KR102212912B1 - 에피택시 성장층을 포함하는 광전 디바이스 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본원은, 에피택시 성장층을 포함하는 광전 디바이스, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본원은, 에피택시 성장층을 포함하는 광전 디바이스, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
현대의 주요한 에너지원인 화석 에너지는 자원의 고갈 및 환경오염 문제를 발생시키고 있어, 대체 에너지를 개발하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 대표적으로, 태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서, 태양으로부터 빛 에너지를 흡수하여 전자와 전공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성한다.
다만, 태양전지는 고효율화를 위해 매우 순도가 높은 실리콘 소재를 사용해야 하므로, 원소재의 정제 및 가공하는데 많은 에너지가 소모되며, 제조 비용을 낮추기 어려워 산업 확장에 어려움 있다. 최근에는 이를 해결하기 위한 대안으로 페로브스카이트 태양전지가 각광받고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 무기물과 유기물이 결합하여, 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 소재를 활용한 태양전지이다. 이러한 페로브스카이트 태양전지는 소재 가격이 낮은 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 사용함으로써 저온의 용액 공정이 가능하면서도 제조 비용을 현격히 낮출 수 있고, 실리콘 소재의 태양전지와 유사한 수준의 높은 효율을 구현할 수 있다.
현재 페로브스카이트 태양전지는 음극, 전자 수송층, 페로브스카이트층, 정공 수송층 및 양극을 포함하고 있으며, 상기 전자 수송층은 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 위한 필수적인 요소이지만, 종래 기술의 전자 수송층은 낮은 결정성으로 인해 높은 내부 결함 농도를 가지며 상기 결함에서 전자와 정공의 재결합이 매우 빈번하게 일어나고 있어나 고효율의 태양전지가 제조되기 어려운 문제점이 있다.
본원은, 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition)을 사용하여 에피택시 성장된 음극층 및 전자 수송층을 포함함으로써, 전자 수송층 계면과 전자 수송층 내부에서 일어나는 재결합 현상이 최소화된 광전 디바이스, 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 단결정 기판; 상기 단결정 기판 상에 에피택시 성장된 음극층; 및 상기 음극층 상에 에피택시 성장된 전자 수송층을 포함하는, 광전 디바이스를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 단결정 기판 상에 음극층 물질을 에피택시 성장시켜 음극층을 형성하고, 상기 음극층 상에 전자 수송층 물질을 에피택시 성장시켜 전자 수송층을 형성하는 것을 포함하는, 광전 디바이스의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 광전 디바이스; 및 상기 전자 수송층 상에 형성된 페로브스카이트층을 포함하는, 태양전지를 제공한다.
본원의 구현예들에 의한 광전 디바이스는, 에피택시 성장되어 단결정 기판과 격자 정합을 이루는 음극층과 전자 수송층을 포함함으로써 전자 수송층 계면과 전자 수송층 내부에서 일어나는 전자와 정공의 재결합 현상이 최소화된 효과가 있다.
본원의 구현예들에 있어서, Nb 등의 불순물이 함유된 음극층은 전자 수송층에 비해 격자 상수가 증가된 것으로서, 단결정 기판과 격자 상수가 동일하거나 매우 유사하고 전자 수송층에 비해 전도도가 크므로, 전자 수송층 계면과 전자 수송층 내부에서 일어나는 전자와 정공의 재결합 현상이 최소화되어 태양전지에 사용될 경우 고효율의 효과를 달성할 수 있는 이점이 있다.
본원의 구현예들에 따른 광전 디바이스의 제조 방법에서, 음극층 및 전자 수송층은 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition)을 통해 단결정 기판 상에 에피택시 성장되고, 상기 음극층 및 상기 전자 수송층에 포함된 불순물의 함량은 레이저 파워의 조절을 통해 조절할 수 있으므로, 단결정 기판과 격자 정합을 이루는 음극층과 전자 수송층을 용이하게 제조할 수 있는 이점이 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 단결정 기판 상에 에피택시 성장된 음극층을 포함하는 광전 디바이스를 나타내는 그림이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서, 단결정 기판 상에 에피택시 성장된 음극층 및 전자 수송층을 포함하는 광전 디바이스를 나타내는 그림이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, LaAlO3 단결정 기판 및 아나타제 TiO2 단일상의 전자 수송층을 포함하는 광전 디바이스의 X-ray 회절 분석을 수행한 그래프이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 사파이어 단결정 기판 및 루틸 TiO2 단일상의 전자 수송층을 포함하는 광전 디바이스의 X-ray 회절 분석을 수행한 그래프이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, LaAlO3 단결정 기판, LaNiO3 단일상의 음극층 및 아나타제 TiO2 단일상의 전자 수송층을 포함하는 광전 디바이스의 X-ray 회절 분석을 수행한 그래프이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, Nb 불순물이 함유된 아나타제 TiO2 단일상의 음극층과 아나타제 TiO2 단일상의 전자 수송층의 X-ray 회절 분석을 수행한 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 레이저 파워에 따른 Nb 불순물의 증착 정도를 확인한 광전자 분광기 측정 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, 레이저 파워에 따라 Nb 불순물이 상이하게 함유된 각 음극층에서의 전도도를 측정한 그래프이다.
도 9는, 본원의 일 구현예에 있어서, 전자 수송층 상에 형성된 페로브스카이트를 포함하는 광전 디바이스를 나타내는 그림이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, 페로브스카이트를 포함하는 광전 디바이스의 시분해 광발광(Time-Resolved Photoluminescence; TRPL)을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서, 단결정 기판 상에 에피택시 성장된 음극층 및 전자 수송층을 포함하는 광전 디바이스를 나타내는 그림이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, LaAlO3 단결정 기판 및 아나타제 TiO2 단일상의 전자 수송층을 포함하는 광전 디바이스의 X-ray 회절 분석을 수행한 그래프이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 사파이어 단결정 기판 및 루틸 TiO2 단일상의 전자 수송층을 포함하는 광전 디바이스의 X-ray 회절 분석을 수행한 그래프이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, LaAlO3 단결정 기판, LaNiO3 단일상의 음극층 및 아나타제 TiO2 단일상의 전자 수송층을 포함하는 광전 디바이스의 X-ray 회절 분석을 수행한 그래프이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, Nb 불순물이 함유된 아나타제 TiO2 단일상의 음극층과 아나타제 TiO2 단일상의 전자 수송층의 X-ray 회절 분석을 수행한 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, 레이저 파워에 따른 Nb 불순물의 증착 정도를 확인한 광전자 분광기 측정 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, 레이저 파워에 따라 Nb 불순물이 상이하게 함유된 각 음극층에서의 전도도를 측정한 그래프이다.
도 9는, 본원의 일 구현예에 있어서, 전자 수송층 상에 형성된 페로브스카이트를 포함하는 광전 디바이스를 나타내는 그림이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, 페로브스카이트를 포함하는 광전 디바이스의 시분해 광발광(Time-Resolved Photoluminescence; TRPL)을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 디바이스를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 1 측면은, 단결정 기판; 상기 단결정 기판 상에 에피택시 성장된 음극층; 및 상기 음극층 상에 에피택시 성장된 전자 수송층을 포함하는, 광전 디바이스를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따른 광전 디바이스는, 에피택시 성장되어 단결정 기판과 격자 정합을 이루는 음극층과 전자 수송층을 포함함으로써 전자 수송층 계면과 전자 수송층 내부에서 일어나는 전자와 정공의 재결합 현상이 최소화된 것이다. 구체적으로, 상기 에피택시 성장된 음극층과 전자 수송층은 상기 단결정 기판과 격자 상수가 동일하거나 매우 유사하여 단일상으로 형성되는 것이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 단결정 기판은 유연성, 투명성, 또는 유연 투명성인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 단결정 기판은 금속, 금속 산화물, 고분자 (PET 등), 또는 유리 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 보다 구체적으로, 상기 단결정 기판은 LaAlO3, 사파이어(γ-사파이어), SrTiO3, GaN 등의 단결정 기판을 사용하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음극은 금속 또는 전도성 산화물을 포함하는 것이고, 투명 또는 불투명 전극일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 금속으로는 Fe, Mn, Ni, V, Co, Ti, Mg, Ca, Cu, Nb, 또는 Zr 등을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전도성 산화물은 SrRuO3, LaCoO3, SrCoO3, ITO, FTO, 산화루테늄(예를 들어, RuO2 등), 니켈산화물(예를 들어, NiO 등), 산화이리듐(예를 들어, IrO2 등), 주석산화물(예를 들어, SnO2 등), 인듐산화물(예를 들어, In2O3 등), 또는 바나듐산화물(예를 들어, V2O5 등) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음극층 및 상기 전자 수송층 각각은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, RuO2, LaxSr1 - xCoO3, LaxSr1 - xMnO3, BaSnO3 및 LaNiO3 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이고, 0 < x ≤ 0.5인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 음극층과 상기 전자 수송층은 동일한 물질을 포함할 수 있으며, 상기 음극층은 추가적으로 불순물을 포함할 수 있다. 상기 음극층과 상기 전자 수송층이 동일한 성분으로 제조될 수 있으므로, 격자 정합을 이루기에 용이하고, 적절한 단결정 기판을 선정하여, 기판-음극층-전자 수송층으로 적층된 일련의 단일상의 광전 디바이스는 높은 결정성을 가질 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음극층 및 상기 전자 수송층은 아나타제 TiO2 단일상, 루틸 TiO2 단일상, SrRuO3 단일상, La0 . 5Sr0 . 5CoO3 단일상, RuO2 단일상 또는 LaNiO3 단일상일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 음극층 및 상기 전자 수송층은 아나타제 TiO2 (001) 단일상, 루틸 TiO2 (011) 단일상, SrRuO3 (001) 단일상, La0 . 5Sr0 . 5CoO3 (001) 단일상, RuO2 (011) 단일상 또는 LaNiO3 (001) 단일상일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 보다 구체적으로, 상기 기판은 LaAlO3 단결정 기판이고, 상기 음극층 및 상기 전자 수송층은 아나타제 TiO2 (001) 단일상, SrRuO3 (001) 단일상, La0 . 5Sr0 . 5CoO3 (001) 단일상 또는 LaNiO3 (001) 단일상일 수 있으며, 상기 기판은 γ-사파이어 단결정 기판이고, 상기 음극층 및 상기 전자 수송층은 RuO2 (011) 단일상 또는 루틸 TiO2 (011) 단일상일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음극층 및 상기 전자 수송층 각각은 독립적으로 불순물인 Nb, Nb2O5, Li, Y 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 Nb 등의 불순물이 함유된 음극층은 전자 수송층에 비해 격자 상수가 증가된 것으로서, 단결정 기판과 격자 상수가 동일하거나 매우 유사하고 전자 수송층에 비해 전도도가 크므로, 전자 수송층 계면과 전자 수송층 내부에서 일어나는 전자와 정공의 재결합 현상이 최소화할 수 있다. 또한, 상기 전자 수송층 역시 불순물을 함유할 경우 전도도가 증가될 수 있으나, 상기 불순물은 음극층에서 전자 수송층에 비해 더 많이 함유하도록 하는 것이 재결합 현상을 최소화하는데 중요하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음극층은 상기 전자 수송층에 비해 많은 불순물을 함유하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 불순물은 상기 음극층에서 상기 음극층 100 중량부에 대해 0.1 중량부 내지 20 중량부로 포함되는 것이고, 상기 전자 수송층에서 상기 전자 수송층 100 중량부에 대해 0 중량부 내지 10 중량부로 포함되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 불순물은 상기 음극층 100 중량부에 대해 0.1 중량부 내지 20 중량부, 0.5 중량부 내지 20 중량부, 1 중량부 내지 20 중량부, 5 중량부 내지 20 중량부, 8 중량부 내지 20 중량부, 1 중량부 내지 15 중량부, 1 중량부 내지 10 중량부, 5 중량부 내지 15 중량부, 5 중량부 내지 10 중량부, 8 중량부 내지 15 중량부 또는 8 중량부 내지 10 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 상기 불순물은 전자 수송층 100 중량부에 대해 0 중량부 내지 10 중량부, 0 중량부 내지 8 중량부, 0 중량부 내지 6 중량부, 0 중량부 내지 4 중량부, 0.1 중량부 내지 10 중량부, 0.1 중량부 내지 5 중량부, 1 중량부 내지 10 중량부, 1 중량부 내지 5 중량부 또는 1 중량부 내지 3 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 상기 불순물은 음극층의 격자 상수의 증가와 전도도의 증가를 나타나게 할 수 있으나, 그 함량이 0.1 중량부 미만이면 불순물의 함량 매우 적어서 전도도가 증가되는 효과가 미미하고, 20 중량부를 초과하면 불순물의 물성이 기존 물성을 가려서 원하는 효과를 얻지 못할 경우도 생기며 또한 격자 상수가 지나치게 증가되거나 결정 구조가 바뀌어 단결정 기판과 격자 정합을 이루지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 단결정 기판과 상기 음극층의 격자 상수 차이는 약 0.1% 이하이고, 상기 음극층과 상기 전자 수송층의 격자 상수 차이는 약 0.5% 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음극층은 상기 전자 수송층에 비해 전도도가 큰 것일수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 음극층은 상기 전자 수송층에 비해 상기 불순물을 보다 많이 포함함으로써 전기 저항이 감소하고, 전도도가 증가되는 것일 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 단결정 기판 상에 음극층 물질을 에피택시 성장시켜 음극층을 형성하고, 상기 음극층 상에 전자 수송층 물질을 에피택시 성장시켜 전자 수송층을 형성하는 것을 포함하는, 광전 디바이스의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에피택시 성장은, 펄스 레이저 증착법, 액상 에피택시 성장법, 분자선 에피택시 성장법 또는 기상 에피택시 성장법에 의해 수행되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음극층 및 상기 전자 수송층 각각은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, RuO2, LaxSr1 - xCoO3, LaxSr1 - xMnO3, BaSnO3 및 LaNiO3 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이고, 0 < x ≤ 0.5인 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음극층 및 상기 전자 수송층 각각은 독립적으로 불순물인 Nb, Nb2O5, Li, Y 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 불순물은 상기 음극층에서 상기 음극층 100 중량부에 대해 0.1 중량부 내지 20 중량부로 포함되는 것이고, 상기 전자 수송층에서 상기 전자 수송층 100 중량부에 대해 0 중량부 내지 10 중량부로 포함되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 불순물은 상기 음극층 100 중량부에 대해 0.1 중량부 내지 20 중량부, 0.5 중량부 내지 20 중량부, 1 중량부 내지 20 중량부, 5 중량부 내지 20 중량부, 8 중량부 내지 20 중량부, 1 중량부 내지 15 중량부, 1 중량부 내지 10 중량부, 5 중량부 내지 15 중량부, 5 중량부 내지 10 중량부, 8 중량부 내지 15 중량부 또는 8 중량부 내지 10 중량부로 포함되는 것일 수 있다. 상기 불순물은 전자 수송층 100 중량부에 대해 0 중량부 내지 10 중량부, 0 중량부 내지 8 중량부, 0 중량부 내지 6 중량부, 0 중량부 내지 4 중량부, 0.1 중량부 내지 10 중량부, 0.1 중량부 내지 5 중량부, 1 중량부 내지 10 중량부, 1 중량부 내지 5 중량부 또는 1 중량부 내지 3 중량부로 포함되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에피택시 성장은 펄스 레이저 증착법에 의해 수행되고, 상기 불순물은 기존의 원자에 비해 무겁기 때문에 레이저 파워가 클수록 적게 증착되고, 레이저 파워가 작을수록 많이 증착되는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 레이저 파워는 1 Hz 내지 6 Hz 조건에서의 0.5 J/cm2 내지 2 J/cm2일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 보다 구체적으로, 상기 레이저 파워는 각각 1, 2, 3, 5, 6 Hz 조건에서의 각 1, 1.25, 1.5 J/cm2일 수 있다. 또한, 불순물이 함유된 타겟을 펄스 레이저 증착법을 수행할 때, 상기 레이저 파워가 0.5 내지 1 J/cm2인 경우 불순물이 함유된 음극층이 형성될 수 있으며, 상기 레이저 파워가 1.1 내지 2 J/cm2인 경우 불순물이 보다 적게 함유된 전자 수송층이 형성되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에피택시 성장은 펄스 레이저 증착법에 의해 수행되고, 음극층의 형성에 사용되는 타겟은 상기 불순물을 포함하는 TiO2 혼합물로서, 상기 불순물의 함량은 상기 불순물을 포함하는 TiO2 혼합물 100 중량부에 대해 0.1 중량부 내지 20 중량부로 포함되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 불순물의 함량이 상기 불순물을 포함하는 TiO2 혼합물 100 중량부에 대해 0.1 중량부 미만이면 불순물의 함량 매우 적어서 전도도가 증가되는 효과가 미미하고, 20 중량부를 초과하면 격자 상수가 지나치게 증가되어 단결정 기판과 격자 정합을 이루지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에피택시 성장된 음극층 및 전자 수송층에 함유된 상기 불순물의 함량 조절을 통해 상기 음극층 및 전자 수송층의 전도도가 조절되는 것일 수 있다.
본원의 구현예에 따른 광전 디바이스의 제조 방법에서, 상기 음극층 및 상기 전자 수송층은 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition)을 통해 단결정 기판 상에 에피택시 성장되고, 상기 음극층 및 상기 전자 수송층에 포함된 불순물의 함량은 레이저 파워의 조절을 통해 조절할 수 있으므로, 단결정 기판과 격자 정합을 이루는 음극과 전자 수송층을 용이하게 제조할 수 있는 이점이 있다.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 광전 디바이스; 및 상기 전자 수송층 상에 형성된 페로브스카이트 층을 포함하는, 태양전지를 제공한다.
제 1 측면 내지 제 3 측면에 있어서, 서로 공통될 수 있는 내용은 그 기재가 생략되었더라도 제 1 측면 내지 제 3 측면 모두에 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트는 유무기 복합 페로브스카이트일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유무기 복합 페로브스카이트를 형성하는 둘 이상의 유기-금속할로겐화물 중 하나의 유기-금속할로겐화물은 하기 화학식 1으로 표시되는 것이고, 다른 하나의 유기-금속할로겐화물은 하기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있다. 또 다른 하나의 유기-금속할로겐화물은 하기 화학식 3으로 표시되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다:
[화학식 1]
ABX3
상기 화학식 1에서 상기 A는 CH3NH3 +, NH2CHNH2 +, 또는 Cs+이며, 상기 B는 Cu, Ni2+, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pb2 +, Eu2 + 또는 Yb2 +과 같은 2가의 금속 이온이며, 상기 X는 F- , Cl-, Br- 또는 I-이다.
[화학식 2]
A'B'(X1(1-m)X2(m))3
상기 화학식 2에서 상기 A'는 CH3NH3 +, NH2CHNH2 +, 또는 Cs+이며, 상기 B'는 Cu, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pb2 +, Eu2 + 또는 Yb2 +과 같은 2가의 금속 이온이며, 상기 X1은 F- , Cl-, Br- 또는 I-이며, 상기 X2는 F- , Cl-, Br- 또는 I-이며, 상기 m은 0.0001 내지 1인 실수이다.
[화학식 3]
A"B"(X1(1-m)X2(m))3-yX3y
상기 화학식 3에서 상기 A"는 CH3NH3 +, NH2CHNH2 +, 또는 Cs+이며, 상기 B"는 Cu, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pb2 +, Eu2 + 또는 Yb2 +과 같은 2가의 금속 이온이며, 상기 X1은 F- , Cl-, Br- 또는 I-이며, 상기 X2는 F- , Cl-, Br- 또는 I-이며, X3 은 F- , Cl-, Br- 또는 I-이며, 상기 m은 0.0001 내지 1인 실수이고, 상기 y는 0.0001 내지 1인 실수이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유무기 복합 페로브스카이트는 CH3NH3PbCl3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbI3, HC(NH2)2PbCl3, HC(NH2)2PbBr3, HC(NH2)2PbI3, CsPbCl3, CsPbBr3, CsPbI3, CH3NH3SnCl3 및 CH3NH3BaCl3 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 태양전지는 상기 페로브스카이트 층 상에 형성된 정공 수송층 및 양극층을 추가 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 정공 수송층은 Spiro-OMeTAD [2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene], PEDOT:PSS [poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate)], G-PEDOT [poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrene sulfonate):polyglycol(glycerol)], PANI:PSS [polyaniline:poly(4-styrene sulfonate)], PANI:CSA (polyaniline:camphor sulfonic acid), PDBT [poly(4,4'-dimethoxy bithophene)], 폴리(3-헥실티오펜) (P3HT), (폴리[2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일[4,4-비스(2-에틸헥실-4H-사이클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜-2,6-디일]] (PCPDTBT), (폴리[[9-(1-옥틸노닐)-9H-카바졸-2,7-디일]-2,5-티오펜디일-2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일-2,5-티오펜디일]) (PCDTBT), 폴리(트리아릴아민) (PTAA), MoO3, V2O5, NiO, WO3, CuI 및 CuSCN 중에서 단독 혹은 복수로 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 양극층은 상부 전극으로서, Pt, Au, Ag, Pd, Al, Co 등 금속, 또는 그래핀과 같은 2 차원 금속을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 구현예들에 있어서, 상기 태양전지에서의 Nb 등의 불순물이 함유된 음극층은 상기 전자 수송층에 비해 격자 상수가 증가된 것으로서, 단결정 기판과 격자 상수가 동일하거나 매우 유사하고 전자 수송층에 비해 전도도가 크므로, 전자 수송층 계면과 전자 수송층 내부에서 일어나는 전자와 정공의 재결합 현상이 최소화되어 고효율의 발전 효과를 달성할 수 있는 이점이 있다.
이하, 본원의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것 일뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[
실시예
]
실시예
1: 단결정
기판 상에
형성된
아나타제
단일상의
음극층을
포함하는 광전
디바이스의
제조
도 1과 같은 구조에서, 펄스 레이저 증착법을 이용하여 단결정 기판 상에 음극층을 에피택시 성장시켰다. 구체적으로, 아나타제 TiO2 단일상의 전자 수송층의 형성을 염두에 두어 LaAlO3 단결정 기판을 사용하였다. 또한, 음극으로 사용될 하부 전극으로 아나타제 단일상을 갖는 Nb 도핑된 TiO2 또는 LaNiO3를 에피택시 성장시켰다. 이때 타겟의 불순물로 첨가되는 고체 상태의 Nb 혹은 Nb2O5 농도는 0.5, 1, 5, 10 wt% 까지 사용하였다. 음극층의 에피택시 성장을 위해서 단결정 기판 온도는 700 ℃, 산소 부분 압력 100 mTorr의 조건을 이용하였으며, 레이저 fluence는 1, 1.25, 1.5 J/cm2의 파워에 1,2,3,5,6 Hz의 조건을 이용할 수 있다.
실시예
2: 단결정
기판 상에
형성된
루틸
단일상의
음극층을
포함하는
광전
디바이스의 제조
실시예 1과 동일한 방법을 사용하였으며, 루틸 TiO2 단일상의 전자 수송층의 형성을 염두에 두어 γ-사파이어 단결정 기판을 사용할 수 있다. 음극층으로 사용될 하부 전극으로는 루틸 단일상을 갖는 Nb 도핑된 TiO2 를 에피택시 성장시켰다. 하부 전극인 음극층의 성장을 위해서 기판 온도는 800 ℃, 산소 부분 압력 100 mTorr의 조건을 이용하였다.
실시예
3: 단결정
기판 상에
형성된 단일상의
음극층
및 전자
수송층을
포함하는
광전
디바이스의
제조
도 2와 같이, 실시예 1 및 2에서 제조된 단결정 기판 상에 단일상의 음극을 포함하는 광전 디바이스에 펄스 레이저 증착법을 이용하여 음극층 상에 전자 수송층을 에피택시 성장시켰다.
실시예 1의 LaAlO3 단결정 기판을 사용한 경우는 아나타제 TiO2 단일상을 에피택시 성장시켰으며, 실시예 2의 γ-사파이어 단결정 기판을 사용한 경우는 루틸 TiO2 단일상을 성장시켰다.
도 3 내지 도 5와 같이, 광전 디바이스의 X-ray 회절 분석을 수행한 결과, LaAlO3 단결정 기판 및 아나타제 TiO2 단일상의 전자 수송층이 포함된 광전 디바이스(도 3), 사파이어 단결정 기판 및 루틸 TiO2 단일상의 전자 수송층을 포함하는 광전 디바이스(도 4), 및 LaAlO3 단결정 기판, LaAlO3 단일상의 음극층 및 아나타제 TiO2 단일상의 전자 수송층을 포함하는 광전 디바이스(도 5)가 생성되었음을 확인하였다.
실험예
1:
광전
디바이스의
격자 상수 확인
상기 제조된 실시예 3의 아나타제 TiO2 단일상을 포함하는 광전 디바이스를 X-ray 회절 분석을 수행한 결과, Nb 불순물이 함유된 아나타제 TiO2 단일상의 음극층은 아나타제 TiO2 단일상의 전자 수송층에 비해 격자 상수가 약 0.5 % 증가함을 확인하였다. 이로써, LaAlO3 단결정 기판과 음극층의 격자 상수의 차이가 측정하기 어려울 정도로 매우 적어 격자 정합이 잘 이루었음을 확인하였다 (도 6).
실험예
2: 광전자 분광기 측정 분석을 통한 레이저 파워에 따른
Nb
불순물의 증착 정도의 확인
상기 제조된 실시예 3의 아나타제 TiO2 단일상을 포함하는 광전 디바이스의 제조 과정에서, 에피택시 성장에서의 레이저 파워에 따른 Nb 불순물의 증착 정도를 광전자 분광기 측정을 통해 분석한 결과, Ti에 비해 상대적으로 무거운 증착되는 Nb 불순물의 농도는 레이저 파워가 증가할수록 감소되었으며, 레이저 파워가 감소할수록 증가됨을 확인하였다 (도 7).
실험예
3: 레이저 파워에 따라
Nb
불순물이 상이하게 함유된
음극층
및 전자
수송층의
전도도의 측정
상기 제조된 실시예 3의 아나타제 TiO2 단일상을 포함하는 광전 디바이스의 제조 과정에서 레이저 파워에 따라 Nb 불순물이 상이하게 함유된 음극층 및 전자 수송층의 전도도의 측정하였다. 큰 레이저 파워로 증착하여 Nb 불순물 농도가 낮게 함유된 TiO2 단일상 박막의 전도도는 낮게 나타났으며, 작은 레이저 파워로 증착한 Nb 불순물 농도가 높게 함유된 단일상 박막의 전도도는 높게 나타났다 (도 8). 이로써, 작은 레이저 파워에서 상대적으로 무거운 원자의 증착률이 올라가고, 반대로 큰 레이저 파워에서는 상대적으로 가벼운 원자의 증착률이 올라가는 것을 확인하였다., 이러한 방법을 이용하여 높은 레이저 파워로 불순물이 적게 함유된 층은 직렬 저항이 감소되고 전도도가 다소 향상되어 전자 수송층으로서의 용도로 매우 적합함을 확인하였으며, 낮은 레이저 파워로 불순물이 많이 함유된 층은 전도도가 매우 증가되어 음극으로서의 용도로 매우 적합함을 확인하였다 (도 8 및 도 10 참조).
실험예
4:
페로브스카이트를
포함하는
광전
디바이스의
시분해
광발광
(Time-Resolved Photoluminescence;
TRPL
) 측정
상기 제조된 실시예 3의 아나타제 TiO2 단일상(A) 및 루틸 TiO2 단일상을 포함하는 광전 디바이스에 페로브스카이트 층(R)을 추가 포함하여 시분해 광발광 측정을 수행하였으며, 그 결과는 하기 표와 같다.
| ETL | A1 | τ1(ns) | A2 | τ2(ns) | A2/(A1+A2) |
| A TiO2 | 0.30 | 17.83 | 851342 | 1.45 | 1 |
| A 1.5 J/cm2 | 0.86 | 10.99 | 394779 | 1.53 | 1 |
| R TiO2 | 0.70 | 16.35 | 3642 | 2.36 | 0.99981 |
| R 1.5 J/cm2 | 0.12 | 10.66 | 6560 | 2.27 | 0.99998 |
상기 표 1을 참조할 때, 트랩에서 일어나는 상대적으로 느린 감쇄 (A1, τ1) 의 비율이 계면에서 일어나는 상대적으로 빠른 감쇄 (A2, τ2)에 비해 매우 작게 나타났으며 (A2/(A1+A2) ~ 1), 계면에서 일어나는 감쇄도 1 ns 내지 2 ns 수준으로 매우 빠르게 일어나는 것을 확인하였다. 이는 생성된 전자들이 재결합 현상이 거의 없이 페로브스카이트 층에서 전자 수송층으로 빠르게 빠져나간다는 것으로, 이러한 수치는 그 동안 보고된 시분해 광발광으로 측정된 수치 중에 가장 빠른 값이다. 이로써, 실시예의 페로브스카이트를 포함하는 광전 디바이스는 전자 수송층 계면과 전자 수송층 내부에서 일어나는 전자와 정공의 재결합 현상이 최소화된 효과가 있음을 확인하였다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (18)
- 단결정 기판;
상기 단결정 기판 상에 에피택시 성장된 음극층; 및
상기 음극층 상에 에피택시 성장된 전자 수송층
을 포함하고,
상기 음극층은 상기 전자 수송층에 비해 전도도가 큰 것인,
광전 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단결정 기판은 LaAlO3 또는 사파이어를 포함하는 것인, 광전 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,
상기 음극층 및 상기 전자 수송층 각각은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, RuO2, LaxSr1-xCoO3, LaxSr1 - xMnO3, BaSnO3 및 LaNiO3 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이고,
0 < x ≤ 0.5인, 광전 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,
상기 음극층 및 상기 전자 수송층 각각은 독립적으로 불순물인 Nb, Li, Y 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상을 추가 포함하는 것인, 광전 디바이스.
- 제 4 항에 있어서,
상기 음극층은 상기 전자 수송층에 비해 많은 불순물을 함유하는 것인, 광전 디바이스.
- 제 4 항에 있어서,
상기 불순물은, 상기 음극층에서 상기 음극층 100 중량부에 대해 0.1 중량부 내지 20 중량부로 포함되는 것이고, 상기 전자 수송층에서 상기 전자 수송층 100 중량부에 대해 0 중량부 내지 10 중량부로 포함되는 것인, 광전 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단결정 기판과 상기 음극층의 격자 상수 차이는 0.1% 이하이고,
상기 음극층과 상기 전자 수송층의 격자 상수 차이는 0.5% 이하인 것인, 광전 디바이스.
- 삭제
- 단결정 기판 상에 음극층 물질을 에피택시 성장시켜 음극층을 형성하고,
상기 음극층 상에 전자 수송층 물질을 에피택시 성장시켜 전자 수송층을 형성하는 것
을 포함하는, 제 1 항에 따른 광전 디바이스의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 에피택시 성장은, 펄스 레이저 증착법, 액상 에피택시 성장법, 분자선 에피택시 성장법 또는 기상 에피택시 성장법에 의해 수행되는 것인, 광전 디바이스의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 음극층 및 상기 전자 수송층 각각은 TiO2 ,SnO2, ZnO, WO3, RuO2, LaxSr1-xCoO3, LaxSr1 - xMnO3, BaSnO3 및 LaNiO3 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이고,
0 < x ≤ 0.5인, 광전 디바이스의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 음극층 및 상기 전자 수송층 각각은 독립적으로 불순물인 Nb, Li, Y 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상을 추가 포함하는 것인, 광전 디바이스의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 음극층은 상기 전자 수송층에 비해 많은 불순물을 함유하는 것인, 광전 디바이스의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 불순물은, 상기 음극층에서 상기 음극층 100 중량부에 대해 0.1 중량부 내지 20 중량부로 포함되는 것이고, 상기 전자 수송층에서 상기 전자 수송층 100 중량부에 대해 0 중량부 내지 10 중량부로 포함되는 것인, 광전 디바이스의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 에피택시 성장은 펄스 레이저 증착법에 의해 수행되고,
상기 불순물은 레이저 파워가 클수록 적게 증착되고, 레이저 파워가 작을수록 많이 증착되는 것인, 광전 디바이스의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 에피택시 성장은 펄스 레이저 증착법에 의해 수행되고,
상기 음극층 및 상기 전자 수송층의 형성에 사용되는 타겟은 상기 불순물을 포함하는 TiO2 혼합물로서, 상기 불순물의 함량은 상기 불순물을 포함하는 TiO2 혼합물 100 중량부에 대해 0.1 중량부 내지 20 중량부로 포함되는 것인, 광전 디바이스의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 음극층 및 전자 수송층에 함유된 상기 불순물의 함량 조절을 통해 상기 음극층 및 전자 수송층의 전도도가 조절되는 것인, 광전 디바이스의 제조 방법.
- 제 1 항에 따른 광전 디바이스; 및
상기 전자 수송층 상에 형성된 페로브스카이트 층을 포함하는,
태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190177942A KR102212912B1 (ko) | 2019-12-30 | 2019-12-30 | 에피택시 성장층을 포함하는 광전 디바이스 및 이의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR102212912B1 true KR102212912B1 (ko) | 2021-02-05 |
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| KR (1) | KR102212912B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230094485A (ko) * | 2021-12-21 | 2023-06-28 | 포항공과대학교 산학협력단 | 페로브스카이트 화합물의 광전도성 조작 방법 및 이를 이용한 광전자 소자 |
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| JP2017117981A (ja) * | 2015-12-25 | 2017-06-29 | セイコーエプソン株式会社 | 圧電素子、圧電モジュール、電子機器、及び圧電素子の製造方法 |
| KR20190001157A (ko) | 2017-06-26 | 2019-01-04 | 성균관대학교산학협력단 | 페로브스이트 태양전지 및 이의 제조 방법 |
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2019
- 2019-12-30 KR KR1020190177942A patent/KR102212912B1/ko active IP Right Grant
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| KR102621648B1 (ko) | 2021-12-21 | 2024-01-04 | 포항공과대학교 산학협력단 | 페로브스카이트 화합물의 광전도성 조작 방법 및 이를 이용한 광전자 소자 |
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