KR20170107766A - 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 제조 방법에 따르면, 유기 할로겐화물과 금속 할로겐화물을 특정 몰비로 사용하여 자발적으로 재결합 방지층이 형성되도록 유도하여 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있다.

Description

태양전지 및 이의 제조 방법{SOLAR CELL AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위하여 태양 에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이중, 태양광으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란, 태양광으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생시키는 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 또는 박막화하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조 비용을 낮게 하는데 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어 왔다.
이에 따라 태양전지를 저가로 제조하기 위해서 태양전지의 핵심 소재 또는 제조 공정의 비용을 대폭 감소시킬 필요가 있으며, 무기 반도체 기반 태양전지의 대안으로 저가의 소재와 공정으로 제조 가능한 염료감응태양전지와 유기태양전지가 활발히 연구되고 있다.
염료감응태양전지(DSSC; dye-sensitized solar cell)는 1991년 스위스 로잔공대(EPFL)의 미카엘 그라첼(Michael Gratzel) 교수가 처음 개발에 성공하여 네이쳐지(Vol. 353, p. 737)에 소개되었다.
초기의 염료감응태양전지 구조는 빛과 전기가 통하는 투명전극필름 위에 다공성 광음극(photoanode)에 빛을 흡수하는 염료를 흡착한 후, 또 다른 전도성 유리 기판을 상부에 위치시키고 액체 전해질을 채운 간단한 구조로 되어 있다. 염료감응태양전지의 작동 원리는, 다공성 광음극 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양광을 흡수하면 염료 분자가 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 다공성 광음극으로 사용된 반도체 산화물의 전도띠로 주입되어 투명 전도성 막으로 전달되어 전류가 발생한다. 염료 분자에 남아 있는 홀은 액체 또는 고체형 전해질의 산화-환원 반응에 의한 홀전도 또는 홀전도성 고분자에 의하여 광양극(photocathode)으로 전달되는 형태로 완전한 태양전지 회로를 구성하여 외부에 일(work)을 하게 된다.
이러한 염료감응태양전지 구성에서 투명전도성 막은 FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 또는 ITO(Indium doped Tin Oxide)가 주로 사용되며, 다공성 광음극으로는 밴드갭이 넓은 나노입자가 사용되고 있다. 염료로는 특별히 광흡수가 잘되고 광음극 재료의 전도대(condiction band) 에너지 준위보다 염료의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위가 높아 광에 의하여 생성된 엑시톤 분리가 용이하여 태양전지 효율을 올릴 수 있는 다양한 물질을 화학적으로 합성하여 사용하고 있다. 현재까지 보고된 액체형 염료감응태양전지의 최고 효율은 약 20년 동안 11-12%에 머물고 있다. 액체형 염료감응태양전지의 효율은 상대적으로 높아 상용화 가능성이 있으나, 휘발성 액체 전해질에 의한 시간에 따른 안정성 문제와 고가의 루테늄(Ru)계 염료 사용에 의한 저가화에도 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 휘발성 액체 전해질 대신에 이온성 용매를 이용한 비휘발성 전해질 사용, 고분자 젤형 전해질 사용 및 저가의 순수 유기물 염료 사용 등이 연구되고 있으나, 휘발성 액체 전해질과 루테늄계 염료를 이용한 염료감응태양전지에 비하여 효율이 낮은 문제가 있다.
한편, 1990년 중반부터 본격적으로 연구되기 시작한 유기 태양전지(OPV; organic photovoltaic)는 전자주개(electron donor, D 또는 종종 hole acceptor로 불림) 특성과 전자 받개(electron acceptor, A) 특성을 갖는 유기물들로 구성된다. 유기 분자로 이루어진 태양전지가 빛을 흡수하면 전자와 홀이 형성되는데 이것을 엑시톤(exiton)이라 한다. 엑시톤은 D-A 계면으로 이동하여 전하가 분리되고 전자는 억셉터(electron acceptor)로, 홀은 도너(electron donor)로 이동하여 광전류가 발생한다.
전자 공여체에서 발생한 엑시톤이 통상 이동할 수 있는 거리는 10 nm 안팎으로 매우 짧기 때문에 광활성 유기 물질을 두껍게 쌓을 수 없어 광흡수도가 낮아 효율이 낮았다. 그러나, 최근에는 계면에서의 표면적을 증가시키는 소위 BHJ(bulk heterojuction) 개념의 도입과 넓은 범위의 태양광 흡수에 용이한 밴드갭이 작은 전자 공여체(donor) 유기물의 개발과 함께 효율이 크게 증가하여, 8%가 넘는 효율을 가진 유기 태양전지가 보고되고 있다(Advanced Materials, 23 (2011) 4636).
유기 태양전지는 유기 재료의 손쉬운 가공성과 다양성, 낮은 단가로 인하여 기존 태양전지와 비교하여 소자의 제작 과정이 간단하고, 따라서 기존의 태양전지에 비하여 저가 제조 단가의 실현이 가능하다. 그러나 유기 태양전지는 BHJ의 구조가 공기 중의 수분이나, 산소에 의해 열화되어 그 효율이 빠르게 저하되는, 즉 태양전지의 안정성에 큰 문제가 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 완전한 실링 기술을 도입하여 안정성을 증가시킬 수 있으나, 가격이 올라가는 문제가 있다.
액체 전해질에 의한 염료감응태양전지의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 염료감응태양전지의 발명자인 스위스 로잔공대 화학과의 미카엘 그라첼 교수는 1998년 네이처지에 액체 전해질 대신에 고체형 홀전도성 유기물인 Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9'-spirobifluorine)을 사용하여 효율이 0.74%인 전고체상 염료감응태양전지를 보고하였다. 이후 구조의 최적화, 계면 특성, 홀전도성 개선 등에 의하여 효율이 최대 약 6%까지 증가되었다. 또한 루테늄계 염료를 저가의 순수 유기물 염료와 홀전도체로 P3HT, PEDOT 등을 사용한 태양전지가 제조되었으나, 그 효율은 2-7%로 여전히 낮다.
또한, 광흡수체로 양자점 나노입자를 염료 대신 사용하고, 액체 전해질 대신 홀전도성 무기물 또는 유기물을 사용한 연구가 보고되고 있다. 양자점으로 CdSe, PbS 등을 사용하고 홀전도성 유기물로서 Spiro-OMeTAD 또는 P3HT와 같은 전도성 고분자를 사용한 태양전지가 다수 보고되었으나, 그 효율이 아직 5% 이하로 매우 낮다. 또한 광흡수 무기물로 Sb2S3와 홀전도성 무기물로 PCPDTBT를 사용한 태양전지에서 약 6%의 효율이 보고되었으나(Nano Letters, 11 (2011) 4789), 더 이상의 효율 향상은 보고되지 않고 있다.
이외에 순수한 무기물로 된 양자점이 아닌, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 구조를 가진 물질을 염료감응태양전지의 염료 대신 사용하여 약 9%의 효율이 보고된 바 있다(Scientific Reports 2, 591). 이러한 페로브스카이트 구조를 가진 화합물의 대표적인 예로는 CH3NH3PbI3를 들 수 있다. 이러한 CH3NH3PbI3의 광 흡수층은 CH3NH3I와 PbI2를 1:1의 몰비로 사용하여 형성되며, 상기 CH3NH3PbI3로부터 형성된 광 흡수층 상에는 정공 전달층이 형성된다. 그러나, 페로브스카이트 구조를 가지는 물질의 광 흡수층과 정공 전달층 사이에 불안전한 계면 형성으로 인해 페로브스카이트를 이용한 태양전지는 다른 태양전지에 비해 상대적으로 낮은 광전압과 fill factor를 보이고 있다. 이에 페로브스카이트를 이용한 태양전지에 높은 효율을 기대하기 어려운 상황이다.
본 발명은 유기 할로겐화물과 금속 할로겐화물을 특정 몰비로 사용하여 자발적으로 재결합 방지층이 형성되도록 유도하여 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있는 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 태양전지의 제조 방법을 통해 제조된 태양전지를 제공한다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 태양전지의 제조 방법 및 상기 제조 방법으로 제조된 태양전지 등에 대해 설명하기로 한다.
발명의 일 구현예에 따르면, 유기 할로겐화물과 금속 할로겐화물을 1.03:1 내지 1.07:1의 몰비로 포함하는 용액을 전자 전달층에 스핀 코팅 및 열 처리하여, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광 흡수층과 광 흡수층 상에 유기 할로겐화물로부터 형성된 재결합 방지층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법이 제공된다.
본 명세서에서, 용어 "페로브스카이트(perovskite)"란, 러시아 광물학자 Lev Perovski의 이름을 딴 것으로, 양이온(A 및 M)과 음이온(X)이 AMX3의 화학식으로 구성되며, 최초의 페로브스카이트형 물질인 Ural 산에서 발견된 CaTiO3와 같은 구조를 가지는 물질을 의미한다. 본 발명이 속한 기술분야에서 사용되는 페로브스카이트의 경우 A에 해당하는 양이온으로 통상 1가의 메틸 암모늄 이온을 사용하고 있으며, 이에 따라 "유무기 하이브리드"라는 용어가 사용된다.
유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물로는 대표적으로 CH3NH3PbI3가 알려져 있다. 하지만, 지금까지 CH3NH3PbI3를 태양전지에 적용하는 경우 태양전지의 효율을 향상시키는데 한계가 있어 새로운 페로브스카이트 물질을 개발하기 위한 노력이 지속되고 있었다. 이러한 기술의 예로서 CH3NH3PbI3의 요오드(I)를 브롬(Br)이나 염소(Cl)로 치환하거나 혹은 메틸암모늄 양이온(CH3NH3)을 포름아미디늄 양이온(HC(NH2)2)으로 치환하여 태양전지의 효율을 향상시키는 기술이 소개되었다.
한편, 종래 페로브스카이트를 이용한 태양전지의 경우 페로브스카이트 구조를 가지는 물질의 광 흡수층과 정공 전달층 사이에 불안전한 계면으로 인해 다른 태양전지에 비해 상대적으로 낮은 광전압과 fill factor를 나타내었고, 이에 따라 태양전지의 효율을 향상시키는데 한계가 있었다.
이에 본 발명자들은 페로브스카이트를 이용한 태양전지에 대해 계속 연구한 결과, 기존에 알려져 있는 페로브스카이트 물질을 이용하더라도, 유기 할로겐화물과 금속 할로겐화물을 특정 몰비로 사용하여 자발적으로 재결합 방지층이 형성되도록 유도한다면 재현성 있게 고효율의 태양전지를 제공할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
이하, 상기 일 구현예에 따른 태양전지의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.
상기 일 구현예에 따른 태양전지의 제조 방법은 다음의 단계들 중 2) 단계를 필수로 포함하며 임의로 나머지 단계들 중 하나 이상의 단계를 추가로 포함할 수 있다.
1) 전도성 투명 기판을 포함하는 제 1 전극 상에 전자 전달층을 형성하는 단계;
2) 유기 할로겐화물과 금속 할로겐화물을 1.03:1 내지 1.07:1의 몰비로 포함하는 용액을 전자 전달층에 스핀 코팅 및 열 처리하여, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광 흡수층과 광 흡수층 상에 유기 할로겐화물로부터 형성된 재결합 방지층을 형성하는 단계;
3) 재결합 방지층 상에 정공 전달층을 형성하는 단계; 및
4) 정공 전달층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계;
상기 일 구현예의 제조 방법에서 사용되는 제 1 전극은 작업 전극(working electrode) 또는 반도체 전극으로서 표현될 수 있으며, 제 2 전극은 상대 전극(counter electrode)으로 표현될 수 있다.
상기 제 1 전극 및 제 2 전극으로는 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 다양한 전극들이 제한 없이 사용될 수 있다. 비제한적인 예로, 상기 제 1 전극에 포함되는 전도성 투명 기판은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), Zn0-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 산화아연 또는 이들의 혼합물을 함유하는 유리 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 이때, 상기 플라스틱 기판으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드 또는 트리아세틸셀룰로오스로 형성된 것을 사용할 수 있다. 한편, 비제한적인 예로, 상기 제 2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 도전층일 수 있다.
상기 1) 단계에서는 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 방법에 따라 제 1 전극 상에 전자 전달층을 형성할 수 있다. 비제한적인 예로, 제 1 전극 상에 금속 산화물과 기공 형성용 고분자를 혼합한 금속 산화물 페이스트를 코팅하고 고온에서 소결하여 전자 전달층으로서 다공성 금속 산화물층을 형성할 수 있다. 이때, 사용 가능한 금속 산화물의 예로는 TiO2, SnO2, ZnO, Nb2O5, Ta2O5, WO3, W2O5, In2O3, Ga2O3, Nd2O3, PbO, 또는 CdO 등을 들 수 있으며, 기공 형성용 고분자의 예로는 에틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필 셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있다.
상기 다공성 금속 산화물층은 특별히 한정되는 것은 아니나 약 20 nm 내지 500 nm의 평균 기공 크기를 가지는 메조 다공성 구조를 가질 수 있다. 이러한 메조 다공성 구조를 형성하기 위해 제 1 전극 상에 금속 산화물 페이스트를 코팅한 후 약 100℃ 내지 700℃에서 소결할 수 있다.
상기 일 구현예의 제조 방법은 필요에 따라 전자 전달층 형성 전에 제 1 전극 상에 정공 차단층을 형성할 수 있다. 상기 정공 차단층은 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 방법에 따라 제 1 전극 상에 형성될 수 있다. 비제한적인 예로, 금속 산화물의 전구체 용액을 제 1 전극 상에 코팅한 후 고온에서 소결하여 정공 차단층을 형성할 수 있다. 이러한 정공 차단층으로는 조밀 TiO2 층(compact TiO2 layer)이 알려져 있다.
상기 2) 단계에서는 유기 할로겐화물과 금속 할로겐화물을 특정 몰비로 사용하여 전자 전달층에 광 흡수층과 재결합 방지층을 동시에 형성할 수 있다.
우선, 상기 2) 단계에서는 유기 할로겐화물과 금속 할로겐화물을 1.03:1 내지 1.07:1의 몰비로 혼합한다. 만일 유기 할로겐화물의 함량이 상기 범위 미만이면 광 흡수층과 정공 전달층 사이의 불안정한 계면으로 인해 광전변환효율을 향상시킬 수 없으며, 또한 상기 유기 할로겐화물의 함량이 상기 범위를 초과하면 오히려 광전류 밀도, 광전압, fill factor (FF)가 저하되어 광전변환효율이 저하되는 결과를 초래할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 유기 할로겐화물과 금속 할로겐화물의 몰비는 1.04:1 내지 1.06:1, 1.05:1 내지 1.06:1 혹은 약 1.06:1로 조절될 수 있다. 이러한 경우 하는 경우 매우 우수한 광전압 및 FF와 19.5% 이상의 광전변환효율을 달성할 수 있다. 특히, 상기 유기 할로겐화물과 금속 할로겐화물의 몰비가 1.05:1 내지 1.06:1 혹은 약 1.06:1로 조절되면 매우 우수한 광전압 및 FF와 20% 이상의 광전변환효율을 달성할 수 있다.
상기 유기 할로겐화물 및 금속 할로겐화물로는 알려진 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물을 얻을 수 있는 다양한 화합물이 제한 없이 사용될 수 있다. 일 예로, 상기 유기 할로겐화물로는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이 사용될 수 있다.
[화학식 1]
AX
상기 화학식 1에서 A는 R1R2R3R4N+ 또는 (R5R6N=CH-NR7R8)+의 유기 양이온이고,
여기서, R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 C1-10 알킬이고, 단 R1 내지 R4 중 적어도 하나는 C1-10 알킬이고, X는 할로겐이다.
구체적으로, 상기 화학식 1에서 A는 CH3NH3 + 또는 포름아미디늄(HC(NH2)2) 양이온일 수 있다.
한편, 상기 금속 할로겐화물로는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물이 사용될 수 있다.
[화학식 2]
MX2
상기 화학식 2에서 M은 2가의 금속 양이온이고, X는 서로 동일하거나 상이한 할로겐이다.
상기 2가의 금속 양이온은 Pb2 +, Sn2 +, Pd2 +, Cu2 +, Ge2 +, Sr2 +, Cd2 +, Ca2 +, Ni2+, Mn2 +, Fe2 +, Co2 +, Sn2 +, Yb2 + 또는 Eu2 +일 수 있다.
상기 화학식 1 및 2에서 할로겐은 Cl-, Br-, 또는 I-일 수 있다.
특히, 상기 일 구현예의 제조 방법에 따르면, 유기 할로겐화물로 CH3NH3I를 사용하고, 금속 할로겐화물로 PbI2를 사용하여 광 흡수층을 CH3NH3PbI3으로 제조하더라도 유기 할로겐화물과 금속 할로겐화물의 특별한 사용 몰비에 따라 자발적으로 형성되는 재결합 방지층에 의해 19.5% 이상의 광전변환효율을 나타낼 수 있다.
상기 유기 할로겐화물 및 금속 할로겐화물의 유기 용매 하에서 혼합될 수 있다. 이때, 상기 유기 용매로는 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 다양한 유기 용매가 사용될 수 있다. 일 예로, 상기 유기 용매로는 디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide: DMF), 디메틸설폭사이드(N,N-dimethylsulfoxide: DMSO) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 이렇게 얻어진 전구체 용액에서 유기 할로겐화물 및 금속 할로겐화물은 해리되어 양이온 및 음이온 상태로 분산되어 있을 수 있다.
상기 2) 단계에서는 상기에서 얻은 전구체 용액을 전자 전달층에 스핀 코팅한다. 스핀 코팅 조건은 특별히 한정되지 않으나, 약 100 내지 30,000 rpm, 약 100 내지 20,000 rpm, 약 100 내지 10,000 rpm, 약 1,000 내지 5,000 rpm 혹은 약 2,000 내지 5,000 rpm의 속도로 5 초 내지 2 분간 수행될 수 있다.
상기 전구체 용액을 스핀 코팅 하는 공정에서는 스핀 코팅 중에 전구체 용액 상에 유기 용매를 떨어뜨릴 수 있다. 이러한 과정을 통해 어덕트를 형성할 수 있다. 상기 유기 용매로는 전구체 용액에 사용된 용매, 예를 들어, 디메틸포름아미드를 세척할 수 있는 용매를 사용하는 것이 적절하며, 일 예로, 에틸 에테르와 같은 에테르 용매를 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 전구체 용액을 전자 전달층 상에 스핀 코팅하면서 혹은 스핀 코팅한 후 열 처리할 수 있다. 구체적으로, 상기 전구체 용액은 스핀 코팅과 동시에 혹은 스핀 코팅 후에 약 40 내지 150℃ 정도의 온도에서 열 처리될 수 있다. 이때, 열 처리 온도는 일정하게 유지되거나 혹은 변경될 수 있다. 일 예로, 상기 열 처리 온도는 약 40 내지 90℃로 조절되었다가 다시 약 80 내지 150℃로 조절될 수 있다. 이러한 온도 범위에서 유기 할로겐화물 및 금속 할로겐화물로부터 양호한 광 흡수층을 형성할 수 있으며, 동시에 미반응 유기 할로겐화물이 광 흡수층 위에 분자막(재결합 방지층)을 형성할 수 있다. 이렇게 생성된 분자막은 광 흡수층과 정공 전달층 사이의 불안정한 계면으로 인한 문제를 해결할 수 있다.
상기 열 처리 시간은 특별히 한정되지 않으나, 상술한 온도 범위로 열 처리할 경우 약 30 초 내지 30 분 사이로 조절될 수 있다.
상기 2) 단계에 따라 전자 전달층 상에 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물로 구성되는 광 흡수층이 형성되며, 동시에 광 흡수층 상에 매우 얇은 두께를 가지며 유기 할로겐화물로부터 형성되는 재결합 방지층이 형성될 수 있다. 상기 재결합 방지층의 두께는 수 Å 정도일 수 있다.
상기 3) 단계에서는 재결합 방지층 상에 정공 전달층을 형성할 수 있다. 상기 정공 전달층은 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 다양한 방법을 통해 형성될 수 있다. 비제한적인 예로, 상기 재결합 방지층에 고체형 정공 전달 물질을 코팅하여 정공 전달층을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 고체형 정공 전달 물질로는, 스피로-OMeTAD(2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p-메톡시페닐아민)9,9'-스피로비플루오렌)), P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), PCPDTBT(폴리[2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일[4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-시클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜-2,6-디일]]), PVK(폴리(N-비닐카바졸)), HTM-TFSI(1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드), Li-TFSI(리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드), tBP(tert-부틸피리딘), PDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)) 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
이후, 상기 4) 단계에서 정공 전달층 상에 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 다양한 방법을 통해 제 2 전극을 형성하여 태양전지를 제조할 수 있다. 상기 제 2 전극의 종류로는 전술한 종류가 이용될 수 있다.
상기 일 구현예의 제조 방법은 상술한 단계 외에 본 발명이 속한 기술분야에서 통상적으로 채용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 비제한적인 예로, 전해질층을 포함하는 태양전지를 이용하는 경우 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전해질 액을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계 등을 추가로 포함할 수 있다.
상술한 제조 방법에 따라 제조되는 태양전지는 높은 광전압과 FF를 나타낼 수 있어 높은 광전변환효율을 재현성 있게 나타낼 수 있다.
한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 제조 방법에 따라 제조되는 태양전지가 제공된다. 구체적으로 상기 태양전지는 전도성 투명 기판을 포함하는 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성되는 전자 전달층; 상기 전자 전달층 상에 형성되고, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성되고, 유기 할로겐화물로부터 형성되는 재결합 방지층; 상기 재결합 방지층 상에 형성되는 정공 전달층; 및 상기 정공 전달층 상에 형성되는 제 2 전극을 포함한다.
상기 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물을 생성하기 위한 유기 할로겐화물 및 금속 할로겐화물의 몰비를 특정 범위로 조절하여 유기 할로겐화물로부터 자발적으로 형성된 재결합 방지층을 포함하여 기존의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물을 이용하더라도 높은 광전변환효율을 발현할 수 있다. 특히, 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 태양전지의 구조를 채용하면, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물의 대표적인 예로 알려진 CH3NH3PbI3를 이용하더라도 우수한 광전압 및 FF를 나타내 19.5% 이상의 광전변환효율을 나타낼 수 있는 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 유기 할로겐화물과 금속 할로겐화물을 특정 몰비로 사용하여 자발적으로 재결합 방지층이 형성되도록 유도하여 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있다.
도 1은 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 비교예 1에 따라 DMF 용액을 코팅하고 열처리 한 다음 얻어지는 층 표면의 STEM 이미지이고, 도 2의 (c) 및 (d)는 실시예 2에 따라 DMF 용액을 코팅하고 열처리 한 다음 얻어지는 층 표면의 STEM 이미지이다.
이하 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용, 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 예시로서 제시된 것으로 이에 의해 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 태양전지의 제조( CH 3 NH 3 I 및 PbI 2 의 몰비 = 1.04:1 )
25 x 25 mm 크기의 FTO 기판의 끝 부분을 에칭하여 부분적으로 FTO를 제거하였다. 0.15 M의 [(CH3)2CHO]2Ti(C5H7O2)2(titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)) 1-부탄올 용액을 2800 rpm으로 20 초 동안 FTO 기판에 40 nm의 두께로 코팅하였다 그리고, 125℃에서 5 분 동안 소결하여 FTO 기판 상에 조밀 TiO2층을 형성하였다.
한편, 평균 입자 크기가 50 nm인 TiO2 분말, terpineol, ethyl cellulose 및 lauric acid를 1.25:6:0.9:0.1의 중량 비율로 혼합하여 TiO2 페이스트를 제조하고, 제조된 TiO2 페이스트 1 g을 에탄올 10 mL에 첨가하였다.
그리고, 에탄올에 희석된 TiO2 페이스트를 상기 조밀 TiO2층에 스핀 코팅하고 550℃에서 1 시간 동안 소결하였다. 그리고, 소결된 기판을 90℃의 20 mM TiCl4 수용액에 10 분간 침지시키고 탈이온수로 세척한 다음 다시 500℃에서 15 분 동안 소결하여 다공성 TiO2층을 형성하였다.
한편, DMF (N,N-dimethyl formamide)에, CH3NH3I (methylammonium iodide) 및 PbI2 (lead(II) iodide) 및 DMSO (dimthyl sulfoxide)를 1.04:1:1의 몰비로 첨가하고 용해시킨 후 상온에서 약 1 시간 동안 교반하여 52 중량%의 DMF 용액을 제조하였다.
그리고, 상기 DMF 용액을 다공성 TiO2층 상에 4,000 rpm으로 30 초 동안 코팅하였다.
이때, 코팅 시작 10 초 후에 상기 DMF 용액의 코팅막에 diethyl ether를 떨어뜨렸다. 이후, 얻어지는 코팅막을 65℃에서 1 분, 100℃에서 2 분 동안 열 처리하여, 광 흡수층과 재결합 방지층을 동시에 형성하였다.
상기 재결합 방지층 상에 spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-tetrakis(N,N-di(4-methoxyphenyl)amino)-9,9'-spirobifluorene)가 용해된 클로로벤젠 용액을 3000 rpm으로 30 초 동안 스핀 코팅하여 정공 전달층을 형성하였다. 여기에 열 증착기로 Ag를 진공 증착하여 전극을 형성하였다.
실시예 2: 태양전지의 제조( CH 3 NH 3 I 및 PbI 2 의 몰비 = 1.06:1 )
상기 실시예 1에서 CH3NH3I 및 PbI2를 1.06:1의 몰비로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
비교예 1: 태양전지의 제조( CH 3 NH 3 I 및 PbI 2 의 몰비 = 1:1)
상기 실시예 1에서 CH3NH3I 및 PbI2를 1:1의 몰비로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
비교예 2: 태양전지의 제조( CH 3 NH 3 I 및 PbI 2 의 몰비 = 1.02:1 )
상기 실시예 1에서 CH3NH3I 및 PbI2를 1.02:1의 몰비로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
비교예 3: 태양전지의 제조( CH 3 NH 3 I 및 PbI 2 의 몰비 = 1.08:1 )
상기 실시예 1에서 CH3NH3I 및 PbI2를 1.08:1의 몰비로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
비교예 4: 태양전지의 제조( CH 3 NH 3 I 및 PbI 2 의 몰비 = 1.1:1 )
상기 실시예 1에서 CH3NH3I 및 PbI2를 1.1:1의 몰비로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
시험예 1: 태양전지의 성능 평가
상기와 같이 제조된 태양전지의 광전류 밀도(Jsc), 광전압(Voc), fill factor (FF) 및 효율(Power Conversion Efficiency: PCE)을 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
CH3NH3I:PbI2
[molar ratio]		 Jsc
[mA/cm2]		 Voc
[V]		 FF PCE
[%]
실시예 1 1.04:1 23.76 1.070 0.780 19.83
실시예 2 1.06:1 23.62 1.127 0.777 20.70
비교예 1 1.00:1 23.80 1.065 0.723 18.32
비교예 2 1.02:1 23.63 1.064 0.752 18.91
비교예 3 1.08:1 23.22 1.095 0.749 19.05
비교예 4 1.10:1 21.86 1.120 0.635 15.55
시험예 2: 재결합 방지층의 형성 확인
실시예 2 및 비교예 1에 따라 DMF 용액을 코팅하고 열처리 한 다음 얻어지는 층의 표면을 STEM (Scanning Transmission Electron Microscope)로 관찰하여 재결합 방지층의 형성 여부를 확인하였다. 구체적으로, 도 2의 (a) 및 (b)를 보면, 비교예 1에 따라 DMF 용액을 코팅하여 열 처리하여 얻어지는 층의 표면에서는 0.31 nm의 CH3NH3PbI3 lattice fringe를 확인할 수 있었다. 이에 반해, 도 2의 (c) 및 (d)를 보면, 실시예 2에 따라 DMF 용액을 코팅하여 열 처리하여 얻어지는 층의 표면에서는 0.36 nm의 CH3NH3I lattice fringe를 확인할 수 있었다. 이로써, 본 발명의 일 구현예예 따라 제조된 광 흡수층 상에는 유기 할로겐화물로부터 형성된 재결합 방지층이 형성되는 것이 확인된다.
10: 제 1 전극
11: 제 2 전극
12: 전자 전달층
13: 정공 전달층
14: 광 흡수층
15: 재결합 방지층

Claims (7)

  1. 유기 할로겐화물과 금속 할로겐화물을 1.03:1 내지 1.07:1의 몰비로 포함하는 용액을 전자 전달층에 스핀 코팅 및 열 처리하여, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광 흡수층과 광 흡수층 상에 유기 할로겐화물로부터 형성된 재결합 방지층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유기 할로겐화물로 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용하는 태양전지의 제조 방법:
    [화학식 1]
    AX
    상기 화학식 1에서 A는 R1R2R3R4N+ 또는 (R5R6N=CH-NR7R8)+의 유기 양이온이고,
    여기서, R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 C1-10 알킬이고, 단 R1 내지 R4 중 적어도 하나는 C1-10 알킬이고, X는 할로겐이다.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 할로겐화물로 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 사용하는 태양전지의 제조 방법:
    [화학식 2]
    MX2
    상기 화학식 2에서 M은 2가의 금속 양이온이고, X는 서로 동일하거나 상이한 할로겐이다.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 용액은 용매로서 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드 또는 이들의 혼합물을 추가로 포함하는 태양전지의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 용액을 스핀 코팅 및 40℃ 내지 150℃에서 열처리하는 태양전지의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 전도성 투명 기판을 포함하는 제 1 전극 상에 전자 전달층을 형성하는 단계; 재결합 방지층 상에 정공 전달층을 형성하는 단계; 및 정공 전달층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계 중 어느 하나 이상의 단계를 추가로 포함하는 태양전지의 제조 방법.
  7. 전도성 투명 기판을 포함하는 제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상에 형성되는 전자 전달층;
    상기 전자 전달층 상에 형성되고, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 형성되고, 유기 할로겐화물로부터 형성되는 재결합 방지층;
    상기 재결합 방지층 상에 형성되는 정공 전달층; 및
    상기 정공 전달층 상에 형성되는 제 2 전극을 포함하는 태양전지.
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