KR20160139604A - CYTOP을 이용한 수명 효율적 Planar 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조 방법. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 Planar 페로브스카이트 (Perovskite) 태양전지 및 그의 봉지 (encapsulation) 기술 방법을 제공한다. Planar 페로브스카이트 태양전지는 기판 상에 순차 적층 된 투명 전극, 전자 추출 층, 광 활성 층, 정공 이동 층 및 금속 전극 층을 포함하고, 완성된 소자는 플루오르 원소로 이루어진 Cyclic Transparency Optical Polymer (CYTOP) 을 봉지 층으로 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 수명이 우수한 Planar 페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있다.
Description
본 발명은 CYTOP 봉지 층을 이용한 Planar 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는 완성된 Planar 페로브스카이트 태양전지 위에 CYTOP 봉지 층을 형성시킨 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
페로브스카이트 태양전지는 차세대 박막태양전지로서 고효율 저비용 용액공정이 가능하다는 큰 장점을 갖는다. 국제 인증된 (NREL) 단일 소자의 전력 변환 효율이 20 % 이상이며 발전단가 또한 와트당 0.5 $ 이하로 매우 저렴하다. 또한 공정 방법에 따라 박막의 색을 바꿀 수 있어 향 후 창문 등 실제 생활에 접목시킬 때 매우 유용하다.
일반적인 Planar 페로브스카이트 태양전지의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 기판 (110)/ 투명 전극 (120)/ 전자 추출 층 (130)/ 광 활성 층 (140)/ 정공 추출 층 (150)/ 금속 전극 층 (160)으로 구성되며, 낮은 일함수를 갖는 ITO (Indium Tin Oxide) 또는 FTO(Fluorine doped Tin Oxide)를 투명전극 (120, 음극)으로, 높은 일함수를 갖는 Au 또는 Ag 등을 금속 전극 (160, 양극) 물질로 사용한다.
상기 광 활성 층 (140)은 페로브스카이트 구조를 갖는 결정성 광 흡수제로 구성되어 있다. 상기 광 활성 층은 페로브스카이트를 구성하는 물질로 크게 두 가지로 나뉜다. 일반적으로 Planar 페로브스카이트 태양전지에서는 엑시톤 diffusion length가 긴 CH3NH3IxPbCl3-x를 광 활성 층으로 사용한다.
현재 Planar 페로브스카이트 태양전지에서는 특별한 봉지 층이 사용되지 않는다. 따라서 그 수명은 수 백시간 정도로 상용화 하는데 있어서 큰 어려움이 있다. 따라서 고효율 Planar 페로브스카이트 태양전지의 구현을 위해서는 수명을 높이는 기술이 필수적으로 요구된다.
본 발명의 목적은 고효율 고수명 Planar 페로브스카이트 태양전지를 제작하기 위함이다. 이를 위해 기존의 구조에서 전극 위에 CYTOP 층을 형성 함으로서 수분과 산소를 막아주며 수명이 향상된 Planar 페로브스카이트 태양전지를 제조 할 수 있다. 따라서 CYTOP의 형성법을 제공하는데 발명에 의의가 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 측면은 투명 전극이 구비된 기판을 준비하는 단계, 투명 전극 위에 금속 산화물을 적층하는 단계, 금속 산화물 위에 페로브스카이트 층을 적층하는 단계, 정공 수송 층을 적층하는 단계, 전공 수송 층 위에 금속 전극을 증착하는 단계, 마지막으로 CYTOP층을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 단계에서 CYTOP은 공기 중 혹은 비활성 기체 분위기에서 형성하며, 스핀 코팅 방식으로 제작한다. 회전 속도는 3000rpm이며 시간은 1분이다. 회전 속도와 시간은 다양하게 다른 구성으로 배열되고, 치환되고, 결합되고, 도안될 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 예상되며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에서 상술했듯이 CYTOP을 전극 위에 형성시켰을 경우 기존의 CYTOP이 없는 Planar 페로브스카이트 태양전지 대비 향상된 소자 수명을 얻을 수 있다.
도 1은 Planar 페로브스카이트 태양전지의 단면도 이다.
도 2는 봉지 층 CYTOP (170) 이 형성된 Planar 페로브스카이트 태양전지의 단면도 이다.
도 3은 봉지 층 (170)이 없는 Planar 페로브스카이트 태양전지의 일주일간의 전류 전압 특성이다
도 4는 봉지 층 (170)이 있는 Planar 페로브스카이트 태양전지의 일주일간의 전류 전압 특성이다
도 2는 봉지 층 CYTOP (170) 이 형성된 Planar 페로브스카이트 태양전지의 단면도 이다.
도 3은 봉지 층 (170)이 없는 Planar 페로브스카이트 태양전지의 일주일간의 전류 전압 특성이다
도 4는 봉지 층 (170)이 있는 Planar 페로브스카이트 태양전지의 일주일간의 전류 전압 특성이다
본 명세서에 개시된 기술에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 도면에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조 번호들은 유사한 구성 요소들을 나타낸다. 또한 도면에 기재되는 구성요소들은 다양하게 다른 구성으로 배열되고, 치환되고, 결합되고, 도안될 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 예상되며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
(실시 예)
도2는 CYTOP을 적용한 Planar 페로브스카이트 태양전지의 단면도를 나타낸다. CYTOP적용 Planar 페로브스카이트 태양전지는 기판 (110) 위에 투명 전극 (120) / 전자 추출 층 (130)/ 광 활성 층 (140)/ 정공 추출 층 (150)/ 금속 전극 (160)/ CYTOP 층 (170) 의 순으로 적층 되어 있다.
기판 (110)은 용도에 따라 실리콘, 플라스틱, 종이, 세라믹, 유리 등 다양하게 바꿀 수 있으며 본 실시 예 에서는 0.7mm의 유리 기판을 사용하였다.
투명 전극 (120)은 투과도가 높고 저항이 작아서 전류가 잘 흐르는 인듐틴옥사이드 (Indium Tin Oxide, ITO), Fluorine doped Tin Oxide (FTO), Silver nano wire 등의 물질로 구성된다. 본 실시 예 에서는 저항이 10~15 Ω/□, 두께는 150nm인 인듐틴옥사이드를 사용하였다.
투명 전극 (120)이 패턴(pattern)되어 올라간 기판 (110)은 아세톤 (Acetone), 이소프로필알코올 (IPA), 증류수 (DI water)로 각각 15분씩 Ultra sonicator를 이용해 세척하였다. 이 후 120℃ 정도의 오븐에 30분이상 보관하였다.
상기 세척된 투명 전극 (120)위에 전자 추출 층 (130)을 적층 한다. 전자 추출 층 (130)으로는 통상적으로 금속 산화물 계열 또는 유기물, 유무기 합성물을 사용할 수 있다. 구체적으로 이산화 타이타늄 (TiO2), 산화아연 (ZnO), 이산화주석(SnO2) 등이 있다. 본 실시 예 에서는 sol-gel 방법을 통한 이산화 타이타늄(TiO2)을 사용하였다. 이산화 타이타늄 (TiO2)의 sol-gel 용액을 만들기 위해서는 4.75ml의 에탄올 (Ethanol) 또는 부탄올 (1-buthanol)과 이산화 타이타늄 (Titanium isoproxide acac) 0.25ml를 섞는다.
이렇게 만든 이산화 타이타늄 sol-gel은 사이즈가 0.2um인 hydrophilic 필터를 사용하여 2500rpm 30초로 스핀코팅하고, 공기 중에서 핫플레이트로 125℃ 5분 가열해준다. 위의 과정을 두 번 반복 한 후 furnace를 이용해서 450℃ 2시간 열처리를 해준다.
이후 상기 전자 추출 층 (130) 위에 광 활성 층 (140)을 적층한다. 광 활성 층 (140)은 페로브스카이트 구조를 갖는 유기 무기 화합물로 이루어져 있다. 광 활성 층 (140)에는 주로 lead iodide, lead chloride 또는 lead bromide를 이용한 혹은 그들의 화합물을 이용한 물질을 사용한다. Methyl ammonium iodide와 위의 화합물들이 결합한 CH3NH3PbI3, CH3NH3IxPbCl3-x 혹은 CH3NH3PbIxBr3-x 와 같은 형태의 박막이 광 활성 층 (140)을 이룬다. 본 실시 예 에서는 CH3NH3IxPbCl3-x를 광 활성층 (140)인 페로브스카이트 박막에 사용하였다. 위의 광 활성층 (140)은 진공증착 또는 스핀코팅으로 형성할 수 있다. 본 실시 예 에서는 스핀 코팅을 사용하였으며, 스핀 코팅에 사용되는 용액을 만들기 위해 Methyl ammonium iodide와 PbCl2 를 3:1 비율로 유기 용매인 Dimethylformamide (DMF)에 섞은 후 하루 동안 70℃의 핫플레이트위에 스티어링 시켰다. DMF 외에 gamma butylrolactone (GBR), Dimethylsurfoxide (DMSO) 등의 솔벤트 역시 사용 가능하다. 상기 용액을 2000rpm 1분, 3000rpm 1분 스핀코팅을 통해 박막을 형성하고, 90℃ 핫플레이트에 2시간 30분 가열을 통해 결정화된 페로브스카이트 광 활성 층 (140)을 형성 하였다. 이렇게 약 350nm 정도의 광 활성 층 (140)을 적층 하였다.
이 후 광 활성 층 (140) 위에 정공 추출 층 (150)을 적층 하였다. 정공 추출 층 (150) 으로는 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 유기물 또는 무기물, 유기무기 합성물을 사용 할 수 있다. 구체적으로 Spiro-MeoTAD (2,2'7,7'-tetrakis. (N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9'-spirobifluorene), PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene:poly (styrenesulfonate)), MoO3, WO3, V2O5, CuPC 등이 있다. 본 실시 예 에서는 Spiro-MeoTAD를 스핀코팅 2000rpm 1분을 통해 200nm 적층하여 사용하였다.
이 후 금속 전극 (160)은 알루미늄, 금, 은, Mg:Ag 등의 금속으로 사용할 수 있다. 본 실시 예에서는 금을 60nm 진공 증착을 하여 사용하였다.
마지막으로 전극 (160) 위에 봉지 층 (170)을 적층 하였다. 봉지 층 (170) 으로는 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 유기물 또는 무기물, 유기무기 합성물을 사용 할 수 있다. 본 실시 예 에서는 CYTOP을 스핀코팅 3000rpm 1분을 통해 1 um 적층하여 사용하였다.
제작된 Planar 페로브스카이트 태양전지는 solar simulator (Newport, 91160A)의 광원에서 나오는 빛에 대해서 Keithley 237 source meter를 사용하여 측정 하였다. 빛의 세기는 교정된 Si reference cell을 이용하여 AM 1.5G (100 [mW/cm2]) 으로 보정을 하였다. 파장에 따른 광전류를 측정하기 위해서 Muller Xenon Lamp (300W) 에 AM1.5 필터와 monochromator (ARC SpectraPro-150)을 통해 빛을 분산시켰다.
도3은 봉지 층 (170)이 없는 Planar 페로브스카이트 태양전지의 일주일간의 전류 전압 특성이다.
도4는 봉지 층 (170)이 있는 Planar 페로브스카이트 태양전지의 일주일간의 전류 전압 특성이다. 구체적으로 봉지 층 (170)이 적층 된 소자의 경우 그렇지 않은 태양전지 보다 수명이 증가함을 알 수 있다.
이 결과는 봉지 층 CYTOP (170)이 수분과 산소의 침투를 막아주어 Planar 페로브스카이트 태양전지의 수명을 높였기 때문이다.
110: 기판
120: 투명 전극
130: 전자 추출 층
140: 광 활성 층
150: 정공 추출 층
160: 금속 전극
170: 봉지 층
120: 투명 전극
130: 전자 추출 층
140: 광 활성 층
150: 정공 추출 층
160: 금속 전극
170: 봉지 층
Claims (6)
- 투명 전극이 패턴된 기판을 세척 및 준비하는 단계. 투명 전극 상에 전자 추출 층, 광 활성 층, 정공 추출 층, 금속 전극 및 봉지 층을 적층 하는 평면 페로브스카이트 태양전지 제조 방법.
- 제 1항에 있어서 광 활성층이 CH3NH3IxPbCl3-x를 이용한 페로브스카이트 박막인 평면 페로브스카이트 태양전지 제조 방법.
- 제 2항에 있어서 메틸 요오드화 암모늄(Methyl ammonium iodide)과 염화납(PbCl2)을 3:1 비율로 유기 용매인 다이메틸폼아마이드(Dimethylformamide, DMF)에 섞은 후 하루 동안 70℃에서 교반시킨 제조 방법.
- 제 1항에 있어서 정공 추출 층은 Spiro-MeoTAD(2,2'7,7'-tetrakis. (N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9'-spirobifluorene)를 200nm의 두께로 사용하는 것을 특징으로 하는 평면 페로브스카이트 태양전지 제조 방법.
- 제 1항에 있어서 금속 전극을 금속(Al, Au, Ag, Mg-Ag 합금 등)으로 형성하는 것을 특징으로 하는 평면 페로브스카이트 태양전지 제조 방법.
- 제 1항에 있어서 CYTOP을 1 um 두께의 봉지 층으로 사용하는 것을 특징으로 하는 평면 페로브스카이트 태양전지 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150074786A KR20160139604A (ko) | 2015-05-28 | 2015-05-28 | CYTOP을 이용한 수명 효율적 Planar 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조 방법. |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020150074786A KR20160139604A (ko) | 2015-05-28 | 2015-05-28 | CYTOP을 이용한 수명 효율적 Planar 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조 방법. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160139604A true KR20160139604A (ko) | 2016-12-07 |
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ID=57573185
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| KR1020150074786A KR20160139604A (ko) | 2015-05-28 | 2015-05-28 | CYTOP을 이용한 수명 효율적 Planar 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조 방법. |
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| KR (1) | KR20160139604A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102014645B1 (ko) | 2018-04-18 | 2019-08-27 | 동국대학교 산학협력단 | 유무기 복합 광활성 물질, 상기 광활성 물질을 적용한 태양전지 및 그 제조방법 |
| CN110676391A (zh) * | 2019-09-27 | 2020-01-10 | 苏州威格尔纳米科技有限公司 | 一种钙钛矿薄膜电池组的封装方法 |
-
2015
- 2015-05-28 KR KR1020150074786A patent/KR20160139604A/ko unknown
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