KR102434775B1 - 에너지 하베스팅 시스템 및 이의 제조 방법 - Google Patents
에너지 하베스팅 시스템 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102434775B1 KR102434775B1 KR1020200105093A KR20200105093A KR102434775B1 KR 102434775 B1 KR102434775 B1 KR 102434775B1 KR 1020200105093 A KR1020200105093 A KR 1020200105093A KR 20200105093 A KR20200105093 A KR 20200105093A KR 102434775 B1 KR102434775 B1 KR 102434775B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- harvesting system
- energy harvesting
- layer
- charge transport
- perovskite
- Prior art date
Links
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 title claims abstract description 91
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 24
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 9
- -1 halide anion Chemical group 0.000 claims description 8
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 6
- 238000007646 gravure printing Methods 0.000 claims description 6
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 claims description 6
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 claims description 6
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 claims description 6
- 238000007764 slot die coating Methods 0.000 claims description 6
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 5
- XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 207739-72-8 Chemical group C1=CC(OC)=CC=C1N(C=1C=C2C3(C4=CC(=CC=C4C2=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC(=CC=C1C1=CC=C(C=C13)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC=C(OC)C=C1 XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910017115 AlSb Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001167 Poly(triaryl amine) Polymers 0.000 claims description 3
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 claims description 3
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 claims description 3
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PDZKZMQQDCHTNF-UHFFFAOYSA-M copper(1+);thiocyanate Chemical compound [Cu+].[S-]C#N PDZKZMQQDCHTNF-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 125000004093 cyano group Chemical group *C#N 0.000 claims description 3
- 125000005843 halogen group Chemical group 0.000 claims description 3
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 claims description 3
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 125000000956 methoxy group Chemical group [H]C([H])([H])O* 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 125000000449 nitro group Chemical group [O-][N+](*)=O 0.000 claims description 3
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920000301 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 claims description 3
- JKQOBWVOAYFWKG-UHFFFAOYSA-N molybdenum trioxide Chemical compound O=[Mo](=O)=O JKQOBWVOAYFWKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 3
- YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 4-tert-butylpyridine Chemical compound CC(C)(C)C1=CC=NC=C1 YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 2
- 239000012296 anti-solvent Substances 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 150000004770 chalcogenides Chemical group 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1 MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000003042 antagnostic effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/80—Constructional details
- H10K30/81—Electrodes
- H10K30/82—Transparent electrodes, e.g. indium tin oxide [ITO] electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/22—Methods relating to manufacturing, e.g. assembling, calibration
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
-
- H01L51/0003—
-
- H01L51/0032—
-
- H01L51/422—
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
- H02N1/04—Friction generators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
- H10K71/10—Deposition of organic active material
- H10K71/12—Deposition of organic active material using liquid deposition, e.g. spin coating
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/50—Organic perovskites; Hybrid organic-inorganic perovskites [HOIP], e.g. CH3NH3PbI3
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
본원은 전기에너지 발생을 위한 에너지 하베스팅 시스템에 있어서, 제 1 기판; 상기 제 1 기판 상에 형성된 페로브스카이트 층; 상기 페로브스카이트 층 상에 배치되고, 상기 페로브스카이트 층과 분리 가능한 전하수송층; 및 상기 전하수송층 상에 형성된 제 2 기판을 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템에 대한 것이다.
Description
본원은 에너지 하베스팅 시스템, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
에너지 하베스팅은 주변에서 버려지는 에너지를 모아 전력으로 활용하는 기술을 의미한다. 현재는 자연 에너지뿐 아니라 우리 주변에서 낭비되는 모든 에너지원을 전기 에너지로 변환하기 위한 노력을 기울이고 있다.
에너지 하베스팅 기술의 하나로서 기존의 기계적 및 광학적 에너지를 동시에 전기에너지로 전환하는 발전소자는 서로 다른 에너지를 전환 가능한 단일한 소자를 단순하게 결합한 형태였다. 일상 생활에서 발생하는 이종 에너지원인 기계적 에너지(진동)/광학적 에너지(빛)는 동시에 발생하는 경우가 많으며, 대부분 전기에너지로 전환되지 못하고 버려지는 경우가 많았다. 기계적 에너지(진동)를 수집하는 에너지 하베스터는 마찰 대전 및 압전현상을 기반으로 전기 에너지로 전환하는데, 마찰 대전은 표면에서의 내구성 문제가 발생하며, 압전 현상을 기반으로 한 전기에너지 전환은 매우 제한적이었다. 한편, 광학적 에너지(빛)를 수집하는 에너지 하베스터는 태양전기를 기반으로 전기 에너지로 전환하는데, 날씨에 영향을 받으며, 반투명하므로 창문 쪽 설치에 제한이 있었다.
또한, 기존의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 시스템은 주로 교류 전력을 발생시키며 직류 전력 발생에 대해서 거의 보고된 바가 없다. 이러한 기존의 시스템들은 발생시킨 교류 전류를 직류 전류로 변환하기 위한 정류장치가 필요하며 낮은 전류밀도(0.01 Am-2 내지 0.1 Am-2)를 발생 시킨다는 한계점을 가지고 있었다.
본원의 배경이 되는 기술인 대한민국 공개특허 제 10-2018-0129132 호는 페로브스카이트 구조를 갖는 양자점을 이용한 하이브리드 에너지 발전 소자에 대한 것으로서, 상기 공개 특허는 기계적/광학적 에너지를 전기적 에너지로서 전환하는 기술을 개시하고 있으나, 동적 페로브스카이트 광전지의 접합에 의해 직류 전류를 발생시키는 것에 대해서는 개시하고 있지 않다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 에너지 하베스팅 시스템 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본원은 상기 에너지 하베스팅 시스템을 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 전기에너지 발생을 위한 에너지 하베스팅 시스템에 있어서, 제 1 기판; 상기 제 1 기판 상에 형성된 페로브스카이트 층; 상기 페로브스카이트 층 상에 배치되고, 상기 페로브스카이트 층과 분리 가능한 전하수송층; 및 상기 전하수송층 상에 형성된 제 2 기판을 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층 및 상기 전하수송층은 PN 접합을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층 및 상기 전하수송층이 서로 슬라이딩함에 따라 발생하는 마찰에 의해 전기 에너지가 발생하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층 및 상기 전하수송층 상에 수직으로 가해지는 압력에 의해 전기 에너지가 발생하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층 및 상기 전하수송층 상에 수직으로 가해지는 압력에 의해 상기 페로브스카이트의 결정 구조가 변화하여 전기 에너지가 발생하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2 로 표시되는 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:
[화학식 1]
ABX3
[화학식 2]
A2BX4
상기 화학식 1 및 화학식 2 에서,
상기 A 는 C1-24 의 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 A가 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고, 상기 B 는 Pb, Bi, Sn, Ge, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Pd, Cd, Yb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이고, 상기 X 는 할라이드 음이온 또는 칼코게나이드 음이온을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층 및 상기 전하수송층의 일함수 차에 따라 발생하는 전기 에너지의 양이 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층의 두께에 따라 발생하는 전기 에너지의 양이 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 각각 독립적으로 유리, SiO2, ITO, FTO, Si, SiO2, SiC, Ga, SiGe, Al2O3, InAs, GaAs, InP, GaN, InGaAs, InAlAs, GaSb, AlSb, AlP, GaP, Ge2O3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전하수송층은 Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, P3HT, PCPDTBT, PCDTBT, PTAA, MoO3, V2O5, NiO, WO3, CuI, CuSCN, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 기판 상에 페로브스카이트 층을 형성하는 단계, 제 2 기판 상에 전하수송층을 형성하는 단계 및 상기 페로브스카이트 층 상에 상기 전하수송층을 배치하는 단계를 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층을 형성하는 단계는 스핀코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전하수송층을 형성하는 단계는 스핀코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
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.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 에너지 하베스팅 시스템 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 진동(마찰), 압력 등을 효과적으로 전기에너지로 변환하는 기술을 제공할 수 있다.
본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 페로브스카이트 층 및 전하수송층이 PN 접합을 형성하고, P 형 층으로 정공을, 그리고 N 형 층으로 전자를 일방향으로 수송하는 것이 가능하여 기존의 하베스팅 기술과는 달리 직류 전류를 생산하는 것이 가능하다. 전류의 방향은 두 물질층의 이종 접합(heterojunction)의 밴드 정렬(Band alignment) 양상에 의해 결정된다.
본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 상기 페로브스카이트 층 및 상기 전하수송층이 서로 슬라이딩함에 따라 발생하는 마찰 또는 상기 페로브스카이트 층에 수직으로 작용하는 압력에 의해 전기 에너지가 발생한다.
본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 기계적 힘을 반복하여 지속 작용하여도 안정적으로 일정한 전압을 출력할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 모식도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동작에 대한 개념도이다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동작에 대한 개념도이다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 페로브스카이트 층 및 전하수송층 의 PN 접합의 개념도이다.
도 5 는 본원의 일 구현예에 다른 에너지 하베스팅 시스템의 캐리어의 일방향 수송에 대한 개념도이다.
도 6 은 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 제조 방법의 순서도이다.
도 7 의 (a) 는 본원의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 층의 X 선회절(XRD) 분석결과이다.
도 7 의 (b) 는 본원의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 층의 SEM 이미지이다.
도 7 의 (c) 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 페로브스카이트 층 및 전하수송층을 정적 PN 접합한 암전류-전압 곡선이다.
도 8 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동적 움직임 및 정지 상태의 암전류-전압 곡선 그래프이다.
도 9 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동적 전류 출력에 대한 그래프이다.
도 10 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동적 움직임 및 정지 상태의 암전류-전압 곡선 그래프이다.
도 11 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동적 전류 출력에 대한 그래프이다.
도 12 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 페로브스카이트의 전자 에너지 밴드의 준위를 나타내는 도면이다.
도 13 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 XRD 데이터 분석을 통한 X-Pb-X 간 거리를 나타내는 도면이다.
도 14 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 가해지는 힘에 따른 페로브스카이트 층/전하수송층 접합에서의 전압출력을 나타내는 도면이다.
도 15 내지 18 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 페로브스카이트 두께에 따른 SEM 이미지이다(순서대로 50/100/250/600 nm).
도 19 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동일 힘 적용시 페로브스카이트 층의 두께에 따른 전압 출력을 나타내는 도면이다.
도 20 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 장기 구동 안정성 테스트 결과이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동작에 대한 개념도이다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동작에 대한 개념도이다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 페로브스카이트 층 및 전하수송층 의 PN 접합의 개념도이다.
도 5 는 본원의 일 구현예에 다른 에너지 하베스팅 시스템의 캐리어의 일방향 수송에 대한 개념도이다.
도 6 은 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 제조 방법의 순서도이다.
도 7 의 (a) 는 본원의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 층의 X 선회절(XRD) 분석결과이다.
도 7 의 (b) 는 본원의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 층의 SEM 이미지이다.
도 7 의 (c) 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 페로브스카이트 층 및 전하수송층을 정적 PN 접합한 암전류-전압 곡선이다.
도 8 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동적 움직임 및 정지 상태의 암전류-전압 곡선 그래프이다.
도 9 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동적 전류 출력에 대한 그래프이다.
도 10 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동적 움직임 및 정지 상태의 암전류-전압 곡선 그래프이다.
도 11 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동적 전류 출력에 대한 그래프이다.
도 12 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 페로브스카이트의 전자 에너지 밴드의 준위를 나타내는 도면이다.
도 13 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 XRD 데이터 분석을 통한 X-Pb-X 간 거리를 나타내는 도면이다.
도 14 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 가해지는 힘에 따른 페로브스카이트 층/전하수송층 접합에서의 전압출력을 나타내는 도면이다.
도 15 내지 18 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 페로브스카이트 두께에 따른 SEM 이미지이다(순서대로 50/100/250/600 nm).
도 19 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동일 힘 적용시 페로브스카이트 층의 두께에 따른 전압 출력을 나타내는 도면이다.
도 20 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 장기 구동 안정성 테스트 결과이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
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.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하, 본원의 에너지 하베스팅 시스템 및 이의 제조 방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 전기에너지 발생을 위한 에너지 하베스팅 시스템에 있어서, 제 1 기판; 상기 제 1 기판 상에 형성된 페로브스카이트 층; 상기 페로브스카이트 층 상에 배치되고, 상기 페로브스카이트 층과 분리 가능한 전하수송층; 및 상기 전하수송층 상에 형성된 제 2 기판을 포함하는, 에너지 하베스팅 시스템을 제공한다.
본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 진동(마찰), 압력, 태양광 등을 효과적으로 전기에너지로 변환하는 기술을 제공할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 모식도로서, 도 1 을 참조하면, 제 1 기판(100) 상에 페로브스카이트 층(200) 이 형성되어 있고, 제 2 기판(400) 상에 전하수송층(300)이 형성되어 있고, 상기 페로브스카이트 층(200) 상에 상기 제 2 기판(400) 상에 형성된 전하수송층(300)이 마주보도록 이격되어 배치되어 있는 것을 확인할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층(200) 및 상기 전하수송층(300)이 서로 슬라이딩함에 따라 발생하는 마찰에 의해 전기 에너지가 발생하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동작에 대한 개념도이다. 도 2 를 참조하면, 페로브스카이트 층(200) 및 전하수송층(300)이 서로 접합을 이룬 상태로 페로브스카이트 층(200)을 슬라이딩 시킴에 따라 마찰이 발생하고, 이러한 마찰이 전기 에너지로 전환되는 것을 나타낸다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층(200) 및 상기 전하수송층(300) 상에 수직으로 가해지는 압력에 의해 전기 에너지가 발생하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동작에 대한 개념도이다. 도 3 을 참조하면, 페로브스카이트 층(200) 및 전하수송층(300)이 서로 접촉된 상태로 위 아래로 압력을 받아 서로 압축이 될 경우, 이러한 압력이 전기 에너지로 전환되는 것을 나타낸다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층(200) 및 상기 전하수송층(300) 상에 수직으로 가해지는 압력에 의해 상기 페로브스카이트의 결정 구조가 변화하여(piezoelectric and electrostrictive effect) 전기 에너지가 발생하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로, 본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 상기 압력에 의해 페로브스카이트 구조, 예를 들어, ABX3 또는 A2BX4 구조에서 금속 물질인 B (예를 들어, Pb)와 할로겐 물질인 X 사이의 거리, 즉 X-Pb-X 간의 이격 거리가 변화함에 따라 전압을 출력할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층(200) 및 상기 전하수송층(300)은 PN 접합을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 페로브스카이트 층(200) 및 전하수송층(300) 의 PN 접합의 개념도이다.
본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 상기 페로브스카이트 층(200) 및 상기 전하수송층(300)이 상기 PN 접합을 형성하므로 기존의 기술과는 달리 직류 전류를 생산하는 것이 가능하다.
도 4 를 참조하면, 본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템에 수평 또는 수직적 압력이 가해지는 경우, 페로브스카이트 층(200)은 전자를 생성하는 N 형 반도체로서 작용하고, 전하수송층(300)은 정공을 생성하는 P 형 반도체로서 작용한다. 또는 반대로 페로브스카이트 층(200)은 전자를 생성하는 P 형 반도체로서 작용하고, 전하수송층(300)은 정공을 생성하는 N 형 반도체로서 작용하는 것도 가능하다. 이처럼 PN 접합을 형성함에 따라, P 형 층으로 정공을, 그리고 N 형 층으로 전자를 일방향으로 수송하는 것이 가능하므로 기존의 하베스팅 기술과는 달리 직류 전류를 생산하는 것이 가능하다. 전류의 방향은 두 물질층의 이종 접합(heterojunction) 의 밴드 정렬(Band alignment) 양상에 의해 결정 된다.
구체적으로, 접합부에서 N 형의 자유 전자는 P 형의 정공으로 끌어당겨져 상기 정공과 결합한다. 유사하게 P 형의 정공은 N 형의 자유전자에 끌리게 되고, 정공이 전자로 확산되어 서로 결합하여 전하가 상쇄된다. N 형의 양(+)으로 하전된 공여 도펀트 원자는 결정의 일부이므로 움직일 수 없다. 따라서 N 형에서 접합 근처의 영역은 양전하가 된다. P 형의 음(-)으로 하전된 억셉터(acceptor), 도펀트 원자는 결정의 일부이며 움직일 수 없다. 따라서 P 형에서 접합 근처의 영역은 음전하가 된다.
예를 들어, 본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템에 수평적 힘이 가해지는 경우(도 2 참조), 상기 페로브스카이트 층(200)과 상기 전하수송층(300) 사이에 발생하는 마찰에 의해 상기 페로브스카이트 층(200)에 전자가, 상기 전하수송층(300) 상에 정공이 발생하고, 전자와 정공이 이동함에 따라 전기 에너지가 발생한다.
예를 들어, 본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템에 수직적 힘이 가해지는 경우(도 3 참조), 상기 페로브스카이트 층(200)의 결정 구조가 변화하게 되고, 상기 페로브스카이트 층(200)에 전자가, 상기 전하수송층(300) 상에 정공이 발생하고, 전자와 정공이 이동함에 따라 전기 에너지가 발생할 수 있다(piezoelectric and electrostrictive effect).
도 5 는 본원의 일 구현예에 다른 에너지 하베스팅 시스템의 캐리어의 일방향 수송에 대한 개념도이다.
도 5 를 참조하면 페로브스카이트 층의 수직으로 가해지는 힘을 통한 압전효과(piezoelectric effect) 에 의한 전기적 에너지 발생을 확인할 수 있고, 이를 통해 본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템이 수직으로 가해지는 힘을 통해서도 작동 가능하다는 사실을 이해할 수 있다.
상세하게는, 수직적 힘을 가함으로써 X-Pb-X 사이의 이격 및 복원이 발생하므로 이를 통하여 압전효과에 의한 전기적 에너지 발생이 가능한 것이다.
이와 관련하여, 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 상기 페로브스카이트 층의 두께에 따라 발생하는 전기 에너지의 양이 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 상기 캐리어의 농도가 높을수록 성능이 향상된다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층(200)은 하기 화학식 1 또는 화학식 2 로 표시되는 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:
[화학식 1]
ABX3
[화학식 2]
A2BX4
상기 화학식 1 및 화학식 2 에서,
상기 A 는 C1-24 의 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 A가 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고, 상기 B 는 Pb, Bi, Sn, Ge, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Pd, Cd, Yb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이고, 상기 X 는 할라이드 음이온 또는 칼코게나이드 음이온을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층(200) 및 전하수송층(300)의 일함수 차에 따라 발생하는 전기 에너지의 양이 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 페로브스카이트 층(200) 및 전하수송층(300) 간의 일함수 차이가 클수록 고전압 출력이 가능하다.
본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 상기 일함수 차이의 크기는 슬라이딩 운동에 의해 발생하는 전압의 크기와 연관된다.
이와 관련하여, 상기 페로브스카이트 층(200) 의 조성에 따라 일함수 준위가 달라질 수 있고, 이에 따라 상기 페로브스카이트 층(200)의 조성을 조절하여 상기 페로브스카이트 층(200) 및 상기 전하수송층(300) 간의 일함수 차이가 발생할 수 있다.
또한, 본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 상기 페로브스카이트 층(200) 의 두께에 따라 발생하는 전기 에너지의 양이 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이와 관련하여, 상기 페로브스카이트 층(200) 및 상기 전하수송층 (300) 의 이종 접합이 적절한 밴드 정렬을 이루는 경우, 캐리어 수송을 적절히 분리할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 기판(100) 및 제 2 기판(400)은 각각 독립적으로 유리, SiO2, ITO, FTO, Si, SiO2, SiC, Ga, SiGe, Al2O3, InAs, GaAs, InP, GaN, InGaAs, InAlAs, GaSb, AlSb, AlP, GaP, Ge2O3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1 기판(100) 및/또는 제 2 기판(400)은 수집된 전기에너지의 수집을 위한 전극으로서 작용할 수 있다. 또한, 상기 제 1 기판(100) 및/또는 제 2 기판(400)이 투명한 기판일 경우, 본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템에 빛이 조사되어 태양전지로서 기능을 수행할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전하수송층(300)은 Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, P3HT, PCPDTBT, PCDTBT, PTAA, MoO3, V2O5, NiO, WO3, CuI, CuSCN, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 에너지 하베스팅 시스템은 기계적 힘을 반복하여 지속 작용하여도 안정적으로 일정한 전압을 출력할 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 기판(100) 상에 페로브스카이트 층(200)을 형성하는 단계, 제 2 기판(400) 상에 전하수송층(300)을 형성하는 단계 및 상기 페로브스카이트 층(200) 상에 상기 전하수송층(300)을 배치하는 단계를 포함하는 에너지 하베스팅 시스템의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
도 6 은 본원의 일 구현예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 제조 방법의 순서도이다.
먼저, 제 1 기판 상에 페로브스카이트 층(200)을 형성한다(S100).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 층(200)을 형성하는 단계는 스핀코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 제 2 기판 상에 전하수송층(300)을 형성한다(S200).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전하수송층(300)을 형성하는 단계는 스핀코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 페로브스카이트 층(200) 상에 전하수송층(300)을 배치한다(S300).
본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
상술하였듯, 상기 제 1 기판(100) 및/또는 제 2 기판(400)이 투명한 기판일 경우 상기 에너지 하베스팅 시스템을 페로브스카이트 태양전지로서 이용가능하며, 이 때, 상기 태양전지에 조사된 태양광은 투명한 기판(전극)을 투과하여 페로브스카이트 층(200)에 흡수되어 전자를 생성함에 따라 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
본원의 제 3 측면에 따른 페로브스카이트 태양전지에 대하여, 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면에 기재된 내용은 본원의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예]
FTO glass 를 제 1 기판으로 사용하여 그 위에 FAPbI3 분말을 DMF(Dimethylformamide) 및 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 혼합 용제 에 용해시킨 용액을 이용하여 스핀 코팅(Spin coating)의 일종인 안티 솔벤트 도핑(anti-solvent dropping) 방법으로 약 600 nm 두께의 페로브스카이트 층을 형성하였다. 이어서 FTO glass 를 제 2 기판으로 사용하여 그 위에 Spiro-MeOTAD powder 를 Li-TFSI 및 tBP(4-tert-Butylpyridine) 첨가제와 함께 클로로벤젠(Chlorobenzene) 용제에 용해시킨 용액을 이용하여 스핀 코팅(Spin coating) 방법으로 전하수송층을 형성하고, 상기 페로브스카이트 층과 전하수송층이 마주보도록 배치하여 에너지 하베스팅 시스템을 제조하였다. 동일한 방법으로 물질을 변경하여 서로 다른 페로브스카이트 물질(FAPbI3, MAPbI3, 및 MAPbBr3)을 포함하는 3 종의 에너지 하베스팅 시스템을 추가로 제조하였다.
도 7 의 (a) 는 본원의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 층의 X 선회절(XRD) 분석결과이고, 도 7 의 (b) 는 본원의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 층의 SEM 이미지이고, 도 7 의 (c) 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 페로브스카이트 층 및 전하수송층을 정적 PN 접합한 암전류-전압 곡선이다.
도 7 의 (a) 를 참조하면, 상기 페로브스카이트는 (110) 피크 및 (220) 피크에서 강한 반사 피크를 나타내는 것을 확인할 수 있는데, 이는 순수한 상과 높은 결정상임을 나타낸다.
도 7 의 (b) 를 참조하면, 상기 페로브스카이트는 균일한 결정립 크기를 가지고 우수한 커버리지를 가짐을 알 수 있다. 암전류-전압 곡선 데이터는 페로브스카이트 층 및 전하수송층에 압력을 가하며 전기적 연결을 유도하여 측정한 것이다.
도 7 의 (c) 를 참조하면, 페로브스카이트 층 및 전하수송층의 접합이 PN 접합에 기인하여 정류효과가 있는 비선형의 곡선을 보여주는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 1]
본원의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에 슬라이딩 움직임을 적용하여 에너지 출력을 분석하였다.
도 8 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동적 움직임 및 정지 상태의 암전류-전압 곡선 그래프이다.
도 9 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동적 전류 출력에 대한 그래프이다.
도 8 및 도 9 를 참조하면 반목되는 미끄러짐 움직임에 의해 ~0.4 v 의 전압이 출력되고, PN 접합을 통하여 캐리어를 일방향으로 수송하여 지속적으로 교류 전류가 아닌 직류 전류가 발생 가능함을 확인할 수 있다.
[실험예2]
본원의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에 압력을 적용하여 에너지 출력을 분석하였다.
도 10 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동적 움직임 및 정지 상태의 암전류-전압 곡선 그래프이다.
도 11 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동적 전류 출력에 대한 그래프이다.
도 10 및 도 11 을 통하여, 반복되는 접촉 움직임(압력)에 의하여 PN 접합을 통하여 지속적으로 교류가 아닌 직류 발생이 가능함을 확인할 수 있다.
[실험예3]
본원의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 페로브스카이트 물질의 종류 및 작용하는 힘의 크기에 따른 전압 출력을 비교하였다.
도 12 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에 포함된 페로브스카이트의 전자 에너지 밴드의 준위를 나타내는 도면이다.
도 12 를 참조하면, FAPbI3 에서 가장 높은 0.4 V 의 전압 출력이 발생하며 전제 에너지 밴드 준위가 유사한 MAPbI3 보다 8 배의 직류 전압 출력이 발생하는 것으로 보아 PN 접합(밴드 준위의 차이)은 에너지 출력 정도를 조절하는 요소가 아님을 알 수 있다.
도 13 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 XRD 데이터 분석을 통한 X-Pb-X 간 거리를 나타내는 도면이다.
도 13 을 참조하면, 직류 전압출력 크기순서는 X-Pb-X 간 이격거리의 크기순서 및 압전 효과 크기순서와 동일 경향을 가지며 이로써 압전효과가 전압출력에 기여한다는 것을 알 수 있다.
구체적으로, FAPbI3 및 MAPbI3 의 분극은 각각 63 μC cm-2 및 38 μC cm-2 인 것으로 계산되었다. FAPbI3 에서 더 높은 편광도는 더 큰 FA 크기에 기인하며, 이는 PbI3 무기 구조의 강한 변형을 유도할 수있다. 또한 압전 계수는 Br- 할라이드 음이온으로 I- 를 대체함으로써 극적으로 감소한 것으로 확인되며, 이는 할라이드 음이온의 대체와 동시에 Pb-X 결합이 감소된 것에 의해 설명 될 수 있다. 따라서, 압전 특성은 전압 출력의 동일한 경향 인 FAPbI3 > MAPbI3 > MAPbBr3 의 경향을 따르는 것으로 확인된다. 상기 결과를 확인하기 위해, X-Pb-X 길이는 XRD 결과에 기초하여 계산되었다.
도 14 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에서 가해지는 힘에 따른 페로브스카이트 층/전하수송층 접합에서의 전압출력을 나타내는 도면이다.
도 14 를 참조하면, 가해지는 힘이 증가할수록 연속적으로 발생하는 일정한 직류전압의 출력 크기 또한 증가함을 알 수 있었고, 이의 활용 가능성을 확인하였다.
[실험예 4]
본원의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 페로브스카이트 층의 두께 조절에 따른 동일 힘 작용에 대한 전압 출력을 비교하였다.
도 15 내지 도 18 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 페로브스카이트 두께에 따른 SEM 이미지이다(순서대로 50/100/250/600 nm).
도 19 는 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 동일 힘 적용시 페로브스카이트 층의 두께에 따른 전압 출력을 나타내는 도면이다.
도 15 내지 도 19 를 참조하면, 힘의 크기 조절에 따라 600 nm 두께에서 1.2 V 까지 전압 출력을 구현 가능함을 확인하였다. 즉, 특정한 작용 힘에 대한 원하는 전압 출력을 조절할 수 있다는 것을 알 수 있다.
[실험예 5]
본원의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템에 대하여 장기 구동 안정성 테스트를 실시하였다.
도 20 은 본원의 일 실시예에 따른 에너지 하베스팅 시스템의 장기 구동 안정성 테스트 결과이다.
도 20 을 참조하면, 4,000 초 간 일정한 기계적 힘을 반복하여 지속 작용시, 동일한 전압이 출력됨을 확인하였다. 즉, 지속 가능한 안정적 소자 구현 가능성을 확인할 수 있었다.
[실험예 6]
본원의 실시예에서 사용한 페로브스카이트 물질(FAPbI3, MAPbI3, MAPbBr3)에 따른 캐리어 농도(carrier concentration)와 정공의 이동성(Hall mobility)을 비교하였다.
[표 1]
표 1 을 참조하면, FAPbI3, MAPbI3, 및 MAPbBr3 은 유사한 정도의 정공의 이동성을 가지는 반면, FAPbI3 및 MAPbI3 의 캐리어 농도는 각각 MAPbBr3 에 비하여 각각 3 배 및 10 배 높다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 캐리어 농도가 높은 경우에 높은 전압 및 높은 전류를 가질 수 있음을 알 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: 제 1 기판
200: 페로브스카이트 층
300: 전하수송층
400: 제 2 기판
200: 페로브스카이트 층
300: 전하수송층
400: 제 2 기판
Claims (14)
- 전기에너지 발생을 위한 에너지 하베스팅 시스템에 있어서,
제 1 기판;
상기 제 1 기판 상에 형성된 페로브스카이트 층;
상기 페로브스카이트 층 상에 배치되고, 상기 페로브스카이트 층과 분리 가능한 전하수송층; 및
상기 전하수송층 상에 형성된 제 2 기판
을 포함하고,
상기 페로브스카이트 층 및 상기 전하수송층은 PN 접합을 형성하는 것이며,
P 형 층 및 N 형 층으로 각각 정공 및 전자를 일방향으로 수송하여 직류 전류를 생산하는 것인,
에너지 하베스팅 시스템.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 층 및 상기 전하수송층이 서로 슬라이딩함에 따라 발생하는 마찰에 의해 전기 에너지가 발생하는 것인, 에너지 하베스팅 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 층 및 상기 전하수송층 상에 수직으로 가해지는 압력에 의해 전기 에너지가 발생하는 것인, 에너지 하베스팅 시스템.
- 제 4 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 층 및 상기 전하수송층 상에 수직으로 가해지는 압력에 의해 상기 페로브스카이트의 결정 구조가 변화하여 전기 에너지가 발생하는 것인, 에너지 하베스팅 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2 로 표시되는 물질을 포함하는 것인, 에너지 하베스팅 시스템:
[화학식 1]
ABX3
[화학식 2]
A2BX4
(상기 화학식 1 및 화학식 2 에서,
상기 A 는 C1-24 의 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 A 가 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고,
상기 B 는 Pb, Bi, Sn, Ge, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Pd, Cd, Yb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이고,
상기 X 는 할라이드 음이온 또는 칼코게나이드 음이온을 포함하는 것임).
- 제 1 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 층 및 상기 전하수송층의 일함수 차에 따라 발생하는 전기 에너지의 양이 조절되는 것인, 에너지 하베스팅 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 층의 두께에 따라 발생하는 전기 에너지의 양이 조절되는 것인, 에너지 하베스팅 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 각각 독립적으로 유리, SiO2, ITO, FTO, Si, SiO2, SiC, Ga, SiGe, Al2O3, InAs, GaAs, InP, GaN, InGaAs, InAlAs, GaSb, AlSb, AlP, GaP, Ge2O3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 에너지 하베스팅 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전하수송층은 Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, G-PEDOT, PANI:PSS, PANI:CSA, PDBT, P3HT, PCPDTBT, PCDTBT, PTAA, MoO3, V2O5, NiO, WO3, CuI, CuSCN, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 에너지 하베스팅 시스템.
- 제 1 기판 상에 페로브스카이트 층을 형성하는 단계;
제 2 기판 상에 전하수송층을 형성하는 단계 및
상기 페로브스카이트 층 상에 상기 전하수송층을 배치하는 단계;
를 포함하는,
에너지 하베스팅 시스템의 제조 방법에 있어서,
상기 페로브스카이트 층 및 상기 전하수송층은 PN 접합을 형성하는 것이며,
P 형 층 및 N 형 층으로 각각 정공 및 전자를 일방향으로 수송하여 직류 전류를 생산하는 것인,
에너지 하베스팅 시스템의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 층을 형성하는 단계는 스핀코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 형성되는 것인, 에너지 하베스팅 시스템의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,
상기 전하수송층을 형성하는 단계는 스핀코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 형성되는 것인, 에너지 하베스팅 시스템의 제조 방법.
- 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 에너지 하베스팅 시스템을 포함하는, 페로브스카이트 태양전지.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200105093A KR102434775B1 (ko) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | 에너지 하베스팅 시스템 및 이의 제조 방법 |
| US17/405,320 US11665917B2 (en) | 2020-08-21 | 2021-08-18 | DC generation energy harvesting system and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200105093A KR102434775B1 (ko) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | 에너지 하베스팅 시스템 및 이의 제조 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220023408A KR20220023408A (ko) | 2022-03-02 |
| KR102434775B1 true KR102434775B1 (ko) | 2022-08-19 |
Family
ID=80271027
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200105093A KR102434775B1 (ko) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | 에너지 하베스팅 시스템 및 이의 제조 방법 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11665917B2 (ko) |
| KR (1) | KR102434775B1 (ko) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160133672A1 (en) * | 2014-07-01 | 2016-05-12 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Hybrid Perovskite with Adjustable Bandgap |
| WO2016189802A1 (en) * | 2015-05-22 | 2016-12-01 | Okinawa Institute Of Science And Technology School Corporation | Fabrication of stable perovskite-based optoelectronic devices |
| JP6408042B2 (ja) * | 2017-01-24 | 2018-10-17 | 株式会社東芝 | 光電変換素子およびその製造方法 |
| KR20180129132A (ko) | 2017-05-25 | 2018-12-05 | 성균관대학교산학협력단 | 페로브스카이트 구조를 갖는 양자점을 이용한 하이브리드 에너지 발전 소자 |
-
2020
- 2020-08-21 KR KR1020200105093A patent/KR102434775B1/ko active IP Right Grant
-
2021
- 2021-08-18 US US17/405,320 patent/US11665917B2/en active Active
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Photoinduced enhancement of a triboelectric nanogenerator based on an organolead halide perovskite, Li Su 외7, J. Mater. Chem. C, 2016 (2016.10.05. 공개)* |
| Piezoelectric properties of CH3NH3PbI3 perovskite thin films and their applications in piezoelectric generators, Yun-Jeong Kim 외10, J. Mater. Chem. A, 2016 (2015.12.01. 공개)* |
| The unique dielectricity of inorganic perovskites toward high-performance triboelectric nanogenerators Yudi Wang 외5, Nano Energy 69, (2019.12.23. 공개)* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US11665917B2 (en) | 2023-05-30 |
| KR20220023408A (ko) | 2022-03-02 |
| US20220059785A1 (en) | 2022-02-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Debnath et al. | Solution-processed colloidal quantum dot photovoltaics: A perspective | |
| Alaie et al. | Recent advances in ultraviolet photodetectors | |
| TWI441346B (zh) | 第ⅱ型量子點太陽能電池 | |
| KR20210107529A (ko) | 멕신-변형 하이브리드 광변환기 | |
| US20150263203A1 (en) | Intermediate band semiconductors, heterojunctions, and optoelectronic devices utilizing solution processed quantum dots, and related methods | |
| US20100276731A1 (en) | Inorganic Nanocrystal Bulk Heterojunctions | |
| JP2009527108A (ja) | ナノ構造層を備える光起電装置 | |
| CN112567536A (zh) | 基于二维量子点的光电探测器 | |
| KR20230147195A (ko) | 페로브스카이트 기재 다중-접합 태양 전지 및 이를 제조하기 위한 방법 | |
| US9006931B2 (en) | Static-electrical-field-enhanced semiconductor-based devices and methods of enhancing semiconductor-based device performance | |
| US20150034159A1 (en) | Hole-blocking TiO2/Silicon Heterojunction for Silicon Photovoltaics | |
| EP3509115B1 (en) | Photovoltaic device | |
| US20140026937A1 (en) | Semiconductor Heterostructure and Photovoltaic Cell Including Such A Heterostructure | |
| Zhou et al. | Emerging Frontiers of 2D Transition Metal Dichalcogenides in Photovoltaics Solar Cell | |
| US20130221415A1 (en) | Field-Effect P-N Junction | |
| KR102434775B1 (ko) | 에너지 하베스팅 시스템 및 이의 제조 방법 | |
| KR20150092608A (ko) | 화합물 태양 전지 | |
| EP3970209B1 (en) | Photovoltaic device | |
| Ting et al. | Barrier infrared detector | |
| AU2011302111A1 (en) | Organic semiconductors as window layers for inorganic solar cells | |
| López-Rojas et al. | A review on quantum dot solar cells: properties, materials, synthesis and devices | |
| Ojo et al. | Photovoltaic solar cells: Materials, concepts and devices | |
| Kamble et al. | Thin film organic solar cell as an emerging PV technique | |
| KR102392265B1 (ko) | 자외선 광검출 소자 및 이의 제조방법 | |
| US20210399147A1 (en) | High performance long-lifetime charge-separation photodetectors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |