KR102319613B1 - 2차원 물질을 이용한 페로브스카이트 유연 투명 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지는 그래핀을 이용하여 형성되는 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성되며, 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 이용하여 형성되는 제1수송층; 상기 제1수송층 상에 형성되며, 페로브스카이트를 이용하여 형성되는 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성되며, 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 이용하여 형성되는 제2수송층; 및 상기 제2수송층 상에 형성되며, 그래핀을 이용하여 형성되는 상부전극;을 포함한다.
Description
본 발명은 2차원 물질을 이용한 페로브스카이트 유연 투명 태양전지에 관한 것이다.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류전압을 생성하는 전지를 의미한다.
종래의 실리콘 기반 태양전지의 경우, 빛을 흡수하여 전자와 정공을 생산하는 광흡수층, 생산된 전자와 정공을 각각 추출하고 이동시키는 수송층, 수송되는 전자와 정공을 각각 받아들이는 상하 전극으로 이루어져 있다. 이러한 종래의 실리콘 기반 태양전지는 각 층의 역할 분담을 통해 높은 효율을 달성하였으나, 전지의 구조가 복잡하고 불투명하며, 유연하지 못해 설치공간이 제약되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 목적은 2차원 물질을 이용하여 투명하고 유연하면서도, 동시에 효율을 향상시킬 수 있는 페로브스카이트 유연 투명 태양전지를 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
위와 같은 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일 예에 따른 2차원 물질을 이용한 페로브스카이트 유연 투명 태양전지는 그래핀을 이용하여 형성되는 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성되며, 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 이용하여 형성되는 제1수송층; 상기 제1수송층 상에 형성되며, 페로브스카이트를 이용하여 형성되는 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성되며, 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 이용하여 형성되는 제2수송층; 및 상기 제2수송층 상에 형성되며, 그래핀을 이용하여 형성되는 상부전극;을 포함한다.
일 예에 있어서, 상기 제1수송층 또는 제2수송층의 2차원 전이금속 칼코겐화합물은 열, 플라즈마, 또는 이온에 의해 표면개질된 것을 특징으로 한다.
일 예에 있어서, 상기 하부전극 및 상기 제1수송층 사이나, 상기 제2수송층 및 상기 상부전극 사이는 반데르발스 힘에 의해 이종구조가 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 예에 있어서, 상기 하부전극은 투명 기판상에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 물질을 이용한 페로브스카이트 유연 투명 태양전지는 광흡수층으로 페로브스카이트를 이용하되, 수송층과 전극을 각각 2차원 물질인 전이금속 칼코겐화합물과 그래핀을 이용하여 유연성과 투명성을 확보할 수 있다. 또한, 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 수송층으로 이용할 경우 종래 태양전지의 수송층으로는 이용되는 PEDOT:PSS와 달리 높은 전하 및 정공 수송능력, 높은 전도도를 가지고, 부식을 일으키지 않으며, 낮은 표면거칠기를 가져 태양전지의 안정성 및 효율성이 향상된다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지의 개략적 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지의 전하추출 모식도로서, 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 전하수송층으로 이용하되 표면개질 전후의 변화를 보여주기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지의 제조방법을 개략적으로 도시한 참고도이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지의 전하추출 모식도로서, 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 전하수송층으로 이용하되 표면개질 전후의 변화를 보여주기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지의 제조방법을 개략적으로 도시한 참고도이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지의 개략적 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지는 그래핀을 이용하여 형성되는 하부전극(10), 상기 하부전극(10) 상에 형성되며 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 이용하여 형성되는 제1수송층(20), 상기 제1수송층(20) 상에 형성되며 페로브스카이트를 이용하여 형성되는 광흡수층(30), 상기 광흡수층(30) 상에 형성되며 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 이용하여 형성되는 제2수송층(40) 및 상기 제2수송층(40) 상에 형성되며, 그래핀을 이용하여 형성되는 상부전극(50)을 포함한다.
이때, 상기 하부전극(10)은 양극의 역할을 수행하고, 상기 제1수송층(20)은 전하수송층의 역할을 수행하고, 상기 제2수송층(40)은 정공수송층의 역할을 수행하고, 상기 상부전극(50)은 음극의 역할을 수행한다. 즉, 도 2에서 보는 바와 같이 광흡수층(30)에서 발생된 전자는 제1수송층(20)을 통해 하부전극(10)으로 이동하고, 광흡수층(30)에서 발생된 정공은 제2수송층(40)을 통해 상부전극(50)으로 이동하여 전류가 발생된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지는 수송층(20, 40)과 전극(10, 30)을 모두 2차원 물질을 이용한다는 점에 특징이 있다.
2차원 물질은 원자층과 원자층 사이가 화학적 결합 없이 van der Waals (vdW) 힘에 의해 결합되어 있어, 물질의 격자와 무관하게 다양한 이종 접합 (heterostructure)를 형성할 수 있다 . 또한, 2차원 물질은 표면에 댕글링 본드(dangling bond)가 없어 매우 얇은 두께 (원자 1층~수 층)에서도 안정적으로 존재 가능하며, 두께 감소에 따라 양자점 제한 효과 (quantum confinement)가 나타나 기존 벌크(bulk) 재료와 다른 기계적, 전기적, 광학적, 화학적 특성을 나타낸다. 2차원 물질의 얇은 두께로 인해 전기적, 기계적 특성 저하 없이 투명성 및 유연성을 확보할 수 있다. 대표적인 물질로 그래핀, 전이금속 칼코겐화합물, 흑린 등이 있다.
수송층(20, 40)과 전극(10, 30)을 모두 2차원 물질을 이용할 경우 유연성과 투명성을 확보할 수 있으며, 무엇보다 하부전극(10)-제1수송층(20)의 계면과 제2수송층(40)-상부전극(50)의 계면이 vdW 힘으로만 결합되는 vdW 이종구조를 가진다. 즉, 하부전극(10)-제1수송층(20)의 계면과 제2수송층(40)-상부전극(50)의 계면이 화학결합이 없는 이종구조를 가진다.
또한, 종래 페로브스카이트 태양전지에서는 투명전극으로 높은 투명도와 우수한 전기전도성을 가지는 ITO(Indium Tin Oxide)이 주로 사용된다. 하지만 ITO 전극은 취성이 커 반복 굽힘 시험 시 저항이 급격히 증가하는 문제가 있고, 이는 페로브스카이트 태양전지의 반복 굽힘 효율이 감소하는 원인이 된다. 하지만 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 투명 유연 태양전지는 수송층(20, 40)과 전극(10, 30)을 모두 2차원 물질을 이용할 경우 유연성을 확보할 수 있으며, 이를 통해 반복 굽힘 시험을 하더라도 전도도가 유지되는 장점이 있다. 또한 2차원 물질의 낮은 광 흡수율로 인해 태양전지의 투명성 또한 확보할 수 있다.
한편, 종래 페로브스카이트 태양전지의 전하수송층으로 이용되고 있는 poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS)는 전하 이동도가 낮고, 산성을 띄어 전극과 반응하여 태양전지의 효율을 저하시키는 문제가 있으며, 또 다른 물질인 2,2',7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9'-spirobiuorene (spiro-OMeTAD)는 전하 전도도 및 이동도가 낮으며, self-aggregation되어 평평한 박막을 형성하지 못하는 문제가 있다. 하지만 수송층(20, 40)을 2차원 전이금속 칼코겐화물로 형성할 경우 투명성과 높은 전하수송능력을 가질 뿐만 아니라, 높은 전도도와 이동도를 가지고, 부식을 일으키지 않고, 낮은 표면 거칠기를 가져 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
수송층(20, 40)은 광흡수층(30)-수송층(20, 40)이 적절한 밴드 정렬이 되도록 재료가 선정될 수 있다. 즉, 제1수송층(20)은 광흡수층(30)에 대하여 전자 이동 장벽이 없도록, 제2수송층(40)은 광흡수층(30)에 대하여 정공 이동 장벽이 없도록 재료가 선정될 수 있다. 예컨대, 제1수송층(20)으로는 일함수가 작은 WSe2 등을 이용할 수 있으며, 제2수송층(40)으로는 일함수가 큰 MoS2 등을 이용할 수 있다.
마찬가지로 전극(10, 50)도 전극(10, 50)-수송층(20, 40)이 적절한 밴드 정렬이 되기 위한 재료 선정이 중요하다. 하부 전극(10)과 상부전극(50)에는 높은 전하 이동도를 가지는 그래핀이 선정될 수 있다. 전극에서 전하추출을 용이 하기 위하여, 하부전극(10)에 사용되는 그래핀은 n-doping, 상부전극(50)에 사용되는 그래핀은 p-doping 처리를 하여 각각 제1수송층(20)과 제2수송층(40)에서 전자 이동 장벽과 정공 이동 장벽이 없도록 할 수 있다. 그래핀에 게이트 전압을 주어 n-doping 및 p-doping 모두 가능하며, 표면개질을 통해서도 doping을 할 수 있다. 표면개질 doping의 대표적인 방법은 질소 치환을 통해 n-doping, AuCl3, MoO3 도포를 통한p-doping 등이 있다.
나아가 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지는 수송층(20, 40)으로 표면개질 된 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 이용하는 것도 가능하며, 광흡수층(30)도 표면개질 하는 것이 가능하다. 이러한 표면개질을 통해 적층 균일도 개선, 이종물질 간 계면특성 개선, 광흡수층에서 형성된 전하의 추출 및 전하이동 향상 등의 효과가 있다. 구체적으로는 도 2에서 보는 바와 같이, 양극 및 전하수송층으로 쓰일 2차원 물질은 일함수를 감소시키고, 음극 및 정공수송층으로 쓰일 물질은 일함수를 증가시키는 방향으로 하여 전하 추출이 을 보다 용이하도록 할 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지는 기존 설치된 유리, 천장, 벽면, 곡면 등에 부착하여 에너지 발전이 가능하므로 별도의 설치공간을 필요로 하지 않는다. 이러한 장소에 구애받지 않는 특성을 통해 종래의 태양전지가 설치 불가능한 도심지, 고층건물, 산악지형, 험지 등에서도 태양 에너지 발전이 가능하다. 이와 더불어 스마트폰, 태블릿 PC, 자동차 차체 등에도 적용 가능하며 보조에너지원으로 활용 및 실시간 충전이 가능하다는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지의 제조방법을 개략적으로 도시한 참고도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 유연 투명 태양전지의 제조방법은 전극으로는 그래핀을, 수송층으로는 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 이용하고, 전사방법으로는 고분자 얇은 막을 이용한다. 전사방법으로는 습식전사 또는 건식전사를 이용할 수 있다.
먼저, 성장기판에서 그래핀을 성장시킨 후, 표면에 고분자 얇은 막을 도포 후 성장기판에서 그래핀-고분자 얇은 막을 분리한다. 그래핀을 성장시키는 것은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, 이하 CVD)을 이용할 수 있다. 탄소를 포함한 가스 (CH4, C2H5OH 등)를 전구체로 사용하고, 금속 기판(Cu, Ni, Cu-Ni, Pt 등)과 수소, 아르곤 가스를 사용하여 반응을 유도하여 그래핀을 성장시킨다. 그래핀-고분자 얇은 막을 분리한 후 그래핀-고분자 얇은 막을 유리 등 투명 기판으로 전사한 후 고분자 얇은 막을 제거함으로써 하부전극을 형성한다. 이후 필요시 전극 특성에 맞게 표면개질을 진행한다. 고분자 얇은 막으로는 polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN) 등이 이용될 수 있다.
전사된 그래핀, 즉 하부전극 위에 전하수송층으로 쓰일 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 전사하여 제1수송층을 형성한다. 2차원 전이금속 칼코겐화합물의 합성과 전사는 상술한 하부 전극과 유사한 방법으로 진행한다. 2차원 전이금속 칼코겐화합물의 합성은 전이금속 화합물과, 칼코겐을 원료로 사용하여 화학기상증착법으로 수행될 수 있다. 전사 후에 필요시 표면개질을 진행한다.
제1수송층 위에 위에 페로브스카이트를 도포하여 광흡수층을 형성하는 단계가 수행된다. 페로브스카이트의 도포는 기존 사용되고 있는 스핀 코팅을 이용할 수 있다. 예컨대, 페로브스카이트 광흡수층의 성장하는 데에 methylammonium halide (MAX) 등과 lead halide (PbX2) 등을 혼합하여 스핀 코팅하여 수행될 수 있다.
광흡수층 상에는 2차원 전이금속 칼코겐화합물로 제2수송층을 형성하는 단계 및 그 위에 그래핀으로 상부전극을 형성하는 단계가 순차적으로 수행될 수 있으며, 이러한 단계들은 상술한 하부전극을 형성하는 단계와 제1수송층을 형성하는 단계와 동일한 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
Claims (5)
- n-doping된 그래핀을 이용하여 형성되는 하부전극;
상기 하부전극 상에 형성되며, 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 이용하여 형성되는 제1수송층;
상기 제1수송층 상에 형성되며, 페로브스카이트를 이용하여 형성되는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성되며, 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 이용하여 형성되는 제2수송층; 및
상기 제2수송층 상에 형성되며, p-doping된 그래핀을 이용하여 형성되는 상부전극;을 포함하고,
상기 하부전극은 양극의 역할을 수행하고, 상기 제1수송층은 전하수송층 역할을 수행하고, 상기 제2수송층은 정공수송층의 역할을 수행하고, 상기 상부전극은 음극의 역할을 수행하며,
상기 제1수송층의 2차원 전이금속 칼코겐화합물의 일함수는 전하가 광흡수층에서 하부전극으로 흐를 수 있도록 표면개질에 따라 낮아진 것이며,
상기 제2수송층의 2차원 전이금속 칼코겐화합물의 일함수는 정공이 광흡수층에서 상부전극으로 흐를 수 있도록 표면개질에 따라 높아진 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 유연 투명 태양전지.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 하부전극 및 상기 제1수송층 사이나, 상기 제2수송층 및 상기 상부전극 사이는 반데르발스 힘에 의해 이종구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 유연 투명 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 하부전극은 투명 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 유연 투명 태양전지.
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|---|---|---|---|
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| KR (1) | KR102319613B1 (ko) |
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| KR20020064028A (ko) * | 2001-01-31 | 2002-08-07 | 한빛 세마텍(주) | 펄스형 자외선조사에 의한 세정 및 표면처리 장치 |
| KR101326140B1 (ko) | 2012-03-23 | 2013-11-06 | 한국에너지기술연구원 | 기판에 텍스처가 형성된 2중 텍스처 구조의 칼코게나이드계 태양전지의 제조방법 및 이에 따라 제조된 칼코게나이드계 태양전지 |
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2020
- 2020-09-04 KR KR1020200112881A patent/KR102319613B1/ko active IP Right Grant
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