KR102289127B1 - Uv 수확 투명 광전지 - Google Patents
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Abstract
투명 광전지가 제공된다. 투명 광전지는 제1 가시광 투명성 전극, 약 2.75 eV 이상의 밴드갭을 갖는 광흡수 재료를 포함하는 가시광 투명성 활성층, 및 제2 가시광 투명성 전극을 포함한다. 활성층은 제1 투명 전극과 제2 투명 전극 사이에 배치된다. 투명 광전지는 가시광 투명성이다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 1월 9일에 출원된 미국 임시출원 제62/615,283호의 이익을 주장한다. 상기 출원의 전체 개시 내용은 본 명세서에 인용에 의해 통합된다.
정부의 권리
본 발명은 미국 국립 과학 재단(National Science Foundation)에 의해 수여된 1807573 하의 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에서 특정 권리를 갖는다.
기술 분야
본 개시는 자외선(UV) 수확 투명 광전지에 관한 것이다.
이 섹션은 반드시 선행 기술일 필요는 없는 본 발명과 관련된 배경 정보를 제공한다.
TPV(Transparent Photovoltaic: 투명 광전지) 기술은 건물, 차량, 및 온실에서 스마트 윈도우를 생성하는 효과적인 접근 방식을 제공한다. TPV는 태양열의 투과를 조절하고 태양 스펙트럼의 보이지 않는 부분의 광전자 변환에 의해 발전을 제공할 수 있다. 종종, TPV의 채택 가능성을 결정하는 데 가장 중요한 파라미터는 전체 평균 가시광 투명도(AVT)인데, 왜냐하면 미적 요구는 모바일 전자 제품 및 윈도우의 응용 분야에 대한 엄격한 요구 사항이기 때문이다. 투명도과 효율성의 최고 조합을 달성하려면 근적외선 및 자외선을 포함하여 태양 스펙트럼의 보이지 않는 모든 부분을 선택적으로 수확해야 하므로, 결과적으로 효율성이 최대 20.1%로 제한되고 AVT가 50%보다 큰 경우 기록 효율이 약 5%가 된다.
자외선에 실질적으로 더 적은 전체 태양 광자 속(solar photon flux)이 있지만, 최대 7%의 효율이 이론적으로 달성될 수 있다. UV 만의 광자를 선택적으로 수확하는 접근 방식은 매우 높은 광전압(1.5V 초과)을 허용하고 GaN, ZnO 및 NiO와 같은 더 전통적인 반도체의 통합을 가능하게 한다. 현재까지, 단지 소수의 UV 수확 TPV 장치만이 보고되었다. 예를 들어, 0.1%의 전력 변환 효율(PCE)을 갖는 반투명 NiO/ZnO UV 광전지가 보고된 바 있는데, 여기서 더 큰 밴드갭(3.3 eV)은 효율을 상당히 제한한다. 더 최근에, UV 수확 유기 TPV는 또한, 1.5%의 PCE 및 60%의 AVT를 갖지만, 약 2.4 eV의 가시 밴드갭을 갖는 것으로 입증되었다. 이들 초기 연구는 TPV 응용 분야에 대한 장려와 좋은 잠재력을 보여 주지만, 이상적인 컷오프(cuttoff)와는 거리가 먼 밴드갭으로 인해 추가적인 최적화에 대한 가능성을 제한할 것이다.
이러한 UV-수확 접근 방식은 연속 밴드 흡수 반도체의 사용을 가능하게 할 수 있기 때문에, 또한 할라이드 페로브스카이트에 대한 훌륭한 기회를 제공하며, 이들은 현재 Si, CdTe, 및 GaAs의 대체물로 간주되고 있다. 할라이드 페로브스카이트 재료는 우수한 광기전성 성질, 높은 양자 효율, 및 최대 22.7%의 인증된 효율을 갖는 강력한 광 수확 후보로 등장했다. 페로브스카이트 재료는 또한, 조성의 제어를 통해 용이하게 조정 가능한 밴드갭을 갖는 가장 저렴한 광흡수 반도체 재료 중 하나이다. 따라서, 페로브스카이트 재료로 제조된 TPV 장치가 바람직하다.
이 섹션은 개시에 대한 전반적인 요약을 제공하며, 전체 범위 또는 특징 모두에 대한 포괄적인 개시는 아니다.
다양한 측면들에 있어서, 본 기술은 제1 가시광 투명성 전극(visibly transparent electrode); 약 2.75 eV 이상의 밴드갭을 갖는 광흡수 재료를 포함하는 가시광 투명성 활성층(visibly transparent active layer); 및 제2 가시광 투명성 전극;을 포함하는, 투명 광전지를 제공하며, 여기서, 활성층은 제1 투명 전극과 제2 투명 전극 사이에 배치되고, 투명 광전지는 가시광 투명성이다.
일 측면에 있어서, 광흡수 재료는 약 2.75 eV 이상 및 약 3.2 eV 이하의 밴드갭을 갖는다.
일 측면에 있어서, 광흡수 재료는 약 450 나노미터 이하의 파장을 갖는 자외선(UV) 광을 흡수한다.
일 측면에 있어서, 광흡수 재료는 약 450 나노미터 이상의 파장을 갖는 빛에 대해 실질적으로 비흡수성(substantially nonabsorbent)이다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 약 650 nm 이상 약 5,000 nm 이하의 파장을 갖는 광의 약 10% 이상을 반사한다.
일 측면에 있어서, 광흡수 재료는 할라이드 페로브스카이트이다.
일 측면에 있어서, 할라이드 페로브스카이트는 할라이드 페로브스카이트 나노결정을 포함한다.
일 측면에 있어서, 할라이드 페로브스카이트는 화학식 ABX3을 갖고, 여기서, A는 메틸암모늄(MA), 포름아미디늄(FA), 에탄디암모늄(EA), 이소프로필암모늄, 디메틸암모늄, 구아니디늄, 피페리디늄, 피리디늄, 피롤리디늄, 이미다졸륨, t-부틸암모늄, Na, K, Rb, Cs, 또는 이들의 조합이고; B는 Pb, Sn, Ge, Cu, Sr, Ti, Mn, Bi, Zn, 또는 이들의 조합이며; X는 할라이드 또는 할라이드들의 조합이다.
일 측면에 있어서, 할라이드 페로브스카이트는 F, Cl, Br 및 I를 포함하고 약 2.75 eV 이상 약 3.2 eV 이하의 밴드갭을 갖는다.
일 측면에 있어서, 할라이드 페로브스카이트는 Cl 및 적어도 하나의 다른 할라이드를 포함한다.
일 측면에 있어서, 광흡수 재료는 금속 할라이드, 금속 니트라이드, 금속 술피드, 금속 셀레나이드, 금속 텔루라이드, 이들의 합금, 또는 이들의 조합이다.
일 측면들에 있어서, 금속 할라이드는 PbI2, PbCl2, PbBr2, PbIXBr(1-X), PbIXCl(1-X), PbBrXCl(1-X), Snl2, SnCl2, SnBr2, SnIXBr(1-X), SnIXCl(1-X), SnBrXCl(1-X), Gel2, GeCl2, GeBr2, GeIXBr(1-X), GeIXCl(1-X), GeBrX Cl(1-X), InI3, InCl3, InBr3, TiI3, TiCl3, TiBr3, GaI3, GaBr3, GaCl3, AlCl3, AlBr3, AlI3, A2TiI6, A2TiCl6, 및 A2TiBr6 중 적어도 하나를 포함하며, 여기서, A는 알칼리 금속(Li, Na, K, Rb, Cs 또는 이들의 조합), 유기 양이온(메틸 암모늄(MA), 포름아미디늄(FA), 에탄디암모늄(EA), 이소-프로필암모늄, 디메틸암모늄, 구아니디늄, 피페리디늄, 피리디늄, 피롤리디늄, 이미다졸륨, t-부틸암모늄 또는 이들의 조합), 또는 이들의 조합이고, 0≤x≤1이며; 금속 니트라이드는 In(X)Ga(1-X)N 및 In(X)Al(1-X)N 중 적어도 하나를 포함하고, 여기서 0 ≤ x ≤ 1이며; 금속 술피드는 ZnS(X)Se(1-X)를 포함하고, 여기서 0 ≤ x ≤ 1이며; 금속 셀레나이드는 ZnSe, ZnO(X)Se(1-X) 및 Zn(X)Mg(1-X)Se 중 적어도 하나를 포함하고, 여기서 0 ≤ x ≤ 1이며; 금속 텔루라이드는 Zn(X)Mg(1-X)Te 및 BeSe(X)Te(1-X) 중 적어도 하나를 포함하고, 여기서 0 ≤ x ≤ 1이다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 가시광선을 투과시키고 약 45% 이상의 평균 가시광 투명도를 갖는다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 에어 매스 1.5 글로벌(air mass 1.5 global: AM 1.5G) 태양 스펙트럼을 기준으로 하여 약 80보다 큰 연색 지수(color rendering index)를 갖는다.
일 측면에 있어서, 제1 가시광 투명성 전극은 가시광 투명성인 애노드이고, 제2 가시광 투명성 전극은 가시광 투명성 캐소드이다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 제1 가시광 투명성 전극과 가시광 투명성 활성층 사이에 배치된 보조층(adjunct layer)을 더 포함하며, 여기서, 보조층은 전자 수송 층, 전자 추출층, 정공 차단층, 또는 완충층이다.
일 측면에 있어서, 보조층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 술포네이트(PEDOT:PSS), 폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일)(P3HT), N,N'-비스(나프탈렌-1-일)-N,N'-비스(페닐)-2,2'-디메틸벤지딘(NPD), N,N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-비스(페닐)-벤지딘(TPD), 2,2',7,7'-테트라키스(N,N-디페닐아미노)-2,7-디아미노-9,9-스피로비플루오렌(스피로-TAD), 폴리[N,N'-비스(4-부틸페닐)-N,N'-비스(페닐)-벤지딘](폴리-TPD), 또는 이들의 조합을 포함한다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 제1 가시광 투명성 활성층과 제2 가시광 투명성 전극 사이에 배치된 보조층을 더 포함하며, 여기서, 보조층은 전자 수송층 또는 전자 추출층이다.
일 측면에 있어서, 보조층은 풀러렌, ZnO, TiO2, NiO, MoO3, 전도성 나노튜브, 및 전도성 나노입자 중 적어도 하나를 포함한다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 가시광 투명성 활성층과 제2 가시광 투명성 전극 사이에 배치된 보조층을 더 포함하고, 여기서 보조층은 가시광 투명성 활성층과 제2 가시광 투명성 전극 사이에 옴 접촉(ohmic contact)을 제공하는 전자 수송층 또는 전자 추출층이다.
일 측면에 있어서, 보조층은 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(PCBM), Al-도핑된 ZnO(AZO), TiO2, 바토큐프로인(BCP), MoO3, 또는 이들의 조합을 포함한다.
일 측면에 있어서, 제2 가시광 투명성 전극은 투명 전도성 산화물, 나노와이어 메쉬, 전도성 산화물 나노입자, 전도성 나노튜브, 금속 박층, 또는 이들의 조합을 포함한다.
일 측면에 있어서, 제2 가시광 투명성 전극은 은(Ag)을 포함하는 금속 박층 및 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀리네이트)(Alq3) 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 포함하는 전도성 층을 포함하고, 여기서, 금속 박층은 가시광 투명성 활성층 및 전도성 층 사이에 배치된다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 제1 가시광 투명성 전극 상에 배치된 가시광 투명성 기재를 더 포함하며, 여기서, 가시광 투명성 기재는 유리, 강성 폴리머, 또는 유연성 폴리머를 포함한다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 약 0.3% 이상의 전력 변환 효율을 갖는다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 약 450 nm 미만의 파장에서 약 20% 이상의 외부 양자 효율을 갖는다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 2.75 eV 미만의 밴드갭을 갖는 추가의 활성층을 포함하지 않는다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 약 450 nm보다 큰 파장에서 약 10%보다 큰 외부 양자 효율을 갖는 추가의 활성층을 포함하지 않는다.
다양한 측면들에 있어서, 본 기술은 기재; 제1 전극; 약 450 nm 미만의 파장을 갖는 자외선 만을 흡수하는 광흡수 재료를 포함하는 활성층; 및 제2 전극을 포함하는 투명한 광전지를 제공하며, 광흡수 재료는 할라이드 페로브스카이트;이거나, 아니면 금속 할라이드, 금속 니트라이드, 금속 술피드, 금속 셀레나이드, 금속 텔루라이드, 이들의 합금, 또는 이들의 조합;이고, 제1 전극은 기재와 활성층 사이에 배치되고 활성층은 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되며, 기재, 제1 전극, 활성층 및 제2 전극의 각각은 가시광 투명성이고, 그에 따라, 투명 광전지는 약 50% 이상의 평균 가시광 투명도를 갖는다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 활성층과 제2 전극 사이에 배치된 가시광 투명성 보조층을 더 포함하며, 보조층은 풀러렌, ZnO, TiO2, NiO, MoO3, 전도성 나노튜브, 및 전도성 나노입자 중 적어도 하나를 포함하는 전자 수송층 또는 전자 추출층이다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 제1 전극과 활성층 사이에 배치된 제1 가시광 투명성 보조층; 및 활성층과 제2 전극 사이에 배치된 제2의 가시광 투명성 보조층;을 더 포함하고, 여기서, 제1 가시광 투명성 보조층은 전자 수송층, 전자 추출층, 정공 차단층, 또는 완충층이고, 제2 가시광 투명성 보조층은 전자 수송층 또는 전자 추출층이다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는, 제2 가시광 투명성 보조층과 제2 전극 사이에 배치된 제3 가시광 투명성 보조층을 더 포함하고, 여기서, 제3 가시광 투명성 보조층은 제2 가시광 투명성 보조층과 제2 전극 사이에 옴 접촉을 제공하는 전자 수송층 또는 전자 추출층이다.
일 측면에 있어서, 제2 전극은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 알루미늄 도핑된 아연 옥사이드(AZO), 불소 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐 아연 옥사이드, InZnAlO, 아연 옥사이드, ZnAlO(ZAO), 카드뮴 옥사이드, 지르코늄 인듐 옥사이드(ZrIO), 갈륨 아연 옥사이드(GZO), Al, Au , Ag, Mo, Cu, Ni, 그래핀, 그래핀 옥사이드, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 술포네이트(PEDOT:PSS), 금속 나노와이어, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어진 제1 층; 및 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀리네이트)(Alq3), 4,4'-비스(N-카르바졸릴)-1,1'-바이페닐(CBP), N,N'-디(1-나프틸)-N,N'-디페닐-(1,1'-바이페닐)-4,4'-디아민(NPD), 2,2',7,7'-테트라키스[N,N-디(4-메톡시페닐)아미노]-9,9'-스피로비플루오렌, N,N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-비스(페닐)-벤지딘(TPD), 이들의 유도체, 또는 이들의 조합을 포함하는 제2 층;을 포함하며, 여기서, 제1 층은 활성층과 제2 층 사이에 배치된다.
다양한 측면들에 있어서, 본 기술은 제1 가시광 투명성 전극; 제2 가시광 투명성 전극; 및 제1 가시광 투명성 전극과 제2 가시광 투명성 전극 사이에 배치된 가시광 투명성 활성층;을 포함하는 투명 광전지를 제공하며, 활성층은 약 450 nm 미만의 파장을 갖는 빛 만을 흡수하고 또한 약 450 nm 이상의 파장을 갖는 빛에 대해 실질적으로 비흡수성인 광흡수 재료를 포함하고, 광흡수 재료는 화학식 ABX3을 갖는 할라이드 페로브스카이트로서, 여기서 A는 메틸암모늄(MA), 포름아미디늄(FA), 에탄디암모늄(EA), 이소프로필암모늄, 디메틸암모늄, 구아니디늄, 피페리디늄, 피리디늄, 피롤리디늄, 이미다졸륨, t-부틸암모늄, Na, K, Rb, Cs, 또는 이들의 조합이고, B는 Pb, Sn, Ge, Cu, Sr, Ti, Mn, Bi, Zn 또는 이들의 조합이며, X는 할라이드 또는 할라이드들의 조합인, 페로브스카이트;이거나, 아니면 PbI2, PbCl2, PbBr2, PbIXBr(1-X), PbIXCl(1-X), PbBrXCl(1-X), Snl2, SnCl2, SnBr2, SnIXBr(1-X), SnIXCl(1-X), SnBrXCl(1-X), Gel2, GeCl2, GeBr2, GeIXBr(1-X), GeIXCl(1-X), GeBrX Cl(1-X), InI3, InCl3, InBr3, TiI3, TiCl3, TiBr3, GaI3, GaBr3, GaCl3, AlCl3, AlBr3, AlI3, A2TiI6, A2TiCl6, 및 A2TiBr6 중 적어도 하나를 포함하는 금속 할라이드(여기서, A는 알칼리 금속(Li, Na, K, Rb, Cs, 또는 이들의 조합), 유기 양이온(메틸암모늄(MA), 포름아미디늄(FA), 에탄디암모늄(EA), 이소-프로필암모늄, 디메틸암모늄, 구아니디늄, 피페리디늄, 피리디늄, 피롤리디늄, 이미다졸륨, t-부틸암모늄 또는 이들의 조합), 또는 이들의 조합임), In(X)Ga(1-X)N 및 In(X)Al(1-X)N 중 적어도 하나를 포함하는 금속 니트라이드, ZnS(X)Se(1-X)를 포함하는 금속 술피드, ZnSe, ZnO(X)Se(1-X) 및 Zn(X)Mg(1-X)Se 중 적어도 하나를 포함하는 금속 셀레나이드, Zn(X)Mg(1-X)Te 및 BeSe(X)Te(1-X) 중 적어도 하나를 포함하는 금속 텔루라이드, 이들의 합금, 또는 이들의 조합;이며, 여기서, 0 ≤ x ≤ 1이다.
일 측면에 있어서, 투명 광전지는 강성 디스플레이 스크린, 유연성 디스플레이 스크린, 시계용 크리스탈(watch crystal), 자동차 유리, 스마트 윈도우, 자율 전기변색 윈도우, 또는 건축용 유리이다.
추가의 적용 분야는 본 명세서에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 이 요약의 설명 및 특정 예는 단지 예시의 목적을 위한 것이며 본 개시의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
본 명세서에 기술된 도면은 단지 선택된 구현예의 예시적인 목적을 위한 것이며 모든 가능한 구현이 아니며, 본 개시의 범위를 제한하려는 것은 아니다.
도 1은 현재 기술의 다양한 측면들에 따른 제1 장치의 예시이다.
도 2는 현재 기술의 다양한 측면들에 따른 제2 장치의 예시이다.
도 3은 현재 기술의 다양한 측면들에 따른 제3 장치의 예시이다.
도 4는 현재 기술의 다양한 측면들에 따른 제4 장치의 예시이다.
도 5의 (A)는 다양한 조성의 할라이드 페로브스카이트 필름의 흡수(1-투과) 스펙트럼을 보여준다.
도 5의 (B)는 페로브스카이트 UV 수확 투명 광전지 장치의 구조를 보여준다.
도 6의 (A)는 MAPbCl3에 대한 UV 수확 페로브스카이트 필름의 표면 모폴로지를 보여준다. 스케일 바(scale bar)는 1 μm이다.
도 6의 (B)는 MAPbCl2.4Br0.6에 대한 UV 수확 페로브스카이트 필름의 표면 모폴로지를 보여준다. 스케일 바는 1 μm이다.
도 6의 (C)는 UV 수확 페로브스카이트 필름의 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6의 (D)는 할라이드 페로브스카이트 필름의 사진을 도시한다. MAPbI3는 검은 색, MAPbBr3는 진한 주황색, MAPbCl2.4Br0.6은 희미한 노란색이며, MAPbCl3는 관찰 가능한 색상이 없다.
도 7의 (A)는 MAPbCl3 투명 광전지(TPV) 장치에 대한 단면 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 보여준다. 스케일 바는 200 nm이다.
도 7의 (B)는 MAPbCl2.4Br0.6 TPV 장치에 대한 단면 SEM 이미지를 보여준다. 스케일 바는 200 nm이다.
도 8의 (A)는 1-태양 조명(1-sun illumination) 하에서 측정된 UV 수확 투명 페로브스카이트 광전지 장치의 전류-전압(JV) 곡선을 보여준다.
도 8의 (B)는 50개의 개별 MAPbCl3 장치(흰색) 및 86개의 개별 MAPbCl2.4Br0.6 장치(검은 색)에 대해 측정된 PCE의 히스토그램을 보여준다.
도 9의 (A)는 MAPbCl3 UV 수확 투명 페로브스카이트 광전지 장치에 대한 흡수(A), 투과(T), 반사(R), 외부 양자 효율(EQE), 및 내부 양자 효율(IQE)을 도시한다.
도 9의 (B)는 MAPbCl2.4Br0.6 UV 수확 투명 페로브스카이트 광전지 장치에 대한 흡수(A), 투과(T), 반사(R), 외부 양자 효율(EQE), 및 내부 양자 효율(IQE)을 나타낸다.
도 9의 (C)는 MAPbCl3 UV 수확 투명 페로브스카이트 장치의 사진이다.
도 9의 (D)는 MAPbCl2.4Br0.6 UV 수확 투명 페로브스카이트 장치의 사진이다.
도 10은 할라이드 페로브스카이트 필름의 광흡수로부터 밴드갭 측정에 대한 플롯이다.
도 11은 PbI2 필름의 광흡수로부터 밴드갭 측정에 대한 플롯이다.
도 12의 (A)는 PbI2의 결정 구조를 나타낸다.
도 12의 (B)는 납 할라이드 태양 전지의 구조를 보여준다.
도 12의 (C)는 다양한 농도의 PbI2 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 PbI2 태양 전지의 단락 전류를 나타내는 그래프이다.
도 12의 (D)는 다양한 농도의 PbI2 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 PbI2 태양 전지의 전력 변환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 13은 PbI2 전구체 용액의 농도의 함수로서 PbI2 필름 두께를 나타내는 그래프이다.
도 14의 (A)는 0.1M PbI2 전구체 용액으로부터 제조된 PbI2 필름의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다. 스케일 바는 1 ㎛이다.
도 14의 (B)는 0.2 M PbI2 전구체 용액으로부터 제조된 PbI2 필름의 SEM 이미지이다. 스케일 바는 1 ㎛이다.
도 14의 (C)는 0.5 M PbI2 전구체 용액으로부터 제조된 PbI2 필름의 SEM 이미지이다. 스케일 바는 1 ㎛이다.
도 14의 (D)는 1 M PbI2 전구체 용액으로부터 제조된 PbI2 필름의 SEM 이미지이다. 스케일 바는 1 ㎛이다.
도 15의 (A)는 다양한 농도의 PbI2 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 PbI2 태양 전지의 개방 회로 전압을 나타내는 그래프이다.
도 15의 (B)는 다양한 농도의 PbI2 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 PbI2 태양 전지의 충전인자(fill factor)를 나타내는 그래프이다.
도 16의 (A)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 납 할라이드 필름의 사진이다(납 농도는 0.3 M임).
도 16의 (B)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 납 할라이드 필름의 투과 스펙트럼을 나타내는 그래프이다(납 농도는 0.3 M임).
도 17의 (A)는 다양한 도핑 비율을 갖는 Br에 의해 도핑된 납 할라이드 필름의 XRD 패턴을 보여준다.
도 17의 (B)는 다양한 도핑 비율을 갖는 Cl에 의해 도핑된 납 할라이드 필름의 XRD 패턴을 보여준다.
도 17의 (C)는 10% 몰 도핑 비율의 Br 또는 Cl을 갖거나 갖지 않는 납 할라이드 필름의 XRD 패턴을 보여준다.
도 18의 (A)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 납 할라이드 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 납 할라이드 태양 전지의 단락 전류밀도(Jsc)를 나타내는 그래프이다.
도 18의 (B)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 납 할라이드 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 납 할라이드 태양 전지의 개방회로 전압(Voc)을 나타내는 그래프이다.
도 18의 (C)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 납 할라이드 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 납 할라이드 태양 전지의 충전인자(FF)를 나타내는 그래프이다.
도 18의 (D)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 납 할라이드 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 납 할라이드 태양 전지의 전력 변환 효율(PCE)을 나타내는 그래프이다.
도 19의 (A)는 납 할라이드 TPV의 사진이다.
도 19의 (B)는 다양한 농도의 PbI2 전구체 용액에 의해 제조된 PbI2 필름의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 19의 (C)는 다양한 농도의 PbI2 전구체 용액에 의해 제조된 납 할라이드 TPV의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 20의 (A)는 10%의 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 0.2 M 납 할라이드 전구체 용액에 의해 제조된 납 할라이드 필름의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 20의 (B)는 10%의 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 0.2 M 납 할라이드 전구체 용액에 의해 제조된 납 할라이드 TPV의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 21의 (A)는 완전히 조립된(패턴화되지 않은) PbI1.8Br0.2 TPV 장치의 사진이다.
도 21의 (B)는 도 21의 (A)에 도시된 PbI1.8Br0.2 TPV 장치의 전송(T), 반사(R), 및 외부 양자 효율(EQE) 스펙트럼을 보여준다.
도 22의 (A)는 0.2 M PbI1.8Br0.2 전구체 용액에 의해 제조된 PbI1.8Br0.2 필름 및 TPV 장치의 사진이다.
도 22의 (B)는 도 22의 (A)에 도시된 필름 및 TPV 장치의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 23의 (A)는 0.1 M, 0.2 M 및 0.3 M 농도에서 PbI2 TPV, PbI1.8Br0.2 TPV, 및 PbI1.8Cl0.2 TPV에 대한 단락 전류밀도(Jsc)를 보여준다.
도 23의 (B)는 0.1 M, 0.2 M 및 0.3 M 농도에서 PbI2 TPV, PbI1.8Br0.2 TPV, 및 PbI1.8Cl0.2 TPV에 대한 개방회로 전압(Voc)을 도시한다.
도 23의 (C)는 0.1 M, 0.2 M 및 0.3 M 농도에서 PbI2 TPV, PbI1.8Br0.2 TPV, 및 PbI1.8Cl0.2 TPV에 대한 전력 변환 효율(PCE)을 도시한다.
도 23의 (D)는 PbI2 TPV, PbI1.8Br0.2 TPV, 및 PbI1.8Cl0.2 TPV의 초기 장치 안정성 시험을 보여주는 그래프이다.
대응하는 지시 번호는 도면들의 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
도 1은 현재 기술의 다양한 측면들에 따른 제1 장치의 예시이다.
도 2는 현재 기술의 다양한 측면들에 따른 제2 장치의 예시이다.
도 3은 현재 기술의 다양한 측면들에 따른 제3 장치의 예시이다.
도 4는 현재 기술의 다양한 측면들에 따른 제4 장치의 예시이다.
도 5의 (A)는 다양한 조성의 할라이드 페로브스카이트 필름의 흡수(1-투과) 스펙트럼을 보여준다.
도 5의 (B)는 페로브스카이트 UV 수확 투명 광전지 장치의 구조를 보여준다.
도 6의 (A)는 MAPbCl3에 대한 UV 수확 페로브스카이트 필름의 표면 모폴로지를 보여준다. 스케일 바(scale bar)는 1 μm이다.
도 6의 (B)는 MAPbCl2.4Br0.6에 대한 UV 수확 페로브스카이트 필름의 표면 모폴로지를 보여준다. 스케일 바는 1 μm이다.
도 6의 (C)는 UV 수확 페로브스카이트 필름의 XRD 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6의 (D)는 할라이드 페로브스카이트 필름의 사진을 도시한다. MAPbI3는 검은 색, MAPbBr3는 진한 주황색, MAPbCl2.4Br0.6은 희미한 노란색이며, MAPbCl3는 관찰 가능한 색상이 없다.
도 7의 (A)는 MAPbCl3 투명 광전지(TPV) 장치에 대한 단면 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 보여준다. 스케일 바는 200 nm이다.
도 7의 (B)는 MAPbCl2.4Br0.6 TPV 장치에 대한 단면 SEM 이미지를 보여준다. 스케일 바는 200 nm이다.
도 8의 (A)는 1-태양 조명(1-sun illumination) 하에서 측정된 UV 수확 투명 페로브스카이트 광전지 장치의 전류-전압(JV) 곡선을 보여준다.
도 8의 (B)는 50개의 개별 MAPbCl3 장치(흰색) 및 86개의 개별 MAPbCl2.4Br0.6 장치(검은 색)에 대해 측정된 PCE의 히스토그램을 보여준다.
도 9의 (A)는 MAPbCl3 UV 수확 투명 페로브스카이트 광전지 장치에 대한 흡수(A), 투과(T), 반사(R), 외부 양자 효율(EQE), 및 내부 양자 효율(IQE)을 도시한다.
도 9의 (B)는 MAPbCl2.4Br0.6 UV 수확 투명 페로브스카이트 광전지 장치에 대한 흡수(A), 투과(T), 반사(R), 외부 양자 효율(EQE), 및 내부 양자 효율(IQE)을 나타낸다.
도 9의 (C)는 MAPbCl3 UV 수확 투명 페로브스카이트 장치의 사진이다.
도 9의 (D)는 MAPbCl2.4Br0.6 UV 수확 투명 페로브스카이트 장치의 사진이다.
도 10은 할라이드 페로브스카이트 필름의 광흡수로부터 밴드갭 측정에 대한 플롯이다.
도 11은 PbI2 필름의 광흡수로부터 밴드갭 측정에 대한 플롯이다.
도 12의 (A)는 PbI2의 결정 구조를 나타낸다.
도 12의 (B)는 납 할라이드 태양 전지의 구조를 보여준다.
도 12의 (C)는 다양한 농도의 PbI2 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 PbI2 태양 전지의 단락 전류를 나타내는 그래프이다.
도 12의 (D)는 다양한 농도의 PbI2 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 PbI2 태양 전지의 전력 변환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 13은 PbI2 전구체 용액의 농도의 함수로서 PbI2 필름 두께를 나타내는 그래프이다.
도 14의 (A)는 0.1M PbI2 전구체 용액으로부터 제조된 PbI2 필름의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다. 스케일 바는 1 ㎛이다.
도 14의 (B)는 0.2 M PbI2 전구체 용액으로부터 제조된 PbI2 필름의 SEM 이미지이다. 스케일 바는 1 ㎛이다.
도 14의 (C)는 0.5 M PbI2 전구체 용액으로부터 제조된 PbI2 필름의 SEM 이미지이다. 스케일 바는 1 ㎛이다.
도 14의 (D)는 1 M PbI2 전구체 용액으로부터 제조된 PbI2 필름의 SEM 이미지이다. 스케일 바는 1 ㎛이다.
도 15의 (A)는 다양한 농도의 PbI2 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 PbI2 태양 전지의 개방 회로 전압을 나타내는 그래프이다.
도 15의 (B)는 다양한 농도의 PbI2 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 PbI2 태양 전지의 충전인자(fill factor)를 나타내는 그래프이다.
도 16의 (A)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 납 할라이드 필름의 사진이다(납 농도는 0.3 M임).
도 16의 (B)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 납 할라이드 필름의 투과 스펙트럼을 나타내는 그래프이다(납 농도는 0.3 M임).
도 17의 (A)는 다양한 도핑 비율을 갖는 Br에 의해 도핑된 납 할라이드 필름의 XRD 패턴을 보여준다.
도 17의 (B)는 다양한 도핑 비율을 갖는 Cl에 의해 도핑된 납 할라이드 필름의 XRD 패턴을 보여준다.
도 17의 (C)는 10% 몰 도핑 비율의 Br 또는 Cl을 갖거나 갖지 않는 납 할라이드 필름의 XRD 패턴을 보여준다.
도 18의 (A)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 납 할라이드 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 납 할라이드 태양 전지의 단락 전류밀도(Jsc)를 나타내는 그래프이다.
도 18의 (B)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 납 할라이드 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 납 할라이드 태양 전지의 개방회로 전압(Voc)을 나타내는 그래프이다.
도 18의 (C)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 납 할라이드 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 납 할라이드 태양 전지의 충전인자(FF)를 나타내는 그래프이다.
도 18의 (D)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 납 할라이드 전구체 용액에 의해 제조된 불투명 납 할라이드 태양 전지의 전력 변환 효율(PCE)을 나타내는 그래프이다.
도 19의 (A)는 납 할라이드 TPV의 사진이다.
도 19의 (B)는 다양한 농도의 PbI2 전구체 용액에 의해 제조된 PbI2 필름의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 19의 (C)는 다양한 농도의 PbI2 전구체 용액에 의해 제조된 납 할라이드 TPV의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 20의 (A)는 10%의 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 0.2 M 납 할라이드 전구체 용액에 의해 제조된 납 할라이드 필름의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 20의 (B)는 10%의 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 0.2 M 납 할라이드 전구체 용액에 의해 제조된 납 할라이드 TPV의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 21의 (A)는 완전히 조립된(패턴화되지 않은) PbI1.8Br0.2 TPV 장치의 사진이다.
도 21의 (B)는 도 21의 (A)에 도시된 PbI1.8Br0.2 TPV 장치의 전송(T), 반사(R), 및 외부 양자 효율(EQE) 스펙트럼을 보여준다.
도 22의 (A)는 0.2 M PbI1.8Br0.2 전구체 용액에 의해 제조된 PbI1.8Br0.2 필름 및 TPV 장치의 사진이다.
도 22의 (B)는 도 22의 (A)에 도시된 필름 및 TPV 장치의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 23의 (A)는 0.1 M, 0.2 M 및 0.3 M 농도에서 PbI2 TPV, PbI1.8Br0.2 TPV, 및 PbI1.8Cl0.2 TPV에 대한 단락 전류밀도(Jsc)를 보여준다.
도 23의 (B)는 0.1 M, 0.2 M 및 0.3 M 농도에서 PbI2 TPV, PbI1.8Br0.2 TPV, 및 PbI1.8Cl0.2 TPV에 대한 개방회로 전압(Voc)을 도시한다.
도 23의 (C)는 0.1 M, 0.2 M 및 0.3 M 농도에서 PbI2 TPV, PbI1.8Br0.2 TPV, 및 PbI1.8Cl0.2 TPV에 대한 전력 변환 효율(PCE)을 도시한다.
도 23의 (D)는 PbI2 TPV, PbI1.8Br0.2 TPV, 및 PbI1.8Cl0.2 TPV의 초기 장치 안정성 시험을 보여주는 그래프이다.
대응하는 지시 번호는 도면들의 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
예시적인 구현예는 본 개시가 완전하도록 제공되며, 통상의 기술자에게 그 범위를 완전히 전달할 수 있도록 제공된다. 본 개시 내용의 구현예의 완전한 이해를 제공하기 위해, 특정 조성물, 성분, 장치 및 방법의 실시예와 같은 복수의 특정 세부 사항들이 제시된다. 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이, 특정 세부 사항들이 사용될 필요가 없고, 예시적인 구현예들이 많은 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 본 개시의 범위를 제한하도록 해석되어서는 안된다. 일부 예시적인 구현예에서, 잘 알려진 공정, 잘 알려진 장치 구조, 및 잘 알려진 기술은 상세히 설명되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 구현예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현("a," "an," 및 "the")은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. "포함하다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함하는(including)" 및 "갖는(having)"이라는 용어는 포괄적인 것이며, 따라서, 언급된 특징, 요소, 구성, 단계, 정수, 작업, 및/또는 구성요소의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작업, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 군의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다. "포함하는(comprising)"이라는 확장 용어는 여기에 기술된 다양한 구현예들을 기술하고 청구하는데 사용되는 비제한적인 용어로 이해되어야 하지만, 특정 측면들에 있어서, 그 용어는 대안적으로, "~로 이루어진(consisting of)" 또는 "본질적으로 ~로 이루어진(consisting essentially of)"과 같이, 더 한정적이고 제한적인 용어인 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 조성, 재료, 성분, 요소, 특징, 정수, 작업, 및/또는 공정 단계를 언급하는 임의의 주어진 구현예에 대해, 본 개시는 또한 구체적으로 이러한 인용된 조성, 재료, 성분, 요소, 특징, 정수, 작업, 및/또는 공정 단계로 이루어진 또는 본질적으로 이루어진 구현예들을 포함한다. "~로 이루어진(consisting of)"의 경우, 대안적인 구현예는 임의의 추가 조성, 재료, 성분, 요소, 특징, 정수, 작업, 및/또는 공정 단계를 배제하는 반면에, "본질적으로 ~로 이루어지는(consisting essentially of)"의 경우, 기본 및 신규 특성에 실질적으로 영향을 미치는 임의의 추가 조성, 재료, 성분, 요소, 특징, 정수, 작업, 및/또는 공정 단계는 그러한 구현예에서 제외되지만, 기본 및 신규 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 구성, 재료, 성분, 요소, 특징, 정수, 작업, 및/또는 공정 단계가 구현예에 포함될 수 있다.
본 명세서에 기술된 임의의 방법 단계, 공정, 및 작업은, 성능 순서로 구체적으로 식별되지 않는 한, 논의되거나 도시된 특정 순서로 반드시 그들의 성능을 요구하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 또한 이해되는 바와 같이, 달리 지시되지 않는 한, 추가적이거나 대안적인 단계가 이용될 수 있다.
성분, 요소, 또는 층이 다른 요소 또는 층 "상에(on)", 다른 요소 또는 층에 "체결된(engaged to)", "연결된(connected to)", 또는 "결합된(coupled to)" 것으로 지칭될 때, 이것은 다른 성분, 요소, 또는 층에 직접적으로 "상에(on)", "체결된(engaged to)", "연결된(connected to)", 또는 "결합된(coupled to)" 것이거나, 또는 개입 요소들 또는 층들이 존재할 수 있다. 대조적으로, 어떤 요소가 다른 요소 또는 층에 "직접 상에(directly on)", "직접 체결되어(directly engaged to)", "직접 연결되어(directly connected to)", 또는 "직접 결합되어(directly coupled to)" 있다고 언급된 때에는, 중간에 개입하는 다른 요소 또는 층들이 존재하지 않을 수 있다. 요소들 사이의 관계를 설명하기 위해 사용된 다른 단어들은 유사한 방식으로 해석되어야 한다(예를 들어, "사이에(between)" 대 "직접 사이에(directly between)", "인접한(adjacent)" 대 "직접 인접한(directly adjacent)", 등). 본 명세서에서 사용되는 용어 "및/또는(and/or)"은 관련된 열거 항목들 중 하나 이상의 임의의 조합 및 모든 조합을 포함한다.
제1, 제2, 제3, 등의 용어는 본 명세서에서 다양한 단계, 요소, 성분, 영역, 층, 및/또는 구역을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이들 단계, 요소, 성분, 영역, 층, 및/또는 구역들은 달리 표시되지 않는 한 이들 용어에 의해 제한되지 않아야 한다. 이들 용어는 하나의 단계, 요소, 성분, 영역, 층, 또는 구역을 다른 단계, 요소, 성분, 영역, 층, 또는 구역과 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "제1", "제2" 및 다른 숫자 용어들과 같은 용어는 문맥상 명확하게 나타내지 않는 한 순서 또는 차례(sequence or order)를 의미하지는 않는다. 따라서, 이하에서 논의되는 제1 단계, 요소, 성분, 영역, 층 또는 구역은 예시적인 구현예들의 교시를 벗어나지 않고 제2 단계, 요소, 성분, 영역, 층 또는 구역으로 지칭될 수 있다.
"전에(before)", "후에(after)", "내부(inner)", "외부(outer)", "바로 아래(beneath)", "아래(below)", "하부(lower)", "바로 위(above)", "상부(upper)", 등과 같은 공간적으로 또는 시간적으로 상대적인 용어들은 도면에 도시된 바와 같이 하나의 요소 또는 특징과 다른 요소(들) 또는 특징(들)과의 관계를 설명하기 위해 본 명세서에서 설명의 편의를 위해 사용된다. 공간적으로 또는 시간적으로 상대적인 용어들은 도면에 도시된 방향과 더불어 사용 또는 작동 중인 장치 또는 시스템의 다른 방향을 포함하도록 의도될 수 있다.
본 개시 전반에 걸쳐, 수치는 언급된 값을 갖는 주어진 값들 및 구현예들은 물론 정확히 언급된 값을 갖는 주어진 값들 및 구현예들로부터의 작은 편차를 포함하도록 범위에 대한 대략적인 측정치 또는 한계를 나타낸다. 상세한 설명의 말미에 제공된 실시예 이외에, 첨부된 청구 범위를 포함하여, 본 명세서에 있는 파라미터(예를 들어, 수량 또는 조건의 파라미터)의 모든 수치 값들은 모든 경우에 있어서 숫자 값 앞에 실제로 "약(about)"이 있는지 여부에 관계 없이 "약(about)"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. "약(About)"이 명시하는 바와 같이, 기술된 수치는 일부 약간의 부정확성(어떤 방식으로 그 값의 정확성에 도달함; 그 값에 대략적으로 또는 합리적으로 가까움; 거의)을 허용한다. "약"에 의해 제공된 부정확성이 이 통상적인 의미로 당해 기술분야에서 다르게 이해되지 않는다면, 본 명세서에 사용된 "약(about)"은 적어도 그러한 파라미터들을 측정하고 사용하는 통상적인 방법으로부터 발생할 수 있는 변형을 나타낸다. 예를 들어, "약(about)"은 5% 이하, 선택적으로(optionally) 4% 이하, 선택적으로(optionally) 3% 이하, 선택적으로(optionally) 2% 이하, 선택적으로(optionally) 1% 이하, 선택적으로(optionally) 0.5% 이하, 및 특정 측면들에 있어서, 선택적으로(optionally) 0.1% 이하의 변형을 포함할 수 있다.
또한, 범위의 공개는, 범위에 대해 주어진 종점 및 하위 범위를 포함하여, 전체 범위 내에서 모든 값 및 추가적으로 분할된 범위의 공개를 포함한다. 본 명세서에서 언급된 바와 같이, 범위는, 달리 명시되지 않는 한, 종점을 포함하고 전체 범위 내에서 모든 별개의 값들 및 추가적으로 분할된 범위의 공개를 포함한다. 따라서, 예를 들어, "A 내지 B" 또는 "약 A 내지 약 B"의 범위는 A 및 B를 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 실시예의 구현예를 보다 상세하게 설명할 것이다.
현재의 기술은 투명한 태양 전지 디자인, 예를 들어, 투명한 광전지 장치(TPV)를 제공한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "투명"은 약 45% 이상의 직선 투과 빔의 평균 가시광 투명도를 포함한다. 본 명세서에 사용된 용어 "반투명"은 약 10% 이상 내지 약 45% 이하의 직선 투과 빔의 평균 가시광 투명도를 포함한다. 통상적으로, 이 디자인은 가시광선 스펙트럼 외부, 예를 들어, 자외선(UV) 태양 스펙트럼에서 강한 흡수 특징을 갖는 분자 활성층을 포함한다. 이 장치는 선택적인(selective) 고반사율 반사방지(high-reflectivity anti-reflection) 접촉 코팅을 포함할 수 있다. 장치들은 자외선(UV) 태양 스펙트럼에서 피크-흡수를 갖는 제2 광흡수층을 갖는 이종 접합 태양 전지로서 형성될 수 있다. 제2 광흡수 재료가 UV 광을 흡수하는 반면, 약 450 nm 이상, 약 475 nm 이상, 또는 약 500 nm 이상의 파장을 갖는 광에 대해서 실질적으로 비흡수성(이하 정의된 바와 같이)이다. 이러한 장치들은 재조합 구역을 통해 연결된 하나 이상의 서브셀과 직렬식 구조(tandem structure)로 형성될 수 있다. 이러한 장치들은 데스크탑 모니터, 랩탑 또는 노트북 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 휴대 전화, 전자 판독기, 등에 사용되는 강성 및 플렉서블(rigid and flexible) 컴퓨터 디스플레이 스크린을 포함하여 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다. 다른 응용 분야로는 썬루프, 스마트 윈도우, 자율 전기변색 윈도우, 및 프라이버시 유리를 포함하는 시계용 유리(watch crystal)결정, 자동차 및 건축 유리가 있다. 광전지 장치는 유효 전력 생성(active power generation), 예를 들어, 완전 자체-구동 애플리케이션, 및 배터리 충전 (또는, 배터리 수명 연장)을 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에 언급된 근적외선(NIR)은 약 650 nm 초과 약 2000 nm 이하 범위의 파장을 갖는 광으로 정의된다. 본 명세서에 인용된 바와 같은 자외선(UV)은 약 10 nm 초과 약 450 nm 미만의 파장을 갖는 광으로 정의된다. UV에 흡수성을 갖는 활성층을 사용함으로써, 선택적인(selective) 고반사 코팅을 사용하여 장치 성능을 최적화하는 동시에 전체 장치를 통한 가시광의 높은 투과를 허용할 수 있다. 본 명세서에 인용된 가시광은 인간의 눈이 상당한 반응을 갖는 파장, 약 450 nm 이상 약 650 nm 이하의 파장을 갖는 광으로 정의된다.
할라이드 페로브스카이트 재료는 우수한 광기전 특성, 최대 22.7%의 인증된 효율, 및 매우 저렴한 비용을 갖는 Si 대체물로서 등장했다. 반투명하고 공간적으로 분할된 투명 광전지(TPV)에 할라이드 페로브스카이트를 도포하여 더 넓은 범위의 배치 경로를 가능하게 하는 것에 대한 관심이 증가하고 있다. 그러나, 이들 반도체의 연속 밴드 흡수는 많은 새로운 응용 분야의 미학적 요구를 충족시키는 데 필요한 최고 효율 및 최고 투명도를 갖는 투명 광전지(TPV)를 전형적으로 목표로 하는 근적외선 선택적(selective) 파장 수확을 방해한다. 현재의 기술은 400 내지 440 nm 사이의 밴드갭을 갖는 자외선(UV) 광자를 선택적으로 수확하기 위해 밴드갭이 주요 조성 범위로 민감하게 조정되는 페로브스카이트 반도체를 기반으로 하는 TPV의 개발을 제공한다. 이 범위가 중요한데, 왜냐하면 약 380 nm 미만의 밴드갭은 2.5 % 미만의 훨씬 더 낮은 이론적 효율 한계를 가지며 약 450 nm보다 더 큰 밴드갭은 허용할 수 없는 수준의 컬러 틴팅 또는 불량한 연색 지수(CRI, color rendering index)를 부여하기 때문이다. TPV 장치는 최대 0.52%의 전력 변환 효율(PCE), 최대 70.7%의 평균 가시광 투명도(AVT), 및 92 초과의 CRI를 갖는 것으로 입증되었다. 이 접근법은 100%의 가시광 투명도와 약 90보다 큰 CRI로 최대 7%의 이론적 효율성을 제공한다. 현재 단지 20 내지 30%의 양자 효율에 의해 제한되는, 이들 페로브스카이트 셀의 실제 최적화는 3 내지 5% 사이의 PCE로 TPV를 신속하게 산출할 수 있으며, 최첨단 적외선 수확 TPV와 필적할 뿐만 아니라, 또한, 근적외선 수확 TPV와 결합될 때 더 높은 효율의 다중접합 TPV에 대한 경로를 제공한다.
현재 기술의 다양한 측면들에 따른 예시적인 투명 광전지(10)가 도 1에 도시되어 있다. 투명 광전지(10)는 제1 전극(12), 약 2.75 eV 이상의 밴드갭을 갖는 광흡수 재료를 포함하는 활성층(14), 및 제2 전극(16)을 포함한다. 제1 전극(12), 활성층(14), 및 제2 전극(16)은 각각 가시광 투명성이다. 활성층(14)은 제1 전극(12)과 제2 전극(16) 사이에 배치된다.
이하에 더 논의되는 바와 같이, 투명 광전지(10)는 다양한 구현예들에서 하나 이상의 활성층(14)을 포함할 수 있다. 이들 활성층(14)은 약 2.75 eV 이상의 밴드갭을 갖거나 약 450 nm보다 큰 파장에서 10% 미만의 외부 양자 효율을 갖는다. 달리 말하면, 투명 광전지(10)는 2.75 미만의 밴드갭을 갖는 추가적인 활성층을 포함하지 않는다. 대안적으로, 투명 광전지(10)는 약 450 nm보다 큰 파장에서 약 10%보다 큰 외부 양자 효율을 생성하는 추가 활성층을 포함하지 않는다.
다양한 구현예에서, 광흡수 재료는 약 2.75 eV 이상 및 약 3.2 eV 이하의 밴드갭을 갖는다. 예를 들어, 다양한 구현예에서, 광흡수 재료는 약 2.75eV, 약 2.8eV, 약 2.85eV, 약 2.9eV, 약 2.95eV, 약 3eV, 약 3.05eV, 약 3.1eV, 약 3.15eV, 또는 약 3.2 eV 의 밴드갭을 갖는다. 따라서, 광흡수 재료는 약 470nm 이하, 약 460nm 이하, 약 450nm 이하, 약 440nm 이하, 약 430nm 이하, 약 420nm 이하, 약 410nm 이하 또는 약 400nm 이하의 파장을 갖는 UV 광을 흡수한다.
광흡수 재료는 UV 광을 흡수하지만, 약 450 nm 이상, 약 460 nm 이상, 또는 약 470 nm 이상의 파장을 갖는 광에 대해 실질적으로 비흡수성이다. "실질적으로 비흡수성"이라는 용어는, 광흡수 재료가 450 nm 이상, 460 nm 이상, 또는 약 470 이상의 파장을 갖는 광을 약 25% 이하, 약 20% 이하, 약 15% 이하, 약 10% 이하, 약 5% 이하, 또는 약 1% 이하로 흡수한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 일부 구현예에 있어서, 광흡수 재료는 약 450 nm의 파장에서 피크 흡수를 갖지만, 이는 약 450 nm 초과의 파장에서 가시광 영역으로 점점 작아진다. 이러한 구현예에서, 이해되는 바와 같이, 광흡수 재료는 꼬리(tail)와 관련된 일부 가시광을 흡수한다. 또한, 투명 광전지(10)는 완전히 조립되었을 때, 약 450 nm 이하의 파장에서 활성층에서 최대 피크 흡수를 갖는다.
투명 광전지(10)는 투명하다. 이와 같이, 투명 광전지(10)는 가시광선을 투과시키고, 약 45% 이상, 약 50% 이상, 약 55% 이상, 약 55% 이상, 약 60% 이상, 약 65% 이상, 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85 이상%, 또는 약 90% 이상의 평균 가시광 투명도(AVT)를 갖는다. 또한, 투명 광전지(10)는 에어 매스 1.5 글로벌(air mass 1.5 global: AM 1.5G) 태양 스펙트럼을 기준으로 하여 약 80 이상, 약 85 이상, 약 90 이상 또는 약 95 이상의 CRI를 갖는다. 따라서, 다양한 구현예에서, 투명 광전지(10)는 가시광 투명성이며, 그에 따라, 인간 관찰자가 투명 광전지(10)를 통해 볼 때, 인간 관찰자 대비 투명 광전지(10)의 반대쪽에 있는 물체는 실질적으로(또는, 완전히) 그들의 자연적인 색상으로 보이고, 또한 색조(tint) 또는 연무(haze)가 실질적으로 없는 상태로(또는, 색조 또는 연무가 없는 상태로) 보인다.
투명 광전지(10)는 또한, NIR 및 IR 광을 반사함으로써 열 절약을 제공한다. 더욱 구체적으로, 투명 광전지(10)는 약 650 nm 이상 약 5,000 nm 이하의 파장에서 약 10% 이상, 약 15% 이상, 약 20% 이상, 약 25% 이상, 약 35% 이상, 약 40% 이상, 또는 약 50% 이상의 가장 강한 피크 반사율을 갖는다. 광흡수 재료는 약 650 nm 이상 내지 약 5000 nm 이하의 파장을 갖는 빛에 대해 실질적으로 또는 완전히 비흡수성이지만, 투명 광전지(10)의 다른 구성요소, 예를 들어, 전극은 반사되지 않는 약 650 nm 이상 약 5,000 nm 이하의 파장(반사에 더하여)을 갖는 빛의 일부를 흡수할 수 있다. 반사되지 않은 약 650 nm 이상 약 5,000 nm 이하의 파장을 갖는 빛의 다른 부분은 투명 광전지(10)를 통해 투과된다. 따라서, 투명 광전지(10)는 로-이 윈도우(low-e window)을 대체할 수 있거나 로-이 코팅 또는 윈도우(low-e coating or window)과 결합될 수 있다. 다른 구현예에서, 투명 광전지(10)는 다중접합 광전지 또는 장치에 통합된다.
투명 광전지(10)는 약 0.3% 이상, 약 0.5% 이상, 약 1% 이상, 약 1.5% 이상, 약 3% 이상, 약 5% 이상, 약 6% 이상, 또는 약 7% 이상의 전력 변환 효율(PCE)을 갖는다.
투명 광전지(10)는 약 450nm 미만의 파장에서 약 20 % 이상, 약 30 % 이상, 약 40 % 이상, 약 50 % 이상, 약 60 % 이상, 약 70 % 이상, 또는 약 80 % 이상의 외부 양자 효율 (EQE)을 갖는다.
활성층(14)의 광흡수 재료는, 할라이드 페로브스카이트 아니면 금속 할라이드, 금속 니트라이드, 금속 술피드, 금속 셀레나이드, 금속 텔루라이드, 이들의 알로이, 또는 이들의 조합이다. 광흡수 재료는 박층, 나노입자, 또는 나노결정으로서 제공된다.
다양한 구현예에서, 활성층(14)의 광흡수 재료는 할라이드 페로브스카이트이다. 페로브스카이트는 칼슘 티타늄 옥사이드(CaTiO3; 즉, 자연 발생 페로브스카이트)와 동일한 유형의 결정 구조를 갖는 재료이다. 결정 구조는 "페로브스카이트 구조" 또는 면심(face center)에 산소를 갖는 XIIA2+VIB4+X2- 3으로 알려져 있다. 페로브스카이트 화합물의 일반 화학식은 ABX3이며, 여기서 A 및 B 양이온은 다른 크기의 양이온(전형적으로 1+ 양이온인 A 양이온은 전형적으로 2+ 양이온인 B 양이온보다 더 큼)이고, X는 A와 B 둘다에 결합하는 음이온이다. 이상적인 입방 대칭 구조(cubic-symmetry structure)는 음이온의 8면체로 둘러싸인 6중첩 배위(6-fold coordination)의 B 양이온, 및 12중첩 팔면체 배위(12-fold octahedral coordination)의 A 양이온을 갖는다. 다양한 구현예에서, 광흡수 재료는 적어도 하나의 페로브스카이트, 하이브리드 할라이드 페로브스카이트, 옥사이드 페로브스카이트, 층상 할라이드 페로브스카이트, 또는 적어도 하나의 무기 할라이드 페로브스카이트를 포함한다. 하이브리드 할라이드 페로브스카이트는 화학식 ABX3을 가지며, 여기서 A는 메틸암모늄(MA), 포름아미디늄(FA), 에탄디암모늄(EA), 이소프로필암모늄, 디메틸 암모늄, 구아니디늄, 피페리디늄, 피리디늄, 피롤리디늄, 이미다졸륨, t-부틸암모늄, Na, K, Rb, Cs, 또는 이들의 조합이고; B는 Pb, Sn, Ge, Cu, Sr, Ti, Mn, Bi, Zn, 또는 이들의 조합이며; X는 할라이드 또는 할라이드의 조합이다. 다양한 A, B 및 X 성분을 혼합함으로써, 할라이드 페로브스카이트는 원하는 밴드갭을 갖도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 밴드갭은 통상적으로 할라이드 X가 I로부터 Br, Cl, F 순서로 변경됨에 따라 증가한다.
일부 구현예에서, 할라이드 페로브스카이트는 F, Cl, Br 및 I을 포함하고 약 2.75 eV 이상 및 약 3.2 eV 이하의 밴드갭을 갖는다.
일부 구현예에서, 할라이드 페로브스카이트는 F 및 적어도 하나의 다른 할라이드를 포함한다.
일부 구현예에서, 할라이드 페로브스카이트는 Cl 및 적어도 하나의 다른 할라이드를 포함한다.
일부 구현예에서, 할라이드 페로브스카이트는 Br 및 적어도 하나의 다른 할라이드를 포함한다.
일부 구현예에서, 할라이드 페로브스카이트는 I 및 적어도 하나의 다른 할라이드를 포함한다.
다양한 구현예에서, 활성층(14)의 광흡수 재료는 금속 할라이드, 금속 니트라이드, 금속 술피드, 금속 셀레나이드, 금속 텔루라이드, 이들의 합금, 및 이들의 조합이다. 금속 할라이드는 PbI2, PbCl2, PbBr2, PbIXBr(1-X), PbIXCl(1-X), PbBrXCl(1-X), Snl2, SnCl2, SnBr2, SnIXBr(1-X), SnIXCl(1-X), SnBrXCl(1-X), Gel2, GeCl2, GeBr2, GeIXBr(1-X), GeIXCl(1-X), GeBrX Cl(1-X), InI3, InCl3, InBr3, TiI3, TiCl3, TiBr3, GaI3, GaBr3, GaCl3, AlCl3, AlBr3, AlI3, A2TiI6, A2TiCl6, 및 A2TiBr6 중 적어도 하나를 포함하며, 여기서 A는 알칼리 금속(Li, Na, K, Rb, Cs, 또는 이들의 조합), 유기 양이온(메틸암모늄(MA), 포름아미디늄(FA), 에탄디암모늄(EA), 이소-프로필암모늄, 디메틸암모늄, 구아니디늄, 피페리디늄, 피리디늄, 피롤리디늄, 이미다졸륨, t-부틸암모늄 또는 이들의 조합), 또는 이들의 조합이며; 금속 니트라이드는 In(X)Ga(1-X)N 및 In(X)Al(1-X)N 중 적어도 하나를 포함하며; 금속 술피드는 ZnS(X)Se(1-X)를 포함하며; 금속 셀레나이드는 ZnSe, ZnO(X)Se(1-X 및 Zn(X)Mg(1-X)Se 중 적어도 하나를 포함하며; 금속 텔루라이드는 Zn(X)Mg(1-X)Te 및 BeSe(X)Te(1-X) 중 적어도 하나를 포함하고, 여기서 상기 모든 화학식에 대해 0 ≤ x ≤ 1이다. 일부 구현예에서, 광흡수 재료는 In(X)Ga(1-X)N (0.05 ≤ x ≤ 0.25), In(X)Al(1-X)N (0.25 ≤ x ≤ 0.7), ZnS(X)Se(1-X) (0.1 ≤ x ≤ 0.9), Zn(X)Mg(1-X)Se (0.05 ≤ x ≤ 0.5), Zn(X)Mg(1-X)Te (0.05 ≤ x ≤ 0.95), 및 BeSe(X)Te(1-X) (0.6 ≤ x ≤ 1) 중 적어도 하나이다. x에 적합한 값을 선택하고 다양한 광흡수 재료를 함께 블렌딩하는 것 중 적어도 하나에 의해, 광흡수 재료는 원하는 밴드갭, 즉, 상기 논의된 바와 같이 약 2.75eV 이상 약 3.2 eV 이하의 밴드갭을 갖도록 조정될 수 있다. 예를 들어, x는 약 2.75eV 이상 약 3.2eV 이하의 밴드갭을 갖는 광흡수 재료를 제공하도록 선택될 수 있거나, 복수의(적어도 2개)의 광흡수 재료는 약 2.75 eV 이상 약 3.2 eV 이하의 밴드갭을 제공하도록 조합될 수 있거나, 또는 둘 다이다.
이해되는 바와 같이, 광흡수 재료는 할라이드 페로브스카이트 또는 금속 할라이드 중 하나, 금속 니트라이드, 금속 술피드, 금속 셀레나이드, 금속 텔루라이드, 이들의 합금, 및 이들의 조합인 반면, 이들 재료는 투명 광전지(10) 내에 조립되어야 한다는 점 및, 밴드갭 요구 사항, 흡수 요구 사항, 투과율 요구 사항, CRI 요구 사항, PCE 요구 사항, 및 EQE 요구 사항을 포함하여, 위에 명시된 각 요구 사항의 각각을 준수해야 한다는 점에서 제한된다.
활성층 (14)는 약 5 nm 이상 약 5,000 nm 이하, 약 10 nm 이상 약 1,000 nm 이하, 약 50 nm 이상 약 600 nm 이하, 약 100 nm 이상 약 500 nm 이하, 또는 약 200 nm 이상 약 400 nm 이하의 두께 TAL를 갖는다.
제1 전극(12) 및 제2 전극(16)은 독립적으로 가시광 투명성 애노드 및 가시광 투명성 캐소드이다. 제1 및 제2 전극(12, 16)은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 알루미늄 도핑된 아연 옥사이드(AZO), 불소 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐 아연 옥사이드, InZnAlO(IZAO, 예를 들어, 90 wt% In2O3, 5 wt% ZnO, 및 5 wt% Al2O3), InAlZnSnO(IZATO), 아연 옥사이드, ZnAlO(ZAO), 카드뮴 옥사이드, 지르코늄 인듐 옥사이드(ZrIO), 및 갈륨 아연 옥사이드(GNO)와 같은 전도성 옥사이드로 이루어진 군, Al, Au, Ag, Mo, Cu 또는 Ni와 같은 금속, 탄소, 그래핀, 그래핀 옥사이드, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 술포네이트(PEDOT:PSS), 및 이들의 조합 으로부터 개별적으로 선택된 가시광 투명성인 전기전도성 재료를 포함한다. 가시광 투명성인 전기전도성 재료는 박막 필름, 초박막 필름(ultrathin film), 나노와이어(예를 들어, Al, Au, Ag, Mo, Cu, 및/또는 Ni의), 나노와이어 메쉬, 나노튜브(예를 들어, 탄소 나노튜브, 나노입자, 또는 이들의 조합)일 수 있다.
일부 구현예에서, 제1 전극(12) 및 제2 전극(16) 중 적어도 하나는 가시광 투명성인 전기전도성 재료를 포함하는 제1 층 및 투명한 전기전도성 유기 재료를 포함하는 제2 층을 포함한다. 도 1에서, 제2 전극(16)은 투명한 전기전도성 유기 재료를 포함하는 선택적(optional) 제2 전극 층(18)을 포함한다. 투명한 전기전도성 유기 재료는 전자 수송 층과 같은 가시광 투명성인 전기전도성 재료를 가교(bridge)시키고, 반사를 감소시키는 작용을 한다. 반사를 감소시킴으로써, 투명 광전지(10)는 더욱 투명해진다. 적합한 투명 전기전도성 유기 재료의 비제한적인 예는 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀리네이트)(Alq3), 4,4'-Bis(N-카르바졸릴)-1,1'-바이페닐(CBP), N,N'-디(1-나프틸)-N,N'-디페닐-(1,1'-바이페닐)-4,4'-디아민(NPD), 2,2',7,7'-테트라키스[N,N-디(4-메톡시페닐)아미노]-9,9'-스피로비플루오렌, N,N'-비스(3-메틸페닐)-N, N'-비스(페닐)-벤지딘(TPD), 및 이들의 유도체, 및 이들의 조합을 포함한다. 일부 구현예에서, 제2 전극 층(18)은 비유기 화합물, 예를 들어 MoO3, WO3, 또는 이들의 조합을 포함한다. 선택적(optional) 제2 전극 층(18)은 약 5 nm 이상 약 200 nm 이하의 두께 TOM를 갖는다.
제1 전극(12)은 두께 TE1을 갖고, 제2 전극(16)은 두께 TE2를 가지며, 여기서 두께 TE1 및 두께 TE2는 개별적으로 그리고 독립적으로 약 1 nm 이상 약 200 nm 이하, 약 50 nm 이상 약 150 nm 이하, 또는 약 75 nm 이상 약 125 nm 이하이다.
일부 구현예에서, 제1 전극(12) 또는 제2 전극(16) 중 하나는 기재 상에 배치된다. 예를 들어, 도 2는 제2 투명 광전지(10')를 보여주는데, 이는 도 1의 투명 광전지(10)와 동일한 제1 전극(12), 활성층(14), 제2 전극(16) 및 선택적(optional) 제2 전극 층(18)을 갖는다. 그러나, 제2 투명 광전지(10')의 제1 전극(12)은 기재(20) 상에 배치된다. 기재(20)는 가시광 투명성이고, 유리, 저철 유리, 플라스틱, 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 폴리-(에틸메타크릴레이트)(PEMA), (폴리)-부틸메타크릴레이트-코-메틸메타크릴레이트(PBMMA), 폴리에틸렌 테프탈레이트(PET), 폴리카보네이트, 또는 폴리이미드, 예를 들어, Kapton® 폴리이미드 필름(DuPont, Wilmington, DE)을 포함한다. 기재(20)는 약 1 ㎛ 이상 약 300 mm 이하의 두께 TS를 갖는다.
도 3은 제3 투명 광전지(10'')를 보여주는데, 이것은 도 1의 투명 광전지(10)와 동일한 제1 전극(12), 활성층(14), 제2 전극(16) 및 선택적(optional) 제2 전극 층(18)을 갖는다. 제3 투명 광전지(10'')는 선택적으로(optionally) 도 2를 참조하여 설명된 기재(20)를 포함한다. 그러나, 제3 투명 광전지(10'')는 적어도 하나의 선택적(optional) 보조층을 포함한다. 예를 들어, 도 3에서, 제3 투명 광전지(10'')는 제1 전극(12)과 활성층(14) 사이에 배치된 선택적(optional) 제1 보조층(22), 활성층(14)과 제2 전극(16) 사이에 배치된 선택적(optional) 제2 보조층(24), 및 선택적(optional) 제2 보조 층(24)과 제2 전극(16) 사이에 배치된 선택적(optional) 제3 보조층(26)과 함께 도시되어 있다. 보조층(22, 24, 26)은 개별적으로 정공 수송층, 전자 차단층, 완충층, 전자 수송층, 정공 차단층, 또는 전자 추출층일 수 있다.
다양한 구현예에서, 제3 투명 광전지(10'')는 정공 수송층/일 함수 수정층(work function modifying layer)/완충층/정공 선택적 층으로서 선택적(optional) 제1 보조층(22)을 포함하고, 여기서 일 함수 수정층은 젖음(wetting)을 얻기 위해 첨가된다. 여기서, 선택적(optional) 제1 보조층(22)은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 술포네이트(PEDOT:PSS), 폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일)(P3HT), N,N'-비스(나프탈렌-1-일)-N,N'-비스(페닐)-2,2'-디메틸벤지딘(NPD), N,N'-비스(3-메틸페닐)-N,N'-비스(페닐)-벤지딘(TPD), 2,2',7,7'-테트라키스(N,N-디페닐아미노)-2,7-디아미노-9,9-스피로비플루오렌(스피로-TAD), 폴리[N,N'-비스(4-부틸페닐)-N,N'-비스(페닐)-벤지딘](폴리-TPD), CuSCN, CuI, MoO3, NiO 또는 이들의 조합을 포함한다.
다양한 구현예에서, 제3 투명 광전지(10'')는 전자 수송층/전자 추출층으로서 선택적(optional) 제2 보조층(24)을 포함한다. 여기서, 선택적(optional) 제2 보조층(24)은 풀러렌, 예를 들어, C60, C70, C84, 또는 페닐-C61-부티르산-메틸-에스테르(PCBM), ZnO, TiO2, NiO, MoO3, 나노튜브, 전도성 나노입자(예를 들어,ITO), 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 페로브스카이트 태양 전지에서 풀러렌의 역할은 통상적으로 전자 추출을 돕는 것이므로, 꼬리 상태 흡수(tail state absorption)를 막기 위해 가능한 한 층이 얇아야 한다: 약 40 nm 이하, 약 20 nm 이하, 약 10 nm 이하, 약 5 nm 이하, 또는 약 1 nm 이하.
다양한 구현예에서, 제3 투명 광전지(10'')는 전자 수송층/전자 추출층/완충층/정공 차단층으로서 선택적(optional) 제3 보조층(26)을 포함한다. 선택적(optional) 제3 보조층(26)은 활성층(14)과 제2 전극(16) 사이에 옴 접촉을 제공한다. 여기서, 선택적(optional) 제3 보조층(26)은 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(PCBM), Al-도핑된 ZnO(AZO), TiO2, 바소쿠프로인(BCP), MoO3, 또는 이들의 조합을 포함한다.
선택적(optional) 제1 보조층(22)은 두께 TAL1를 갖고, 선택적(optional) 제2 보조층(24)은 두께 TAL2를 가지며, 선택적(optional) 제3 보조층(26)은 두께 TAL3를 갖는다. TAL1, TAL2, 및 TAL3은 독립적으로 그리고 개별적으로 약 0.05 nm 이상 약 100 nm 이하이다. 선택적(optional) 제2 보조층(24)이 풀러렌을 포함할 때, 두께 TAL2는 약 50 nm 이하이다.
제3 투명 광전지(10'')가 전자 수송층 또는 정공 수송층인 보조층(22, 24, 26)을 포함할 때, 전자 수송층에 인접하여 배치된 전극(12, 16)은 캐소드이고 정공 수송층에 인접한 전극(12, 16)은 애노드이다.
도 4는 제4 투명 광전지(10''')를 보여준다. 제4 투명 광전지(10''')는 도 1 내지 도 3과 관련하여 설명된 모든 층을 포함한다. 특히, 제4 투명 광전지(10''')는 기재(20), 제1 전극(12), 제1 보조층(22), 활성층(14), 제2 보조층(24), 제3 보조층(26), 제2 전극(16), 및 제2 전극 층(18)을 순차적으로 포함한다. 여기서, 제1 보조층(22)은 정공 수송층이고, 제2 보조층(24)은 전자 수송층이다. 따라서, 제1 전극(12)은 애노드이고 제2 전극(16)은 캐소드이다. 이해되는 바와 같이 각각의 층들(12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26)은 가시광 투명성이다. 또한 이해되는 바와 같이, 본 명세서에 기술된 임의의 투명 광전지(10, 10', 10'', 10''')는 추가 활성층 및 추가 보조층을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 임의의 투명 광전지는 비제한적인 예로서 강성 디스플레이 스크린, 플렉서블 디스플레이 스크린, 시계 유리, 자동차 유리, 또는 건축용 유리로서 사용될 수 있다.
현재의 기술은 또한, 투명 광전지를 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 앞에서 기술된 바와 같이 허용가능한 밴드갭을 갖도록 광흡수 재료를 조정하는 단계를 포함한다. 광흡수 재료가 할라이드 페로브스카이트인 경우, 다양한 A, B 및 X 성분을 블렌딩함으로써 조정이 수행된다. 광흡수 재료가 금속 할라이드, 금속 니트라이드, 금속 술피드, 금속 셀레나이드, 금속 텔루라이드, 이들의 합금 또는 이들의 조합인 경우, 다양한 금속 할라이드, 금속 니트라이드, 금속 술피드, 금속 셀레나이드, 금속 텔루라이드, 또는 이들의 합금을 함께 합금하거나 또는 블렌딩함으로써 조정이 수행되어, 약 2.75eV 이상 약 3.2eV 이하의 밴드갭을 제공한다.
이 방법은 다음의 층들을 가시광 투명성인 기재 위에 순차적으로 배치하는 단계를 포함한다:제1 전극을 포함하는 층, 광흡수 재료를 포함하는 층, 및 제2 전극을 포함하는 층. 다양한 구현예에서, 이 방법은 또한, 투명 광전지 전체에 걸쳐 보조층들을 배치하는 단계를 포함한다.
다양한 층의 배치는 당해 기술분야에 공지된 임의의 수단에 의해 수행될 수 있다. 다양한 층을 배치하기 위한 수단의 비제한적인 예는 스핀 코팅, 딥 코팅, 닥터 블레이딩(doctor blading), 화학 기상 증착(CVD), 드롭 캐스팅(drop casting), 스프레이 코팅, 플라즈마-스퍼터링(plasma-sputtering), 진공 증착, 및 이들의 조합을 포함한다. 또한, 페로브스카이트 재료를 포함하는 층은 단일 단계 합성에서 첨가제 없이 침착되거나 2 단계 이상의 합성에서 첨가제 없이 침착될 수 있다. 단일 단계 합성에서, 모든 페로브스카이트 반응물(예를 들어, PbI2 및 MAI)은 하나의 용액으로부터 침착된다. 2 단계 이상의 합성은 하나의 반응물을 침착한 후, 예를 들어, 제2 침착층 또는 기상 확산 공정으로서, 제2 반응물과의 반응을 수반한다.
장치와 관련하여 앞에서 언급된 바와 같이, 예를 들어, 정공 수송층 또는 전자 수송층일 수 있는 보조층은 단일층 또는 복수의 층을 포함할 수 있다. 층 또는 층들은 개별적으로 그리고 순차적으로 침착된다.
모든 층들이 증착되면, 이 방법은 약 75 ℃ 내지 약 150 ℃의 온도, 예를 들어, 약 90 ℃의 온도에서, 약 2 분 내지 약 60 분 또는 그 이상에서, 장치를 어닐링(annealing)하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 어닐링은 약 10 분 동안 수행된다.
본 기술의 구현예들이 하기 비제한적 실시예들을 통해 추가적으로 설명된다.
실시예 1
할라이드 페로브스카이트 조정성(halide perovskite tunability)은 높은 AVT 및 CRI를 가능하게 하는 거의 이상적인 밴드갭 및 가시광 흡수 컷오프(visible absorption cutoffs)를 갖는 UV 수확 TPV를 생성하기 위한 플랫폼으로서 사용된다. 다양한 할라이드 페로브스카이트 조성물로부터의 TPV 장치들은 70%의 AVT 및 92 초과의 CRI와 동시에 0.52%에 달하는 PCE로 실증된다. 이들 전지가 20 내지 30%의 양자 효율에 의해 제한되는 것을 고려하면, 할라이드 페로브스카이트 전지는 이제 90% 초과의 양자 효율을 용이하게 달성하기 때문에, 3% 초과의 효율이 달성가능하다. 고도로 투명한 광기전성 및 TPV 다중접합체에서 적용하기 위한 새로운 할라이드 페로브스카이트 조성물이 예시된다.
방법
재료 및 전구체 제조: 디메틸포름아미드(DMF, 99.8%, Aldrich.), 디메틸 술폭사이드(DMSO, 99.9%, Aldrich.), PEDOT:PSS(Clevios PVP AI 4083, Heraeus; 사용을 위해 물로 10%로 희석), CH3NH3Cl(MACl, 98% , Aldrich.), PbBr2(99%, Aldrich.), PbCl2(98%, Aldrich.), C60(99.9%, MER.), 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(BCP, 99%, Lumtech.) 및 트리스-(8-하이드록시-퀴놀리나토)알루미늄(Alq3, 99.5%, Lumtech.)를 입수한 상태 그대로 사용된다. 혼합된 할라이드 페로브스카이트 전구체 용액을 제조하기 위해, MAC1:PbBr2:PbCl2(각각 135 mg, 220 mg 및 389 mg)를 DMF 및 DMSO(각각 1.5 ml 및 0.5 ml)의 혼합 용매에 첨가한다. 순수한 클로라이드 페로브스카이트 전구체 용액의 경우, MACl:PbCl2(각각 67.5 mg 및 278 mg)를 DMF 및 DMSO(각각 1.5 ml 및 0.5 ml)의 혼합 용매에 첨가한다. 이어서, 이 용액들을 30 분 동안 교반하고 0.45 μm PTFE 필터로 여과한 후 사용한다.
장치 제작: PEDOT 용액을 사전 세척된 ITO 기재 상에 6000 rpm으로 10 초 동안 스핀 코팅한 다음 100 ℃에서 5 분 동안 어닐링한다. 페로브스카이트 전구체는 PEDOT 필름 상에 5,000 rpm으로 12 초 동안 스핀 코팅된 후, 자체제작(homemade) 진공 챔버 내로 이동되었고, 대략 10 mTorr로 배기된 후, 이 챔버 내에서 1 분 동안 방치된다. 이어서 샘플을 메틸아민 가스로 2 초 동안 처리한다. 이어서, 기재는, 전자 추출층으로서 C60(20 nm) 및 옴 접촉을 위한 BCP(7.5 nm)의 증착을 위해 증발 챔버 내로 이동된다. 마지막으로, 5 nm 두께의 은 층 및 60 nm의 Alq3가 섀도우 마스크를 통한 열 증발에 의해 투명 전극으로서 증착되며, 최종 측정된 장치 면적은 4.85 mm2이다.
특정 및 특성분석: UV-VIS-NIR 투과 및 반사 스펙트럼을 PerkinElmer Lambda 800 분광기를 사용하여 수집한다. XRD 데이터를 Bruker D2 페이저와 함께 CuKα(0.154 nm) 방출을 사용하여 측정한다. 전계 방출 주사 전자 현미경(Carl Zeiss Auriga Dual Column FIB SEM)을 사용하여 SEM 이미지를 획득한다. 전류밀도-전압 특성(J-V 곡선)을, 암흑(dark) 및 AM1.5 G 태양 시뮬레이션 하에서 Keithley 2420 소스미터(sourcemeter)를 사용하여 얻으며, 여기서, 빛의 세기는 KG5 필터(스펙트럼 불일치 인자(spectral mismatch factor)가 1.20인 크세논 아크 램프)를 갖춘 NREL-교정된 Si 기준 전지를 사용하여 측정된다. 장치들은 50 mV s-1의 속도로 스캔된다. UV-전용 TPV에 대한 스펙트럼 불일치는, 시험된 전지와 교정된 Si 기준 전지의 양자 효율의 큰 차이로 인해, 램프 스펙트럼 측정(lamp spectra measurements)에 대해 상당히 더 민감하다. EQE 측정은, 강도를 측정하기 위해, 모노크로메이터, 초퍼, 락인 증폭기, 및 교정된 Si 검출기를 구비한 QTH 램프를 사용하여 수행된다. J-V 및 EQE는 대기(ambient air) 중에서 밀봉되지 않은 장치/샘플에 대해 측정된다. IQE는 전체 장치의 반사율 측정을 통해 장치 흡수를 측정하여 평가된다(A = 1 - R - T).
결과
메틸암모늄(MA) 납 할라이드는 페로브스카이트 반도체이다. 다른 조성물들이 적극적으로 연구되고 있지만, 가시광 흡수 에지(visible absorption edge) 근처에서 밴드갭을 갖는 장치를 최적화하기 위한 노력은 거의 이루어지지 않았다. 도 5의 (A)는 다양한 할라이드 치환기(Cl, Br, I)를 갖는 MA 기반 페로브스카이트 필름의 흡수 스펙트럼을 보여준다. 이들 페로브스카이트 중에서, 이오다이드(MAPbI3) 및 브로마이드(MAPbBr3) 페로브스카이트는 강한 가시광 흡수를 가지며, 그에 따라, 전통적인 불투명 태양 전지에서 광흡수제로서 사용되어 왔다. 반투명 태양 전지를 제조하려는 노력이 증가하고 있지만, 그 장치 AVT 및 CRI는 대체로, 효율 및 투명도의 직접적인 상충 관계로 인해 낮다. 현재까지 페로브스카이트 기반 TPV에 대해 보고된 최고 AVT는 46%에 불과하다(참고로, 유기 TPV의 최고 AVT는 66%이다). 이에 비해, MAPbCl3는 410 nm에서 흡수 컷오프를 가지며, 그에 따라, 90% 초과의 AVT를 가능하게 한다. 이전의 이론적 연구는 이상적인 UV 전용 TPV 밴드갭이 430 내지 440 nm임을 보여준 바 있다. 가시광선 투과도에 영향을 주지 않으면서 광흡수 범위를 향상시키기 위해, MAPbCl3-xBrx의 도핑된 조성물을 갖는 장치가, 410 내지 440 nm의 흡수 컷오프를 민감하게 위치시키도록 개발되었다. x = 20%의 브로마이드 치환은 혼합 할라이드 페로브스카이트 필름의 흡수가 이상적으로 435 nm까지 연장하도록 만든다. 따라서, UV 수확 TPV는, 도 5의 (B)에 도시된 바와 같이, 역전된 장치 구조를 갖는 MAPbCl3 및 MAPbCl2.4Br0.6 페로브스카이트 흡수제로 개발되었다.
UV 수확 페로브스카이트 필름은 스핀 코팅을 통한 용액 침착에 의해 제조된다. 전형적인 용매 중에서의 많은 Cl 전구체들의 제한된 용해도로 인해, 단락을 방지하기 위해 최소 탁도 및 거칠기를 갖는 매끄러운 페로브스카이트 층을 형성하기 위해서는, 처리과정에 더 많은 주의가 요구된다. 진공 보조 용액 침착 공정(vacuum-assisted solution deposition process)은 메틸아민 가스 후처리와 조합되어, 최소 광산란을 갖는 매우 투명한 고품질 필름을 얻게 한다. 도 6의 (A) 및 (B), 그리고 도 7의 (A) 및 (B)에 제공된 MAPbCl3 및 MAPbCl2.4Br0.6 필름들의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지는 순수한 클로라이드 및 브로마이드-도핑된 페로브스카이트 필름들이 모두 매끄럽고 균일하다는 것을 보여준다. 이 필름들은 이오다이드 페로브스카이트 필름만큼 큰 입자(grains)를 나타내지 않지만, x선 회절(XRD) 패턴에서 관찰된 강한 회절 피크들은 단일의 바람직한 배향을 갖는 페로브스카이트 필름의 우수한 결정화를 나타낸다. 도 6의 (C)에서, 15.6°, 31.5° 및 48.0°에서의 회절 피크들은 각각 (100), (200) 및 (300)으로 인덱스된 MAPbCl3 입방 상(cubic phase)에 해당한다. 20% 브로마이드 도핑의 경우, 회절 피크들은 약간 더 낮은 회절 각도(15.4°, 31.1° 및 47.4°)로 이동하는데, 이는 여전히 입방 상과 일치하고, 다른 문헌 보고치와도 일치한다. 이 이동은, 순수한 MAPbCl3(a = 5.677 ± 0.002 Å)와 비교하여, 더 큰 Br 원자로부터 발생하는 더 큰 격자 상수(a = 5.737 ± 0.008 Å)를 나타낸다.
다양한 할라이드 페로브스카이트 필름들의 사진이 도 6의 (D)에 도시되어 있다. MAPbCl2.4Br0.6의 혼합 할라이드 페로브스카이트 필름은 가시광선의 에지에서의 흡수 컷오프로 인해 연한 황색을 나타내며(가시광 범위는 최적의 이론적 TPV에 대해 435 내지 670 nm로 결정되며, CRI가 95보다 큰 경우, 이에 상응하는 가시 광투과율은 99.5%보다 크다), 반면에, MAPbCl3, MAPbBr3, MAPbI3은 각각 투명(clear)하고, 주황색이고, 짙은 갈색인 것으로 보인다.
UV 수확 TPV는 도 5의 (B)에 도시된 구조로 제조된다. 얇은(대략 5 nm) PEDOT 층이 ITO 기재 상에 스핀 코팅되어 정공 추출층으로서 작용한다. 페로브스카이트 필름이 PEDOT 층 상에 성장된 후, C60 층(20 nm)이 전자 추출층으로서 침착된다. 이어서 바소쿠프로인(BCP)을 풀러렌 상에 침착시킨 후, Ag(5 nm)/Alq3(60 nm)로 이루어진 상부 투명 전극을 침착시킨다. TPV 장치의 전류-전압(J-V) 곡선이 도 8의 (A)에 도시되어 있고, 도 8의 (B)는 장치 PCE의 히스토그램을 도시한다. 제1위의 순수 클로라이드 페로브스카이트 TPV 장치는 0.33%의 PCE를 나타내며, 이때, JSC는 0.67 mA cm-2, VOC는 1.18 V, 충전 인자(fill factor: FF)는 41.1%이다. 대조적으로, 가장 우수한 혼합 할라이드 페로브스카이트 TPV는 0.52%의 PCE를 나타내고, 이때, JSC는 0.92 mA cm-2, VOC는 1.26 V, FF는 44.9%이다. MAPbCl3에 비해 MAPbCl2.4Br0.6의 더 넓은 흡수 범위로 인해, MAPbCl2.4Br0.6 장치의 JSC가 MAPbCl3 장치보다 더 높을 것으로 예상된다. 특히, MAPbCl3 장치의 VOC 및 FF 또한, MAPbCl2.4Br0.6 장치보다 더 낮다. 추론될 수 있는 바와 같이, 핀홀없는 MAPbCl3 필름을 처리하는데 어려움이 클수록 전하 재결합이 증가되고, MAPbCl3 장치의 낮은 광기전성 파라미터(photovoltaic parameters)가 발생되며, 이는 도 6의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같다. 50개의 개별 MAPbCl3 장치들 및 86개의 개별 MAPbCl2.4Br0.6 장치들의 평균 PCE는 각각 0.24 ± 0.04% 및 0.42 ± 0.06%인 것으로 나타났다(표 1). PCE 값들의 낮은 편차는 이러한 TPV 장치들의 높은 재현성을 나타낸다.
논의
이어서, UV 수확 TPV 장치들의 광학 특성을 체계적으로 조사한다. 도 9의 (A) 및 (B)에는 각 장치에 대한 흡수율(A), 반사율(R), 투과율(T), 외부 양자 효율(EQE) 및 내부 양자 효율(IQE) 스펙트럼이 제공된다. 광자 균형 일관성 검사(photon balance consistency check)를 만족시키기 위해, 스펙트럼의 모든 곳에서 EQE + R + T < 100%인 것으로 나타났다. MAPbCl3 및 MAPbCl2.4Br0.6 페로브스카이트 필름들과 같이, 대응하는 TPV 장치들은 가시광선을 효율적으로 투과시키면서 UV에서 예리한 흡수 컷오프를 나타낸다. 두 UV 수확 TPV 장치들은 MAPbCl3 및 MAPbCl2.4Br0.6에 대해 각각 70.7% 및 69.7%의 이례적으로 높은 AVT를 나타낸다(표 1). 완전한 페로브스카이트 TPV 장치들의 사진이 도 9의 (C) 및 (D)에 도시되어 있다. 개별 필름들은 매우 경미한 노란색을 나타내지만, 상부 투명 캐소드를 추가하면 광학 간섭이 형성되며, 이는 더욱 중성적인 색상 연색(more neutral color rendering)을 발생시킨다. 이것은, 650 nm를 지나서 투과 곡선의 감소 및 반사 곡선의 증가에서 볼 수 있다. 그럼에도 불구하고, 가시광 스펙트럼의 어느 부분에서나 활성층의 흡수가 거의 없기 때문에, 두 장치 모두, AM1.5 G 태양 스펙트럼을 기준으로 하여, MAPbCl3 및 MAPbCl2.4Br0.6에 대해 각각 92.4 및 93.1의 이례적으로 높은 CRI를 나타낸다(표 1). CRI는 투명한 장치를 설명하는 또 다른 중요한 인자이다. CRI는 투명한 매질을 통한 입사 광원을 재생하기 위한 색 품질을 정량적으로 설명하며, 조명 산업에서도 활용된다. 높은 CRI 값은 장치가 높은 심미적 품질을 가지며 윈도우 또는 디스플레이 상에 놓일 때 색상 인식에 거의 영향을 미치지 않음을 나타낸다.
표 1. UV 전용 수확 TPV 장치의 장치 파라미터 요약. 밴드갭은 도 10에 도시된 바와 같이 할라이드 페로브스카이트 필름의 광흡수로부터 측정되었다.
| 장치 | VOC (V) |
JSC (mA cm-2) |
FF (%) |
PCE (%) |
밴드갭 (eV) |
AVT (%) |
CRI |
| MAPbCl3 | 1.11 ± 0.11 | 0.61 ± 0.9 | 35.8 ± 3.7 | 0.24 ± 0.04 | 3.04 | 70.7 | 92.4 |
| (최고치) | (1.18) | (0.67) | (41.1) | (0.33) | |||
| MAPbCl2.4Br0.6 | 1.13 ± 0.09 | 0.85 ± 0.9 | 43.5 ± 3.1 | 0.42 ± 0.06 | 2.83 | 69.7 | 93.1 |
| (최고치) | (1.26) | (0.92) | (44.9) | (0.52) |
거의 이상적인 광학적 특성(흡수 컷오프, 연색성 및 투명도)을 갖는 할라이드 페로브스카이트 반도체로부터 얻은 UV 수확 TPV 장치들을 실증하였음에도 불구하고, 이러한 장치들은 여전히 적당한 양자 효율에 의해 제한될 수 있다. 이론에 구속되는 것은 아니지만, 이는 클로라이드 페로브스카이트 재료의 불량한 용해도(DMF 및 DMSO 중에서 30 wt%로 제한됨)로부터 비롯된 것으로 보이며, 이러한 불량한 용해도는 도 7의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같이 UV 광의 최대 60 내지 70%만을 수확할 수 있는 얇은 페로브스카이트 필름(100 내지 150 nm)을 발생시킨다. 이는 또한 내부 양자 효율(IQE)이 40%보다 낮음을 나타내며, 이는 필름 품질 또는 결정 입자 크기(강한 바람직한 결정 정렬을 가짐에도 불구하고)를 증가시킴으로써 향상될 수 있다. 또한, 도 9의 (A) 및 (B)에서, 장치 반사가 600 내지 700 nm 파장 범위에서 10%보다 큰 것을 알 수 있으며, 이는 투명도를 불필요하게 감소시킨다. 전체적으로, 처리과정에서의 향상으로, 양자 효율은 20%로부터 90%로, FF는 45%로부터 70%로, VOC는 1.26 V로부터 2.00 V로 증가할 수 있다. 이 하이브리드 페로브스카이트 조성물에 의해 5% 초과의 효율이 달성되는데, 이는 표 2에 나타낸 바와 같이 유리 단독의 투명도에 근접한 투명도에 의한 이론적 효율 한계인 7%에 근접한다.
표 2. UV 전용 수확 TPV 장치의 이론적 효율 한계.
| 흡수 컷오프 (nm) |
VOC (V) |
JSC (mA cm-2) |
PCE (%) |
| 400 | 2.69 | 1.44 | 3.66 |
| 430 | 2.49 | 2.56 | 6.43 |
| 440 | 2.43 | 3.13 | 7.18 |
UV 수확 TPV 장치들이 할라이드 페로브스카이트 광흡수제의 플랫폼을 기초로 하여 실증되었다. 이는, TPV 장치가 가시광에 대한 영향을 최소화하면서도 성능을 최대화하는 경로를 제공하는 이상적인 흡수 컷오프로 UV 광을 선택적으로 수확한다는 것을 나타낸다. 혼합 조성 할라이드 페로브스카이트에 기초하여, TPV 장치는 70%의 AVT 및 92 초과의 CRI를 갖는 상태에서 최대 0.52% PCE를 나타내는 이상적으로 조정된 밴드갭을 갖는 것으로 나타났다. 70.7%의 높은 AVT는 이러한 UV 수확 TPV 장치들을 현재까지 보고된 최고 성능의 가장 높은 AVT 광전지들 중의 하나로 만든다. 이러한 사실은, 페로브스카이트 재료의 탁월한 잠재력이 TPV 장치로 효과적으로 이전된다는 것을 나타낸다. 이러한 유형의 기술들은 단일 접합 효율 한계 및 다중 접합 효율 한계 둘 다에 빠르게 도달하는 다른 근적외선 수확 TPV에 대한 중요한 보완책이다.
실시예 2
TPV 장치는 불투명한 광기전성 장치와 비교하여 수많은 독특한 장점들을 갖는다. 그러나, 효율과 투명도의 균형을 맞추기가 어려웠다. AVT가 70% 초과일 때 PCE가 1% 초과인 TPV 장치는 거의 없었다. 여기서는, 효율 및 투명도가 모두 향상된 일련의 금속 할라이드 기반 TPV가 보고된다. 금속 할라이드 층 두께 및 조성의 효과를 체계적으로 연구하고, 이어서, 금속 할라이드 TPV를 효율, 투명도 및 안정성과 관련하여 평가한다. 그 결과에 나타난 바에 따르면, UV 파장 선택적(selective) 흡수를 갖는 금속 할라이드 TPV는 1%를 초과하는 효율을 달성할 수 있으며, 동시에 AVT는 70%를 초과한다. 단일 접합 전지로서 또는 다중 접합 투명 및 불투명 전지에 대한 부품으로서 실현 가능한 높은 효율 및 높은 투명도를 갖는 UV 수확 TPV를 제조하기 위한 간단한 접근법이 제공된다.
배경
파장 선택적(selective) TPV는 비가시광(invisible light)을 전력으로 변환하는데 집중하며, 반면에 가시광(visible light: VIS)은 대부분 통과시킨다. 이러한 기능성은 비전통적인 적용분야에 배치될 수 있는 큰 잠재력을 제공한다. TPV의 두 개의 주요 관심 파라미터는 전력 변환 효율(power conversion efficiency: PCE) 및 평균 가시광 투과율(average visible transmission: AVT)이다. AVT는 새로운 적용분야에 TPV를 배치하기 위한 최소 임계값을 정의하기 때문에 PCE만큼 중요하다. 또한, 연색지수(color rendering index: CRI)는 TPV 채택가능성에 중요한 파라미터이다. 비록 TPV의 PCE는 5%를 초과하여 크게 개선되었고(이때, AVT는 약 50%임), 많은 연구가 반투명 PV에 집중되어 왔지만, 많은 새롭게 등장하는 적용분야들은 약 70%의 최고 AVT에서만 실현가능하게 된다.
TPV의 AVT 및 CRI를 개선하려면 가시광의 흡수를 줄이는 것이 중요하다. 몇몇 보고서는, 최고 투명도의 장치를 제조하기 위해, 자외선(UV) 또는 근적외선(NIR) 흡수 재료를 선택적으로(selectively) 활용하는 것을 살펴본 바 있다. 추가 연구들은, PCE가 1.5%인 상태에서 60%의 AVT를 달성하는 UV 수확 유기 TPV, AVT가 60.4%인 상태에서 최대 0.9%의 효율을 나타내는 NIR 수확 특성을 갖는 일련의 유기 염들, 및 0.9% 내지 2.2%의 PCE 및 62% 내지 66%의 AVT 값(450 내지 670 nm)을 갖는 유기 기반 NIR 흡수 TPV를 보고한 바 있다. 이전 연구에서, 73%에 달하는 AVT를 갖는 UV 파장 선택적 광기전성 장치가, UV-가시광 컷오프 바로 근처에서 페로브스카이트 밴드갭을 조정함으로써 가능해진 예리한 파장 컷오프를 이용함으로써 개발되었다. 그러나, 투명도가 높은 TPV를 개발하기 위한 이러한 기존의 노력은, UV 및 UV/NIR 수확 TPV의 이론적 한계가 각각 7% 및 21%를 초과함에도 불구하고, TPV 효율을 1% 초과로 개선시킴과 동시에 AVT가 70%를 초과하도록 만드는 것이 어렵다는 것을 보여주었다.
여러 유형의 금속 할라이드 반도체가 존재하며, 이에는 벌크 반도체 및 금속 할라이드 나노클러스터가 포함된다. 후자는 인광 재료(phosphorescent material)로서 발광 태양 집중기(luminescent solar concentrators: LSC) 및 발광 다이오드(LED)에 도입된 바 있는 한편, 전자는 금속 할라이드 페로브스카이트 태양 전지에 대한 연구에서 부생성물로 등장했다. 불투명 태양 전지에서 광흡수제로서 여러 금속 할라이드 반도체가 사용되어 왔는데, 이는 광전지 응용분야에서의 금속 할라이드 재료의 잠재력을 나타낸다. 예를 들어, InI 기반 태양 전지(2.0 eV의 밴드갭)가 보고된 바 있다. 비록 그 장치 효율은 0.4%에 불과하지만, 이는 InI가 실행 가능한 광기전성 재료임을 실증한다. 비스무트 이오다이드(1.72 eV의 밴드갭)가 또한, 광수확 재료로서 태양 전지에 사용되었으며, 이 광기전성 장치의 효율은 최대 1.2%로 나타났다. 그러나, 밴드갭이 가시광 범위에 있기 때문에, 이러한 2개의 금속 할라이드 재료들은 TPV에서 파장 선택적 광흡수제로서 덜 적합하다. 납 할라이드 페로브스카이트 태양 전지에 대한 연구에서 유래된 PbI2(페로브스카이트 전구체 중 하나)는 광기전성 재료로서 작용하는 것으로 밝혀졌다. PbI2의 밴드갭(2.4 eV)은 도 11에 도시된 바와 같이 단일 접합 불투명 전지에 덜 적합하지만, 그것은 TPV에서 UV 광을 선택적으로(selectively) 수확할 가능성을 가지며, 밴드갭이 2.7 내지 2.8 eV에 가깝게 증가될 수 있는 경우에는 특히 더 그러하다. 보고서들은, PbI2가, 최대 0.75%의 효율과 49%의 해당 AVT를 갖지만 77의 낮은 CRI를 갖는 TPV용 광흡수제인 것으로 실증하였다. 따라서, 효율 및 투명도가 증가된 TPV 장치들이 바람직하다.
여기서는, 효율이 1% 초과인 메탈 할라이드 기반 TPV가 실증된다. 먼저 PbI2 활성층의 두께 및 처리를 최적화하고, 클로라이드 및 브로마이드 도핑을 체계적으로 조사함으로써, 밴드갭을 조절하는 능력을 이해하고자 한다. 그러한 접근법이 벌크 메탈 할라이드(비페로브스카이트 구조)에 대해 작동할 것이라는 것이 실증되며, 물리적 및 광전자적 특성에 대한 영향이 밝혀진다. 광학 특성은 도핑에 의해 매끄럽게 변하지만, Br 및 Cl 도핑이 10%를 초과하면 전자 특성(electronic properties)은 급격히 떨어진다. 이 최적화에 기초하여, 결과적으로 생성된 메탈 할라이드 TPV는 70.7%의 AVT를 갖는 상태에서 최대 1.22%의 장치 PCE를 보여준다. 도핑 조성의 영향을 더 이해하기 위해 초기 장치 안정성이 연구되며, 여기서 브롬 도핑이 수명을 증가시키는 것으로 밝혀진다. 이는, 간단한 금속 할라이드 반도체가 최고 투명도에서 높은 효율을 갖는 TPV용 광수확 재료로서 유용하다는 것, 그리고 밴드갭을 조절하여 이상적인 컷오프를 달성할 수 있다는 것을 실증한다. 금속 할라이드의 저렴한 비용과 간단한 처리 기술은 다양한 응용 분야에서 TPV에 대한 유망한 해결책을 제공한다.
방법
재료 및 전구체 제조: 디메틸포름아미드(DMF, 무수, 99.8%, Aldrich.), PbI2(99%, Aldrich.), PbBr2(99%, Aldrich.), PbCl2(98%, Aldrich), C60(99.9%, MER Corporation.), 2,9-디메틸-4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(BCP, Lumtech.) 및 트리스-(8-하이드록시-퀴놀리나토)알루미늄(Alq3, 99.5%, Lumtech)가 입수된 상태 그대로 사용된다. 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 술포네이트(PEDOT, Clevios PVP AI 4083, 1.3 wt%, Heraeus)는 사용하기 전에 탈이온수로 10 vol%로 희석된다. 1.0 M-PbI2 전구체 용액을 제조하기 위해, 461 mg PbI2가 1.0 ml DMF에 첨가된다. 이어서, 이 용액들은 1 시간 동안 교반되고 0.45 μm PTFE 필터로 여과된다. 1M PbI2 용액을 DMF로 희석하여 다양한 농도의 PbI2 용액들이 제조된다.
장치 제작: PEDOT 용액을 6000 rpm에서 10 초 동안 사전 세정된 ITO 기재에 스핀 코팅 한 후 110 ℃에서 2 분 동안 어닐링한다. 납 할라이드 전구체 용액을 7 초 동안 6000 rpm에서 PEDOT 필름 상에 스핀 코팅한 후, 자체제작 진공 챔버 내로 빠르게 이동시키고, mTorr 범위까지 배기시키고, 3 분 동안 이 챔버 내에 방치하였다. 이어서 기재를 핫 플레이트로 옮기고 2 분 동안 80 ℃에서 어닐링하였다. 이어서, 기재를 C60(20 nm) 및 BCP(7.5 nm)의 증착을 위해 증발 챔버 내로 이동시킨다. 마지막으로, 5 nm 두께의 은 전극 및 60 nm의 Alq3을 섀도우 마스크를 통해 3 x 10-6 Torr의 베이스 압력(base pressure)에서 열 증발에 의해 증착시키며, 이때, 최종 측정된 장치 면적은 4.85 mm2이다. 불투명 장치의 경우, 열적으로 80 nm 은 층(thermally 80 nm silver layer)이 BCP 층 상에 전극으로서 증착된다.
측정 및 특성분석: PbI2 필름의 두께는 분광 엘립소메트리(spectroscopic ellipsometry)(Wollam Vase)에 의해 측정된다. UV-VIS-NIR 투과 및 반사 스펙트럼은 이중 빔 PerkinElmer Lambda 800 분광기를 사용하여 수집된다. 투과율 측정에는 기준 샘플이 사용되지 않는다. 전류밀도-전압 특성(J-V 곡선)은 암흑 및 AM1.5 G 태양 시뮬레이션 하에서 Keithley 2420 소스 측정 장치(Keithley 2420 source measurement unit)를 사용하여 얻으며, 여기서, 빛 강도는 KG5 필터(연구된 장치에 대해 스펙트럼 불일치 인자가 1.08 ± 0.02인 크세논 아크 램프)가 구비된 NREL-교정 Si 기준 전지를 사용하여 측정된다. 장치들은 50 mV/s의 속도로 스캔된다. EQE 측정은 교정된 Si 검출기(calibrated Si detector), 모노크로메이터(monochromator), 초퍼(chopper), 및 록인 증폭기(lock-in amplifier)가 구비된 QTH 램프를 사용하여 수행된다. IQE는 IQE = EQE/(1-R-T)로서 산출된다. J-V 및 EQE는 대기 중에서 밀봉되지 않은 장치/샘플에 대해 측정된다.
결과
PbI2는 납 할라이드 페로브스카이트 필름의 전구체 재료로서 육방정 결정 구조를 갖는다. 도 12의 (A)는, PbI2 필름이 스핀 코팅 또는 열 증발에 의해 기재 상에 침착된다는 것, 그리고 PBI2 필름 두께가 전구체 용액의 농도 또는 스핀 코팅 속도를 변화시킴으로써 제어된다는 것을 보여준다. 먼저, 장치 성능에 대한 PbI2 필름 두께의 영향이 불투명 장치 구조에서 조사된다. PbI2 전구체 용액들은 1 M 내지 0.1 M 범위의 농도로 제조된다. 도 13에 나타난 바와 같이, 용액 농도가 0.1 M로부터 1.0 M로 증가함에 따라, PbI2 필름의 두께는 9 ± 1 nm로부터 93 ± 2 nm로 증가한다. 처리 분위기는 PbI2 필름의 모폴로지에 크게 영향을 줄 수 있기 때문에, 진공 보조 방법(vacuum assistant method)은 재현성이 높고 매끄러운 PbI2 필름을 제조하는 데 사용된다. 도 14의 (A) 내지 (D)에 도시된 바와 같이, 주사 전자 현미경(SEM) 이미지는 PbI2 필름이 핀홀이 거의 없는 상태로 균일하고 매끄럽다는 것을 보여준다. 도 12의 (B)는 사용되는 장치 구조를 보여주는데, 여기서, 얇은 PEDOT 층은 정공 수송 층으로서 작용하고, 20 nm 풀러렌 층은 PbI2 상에 침착되어 전자 추출층으로서 작용한다. 풀러렌 상에 얇은 BCP 층이 침착되어, 열 증발(증착)된 80 nm 은 전극과 옴 접촉을 형성한다. 투명한 장치의 경우, 80 nm 은 전극은, 투명 전극인 5 nm 은/60 nm Alq3로 대체된다.
불투명한 전지의 장치 파라미터들은 도 12의 (A) 내지 (D) 및 도 15의 (A) 및 (B)에 요약되어 있다. PbI2 필름 두께의 증가에 따라 장치 광전류는 떨어진다. 추론될 수 있는 바와 같이, 장치 직렬 저항은 PbI2 필름 두께에 따라 증가하고, 40 nm 미만의 적당한 전하 수집 길이 (또는, 공핍 폭)로 인해 증가된 전하 재결합을 유도한다. 증가된 직렬 저항은 또한, 장치의 개방회로 전압(VOC)을 감소시키며, 여기서 가장 두꺼운 PbI2 필름의 VOC는 도 15의 (A)에 도시된 바와 같이 1.0 V보다 낮다. 이에 비해, 약 30 nm의 필름 두께를 갖는 장치의 VOC는 통상적으로 1.1 V이고, 기록된 가장 높은 VOC는 1.17 V이다. 이때, 평균 PCE는 약 0.4 M에서 최대 1.68%를 나타낸다. 이 결과는 TPV 제작을 위한 지침으로서 활용된다. 목표는 예리한 밴드갭 컷오프를 이용하여 자외선을 더욱 선택적으로(selectively) 수확하는 것이지만, 두꺼운 PbI2 필름은 경우에 따라, 테일 상태 흡수(tail state absorption)로 인해 TPV 장치의 투명도와 연색성(color rendering)을 감소시킬 수 있다. 따라서, 여기서는, PbI2 전구체 용액의 농도가 0.3 M 미만으로 제한되어, TPV 장치에 대해 30 nm 미만의 PbI2 필름 두께를 발생시킨다.
추가적으로 실증된 바와 같이, 광대하게 다른 결정 구조(육방정 대 페로브스카이트)에도 불구하고, 페로브스카이트 필름과 유사하게, 다양한 할라이드 원소로 도핑함으로써 납 할라이드 재료의 흡수 범위는 예기치 않게도 쉽게 변경될 수 있다. 이는, 그것이 PCE 및 AVT 모두의 최적화에 중요한 것으로 밝혀진 UV/VIS 컷오프 주변에서의 정확한 밴드갭 변경을 가능하게 하기 때문에, 유리하다. 도 16의 (A)는 다양한 브로마이드 또는 클로라이드 도핑 비율을 갖는 PbI2 필름들의 사진을 보여준다. Br 또는 Cl 도핑이 증가함에 따라, 담황색이 더 선명해지고 더 밝아진다. 따라서, 필름들의 투명도는 도 16의 (B)에 도시된 바와 같이 일제히 증가하고, 여기서 10:0의 PbI2:PbBr2 비는 황색 색조를 가지며, 0:10의 PbI2:PbBr2 비는 거의 색조를 갖지 않는다. 도 17의 (A) 내지 (C)는 Br 도핑된 납 할라이드 필름의 X선 회절(XRD) 패턴을 제공하고, 10 내지 30%의 몰 도핑 비율에 의해 회절 강도가 향상됨을 보여주며, 이는 Br-도핑이 개선된 필름 결정화에 기여함을 나타낸다. 그러나, 대응하는 장치의 성능은, 도 18의 (A) 내지 (D)에 도시된 바와 같이, 도핑 비율이 Cl 도핑의 경우 10% 위로 및 Br 도핑의 경우 30% 위로 증가할 때, 급격한 감소를 나타낸다. 이어서, 후속 TPV 도핑 최적화는 Cl 및 Br 도핑 모두에 대해 약 10%의 도핑 한계로 수행된다.
납 할라이드 TPV가 0.1 M, 0.2 M 및 0.3 M의 다양한 용액 농도를 갖는 브로마이드 또는 클로라이드 도핑된 PbI2 전구체 용액(10%)으로 제조된다. 완전히 조립된 (비패턴화된) TPV 장치의 사진을 도 19의 (A)에 나타내었다. TPV에 대한 정량적 투명도 파라미터들이, AVT 및 CRI를 포함하여, 표 3에 요약되어 있다. 도 19의 (B) 및 (C)는 다양한 농도의 납 할라이드 전구체 용액으로부터 제조된 PbI2 필름 및 TPV의 투과 스펙트럼을 보여준다. 도 19의 (B)는 0.1 M PbI2 필름의 투과율이 510 nm 내지 900 nm에서 80%를 초과함을 보여준다. 따라서, 0.3 M-PbI2 필름은 약 70%의 피크 투과율을 나타내고, 결과적으로, TPV의 AVT는 각각 68.4%로부터 63.5%로 감소하며, 이는 도 19의 (C)에 도시된 바와 같다. 그러나, 진공 보조 방법으로부터 얻어진 매우 맑고 투명한 필름들은 여전히, TPV의 모든 AVT 값들이 측정 가능한 탁도가 없는 상태에서 60%보다 큰 것을 보장한다(표 3). 도핑되지 않은 납 할라이드 TPV의 높은 투명도 특성은 초박형 납 할라이드 필름에 부분적으로 기인하는 반면, 도핑된 납 할라이드는 2.7 내지 2.8 eV 컷오프에 가까운 밴드갭으로 인해 더 큰 두께 범위에서 더 높은 투명도을 유지할 수 있다. 동일한 전구체 농도를 갖는 다양한 납 할라이드 필름들의 경우, 투과 스펙트럼들은, 특히 도 20의 (A) 및 (B)에 도시된 바와 같은 TPV 장치의 투과 스펙트럼들의 경우, 서로 가깝다. 예를 들어, 0.2M 필름들의 모든 투과 스펙트럼들은 515 nm 내지 900 nm 범위에서 70%보다 높으며, TPV 장치의 투과 스펙트럼들은 520 nm에서 피크를 나타내고, 여기서, 투과율은 70%를 초과하여, 0.2M에 대해 대략 68%의 AVT를 발생시킨다.
표 3. 납 할라이드 TPV에 대한 광기전성 및 투명도 파라미터의 요약.
| 장치 | [Pb] (mol L-1) |
JSC [mA cm-2] |
VOC [V] |
FF [%] |
PCE [%] |
AVT [%] | CRI |
| PbI2 | 0.1 | 1.94 ± 0.14 | 0.998 ± 0.03 | 51.9 ± 1.7 | 1.00 ± 0.06 | 65.9 | 87.5 |
| 0.2 | 2.02 ± 0.08 | 1.07 ± 0.02 | 55.0 ± 1.0 | 1.19 ± 0.06 | 69.2 | 89.3 | |
| 0.3 | 1.88 ± 0.05 | 1.02 ± 0.04 | 53.2 ± 2.3 | 1.02 ± 0.06 | 70.7 | 91.3 | |
| PbI1.8Br0.2 | 0.1 | 2.01 ± 0.06 | 1.02 ± 0.02 | 55.9 ± 1.6 | 1.15 ± 0.07 | 65.8 | 88.8 |
| 0.2 | 2.00 ± 0.05 | 1.05 ± 0.02 | 55.1 ± 1.5 | 1.16 ± 0.05 | 69.1 | 90.2 | |
| 0.3 | 1.82 ± 0.04 | 0.966 ± 0.01 | 51.0 ± 3.6 | 0.929 ± 0.08 | 68.8 | 91.4 | |
| PbI1.8Cl0.2 | 0.1 | 1.92 ± 0.09 | 1.03 ± 0.01 | 54.7 ± 0.9 | 1.09 ± 0.06 | 64.0 | 88.7 |
| 0.2 | 1.85 ± 0.09 | 1.07 ± 0.02 | 54.6 ± 1.5 | 1.08 ± 0.08 | 68.8 | 90.6 | |
| 0.3 | 1.72 ± 0.02 | 0.889 ± 0.04 | 55.2 ± 1.8 | 0.846 ± 0.03 | 70.5 | 92.1 |
광학 특성을 조사하기 위해, 납 할라이드 TPV의 반사 스펙트럼이 추가적으로 측정된다. PbI1.8Br0.2 TPV 장치는 도핑된 납 할라이드 TPV의 광학 특성을 위한 대표적인 장치로서 사용된다. 도 21의 (A)는 실외 조건 하에서 찍은 완전한 PbI1.8Br0.2 TPV 장치의 사진을 보여준다. 강한 착색의 결여가 높은 CRI 값(90보다 큰 값)에 의해 반영된다. 통상적으로 85 내지 90의 CRI 값은 "자연 색상"을 유지하기 위해 허용되는 색상 변경에 대한 하한이다. 도 22의 (A)는 ITO 상의 PbI1.8Br0.2 필름 및 PbI1.8Br0.2 TPV 장치의 사진을 도시하며, 도 22의 (B)는 PbI1.8Br0.2 TPV의 상응하는 투과 스펙트럼을 도시하고, 여기서 순수 필름과 비교하여 510 nm와 900 nm 사이의 투과율 감소는 주로 반사에 의해 야기된다(도 21의 (B) 참조). 통상적으로, 반사방지(AR) 층은 장치의 각면에서 광학 손실을 약 3 내지 4% 감소시킬 수 있다. 유리 면(glass side) 상에 도포된 하나의 AR 코팅의 첨가에 의해, PbI1.8Br0.2 TPV의 AVT가 67.5%로부터 69.1%로 증가한다. 이때, 0.1 M-PbI2 및 0.1 M-PbI1.8Cl0.2 TPV의 AVT는 70%를 초과한다.
필요한 일관성 검사(consistency checks)를 분석하기 위해, PbI1.8Br0.2 TPV 장치의 EQE도 도 21의 (B)에 표시되어 있다. 이 장치는 410 nm에서 35%에 달하는 최대 EQE를 보여주며, 그에 따라, EQE 스펙트럼으로부터의 적분된 광전류는 1.78 mA cm-2이다. 계산된 스펙트럼 불일치 계수(spectral mismatch factor)인 1.09와 조합되어, 이 적분된 광전류는 J-V 곡선으로부터 추출된 단락 전류밀도(JSC)와 잘 일치한다. 광자 균형을 사용하여, 최대 IQE는, 광자 균형(A = 1 - T - R)을 사용하여 총 흡수를 추산함으로써, 465 nm에서 70.1%인 것으로 계산된다. 광자 균형을 일관성 검사로 사용하면, 모든 파장에서 (T + R + EQE)의 최고 합은 1.0보다 낮으며, 그에 따라, 이러한 독립적 측정들의 각각이 과대평가되지 않게 된다.
도핑 및 두께(농도)의 함수로서 납 할라이드 TPV의 광기전성 성능도 체계적으로 연구된다. TPV의 광기전성 파라미터들은 표 3에 요약되어 있고, 도 23의 (A) 내지 (D)에 플롯팅되어 있다. 이 결과에 나타난 바와 같이, TPV 장치들은 우수한 재현성을 가지며, 0.1 M 전구체 용액으로부터 제조된 소수의 장치들을 제외하고 대부분의 장치들은 1% 초과의 PCE를 갖는다. 전체적으로, 납 할라이드 TPV는 장치 효율과 투명도 모두에서 개선되었으며, 그 결과, PCE는 최대 1.22%이고 AVT는 70%를 초과한다. 따라서, AVT가 70% 초과이고 PCE가 1% 초과인 TPV 장치가 보고된다. 또한, 흡수 및 반사를 둘 다 관리함으로써, 이 장치의 결과적인 CRI는 필름 단독의 CRI보다 개선되며, 그에 따라, 이 장치는 또한 더욱 중성적인 색상(more neutral color)을 갖는다.
밀봉되지 않은 TPV의 초기 안정성도 평가된다(도 23의 (D)). 시험을 거친 모든 장치들은 150 시간 후에 초기 성능의 80% 초과의 효율을 유지할 수 있으며, 500 시간 후에도 60% 초과의 효율을 유지할 수 있다. 연구된 TPV들 중에서, PbI1.8Br0.2 장치는 시험 동안 약간 향상된 안정성을 나타낸다. 이는 할라이드 페로브스카이트에서 볼 수 있는 결과와 유사한데, 거기에서는 Br 도핑 및 유사체가 순수한 이오다이드계 조성물에 비해 (특히 공기 중에서) 더 안정한 경향을 전형적으로 보인다. 필름 결정화의 개선은 또한, Br 도핑된 TPV 장치의 안정성에 기여한다(도 17의 (C) 참조). 우수한 캡슐화 방법들은 이러한 초기 캡슐화된 측정들을 훨씬 넘어서도록 장치 수명을 더욱 향상시킬 수 있다.
요약하면, 높은 효율 및 투명도를 모두 갖춘 일련의 납 할로겐 TPV 장치들이 실증된다. 납 할라이드 층의 두께가 체계적으로 최적화된다. 클로라이드 및 브로마이드를 순수한 PbI2에 도핑함으로써, 납 할라이드 필름의 밴드갭 및 흡수 또한 미세하게 조정된다. Cl 도핑의 경우 10% 및 Br 도핑의 경우 30%를 넘어서면 급격한 장치 성능 감소가 발생하기 때문에 도핑 범위가 제한되지만, 이는 이들 재료에서 밴드갭 조정성(bandgap tunability)이 달성될 수 있음을 실증한다. 포괄적인 최적화 후, 납 할라이드 TPV는 1.0% 초과의 PCE를 달성하는 한편, AVT는 70%를 초과하고 CRI는 90을 초과하는 것으로 나타났다. 이는 최고 투명도에서 보고된 최고 장치 효율들 중 하나이며, 추가 금속 할라이드를 사용하는 더욱 고성능의 TPV 및 다중 접합 TPV에 대한 경로를 제공한다.
구현예들의 앞에서의 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 그것은 완결적인 것으로 또는 본 개시내용을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 특정 구현예의 개별 요소들 또는 특징들은 통상적으로 특정 구현예에 제한되지 않고, 적용가능한 경우에는 상호 교환 가능하며, 구체적으로 도시되거나 설명되지 않았더라도, 선택된 구현예에서 사용될 수 있다. 이들은 또한 여러 방식으로 변형될 수도 있다. 이러한 변형은 본 발명으로부터 벗어난 것으로 간주되지 않으며, 그러한 모든 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
Claims (36)
- 투명 광전지(transparent photovoltaic cell)로서, 상기 투명 광전지는
제1 가시광 투명성 전극(visibly transparent electrode);
2.75 eV 이상의 밴드갭을 갖는 광흡수 재료를 포함하는 가시광 투명성 균일 활성층(visibly transparent uniform active layer); 및
제2 가시광 투명성 전극;을 포함하고,
상기 가시광 투명성 균일 활성층은 상기 제1 가시광 투명성 전극과 상기 제2 가시광 투명성 전극 사이에 배치되고,
상기 투명 광전지는 가시광 투명성이며,
상기 투명 광전지는 450 nm 미만의 파장에서 20% 이상의 외부 양자 효율을 갖는, 투명 광전지. - 제 1 항에 있어서, 상기 광흡수 재료는 2.75 eV 이상 3.2 eV 이하의 밴드갭을 갖는, 투명 광전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광흡수 재료는 450 nm 이하의 파장을 갖는 자외선을 흡수하는, 투명 광전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광흡수 재료는 450 nm 이상의 파장을 갖는 빛을 25%이하로 흡수하는 것인, 투명 광전지.
- 투명 광전지(transparent photovoltaic cell)로서, 상기 투명 광전지는
제1 가시광 투명성 전극(visibly transparent electrode);
2.75 eV 이상의 밴드갭을 갖는 광흡수 재료를 포함하는 가시광 투명성 균일 활성층(visibly transparent uniform active layer); 및
제2 가시광 투명성 전극;을 포함하고,
상기 가시광 투명성 균일 활성층은 상기 제1 가시광 투명성 전극과 상기 제2 가시광 투명성 전극 사이에 배치되고,
상기 투명 광전지는 가시광 투명성이며,
상기 투명 광전지는 650 nm 이상 5,000 nm 이하의 파장에서 15% 초과의 피크 반사율(peak reflectance)을 갖는, 투명 광전지. - 제 1 항에 있어서, 상기 광흡수 재료는 할라이드 페로브스카이트(halide perovskite)인, 투명 광전지.
- 제 6 항에 있어서, 상기 할라이드 페로브스카이트는 화학식 ABX3을 갖는 나노결정을 포함하고, 여기서, A는 메틸암모늄(MA), 포름아미디늄(FA), 에탄디암모늄(EA), 이소프로필암모늄, 디메틸암모늄, 구아니디늄, 피페리디늄, 피리디늄, 피롤리디늄, 이미다졸륨, t-부틸암모늄, Na, K, Rb, Cs, 또는 이들의 조합이고; B는 Pb, Sn, Ge, Cu, Sr, Ti, Mn, Bi, Zn, 또는 이들의 조합이며; X는 할라이드 또는 할라이드들의 조합인, 투명 광전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광흡수 재료는 금속 할라이드, 금속 니트라이드, 금속 술피드, 금속 셀레나이드, 금속 텔루라이드, 이들의 합금, 또는 이들의 조합인, 투명 광전지.
- 투명 광전지(transparent photovoltaic cell)로서, 상기 투명 광전지는
제1 가시광 투명성 전극(visibly transparent electrode);
2.75 eV 이상의 밴드갭을 갖는 광흡수 재료를 포함하는 가시광 투명성 균일 활성층(visibly transparent uniform active layer); 및
제2 가시광 투명성 전극;을 포함하고,
상기 가시광 투명성 균일 활성층은 상기 제1 가시광 투명성 전극과 상기 제2 가시광 투명성 전극 사이에 배치되고,
상기 투명 광전지는 가시광 투명성이며,
상기 광흡수 재료는 금속 할라이드, 금속 니트라이드, 금속 술피드, 금속 셀레나이드, 금속 텔루라이드, 이들의 합금, 또는 이들의 조합이고, 상기 금속 할라이드는 메틸암모늄 납 할라이드, 납 할라이드 또는 이들의 조합인, 투명 광전지. - 제 1 항에 있어서, 상기 투명 광전지는 가시광선을 투과시키고, 45% 이상의 평균 가시광 투명도를 가지며, 에어 매스 1.5 글로벌(air mass 1.5 global: AM 1.5G) 태양 스펙트럼을 기준으로 하여 80보다 큰 연색 지수(color rendering index)를 갖는, 투명 광전지.
- 투명 광전지(transparent photovoltaic cell)로서, 상기 투명 광전지는
제1 가시광 투명성 전극(visibly transparent electrode);
제2 가시광 투명성 전극;
2.75 eV 이상의 밴드갭을 갖는 광흡수 재료를 포함하는 가시광 투명성 균일 활성층(visibly transparent uniform active layer); 및
제1 보조층(adjunct layer) 및 제2 보조층 중 적어도 하나를 포함하되,
상기 제 1 보조층은 상기 제1 가시광 투명성 전극과 상기 가시광 투명성 균일 활성층 사이에 배치되고, 또한 상기 제1 보조층은 전자 수송층, 전자 추출층, 정공 차단층, 또는 완충층이며,
상기 제2 보조층은 상기 가시광 투명성 균일 활성층과 상기 제2 가시광 투명성 전극 사이에 배치되고, 또한 상기 제2 보조층은 전자 수송층 또는 전자 추출층이고,
상기 가시광 투명성 균일 활성층은 상기 제1 가시광 투명성 전극과 상기 제2 가시광 투명성 전극 사이에 배치되고,
상기 투명 광전지는 가시광 투명성인, 투명 광전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 투명 광전지는 상기 제1 가시광 투명성 전극 상에 배치된 가시광 투명성 기재를 더 포함하고,
상기 가시광 투명성 기재는 유리, 강성 폴리머, 또는 유연성 폴리머를 포함하는,
투명 광전지. - 제 1 항에 있어서, 상기 투명 광전지는 0.3% 이상의 전력 변환 효율을 갖는, 투명 광전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 투명 광전지는 전력을 생성하는 디스플레이 스크린, 시계용 크리스탈(watch crystal), 자동차용 유리, 또는 건축용 유리(architectural glass)에 사용되는, 투명 광전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가시광 투명성 균일 활성층은 투명 페로브스카이트 필름인, 투명 광전지.
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