KR20180033074A - 유-무기 복합 태양전지 및 유-무기 복합 태양전지 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 구비된 제1 공통층; 상기 제1 공통층 상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 구비된 제2 공통층; 상기 제2 공통층 상에 구비된 제3 공통층; 및 상기 제3 공통층 상에 구비된 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 공통층은 제1 금속 산화물 나노 입자를 포함하며, 상기 제2 공통층은 제2 금속 산화물 나노 입자를 포함하고, 상기 제3 공통층은 플러렌 유도체를 포함하는 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.
Description
본 출원은 2016년 09월 23일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2016-0122344호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 명세서는 유-무기 복합 태양전지 및 유-무기 복합 태양전지 제조방법에 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.
유-무기 복합 페로브스카이트 물질은 흡광 계수가 높고, 용액 공정을 통해 쉽게 합성이 가능한 특성 때문에 최근에 유-무기 복합 태양전지 광흡수 물질로서 각광 받고 있다.
그러나, 기존의 페로브스카이트 물질을 적용한 유-무기 복합 태양전지의 경우, 내열, 내광 특성 등의 신뢰성 확보가 어려운 문제점이 있었다. 이를 극복하기 위하여, 유기물 기반 공통층 대신, 금속 산화물 기반 공통층을 적용하는 연구가 이루어지고 있다.
본 명세서는 안정성 및 에너지 변환 효율이 우수한 유-무기 복합 태양전지 및 유-무기 복합 태양전지 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 구비된 제1 공통층;
상기 제1 공통층 상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 구비된 제2 공통층;
상기 제2 공통층 상에 구비된 제3 공통층; 및
상기 제3 공통층 상에 구비된 제2 전극을 포함하고,
상기 제1 공통층은 제1 금속 산화물 나노 입자를 포함하며,
상기 제2 공통층은 제2 금속 산화물 나노 입자를 포함하고,
상기 제3 공통층은 플러렌 유도체를 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.
본 명세서의 또 다른 일 실시상태는 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에 제1 공통층을 형성하는 단계;
상기 제1 공통층 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계;
상기 광흡수층 상에 제2 공통층을 형성하는 단계;
상기 제2 공통층 상에 제3 공통층을 형성하는 단계; 및
상기 제3 공통층 상에 구비된 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 공통층은 제1 금속 산화물 나노 입자를 포함하며,
상기 제2 공통층은 제2 금속 산화물 나노 입자를 포함하고,
상기 제3 공통층은 플러렌 유도체를 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 내광성을 향상시키는 효과가 있다.
또한 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 광흡수층의 손상 없이, 광흡수층 상에 2층의 공통층이 적층되는 효과가 있다.
또한 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 넓은 광스펙트럼을 흡수할 수 있어, 광 에너지 손실이 줄고, 에너지 변환 효율이 상승하는 효과가 있다.
도 1은 본 명세서의 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 구조를 예시한 것이다.
도 2는 본 명세서의 실시예에서 제조된 유-무기 복합 태양전지 단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 3(a)는 본 명세서의 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 시간에 따른 단락전류(Jsc) 변화 값을 나타낸 것이다.
도 3(b)는 본 명세서의 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 시간에 따른 개방전압(Voc) 변화 값을 나타낸 것이다.
도 3(c)는 본 명세서의 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 시간에 따른 효율(PCE) 변화 값을 나타낸 것이다.
도 3(d)는 본 명세서의 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 시간에 따른 충전율(FF) 변화 값을 나타낸 것이다.
도 2는 본 명세서의 실시예에서 제조된 유-무기 복합 태양전지 단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 3(a)는 본 명세서의 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 시간에 따른 단락전류(Jsc) 변화 값을 나타낸 것이다.
도 3(b)는 본 명세서의 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 시간에 따른 개방전압(Voc) 변화 값을 나타낸 것이다.
도 3(c)는 본 명세서의 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 시간에 따른 효율(PCE) 변화 값을 나타낸 것이다.
도 3(d)는 본 명세서의 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 시간에 따른 충전율(FF) 변화 값을 나타낸 것이다.
이하 본 명세서를 상세히 설명한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 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 명세서에 따른 유-무기 복합태양전지는 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 구비된 제1 공통층;
상기 제1 공통층 상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 구비된 제2 공통층;
상기 제2 공통층 상에 구비된 제3 공통층; 및
상기 제3 공통층 상에 구비된 제2 전극을 포함하고,
상기 제1 공통층은 제1 금속 산화물 나노 입자를 포함하며,
상기 제2 공통층은 제2 금속 산화물 나노 입자를 포함하고,
상기 제3 공통층은 플러렌 유도체를 포함한다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 구조를 예시하였다. 구체적으로 도 1은 기판(101) 상에 제1 전극(102)이 구비되고, 제1 전극(102) 상에 제1 공통층(103)이 구비되고, 제1 공통층(103) 상에 광흡수층(104)이 구비되고, 광흡수층(104) 상에 제2 공통층(105)이 구비되고, 제2 공통층(105) 상에 제3 공통층(106)이 구비되고, 제3 공통층(106) 상에 제2 전극(107)이 구비된 유-무기 복합 태양전지 구조를 예시한 것이다. 본 명세서에 따른 유-무기 복합 태양전지는 도 1의 적층 구조에 한정되지 않으며, 추가의 부재가 더 포함될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함한다.
[화학식 1]
AMX3
[화학식 2]
A'yA''(1-y)M'X'ZX''(3-z)
상기 화학식 1 또는 화학식 2에 있어서,
A' 및 A''은 서로 상이하고, A, A' 및 A''은 각각 CnH2n + 1NH3 +, NH4 +, HC(NH2)2 +, Cs+, NF4 +, NCl4 +, PF4 +, PCl4 +, CH3PH3 +, CH3AsH3 +, CH3SbH3 +, PH4 +, AsH4 + 및 SbH4 +에서 선택되는 1가의 양이온이며,
M 및 M'은 각각 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Bi2+, Pb2 + 및 Yb2 + 에서 선택되는 2가의 금속 이온이고,
X, X' 및 X''은 각각 할로겐 이온이며,
n은 1 내지 9의 정수이고,
0<y<1이며,
0<z<3이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층의 페로브스카이트 구조의 화합물은 단일 양이온을 포함할 수 있다. 본 명세서에 있어서 단일 양이온이란, 한 종류의 1가 양이온을 사용한 것을 의미한다. 즉, 화학식 1에 있어서 A로 한 종류의 1가 양이온만 선택된 것을 의미한다. 예컨대, 상기 화학식 1의 A는 CnH2n + 1NH3 + 이고, n은 1 내지 9의 정수일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층의 페로브스카이트 구조의 화합물은 복합 양이온을 포함할 수 있다. 본 명세서에 있어서 복합 양이온이란, 두 종류 이상의 1가 양이온을 사용한 것을 의미한다. 즉, 화학식 2에 있어서 A'및 A''으로 각각 서로 상이한 1가 양이온이 선택된 것을 의미한다. 예컨대, 상기 화학식 2의 A'은 CnH2n + 1NH3 +, A''은 HC(NH2)2 +이고, n은 1 내지 9의 정수일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 M 및 M'은 Pb2 +일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 공통층은 제1 금속 산화물 나노 입자를 포함하고, 상기 제2 공통층은 제2 금속 산화물 나노 입자를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 금속 산화물 나노 입자 및 상기 제2 금속 산화물 나노 입자는 각각 Ni 산화물, Cu 산화물, Zn 산화물, Ti 산화물 및 Sn 산화물 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 제1 금속 산화물 나노 입자와 상기 제2 금속 산화물 나노 입자는 서로 상이하다.
구체적으로, 상기 제1 금속 산화물 나노 입자는 Ni 산화물 및 Cu 산화물 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제2 금속 산화물 나노 입자는 Zn 산화물, Ti 산화물 및 Sn 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 공통층, 제2 공통층, 제3 공통층은 각각 전자수송층 또는 정공수송층을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 공통층은 정공수송층이고, 상기 제2 공통층은 제1 전자수송층이며, 상기 제2 공통층은 제2 전자수송층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 공통층은 전자수송층이고, 상기 제2 공통층은 제1 정공수송층이며, 상기 제3 공통층은 제2 정공수송층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제3 공통층은 플러렌 유도체를 포함할 수 있다. 이 경우 제3 공통층은 전자수송층이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 공통층의 두께는 3nm 내지 150nm일 수 있다. 본 명세서에 있어서, 제1 공통층의 두께는 제1 공통층이 제1 전극에 접하는 표면과, 제1 공통층이 광흡수층에 접하는 표면 사이의 너비를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 공통층의 두께는 3nm 내지 150nm일 수 있다. 본 명세서에 있어서, 제2 공통층의 두께는 제2 공통층이 광흡수층에 접하는 표면과, 제2 공통층이 제3 공통층에 접하는 표면 사이의 너비를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제3 공통층의 두께는 3nm 내지 150nm일 수 있다. 본 명세서에 있어서, 제3 공통층의 두께는 제3 공통층이 제2 공통층에 접하는 표면과, 제3 공통층이 제2 전극에 접하는 표면 사이의 너비를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층의 두께는 100nm 내지 1000nm일 수 있다.
본 명세서의 또 다른 일 실시상태는 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에 제1 공통층을 형성하는 단계;
상기 제1 공통층 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계;
상기 광흡수층 상에 제2 공통층을 형성하는 단계;
상기 제2 공통층 상에 제3 공통층을 형성하는 단계; 및
상기 제3 공통층 상에 구비된 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 공통층은 제1 금속 산화물 나노 입자를 포함하며,
상기 제2 공통층은 제2 금속 산화물 나노 입자를 포함하고,
상기 제3 공통층은 플러렌 유도체를 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 공통층을 형성하는 단계는 상기 제1 전극 상에 제1 금속 산화물 나노 입자와 제1 분산제를 포함하는 제1 용액을 코팅하는 단계를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 공통층을 형성하는 단계는 상기 광흡수층 상에 제2 금속 산화물 나노 입자와 제2 분산제를 포함하는 제2 용액을 코팅하는 단계를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서 상기 제1 용액 및 제2 용액은 각각 무극성 용매를 포함한다. 구체적으로, 상기 제1 용액 및 제2 용액은 각각 클로로벤젠, 다이클로로벤젠, 자일렌(xylen), 벤젠, 헥세인, 다이에틸이써 및 톨루엔 등이 있으나 이에만 한정되는 것은 아니다.
일반적으로, 금속 산화물 나노입자는 수계, 알코올계 등 극성 용매에 분산이 되어 있는데, 유-무기 복합 태양전지의 광흡수층에 적용되는 페로브스카이트 구조의 화합물의 경우 극성 용매에 취약하여, 광흡수층 상에 금속 산화물 나노입자를 적용시키는데 어려움이 있었다.
본 명세서의 일 실시상태에서는 분산제를 포함함으로써, 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층 상부에 금속 산화물 나노 입자가 포함된 무극성 용매의 적용이 가능한 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 분산제는 제1 분산제 및 제2 분산제 중 적어도 하나를 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 금속 산화물 나노 입자는 제1 금속 산화물 나노 입자 및 제2 금속 산화물 나노 입자 중 적어도 하나를 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 분산제는 4-비닐피리딘(4-vinylpridine), a-메틸스타이렌(a-methylstyrene), 부틸아크릴레이트(butyl acrylate), 폴리에틸렌글라이콜(polyethylene glycol), 이들의 혼합물 또는 이들의 중합체일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 용액은 상기 제1 분산제를 상기 금속 나노 입자 대비 0wt% 초과, 10wt% 이하로 포함한다. 분산제가 상기 범위를 만족할 경우, 소자 내부 전기적 저항 상승이 적어져, 높은 광전변환효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 용액은 상기 제2 분산제를 상기 금속 나노 입자 대비 0wt% 초과, 10wt% 이하로 포함한다. 분산제가 상기 범위를 만족할 경우, 소자 내부 전기적 저항 상승이 적어져, 높은 광전변환효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층은 스핀 코팅, 슬릿 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 브러쉬 페인팅 또는 열증착 방법을 통하여 형성될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 플러렌 유도체는 플러렌을 포함하고, 플러렌의 원자 중 일부가 다른 원자 또는 원자단에 의하여 치환된 화합물을 의미한다. 플러렌 유도체의 예로는 PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), ICBA(indene-C60 bisadduct) 및 ICMA(indene-C60 monoadduct) 등이 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 제3 공통층을 형성하는 단계는 플러렌 유도체를 포함하는 제3 용액을 제2 공통층 상에 코팅하는 단계를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제3 용액 내 플러렌 유도체는 0.1wt% 내지 5wt% 포함될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제3 용액은 클로로벤젠일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 용액, 제2 용액 및 제3 용액을 코팅하는 단계는 당업계에서 사용되는 방법이라면 모두 가능하다. 예컨대, 스핀 코팅, 딥 코팅 또는 스프레이 코팅일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 기판을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 기판은 제1 전극의 하부에 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급 용이성 및 방수성이 우수한 기판을 사용할 수 있다. 구체적으로, 유리 기판, 박막유리 기판 또는 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 상기 플라스틱 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyehtylene naphthalate, PEN), 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone) 및 폴리이미드(polyimide) 등의 필름이 단층 또는 복층의 형태로 포함될 수 있다. 다만, 상기 기판은 이에 한정되지 않으며, 유-무기 복합 태양전지에 통상적으로 사용되는 기판을 사용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2 전극은 캐소드일 수 있다. 또한, 상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 제2 전극은 애노드일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극은 투명 전극이고, 상기 유-무기 복합 태양전지는 상기 제1 전극을 경유하여 빛을 흡수하는 것일 수 있다.
상기 제1 전극이 투명 전극인 경우, 상기 제1 전극은 인듐주석산화물(indium-tin oxide, ITO), 인듐아연산화물(IZO) 또는 불소함유 산화주석(flourine-doped tin oxide, FTO)등과 같은 전도성 산화물일 수 있다. 나아가, 상기 제1 전극은 반투명전극일 수도 있다 상기 제1 전극이 반투명 전극인 경우, 은(Ag), 금(Au), 마그네슘(Mg) 또는 이들의 합금 같은 반투명 금속으로 제조될 수 있다. 반투명 금속이 제1 전극으로 사용되는 경우, 상기 유-무기 복합 태양전지는 미세공동구조를 가질 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전극이 투명 전도성 산화물층인 경우 상기 전극은 유리 및 석영판 이외에 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylene naphthelate, PEN), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시에틸렌(polyoxyethylene, POM), AS 수지 (acrylonitrile styrene copolymer), ABS 수지 (acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 트리아세틸셀룰로오스(triacetyl cellulose, TAC) 및 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR)등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질 위에 도전성을 갖는 물질이 도핑된 것이 사용될 수 있다.
구체적으로, 산화주석인듐(indium tin oxide, ITO), 플루오린이 도핑된 틴 옥사이드(fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드 (aluminium doped zinc oxide, AZO), IZO(indium zinc oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 ATO(antimony tin oxide) 등이 될 수 있으며, 보다 구체적으로 ITO일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 전극은 금속 전극일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 칼슘(Ca) 및 사마륨(Sm)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지가 n-i-p 구조일 수 있다. 본 명세서 따른 유-무기 복합 태양전지가 n-i-p 구조인 경우, 상기 제2 전극은 금속 전극, 산화물/금속 복합체 전극 또는 탄소 전극일 수 있다. 구체적으로, 제2 금속은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), MoO3/Au, MoO3/Ag MoO3/Al, V2O5/Au, V2O5/Ag, V2O5/Al, WO3/Au, WO3/Ag 또는 WO3/Al을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, n-i-p 구조는 제1 전극, 전자수송층, 광흡수층, 제1 정공수송층, 제2 정공수송층 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지가 p-i-n 구조일 수 있다. 본 명세서의 따른 유-무기 복합 태양전지가 p-i-n 구조인 경우, 상기 제2 전극은 금속 전극일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, p-i-n 구조는 제1 전극, 정공수송층, 광흡수층, 제1 전자수송층, 제2 전자수송층 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수송층은 스퍼터링, E-Beam, 열증착, 스핀 코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 제1 전극의 일면에 도포되거나 필름 형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 정공수송층이 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅, 열증착 등의 방법을 통해 도입될 수 있다.
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.
산화주석인듐(ITO)이 스퍼터링된 무알칼리 유리기판 상에 4.5wt%의 산화니켈(NiO) 및 산화니켈 나노 입자 대비 8wt%의 분산제가 자일렌(xylene)에 포함된 제1 용액을 스핀 코팅한 후 150℃에서 가열하였다. 그 후 페로브스카이트(FAxMA1 -xPBIyBr3-y, 0<x<1, 0<y<3)를 포함하는 광흡수층을 형성한 후 4.5wt%의 산화아연(ZnO) 및 산화아연 나노 입자 대비 8wt%의 분산제가 포함된 제2 용액을 스핀 코팅하고, 100℃에서 가열하였다. 추가로, PCBM((6,6)-phenyl-C-butyric acid-methyl ester)을 포함하는 용액을 스핀 코팅한 후 Ag를 진공증착하였다.
비교예 1.
산화주석인듐(ITO)이 스퍼터링된 무알칼리 유리기판 상에 2wt%의 이산화티타늄(TiO2)가 이소프로필알콜(isopropyl alcohol, IPA)용매에 포함된 용액을 스핀 코팅한 후 150℃에서 가열하였다. 그 후 페로브스카이트(FAxMA1 - xPBIyBr3 -y, 0<x<1, 0<y<3)를 포함하는 광흡수층을 형성한 후 7wt%의 Spiro-OMeTAD(2,2′,7,7′-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9′-spirobifluorene)가 포함된 용액을 스핀 코팅하고, Ag를 진공증착하였다.
비교예 2.
산화주석인듐(ITO)이 스퍼터링된 무알칼리 유리기판 상에 4.5wt%의 산화니켈(NiO) 및 산화니켈 나노 입자 대비 8wt%의 분산제가 자일렌(xylene)에 포함된 제1 용액을 스핀 코팅한 후 150℃에서 가열하였다. 그 후 페로브스카이트(FAxMA1 -xPBIyBr3-y, 0<x<1, 0<y<3)를 포함하는 광흡수층을 형성한 후 PCBM을 포함하는 용액을 스핀 코팅하였다. 추가로, 4.5wt%의 산화아연(ZnO) 및 산화아연 나노 입자 대비 8wt%의 분산제가 포함된 제2 용액을 스핀 코팅하고, 100℃에서 가열한 후 Ag를 진공증착하였다.
표 1에는 본 명세서의 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 성능을 나타내었으며, 도 2에는 본 명세서의 실시예에서 제조된 유-무기 복합 태양전지 단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타내었다.
| PCE (%) |
Jsc (mA/cm2) |
Voc (V) |
FF (%) |
|
| 실시예 | 4.4 | 10.43 | 1.01 | 42.0 |
| 비교예 1 | 0.0 | 0.96 | 0.01 | 0.2 |
| 비교예 2 | 1.3 | 3.0 | 0.7 | 59.0 |
표 1에서 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.
도 3(a)는 본 명세서의 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 시간에 따른 단락전류(Jsc) 변화 값을 나타낸 것이다.
도 3(b)는 본 명세서의 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 시간에 따른 개방전압(Voc) 변화 값을 나타낸 것이다.
도 3(c)는 본 명세서의 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 시간에 따른 효율(PCE) 변화 값을 나타낸 것이다.
도 3(d)는 본 명세서의 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 시간에 따른 충전율(FF) 변화 값을 나타낸 것이다.
상기 표 1 및 도 3의 단락전류(Jsc), 개방전압(Voc), 효율(PCE) 및 충전율(FF)은 상기 실시예 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지를 85℃ 진공 오븐에서 2시간 보관한 후 꺼내어 솔라시뮬레이터(solar simulator)의 기준 광량인 1SUN(100mW/cm2)하에서 측정하였다.
101: 기판
102: 제1 전극
103: 제1 공통층
104: 광흡수층
105: 제2 공통층
106: 제3 공통층
107: 제2 전극
102: 제1 전극
103: 제1 공통층
104: 광흡수층
105: 제2 공통층
106: 제3 공통층
107: 제2 전극
Claims (10)
- 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 구비된 제1 공통층;
상기 제1 공통층 상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 구비된 제2 공통층;
상기 제2 공통층 상에 구비된 제3 공통층; 및
상기 제3 공통층 상에 구비된 제2 전극을 포함하고,
상기 제1 공통층은 제1 금속 산화물 나노 입자를 포함하며,
상기 제2 공통층은 제2 금속 산화물 나노 입자를 포함하고,
상기 제3 공통층은 플러렌 유도체를 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 광흡수층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지:
[화학식 1]
AMX3
[화학식 2]
A'yA''(1-y)M'X'ZX''(3-z)
상기 화학식 1 또는 화학식 2에 있어서,
A' 및 A''은 서로 상이하고, A, A' 및 A''은 각각 CnH2n + 1NH3 +, NH4 +, HC(NH2)2 +, Cs+, NF4 +, NCl4 +, PF4 +, PCl4 +, CH3PH3 +, CH3AsH3 +, CH3SbH3 +, PH4 +, AsH4 + 및 SbH4 +에서 선택되는 1가의 양이온이며,
M 및 M'은 각각 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Bi2+, Pb2 + 및 Yb2 + 에서 선택되는 2가의 금속 이온이고,
X, X' 및 X''은 각각 할로겐 이온이며,
n은 1 내지 9의 정수이고,
0<y<1이며,
0<z<3이다. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 금속 산화물 나노 입자 및 제2 금속 산화물 나노 입자는 각각 Ni 산화물, Cu 산화물, Zn 산화물, Ti 산화물 및 Sn 산화물 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 제1 금속 산화물 나노 입자와 제2 금속 산화물 나노 입자는 서로 상이한 것인 유-무기 복합 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 금속 산화물 나노 입자는 Ni 산화물 및 Cu 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 제2 금속 산화물 나노 입자는 Zn 산화물, Ti 산화물 및 Sn 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지. - 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에 제1 공통층을 형성하는 단계;
상기 제1 공통층 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계;
상기 광흡수층 상에 제2 공통층을 형성하는 단계;
상기 제2 공통층 상에 제3 공통층을 형성하는 단계; 및
상기 제3 공통층 상에 구비된 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 공통층은 제1 금속 산화물 나노 입자를 포함하며,
상기 제2 공통층은 제2 금속 산화물 나노 입자를 포함하고,
상기 제3 공통층은 플러렌 유도체를 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지 제조방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 제1 공통층을 형성하는 단계는 상기 제1 전극 상에 제1 금속 산화물 나노 입자와 제1 분산제를 포함하는 제1 용액을 코팅하는 단계를 포함하고,
상기 제2 공통층을 형성하는 단계는 상기 광흡수층 상에 제2 금속 산화물 나노 입자와 제2 분산제를 포함하는 제2 용액을 코팅하는 단계를 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지 제조방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 제1 용액 및 제2 용액은 각각 무극성 용매를 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지 제조방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 제1 용액은 상기 제1 분산제를 상기 금속 나노 입자 대비 0wt% 초과, 10wt% 이하로 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지 제조방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 제2 용액은 상기 제2 분산제를 상기 금속 나노 입자 대비 0wt% 초과, 10wt% 이하로 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지 제조방법.
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