KR20150122598A - 유-무기 하이브리드 태양 전지 - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 유-무기 하이브리드 태양 전지에 관한 것이다.

Description

유-무기 하이브리드 태양 전지{INORGANIC-ORGANIC HYBRID SOLAR CELL}
본 명세서는 2014년 4월 23일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2014-0048916 호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 유-무기 하이브리드 태양 전지에 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. 이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.
현재 광에너지 변환효율이 20%가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 변환효율이 우수한 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 있다. 그러나 이러한 무기 반도체 기반의 태양전지는 고효율화를 위하여 매우 고순도로 정제한 소재가 필요하므로 원소재의 정제에 많은 에너지가 소비되고, 또한 원소재를 이용하여 단결정 혹은 박막화 하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조비용을 낮게 하는 데에는 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어왔다.
이에 따라 태양전지를 저가로 제조하기 위해서는 태양전지에 핵심으로 사용되는 소재 혹은 제조 공정의 비용을 대폭 감소시킬 필요가 있으며, 무기 반도체 기반 태양전지의 대안으로 저가의 소재와 공정으로 제조가 가능한 염료 감응형 태양전지와 유기태양전지가 활발히 연구되고 있다.
염료감응 태양전지는, 1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의하여 발표된 것이 대표적이다. 염료감응 태양전지의 작동 원리를 살펴보면, 태양에너지가 전극의 반도체층에 흡착된 감광성 염료에 흡수됨으로써 광전자가 발생하며, 상기 광전자는 반도체층을 통해 전도되어 투명 전극이 형성된 전도성 투명 기재에 전달되고, 전자를 잃어 산화된 염료는 전해질에 포함된 산화·환원쌍에 의해 환원된다. 한편, 외부 전선을 통하여 반대편 전극인 상대 전극에 도달한 전자는 산화된 전해질의 산화·환원 쌍을 다시 환원시킴으로써 태양전지의 작동 과정을 완성한다.
한편, 염료감응 태양전지의 경우 기존 태양전지에 비해, 반도체|염료 계면, 반도체|전해질 계면, 반도체|투명 전극 계면, 전해질|상대 전극 계면 등, 여러 계면을 포함하고 있으며, 각각의 계면에서의 물리·화학적 작용을 이해하고 조절하는 것이 염료감응 태양전지 기술의 핵심이다. 또한, 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율은 태양에너지 흡수에 의해 생성된 광전자의 양에 비례하며, 많은 양의 광전자를 생성하기 위해서는 염료분자의 흡착량을 증가시킬 수 있는 구조를 포함하는 광전극의 제조가 요구되고 있다. 다만, 액체형 염료감응태양전지의 효율은 상대적으로 높아 상용화 가능성이 있으나, 휘발성 액체전해질에 의한 시간에 따른 안정성 문제와 고가의 루테늄(Ru)계 염료 사용에 의한 저가화에도 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 휘발성 액체 전해질 대신에 이온성 용매를 이용한 비 휘발성 전해질 사용, 고분자 젤형 전해질 사용 및 저가의 순수 유기물 염료 사용 등이 연구되고 있으나, 휘발성 액체 전해질과 Ru계 염료를 이용한 염료감응태양전지에 비하여 효율이 낮은 문제점이 있다.
이에 따라서, 종래의 루테늄 금속 착체 대신에 페로브스카이트 구조를 가지는 유-무기 하이브리드 태양 전지의 개발이 요구되고 있다.
Advanced Materials, 23 (2011) 4636 Nano Letters, 11 (2011) 4789 J. Am. Chem. Soc., 131 (2009) 6050
본 명세서는 안정성 및 에너지 변환 효율이 우수한 유-무기 하이브리드 태양 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서는 제1 전극;
상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 광활성층; 및
상기 광활성층과 제1 전극 사이에 구비되는 실리콘 물질층을 포함하고,
상기 광활성층은 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 하이브리드 태양 전지는 전하 이동도가 우수하여, 높은 전류 밀도의 증가 및/또는 에너지 변환 효율의 상승을 구현할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 하이브리드 태양 전지는 넓은 광스펙트럼을 흡수할 수 있어, 광에너지의 손실을 줄이고 높은 전류 밀도의 증가 및/또는 에너지 변환 효율의 상승을 구현할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 하이브리드 태양 전지는 간단한 제조 공정으로 제조 가능하여, 시간 및/또는 비용상 경제적이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 하이브리드 태양 전지는 전하 수송에 필요한 계면적 증가 및/또는 전하의 이동 경로를 용이하게 조절할 수 있다.
도 1 내지 9는 각각 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 하이브리드 태양 전지의 일 예를 도시한 것이다.
이하 본 명세서를 상세히 설명한다.
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.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접하여 있는 경우뿐만 아니라, 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제1 전극; 상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 광활성층; 및 상기 광활성층과 제1 전극 사이에 구비되는 실리콘 물질층을 포함하고, 상기 광활성층은 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 유-무기 하이브리드 태양 전지를 제공한다.
본 명세서에서 페로브스카이트 구조의 화합물은 무기물과 유기물이 혼재되어 결합된 페로브스카이트 구조의 화합물일 수 있다. 구체적으로 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 페로브스카이트 구조의 유기-금속할로겐 화합물이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물을 얻기 위해서는 이온 3개의 구성 이온은 하기의 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
상기 식 1에 있어서,
RA, RB, RO는 각 이온들의 반경을 의미하고,
t는 이온들의 접촉상태를 나타내는 허용인자(tolerance factor)로, t가 1인 경우 이상적인 페로브스카이트 구조의 화합물로 각 이온들이 인접 이온과 접촉하고 있음을 의미한다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 화학식 1로 표시된다.
[화학식 1]
Figure pat00002
상기 화학식 1에 있어서,
A는 1가의 유기 암모늄 이온 또는 Cs+이고,
M은 2가의 금속이온이며,
X는 할로겐 이온이다.
본 명세서의 일시상태에 있어서, 상기 화학식 1을 만족하는 화합물은 페로브스카이트 구조를 가지며, M은 페로브스카이트 구조에서 단위 셀(unit cell) 의 중심에 위치하며, X는 단위셀의 각 면 중심에 위치하여 M을 중심으로 옥타헤드론(octahedron) 구조를 형성하며, A는 단위셀의 각 코너(corner)에 위치할 수 있다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 화학식 1은 하기 화학식 2 또는 3으로 표시된다.
[화학식 2]
Figure pat00003
[화학식 3]
Figure pat00004
화학식 2 및 3에 있어서,
R1 및 R2는 탄소수 1 내지 24의 치환 또는 비치환된 알킬기; 탄소수 3 내지 20의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 또는 탄소수 6 내지 20의 치환 또는 비치환된 아릴기이고,
R3는 수소; 또는 탄소수 1 내지 24의 알킬기이며,
M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +. Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pd2 + 및 Yb2 +로 이루어진 군에서 1 또는 2종 이상이 선택되는 2가의 금속이온이고,
X는 F-, Cl-, Br- 및 I-로 이루어진 군에서 1 또는 2종 이상이 선택되는 할로겐이온이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 할로겐 이온인 X를 세 개 포함하고, 세 개의 할로겐 이온은 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, M는 Pd2 +이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, R1은 탄소수 1 내지 24의 알킬기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, R1은 메틸기이다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 상기 유기-금속할로겐 화합물은 CH3NH3PbIxCly, CH3NH3PbIxBry, CH3NH3PbClxBry 및 CH3NH3PbIxFy로 이루어진 군에서 1 또는 2 이상이 선택되고, x는 0 이상 3 이하의 실수이며, y는 0 이상 3 이하의 실수이고, x+y=3이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 페로브스카이트 구조의 화합물만을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 구조의 화합물 및 다른 페로브스카이트 구조의 화합물로 이루어진 군에서 1 종 또는 2 종 이상을 포함한다.
상기 광활성층이 2 종의 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 경우, 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 구조의 화합물 및 다른 구조의 페로브스카이트 구조의 화합물의 함량 범위는 1: 1,000 내지 1,000:1 이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 구조의 화합물 및 다른 구조의 페로브스카이트 구조의 화합물의 함량 범위는 1:100 내지 100: 1 이다. 또 다른 실시상태에 있어서, 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 구조의 화합물 및 다른 구조의 페로브스카이트 구조의 화합물의 함량 범위는 1: 10 내지 10: 1 이다.
상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 광활성층에 포함되는 일반적인 물질보다 흡광계수가 높아, 얇은 두께의 필름에서도 집광 효과가 우수하다. 따라서, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 하이브리드 태양 전지는 우수한 에너지 변환 효율을 기대할 수 있다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층의 두께는 50 nm 내지 2,000 nm이다. 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층의 두께는 100 nm 내지 1,500 nm 이다. 또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층의 두께는 300 nm 내지 1,000 nm 이다.
본 명세서에서 "두께" 란 광활성층의 제1 전극 또는 제2 전극과 대향하는 일 표면과 상기 표면과 대향하는 일 표면 사이의 너비를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 하이브리드 태양 전지는 광활성층과 제1 전극 사이에 실리콘 물질층을 포함한다.
종래의 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 전지의 경우, 낮은 전하 이동도로 인한 전류 손실로 전류밀도 향상을 기대하기 어렵다. 또한, 페로브스카이 구조의 화합물은 800nm 이상의 광스펙트럼을 흡수할 수 없어 광에너지 손실이 크다. 광에너지 손실을 방지하기 위하여, 광활성층의 두께를 두껍게 하는 하는 방안을 고려할 수 있으나, 광활성층의 두께가 증가하는 경우에는 광활성층의 전하이동도의 감소로 전류 손실이 발생할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 하이브리드 태양 전지는 상기 페로브스카이트 구조의 화합물에 비하여 상대적으로 우수한 전하이동도를 가지고 있는 실리콘 물질층을 더 포함하여 전류 손실을 방지하여 전류 밀도가 향상될 수 있다. 또한, 실리콘 물질층은 800nm 이상의 광스펙트럼을 흡수할 수 있어, 광에너지의 손실을 방지하여 높은 에너지 변환 효율을 구현할 수 있으며, 실리콘 물질층은 도핑을 통한 에너지 조절이 용이하여 광활성층의 에너지 레벨에 따라 에너지 주입 장벽을 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, 수송에 필요한 계면적 증가 및/또는 전하의 이동 경로를 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 실리콘 물질은 용액 공정을 이용하여, 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층과의 접합면 형태의 조절이 가능하고, 전류 수집 면적 및 광흡수 특성의 개선을 통해 전류 밀도를 높일 수 있으며, 태양 전지의 제조에 있어 시간 및/또는 비용적으로 경제적이다.
본 명세서에서 "전하"란 전자 또는 정공을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 실리콘 물질층은 필름 형태; 또는 패턴 형태로 구비된다.
상기 필름 형태는 매끄러운 표면을 갖는 것을 의미하고, 패턴 형태는 요철을 갖는 것을 의미하며, 나노 와이어, 피라미드, 돔 형태 등의 표면 구조화가 가능하다.
상기 실리콘 물질층에 포함되는 실리콘은 p형 또는 n형일 수 있고, 비정질(amorphous) 또는 결정질(crystalline)일 수 있으며, 나노입자 또는 웨이퍼(wafer)타입일 수 있으며 이를 한정하지 않고, 필요에 따라서 조절하여 사용할 수 있다.
예컨대, 필요에 따라 당업자는 실리콘에 불순물이 첨가되지 않은 상태를 사용할 수 있으며, 불순물을 첨가하여, p형 또는 n형의 도핑된 실리콘을 사용할 수 있다. p형 비정질 실리콘을 형성하기 위해서는 3가 원소인 붕소, 칼륨 등을 침투시키며, n형 비정질 실리콘을 형성하기 위해서는 5가 원소인 인, 비소, 안티몬 등을 첨가시켜 만든다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘 물질층은 패턴 형태이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘 물질층은 표면 개질을 위하여, 자기조립단분자막(SAM; self-assembled monolayer), 평행 평판형 방전을 이용한 표면 산화법, 진공상태에서 UV 자외선을 이용하여 생성된 오존을 통해 표면을 산화하는 방법, 플라즈마에 의해 생성된 산소 라디칼을 이용하여 산화하는 방법, 실리콘 산화물(SiO2)형성하는 등의 방법을 이용하여 표면 개질을 통해, 표면 에너지 및/또는 전하 재결합 특성을 조절할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘 물질층은 표면 구조화를 위하여, 산소, 트리플루오르메탄, 클로린, 하이드로겐 브로마이드 플라즈마 등을 이용한 리소그라피 등 건식 방법과, 불산 등을 이용한 습식 방법을 이용해 나노로드, 콘, 피라비드, 반구 형태 등의 나노 구조화를 할 수 있다.
패턴 형태의 실리콘 물질층을 포함하는 경우, 나노 구조화를 통하여 접합 면적이 향상됨에 따라, 전하의 수집 면적의 증가에 따른 전류 밀도의 증가를 기대할 수 있다. 또한, 광포획(light trapping) 및 또는 반사방지 효과로 인하여, 광흡수율이 증가하고, 전류 밀도가 증가할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 필름 형태의 실리콘 물질층의 두께는 300 마이크로미터 내지 600 마이크로미터이다. 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 필름형태의 실리콘 물질층의 두께는 400 마이크로미터 내지 550 마이크로미터이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 패턴 형태의 실리콘 물질층의 패턴의 두께는 30 nm 내지 1,000 nm 이다. 또 다른 실시상태에 있어서, 상기 패턴 형태의 실리콘 물질층의 패턴의 두께는 50 nm 내지 800 nm 이다.
상기 패턴의 두께란, 패턴이 구비된 일면과 패턴이 구비된 일면과 대향하는 패턴의 일 표면 사이의 너비를 의미한다. 즉 필름 형태의 실리콘 물질층에 구비된 패턴의 높이를 의미하고, 2 이상의 패턴을 포함하는 경우에는 2 이상의 패턴 높이의 평균값을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 실리콘 물질층과 상기 광활성층은 서로 접하여 구비된다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 실리콘 물질층과 상기 광활성층 사이에 구비되는 중간층을 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 중간층은 절연층; 또는 N/P 접합층이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 절연층을 구성하는 재료로서, 무기 절연성 재료, 유기 절연성 재료 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
구체적으로 무기 절연성 재료로서는 산화실리콘, 질화실리콘, 산화티탄, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화아연, 구체적으로 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO), 실리카(SiO2)등 산화물 나노입자 및 불화리튬(LiF) 등으로 이루어지는 군에서 선택될 수 있다. 유기 절연성 재료로서는 PS(Polystyrene), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methylmethacrylate), 폴리에스테르, 에틸렌초산비닐 공중합체, 아크릴, 에폭시, 폴리우레탄 등의 재료를 이용할 수도 있고, 비공액 고분자 전해질(non-conjugated polyelectrolyte)등의 재료를 이용할 수 있으며, 당업자가 필요에 따라서 선택할 수 있다.
상기 절연층을 포함하는 경우, 실리콘 물질층과 광활성층 간의 저항 접촉을 향상시킬 수 있고, 여기된 전자와 정공이 효과적으로 재결합할 수 있는 공간을 제공하여, 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 표면 에너지를 조절하여, 상부에 오는 용액층의 젖음성을 개선하여 균일한 박막을 얻을 수 있다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 중간층은 N/P 접합층이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 N/P 접합층을 이루는 구성 물질은 금속산화물, 금속, 전도성 고분자, 유전체 (dielectric) 물질 및 탄소화합물로 이루어진 군에서 1 또는 2 이상을 포함한다.
본 명세서에서 상기 금속은 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr), 징크(Zn), 인듐(In), 란타넘(La), 바나듐(V), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 틴(Sn), 나이오븀(Nb), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 갈륨(Ga) 및 스트론튬타이타늄(SrTi)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
본 명세서에서 상기 금속 산화물은 전술한 금속의 산화물, 구체적으로 Mo 산화물, V 산화물, Ni 산화물, Ti 산화물 및 Zn 산화물 등이 있으며 이를 한정하지 않는다. 구체적으로 상기 금속 산화물은 MoO3, V2O5, VOx, TiO2, TiOx 및 ZnO로 이루어진 군에서 선택되는 1 종일 수 있다.
본 명세서에서 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (PEDOT) 및 PAA(Polyacrylic acid) 등이 있으며, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 상기 유전체 (dielectric) 물질은 PEI(polyethyleneimine), PEIE(ethoxylated polyethyleneimine), PFN(Poly[(9,9-bis(3'-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-ㅇdioctylfluorene)]) 등이 있으며 이에 한정하지 않는다.
본 명세서에서 탄소 화합물은 그래핀(Graphene) 및 탄소나노튜브(CNT) 등이 있으나, 이에 한정하지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 N/P 접합층은 구체적으로 ZnO/Al, Ag/PEDOT, ZnO/Al, Ag/ PEI, PEIE, ZnO/공액 고분자 전해질(conjugated polyelectrolyte)/Al을 포함하거나 포함하지 않고(with or without Al)/PEDOT, ZnO/그래핀(graphene), Al 또는 Ag / 공액 고분자 전해질(conjugated polyelectrolyte) 등이 있으며 이에 한정하지 않는다.
구체적으로 상기 중간층은 ZnO/PEDOT:PSS의 접합층을 형성할 수 있으며, n 형 또는 p형 물질을 도핑하여, 접합층을 형성할 수 있다.
본 명세서에서 N/P 접합층이란 실리콘 물질층과 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층 양 쪽에서 생성된 캐리어가 이동되어, N/P 접합층에서 재결합하여 반대쪽 전극으로 전하가 이동될 수 있게 해주는 역할을 하며, 계면 저항을 감소시키는 역할을 한다.
본 명세서에서 p 도핑층은 p 도펀트가 도핑된 층을 의미한다. p 도펀트는 호스트 물질을 p 반도체 특성을 갖도록 하는 물질을 의미한다. p 반도체 특성이란 HOMO(highest occupied molecular orbital) 에너지 준위로 정공을 주입받거나 수송하는 특성 즉, 정공의 전도도가 큰 물질의 특성을 의미한다.
본 명세서에서 n 도핑층은 n 도펀트가 도핑된 층을 의미한다. n 도펀트는 호스트 물질을 n 반도체 특성을 갖도록 하는 물질을 의미한다. n 반도체 특성이란 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)에너지 준위로 전자를 주입받거나 수송하는 특성 즉, 전자의 전도도가 큰 물질의 특성을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 하이브리드 태양 전지는 탠덤(tandem)구조일 수 있다. 이 경우, 광활성층을 2층 이상 포함할 수 있다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 실리콘 물질층은 상기 제1 전극과 접하여 구비된다.
본 명세서에서 상기 실리콘 물질층이 상기 제1 전극과 접하여 구비되는 경우, 실리콘 물질층은 태양 전지 내에서 기판의 역할로 태양 전지를 지지하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 별도의 기판의 구비 없이 태양 전지로서 작용할 수 있다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 실리콘 물질층이 상기 제1 전극과 접하여 구비되는 경우, 제1 전극과 상기 제2 전극은 서로 동일하거나 상이하고, 독립적으로 금속 전극, 전도성 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 명세서에서 상기 금속 전극은 은(Ag), 금 (Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 니켈(Ni), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 상기 전도성 고분자는 티오펜계; 파라페닐렌비닐렌계, 카바졸계 또는 트리페닐아민계에서 선택될 수 있으나, 전도성 물질이라면 이에 한정하지 않는다. 구체적으로, 고분자는 P3HT(poly[3-hexylthiophene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3',7'- dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), P3DT(poly(3-decyl thiophene)), P3DDT(poly(3-dodecyl thiophene), PPV(poly(p-phenylene vinylene)), TFB(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenyl amine), PCPDTBT(Poly[2,1,3-benzothiadiazole- 4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl-4H- cyclopenta [2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl]], Si-PCPDTBT(poly[(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PBDTTPD(poly((4,8-diethylhexyloxyl) benzo([1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl)-alt-((5-octylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione)-1,3-diyl)), PFDTBT(poly[2,7-(9-(2-ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4', 7, -di-2-thienyl-2',1', 3'-benzothiadiazole)]), PFO-DBT(poly[2,7-.9,9-(dioctyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-.thienyl-2', 1', 3'-benzothiadiazole)]), PSiFDTBT(poly[(2,7-dioctylsilafluorene)-2,7-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5′-diyl]), PSBTBT(poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PCDTBT(Poly [[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl]-2,5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]), PFB(poly(9,9′-dioctylfluorene-co-bis(N,N′-(4,butylphenyl))bis(N,N′-phenyl-1,4-phenylene)diamine), F8BT(poly(9,9′-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole), PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT:PSS poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate), PTAA (poly(triarylamine)), Poly(4-butylphenyl-diphenyl-amine) 및 이들의 공중합체 등이 있으며 이를 한정하지 않는다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 전도성 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극의 광활성층이 구비되는 면과 대향하는 면에 기판을 더 포함한다.
이 경우, 상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물(ITO;indium-tin oxide), 불소함유 산화주석(FTO; Fluorine-doped tin oxide), 인듐 아연 산화물(IZO), 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide;ZnO:Al), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al) 및 주석계 산화물, 산화아연(ZnO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고,
상기 제2 전극은 금속 전극, 전도성 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다.
상기 금속 전극, 전도성 고분자는 전술한 바와 동일하다.
본 명세서에서 기판으로서는 유연성을 갖는 플라스틱 등의 유기물, 유리 또는 금속이 사용될 수 있다. 이때, 유기물로서는 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌(PP), 프로필렌 공중합체, 폴리(4-메틸-1-펜텐)(TPX), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리아세탈(POM), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리설폰(PSF), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리초산비닐(PVAC), 폴리비닐알콜(PVAL), 폴리비닐아세탈, 폴리스티렌(PS), AS수지, ABS수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 불소수지, 페놀수지(PF), 멜라민수지(MF), 우레아수지(UF), 불포화폴리에스테르(UP), 에폭시수지(EP), 디알릴프탈레이트수지(DAP), 폴리우레탄(PUR), 폴리아미드(PA), 실리콘수지(SI) 또는 이것들의 혼합물 및 화합물을 이용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 정공주입층, 정공수송층, 전자차단층, 전자수송층 및 전자주입층으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 층을 더 포함한다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극과 실리콘 물질층 사이에 전자수송층을 더 포함한다.
다른 실시상태에 있어서, 상기 제2 전극과 광활성층 사이에 정공수송층을 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극과 실리콘 물질층 사이에 전자수송층을 포함하고, 상기 제2 전극과 광활성층 사이에 정공수송층을 더 포함한다.
예컨대, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유기 태양 전지의 구조는 도 1 내지 9에 예시되어 있으나, 이에 한정하지 않는다.
도 1은 기판(101), 상기 기판(101) 상에 구비된 제1 전극(102), 상기 제1 전극(102) 상에 구비된 전자수송층(106), 상기 전자수송층(106) 상에 구비된 실리콘 물질층(103), 상기 실리콘 물질층(103)상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층(104), 상기 광활성층(104) 상에 구비된 정공수송층(107), 및 상기 정공수송층(107) 상에 구비된 제2 전극(105)을 포함하는 유기 태양 전지를 예시한 도이다.
도 2는 기판(101), 상기 기판(101) 상에 구비된 제1 전극(102), 상기 제1 전극(102) 상에 구비된 실리콘 물질층(103), 상기 실리콘 물질층(103)상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층(104), 상기 광활성층(104) 상에 구비된 정공수송층(107), 및 상기 정공수송층(107) 상에 구비된 제2 전극(105)을 포함하는 유기 태양 전지를 예시한 도이다.
도 3은 기판(101), 상기 기판(101) 상에 구비된 제1 전극(102), 상기 제1 전극(102) 상에 구비된 실리콘 물질층(103), 상기 실리콘 물질층(103)상에 구비된 중간층(108), 상기 중간층(108) 상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층(104), 상기 광활성층(104) 상에 구비된 정공수송층(107), 및 상기 정공수송층(107) 상에 구비된 제2 전극(105)을 포함하는 유기 태양 전지를 예시한 도이다.
도 4는 기판(101), 상기 기판(101) 상에 구비된 제1 전극(102), 상기 제1 전극(102) 상에 구비된 실리콘 물질층(103), 상기 실리콘 물질층(103)상에 구비된 중간층(108), 상기 중간층(108) 상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층(104), 및 상기 광활성층(104) 상에 구비된 제2 전극(105)을 포함하는 유기 태양 전지를 예시한 도이다.
도 5는 기판(101), 상기 기판(101) 상에 구비된 제1 전극(102), 상기 제1 전극(102) 상에 구비된 실리콘 물질층(103), 상기 실리콘 물질층(103)상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층(104), 및 상기 광활성층(104) 상에 구비된 제2 전극(105)을 포함하는 유기 태양 전지를 예시한 도이다.
도 1 내지 5의 경우, 상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물(ITO;indium-tin oxide), 불소함유 산화주석(FTO; Fluorine-doped tin oxide), 인듐 아연 산화물(IZO), 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide;ZnO:Al), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al) 및 주석계 산화물, 산화아연(ZnO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 제2 전극은 금속 전극, 전도성 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
도 6은 제1 전극(102), 상기 제1 전극(102) 상에 구비된 실리콘 물질층(103), 상기 실리콘 물질층(103)상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층(104), 상기 광활성층(104) 상에 구비된 정공수송층(107), 및 상기 정공수송층(107) 상에 구비된 제2 전극(105)을 포함하는 유기 태양 전지를 예시한 도이다.
도 7은 제1 전극(102), 상기 제1 전극(102) 상에 구비된 실리콘 물질층(103), 상기 실리콘 물질층(103)상에 구비된 중간층(108), 상기 중간층(108) 상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층(104), 상기 광활성층(104) 상에 구비된 정공수송층(107), 및 상기 정공수송층(107) 상에 구비된 제2 전극(105)을 포함하는 유기 태양 전지를 예시한 도이다.
도 8은 제1 전극(102), 상기 제1 전극(102) 상에 구비된 실리콘 물질층(103), 상기 실리콘 물질층(103)상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층(104), 및 상기 광활성층(104) 상에 구비된 제2 전극(105)을 포함하는 유기 태양 전지를 예시한 도이다.
도 9는 제1 전극(102), 상기 제1 전극(102) 상에 구비된 실리콘 물질층(103), 상기 실리콘 물질층(103)상에 구비된 중간층(108), 상기 중간층(108) 상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층(104), 및 상기 광활성층(104) 상에 구비된 제2 전극(105)을 포함하는 유기 태양 전지를 예시한 도이다.
도 6 내지 9의 경우, 제1 전극과 상기 제2 전극은 서로 동일하거나 상이하고, 독립적으로 금속 전극, 전도성 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서의 상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 전자와 정공을 광활성층으로 효율적으로 전달시킴으로써, 생성되는 전하가 전극으로 이동되는 확률을 높이는 물질이 될 수 있으나, 특별히 제한되지는 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수송층은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 금속 산화물은 구체적으로 Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, 및 SrTi산화물 및 이들의 복합물 중에서 1 또는 2 이상 선택된 것이 사용 가능하며, 이에 한정하지 않는다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 전자수송층은 ZnO, TiO2, SnO2, WO3, TiSrO3 로 이루어진 군에서 1 또는 2 이상이 선택된다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전자수송층은 캐소드 버퍼층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수송층은 도핑을 이용하여 전하의 특성을 개선할 수 있으며, 플러렌 유도체 등을 이용하여 표면 개질을 할 수 있다. 구체적으로 J. Mater. Chem. A, 2013 1, 11802에 기재된 것과 같이, ZnO에 Cs, Al 등의 금속 이온을 도핑하는 방법을 이용하여, 표면개질을 할 수 있다. 또한, Adv. Mater. 2013, 25, 4766또는 Appl. Phys. Lett. 93, 233304 에 기재된 바와 같이 ZnO 내에 플러렌 화합물(C60)을 도핑하는 방법을 이용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 정공수송층은 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 상기 전도성 고분자의 구체적인 예시는 전술한 전극 재료와 동일하다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 정공수송층은 제2 전극으로 작용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 정공수송층은 애노드 버퍼층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 정공수송층은 n 도펀트 및 p 도펀트에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 첨가제를 더 함유할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 정공수송층은 터셔리부틸피리딘 (TBP; tertiary butyl pyridine) 및 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드 (LiTFSI; Lithium Bis(Trifluoro methanesulfonyl)Imide)에서 하나 또는 둘 이상 선택된 첨가제를 더 함유할 수 있다.
본 명세서에서 p 도펀트는 호스트 물질을 p 반도체 특성을 갖도록 하는 물질을 의미한다. p 반도체 특성이란 HOMO(highest occupied molecular orbital) 에너지 준위로 정공을 주입받거나 수송하는 특성 즉, 정공의 전도도가 큰 물질의 특성을 의미한다.
본 명세서에서 n 도펀트는 호스트 물질을 n 반도체 특성을 갖도록 하는 물질을 의미한다. n 반도체 특성이란 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)에너지 준위로 전자를 주입받거나 수송하는 특성 즉, 전자의 전도도가 큰 물질의 특성을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 p 도펀트는 유기물, 무기물 또는 유무기 합성물일 수 있다.
본 명세서에서 상기 무기물은 산화텅스텐(WO3), 산화몰리브덴(MoO3) 및 산화레늄(ReO2) 등이 있으며, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 상기 유기물은 테트라플루오로-테트라시아노퀴노디메탄 (F4-TCNQ(tetrafluoro-tetracyanoquinodimethane)) 및 헥사플루오로-테트라시아노퀴노디메탄(hexafluoro-tetracyanoquinodimethane)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 물질로 선택될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
상기 정공전달층이 상기 첨가제를 함유함으로써, 개방전압을 증가시킬 수 있다. 상기 첨가제는 고분자 1g 당 0.05 mg 내지 50 mg 첨가될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 실리콘 물질층을 형성하는 단계; 상기 실리콘 물질층 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유-무기 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
하나의 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극 형성하는 단계 후, 상기 실리콘 물질층을 형성하는 단계 전에 전자수송층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 실리콘 물질을 형성하는 단계 후, 광활성층을 형성하는 단계 전에 중간층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
또 하나의 실시상태에 있어서, 상기 광활성층을 형성하는 단계 후, 제2 전극을 형성하는 단계 전에 정공수송층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 실리콘 물질층을 형성하는 단계; 상기 실리콘 물질층 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 및 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유-무기 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
상기와 같이, 제1 전극을 형성하는 단계 이후에 실리콘 물질층을 접하여 구비하는 경우에는 실리콘 물질층이 기판으로서 작용할 수 있으며, 별도의 기판을 준비하는 단계는 생략할 수 있다. 이 경우, 전술한 중간층을 형성하는 단계 및/또는 정공수송층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 하이브리드 태양 전지는 당 기술분야에 알려져 있는 재료와 방법으로 제조될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 각 단계는 스핀코팅법, 증착법 또는 인쇄법을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 인쇄법은 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅 및 슬롯-다이 코팅 등을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
증착법은 물리적, 화학적 증착 등을 한정하지 않는다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예 1.
Al/Si/Si NW/Perovskite/Spiro-OmeTAD/PH500/Ag Grid 의 구조로 유-무기 하이브리드 태양 전지를 제조하였다.
구체적으로 Al 상에 n 타입의 실리콘(100) 웨이퍼(Si(100) Wafer)를 질화은(silver nitride)가 첨가된 불산 용액에 담가 화학적 식각을 이용하여 실리콘 나노 와이어(SiNW)를 제조하였다. 디메틸포름아미드(DMF)에 녹인 요오드화납(PbI2) 용액을 스핀 코팅한 후, 5분간 건조시킨 다음 2-프로판올(2-propanol)에 녹인 요오드화메틸암모늄(CH3NH3I)에 수십 초간 담근 뒤 건조하였다.
클로로 벤젠에 Spiro-OMeTAD (2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene)와 4-터셔리-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine) 및 리튬 비스(트리플루오로메탄)설폰이미드(Li-TFSI)를 녹인 후, 스핀코팅 하였다. PEPOT:PSS (PH500) 코팅 한 후, 1x10-7torr 진공에서 은 그리드 전극을 증착하였다.
비교예 1.
실시예 1에서 제조한 유-무기 하이브리드 태양 전지의 구조 대신에ITO/ZnO/Perovskite/Spiro-OmeTAD/Ag의 구조로 유-무기 하이브리드 태양 전지를 제조하였다.
구체적으로 ITO가 코팅된 유리 기판을 아세톤 및 에탄올에 각각 30분씩 초음파(sonication) 세척하고, UV-오존처리(UVO)를 이용하여 15 분간 표면처리를 하였다.
디메틸포름아미드(DMF)에 녹인 요오드화납(PbI2) 용액을 스핀 코팅한 후, 5분간 건조시킨 다음 2-프로판올(2-propanol)에 녹인 요오드화메틸암모늄(CH3NH3I)에 수십 초간 담근 뒤 건조하였다.
클로로 벤젠에 Spiro-OMeTAD (2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene)와 4-터셔리-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine) 및 리튬 비스(트리플루오로메탄)설폰이미드(Li-TFSI)를 녹인 후, 스핀코팅 한 후, 1x10-7torr 진공에서 은 전극을 증착하였다.
비교예 2.
실시예 1에서 실리콘 나노 와이어(SiNW)를 제조 공정을 진행하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 유-무기 하이브리드 태양전지를 제조하였다.
비교예 3.
실시예 1에서 실리콘 나노 와이어(SiNW)를 제조 공정을 진행하지 않고, 페로브스카이트 층을 코팅하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 유-무기 하이브리드 태양전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 유-무기 하이브리드 태양전지의광전변환 특성을 100 mW/cm2(AM 1.5) 조건에서 측정하고, 하기 표 1에 그 결과를 나타내었다.
Voc (V) Jsc (mA/cm2) FF PCE (%)
실시예 1 1.011 20.3 0.701 14.3
비교예 1 0.99 17.8 0.631 11.12
비교예 2 1.011 18.8 0.677 12.87
비교예 3 0.532 24.4 0.432 5.61
상기 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)를, PCE는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류는 각각 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축과 Y축 절편이며, 이 두 값이 높을수록 태양전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한 충전율(Fill factor)은 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 넓이를 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세 가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다.
상기 실시예 1 및 비교예 2와 3의 결과로 보아, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 하이브리드 태양전지와 같이, 실리콘 물질층과 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 동시에 포함하는 경우, 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층 만을 포함하는 경우 또는 두 층을 모두 포함하지 않는 경우보다, 전하 이동도가 우수하여, 높은 전류 밀도의 증가 및/또는 에너지 변환 효율의 상승을 갖는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 실시예 1과 비교예 1의 결과를 비교하면, 실리콘 물질층 대신에 금속 산화물을 포함하는 버퍼층을 포함하는 경우에 비하여 높은 전류 밀도의 증가 및/또는 에너지 변환 효율의 상승을 갖는 것을 확인할 수 있다.
상기와 같은 결과는 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 광활성층에 포함되는 일반적인 물질보다 흡광계수가 높아, 얇은 두께의 필름에서도 집광 효과가 우수하므로, 우수한 에너지 변환 효율을 기대할 수 있으며, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물에 비하여 상대적으로 우수한 전하이동도를 가지고 있는 실리콘 물질층을 더 포함하여 전류 손실을 방지하여 전류 밀도가 향상될 수 있기 때문이다.
101: 기판
102: 제1 전극
103: 실리콘 물질층
104: 광활성층
105: 제2 전극
106: 전자수송층
107: 정공수송층
108: 중간층

Claims (16)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극과 대향하여 구비되는 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되는 광활성층; 및
    상기 광활성층과 제1 전극 사이에 구비되는 실리콘 물질층을 포함하고,
    상기 광활성층은 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 페로브스카이트 구조의 유기-금속할로겐 화합물인 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지:
    [화학식 1]
    Figure pat00005

    화학식 1에 있어서,
    A는 1가의 유기 암모늄 이온 또는 Cs+이고,
    M은 2가의 금속이온이며,
    X는 할로겐 이온이다.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 화학식 2 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 것인 유-무기 하이브리드 태양전지:
    [화학식 2]
    Figure pat00006

    [화학식 3]
    Figure pat00007

    화학식 2 및 3에 있어서,
    R1 및 R2는 탄소수 1 내지 24의 치환 또는 비치환된 알킬기; 탄소수 3 내지 20의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기; 또는 탄소수 6 내지 20의 치환 또는 비치환된 아릴기이고,
    R3는 수소; 또는 탄소수 1 내지 24의 알킬기이며,
    M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +. Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pd2 + 및 Yb2 +로 이루어진 군에서 1 또는 2종 이상이 선택되는 2가의 금속이온이고,
    X는 F-, Cl-, Br- 및 I-로 이루어진 군에서 1 또는 2종 이상이 선택되는 할로겐이온이다.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 유기-금속할로겐 화합물은 CH3NH3PbIxCly, CH3NH3PbIxBry, CH3NH3PbClxBry 및 CH3NH3PbIxFy로 이루어진 군에서 1 또는 2 이상이 선택되고,
    x는 0 이상 3 이하의 실수이며,
    y는 0 이상 3 이하의 실수이고,
    x+y는 3인 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 광활성층의 두께는 50 nm 내지 2,000 nm인 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘 물질층은 필름 형태; 또는 패턴 형태로 구비되는 것인 유-무기 하이브리드 태양전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘 물질층과 광활성층은 접하여 구비되는 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘 물질층은 상기 제1 전극과 접하여 구비되는 것인 유-무기 하이브리드 태양전지.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 서로 동일하거나 상이하고, 독립적으로 금속 전극, 전도성 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지.
  11. 청구항 1에 있어서,
    제 1 전극의 광활성층이 구비되는 면과 대향하는 면에 기판을 더 포함하는 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물(ITO;indium-tin oxide), 불소함유 산화주석(FTO; Fluorine-doped tin oxide), 인듐 아연 산화물(IZO), 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide;ZnO:Al), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al) 및 주석계 산화물, 산화아연(ZnO) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되고,
    상기 제2 전극은 금속 전극, 전도성 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘 물질층과 광활성층 사이에 중간층을 더 포함하는 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 중간층은 절연층; 또는 N/P 접합층인 것인 유-무기 하이브리드 태양전지.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 유-무기 하이브리드 태양 전지는 탠덤형인 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 정공주입층, 정공수송층, 전자차단층, 전자수송층 및 전자주입층으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 층을 더 포함하는 것인 유-무기 하이브리드 태양 전지.
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