ozone cleaning) 또는 산소 플라즈마(oxygen plasma) 처리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide: ITO), 플루오린 도핑 주석 산화물(fluorine doped tin oxide: FTO), 주석 산화물, 아연 산화물, 및 이들의 조합들을 포함한 그룹으로부터 선택되는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 정공 전달층은 spiro-MeoTAD를 포함한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전자 전달층은 TiO2, 및 ZnO 및 이들의 조합을 포함한 그룹으로부터 선택되는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  16. 기판;
    상기 기판 상에 형성된, 정공을 포획하는 제2 전극;
    상기 제2 전극 상에 형성된 정공 전달층;
    상기 정공 전달층 상에 형성된 빛을 수신하여 전자-정공 쌍을 생성하는 광활성층 - 상기 광활성층은 할라이드 페로브스카이트 화합물을 포함한 물질로 이루어짐;
    상기 광활성층 상에 형성된 전자 전달층; 및
    수분으로부터 상기 광활성층을 보호하기 위해 상기 전자 전달층 상에 형성된, 2차원 물질로 이루어진 패시베이션층을 포함하되,
    상기 패시베이션층은 원자 단위의 두께를 갖는 그래핀을 포함한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 광활성층에서 생성된 전자-정공 쌍의 전자를 상기 전자 전달층을 통해 포획하여 광전소자의 제1 전극으로 동작 가능한 것을 특징으로 하는 광전소자.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 정공 전달층은 NiOx 또는 PEDOT:PSS를 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 전자 전달층은 상기 광활성층의 전도 대역(Conduction band)이 페로브스카이트 태양전지의 전도 대역 보다 낮은 풀러렌 유도체를 포함한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전자 전달층은 PC61BM([6,6] phenyl-C61-butyric acid methyl ester)을 포함한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전소자.
  21. 제1항, 제2항, 제5항 내지 제7항, 제9항, 제10항, 제11항, 그리고 제13항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 광전소자는,
    태양전지인 것을 특징으로 하는 광전소자.
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