KR102246070B1 - 탠덤형 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탠덤형 태양전지에 대한 것으로, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 제 1 전자 수집층; 상기 제 1 전자 수집층 상에 형성된 제 1 광활성층; 상기 제 1 광활성층 상에 형성된 제 1 정공 수집층; 상기 제 1 정공 수집층 상에 형성된 금속층; 상기 금속층 상에 형성된 제 2 전자 수집층; 상기 제 2 전자 수집층 상에 형성된 제 2 광활성층; 상기 제 2 광활성층 상에 형성된 제 2 정공 수집층; 및 상기 제 2 정공 수집층 상에 형성된 제 2 전극;을 포함하며, 상기 제 2 전자 수집층은 금속 산화물 및 중성고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 탠덤형 태양전지는 금속 산화물로 구성된 제 1 정공 수집층, p-타입 금속층 및 금속 산화물과 중성고분자를 포함하는 제 2 전자 수집층이 상호연결층 역할을 함으로써 Voc 1.61 V, FF 68.3%, PCE 14.05%를 달성하며, 100일 후에도 PCE가 10% 이상 유지할 정도로 안정성이 높은 고분자 태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 탠덤형 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 금속 산화물로 구성된 제 1 정공 수집층, p-타입 금속층 및 금속 산화물과 중성고분자를 포함하는 제 2 전자 수집층이 상호연결층 역할을 함으로써 14% 이상의 고효율을 달성할 수 있는 태양전지에 대한 것이다.
태양전지는 태양광을 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자이다. 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg: Band-gap Energy) 보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력: photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작 원리이다.
1980년대 이후 태양전지 제조에 가장 먼저 사용된 반도체 재료는 단결정실리콘으로서 현재 태양전지 시장에서, 특히 대규모 발전 시스템 분야에서 가장 널리 이용되고 있다. 이는 단결정실리콘으로 만든 태양전지의 효율이 기타 재료로 만든 태양전지에 비해 변환효율이 높기 때문이다. 반면에 가격은 높은 단점이 있는데, 그 해결방안으로 보다 저급의 실리콘을 이용하는 방법, 대량생산 및 공정 개선에 의한 방법 등이 시도 또는 계획되고 있다. 다결정실리콘 태양전지는 원재료로 저급의 실리콘 웨이퍼를 사용하는데, 효율은 단결정실리콘에 비해 낮은 반면 가격은 싸다. 이에 주택용 시스템 등에 주로 이용되고 있다.
한편, 유기 태양전지는 광흡수층으로 유기물을 사용하는 태양전지로서, 실리콘 등의 무기물보다 재료 원가가 값싸고 태양전지 제작과정이 매우 간소하여 생산 단가를 현저히 낮출 수 있다. 유기 태양전지(Organic solar cell)는 전자주개(electron donor) 특성과 전자받개(electron acceptor) 특성을 갖는 유기물들로 구성되는 것을 특징으로 한다. 작동원리는 빛 에너지가 유기물로 이루어진 광활성층에 입사되면 전자가 여기(excite)되고, 여기된 전자와 여기된 자리에 남아있는 홀(hole)이 정전기적으로 약하게 결합되어 서로 쌍을 이루는 엑시톤(exciton)이 생성된다. 태양빛을 받아서 생성된 엑시톤이 실제로 광전류를 발생시키기 위해서는 전자-홀 쌍이 쪼개져서(dissociation) 각각의 전자와 홀이 되어야 하고, 이때 전자는 양극으로 흐르고, 홀은 음극으로 흘러야 한다. 최근 고분자(polymer)로 이루어진 태양전지의 기술 진보로 인하여 에너지 변환 효율이 향상되고 있다.
또한, 2종 이상의 단일 태양전지를 적층하여 전기적으로 직렬연결시킴으로써 탠덤형 태양전지를 제작할 수 있다. 서로 다른 밴드갭을 갖는 2종 이상의 태양전지를 탠덤형 태양전지로 제조함으로써 넓은 파장 영역의 태양광을 이용할 수 있다. 나아가 2종 이상의 태양전지를 직렬로 연결하였으므로 개방 전압이 증가하게 되어 높은 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 탠덤형 태양전지의 개방전압은 각각의 단일 태양전지의 합에 해당되며, 탠덤형 태양전지의 광전류밀도는 각각의 단일 태양전지의 광전류밀도 중 작은 것에 의해 결정된다. 이 때, 작은 광전류밀도를 보이는 단일 태양전지를 제한전지(limiting cell)라 한다. 탠덤형 태양전지의 작동원리를 간략히 설명하면, 각각의 광흡수층에서 태양빛을 흡수하여 전자와 정공을 생성해 내는데, i형 비정질 실리콘 층(intrinsic, i형)에서 생성된 광전자는 전지 내부에 형성된 전기장에 의해 n형 비정질 실리콘 층으로 이동하고, 유기 광활성층에서 생성되어 정공수송층으로 이동된 정공과 재결합을 이룬다. 한편, i형 비정질 실리콘 층에서 생성된 정공은 p형 비정질 실리콘층으로 이동하여 투명전극에 의해 수집되고, 유기 광활성층에서 생성된 광전자는 금속전극에 의해 수집됨으로써 회로를 순환하며 전류를 발생시킨다.
이러한 탠덤형 태양전지의 고효율화 및 낮은 온도에서 제작할 수 있는 공정이 요구되고 있는 상황이다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 탠덤형 태양전지에 대한 것으로, 금속 산화물로 구성된 제 1 정공 수집층, p-타입 금속층 및 금속 산화물과 중성고분자를 포함하는 제 2 전자 수집층이 상호연결층 역할을 함으로써 14% 이상의 고효율을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 두 번째 목적은 200℃ 이하의 저온에서 탠덤형 태양전지를 제작할 수 있어 플렉시블 태양전지에 적용할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 탠덤형 태양전지는 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 제 1 전자 수집층; 상기 제 1 전자 수집층 상에 형성된 제 1 광활성층; 상기 제 1 광활성층 상에 형성된 제 1 정공 수집층; 상기 제 1 정공 수집층 상에 형성된 금속층; 상기 금속층 상에 형성된 제 2 전자 수집층; 상기 제 2 전자 수집층 상에 형성된 제 2 광활성층; 상기 제 2 광활성층 상에 형성된 제 2 정공 수집층; 및 상기 제 2 정공 수집층 상에 형성된 제 2 전극;을 포함하며, 상기 제 2 전자 수집층은 금속 산화물 및 중성고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 2 전자 수집층은 상기 금속 산화물 100 중량부를 기준으로 상기 중성고분자가 5 중량부 내지 10 중량부로 포함되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 중성고분자는 하기 화학식 1로서 표시되는 화합물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[화학식 1]
상기 n은 500 내지 100,000의 정수이고, 상기 R은 탄소수 3개 이하의 지방족 사슬인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 중성고분자는 하기 화학식 2로서 표시되는 화합물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[화학식 2]
상기 n은 500 내지 100,000의 정수인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 2 전자 수집층의 일면이 분화구 모양의 돌출부를 구비하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 2 전자 수집층은 재결합 영역(recombination zone)을 형성하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속층의 두께는 5 nm 내지 10 nm인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속층의 투명도는 45% 내지 70%인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속층은 p-타입 금속을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탠덤형 태양전지의 전력변환효율은 11.5% 내지 17%인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 탠덤형 태양전지의 제조 방법은 제 1 전극 상에 제 1 전자 수집층을 형성하는 단계; 상기 제 1 전자 수집층 상에 제 1 광활성층을 형성하는 단계; 상기 제 1 광활성층 상에 제 1 정공 수집층을 형성하는 단계; 상기 제 1 정공 수집층 상에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 상에 제 2 전자 수집층을 형성하는 단계; 상기 제 2 전자 수집층 상에 제 2 광활성층을 형성하는 단계; 상기 제 2 광활성층 상에 제 2 정공 수집층을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 정공 수집층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 제 2 전자 수집층은 금속 산화물 및 중성고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 중성고분자는 하기 화학식 1로서 표시되는 화합물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[화학식 1]
상기 n은 500 내지 100,000의 정수이고, 상기 R은 탄소수 3개 이하의 지방족 사슬인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 중성고분자는 하기 화학식 2로서 표시되는 화합물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[화학식 2]
상기 n은 500 내지 100,000의 정수인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 2 전자 수집층의 일면이 분화구 모양의 돌출부로 형성되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속층의 두께는 5 nm 내지 10 nm로 형성되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 탠덤형 태양전지는 금속 산화물로 구성된 제 1 정공 수집층, p-타입 금속층 및 금속 산화물과 중성 고분자를 포함하는 제 2 전자 수집층이 상호연결층 역할을 함으로써 안정적인 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 본원에 따른 탠덤형 태양전지의 상호연결층은 전방 셀과 후방 셀을 안정적으로 연결하여 1.5 V 이상의 높은 개방 전압과 광흡수층의 광 흡수 특성을 향상시켜 14.05%의 고효율 탠덤형 고분자 태양전지를 제공한다.
나아가, 본원의 탠덤형 태양전지는 안정적인 고분자 태양전지를 제공하여 100일 후에도 전력변환효율이 10%이상을 유지할 수 있다.
더욱이, 200℃ 이하의 저온에서 탠덤형 태양전지를 제작할 수 있어 플렉시블 태양전지의 구현이 가능할 수 있다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 탠덤형 태양전지의 도면이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 탠덤형 태양전지의 순서도이다.
도 3a는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 구조를 나타낸 모식도이고, 도 3b는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 표면의 AFM(atomic force microscope) 이미지이다.
도 5는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 광흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 단면의 HRTEM(high-resolution scanning transmission electron microscope) 및 STEM(scanning transmission electron microscope) 이미지이다.
도 7은 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프를 나타낸 것이다.
도 8a는 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프이고, 도8b는 금속층의 두께에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 Jsc 및 Voc를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 FF 및 PCE를 나타낸 그래프이다.
도 11a는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 단면을 나타낸 도면이고, 도 11b는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프이다.
도 12a는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 단면을 나타낸 도면이고, 도 12b는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프이다.
도 13은 본 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프를 나타낸 것이다.
도 14는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 시간에 따른 J-V 그래프를 나타낸 것이다.
도 15a는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 시간에 따른 Jsc 및 Voc를 나타낸 그래프이고, 도 15b는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 시간에 따른 FF(fill factor) 및 PCE(power conversion efficiency)를 나타낸 그래프이다.
도 16a는 본 비교예 6에서 제조한 싱글형 태양전지의 모식도이고, 도 16b는 본 비교예 7에서 제조한 싱글형 태양전지의 모식도이다.
도 17은 본 비교예에 따라 제조된 싱글형 태양전지의 J-V 그래프를 나타낸 것이다.
도 18은 본 비교예에 따라 제조된 싱글형 태양전지의 파장에 따른 EQE(external quantum efficiency)를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지 및 본 비교예에 따라 제조된 싱글형 태양전지의 파장에 따른 정규화된 EQE(external quantum efficiency)를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 탠덤형 태양전지의 순서도이다.
도 3a는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 구조를 나타낸 모식도이고, 도 3b는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 표면의 AFM(atomic force microscope) 이미지이다.
도 5는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 광흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 단면의 HRTEM(high-resolution scanning transmission electron microscope) 및 STEM(scanning transmission electron microscope) 이미지이다.
도 7은 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프를 나타낸 것이다.
도 8a는 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프이고, 도8b는 금속층의 두께에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 Jsc 및 Voc를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 FF 및 PCE를 나타낸 그래프이다.
도 11a는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 단면을 나타낸 도면이고, 도 11b는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프이다.
도 12a는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 단면을 나타낸 도면이고, 도 12b는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프이다.
도 13은 본 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프를 나타낸 것이다.
도 14는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 시간에 따른 J-V 그래프를 나타낸 것이다.
도 15a는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 시간에 따른 Jsc 및 Voc를 나타낸 그래프이고, 도 15b는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 시간에 따른 FF(fill factor) 및 PCE(power conversion efficiency)를 나타낸 그래프이다.
도 16a는 본 비교예 6에서 제조한 싱글형 태양전지의 모식도이고, 도 16b는 본 비교예 7에서 제조한 싱글형 태양전지의 모식도이다.
도 17은 본 비교예에 따라 제조된 싱글형 태양전지의 J-V 그래프를 나타낸 것이다.
도 18은 본 비교예에 따라 제조된 싱글형 태양전지의 파장에 따른 EQE(external quantum efficiency)를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지 및 본 비교예에 따라 제조된 싱글형 태양전지의 파장에 따른 정규화된 EQE(external quantum efficiency)를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 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.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 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. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"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.
이하에서는 본원의 탠덤형 태양전지 및 이의 제조 방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
본원은, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 제 1 전자 수집층; 상기 제 1 전자 수집층 상에 형성된 제 1 광활성층; 상기 제 1 광활성층 상에 형성된 제 1 정공 수집층; 상기 제 1 정공 수집층 상에 형성된 금속층; 상기 금속층 상에 형성된 제 2 전자 수집층; 상기 제 2 전자 수집층 상에 형성된 제 2 광활성층; 상기 제 2 광활성층 상에 형성된 제 2 정공 수집층; 및 상기 제 2 정공 수집층 상에 형성된 제 2 전극;을 포함하며, 상기 제 2 전자 수집층은 금속 산화물 및 중성고분자를 포함하는 탠덤형 태양전지에 관한 것이다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 탠덤형 태양전지의 도면이다.
도 1을 참조하면, 탠덤형 태양전지는 제 1 전극(110), 제 1 전자 수집층(120), 제 1 광활성층(130), 제 1 정공 수집층(140), 금속층(150), 제 2 전자 수집층(160), 제 2 광활성층(170), 제 2 정공 수집층(180) 및 제 2 전극(190)을 포함한다.
상기 제 1 정공 수집층(140), 상기 금속층(150) 및 상기 제 2 전자 수집층(160)은 상호연결층(interconnection layers)으로서 작용하는 것이다.
상기 상호연결층은 전방 셀 및 후방 셀을 안정적으로 연결하여 1.5V 이상의 높은 개방전압(Voc, Open-Circuit Voltage)을 얻을 수 있다.
상기 탠덤형 태양전지는 전방 셀 및 후방 셀이 상기 상호연결층에 의해 연결되어 있는 것일 수 있다.
상기 전방 셀(front cell)은 상기 제 1 전극(110), 상기 제 1 전자 수집층(120) 및 상기 제 1 광활성층(130)을 포함하는 것 일 수 있다. 또한, 상기 후방 셀(rear cell)은 상기 제 2 광활성층(170), 상기 제 2 정공 수집층(180) 및 상기 제 2 전극(190)을 포함하는 것 일 수 있다.
상기 탠덤형 태양전지는 두 개의 전극, 즉, 제 1 전극(110)과 제 2 전극(190)이 서로 면 접합된 샌드위치 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 1 전극(110)은 작업 전극(working electrode) 또는 반도체 전극으로서 표현될 수 있으며, 상기 제 2 전극(190)은 상대 전극(counter electrode)으로서 표현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1전극 및 상기 제 2전극은 각각 독립적으로 금속, 전도성 고분자, 탄소물질, 주석계 산화물, 산화아연 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1전극(110)은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 전극(110)은 기재 상에 형성되는 것 일 수 있다.
상기 기재는 유리, PET(Poly Ethylene Terephalate), PEN(Poly Ethylene Naphthelate), PC(PolyCarbonate), PI(Poly Imide) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 기재를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 유리는 200℃ 이상의 어닐링 공정시 변형되지 않으며 태양광 투과성이 매우 뛰어난 장점이 있지만, 유연성이 부족하여 외력이 가해질 시에 휘기보다는 부러지기 쉽다는 문제점이 있다.
상기 PET의 경우, 태양광에 대한 뛰어난 투과성을 가졌으며, 비교적 유연하다. 그러나, 유리전이온도가 약 190℃ 이므로 190℃ 이상의 온도에서 열처리 단계가 포함되는 경우 기재로서 사용이 불가능하다. 상기 PEN은 상기 PET 보다 열에 대한 저항성이 높은 장점이 있다.
상기 금속은 Cu, Ni, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Cn 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) (PEDOT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) 폴리스티렌 설포네이트 (PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리사이오펜, 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리풀러렌 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 풀러렌, 카본나노섬유 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 탄소물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 전자 수집층(120)은 금속 산화물, 유기 반도체, 무기 반도체 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속 산화물은 TiO2, SnO2, ZnO, Nb2O5, Ta2O5, WO3, W2O5, In2O3, Ga2O3, Nd2O3, PbO, CdO, NB2O5, TiSrO3 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 광활성층(130) 및 상기 제 2 광활성층(170)은 각각 독립적으로 PC71BM ([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester), PIDTT-BT(poly[{5,5,11,11-tetrakis(5-(2-ethylhexyl)thio-phene-2-yl)-dithieno[2,3-d:2',3'-d']-s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithio-phene-3,9-diyl}-co-{(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl}]), PBDB-T(poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-thylhexyl)thiophen-2-yl)-benzo[1,2-b:4,5-b0]dithiophene))-alt-(5,5-(10,30-di-2-thienyl-50,70-bis(2-ethylhexyl)benzo[10,20-c:40,50-c0]dithiophene-4,8-dione))]), IT-M(3,9-bis(6-methyl-2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl)-dithieno[2,3-d:20,30-d0]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b0]dithiophene), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) (PEDOT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) 폴리스티렌 설포네이트 (PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리사이오펜, 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리풀러렌 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 정공 수집층(140)은 금속 산화물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속 산화물은 MoO3, TiO2, SnO2, ZnO, Nb2O5, Ta2O5, WO3, W2O5, In2O3, Ga2O3, Nd2O3, PbO, CdO, NB2O5, TiSrO3 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속층(150)은 p-타입 금속을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 p-타입 금속은 Ni, Cu, Zn, Al, Ag, Pd, Pt, Au, In, Ga 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속층(150)의 에너지 밴드갭은 5.3 eV 내지 4.5 eV인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속층(150)의 두께는 5 nm 내지 10 nm인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속층(150)의 두께가 5 nm 미만일 경우, 상기 상호연결층의 전자 수송이 충분히 일어나지 않아 결과적으로 상기 탠덤형 태양전지의 효율이 낮아질 수 있다. 상기 금속층(150)의 두께가 10 nm 이상일 경우 태양 빛의 투과도가 낮아지면서 전방 셀에서 후방 셀로 가는 빛을 차단하여 결과적으로 상기 탠덤형 태양전지의 효율이 낮아질 수 있다.
상기 금속층(150)의 투명도는 45% 내지 70%인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속층(150)의 투명도가 45% 미만일 경우 전방 셀에서 후방 셀로 투과되는 태양 빛을 차단하여 결과적으로 상기 탠덤형 태양전지의 효율이 낮아 질 수 있다. 또한, 상기 금속층(150)의 투명도가 70% 초과일 경우, 상기 금속층이 충분히 형성되지 않아 전자 수송이 충분히 일어나지 않을 수 있다.
상기 제 2 전자 수집층(160)은 금속 산화물 및 중성고분자를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 2 전자 수집층(160)은 금속 산화물 및 중성고분자가 하이브리드화되어 있는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 하이브리드화는 상기 금속 산화물 및 중성고분자가 혼합되어 있는 것을 의미한다.
상기 금속 산화물은 TiO2, SnO2, ZnO, Nb2O5, In2O3, Ga2O3, TiSrO3, CuO, Al2O3, Zn-Sn-O, Cu-Al-O, Zn-Rh-O, IGZO 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다만, 상기 금속 산화물 중 산화아연(ZnO)의 합성이 비교적 저온에서 이루어지며, 안전한 작업환경 조성에 유리하고, 제작 단가가 낮다는 측면에서 강점을 가진다. 특히 후술하는 중성고분자를 포함할 시에 산화아연을 사용하여 150℃ 이하의 공정을 통해 전자 수집층(160)의 형성이 가능하다는 장점이 있다.
상기 중성고분자는 하기 화학식 1로서 표시되는 화합물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 n은 500 내지 100,000의 정수이고, 상기 R은 탄소수 3개 이하의 지방족 사슬인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 화학식 1로서 표시되는 화합물은 형식전하가 0이므로 본 명세서에서는 중성고분자라 칭한다. 다만, 중성고분자라 하여 전하가 편재되어 있지 않은 것은 아니다. 상기 N의 비공유전자쌍이 공명구조를 통하여 비편재되므로, 상기 N은 부분 양전하를, 상기 O는 부분 음전하를 띠게 된다. 상기 O가 부분 음전하를 띤다는 사실에 기초하여 본 발명의 여러 효과를 도출할 수 있다.
부분음전하를 가진 중성고분자가 상기 제 2 전자 수집층(160)에 포함됨에 따라 제 2 전자 수집층(160)의 HOMO 값이 증가하며, 그 결과 제 2 전자 수집층(160)의 일함수는 감소하게 된다. 더불어, 부분음전하의 증가로 인하여 상기 제 2 전자 수집층(160)의 LUMO값도 증가한다. 상기 제 2 전자 수집층(160)의 LUMO 값이 증가함으로써 상기 제 2 광활성층(170)의 LUMO 값과 상기 제 2 전자 수집층(160)의 '차이값'이 감소하게 된다. 상기 차이값의 감소로 인하여 상기 제 2 광활성층(170)과 상기 제 2 전자 수집층(160) 사이의 전자 전달이 더욱 용이해지며, 전력변환효율이 증가하게 된다.
상기 중성고분자는 하기 화학식 2로서 표시되는 화합물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 n은 500 내지 100,000의 정수인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 화학식 2로서 표시되는 화합물이 상기 제 2 전자 수집층(160)에 포함되었을 때, 상기 제 2 전자 수집층(160)의 일함수가 낮아지고 내부 확산 전위는 높아지며, 상기 제 2 광활성층(170)과의 접합 면적이 현격히 증가하여 전력변환효율이 증가하게된다.
상기 제 2 전자 수집층(160)의 일면이 분화구 모양의 돌출부를 구비하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 2 전자 수집층(160)의 일면이 분화구 모양의 돌출부를 구비하여 표면적 및 표면 안정성이 증가하여 상기 제 2 광활성층의 광 흡수 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 제 2 전자 수집층(160)은 상기 금속 산화물 100 중량부를 기준으로 상기 중성고분자가 5 중량부 내지 10 중량부로 포함되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 2 전자 수집층(160)이 상기 금속 산화물 100 중량부를 기준으로 상기 중성고분자가 5 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 나노크기-분화구 형상이 충분히 형성되지 아니하여 전력변환효율이 감소하게 된다. 또한, 상기 금속 산화물 100 중량부를 기준으로 상기 중성고분자가 10 중량부 초과로 포함되는 경우 나노크기-분화구 형상이 지나치게 크게 형성되어 상기 제 2 광활성층(170)과 상기 제 2 전자 수집층(160) 사이의 접합면적이 감소하게 되어 에너지 변환효율이 감소하게 된다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 2 전자수집층(160)이 상기 금속 화합물 100 중량부를 기준으로 상기 중성고분자가 5 중량부 내지 6 중량부로 포함되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분화구 모양의 돌출부의 직경은 50 nm 내지 500 nm인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 직경이 50 nm 미만일 경우에는 표면적의 증가가 미미하여 전력변환효율의 증가가 유의미하게 나타나지 않을 수 있다. 또한, 상기 직경이 500 nm 초과일 경우, 가시광선의 일정 영역에서 투과율이 80% 이하로 감소할 수 있다.
상기 제 2 전자 수집층(160)은 재결합 영역(recombination zone)을 형성하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 2 전자 수집층(160)은 재결합 영역을 형성하여 전방 셀과 후방 셀을 직렬로 연결시켜 전압을 두 배 이상 증가시킬 수 있다.
상기 제 2 정공 수집층(180)은 금속 산화물, 유기 반도체, 무기 반도체 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속 산화물은 MoO3, TiO2, SnO2, ZnO, Nb2O5, Ta2O5, WO3, W2O5, In2O3, Ga2O3, Nd2O3, PbO, CdO, NB2O5, TiSrO3 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탠덤형 태양전지(100)의 전력변환효율은 11.5% 내지 17%인 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 탠덤형 태양전지(100)의 전력변환효율은 12% 내지 14.5%인 것일 수 있다.
상기 탠덤형 태양전지(100)의 소자 안정성이 뛰어나기 때문에 50일 후에도 12% 내지 15%의 전력변환효율을 유지할 수 있다.
상기 탠덤형 태양전지 (100)은 100일 후에 11% 내지 14%의 전력변환효율을 유지할 수 있다.
본원은 제 1 전극 상에 제 1 전자 수집층을 형성하는 단계; 상기 제 1 전자 수집층 상에 제 1 광활성층을 형성하는 단계; 상기 제 1 광활성층 상에 제 1 정공 수집층을 형성하는 단계; 상기 제 1 정공 수집층 상에 금속층을 형성하는 단계; 상기 금속층 상에 제 2 전자 수집층을 형성하는 단계; 상기 제 2 전자 수집층 상에 제 2 광활성층을 형성하는 단계; 상기 제 2 광활성층 상에 제 2 정공 수집층을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 정공 수집층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 제 2 전자 수집층은 금속 산화물 및 중성고분자를 포함하는 탠덤형 태양전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 탠덤형 태양전지의 제조 방법은 스핀 코팅법, 캐스트법, 량뮤어-블로젯 (Langmuir-Blodgett, LB)법, 잉크젯 프린팅법, 노즐 프린팅법, 슬롯 다이 코팅법, 닥터블레이드 코팅법, 스크린 프린팅법, 딥 코팅법, 그래비어 프린팅법, 리버스 오프센 프린팅법, 물리적 전사법, 스프레이 코팅법, 화학기상증착법, 열증착법, 진공증착법 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 수행되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탠덤형 태양전지의 제조 방법은 25℃ 내지 200℃의 온도에서 수행되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 탠덤형 태양전지의 순서도이다.
먼저, 제 1 전극 상에 제 1 전자 수집층을 형성한다(S100).
상기 제 1 전극은 기재 상에 형성된 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 탠덤형 태양전지의 제조 방법은 200℃ 이하의 저온에서 공정을 수행하므로 상기 기재로서 PET, PEN, PC, PI 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 고분자를 포함하는 것 일 수 있다. 상기 기재로서 고분자를 사용함으로써 유연성을 가진 태양전지를 개발할 수 있다.
이어서, 상기 제 1 전자 수집층 상에 제 1 광활성층을 형성한다(S200).
이어서, 상기 제 1 광활성층 상에 제 1 정공 수집층을 형성한다(S300).
이어서, 상기 제 1 정공 수집층 상에 금속층을 형성한다(S400).
상기 금속층의 두께는 5 nm 내지 10 nm로 형성되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 상기 금속층 상에 제 2 전자 수집층을 형성한다(S500).
상기 제 2 전자 수집층은 금속 산화물과 중성고분자의 전구체의 혼합 용액을 상기 금속층 상에 도포하여 형성하는 것이다.
상기 중성고분자는 상기 화학식 1로서 표시되는 화합물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 중성고분자는 상기 화학식 2로서 표시되는 화합물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 혼합 용액을 상기 금속층 상에 도포한 후 100℃ 내지 150℃의 온도에서 어닐링하여 상기 제 2 전자 수집층이 형성되는 것 일 수 있다.
일반적으로, 금속 산화물을 형성하기 위해서는 통상적으로 200℃ 이상의 어닐링 온도가 요구된다. 하지만 상기 중성고분자를 포함함으로써 150℃ 이하의 저온에서 형성할 수 있다.
종래에는, 상기 금속 산화물이 아연 산화물일 경우, 통상적으로 200℃ 이상의 온도에서 아연의 산화가 충분하게 일어나게 된다. 만약 150℃ 이하의 온도에서 아연의 산화를 진행하면 산소 결핍(Oxygen Deficient)이 발생하게 된다.
상기 산소 결핍이 발생하게 될 경우, 아연 산화물의 격자구조의 반복성이 훼손되어 내부확산전위가 낮아지고, 일함수는 높아지는 문제점이 발생하게 된다. 따라서 통상적으로는 산소 결핍이 발생하지 않을 정도의 충분히 높은 온도를 가열한다.
하지만, 본 발명의 상기 제 2 전자 수집층은 부피가 상당한 상기 중성고분자를 추가로 포함하며, 상기 중성고분자는 상기 산소 결핍이 발생한 자리를 물리적으로 채우는 동시에 전기적으로는 일함수를 낮추고 내부확산 전위는 높여줄 수 있다. 특히, 물리적으로 산소 결핍의 공백을 메우는 과정에서 본 발명의 상기 제 2 전자 수집층의 특징적인 구조인 분화구 모양의 돌출부가 나타나게 된다. 구체적으로, 상기 금속 산화물이 아연 산화물일 경우, 상기 아연 산화물은 상기 화학식 1로서 표시되는 산화물을 용해시킬 수 없다. 또한, 상기 중성고분자의 내부에는 부분양전하가 위치하고, 외부에는 부분음전하가 위치할 수 있게 뭉치게 된다. 이는 이미 산소가 풍부한 아연과 상기 중성고분자의 부분 양전하 사이에는 반발력이 생기는 반면에 상기 중성고분자의 부분음전하 사이에는 인력이 생기기 때문이다. 이로 인하여 상기 제 2 전자 수집층의 표면은 분화구 모양의 돌출부로 형성된다.
이어서, 상기 제 2 전자 수집층 상에 제 2 광활성층을 형성한다(S600).
이어서, 상기 제 2 광활성층 상에 제 2 정공 수집층을 형성한다(S700).
이어서, 상기 제 2 정공 수집층 상에 제 2 전극을 형성한다(S800).
본원에 따른 탠덤형 태양전지의 제조 방법은 200℃ 이하의 저온에서 제작할 수 있어 플렉시블 태양전지에 적용할 수 있다.
본원의 적층형 기술과 저온 공정은 다양한 유기전자소자 분야에 접목이 가능하며, 하이브리드 전자소자분야에서도 응용이 가능하므로 전자 소자 분야의 시장성 확대를 유도할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
먼저, 제 1 전극으로서 ITO(Indium tin oxide) 박막이 코팅된 유리 기재가 사용되었으며, 상기 ITO가 코팅된 유리 기재의 시트 저항은 12 Ω/cm2이다. 상기 ITO 상에 ZnO 전구체 용액을 스핀코팅하여 형성한 후 200℃의 온도에 1시간 동안 어닐링 하여 제 1 전자 수집층을 형성하였다. 상기 ZnO 상에 PIDTT-BT:PC71BM을 코팅하여 제 1 광활성층을 형성하였다. 상기 PIDTT-BT:PC71BM 상에 MoO3 10nm를 증착하여 제 1 정공 수집층을 형성하였다. 상기 MoO3 상에 Ni을 6 nm의 두께로 열증착하여 금속층을 형성하였다. 상기 Ni 상에 ZnO:PEOz(poly(2-ethyl-2-oxazoline)) 전구체 용액(용매로서 에탄올 아민 28 μl에 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol) 1ml 및 아세트산아연(zinx acetate dehydrate) 100 mg을 용해시킨 용액)을 스핀코팅하여 형성한 후 140℃의 온도에서 1시간동안 어닐링하여 제 2 전자 수집층을 형성하였다. 상기 ZnO:PEOz 상에 PBDB-T:IT-M을 스핀코팅하여 제 2 광활성층을 형성하였다. 상기 PBDB-T:IT-M 상에 MoO3를 10 nm의 두께로 증착하여 제 2 정공 수집층을 형성하였다. 상기 MoO3 상에 은(Ag)을 80 nm의 두께로 증착하여 제 2 전극을 형성하였다. ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM/MoO3/Ni(6nm)/ZnO:PEOz/PBDB-T:IT-M/MoO3/Ag 구조의 탠덤형 태양전지를 제작하였다.
Ni의 두께를 8 nm로 증착하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM/MoO3/Ni(8nm)/ZnO:PEOz/PBDB-T:IT-M/MoO3/Ag 구조의 탠덤형 태양전지를 제조하였다.
[비교예 1]
금속층으로서 Ni을 증착하지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM/MoO3/Ni(0nm)/ZnO:PEOz/PBDB-T:IT-M/MoO3/Ag 구조의 탠덤형 태양전지를 제조하였다.
[비교예 2]
Ni의 두께를 2 nm로 증착하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM/MoO3/Ni(2nm)/ZnO:PEOz/PBDB-T:IT-M/MoO3/Ag 구조의 탠덤형 태양전지를 제조하였다.
[비교예 3]
Ni의 두께를 4 nm로 증착하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM/MoO3/Ni(4nm)/ZnO:PEOz/PBDB-T:IT-M/MoO3/Ag 구조의 탠덤형 태양전지를 제조하였다.
[비교예 4]
Ni의 두께를 10 nm로 증착하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM/MoO3/Ni(10nm)/ZnO:PEOz/PBDB-T:IT-M/MoO3/Ag 구조의 탠덤형 태양전지를 제조하였다.
[비교예 5]
제 2 전자 수집층으로서 ZnO 전구체 용액을 사용하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM/MoO3/Ni(6nm)/ZnO/PBDB-T:IT-M/MoO3/Ag 구조의 탠덤형 태양전지를 제조하였다.
[비교예 6]
먼저, 제 1 전극으로서 ITO(Indium tin oxide) 박막이 코팅된 유리 기재가 사용되었으며, 상기 ITO가 코팅된 유리 기재의 시트 저항은 12 Ω/cm2이다. 상기 ITO 상에 ZnO 전구체 용액을 스핀코팅하여 형성한 후 200℃의 온도에 1시간 동안 어닐링 하여 전자 수집층을 형성하였다. 상기 ZnO 상에 PIDTT-BT:PC71BM을 코팅하여 광활성층을 형성하였다. 상기 PIDTT-BT:PC71BM 상에 MoO3 10nm를 증착하여 정공 수집층을 형성하였다. 상기 MoO3 상에 은(Ag)을 80 nm의 두께로 증착하여 제 2 전극을 형성하였다. ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM/MoO3/Ag 구조의 싱글형 태양전지를 제작하였다(실시예의 전방 셀).
[비교예 7]
먼저, 제 1 전극으로서 ITO(Indium tin oxide) 박막이 코팅된 유리 기재가 사용되었으며, 상기 ITO가 코팅된 유리 기재의 시트 저항은 12 Ω/cm2이다. 상기 ITO 상에 ZnO:PEOz 전구체 용액(용매로서 에탄올 아민 28 μl에 2-메톡시에탄올(2-methoxyethanol) 1ml 및 아세트산아연(zinx acetate dehydrate) 100 mg을 용해시킨 용액)을 스핀코팅하여 형성한 후 140℃의 온도에서 1시간동안 어닐링하여 전자 수집층을 형성하였다. 상기 ZnO:PEOz 상에 PBDB-T:IT-M을 스핀코팅하여 광활성층을 형성하였다. 상기 PBDB-T:IT-M 상에 MoO3를 10 nm의 두께로 증착하여 정공 수집층을 형성하였다. 상기 MoO3 상에 은(Ag)을 80 nm의 두께로 증착하여 제 2 전극을 형성하였다. ITO/ZnO:PEOz/PBDB-T:IT-M/MoO3/Ag 구조의 싱글형 태양전지를 제조하였다(실시예의 후방 셀).
[평가]
1. 탠덤형 태양전지의 특성 분석
상기 실시예 1에서 제조한 탠덤형 태양전지의 특성을 관찰하였고 그 결과를 도 3 내지 도 6으로서 나타내었다.
도 3a는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 구조를 나타낸 모식도이고, 도 3b는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면이다.
도 3b를 참고하면, 금속층의 Ni의 일 함수가 5.19 eV로서, 제 1 정공 수집층의 HOMO 값(5.3 eV)과 유사하여 전방 셀의 정공이 후방 셀로 더욱 용이하게 이동할 수 있도록 한다.
도 4는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 표면의 AFM(atomic force microscope) 이미지이다.
구체적으로, 도4a는 ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM, 도 4b는 ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM/MoO3, 도 4c는 ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM/MoO3/Ni(6nm), 도 4d는 ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM/MoO3/Ni(6nm)/ZnO:PEOz, 도 4e는 ITO/ZnO/PIDTTBT:PC71BM/MoO3/Ni(6nm)/ZnO:PEOz/PBDB-T:IT-M의 표면의 AFM이미지이다.
도 4에 나타난 결과에 따르면, 제 2 전자 수집층인 ZnO:PEOz가 형성됨으로써 표면의 거칠기가 5.469 nm로 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 상기 ZnO:PEOz가 하이브리드화 되어 분화구 모양의 돌출부를 형성하면서 표면적이 향상된 것을 나타내는 것이다. 더욱이 상기 ZnO:PEOz 상에 PBDB-T:IT-M를 형성하면서 2.216 nm로 감소된 것으로 제 2 광활성층이 잘 형성된 것으로 볼 수 있다.
도 5는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 광흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 5에서 1은 PIDTTBT:PC71BM, 2는 PBDB-T:IT-M, 3은 PIDTTBT:PC71BM/MoO3/Ni(6nm)/ZnO:PEOz/PBDB-T:IT-M의 광흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5에 나타난 결과에 따르면, PIDTTBT:PC71BM는 짧은 파장 범위에서 흡수가 높은 반면, PBDB-T:IT-M는 긴 파장 범위에서 흡수가 높은 것을 확인할 수 있다. 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지는 상호연결층으로 인해 300 nm 내지 900 nm의 넓은 파장 범위에서 광흡수가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 상기 상호연결층은 탠덤형 태양전지가 넓은 파장 영역의 태양광을 이용할 수 있는 데에 도움을 주는 것이다. 더욱이, 800 nm 내지 900 nm의 파장은 Ni(금속층)의 광흡수로 인해 나타나는 것이다.
도 6은 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 단면의 HRTEM(high-resolution scanning transmission electron microscope) 및 STEM(scanning transmission electron microscope) 이미지이다.
구체적으로, 도 6a는 탠덤형 태양전지의 단면의 HRTEM 이미지이고, 도 6b는 탠덤형 태양전지의 STEM 이미지이다.
도 6에 나타난 결과에 따르면, 금속층의 Ni은 잘 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 6에 6으로 표시된 부분은 제 2 전자 수집층으로서 분화구가 형성되어 단면에 웨이브 형태로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
2. Ni(금속층)의 두께에 따른 탠덤형 태양전지의 특성 분석
상기 실시예 1 및 2, 비교예 1 내지 4에서 제조한 탠덤형 태양전지의 특성을 관찰하였고 그 결과를 도 7 내지 도 12로서 나타내었다.
도 7은 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프를 나타낸 것이다.
구체적으로, 도 7은 Ni의 두께에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프를 나타낸 것이다. Ni의 두께가 0 nm인 것은 비교예 1, 2 nm는 비교예 2, 4 nm는 비교예 3, 6 nm는 실시예 1, 8 nm는 실시예 2, 10 nm는 비교예 4의 J-V 그래프(air mass 1.5G, 100 mW/cm2)이다.
도 8a는 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프이고, 도8b는 금속층의 두께에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 Jsc 및 Voc를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 FF 및 PCE를 나타낸 그래프이다.
본 실시예 및 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지, 즉, 금속층(Ni)의 두께에 따른 Voc, Jsc, FF, PCE, Rs 및 RSH를 하기 표 1로서 나타내었다.
| 비교예 1 | 비교예 2 | 비교예 3 | 실시예 1 | 실시예 2 | 비교예 4 | |
| tNi(nm) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
| VOC (V) | 0.60 (±0.02) |
1.56 (±0.01) |
1.59 (±0.01) |
1.61 (±0.01) |
1.58 (±0.01) |
1.10 (±0.02) |
| JSC (mA/cm2) |
7.088 (±0.85) |
5.514 (±0.26) |
6.350 (±0.09) |
12.86 (±0.18) |
11.41 (±0.15) |
9.92 (±0.52) |
| FF (%) | 29.9 (±1.20) |
42.3 (±0.40) |
42.1 (±0.30) |
68.3 (±1.20) |
73.1 (±0.40) |
69.5 (±1.80) |
| PCE (%) | 1.257 (±0.23) |
3.640 (±0.18) |
4.220 (±0.13) |
14.05 (±0.17) |
13.19 (±0.17) |
7.59 (±0.22) |
| RS (kΩ cm2) |
1.71 (±0.55) |
0.64 (±0.06) |
0.52 (±0.06) |
0.14 (±0.01) |
0.16 (±0.01) |
0.19 (±0.08) |
| RSH (kΩ cm2) |
3.9 (±0.43) |
8.6 (±0.50) |
11.9 (±0.07) |
15.0 (±1.50) |
11.6 (±1.90) |
20.5 (±1.50) |
도 7 내지 10 및 표 1에 나타난 결과에 따르면, 금속층의 두께가 4 nm이하일 때는 PCE 가 5% 미만으로 나타나지만, 금속층의 두께가 6 nm일 때 PCE가 14.05%로 가장 높다. 반대로 금속층의 두께가 10 nm일 경우 FF는 69.5%로 놉게 나타나나, PCE는 7.59%로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 상기 금속층의 두께가 증가함에 따라 투과도가 감소하면서 전방 셀에서 후방 셀로 도달하는 태양 빛을 차단하기 때문이다.
도 11a는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 단면을 나타낸 도면이고, 도 11b는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프이다.
구체적으로, 도 11은 활성 영역(active zone)을 제외한 부분을 섀도 마스크(shadow mask)로 차단했을 때의 단면 및 J-V 그래프이다.
도 12a는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 단면을 나타낸 도면이고, 도 12b는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프이다.
구체적으로, 도 12는 활성 영역(active zone)을 제외한 부분을 섀도 마스크(shadow mask)로 차단하고, 물리적 스크라이빙(scribing)으로 상기 활성영역을 전기적으로 고립(제 1 전극(ITO) 제외한 모든 층) 시켰을 때의 단면 및 J-V 그래프이다.
도 11 및 12에 나타난 결과에 따르면, 활성영역을 전기적을 고립시킨 경우, PCE가 14.22%인 반면, 고립시키지 않은 경우 17.04%인 것으로 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로, 금속층이 전하를 이동시키는 역할을 함으로써 탠덤형 태양전지의 효율을 향상시키는 상호연결층의 핵심으로 작용한다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 금속층의 두께가 5 nm 미만일 경우, 상기 금속층이 충분히 형성되지 않아 전하 이동이 줄어들어 결과적으로 효율이 저하된다. 반면에 금속층의 두께가 10 nm 이상일 경우, 상기 금속층의 투과도가 낮아져 전방 셀에서 후방 셀로 가는 태양 빛을 차단하여 효율이 급격하게 저하될 수 있다. 즉, 일정 두께의 금속층을 사용함으로써 전하의 이동을 상승시키고 결과적으로 효율이 높은 탠덤형 태양전지를 수득할 수 있다.
3. 중성고분자 유무에 따른 탠덤형 태양전지의 특성 분석
상기 실시예 1 및 비교예 5에서 제조한 탠덤형 태양전지의 특성을 관찰하였고 그 결과를 도 13으로서 나타내었다.
도 13은 본 비교예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 J-V 그래프를 나타낸 것이다.
도 13에 나타난 결과에 따르면, 제 2 전자 수집층으로서 금속 산화물(ZnO)을 단독으로 사용했을 경우(비교예 5), PCE가 10.03%인 것으로 나타났다. 이는 제 2 전자 수집층으로서 금속 산화물과 중성고분자를 하이브리드(ZnO:PEOz)한 물질을 사용했을 때(실시예 1)의 PCE가 14.05% 인 것에 비해 4% 이상 낮은 결과를 나타낸 것이다. 또한, FF는 5%, Jsc는 1.8 mA/cm2, Voc는 0.2 V 정도 낮은 결과를 나타내고 있다. 이러한 결과는 도 4d를 참고하면, 금속 산화물과 중성고분자를 하이브리드한 물질을 제 2 전자 수집층으로서 형성하면, 나노 분화구 모양의 돌출부가 생기고 이로 인하여 표면적이 증가함에 따라 표면 안정성이 증가하게 된다. 이에 따라 광흡수 층의 광 흡수 특성이 향상되어 결과적으로 전력변환효율이 향상될 수 있는 것이다. 더욱이, 본원에 따른 탠덤형 태양전지는 제 2 전자 수집층이 재결합 영역을 형성하는 역할 또한 수행한다.
4. 탠덤형 태양전지의 수명 분석
상기 실시예 1에서 제조한 탠덤형 태양전지의 시간이 지남에 따라 나타나는 수명 특성을 관찰하였고 그 결과를 도 14 및 15로서 나타내었다.
구체적으로, 실시예 1에서 제조한 탠덤형 태양전지의 수명 특성을 분석하기 위해 질소로 채워진 글러브 박스 내에서 100일 동안의 태양전지 특성을 분석하였다.
도 14는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 시간에 따른 J-V 그래프를 나타낸 것이다.
도 15a는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 시간에 따른 Jsc 및 Voc를 나타낸 그래프이고, 도 15b는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 시간에 따른 FF(fill factor) 및 PCE(power conversion efficiency)를 나타낸 그래프이다.
본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 시간에 따른 Voc, Jsc, FF, PCE, Rs 및 RSH를 하기 표 2로서 나타내었다.
| Time (day) |
0 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 |
| VOC (V) | 1.61 | 1.57 | 1.55 | 1.53 | 1.52 | 1.51 |
| JSC (mA/cm2) |
12.86 | 12.67 | 12.525 | 12.282 | 11.892 | 11.697 |
| FF (%) | 68.3 | 65.7 | 65.6 | 66.0 | 65.9 | 66.1 |
| PCE (%) | 14.05 | 13.07 | 12.74 | 12.40 | 11.91 | 11.68 |
| RS (kΩ cm2) |
0.14 | 0.21 | 0.27 | 0.27 | 0.31 | 0.37 |
| RSH(kΩ cm2) | 25.9 | 25.1 | 24.2 | 22.5 | 20.9 | 19.9 |
도 14, 15 및 표 1에 나타난 결과에 따르면, Jsc 및 Voc는 시간이 지남에 따라 거의 선형적인 변화가 나타나지만, 각각 하루에 1.9% 및 0.07%씩 감소하였다. 또한, FF는 하루에 0.6%씩 감소하였다. PCE는 100일 동안 14.05%에서 11.68%로 감소하였다. 이러한 결과는 태양전지를 측정할 때 공기중의 수분 및 산소에 노출되면서 성능의 저하를 초래한 것으로 볼 수 있다. 하지만 100일이 지난 뒤에도 PCE가 10% 이상을 유지하는 것으로 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 안정성이 높은 것으로 확인할 수 있다.
5. 싱글형 태양전지와 탠덤형 태양전지의 비교
상기 비교예 6 및 7에서 제조한 싱글형 태양전지의 특성을 관찰하였고 그결과를 도 16 내지 19로서 나타내었다.
도 16a는 본 비교예 6에서 제조한 싱글형 태양전지의 모식도이고, 도 16b는 본 비교예 7에서 제조한 싱글형 태양전지의 모식도이다.
도 17은 본 비교예에 따라 제조된 싱글형 태양전지의 J-V 그래프를 나타낸 것이다.
도 18은 본 비교예에 따라 제조된 싱글형 태양전지의 파장에 따른 EQE(external quantum efficiency)를 나타낸 그래프이다.
본 비교예에 따라 제조된 싱글형 태양전지의 Voc, Jsc, FF, PCE, Rs 및 RSH를 하기 표 3으로서 나타내었다.
| 비교예 6 | 비교예 7 | |
| VOC (V) | 0.89 (±0.01) | 0.93 (±0.01) |
| JSC(mA/cm2) | 14.73 (±0.09) | 17.29 (±0.26) |
| FF (%) | 47.32 (±1.07) | 73.19 (±0.39) |
| PCE (%) | 6.13 (±0.29) | 11.83 (±0.18) |
| RS(kΩ cm2) | 0.18 (±0.01) | 0.07 (±0.01) |
| RSH(kΩ cm2) | 0.89 (±0.01) | 0.93 (±0.01) |
도 19는 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지 및 본 비교예에 따라 제조된 싱글형 태양전지의 파장에 따른 정규화된 EQE(external quantum efficiency)를 나타낸 그래프이다.
도 17 및 표 3에 나타난 결과에 따르면, 비교예 6 및 7에서 제조한 싱글형 태양전지의 Voc는 각각 0.89 V, 0.93V로 나타났다. 상기 표 1을 참고하면, 비교예 6 및 7을 직렬로 연결한 실시예 1의 Voc는 이들의 합인 1.82 V에서 0.21 V정도 감소한 1.61 V인 것으로 나타났다. 또한, 비교예 6 및 7에서 제조한 싱글형 태양전지의 Jsc는 각각 14.73 mA/cm2, 17.29 mA/cm2로 높게 나타났다. 다만, 전자 수집층을 금속 산화물과 중성고분자의 하이브리드화 된 물질(ZnO:PEOz)을 사용한 싱글형 태양전지인 비교예 7의 PCE는 11.83%인 반면, 본원에 따른 탠덤형 태양전지의 PCE는 14.05%인 것으로 나타났다. 이는 탠덤형 태양전지의 상호연결층이 전방 셀과 후방 셀을 효과적으로 연결시킴으로써
도 18 및 19에 나타난 결과에 따르면, 비교예 6의 흡수 파장은 비교예 7보다 작은 것으로 나타났다. 다만, 비교예 6 및 7을 직렬로 연결한 실시예 1의 EQE는 상기 비교예 6 및 7의 흡수 파장을 모두 포함하는 것으로 나타났다. 즉, 본원의 탠덤형 태양전지는 전방 셀과 후방 셀을 효과적으로 연결함으로써 더 넓은 파장 영역의 태양광을 이용할 수 있다.
6. 다른 탠덤형 태양전지와의 비교 분석
상기 실시예 1에서 제조한 탠덤형 태양전지와 종래의 탠덤형 태양전지를 비교하였고 그 결과를 표 4로서 나타내었다.
상기 실시예 1 및 비교예 8 내지 12에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 Voc, Jsc, FF 및 PCE를 하기 표 4로서 나타내었다.
| Cells | t (nm) | VOC (V) | JSC (mA/cm2) |
FF (%) | PCE (%) | 상호연결층 | |
| 비교예 8 | Front | 73 | 1.11 | 10.23 | 54.0 | 6.09 | MoO3/Ag/PFN |
| Rear | 99 | 0.95 | 14.22 | 47.0 | 6.31 | ||
| Tandem | 73/99 | 1.97(2.06) | 8.28 | 52.0 | 8.48 | ||
| 비교예 9 | Front | 80 | 1.00 | 11.9 | 67.0 | 8.00 | MoO3/PEDOT:PSS/ZnO anoparticles |
| Rear | 100 | 0.899 | 16.81 | 74.2 | 11.21 | ||
| Tandem | 80/100 | 1.84(1.899) | 9.6 | 65.0 | 11.5 | ||
| 비교예 10 | Front | 70 | 0.98 | 15.20 | 68.0 | 10.13 | MoO3/Ag/ZnO nanoparticles/PFN-Br |
| Rear | 100 | 0.77 | 18.71 | 71.0 | 10.36 | ||
| Tandem | 70/100 | 1.69(1.75) | 10.70 | 73.0 | 13.20 | ||
| 비교예 11 | Front | 121 | 0.90 | 13.88 | 66.6 | 8.31 | MoO3/Ag/PFN |
| Rear | 95 | 0.79 | 15.90 | 65.8 | 8.24 | ||
| Tandem | 121/95 | 1.68(1.69) | 11.29 | 61.3 | 11.62 | ||
| 비교예 12 | Front | 95 | 0.97 | 10.56 | 58.0 | 6.1 | MoO3/Ag/ZnO nanoparticles |
| Rear | 100 | 0.82 | 11.60 | 56.0 | 5.5 | ||
| Tandem | 95/100 | 1.77(1.79) | 7.95 | 59.0 | 8.3 | ||
| 실시예 1 | Front | 80 | 0.89 | 14.73 | 47.3 | 6.11 | MoO3/Ni/ZnO:PEOz |
| Rear | 100 | 0.93 | 17.29 | 73.2 | 11.83 | ||
| Tandem | 80/100 | 1.61(1.82) | 12.86 | 68.3 | 14.05 |
상기 표 4에서, t는 활성층의 두께를 나타낸 것이고, Voc의 괄호 안에 있는 것은 전방 셀과 후방 셀의 합을 나타낸 값이다.
상기 표 4에서, 비교예 8은 W. Liu, S. Li, J. Huang, S. Yang, J. Chen, L. Zuo, M. Shi, X. Zhan, C.-Z. Li and H. Chen, Adv. Mater., 2016, 28, 9729-9734., 비교예 9는 W. Huang, S.-Y. Chang, P. Cheng, D. Meng, B. Zhu, S. Nuryyeva, C. Zhu, L. Huo. Z.Wang, M. Wang and Y. Yang, Nano Lett., 2018, 18, 7977-7984., 비교예 10은 L. Zuo, X. Shi, S. B. Jo,. Y. Liu, F. Lin and A. K.-Y. Jen, Adv. Mater., 2018, 30, 1706816., 비교예 11은 Z. Zheng, S. Zhang, J. Zhang, Y. Qin, W. Li, R. Yu, Z. Wei and J. Hou, Adv. Mater., 2016, 28, 5133-5138., 비교예 12는 J. Yuan, M. J. Ford, Y. Xu, Y. Zhang, G. C. Bazan and W. Ma, Adv. Energy Mater., 2018,8, 1703291.를 참고한 것이다.
상기 표 4에 나타난 결과에 따르면, 본 실시예에 따라 제조된 탠덤형 태양전지의 PCE가 14.05%로 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 특히, 비교예 10 및 12와 같이 상호연결층의 구조가 MoO3/금속/ZnO의 유도체인 것의 PCE는 각각 13.20% 및 8.3%인 것으로 나타났다. 본원에 따른 탠덤형 태양전지는 금속 산화물인 ZnO와 중성고분자를 하이브리드화한 제 2 전자 수집층을 도입함으로써 종래의 상호연결층의 구조가 MoO3/금속/ZnO의 유도체인 탠덤형 태양전지 보다 전력변환효율이 높은 것으로 볼 수 있다.
본원에 따른 탠덤형 태양전지는 금속 산화물을 포함하는 제 1 정공 수집층, P-타입의 금속층, 금속산화물과 중성고분자가 하이브리드화 되어 있는 제 2 전자 수집층을 상호연결층으로서 적용한 것이다. 이 때, 상기 p-타입 금속층은 상기 금속 산화물을 포함하는 제 1 정공 수송층과 에너지 레벨이 비슷하여 전하 수송이 향상되는 특성이 나타난다. 또한, 상기 제 2 전자 수집층은 금속 산화물과 중성고분자가 하이브리드화 되면서 나노크기의 분화구 모양의 돌출부가 구비되면서 표면 안정성이 향상된다. 나아가, 이러한 상기 상호연결층이 전방 셀과 후방 셀을 효과적으로 연결하여 1.5V 이상의 높은 개방전압과 광흡수층의 광 흡수 특성을 향상시켜 14.05%의 고효율의 탠덤형 고분자 태양전지를 제작할 수 있다.
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 수 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.
100: 탠덤형 태양전지
110: 제 1 전극
120: 제 1 전자 수집층
130: 제 1 광활성층
140: 제 1 정공 수집층
150: 금속층
160: 제 2 전자 수집층
170: 제 2 광활성층
180: 제 2 정공 수집층
190: 제 2 전극
110: 제 1 전극
120: 제 1 전자 수집층
130: 제 1 광활성층
140: 제 1 정공 수집층
150: 금속층
160: 제 2 전자 수집층
170: 제 2 광활성층
180: 제 2 정공 수집층
190: 제 2 전극
Claims (15)
- 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 형성된 제 1 전자 수집층;
상기 제 1 전자 수집층 상에 형성된 제 1 광활성층;
상기 제 1 광활성층 상에 형성된 제 1 정공 수집층;
상기 제 1 정공 수집층 상에 형성된 금속층;
상기 금속층 상에 형성된 제 2 전자 수집층;
상기 제 2 전자 수집층 상에 형성된 제 2 광활성층;
상기 제 2 광활성층 상에 형성된 제 2 정공 수집층; 및
상기 제 2 정공 수집층 상에 형성된 제 2 전극;을 포함하며,
상기 제 2 전자 수집층은 금속 산화물 및 중성고분자를 포함하며,
상기 제 2 전자 수집층은 재결합 영역(recombination zone)을 형성하고,
전력변환효율은 12% 내지 17%인 것인, 탠덤형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전자 수집층은 상기 금속 산화물 100 중량부를 기준으로 상기 중성고분자가 5 중량부 내지 10 중량부로 포함되는 것인, 탠덤형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 중성고분자는 하기 화학식 1로서 표시되는 화합물을 포함하는 것인, 탠덤형 태양전지:
[화학식 1]
(상기 n은 500 내지 100,000의 정수이고,
상기 R은 탄소수 3개 이하의 지방족 사슬인 것임).
- 제 3 항에 있어서,
상기 중성고분자는 하기 화학식 2로서 표시되는 화합물을 포함하는 것인, 탠덤형 태양전지:
[화학식 2]
(상기 n은 500 내지 100,000의 정수인 것임).
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전자 수집층의 일면이 분화구 모양의 돌출부를 구비하는 것인, 탠덤형 태양전지.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속층의 두께는 5 nm 내지 10 nm인 것인, 탠덤형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속층의 투명도는 45% 내지 70%인 것인, 탠덤형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속층은 p-타입 금속을 포함하는 것인, 탠덤형 태양전지.
- 삭제
- 제 1 전극 상에 제 1 전자 수집층을 형성하는 단계;
상기 제 1 전자 수집층 상에 제 1 광활성층을 형성하는 단계;
상기 제 1 광활성층 상에 제 1 정공 수집층을 형성하는 단계;
상기 제 1 정공 수집층 상에 금속층을 형성하는 단계;
상기 금속층 상에 제 2 전자 수집층을 형성하는 단계;
상기 제 2 전자 수집층 상에 제 2 광활성층을 형성하는 단계;
상기 제 2 광활성층 상에 제 2 정공 수집층을 형성하는 단계; 및
상기 제 2 정공 수집층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 제 2 전자 수집층은 금속 산화물 및 중성고분자를 포함하며,
상기 제 2 전자 수집층은 재결합 영역(recombination zone)을 형성하는 것인, 탠덤형 태양전지의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 중성고분자는 하기 화학식 1로서 표시되는 화합물을 포함하는 것인, 탠덤형 태양전지의 제조 방법:
[화학식 1]
(상기 n은 500 내지 100,000의 정수이고,
상기 R은 탄소수 3개 이하의 지방족 사슬인 것임).
- 제 12 항에 있어서,
상기 중성고분자는 하기 화학식 2로서 표시되는 화합물을 포함하는 것인, 탠덤형 태양전지의 제조 방법:
[화학식 2]
(상기 n은 500 내지 100,000의 정수인 것임).
- 제 11 항에 있어서,
상기 제 2 전자 수집층의 일면이 분화구 모양의 돌출부로 형성되는 것인, 탠덤형 태양전지의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 금속층의 두께는 5 nm 내지 10 nm로 형성되는 것인, 탠덤형 태양전지의 제조 방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190157549A KR102246070B1 (ko) | 2019-11-29 | 2019-11-29 | 탠덤형 태양전지 및 이의 제조 방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102246070B1 true KR102246070B1 (ko) | 2021-04-29 |
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ID=75728101
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| KR1020190157549A KR102246070B1 (ko) | 2019-11-29 | 2019-11-29 | 탠덤형 태양전지 및 이의 제조 방법 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230168467A (ko) | 2022-06-07 | 2023-12-14 | 주성엔지니어링(주) | 탠덤형 태양 전지 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090034078A (ko) | 2007-10-02 | 2009-04-07 | 엘지전자 주식회사 | 탠덤형 박막 태양전지 및 그의 제조방법 |
| KR20130142802A (ko) * | 2012-06-20 | 2013-12-30 | 한국기계연구원 | 유·무기 복합 탠덤 태양전지 및 이의 제조방법 |
| KR20160127744A (ko) * | 2014-01-31 | 2016-11-04 | 챔프 그레이트 인터내셔널 코포레이션 | 금속 나노구조 재결합 층을 포함하는 탠덤 유기 광발전 디바이스들 |
| KR20190083782A (ko) * | 2018-01-05 | 2019-07-15 | 경북대학교 산학협력단 | 나노크기-분화구 형상을 가지는 전자수집층, 이를 포함하는 역구조 비-풀러렌 유기태양전지, 및 그 제조방법 |
-
2019
- 2019-11-29 KR KR1020190157549A patent/KR102246070B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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| KR20230168467A (ko) | 2022-06-07 | 2023-12-14 | 주성엔지니어링(주) | 탠덤형 태양 전지 |
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