KR20190101741A - 유-무기 복합 태양전지 및 유-무기 복합 태양전지의 제조방법 - Google Patents
유-무기 복합 태양전지 및 유-무기 복합 태양전지의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 출원의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 구비되고, 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층; 상기 광활성층 상에 구비된 정공 수송층; 및 상기 정공 수송층 상에 구비된 제2 전극을 포함하고, 상기 광활성층은 상기 제1 전극과 직접 접하여 구비되며, 상기 유-무기 복합 태양전지는 조도 10 내지 5,000 lux인 광에 적용된다.
Description
본 명세서는 유-무기 복합 태양전지 및 유-무기 복합 태양전지의 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 각광받고 있다.
유-무기 복합 광활성층을 이용한 태양전지는 표준광원 하에서 20% 이상의 광전변환효율을 기록, 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 더불어 저광량에서의 효율증가 특성에 따라, 종래의 Si계 태양전지와 비교시 월등한 성능을 기대할 수 있다. 종래의 Si계 태양전지와의 경쟁을 위해서는 유-무기 복합 태양전지의 가격경쟁력을 갖추어야 한다. 이를 위한 저가 재료 도입은 물론, 구조 단순화 등 여러 가지 시도가 필요하다. 또한, 유-무기 복합 태양전지의 구조 단순화를 하더라도, 종래의 소자 대비하여 성능 저하도를 최소화하여야 하는 문제점은 여전히 남아 있다.
본 출원은 안정성 및 에너지 변환 효율이 우수한 유-무기 복합 태양전지 및 유-무기 복합 태양전지의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 출원의 일 실시상태는,
제1 전극;
상기 제1 전극 상에 구비되고, 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층;
상기 광활성층 상에 구비된 정공 수송층; 및
상기 정공 수송층 상에 구비된 제2 전극을 포함하는 유-무기 복합 태양전지이고,
상기 광활성층은 상기 제1 전극과 직접 접하여 구비되며,
상기 유-무기 복합 태양전지는 조도 10 내지 5,000 lux인 광에 적용되는 것인 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.
또한, 본 출원의 다른 실시상태는,
제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계;
상기 광활성층 상에 정공 수송층을 형성하는 단계; 및
상기 정공 수송층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유-무기 복합 태양전지의 제조방법이고,
상기 광활성층은 상기 제1 전극과 직접 접하여 구비되도록 형성되며,
상기 유-무기 복합 태양전지는 조도 10 내지 5,000 lux인 광에 적용되는 것인 유-무기 복합 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 출원의 일 실시상태에 따르면, 유-무기 복합 태양전지의 구조를 단순화함으로써, 공정비용 및 재료비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 조도 10 내지 5,000 lux의 저광량에서 종래의 소자보다 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 본 출원의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 넓은 광스펙트럼을 흡수할 수 있어, 광 에너지 손실이 줄고, 에너지 변환 효율이 상승하는 효과가 있다.
또한, 본 출원의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 내광성을 향상시키는 효과가 있다. 종래 사용하는 광활성층인 이산화티타늄(TiO2)은 광 조사시 인접하고 있는 페로브스카이트 광활성층과 반응을 하고, 이로 인한 내광성 저하 문제가 있다. 따라서, 이를 제거함으로써 내광성을 개선하는 효과가 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 본 출원의 실시예 1 및 비교예 1의 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 3은 본 출원의 실시예 1 및 비교예 1의 유-무기 복합 태양전지 구동수명 특성을 나타낸 도이다.
도 2는 본 출원의 실시예 1 및 비교예 1의 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 3은 본 출원의 실시예 1 및 비교예 1의 유-무기 복합 태양전지 구동수명 특성을 나타낸 도이다.
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 출원의 일 실시상태에 따른 따른 유-무기 복합태양전지는, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 구비되고, 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층; 상기 광활성층 상에 구비된 정공 수송층; 및 상기 정공 수송층 상에 구비된 제2 전극을 포함하고, 상기 광활성층은 상기 제1 전극과 직접 접하여 구비되며, 상기 유-무기 복합 태양전지는 조도 10 내지 5,000 lux인 광에 적용된다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 구조를 하기 도 1에 개략적으로 나타내었다. 구체적으로, 도 1은 기판(10) 상에 제1 전극(20)이 구비되고, 제1 전극(20) 상에 광활성층(30)이 구비되고, 광활성층(30) 상에 정공 수송층(40)이 구비되며, 정공 수송층(40) 상에 제2 전극(50)이 구비된 유-무기 복합 태양전지 구조를 예시한 것이다. 본 출원의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 도 1의 적층 구조에 한정되지 않으며, 추가의 부재가 더 포함될 수 있다.
종래의 유-무기 복합 태양전지는 ITO와 같은 하부전극-전자 수송층-광활성층-정공 수송층-Au와 같은 상부전극으로 구성되어 있으나, 본 출원의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 전자 수송층을 배제하여 광활성층이 하부전극에 직접 접하여 구비됨으로써, 구조를 단순화할 수 있다.
또한, 종래의 유-무기 복합 태양전지는 조도가 약 15만 내지 20만 lux인 태양광에 적용하였으나, 본 출원의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 조도가 10 내지 5,000 lux인 광에 적용하는 것을 특징으로 한다. 상기 조도가 10 내지 5,000 lux인 광은 실내광일 수 있다. 본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 조도가 50 내지 3,000 lux인 광에 적용될 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에서는, 유-무기 복합 태양전지 내에서 전자 수송층을 배제하여 구조를 단순화함으로써 공재비용 및 재료비을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 조도가 10 내지 5,000 lux인 저광량에서도 종래의 유-무기 복합 태양전지보다 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있다. 전류 밀도가 낮을 시, 트랩(trap) 밀도에 의하여 수송 특성이 영향을 받는다. 따라서, 본 출원의 일 실시상태에서는, 전자 수송층을 배제하여 전자 수송층에 존재하는 트랩(trap)의 영향을 배제하여 기존 소자 대비 개선된 특성을 얻을 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함한다.
[화학식 1]
R1M1X13
[화학식 2]
R2aR3(1-a)M2X2zX3(3-z)
[화학식 3]
R4bR5cR6dM3X4z'X5(3-z')
상기 화학식 1 내지 3에 있어서,
R2 및 R3는 서로 상이하고, R4, R5 및 R6는 서로 상이하며,
R1 내지 R6는 각각 독립적으로 CnH2n + 1NH3 +, NH4 +, HC(NH2)2 +, Cs+, Rb+, NF4 +, NCl4 +, PF4 +, PCl4 +, CH3PH3 +, CH3AsH3 +, CH3SbH3 +, PH4 +, AsH4 + 및 SbH4 +에서 선택되는 1가의 양이온이며,
M1 내지 M3는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2+, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Bi2 +, Pb2 + 및 Yb2 +에서 선택되는 2가의 금속 이온이고,
X1 내지 X5는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 이온이며,
n은 1 내지 9의 정수이고,
a는 0 < a < 1의 실수이며,
b는 0 < b < 1의 실수이고,
c는 0 < c < 1의 실수이며,
d는 0 < d < 1의 실수이고,
b + c + d는 1이고,
z는 0 < z < 3의 실수이며,
z'은 0 < z' < 3의 실수이다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층의 페로브스카이트 구조의 화합물은 단일 양이온을 포함할 수 있다. 본 출원에 있어서 단일 양이온이란, 한 종류의 1가 양이온을 사용한 것을 의미한다. 즉, 화학식 1에 있어서 R1으로 한 종류의 1가 양이온만 선택된 것을 의미한다. 예컨대, 상기 화학식 1의 R1은 CnH2n + 1NH3 + 이고, n은 1 내지 9의 정수일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층의 페로브스카이트 구조의 화합물은 복합 양이온을 포함할 수 있다. 본 출원에 있어서 복합 양이온이란, 두 종류 이상의 1가 양이온을 사용한 것을 의미한다. 즉, 화학식 2에서 R2 및 R3가 각각 서로 상이한 1가 양이온이 선택되고, 화학식 3에서 R4 내지 R6가 각각 서로 상이한 1가의 양이온이 선택된 것을 의미한다. 예컨대, 상기 화학식 2의 R2는 CnH2n+1NH3 +, R3는 HC(NH2)2 +일 수 있다. 또한, 상기 화학식 3의 R4는 CnH2n + 1NH3 +, R5는 HC(NH2)2 +, R6는 Cs+일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 내지 R6는 각각 CnH2n + 1NH3 +, HC(NH2)2 + 또는 Cs+이다. 이 때, R2와 R3는 서로 상이하고, R4 내지 R6는 서로 상이하다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1은 CH3NH3 +, HC(NH2)2 + 또는 Cs+이다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 R2 및 R4는 각각 CH3NH3 +이다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 R3 및 R5는 각각 HC(NH2)2 +이다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 R6는 Cs+이다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 M1 내지 M3는 각각 Pb2 +이다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 X2 및 X3는 서로 상이하다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 X4 및 X5는 서로 상이하다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 내지 X5는 각각 F 또는 Br이다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 R2 및 R3의 합이 1이 되기 위하여, a는 0 < a < 1의 실수이다. 또한, 상기 R4 내지 R6의 합이 1이 되기 위하여, b는 0 < b < 1의 실수이고, c는 0 < c < 1의 실수이며, d는 0 < d < 1의 실수이며, b + c + d는 1이다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 X2 및 X3의 합이 3이 되기 위하여, z는 0 < z < 3의 실수이다. 또한, 상기 X4 및 X5의 합이 3이 되기 위하여, z'는 0 < z' < 3의 실수이다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 CH3NH3PbI3, HC(NH2)2PbI3, CH3NH3PbBr3, HC(NH2)2PbBr3, (CH3NH3)a(HC(NH2)2)(1-a)PbIzBr(3-z) 또는 (CH3NH3)b(HC(NH2)2)cCsdPbIz'Br(3-z')이고, a는 0 < a < 1의 실수이고, b는 0 < b < 1의 실수이며, c는 0 < c < 1의 실수이고, d는 0 < d < 1의 실수이며, b + c + d는 1이고, z는 0 < z < 3의 실수이며, z'는 0 < z' < 3의 실수일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층의 두께는 100nm 내지 1,000nm 일 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 기판을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 기판은 제1 전극의 하부에 구비될 수 있다.
본 출원의 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 출원의 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 출원의 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 인듐 주석 산화물(indium-tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(IZO) 또는 불소 함유 산화주석(flourine-doped tin oxide, FTO) 등과 같은 전도성 산화물일 수 있다. 나아가, 상기 제1 전극은 반투명 전극일 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 미세 공동구조를 가질 수 있다.
본 출원의 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 butadienestyrene copolymer), 트리아세틸셀룰로오스(triacetyl cellulose, TAC), 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR) 등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질 위에 도전성을 갖는 물질이 도핑된 것이 사용될 수 있다.
구체적으로, 산화 주석 인듐(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 출원의 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 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 전극은 비금속 전극일 수 있다. 구체적으로, 상기 비금속 전극은 카본 페이스트, PEDOT 등을 1종 이상 포함할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 정공 수송층은 Valence band 기준 에너지 레벨이 4.9 내지 5.4eV인 물질을 이용할 수 있다. 또한, 본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 정공 수송층은 터셔리부틸피리딘(tertiary butylpyridine, tBP), 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(Lithium Bis(Trifluoro methanesulfonyl)Imide, LiTFSI), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS), 2,2',7,7'-테트라키스(N,N-디-p-메톡시페닐아민)-9,9'-스피로비플루오렌(2,2',7,7'-tetrakis(N,N-di-pmethoxyphenylamine)-9,9'-spirobifluorene, Spiro-OMeTAD) 등을 사용할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 정공 수송층은 CuxO, CuSCN,NiO, CoO, CuI등을 사용할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 제조방법은, 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 상기 광활성층 상에 정공 수송층을 형성하는 단계; 및 상기 정공 수송층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 광활성층은 상기 제1 전극과 직접 접하여 구비되도록 형성되며, 상기 유-무기 복합 태양전지는 조도 10 내지 5,000 lux인 광에 적용된다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 제조방법에 있어서, 제1 전극, 광활성층, 정공 수송층, 제2 전극 등에 대한 내용은 전술한 내용과 동일하다.
본 출원의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 광활성층은 상기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함할 수 있다.
본 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 광활성층은 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 출원의 일 실시상태에 있어서, 상기 정공 수송층은 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅, 열증착 등의 방법을 통하여 형성될 수 있다.
이하, 본 출원을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 출원에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 출원의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 출원의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<
실시예
>
<
실시예
1>
산화 주석 인듐(ITO)이 스퍼터링된 무알칼리 유리 기판 상에 페로브스카이트 전구체((HC(NH2)2)x(CH3NH3)yCs1-x-yPbIzBr3-z(0 < x < 1, 0 < y <1, 0.8 < x+y < 1, 0 < z < 3))와 페로브스카이트 전구체 대비 0.05 wt%의 불소계 계면활성제(3M 社, FC-4430)를 디메틸포름아미드(dimethylformamide)에 녹인 용액을 5,000rpm으로 스핀코팅 후 150℃에서 30분간 건조하여 광활성층을 형성하였다. 이후 Spiro-OMeTAD를 클로로벤젠(chlorobenzene)에 녹인 후 터셔리부틸피리딘(tBP) 및 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(LiTFSI)를 첨가한 용액을 스핀 코팅한 후 Au를 진공 증착하였다.
<
비교예
1>
산화 주석 인듐(ITO)이 스퍼터링된 무알칼리 유리 기판 상에 이산화티타늄(TiO2) 나노입자 분산액(입도 20nm, 고형분 2%)을 2,500rpm으로 스핀코팅 후 150℃에서 1시간 열처리 하였다. 이후 페로브스카이트 전구체((HC(NH2)2)x(CH3NH3)yCs1 -x-yPbIzBr3-z(0 < x < 1, 0 < y <1, 0.8 < x+y < 1, 0 < z < 3))와 페로브스카이트 전구체 대비 0.05 wt%의 불소계 계면활성제(3M 社, FC-4430)를 디메틸포름아미드(dimethylformamide)에 녹인 용액을 5,000rpm으로 스핀코팅 후 150℃에서 30분간 건조하여 광활성층을 형성하였다. 이후 Spiro-OMeTAD를 클로로벤젠(chlorobenzene)에 녹인 후 터셔리부틸피리딘(tBP) 및 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(LiTFSI)를 첨가한 용액을 스핀 코팅한 후 Au를 진공 증착하였다.
<
실험예
>
표 1에는 본 출원의 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 성능을 나타내었다.
[표 1]
상기 표 1에서 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류를, FF는 충전율(Fill factor)를, P는 출력 전류밀도를 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 넓이의 최대값을 단락전류와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세 가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율(PCE)을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다.
다만, 통상 태양전지의 에너지 변환 효율은 태양광 모사기와 같은 광량 보정이 완료된 표준광원에서 측정하는 것이 의미가 있으며, 실내광 등의 비표준화된 광원에서는 PCE보다는 출력 전류밀도로 표현하는 것이 바람직하다. 여기서 출력 전류밀도는 상기 표 1에서의 개방전압과 단락전류 및 충전율의 곱으로 계산할 수 있다. 일반적으로 잘 알려진 결정질 Si 태양전지의 경우, 400 lux조도에서의 단위면적당 출력은 약 10 μW/cm2 이다.
상기 표 1에서 기재한 실시예 1 및 비교예 1의 측정방법은 다음과 같다. 실시예 1과 비교예 1은 암실에서 실온(20 ~ 25℃), 습도제어 없는 조건(50% 이내)에서 백색 발광다이오드 광원을 설치하고, 광원으로부터 40cm 떨어진 바닥에 서, 조도계(미놀타 T-10)로 광량을 측정하여 400lux가 되는 출력으로 고정하였다. 이후 동일한 바닥에 전류-전압측정 장비(Keithley 2400 및 구동 컴퓨터, 소프트웨어)와 연결된 페로브스카이트 태양전지를 연결한 다음 전류-전압 그래프를 얻었고, 그 결과를 하기 도 2에 나타내었다.
또한, 실시예 1 및 비교예 1의 소자를 금속 필름과 건조제가 포함된 봉지필름을 사용하여 봉지 후 실온(20 ~ 25℃), 습도제어 없는 조건(50% 이내)에서 조도계로 보정한 백색 발광소자 광원을 사용하여 일정 시간 간격으로 측정하였다. 각 측정 시 기록한 전류-전압 그래프에서 전류밀도를 계산한 후, 이의 시간에 따른 변화를 도 3에 표시하였다.
상기 결과와 같이, 본 출원의 일 실시상태에 따르면, 유-무기 복합 태양전지의 구조를 단순화함으로써, 공정비용 및 재료비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 조도 10 내지 5,000 lux의 저광량에서 종래의 소자보다 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 본 출원의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 넓은 광스펙트럼을 흡수할 수 있어, 광 에너지 손실이 줄고, 에너지 변환 효율이 상승하는 효과가 있다.
10: 기판
20: 제1 전극
30: 광활성층
40: 정공 수송층
50: 제2 전극
20: 제1 전극
30: 광활성층
40: 정공 수송층
50: 제2 전극
Claims (5)
- 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 구비되고, 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층;
상기 광활성층 상에 구비된 정공 수송층; 및
상기 정공 수송층 상에 구비된 제2 전극을 포함하는 유-무기 복합 태양전지이고,
상기 광활성층은 상기 제1 전극과 직접 접하여 구비되며,
상기 유-무기 복합 태양전지는 조도가 10 내지 5,000 lux인 광에 적용되는 것인 유-무기 복합 태양전지. - 청구항 1에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 조도가 50 내지 3,000 lux인 광에 적용되는 것인 유-무기 복합 태양전지.
- 청구항 1에 있어서, 상기 광활성층은 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지:
[화학식 1]
R1M1X13
[화학식 2]
R2aR3(1-a)M2X2zX3(3-z)
[화학식 3]
R4bR5cR6dM3X4z'X5(3-z')
상기 화학식 1 내지 3에 있어서,
R2 및 R3는 서로 상이하고, R4, R5 및 R6는 서로 상이하며,
R1 내지 R6는 각각 독립적으로 CnH2n + 1NH3 +, NH4 +, HC(NH2)2 +, Cs+, Rb+, NF4 +, NCl4 +, PF4 +, PCl4 +, CH3PH3 +, CH3AsH3 +, CH3SbH3 +, PH4 +, AsH4 + 및 SbH4 +에서 선택되는 1가의 양이온이며,
M1 내지 M3는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2+, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Bi2 +, Pb2 + 및 Yb2 +에서 선택되는 2가의 금속 이온이고,
X1 내지 X5는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 이온이며,
n은 1 내지 9의 정수이고,
a는 0 < a < 1의 실수이며,
b는 0 < b < 1의 실수이고,
c는 0 < c < 1의 실수이며,
d는 0 < d < 1의 실수이고,
b + c + d는 1이고,
z는 0 < z < 3의 실수이며,
z'은 0 < z' < 3의 실수이다. - 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계;
상기 광활성층 상에 정공 수송층을 형성하는 단계; 및
상기 정공 수송층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 유-무기 복합 태양전지의 제조방법이고,
상기 광활성층은 상기 제1 전극과 직접 접하여 구비되도록 형성되며,
상기 유-무기 복합 태양전지는 조도 10 내지 5,000 lux인 광에 적용되는 것인 유-무기 복합 태양전지의 제조방법. - 청구항 4에 있어서, 상기 광활성층은 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지의 제조방법:
[화학식 1]
R1M1X13
[화학식 2]
R2aR3(1-a)M2X2zX3(3-z)
[화학식 3]
R4bR5cR6dM3X4z'X5(3-z')
상기 화학식 1 내지 3에 있어서,
R2 및 R3는 서로 상이하고, R4, R5 및 R6는 서로 상이하며,
R1 내지 R6는 각각 독립적으로 CnH2n + 1NH3 +, NH4 +, HC(NH2)2 +, Cs+,Rb+, NF4 +, NCl4 +, PF4 +, PCl4 +, CH3PH3 +, CH3AsH3 +, CH3SbH3 +, PH4 +, AsH4 + 및 SbH4 +에서 선택되는 1가의 양이온이며,
M1 내지 M3는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2+, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Bi2 +, Pb2 + 및 Yb2 +에서 선택되는 2가의 금속 이온이고,
X1 내지 X5는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 이온이며,
n은 1 내지 9의 정수이고,
a는 0 < a < 1의 실수이며,
b는 0 < b < 1의 실수이고,
c는 0 < c < 1의 실수이며,
d는 0 < d < 1의 실수이고,
b + c + d는 1이고,
z는 0 < z < 3의 실수이며,
z'은 0 < z' < 3의 실수이다.
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