KR20170051673A - 금속 산화물 나노섬유, 나노막대 및 코팅층을 광전극으로 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속산화물 나노섬유, 나노막대 및 코팅층을 광전극으로 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로써, 상세하게는 제1전극, 차단층, 광전극, 페로브스카이트 광활성층, 정공 전달층 및 제2전극을 포함하며, 상기 광전극은, 금속산화물 나노섬유, 상기 금속산화물 나노섬유 표면에 형성된 금속산화물 나노막대 및, 상기 나노섬유 및 나노막대 표면에 형성된 금속산화물 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 30 내지 70 nm의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다. 본 발명의 페로브스카이트 태양전지는, 금속산화물 나노섬유, 나노막대 및 코팅층을 광전극으로써 포함하며, 상기의 광전극은 높은 비표면적을 갖는 동시에 여기된 전하들의 재결합을 억제하며, 보다 쉽게 이동할 수 있기 때문에, 기존의 수많은 계면을 가지는 나노입자를 포함하는 광전극보다 전하수집이 용이하다. 또한, 나노섬유 및 나노막대의 빈 공극으로 인해 광흡수층의 코팅이 용이하여 계면 접촉을 향상시킬 수 있어 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 금속산화물 나노섬유, 나노막대 및 코팅층을 광전극으로 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 금속산화물 나노섬유, 상기 금속산화물 나노섬유 표면에 형성된 금속산화물 나노막대, 및 상기 나노섬유 및 나노막대 표면에 형성된 금속산화물 코팅층을 광전극으로써 포함하고 있는 페로브스카이트 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. 이 중에서 태양빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란, 태양빛으로부터 빛 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광전효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.
현재 광전변환효율이 20 %가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 광전변환효율이 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 박막화하는 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 염료감응형 태양전지와 유기 태양전지가 활발히 연구되고 있다. 한편, 염료감응형 태양전지 또는 유기 태양전지로 페로브스카이트를 사용하여 고효율을 나타내는 연구가 진행되고 있으나 여전히 부족한 효율을 나타내고 있는 실정이다.
종래의 염료감응형 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 경우, 광전변환효율을 향상시키기 위하여 나노입자를 광전극으로 사용하였다. 이러한 나노입자를 광전극으로 사용한 일례로써 종래의 기술을 살펴보면, 대한민국 등록특허 제10-1430139호에서는 나노 입자 형태의 금속 산화물을 포함하는 광전극을 사용하여 광전변환효율이 향상된 염료감응 태양전지를 개시된 바 있다. 하지만, 이와 같이 나노 입자로 이루어진 금속 산화물은 작은 크기로 인해 표면적은 증가하지만, 나노 입자 사이의 기공율이 작고 나노입자들 간의 수많은 계면을 가지는 문제가 있다.
즉, 나노입자들 간의 수많은 계면에서는, 여기된 전하들의 수집시 재결합에 의해 전하가 소멸되어 전하수집효율이 감소하는 문제가 있다. 또한, 낮은 기공율로 인해 페로브스카이트 광흡수층 코팅시 광흡수층의 침투가 어려워 광흡수층과의 접촉 계면이 감소됨에 따른 효율감소의 문제가 있다.
한편, 이러한 나노입자 형태를 광전극으로 사용하는 염료감응 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 단점을 해결하기 위하여, 1 차원 물질인 나노 튜브(Nanotube), 나노 선(Nanowire), 나노 로드(Nanorod) 등을 광전극으로 사용하여 전자 이동을 향상시킨 바 있다. 상기와 같은 1 차원 물질의 일례로서 이산화티타늄 나노 튜브를 광전극으로 사용하는 종래 기술을 살펴보면, 대한민국 등록특허 제10-1296173호에서는 이산화티탄 나노 입자를 주입한 이산화티탄 나노 튜브 막에 기초한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법이 개시된 바 있다. 상세하게는, 티탄 기판을 양극 산화시켜 제조한 이산화티타늄 나노 튜브를 티탄 기판에서부터 분리시킨 후 이온 식각으로 필름 바닥의 장벽층을 제거하여 이산화티탄 나노튜브 막으로 만든 후 나노 튜브 채널 속에 이산화티타늄 나노 입자를 채운 후 투명전극에 부착시키고 사염화티탄으로 처리한 후 염료감응 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2010-0032841호에서는 이산화티탄 나노 튜브의 제조방법이 개시된 바 있다. 상세하게는, 티탄 박막을 양극 산화시 양극 산화의 시간, 전압 및 전해질 등의 반응조건을 달리하여 이산화티탄 나노 튜브의 기공의 직경과 깊이를 조절할 수 있는 이산화티타늄 나노 튜브의 제조방법에 관한 것이다.
하지만, 상기 1 차원 물질들은 나노 입자에 비하여 표면적이 상대적으로 작아 흡착되는 염료(Dye) 분자 수가 적으며 결과적으로 태양 에너지 변환 효율이 낮다는 단점이 있다.
종래의 염료감응형 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 경우, 광전변환효율을 향상시키기 위하여 나노입자를 광전극으로 사용하였다. 이러한 나노입자를 광전극으로 사용한 일례로써 종래의 기술을 살펴보면, 대한민국 등록특허 제10-1430139호에서는 나노 입자 형태의 금속 산화물을 포함하는 광전극을 사용하여 광전변환효율이 향상된 염료감응 태양전지를 개시된 바 있다. 하지만, 이와 같이 나노 입자로 이루어진 금속 산화물은 작은 크기로 인해 표면적은 증가하지만, 나노 입자 사이의 기공율이 작고 나노입자들 간의 수많은 계면을 가지는 문제가 있다.
즉, 나노입자들 간의 수많은 계면에서는, 여기된 전하들의 수집시 재결합에 의해 전하가 소멸되어 전하수집효율이 감소하는 문제가 있다. 또한, 낮은 기공율로 인해 페로브스카이트 광흡수층 코팅시 광흡수층의 침투가 어려워 광흡수층과의 접촉 계면이 감소됨에 따른 효율감소의 문제가 있다.
한편, 이러한 나노입자 형태를 광전극으로 사용하는 염료감응 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 단점을 해결하기 위하여, 1 차원 물질인 나노 튜브(Nanotube), 나노 선(Nanowire), 나노 로드(Nanorod) 등을 광전극으로 사용하여 전자 이동을 향상시킨 바 있다. 상기와 같은 1 차원 물질의 일례로서 이산화티타늄 나노 튜브를 광전극으로 사용하는 종래 기술을 살펴보면, 대한민국 등록특허 제10-1296173호에서는 이산화티탄 나노 입자를 주입한 이산화티탄 나노 튜브 막에 기초한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법이 개시된 바 있다. 상세하게는, 티탄 기판을 양극 산화시켜 제조한 이산화티타늄 나노 튜브를 티탄 기판에서부터 분리시킨 후 이온 식각으로 필름 바닥의 장벽층을 제거하여 이산화티탄 나노튜브 막으로 만든 후 나노 튜브 채널 속에 이산화티타늄 나노 입자를 채운 후 투명전극에 부착시키고 사염화티탄으로 처리한 후 염료감응 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2010-0032841호에서는 이산화티탄 나노 튜브의 제조방법이 개시된 바 있다. 상세하게는, 티탄 박막을 양극 산화시 양극 산화의 시간, 전압 및 전해질 등의 반응조건을 달리하여 이산화티탄 나노 튜브의 기공의 직경과 깊이를 조절할 수 있는 이산화티타늄 나노 튜브의 제조방법에 관한 것이다.
하지만, 상기 1 차원 물질들은 나노 입자에 비하여 표면적이 상대적으로 작아 흡착되는 염료(Dye) 분자 수가 적으며 결과적으로 태양 에너지 변환 효율이 낮다는 단점이 있다.
종래의 염료감응형 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 경우, 태양전지의 광전변환효율을 향상시키기 위하여 나노입자를 광전극으로 사용하였다. 상기 나노입자를 광전극으로 사용한 일례로, 대한민국 등록특허 제10-0928941호에서는 나노입자 금속 산화물을 포함하는 광전극을 사용하여 광전변환효율이 향상시킨 염료감응 태양전지를 개시된 바 있다. 하지만, 이와 같이 나노 입자 금속 산화물은 작은 크기로 인해 표면적은 증가하지만, 나노입자 사이의 기공율이 작고 나노입자들 간의 수많은 계면을 가지는 문제가 있다.
즉, 나노입자들 간의 수많은 계면에서는, 여기된 전하들의 수집시 재결합에 의해 전하가 소멸되어 전하수집효율이 감소하는 문제가 있다. 또한, 낮은 기공율로 인해 페로브스카이트 광흡수층 코팅시 광흡수층의 침투가 어려워 광흡수층과의 접촉 계면이 감소됨에 따른 효율감소의 문제가 있다.
한편, 이러한 나노입자 형태를 광전극으로 사용하는 염료감응 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 단점을 해결하기 위하여, 1차원 물질인 나노 튜브(Nanotube), 나노 선(Nanowire), 나노 로드(Nanorod) 등을 광전극으로 사용하여 전자 이동을 향상시킨 바 있다.
상기와 같은 1차원 물질의 일례로서 이산화티타늄(TiO2) 나노 튜브를 광전극으로 사용하는 종래 기술을 살펴보면, 대한민국 등록특허 제10-1296173호에서는 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 주입한 이산화티타늄(TiO2) 나노 튜브 막에 기초한 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법이 개시된 바 있다. 상세하게는, 티탄 기판을 양극 산화시켜 제조한 이산화티타늄 나노 튜브를 티탄 기판에서부터 분리시킨 후 이온 식각으로 필름 바닥의 장벽층을 제거하여 이산화티타늄(TiO2) 나노튜브 막으로 만든 후 나노 튜브 채널 속에 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 채운 후 투명전극에 부착시키고 사염화티탄으로 처리한 후 염료감응 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2010-0032841호에서는 이산화티타늄(TiO2) 나노 튜브의 제조방법이 개시된 바 있다. 상세하게는, 티탄 박막을 양극 산화시 양극 산화의 시간, 전압 및 전해질 등의 반응조건을 달리하여 이산화티탄 나노 튜브의 기공의 직경과 깊이를 조절할 수 있는 이산화티타늄(TiO2) 나노 튜브의 제조방법에 관한 것이다.
하지만, 상기 1차원 물질들은 나노입자에 비하여 표면적이 상대적으로 작아 결과적으로 태양 에너지 변환 효율이 낮다는 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은 페로브스카이트 태양전지의 효율을 향상시키기 위한 연구를 수행하던 중, 광전극으로써 금속 산화물 나노섬유, 상기 금속산화물 나노섬유 표면에 형성시킨 금속산화물 나노막대 및, 상기 나노섬유 및 나노막대 표면에 형성시킨 금속산화물 코팅층을 포함하여, 비표면적이 넓은 동시에 전자 이동성 및 광전변환효율이 향상된 페로브스카이트 태양전지를 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은, 금속산화물 나노섬유, 나노막대 및 코팅층을 광전극으로 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,
제1전극, 차단층, 광전극, 페로브스카이트 광활성층, 정공 전달층 및 제2전극을 포함하며,
상기 광전극은, 금속산화물 나노섬유, 상기 금속산화물 나노섬유 표면에 형성시킨 금속산화물 나노막대 및, 상기 나노섬유 및 나노막대 표면에 형성된 금속산화물 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 30 내지 70 nm의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은
제1 전극 상부에 차단층을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 차단층 상부에 금속 산화물 나노섬유를 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 금속 산화물 나노섬유 표면에 금속 산화물 나노막대를 형성하는 단계(단계 3);
상기 단계 2 및 3에서 형성된 금속산화물 나노섬유 및 나노막대 표면에 금속 산화물 코팅층을 형성하여 광전극을 제조하는 단계(단계 4);
제조된 광전극 상부로 페로브스카이트 광 활성층을 형성하는 단계(단계 5);
상기 페로브스카이트 광 활성층 상부에 정공 전달층을 형성하는 단계(단계 6);및
상기 단계 6에서 형성된 정공 전달층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 7);를 포함하며,
상기 코팅층은 30 내지 70 nm의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
본 발명의 페로브스카이트 태양전지는, 금속산화물 나노섬유, 상기 나노섬유 표면에 형성시킨 금속산화물 나노막대 및, 상기 나노섬유 및 나노막대 표면에 형성된 금속산화물 코팅층을 광전극으로써 포함하여, 높은 비표면적을 갖는 동시에 여기된 전하들의 재결합을 억제하며, 보다 쉽게 이동할 수 있기 때문에, 기존의 수많은 계면을 가지는 나노입자를 포함하는 광전극보다 전하수집이 용이하다. 또한, 나노섬유 및 나노막대의 빈 공극으로 인해 광흡수층의 코팅이 용이하여 계면 접촉을 향상시킬 수 있어 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에서의 금속 산화물 광전극의 형상을 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명의 페로브스카이트 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명의 페로브스카이트 태양전지에서 광전극이 제조되는 과정을 순차적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 페로브스카이트 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명의 페로브스카이트 태양전지에서 광전극이 제조되는 과정을 순차적으로 나타낸 모식도이다.
본 발명은,
제1전극, 차단층, 광전극, 페로브스카이트 광활성층, 정공 전달층 및 제2전극을 포함하며,
상기 광전극은, 금속산화물 나노섬유, 상기 나노섬유 표면에 형성시킨 금속산화물 나노막대 및 상기 나노섬유 및 나노막대 표면에 형성된 금속산화물 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 30 내지 70 nm의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
이때, 본 발명의 상기 페로브스카이트 태양전지의 구조를 도 2의 모식도를 통해 개략적으로 나타내었으며,
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 페로브스카이트 태양전지를 상세히 설명한다.
도 2의 모식도를 통해 나타낸 바와 같이, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지는 제1전극, 차단층, 광전극, 페로브스카이트 광활성층, 정공 전달층 및 제2전극을 포함한다.
이때, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지는 특히 금속산화물 나노섬유, 상기 금속산화물 나노섬유 표면에 형성시킨 금속산화물 나노막대 및, 상기 나노섬유 및 나노막대를 30 내지 70 nm 두께로 코팅하는 금속산화물을 광전극으로 포함하며, 이를 통해 종래의 페로브스카이트 태양전지보다 더욱 우수한 효율을 나타낼 수 있다.
즉, 종래의 페로브스카이트 태양전지는 나노 입자로 이루어진 금속산화물을 사용함에 따라, 나노입자들 간의 수많은 계면이 존재하였으며, 이러한 계면에서는 여기된 전하들의 수집시 재결합에 의해 전하가 소멸되어 전하수집효율이 감소하는 문제가 있었다. 또한, 낮은 기공율로 인한 페로브스카이트 광흡수층의 침투가 어려워 효율이 감소되는 문제가 있었다.
반면, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지는 도 2의 그림을 통해서 나타내었듯이, 기존의 나노입자 광전극 대신에 금속산화물 나노섬유, 상기 나노섬유 표면에 형성시킨 금속산화물 나노막대, 및 상기 나노섬유 및 나노막대 표면에 형성된 금속산화물 코팅층을 광전극으로써 포함하여, 높은 비표면적을 갖는 동시에 여기된 전하들의 재결합을 억제하면서, 전하들이 보다 쉽게 이동할 수 있기 때문에, 기존의 수많은 계면을 가지는 나노입자 광전극보다 전하수집이 용이하다.
또한, 나노섬유 및 나노막대의 빈 공극으로 인해 광흡수층의 코팅이 용이하여 계면 접촉을 향상시킬 수 있기 때문에 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이때, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 금속산화물 코팅층은 30 내지 70 nm의 두께로 형성될 수 있다.
만약, 상기 금속 산화물의 두께가 30 nm 미만인 경우, 상기 코팅층이 나노섬유 및 나노막대의 표면을 완전히 덮지 못하여, 코팅층을 통하여 나노섬유 및 나노막대 표면의 결함을 감소시키는 효과가 낮아지는 문제가 발생할 수 있으며, 상기 금속 산화물의 두께가 70 nm를 초과하는 경우, 상기 코팅층이 전하들의 이동을 방해하는 요인으로 작용하여 전하수집효율이 감소하는 문제가 발생할 수 있는바, 역시 태양전지의 효율이 감소되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 태양전지 중 상기 광전극의 금속 산화물로는 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄(Al2O3)등의 금속산화물을 사용할 수 있으며,
일례로써 나노섬유로는 이산화티타늄(TiO2)이 사용될 수 있으며, 나노막대로는 산화아연이 사용될 수 있으며, 코팅층으로는 산화아연이 사용될 수 있다.
그러나, 상기 금속 산화물이 이에 제한되는 것은 아니며 광전극으로 적용될 수 있는 다양한 금속 산화물들이 적절히 적용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 제1전극은 광의 투과를 향상시키기 위해 전도성의 투명전극이 적용될 수 있다. 상기 제1 전극은 일례로, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide;ZnO:Al;), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Alumini um-tin oxide; SnO2:Al), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 및 PEDOT:PSS 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 제1 전극은 제1 전극 하부에 위치하는 기판을 더 포함할 수 있다. 상기 기판은 제1 전극을 지지하기 위한 지지체의 역할을 수행할 수 있으며, 광이 투과되는 투명 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 통상의 태양전지에서 전면전극 상에 위치할 수 있는 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 유리 기판을 포함하는 딱딱한(rigid) 기판 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 폴리에테르술폰(PES) 등을 포함하는 유연한(flexible) 기판일 수 있다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 차단층은 상기 제1 전극 상부에 형성되는 것으로써, 차단층의 형성을 통해 광전극의 접착성을 높일 수 있으며, 상기 차단층은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄(Al2O3)등의 금속 산화물로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 광활성층은 페로브스카이트 물질을 포함하는 것으로써, 예를 들어 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 페로브스카이트를 포함한다.
<화학식 1>
AMX3
(상기 화학식 1에서,
A는 C1-20의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,
M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pb2 + 또는 Yb2 +이고,
X는 할로겐 이온이다.)
<화학식 2>
A2MX4
(상기 화학식 2에서,
A는 C1-20의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,
M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pb2 + 또는 Yb2 +이고,
X는 할로겐 이온이다.).
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 정공 전달층은 단분자 또는 고분자 정공전달 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 단분자 정공전달 물질로서 spiro-MeOTAD (2,2',7'- tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)9,9'spirobifluorene)를 사용할 수 있고, 상기 고분자 정공전달 물질로서 P3HT(poly(3-hexylthiophene))를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 또한, 상기 정공 전달층에는 도핑 물질, 예를 들어, Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트, 또는 Li 계열 도펀트 및 Co 계열 도펀트 모두가 더 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 제2 전극은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 은(Ag), 아연(Zn), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 크롬 (Cr) 등을 포함하는 금속 전극일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 바람직한 일례로써는 금(Au) 전극을 사용할 수 있다.
본 발명은,
제1 전극 상부에 차단층을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 차단층 상부에 금속 산화물 나노섬유를 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 금속 산화물 나노섬유 표면에 금속 산화물 나노막대를 형성하는 단계(단계 3);
상기 단계 2 및 3에서 형성된 금속산화물 나노섬유 및 나노막대 표면에 금속 산화물 코팅층을 형성하여 광전극을 제조하는 단계(단계 4);
제조된 광전극 상부로 페로브스카이트 광 활성층을 형성하는 단계(단계 5);
상기 페로브스카이트 광 활성층 상부에 정공 전달층을 형성하는 단계(단계 6);및
상기 단계 6에서 형성된 정공 전달층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 7);를 포함하며,
상기 단계 4의 금속 산화물은 30 내지 70 nm의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 1은 제1 전극 상부에 차단층을 형성하는 단계이다.
상기 단계 1에서는, 이후 형성되는 광 활성층과의 접착성을 높이기 위하여 제1 전극 상부에 차단층을 형성한다.
구체적으로, 상기 단계 1의 제1 전극은 광의 투과를 향상시키기 위해 투명 전도성 전극을 사용할 수 있다. 상기 제1 전극은 일례로, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al;), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 및 PEDOT:PSS 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 단계 1의 제1 전극은 제1 전극 하부에 위치하는 기판(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 기판은 제1 전극을 지지하기 위한 지지체의 역할을 수행할 수 있으며, 광이 투과되는 투명 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 통상의 태양전지에서 전면전극 상에 위치할 수 있는 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 유리 기판을 포함하는 딱딱한(rigid) 기판 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드 (PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 폴리에테르술폰(PES) 등을 포함하는 유연한(flexible) 기판일 수 있다.
나아가, 상기 단계 1의 차단층은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄(Al2O3)등의 금속 산화물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 단계 1에서 제1 전극 상부에 차단층을 형성하는 방법은 스핀 코팅 등의 방법으로 금속 산화물 전구체를 도포하여 가열하는 방법을 사용할 수 있으나, 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄(Al2O3) 등의 금속 산화물을 도포하여 차단층을 형성할 수 있는 방법이면 제한되지 않고 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 형성된 차단층 상부에 네트워크 구조의 금속 나노섬유를 형성하는 단계이다.
하기의 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래기술에서는 나노 입자로 이루어진 금속 산화물을 사용하여 광전극을 제조하였으며, 이에 따라 나노입자들 간의 수많은 계면이 존재하였고, 이러한 계면에서는 여기된 전하들의 수집시 재결합에 의해 전하가 소멸되어 전하수집효율이 감소하는 문제가 있었다.
이에, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지 제조방법에서는, 도 2의 그림을 통해서 나타내었듯이, 네트워크 구조의 금속 나노섬유를 광전극으로써 차단층 상부에 형성시킨다.
본 발명의 단계 2에서 형성하는 네트워크 구조의 금속 나노섬유를 통해서 여기된 전하들이 이동할 수 있기 때문에, 본 발명에 따라 제조되는 태양전지가 기존의 태양전지와 비교하여 전하수집이 더욱 용이하여 광전변환효율이 향상될 수 있다.
또한, 단계 2에서 금속 나노섬유를 네트워크 구조로 형성시킴에 따라 네트워크 구조의 빈 공극으로 광흡수층의 침투가 용이하여, 기존의 금속 산화물 광전극이 낮은 기공율로 인하여 광흡수층의 침투가 어려웠던 문제를 해결해낼 수 있다.
이때, 상기 단계 2의 금속 나노섬유는 스핀 코팅, 전기방사 등을 통해 차단층 상부에서 네트워크 구조로 형성될 수 있으며, 예를 들어 스핀 코팅을 통해 형성될 시에는, 금속 나노섬유를 용매에 균질하게 분산시킨 후, 이를 차단층 상부에 코팅하여 네트워크 구조의 금속 나노섬유를 형성시킬 수 있다.
다만, 상기 단계 2의 나노섬유 제조방법이 이에 제한되는 것은 아니며, 네트워크 구조로 나노섬유를 형성할 수 있는 공정을 적절히 선택하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 형성된 네트워크 구조의 금속 나노섬유 표면에 금속산화물 나노막대를 형성하여 광전극을 제조하는 단계이다.
하기의 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는 특히 금속산화물 나노섬유및 상기 나노섬유 표면에 나노막대를 광전극으로써 적용하며, 이에 상기 단계 3에서는 단계 2에서 형성된 네트워크 구조의 나노섬유 표면에 금속산화물 나노막대를 성장시킨다.
본 발명의 단계 3에서 형성하는 나노막대를 통해서 나노섬유의 낮은 비표면적을 보완해주기 때문에, 본 발명에 따라 제조되는 태양전지가 기존의 태양전지와 비교하여 전하수집이 더욱 용이하여 광전변환효율이 향상될 수 있다.
이때, 상기 단계 3의 금속 나노막대는 수열합성법(hydrothermal method)등을 통해 형성될 수 있으며,
예를 들어 수열합성법(hydrothermal method)을 통해 형성될 시에는, 기판을 아세트산아연(Zinc acetate)과 에탄올 혼합용액에 1분 동안 담궈 시드층을 형성한 후, HMTA(Hexamethylenetetramine)을 첨가한 질산아연(Zinc nitrate)수용액에서 150 ℃의 온도를 유지함으로써, 나노섬유 표면에 금속산화물 나노막대를 형성시킬 수 있다.
다만, 상기 단계 3의 나노막대 제조방법이 이에 제한되는 것은 아니며, 금속 산화물을 나노막대 형태로 성장시킬 수 있는 장치 또는 방법을 적절히 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 2 및 3에서 형성된 금속산화물 나노섬유 및 나노막대의 표면을 금속산화물로 코팅하여 광전극을 제조하는 단계이다.
하기의 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는 특히, 금속 산화물이 코팅된 나노섬유 및 나노막대를 광전극으로써 적용하며, 이에 상기 단계 4에서는 단계 2 및 3에서 형성된 금속산화물 나노섬유 및 나노막대 표면을 금속산화물로 코팅한다.
이때, 상기 단계 4에 있어서, 금속 산화물은 30 내지 70 nm의 두께로 코팅될 수 있다. 이는 금속 산화물의 두께에 따라 제조된 태양전지의 효율이 영향을 받기 때문으로, 만약, 상기 금속 산화물의 두께가 30 nm 미만인 경우에는, 상기 코팅층이 나노섬유 및 나노막대의 표면을 완전히 덮지 못하여 코팅층을 통해 나노섬유 및 나노막대 표면의 결함을 감소시키는 효과가 낮아지는 문제가 발생할 수 있으며, 상기 금속 산화물의 두께가 70 nm를 초과하는 경우에는, 상기 코팅층이 전하들의 이동을 방해하는 요인으로 작용하여 전하수집효율이 감소하는 문제가 발생할 수 있는바, 역시 태양전지의 효율이 감소되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 단계 4의 금속 산화물은 예를 들어, 원자층증착(atomic layer deposition, ALD)을 통해 코팅될 수 있으며, 상기 원자층증착은 본 발명의 제조방
법과 같이 박막의 두께를 제어하는 것이 비교적 용이하기 때문에, 상기한 바와 같이 30 내지 70 nm 두께로 금속 산화물을 코팅해낼 수 있다.
다만, 상기 단계 4의 코팅이 이에 제한되는 것은 아니며, 금속 산화물을 나노스케일로 코팅할 수 있는 적절한 코팅 장치 또는 방법을 적절히 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 5는 상기 제조된 광전극 상부로 페로브스카이트 광 활성층을 형성하는 단계이다.
상기 단계 5의 광활성층은 페로브스카이트 물질을 포함하는 것으로써, 예를 들어 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 페로브스카이트를 포함한다.
<화학식 1>
AMX3
(상기 화학식 1에서,
A는 C1-20의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,
M은 Cu2 +, Ni22 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pb2 +또는 Yb2 +이고,
X는 할로겐 이온이다.)
<화학식 2>
A2MX4
(상기 화학식 2에서,
A는 C1-20의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,
M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pb2 + 또는 Yb2 +이고,
X는 할로겐 이온이다.).
이때, 상기 단계 5의 페로브스카이트 광 활성층은 광전극의 빈 공간으로 침투가 용이하도록, 바람직하게는 페로브스카이트 전구체 용액을 용액공정으로 도포한 후, 이를 건조시킴으로써 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 6는 상기 페로브스카이트 광 활성층 상부에 정공 전달층을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 6의 정공 전달층은 단분자 또는 고분자 정공 전달 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 단계 3의 단분자 정공전달 물질로서 spiro-MeOTAD(2,2',7'-tetrakis-(N,N-di-p-metho xyphenyl-amine)9,9'spirobifluorene)를 사용할 수 있고, 상기 고분자 정공전달 물질로서 P3HT(poly(3-hexylthiophene))를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 예를 들어, 상기 정공 전달층에는 도핑 물질로서 Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트, 또는 Li 계열 도펀트 및 Co 계열 도펀트 모두가 추가 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 단계 6의 정공 전달층을 형성하는 방법은 스핀 코팅 등의 방법으로 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 7은 상기 단계 6에서 형성된 정공 전달층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 7의 제2 전극은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 은(Ag), 아연(Zn), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 크롬(Cr) 등의 금속 전극을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 구체적인 일례로써 금 전극을 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 7의 제2 전극은 도포법, 증착법 등을 사용할 수 있으나, 금속 전극을 형성할 수 있는 방법이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.
이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 페로브스카이트 태양전지의 제조 1
단계 1: 유리 기판 상에 제1 전극으로 투명 전극인 FTO를 500 nm의 두께로 진공 증착 공정을 통해 형성시켰으며, 상기 제1 전극 상에 티타늄비스에틸아세토아세타토디이소프로폭사이드(titaniumbis(ethylacetoacetato)diisopropoxide) 용액을 스핀 코팅하여 도포한 후, 500 ℃의 온도에서 30 분 동안 열처리하여 차단층 (blocking layer)를 형성시켰다.
단계 2: 상기 단계 1에서 형성된 차단층 상부에 이산화티타늄(TiO2) 나노섬유를 네트워크 구조로 형성하였으며, 상세하게는, 하기와 같이 전기방사용액을 전기방사하여, 네트워크 구조로 이산화티타늄(TiO2) 나노섬유를 차단층 상부로 코팅하였다.
전기방사용액은 2.5ml 의 티타늄이소프로폭사이드(titanium isopropoxide)와 0.75ml의 아세트산을 혼합하여 60분 동안 교반하여 얻은 후, 0.8g 의 폴리초산비닐(poly(vinylacetate), PVAc; molecular weight = 500000g/mol)을 포함하는 10ml 의 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 니들팁(needle tip)과 콜렉터(collector) 사이에 17kV의 전압을 가해 전기방사시켰다. 상기의 전기방사를 통해, 네트워크구조의 이산화티타늄(TiO2) 나노섬유를 형성할 수 있으며, 500℃에서 2시간동안 소결하여 두께가 약 600 nm인 이산화티타늄(TiO2) 나노섬유 네트워크층을 형성하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 네트워크 구조로 형성된 이산화티타늄(TiO2) 표면에 산화아연(ZnO) 나노막대를 성장시켰다.
이때, 상기 산화아연(ZnO) 나노막대는 수열합성법(hydrothermal method)을 통해 성장시켰으며, 상세하게는, 기판을 아세트산아연(Zinc acetate)과 에탄올 혼합용액에 1분 동안 담궈 시드층을 형성한 후, HMTA(Hexamethylenetetramine)을 첨가한 질산아연(Zinc nitrate) 수용액에서 150℃의 온도를 가하여 이산화티타늄(TiO2) 나노섬유 표면에 산화아연(ZnO) 나노막대를 형성시켰다. 이렇게 수열 합성된 산화아연(ZnO) 나노막대의 두께는 대략 20 nm이며, 길이는 약 200 nm이다.
단계 4: 상기 단계 2 및 3에서 형성된 나노섬유 및 나노막대 표면으로 산화티타늄(TiO2)를 약 50 nm의 두께로 코팅하여 광전극을 제조하였다.
이때, 상기 이산화티타늄(TiO2)의 코팅은 원자층 증착법을 통해 수행되었으며, 상세하게는 티타늄테트라이소프로폭사이드(titanium tetraisoprop oxide, TTIP)와 H2O를 포함하는 전구체 용액을 이용하여 300 사이클(cycles) 동안 증착함으로써 50 nm의 두께로 이산화티타늄(TiO2)를 이산화티타늄(TiO2) 나노섬유 및 산화아연(ZnO) 나노막대 표면으로 코팅하였다.
단계 5: 상기 단계 4에서 형성된 광전극 상부로 페로브스카이트 전구체 용액인 PbI2와 CH3NH3I의 혼합액을 도포한 후, 건조시켜 페로브스카이트를 포함하는 광 활성층을 형성하였다.
단계 6: 상기 단계 5에서 형성된 광 활성층 상부에 정공전달 물질인 spiro-MeOTAD를 스핀 코팅하여 정공 전달층을 형성하였다.
단계 7: 상기 단계 6에서 형성된 정공 전달층 상부에 금(Au)을 약 60 nm의 두께로 증착하여 제2 전극을 형성함으로써 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
<비교예 1>
단계 1: 유리 기판 상에 제1 전극으로 투명 전극인 FTO를 500 nm의 두께로 진공 증착 공정을 통해 형성시켰으며, 상기 제1 전극 상에 티타늄비스에틸아세토 아세타토디이소프로폭사이드(titanium bis (ethylacetoacetato)diisopropoxide) 용액을 스핀 코팅하여 도포한 후, 500 ℃의 온도에서 30 분 동안 열처리하여 차단층(blocking layer)를 형성시켰다.
단계 2: 상기 단계 1에서 형성된 차단층 상부에 이산화티타늄 나노입자(TiO2), 에틸셀룰로오스 및 용매를 포함하는 금속 산화물 나노 입자 페이스트 희석액을 스핀코팅하여 금속 산화물 나노 입자를 형성하고, 상기 금속 산화물 나노입자 상부에 페로브스카이트 전구체 용액인 PbI2와 CH3NH3I의 혼합액을 도포한 후, 건조시켜 페로브스카이트를 포함하는 광 활성층을 형성하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 형성된 광 활성층 상부에 정공전달 물질인 spiro-MeOTAD를 스핀 코팅하여 정공 전달층을 형성하였다.
단계 4: 상기 단계 3에서 형성된 정공 전달층 상부에 금(Au)을 약 60 nm의 두께로 증착하여 제2 전극을 형성하고, 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
<실험예 1> 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율 분석
본 발명에 따른 광전극의 성능을 확인하기 위하여, 상기 실시예 및
비교예에서 제조된 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율을 솔라 시뮬레이터로 측정하였다. 측정 조건은 AM 1.5(1sun, 100 mW/cm2)였으며, 측정된 태양전지의 단락전류 밀도(JSC), 개방 전압(VOC), 채움인자(F.F.), 광전변환효율(η) 결과값을 하기 표 1에 나타내었다.
| 개방전압 (V) |
단락전류밀도 (mA/cm2) |
채움인자 (%) |
광전변화효율 (%) |
|
| 실시예 1 |
0.98 |
20.1 |
52.3 |
10.3 |
| 비교예 1 |
0.97 |
17.4 |
51.7 |
8.7 |
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지는 비교예 1에서 제조된 태양전지보다 광전변환효율이 약 18 % 이상 향상된 것을 알 수 있다.
이는, 앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 태양전지가 금속 산화물 나노섬유, 나노막대 및 코팅층을 광전극으로 포함하여, 높은 비표면적을 갖는 동시에 여기된 전하들의 재결합을 억제되고, 여기된 전하가 보다 쉽게 이동할 수 있기 때문에, 비교예 1과 같은 종래기술의 태양전지보다 전하수집이 용이하여 상기 표 1의 분석결과와 같이 광전변환효율이 향상되는 효과가 있다.
따라서, 상기의 분석결과로부터, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지가 종래보다 더욱 우수한 광전변환효율이 현저히 향상되었음을 확인할 수 있다.
Claims (6)
- 제 1전극, 차단층, 광전극, 페로브스카이트 광활성층, 정공 전달층 및 제2전극을 포함하며,
상기 광전극은, 금속산화물 나노섬유, 상기 금속산화물 나노섬유 표면에 형성시킨 나노막대 및, 상기 나노섬유 및 나노막대 표면에 형성된 금속산화물 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 30 내지 70 nm의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 산화물은 이산화티타늄(TiO2) 또는 산화아연(ZnO)인 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지.
- 제1 전극 상부에 차단층을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 차단층 상부에 금속 산화물 나노섬유를 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 금속 산화물 나노섬유 표면에 금속 산화물 나노막대를 형성하는 단계(단계 3);
상기 단계 2 및 3에서 형성된 금속산화물 나노섬유 및 나노막대 표면에 금속 산화물 코팅층을 형성하여 광전극을 제조하는 단계(단계 4);
제조된 광전극 상부로 페로브스카이트 광 활성층을 형성하는 단계(단계 5);
상기 페로브스카이트 광 활성층 상부에 정공 전달층을 형성하는 단계(단계 6);및
상기 단계 6에서 형성된 정공 전달층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 7);를 포함하며,
상기 코팅층은 30 내지 70 nm의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지.
- 제3항에 있어서, 상기 단계 2의 금속 산화물 나노섬유는 전기방사법을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 단계 3의 금속 산화물 나노막대는 수열합성법(Hydrothermal method)을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 단계 4의 금속 산화물 코팅층은 원자층증착(Atomic Layer Deposition)을 통해 코팅되는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
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