KR20200009698A - Perovskite solar cells - Google Patents

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KR20200009698A KR1020180084383A KR20180084383A KR20200009698A KR 20200009698 A KR20200009698 A KR 20200009698A KR 1020180084383 A KR1020180084383 A KR 1020180084383A KR 20180084383 A KR20180084383 A KR 20180084383A KR 20200009698 A KR20200009698 A KR 20200009698A
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Abstract

The present invention relates to a perovskite solar cell with improved photoelectric conversion efficiency. According to the present invention, the perovskite solar cell is configured with a transparent substrate, a lower electrode layer arranged on an upper side of the transparent substrate, a metal oxide layer arranged on an upper side of the lower electrode layer, a ferroelectric layer arranged on an upper side of the metal oxide layer, a light absorbing layer arranged on an upper side of the ferroelectric layer, a hole transport layer arranged on an upper side of the light absorbing layer, and an upper electrode layer arranged on an upper side of the hole transport layer. The ferroelectric layer is characterized to be polarized by the application of a voltage through the lower electrode layer and the upper electrode layer.

Description

페로브스카이트 태양전지{PEROVSKITE SOLAR CELLS}Perovskite Solar Cells {PEROVSKITE SOLAR CELLS}

본 발명은 페로브스카이트 태양전지에 관한 것으로, 특히 광전변환 효율이 보다 향상된 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a perovskite solar cell, and more particularly to a perovskite solar cell with improved photoelectric conversion efficiency.

최근에 이르러 청정 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는데 대한 관심도 크게 증가되고 있다.Recently, as interest in clean energy has increased, interest in generating power using solar light has also increased.

태양 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 소자를 통상 솔라셀 또는 태양전지로서 칭하고 있다. 태양전지는 그 구조에에 따라 실리콘 태양전지 등의 무기 태양전지와 염료감응형 태양전지 등의 유기 태양전지로로 구분할 수 있다. 특히 최근에는 무기 태양전지와 유기 태양전지의 중간 형태로서 양측의 장점을 갖추고 있는 페로브스카이트 태양전지가 소개된 바 있다. 이 페로브스카이트 태양전지는 기존의 유기 또는 무기 태양전지에 비해 매우 높은 광전변환효율을 갖기 때문에 급속도로 관심이 높아지고 있다.Devices that produce electric power using solar energy are commonly referred to as solar cells or solar cells. Solar cells can be classified into inorganic solar cells such as silicon solar cells and organic solar cells such as dye-sensitized solar cells according to their structure. In particular, a perovskite solar cell having both advantages as an intermediate form between an inorganic solar cell and an organic solar cell has been introduced. This perovskite solar cell is rapidly increasing interest because it has a very high photoelectric conversion efficiency compared to conventional organic or inorganic solar cells.

페로브스카이트 태양전지에 대해서는 대한민국 등록특허 제10-1638366호(명칭: 페로브스카이트 태양전지용 전자전달층의 형성방법 및 페로브스카이트 태양전지)와 등록특허 제10-1819954호(명칭: 페로브스카이트 광흡수층 및 이에 의해 제조된 광흡수층을 포함하는 태양전지) 등에 개시되어 있다.Regarding the perovskite solar cell, Korean Patent No. 10-1638366 (name: method for forming an electron transport layer for perovskite solar cell and perovskite solar cell) and Patent No. 10-1819954 (name: Perovskite light absorbing layer and a solar cell comprising the light absorbing layer produced thereby) and the like.

본 발명은 페로브스카이트 태양전지의 광전변환 효율을 보다 향상시킬 수 있도록 된 페로브스카이트 태양전지를 제공함에 기술적 목적이 있다.The present invention has a technical object to provide a perovskite solar cell that can further improve the photoelectric conversion efficiency of the perovskite solar cell.

상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 페로브스카이트 태양전지는 투명 기판과, 상기 투명기판의 상측에 배치되는 하부 전극층, 상기 하부 전극층의 상측에 배치되는 금속산화물층, 상기 금속 산화물층의 상측에 배치되는 강유전체층, 상기 강유전체층의 상측에 배치되는 광흡수층, 상기 광흡수층의 상측에 배치되는 정공수송층 및, 상기 정공수송층의 상측에 배치되는 상부 전극층을 구비하여 구성되고, 상기 강유전체층은 하부 전극층과 상부 전극층을 통한 전압 인가를 통해 분극화되는 것을 특징으로 한다.The perovskite solar cell according to the first aspect of the present invention for achieving the above object is a transparent substrate, a lower electrode layer disposed on the upper side of the transparent substrate, a metal oxide layer disposed on the lower electrode layer, the metal And a ferroelectric layer disposed above the oxide layer, a light absorbing layer disposed above the ferroelectric layer, a hole transport layer disposed above the light absorbing layer, and an upper electrode layer disposed above the hole transport layer. The ferroelectric layer is characterized in that it is polarized by applying a voltage through the lower electrode layer and the upper electrode layer.

또한 상기 강유전체층은 하부 전극층의 외곽 부위에 설치되는 것을 특징으로 한다.In addition, the ferroelectric layer is characterized in that it is provided on the outer portion of the lower electrode layer.

또한 상기 강유전체층은 하부 전극층의 중앙 부위에 설치되는 것을 특징으로 한다.In addition, the ferroelectric layer is characterized in that provided in the central portion of the lower electrode layer.

또한 상기 강유전체층은 투명한 재질의 강유전 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the ferroelectric layer is characterized in that composed of a ferroelectric material of a transparent material.

본 발명의 제2 관점에 따른 페로브스카이트 태양전지는 투명 기판과, 상기 투명기판의 상측에 배치되는 하부 전극층, 상기 하부 전극층의 상측에 배치되는 금속산화물층, 상기 금속산화물층의 상측에 배치되는 광흡수층, 상기 광흡수층의 상측에 배치되는 강유전체층, 상기 강유전체층의 상측에 배치되는 정공수송층 및, 상기 정공수송층의 상측에 배치되는 상부 전극층을 구비하여 구성되고, 상기 강유전체층은 하부 전극층과 상부 전극층을 통한 전압 인가를 통해 분극화되는 것을 특징으로 한다.The perovskite solar cell according to the second aspect of the present invention includes a transparent substrate, a lower electrode layer disposed on the transparent substrate, a metal oxide layer disposed on the lower electrode layer, and an upper side of the metal oxide layer. And a light absorbing layer, a ferroelectric layer disposed above the light absorbing layer, a hole transport layer disposed above the ferroelectric layer, and an upper electrode layer disposed above the hole transport layer, wherein the ferroelectric layer includes a lower electrode layer. It is characterized in that the polarization through the application of a voltage through the upper electrode layer.

본 발명의 제3 관점에 따른 페로브스카이트 태양전지는 투명 기판과, 상기 투명기판의 상측에 배치되는 하부 전극층, 상기 하부 전극층의 상측에 배치되는 금속산화물층, 상기 금속산화물층의 상측에 배치되는 광흡수층, 상기 광흡수층의 상측에 배치되는 정공수송층, 상기 정공수송층의 상측에 배치되는 강유전체층 및, 상기 강유전체층의 상측에 배치되는 상부 전극층을 구비하여 구성되고, 상기 강유전체층은 하부 전극층과 상부 전극층을 통한 전압 인가를 통해 분극화되는 것을 특징으로 한다.The perovskite solar cell according to the third aspect of the present invention includes a transparent substrate, a lower electrode layer disposed above the transparent substrate, a metal oxide layer disposed above the lower electrode layer, and an upper side of the metal oxide layer. And a light absorbing layer, a hole transport layer disposed above the light absorbing layer, a ferroelectric layer disposed above the hole transport layer, and an upper electrode layer disposed above the ferroelectric layer, wherein the ferroelectric layer includes a lower electrode layer. It is characterized in that the polarization through the application of a voltage through the upper electrode layer.

상기한 구성으로 된 본 발명에 의하면, 강유전체층의 분극전계에 의해 광흡수층에서 생성된 전자 및 정공이 가속됨과 더불어 재결합이 방지됨으로써 태양전지의 광전변환 효율이 높아지게 된다.According to the present invention having the above-described configuration, the electrons and holes generated in the light absorption layer are accelerated by the polarization field of the ferroelectric layer, and recombination is prevented, thereby increasing the photoelectric conversion efficiency of the solar cell.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 도 1에서 강유전체층(7)의 배치 구조의 일례를 나타낸 평면도.
도 3은 도 1에서 강유전체층(7)의 배치 구조의 다른 예를 나타낸 평면도.1 is a cross-sectional view showing the structure of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing an example of an arrangement structure of the ferroelectric layer 7 in FIG.
3 is a plan view showing another example of an arrangement structure of the ferroelectric layer 7 in FIG.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 단 이하에서 설명하는 실시예는 본 발명의 하나의 바람직한 구현 예를 나타낸 것으로서, 이러한 실시예의 예시는 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 그 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiments described below show one preferred embodiment of the present invention, and examples of such embodiments are not intended to limit the scope of the present invention. The present invention can be carried out in various modifications without departing from the spirit thereof.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the structure of a perovskite solar cell according to a first embodiment of the present invention.

도 1에서, 유리 등의 투명 기판(1)상에는 ITO 등의 투명 전극으로 이루어지는 하부 전극층(2)이 설치된다. 이어 하부 전극층(2)의 상측에는 예컨대 TiO2 등의 다공질 물질로 구성되는 금속산화물층(3)과, 페로브스카이트로 구성되는 광흡수층(4) 및, 정공수송층(5)이 순차적으로 적층 형성되고, 정공수송층(5)의 상측에는 금(Au) 등의 도전성 물질로 구성되는 상부 전극층(6)이 형성된다. 이들 구조는 통상적인 페로브스카이트 태양전지와 실질적으로 동일하다.In FIG. 1, the lower electrode layer 2 which consists of transparent electrodes, such as ITO, is provided on the transparent substrate 1, such as glass. Subsequently, a metal oxide layer 3 composed of a porous material such as TiO 2 , a light absorption layer 4 composed of a perovskite, and a hole transport layer 5 are sequentially stacked on the lower electrode layer 2 . On the upper side of the hole transport layer 5, an upper electrode layer 6 made of a conductive material such as gold (Au) is formed. These structures are substantially the same as conventional perovskite solar cells.

한편, 본 실시 예에 있어서는 하부 전극층(2)과 금속산화물층(2)의 사이에 강유전 물질로 구성되는 강유전체층(7)이 구비된다. 이때 강유전 물질로서는 예컨대 유기물 강유전 물질, 유기물 강유전 물질과 유기물의 혼합물, 유기물 강유전 물질과 금속의 혼합물, 유기물과 무기물 강유전 물질의 혼합물 또는 유기물 강유전 물질과 무기물 강유전 물질의 혼합물 등이 채용될 수 있다. 또한 상기 강유전 물질로서는 광투과성을 고려하여 바람직하게 β상 PVDF가 채용될 수 있다.In the present embodiment, a ferroelectric layer 7 made of a ferroelectric material is provided between the lower electrode layer 2 and the metal oxide layer 2. In this case, as the ferroelectric material, for example, an organic ferroelectric material, a mixture of organic ferroelectric materials and an organic material, a mixture of organic ferroelectric materials and a metal, a mixture of organic and inorganic ferroelectric materials, or a mixture of an organic ferroelectric material and an inorganic ferroelectric material may be employed. In addition, β-phase PVDF may be preferably used as the ferroelectric material in consideration of light transmittance.

상기 강유전체층(7)은 강유전물질로 구성된다. 따라서 금속산화물층(2)으로부터 하부 전극층(2)으로의 원활한 전자 이동성을 제공하기 위해, 또한 광흡수층(4)으로의 광투과성을 고려하여 바람직하게 강유전체층(7)은 하부 전극층(2)의 전체 표면상에 설치되지 않고 일부 영역에 제한적으로 배치된다.The ferroelectric layer 7 is made of ferroelectric material. Therefore, in order to provide smooth electron mobility from the metal oxide layer 2 to the lower electrode layer 2, and also in consideration of the light transmittance to the light absorbing layer 4, the ferroelectric layer 7 is preferably formed of the lower electrode layer 2. It is not placed on the entire surface and is limited in some areas.

도 2 및 도 3은 상기 강유전체층(7)의 배치 구조 예를 나타낸 평면도이다. 도 2에 있어서는 강유전체층(7)이 하부 전극층(2)의 외곽 부위에 배치되고, 도 3에 있어서는 강유전체층(7)이 하부 전극층(2)의 중앙 부분에 배치된다. 그리고 강유전체층(7)이 배치되지 않는 영역에서는 하부 전극층(2)과 금속산화물층(3)이 직접적으로 접촉될 것이다. 물론, 강유전체층(7)의 배치 구조 및 배치 형상은 특정한 예에 한정되지 않고 다양하게 변형시켜 적용할 수 있다.2 and 3 are plan views showing an example of the arrangement structure of the ferroelectric layer 7. In FIG. 2, the ferroelectric layer 7 is disposed at the outer portion of the lower electrode layer 2, and in FIG. 3, the ferroelectric layer 7 is disposed at the center portion of the lower electrode layer 2. In the region where the ferroelectric layer 7 is not disposed, the lower electrode layer 2 and the metal oxide layer 3 will directly contact each other. Of course, the arrangement structure and arrangement shape of the ferroelectric layer 7 is not limited to a specific example and can be variously modified and applied.

도 1에서 페로브스카이트 태양전지는 투명 기판(1)을 통해 광이 입사하여 광흡수층(4)에 도달하면, 광흡수층(4)에서 전자 및 정공이 형성된다. 그리고 이때 생성된 전자는 금속산화물층(2)을 통해 하부 전극층(2)으로 전달되고, 정공은 정공수송층(5)을 통해 상부 전극층(6)으로 전달됨으로써 태양전지로부터 외부로 전류가 공급된다. 그런데, 상기 태양전지에서는 광흡수층(4)에서의 전자와 정공의 이동속도에 차이가 발생하고, 전자와 정공의 재결합이 발생됨으로써 태양전지의 광전변환효율이 저하된다.In FIG. 1, when light enters through the transparent substrate 1 and reaches the light absorbing layer 4, the perovskite solar cell has electrons and holes formed in the light absorbing layer 4. In this case, the generated electrons are transferred to the lower electrode layer 2 through the metal oxide layer 2, and holes are transferred to the upper electrode layer 6 through the hole transport layer 5 to supply current from the solar cell to the outside. However, in the solar cell, a difference occurs in the movement speed of electrons and holes in the light absorption layer 4, and recombination of electrons and holes occurs, thereby degrading the photoelectric conversion efficiency of the solar cell.

본 발명의 도 1 구조에서 상기 강유전체층(7)은 분극화된다. 강유전체층(7)의 분극화는 하부 전극층(1)과 상부 전극층(6)에 외부로부터 일정 이상의 고전압을 인가하는 방법을 통해 실행된다. 강유전체층(7)은 일정 이상의 전압이 가해지면 분극화되어 분극 전계를 생성한다. 분극 전계는 인가되는 전압의 극성에 따라 상측 또는 하측 방향으로 형성된다. 특히 강유전체층(7)은 일단 분극화가 실행되면 외부로부터 다시 고전압이 인가되기 전까지 분극 상태가 지속적으로 유지된다,In the structure of FIG. 1 of the present invention, the ferroelectric layer 7 is polarized. Polarization of the ferroelectric layer 7 is performed through a method of applying a high voltage or more from the outside to the lower electrode layer 1 and the upper electrode layer 6. The ferroelectric layer 7 is polarized when a predetermined voltage or more is applied to generate a polarized electric field. The polarized electric field is formed in the upper or lower direction depending on the polarity of the applied voltage. In particular, once the polarization is performed, the ferroelectric layer 7 is kept in a polarized state until a high voltage is applied again from the outside.

도 1에서 강유전체층(7)이 분극화되면 그 분극 전계에 의해 광흡수층(4)에서 생성된 전자 및 정공의 이동이 가속화된다. 특히 전계의 방향에 따라 전자와 정공은 서로 반대 방향으로 가속화된다. 따라서 광흡수층(4)의 전자 및 정공의 이동속도가 증가하여 전류의 흐름이 원활해짐과 더불어 그 재결합률이 저하됨으로써 태양전지의 광전변환 효율이 향상된다.In FIG. 1, when the ferroelectric layer 7 is polarized, the movement of electrons and holes generated in the light absorption layer 4 is accelerated by the polarized electric field. In particular, electrons and holes are accelerated in opposite directions depending on the direction of the electric field. Therefore, the movement speed of electrons and holes in the light absorption layer 4 increases, the current flows smoothly, and the recombination rate decreases, thereby improving the photoelectric conversion efficiency of the solar cell.

또한 도 1의 구성에 있어서는 금속산화물층(2)과 광흡수층(4)의 사이에 강유전체층(7)을 설치하는 것으로 설명하였다. 그러나 강유전체층(7)은 광흡수층(4)과 정공수송층(5)의 사이 또는 정공수송층(5)과 상부 전극층(6)의 사이에도 동일한 방식으로 설치할 수 있다. 그리고 이러한 경우에도 강유전체층(7)에 의한 분극 전계는 광흡수층(4)에서 생성되는 전자 및 정공에 동일한 방식으로 영향을 미칠 것이다.In addition, in the structure of FIG. 1, it demonstrated that the ferroelectric layer 7 was provided between the metal oxide layer 2 and the light absorption layer 4. As shown in FIG. However, the ferroelectric layer 7 may be provided in the same manner between the light absorption layer 4 and the hole transport layer 5 or between the hole transport layer 5 and the upper electrode layer 6. And even in this case, the polarized electric field by the ferroelectric layer 7 will affect the electrons and holes generated in the light absorbing layer 4 in the same manner.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.In the above, the Example of this invention was described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be carried out in various modifications without departing from the technical spirit of the present invention.

1: 투명 기판, 2: 하부 전극층,
3: 금속산화물층, 4: 광흡수층,
5: 정공수송층, 6: 상부 전극층,
7: 강유전체층.1: transparent substrate, 2: lower electrode layer,
3: metal oxide layer, 4: light absorption layer,
5: hole transport layer, 6: upper electrode layer,
7: ferroelectric layer.

Claims (6)

투명 기판과,
상기 투명기판의 상측에 배치되는 하부 전극층,
상기 하부 전극층의 상측에 배치되는 금속산화물층,
상기 금속 산화물층의 상측에 배치되는 강유전체층,
상기 강유전체층의 상측에 배치되는 광흡수층,
상기 광흡수층의 상측에 배치되는 정공수송층 및,
상기 정공수송층의 상측에 배치되는 상부 전극층을 구비하여 구성되고,
상기 강유전체층은 하부 전극층과 상부 전극층을 통한 전압 인가를 통해 분극화되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.With a transparent substrate,
A lower electrode layer disposed on the transparent substrate,
A metal oxide layer disposed on the lower electrode layer,
A ferroelectric layer disposed on the metal oxide layer,
A light absorption layer disposed on the ferroelectric layer,
A hole transport layer disposed above the light absorbing layer,
And having an upper electrode layer disposed above the hole transport layer,
The ferroelectric solar cell is characterized in that the ferroelectric layer is polarized by applying a voltage through the lower electrode layer and the upper electrode layer. 제1항에 있어서,
상기 강유전체층은 하부 전극층의 외곽 부위에 설치되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.The method of claim 1,
The ferroelectric solar cell is characterized in that the ferroelectric layer is installed on the outer portion of the lower electrode layer. 제1항에 있어서,
상기 강유전체층은 하부 전극층의 중앙 부위에 설치되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.The method of claim 1,
The ferroelectric solar cell, characterized in that the ferroelectric layer is installed in the central portion of the lower electrode layer. 제1항에 있어서,
상기 강유전체층은 투명한 재질의 강유전 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.The method of claim 1,
The ferroelectric layer is a perovskite solar cell, characterized in that consisting of a ferroelectric material of a transparent material. 투명 기판과,
상기 투명기판의 상측에 배치되는 하부 전극층,
상기 하부 전극층의 상측에 배치되는 금속산화물층,
상기 금속산화물층의 상측에 배치되는 광흡수층,
상기 광흡수층의 상측에 배치되는 강유전체층,
상기 강유전체층의 상측에 배치되는 정공수송층 및,
상기 정공수송층의 상측에 배치되는 상부 전극층을 구비하여 구성되고,
상기 강유전체층은 하부 전극층과 상부 전극층을 통한 전압 인가를 통해 분극화되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.With a transparent substrate,
A lower electrode layer disposed on the transparent substrate,
A metal oxide layer disposed on the lower electrode layer,
A light absorption layer disposed above the metal oxide layer;
A ferroelectric layer disposed on the light absorbing layer,
A hole transport layer disposed on the ferroelectric layer,
And having an upper electrode layer disposed above the hole transport layer,
The ferroelectric solar cell is characterized in that the ferroelectric layer is polarized by applying a voltage through the lower electrode layer and the upper electrode layer. 투명 기판과,
상기 투명기판의 상측에 배치되는 하부 전극층,
상기 하부 전극층의 상측에 배치되는 금속산화물층,
상기 금속산화물층의 상측에 배치되는 광흡수층,
상기 광흡수층의 상측에 배치되는 정공수송층,
상기 정공수송층의 상측에 배치되는 강유전체층 및,
상기 강유전체층의 상측에 배치되는 상부 전극층을 구비하여 구성되고,
상기 강유전체층은 하부 전극층과 상부 전극층을 통한 전압 인가를 통해 분극화되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.With a transparent substrate,
A lower electrode layer disposed on the transparent substrate,
A metal oxide layer disposed on the lower electrode layer,
A light absorption layer disposed above the metal oxide layer;
A hole transport layer disposed above the light absorption layer,
A ferroelectric layer disposed above the hole transport layer,
An upper electrode layer disposed above the ferroelectric layer,
The ferroelectric solar cell is characterized in that the ferroelectric layer is polarized by applying a voltage through the lower electrode layer and the upper electrode layer.
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