KR20170137287A - 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20170137287A
KR20170137287A KR1020160069194A KR20160069194A KR20170137287A KR 20170137287 A KR20170137287 A KR 20170137287A KR 1020160069194 A KR1020160069194 A KR 1020160069194A KR 20160069194 A KR20160069194 A KR 20160069194A KR 20170137287 A KR20170137287 A KR 20170137287A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
solar cell
transparent electrode
substrate
layer
perovskite solar
Prior art date
Application number
KR1020160069194A
Other languages
English (en)
Inventor
김준호
성태연
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020160069194A priority Critical patent/KR20170137287A/ko
Publication of KR20170137287A publication Critical patent/KR20170137287A/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • H01L31/04—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 adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • B32B9/04—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B9/041—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00 comprising such particular substance as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of metal
    • 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
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02167—Coatings 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
    • H01L31/022408—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
    • H01L31/022475—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers composed of indium tin oxide [ITO]
    • 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
    • H01L31/0248—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 characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • 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
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2264/00—Composition or properties of particles which form a particulate layer or are present as additives
    • B32B2264/10—Inorganic particles
    • B32B2264/102—Oxide or hydroxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2457/00—Electrical equipment
    • B32B2457/12—Photovoltaic modules
    • 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
    • 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)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 페로브스카이트 태양전지에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기판(10), 금속층(21), 및 금속층(21)의 상부 및 하부 각각에 하나씩 형성된 한 쌍의 산화물층(23, 25)을 포함하고, 기판(10)의 상부에 배치되는 복합 투명전극(20); 및 복합 투명전극(20) 상부에 형성되고, 페로브스카이트를 포함하는 광 활성층(40)을 포함한다.

Description

페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법{Perovskite solar cell and method of manufacturing the same}
본 발명은 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서, 태양에너지를 흡수하여 전자와 전공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성한다. 이러한 태양전지는 자원의 고갈 및 환경문제에 직면한 화석 에너지의 대체 에너지로 세계적인 관심을 받고 있다. 다만, 태양전지는 고효율화를 위해 매우 순도가 높은 소재를 사용해야 하므로, 원소재의 정제에 많은 에너지가 소모된다. 또한, 원소재를 이용하여 단결정 혹은 박막화하는 과정에서 고가의 공정 장비가 사용되므로, 태양전지의 제조에 상당한 비용이 소요되고, 이는 태양전지의 활용에 장애요인으로 작용하고 있다.
이러한 태양전지의 제조비용을 낮추기 위해서 고안된 것 중 하나가 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지이다. 유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 무기물과 유기물이 결합하여, 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 소재를 활용한 태양전지이다. 이러한 태양전지에 사용되는 페로브스카이트는 부도체·반도체·도체 성질과 함께 초전도 현상까지 보이는 매우 특별한 구조를 갖는다.
유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 제조비용이 저렴하고 용액공정으로 박막제작이 가능하므로, 다양한 분야에 응용될 수 있어 차세대 박막 태양전지로 각광받고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 페로브스카이트 태양전지는 기판(1), 투명전극(2), 전자 추출층(3), 광 활성층(4), 정공 추출층(5), 및 금속전극(6)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어진다. 여기서, 투명전극(2)으로는 일함수가 낮은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 FTO(Fluorine doped Tin Oxide)가, 금속전극(6)으로는 높은 일함수를 갖는 Au 또는 Ag 등이 사용된다.
최근에는 유연 태양전지의 제조에 관심이 증대되어, 유연한 페로브스카이트 소자 제작에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 이때, 유연 태양전지에 사용되는 기판은 폴리머 기판으로, 열에 매우 취약하기 때문에, 유연 페로브스카이트 소자 제작은 저온 공정으로 진행되어야 한다. 그러나, 종래 페로브스카이트 태양전지의 경우에는 다공성 TiO2 페이스트를 사용해 페로브스카이트 소자를 제작할 때에, 전자 추출층 코팅은 스핀코팅과 같은 간단한 공정으로 가능하지만, 다공성 입자 내부의 유기결합체(바인더)를 제거하기 위해서는 500 ℃ 이상의 고온 열처리가 필수적이므로, 고온 열처리 공정이 유연 태양전지의 제조에 큰 걸림돌로 작용한다.
또한, 투명전극으로 사용되는 ITO 및 FTO도 높은 열처리를 통하여 광학적, 전기적 특성을 나타내므로, 유연한 폴리머 기판을 사용한 대량 생산이 실질적으로 불가능하다.
따라서, 종래 페로브스카이트 태양전지의 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있는 상황이다.
KR 2016-0015723 A
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 종래의 고가인 ITO 및 FTO 투명전극을 대체하고, 열처리 과정 없이도 높은 투과도와 우수한 전기적 특성을 가지며, 전자 추출층의 역할을 동시에 수행하는 산화물층/금속층/산화물층 구조의 다층 투명전극이 배치된 페로브스카이트 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기판; 금속층, 및 상기 금속층의 상부 및 하부 각각에 하나씩 형성된 한 쌍의 산화물층을 포함하고, 상기 기판의 상부에 배치되는 복합 투명전극; 및 상기 복합 투명전극 상부에 형성되고, 페로브스카이트를 포함하는 광 활성층;을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 금속층은 Ag, Au, Ti, Ni, Mo, Cu, Pt, 및 Al 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어진다..
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 산화물층은 Ti-O, Zn-O, Ni-O, Mo-O, V-O, W-O, Mg-O, Si-O, Sn-O, Ta-O, Hf-O, Al-O, Ni-In-O, Zn-In-O, Cu-In-O, Mo-In-O, Ge-In-O, Si-In-O, Sn-In-O, Mn-In-O, Mg-In-O, Ga-In-O, Al-In-O, B-In-O, V-In-O, In-O-Cl, In-O-F, W-In-O, Ta-In-O, Hf-In-O, Re-In-O, Mg-Sn-O, Ga-Zn-In-O, Sr-V-O, Ca-V-O, 및 Ga-Sn-Zn-In-O 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어진다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 산화물층은 1 ~ 100 ㎚이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 한 쌍의 상기 산화물층은 서로 다른 산화물층이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 기판은 플렉서블(flexible) 기판이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 기판은 글라스(glass), 실리콘(Si), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 및 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어진다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 복합 투명전극의 상부에 다공성 전자 추출층;을 더 포함한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은 (a) 기판의 상부에 하부 산화물층을 형성하는 단계; (b) 상기 하부 산화물층의 상부에 금속층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 금속층의 상부에 상부 산화물층을 형성하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계 내지 (c) 단계는 스퍼터링법, 무손상 스퍼터링법(damage-free sputtering), 전자빔 층착법, 롤투롤(Roll-to-roll), 또는 연속 증발 증착법으로 수행된다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 종래의 ITO 및 FTO 투명전극을 대체하는 산화물층/금속층/산화물층의 다층 투명전극이 배치되어, 제조단가가 하락하고, 고온 열처리 공정이 불필요하여 유연 태양전지의 대량생산이 가능해진다. 또한, 전자 추출층의 역할을 동시에 수행하므로 태양전지 제조공정이 간단해지고, 롤투롤(Roll-to-roll) 및 스퍼터링 방식에 의한 제조가 가능하여 대면적의 평탄하고 안정한 표면을 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법의 순서도이다.
도 5는 도 2에 도시된 복합 투명전극의 TEM 이미지이다.
도 6은 도 2에 도시된 복합 투명전극의 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 2에 도시된 복합 투명전극의 산화물층 두께에 따른 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 2에 도시된 복합 투명전극의 굽힘 테스트 사진 및 그 결과 그래프이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기판(10), 금속층(21), 및 금속층(21)의 상부 및 하부 각각에 하나씩 형성된 한 쌍의 산화물층(23, 25)을 포함하고, 기판(10)의 상부에 배치되는 복합 투명전극(20); 및 복합 투명전극(20) 상부에 형성되고, 페로브스카이트를 포함하는 광 활성층(40)을 포함한다.
본 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기판(10), 복합 투명전극(20), 및 광 활성층(40)을 포함한다.
본 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 무기물과 유기물이 결합하여, 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 소재를 활용한 태양전지이다. 여기서, 기판(10), 및 광 활성층(40) 등은 일반적인 페로브스카이트 태양전지의 구성이므로, 당해 기술분야의 통상의 기술자가 알 수 있는 일반적인 내용에 대해서는 설명을 생략하거나 간단하게만 기술하고, 특징적인 내용 위주로 자세하게 설명한다.
여기서, 기판(10)은 지지체로서, 복합 투명전극(20), 광 활성층(40) 등을 지지한다. 이때, 기판(10)은 리지드(rigid) 기판(10) 또는 유연하게 휘어지는 플렉서블(flexible) 기판(10)일 수 있다. 플렉서블 기판(10)의 경우, 유연한 태양전지를 구현하고, 롤투롤 공정 등을 통해 단시간에 태양전지를 대량생산할 수 있다. 이때, 기판(10)은 폴리머 기판(10)으로서, 예를 들어, 폴리에테르술폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 및 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 다만, 폴리머 기판(10)의 재료가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 기판(10)이 반드시 플렉서블 기판(10)에 한정되는 것도 아니므로, 글라스(glass), 및 실리콘(Si) 중 적어도 어느 하나 이상으로 제조될 수도 있다. 이러한 기판(10) 상에는 복합 투명전극(20)이 형성된다.
여기서, 복합 투명전극(20)은 기판(10)의 상부에 형성된다. 이때, 기판(10)의 상부는 기판(10)의 일면으로서, 기판(10) 상에 복합 투명전극(20)이 상향으로 적층되는 경우를 가정하여 기판(10)의 상대적 위치를 정한 것이다. 따라서, 기판(10)을 기준으로 복합 투명전극(20), 광 활성층(40) 순으로 인접 배치되는 한, 기판(10)보다 상향, 또는 하향에 복합 투명전극(20)이 위치하거나, 기판(10)의 측방향에 위치하더라도, 본 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 보호범위에 속한다. 이하에서도, "상부"는 상술한 바와 같이, 인접하는 구성이 상향으로 적층되는 경우를 가정하여 상대적 위치를 정한 것으로 사용한다.
복합 투명전극(20)은 종래의 페로브스카이트 태양전지(도 1 참조)의 투명전극(2)과 전자 추출층(3)의 역할을 동시에 수행하는 전극이다. 구체적으로, 복합 투명전극(20)은 금속층(21), 및 한 쌍의 산화물층(23, 25)을 포함하여, 금속층(21)의 상부 및 하부에 각각 하나씩 산화물층(23, 25)이 형성되는 산화물층(23)/금속층(21)/산화물층(25)의 다층 구조로 이루어진다.
종래 투명전극으로 사용되는 ITO 또는 FTO의 경우에는 높은 열처리를 통해 광학적, 전기적 특성을 가지므로, 열에 약한 플렉서블 기판(10)을 사용하여 유연 태양전지 소자를 대량생산하는데 문제가 있었다. 그러나, 본 실시예에 따른 복합 투명전극(20)은 다층 구조의 제조과정에서 열처리가 필요하지 않아서, 유연 태양전지의 대량생산이 가능하다.
여기서, 복합 투명전극(20)에 사용되는 금속층(21)은 Ag, Au, Ti, Ni, Mo, Cu, Pt, 및 Al 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 즉, 상술한 단일 금속 또는 어느 하나의 금속에 다른 금속이 첨가된 합금으로 금속층(21)이 형성될 수 있다. 다만, 금속층(21)이 반드시 상술한 금속에 한정되는 것은 아니다.
산화물층(23, 25)은 Ti-O, Zn-O, Ni-O, Mo-O, V-O, W-O, Mg-O, Si-O, Sn-O, Ta-O, Hf-O, Al-O, Ni-In-O, Zn-In-O, Cu-In-O, Mo-In-O, Ge-In-O, Si-In-O, Sn-In-O, Mn-In-O, Mg-In-O, Ga-In-O, Al-In-O, B-In-O, V-In-O, In-O-Cl, In-O-F, W-In-O, Ta-In-O, Hf-In-O, Re-In-O, Mg-Sn-O, Ga-Zn-In-O, Sr-V-O, Ca-V-O, 및 Ga-Sn-Zn-In-O 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 이때, 한 쌍의 산화물층(23, 25) 중 상부 산화물층(25)과 하부 산화물층(23)은 서로 동일할 수 있지만, 반드시 동일해야 하는 것은 아니고 서로 다를 수도 있다. 즉, 하부 및 상부 산화물층(23, 25)은 그 소재, 및 두께 등의 형태가 서로 동일하거나, 또는 상이할 수 있다. 여기서, 산화물층(23, 25)은 1 ~ 100 ㎚ 정도로 성막될 수 있는데, 그 두께도 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 금속층(21)과 한 쌍의 산화물층(23, 25)으로 형성된 복합 투명전극(20)은 예를 들어, TiO2/Ag/TiO2(TAT), 또는 ZnO/Ag/ZnO(ZAZ) 다층 구조로 형성될 수 있다. 이때, 복합 투명전극(20)은 기존의 ITO 만큼의 높은 투과도를 나타내며, 낮은 면저항을 가지므로, 높은 효율의 태양전지를 제조할 수 있다. 다만, 복합 투명전극(20)이 반드시 TAT, 또는 ZAZ 구조에 한정되는 것은 아니다.
또한, 복합 투명전극(20)은 상부 산화물층(25)은 종래 페로브스카이트 태양전지(도 1 참조)의 전자 추출층(3)의 역할을 수행하므로, 태양전지의 구조가 간단해지고, 공정의 단순화를 통해 제조비용 절감 및 대량생산을 가능케 한다.
뿐만 아니라, 복합 투명전극(20)의 하부 산화물층(23)이 기판(10)에 형성되고, 순차적으로 금속층(21) 및 상부 산화물층(25)이 형성되는 과정에서, 스퍼터링법(sputtering) 기법을 이용할 수 있으므로, 종래 졸-겔 기법 및 스핀 코팅법으로 성막한 전자 추출층에 비해 상대적으로 대면적의 평탄하고 안정한 표면을 확보할 수 있다.
이러한 복합 투명전극(20)에는 광 활성층(40)이 형성되는데, 광 활성층(40)은 페로브스카이트를 포함한다. 여기서, 페로브스카이트는 부도체·반도체·도체 성질과 함께 초전도 현상까지 보이는 매우 특별한 구조로 이루어지는데, 이러한 구조로 인해 높은 전하 운반 이동성과 긴 확산거리를 가지게 되어, 생성된 전자와 정공이 에너지 손실 없이 장거리를 이동할 수 있게 한다. 결과적으로, 전자와 정공이 더 두꺼운 태양전지를 통과할 수 있어서, 더 많은 광을 흡수한다.
추가적으로, 광 활성층(40) 상부에는 순차적으로, 정공 추출층(50), 및 금속전극(60)이 더 형성될 수 있는데, 정공 추출층(50), 및 금속전극(60)은 일반적인 페로브스카이트 태양전지의 구성이므로 자세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 전자 추출층(30)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 전자 추출층(30)은 복합 투명전극(20)의 상부에 형성되는 층이다. 여기서, 전자 추출층(30)은 예를 들어, Ti 산화물 또는 Zn 산화물을 이용해, 박막 형태로 형성된다. 이때, Ti 산화물은 TiO2, Zn 산화물은 ZnO일 수 있는데, 각각의 산화물이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 나아가 전자 추출층(30) 재료도 반드시 Ti 산화물 또는 Zn 산화물에 한정될 필요는 없다.
이하에서는, 본 실시예에 따른 페르브스카이트 태양전지의 제조방법에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법의 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은 기판의 상부에 하부 산화물층을 형성하는 단계(S100), 하부 산화물층의 상부에 금속층을 형성하는 단계(S200), 및 금속층의 상부에 상부 산화물층을 형성하는 단계(S30)를 포함한다.
본 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은 하부 산화물층 형성 단계(S100), 금속층 형성 단계(S200), 및 상부 산화물층 형성 단계(S300)를 포함한다.
여기서, 순차적으로 이루어지는 하부 산화물층 형성 단계(S100), 금속층 형성 단계(S200), 및 상부 산화물층 형성 단계(S300)를 통해서 복합 투명전극을 제조할 수 있다.
이때, 하부 산화물층은 기판의 상부에, 금속층은 하부 산화물층의 상부에, 상부 상화물층은 금속층의 상부에 형성되는데, 이러한 과정은 무손상 스퍼터링법(damage-free sputtering), 전자빔 층착법, 또는 연속 증발 증착법으로 수행될 수 있어, 롤투롤 공정 등을 이용하여, 플렉서블 기판을 사용한 유연 태양전지를 대량생산하고, 제조비용을 감소시킬 수 있다.
이하에서는 상술한 복합 투명전극에 대한 투과도 및 전기적 특성 등에 대해 설명한다.
도 5는 도 2에 도시된 복합 투명전극의 TEM 이미지이고, 도 6은 도 2에 도시된 복합 투명전극의 투과도를 나타내는 그래프이며, 도 7은 도 2에 도시된 복합 투명전극의 산화물층 두께에 따른 전기적 특성을 나타내는 그래프이며, 도 8은 도 2에 도시된 복합 투명전극의 굽힘 테스트 사진 및 그 결과 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 복합 투명전극으로서, ZAZ 구조(도 5의 (a)) 및 TAT 구조(도 5의 (b))의 TEM 이미지이다.
도 6에서는 종래 통상적인 ITO 투명전극과 대비되도록 ZAZ 구조(도 6의 (a)) 및 TAT 구조(도 6의 (b))의 투과도를 측정하는 실험을 진행했다. 그 결과, 복합 투명전극이 ITO 투명전극과 유사한 투과도를 갖는다는 것을 확인했다.
도 7에서는 ZAZ 구조(도 7의 (a)) 및 TAT 구조(도 7의 (b))의 산화물층 두께에 따른 비저항(resistivity) 및 면저항(sheet resistance)을 측정하였다. 그 결과, 전기적 특성 또한 우수하다는 것을 알 수 있었다.
도 8에서는 ZAZ 구조(도 8의 (a)) 및 TAT 구조(도 8의 (b))의 굽힘 테스트를 실행했다. 그 결과 종래 통상적인 ITO 투명전극에 비해 우수한 굽힘 특성을 나타냈으며, 저항 변화율도 거의 일정하게 유지되었다. TAT의 경우는 ITO 투명전극과 유사한 정도의 굽힘 테스트 결과를 나타내었다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1, 10: 기판 2: 투명전극
20: 복합 투명전극 21: 금속층
23, 25: 산화물층 3, 30: 전자 추출층
4, 40: 광 활성층 5, 50: 정공 추출층
6, 60: 금속전극

Claims (10)

  1. 기판;
    금속층, 및 상기 금속층의 상부 및 하부 각각에 하나씩 형성된 한 쌍의 산화물층을 포함하고, 상기 기판의 상부에 배치되는 복합 투명전극; 및
    상기 복합 투명전극 상부에 형성되고, 페로브스카이트를 포함하는 광 활성층;
    을 포함하는 페로브스카이트 태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속층은 Ag, Au, Ti, Ni, Mo, Cu, Pt, 및 Al 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지는 페로브스카이트 태양전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화물층은 Ti-O, Zn-O, Ni-O, Mo-O, V-O, W-O, Mg-O, Si-O, Sn-O, Ta-O, Hf-O, Al-O, Ni-In-O, Zn-In-O, Cu-In-O, Mo-In-O, Ge-In-O, Si-In-O, Sn-In-O, Mn-In-O, Mg-In-O, Ga-In-O, Al-In-O, B-In-O, V-In-O, In-O-Cl, In-O-F, W-In-O, Ta-In-O, Hf-In-O, Re-In-O, Mg-Sn-O, Ga-Zn-In-O, Sr-V-O, Ca-V-O, 및 Ga-Sn-Zn-In-O 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지는 페로브스카이트 태양전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화물층은 1 ~ 100 ㎚인 페로브스카이트 태양전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    한 쌍의 상기 산화물층은 서로 다른 산화물층인 페로브스카이트 태양전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 플렉서블(flexible) 기판인 페로브스카이트 태양전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 글라스(glass), 실리콘(Si), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 및 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 중 적어도 어느 하나 이상으로 이루어지는 페로브스카이트 태양전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합 투명전극의 상부에 형성되는 전자 추출층;
    을 더 포함하는 페로브스카이트 태양전지.
  9. (a) 기판의 상부에 하부 산화물층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 하부 산화물층의 상부에 금속층을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 금속층의 상부에 상부 산화물층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 (a) 단계 내지 (c) 단계는 스퍼터링법, 무손상 스퍼터링법(damage-free sputtering), 전자빔 증착법, 롤투롤(Roll-to-roll), 또는 연속 증발 증착법으로 수행되는 페로브스카이트 태양전지 제조방법.
KR1020160069194A 2016-06-03 2016-06-03 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법 KR20170137287A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160069194A KR20170137287A (ko) 2016-06-03 2016-06-03 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160069194A KR20170137287A (ko) 2016-06-03 2016-06-03 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20170137287A true KR20170137287A (ko) 2017-12-13

Family

ID=60944198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160069194A KR20170137287A (ko) 2016-06-03 2016-06-03 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20170137287A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jung et al. Flexible perovskite solar cells
Ye et al. Recent advancements in perovskite solar cells: flexibility, stability and large scale
JP7048785B2 (ja) 透明電極、およびその製造方法、ならびにその透明電極を用いた電子デバイス
Yang et al. All-solution processed semi-transparent perovskite solar cells with silver nanowires electrode
US11764001B2 (en) Perovskite solar cell configurations
US8299352B2 (en) Dye-sensitized solar cell using conductive fiber electrode
KR101677798B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
KR101782733B1 (ko) 페로브스카이트 태양전지
WO2022054150A1 (ja) 透明電極、透明電極の製造方法、および電子デバイス
KR20180047382A (ko) 확산 방지막을 이용한 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법
US11710797B2 (en) Transparent electrode, device employing the same, and manufacturing method of the device
Long et al. Flexible perovskite solar cells: device design and perspective
Choi et al. Thermally-evaporated C60/Ag/C60 multilayer electrodes for semi-transparent perovskite photovoltaics and thin film heaters
US11942575B2 (en) Transparent electrode, method of producing transparent electrode, and electronic device
US10615361B2 (en) Field effect electrode with layered metal oxide
KR20170137287A (ko) 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법
KR101971325B1 (ko) 페로브스카이트 발광소자
KR101892542B1 (ko) 투명전극
KR20180000173A (ko) 투명전극
CN101958368A (zh) 太阳电池及其制造方法
US20200411705A1 (en) Colored transparent solar cell
KR101816972B1 (ko) TiO2/Ag/TiO2 다층박막 구조를 갖는 플렉시블 투명 전극 및 그 제조방법
US20230025098A1 (en) Transparent electrode, method for producing the same, and electronic device using transparent electrode
KR101161582B1 (ko) 투명광학다층체 및 이를 포함하는 투명태양전지
Khafe et al. Ultraviolet/ozone-assisted thermal treatment of low-temperature-processed printable ZnO field-effect transistors for flexible displays

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
E601 Decision to refuse application
E801 Decision on dismissal of amendment