KR20200024800A - 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
개시되는 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자는, 기판; 상기 기판 위에 성장된 3족 질화물계 화합물층; 상기 3족 질화물계 화합물층 위에 형성된 제1 전극; 상기 3족 질화물계 화합물층의 적어도 일부가 습식 에칭에 의해 형성되는 다공화층; 상기 다공화층 위에 적층 형성되며, 유기물 또는 페로브스카이트 화합물로 구비되는 광흡수층; 상기 광흡수층 위에 적층 형성되며, p형 반도체층으로 구비되는 홀 전달물질층; 및 상기 홀 전달물질층 위에 구비되는 제2 전극;을 포함한다.
Description
본 발명(Disclsoure)은, 광전소자에 관한 것으로서, 구체적으로 태양광 흡수로 여기된 전자의 수집 능력(Electron collection)이 향상된 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
현재 페로브스카이트(perovskite) 화합물을 이용한 태양전지(이하 '페로브스카이트 태양전지')는 20.1%라는 높은 전력변환 효율을 기록하면서 차세대 태양전지로 각광받고 있다.
또한, 페로브스카이트 태양전지는 이론적으로 31% 소자효율이 가능하므로 효율향상을 위한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
페로브스카이트 태양전지는 기본적으로 광흡수체인 페로브스카이트 물질, 전자 전달층(Electron Transfer Layer: ETL) 그리고 홀 전달층(Hole Transfer Layer: HTL)으로 구성되어 있다.
특히, 전자 전달층과 홀 전달층은 물질선정 및 증착 공정에 따라 소자성능이 크게 좌우되므로 이에 대한 고려가 태양전지 제작 시 필수적으로 필요한 상황이다.
전자 전달층은 빛이 흡수되지 않은 넓은 밴드 갭 에너지를 가지고 있어야 하며 우수한 전하이동(High Carrier Mobility and High Diffusion Length) 특성이 요구된다.
기존의 페로브스카이트 태양전지는 전자 전달층으로 산화아연(ZnO) 또는 이산화티탄(TiO2)을 사용하였다.
이러한 전자 전달층 물질은 광흡수로 여기된 전자를 수집(Electron Collection)하거나 전극으로 이동(Electron Transfer)하는데 우수한 특성을 보인다.
하지만, 소자효율 향상에 대한 요구가 날로 증대되고 있는 가운데 기존의 물질을 대체할 새로운 전자 전달층 물질에 대한 연구가 필요한 상황이다.
전자 전달층으로서 TiO2는 가장 높은 효율을 보이는 전자 전달층 물질 중의 하나이다.
하지만, TiO2
제작 시 500℃의 고온 공정온도가 필요하고 ITO를 투명전극으로 사용하여야 한다.
또한, 표면 개질에 따른 계면저항의 문제나 자외선에 의한 광촉매 반응으로 페로브스카이트 물질을 분해하므로 소자에 대한 안정성과 신뢰성이 저해되는 문제를 지니고 있다.
전자 전달층으로서 ZnO도 역시 ITO 투명전극을 필요로 하고, 소자 안정성 및 신뢰성에 문제점을 지니고 있다.
ZnO는 수분에 취약하여 대기 중에 노출되는 시간에 따라 소자 성능이 급격히 떨어진다.
페로브스카이트 태양전지에 이용되는 ZnO는 대게 스핀코팅 방법으로 제작되는데, 대면적 공정 시 결정성 및 박막두께에 대한 불균일성이 크다.
본 발명(Discloure)은, 태양광 흡수로 여기된 전자의 수집 능력(Electron collection)이 향상된 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자 및 그 제조방법의 제공을 일 목적으로 한다.
여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
상기한 과제의 해결을 위해, 본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자는, 기판; 상기 기판 위에 성장된 3족 질화물계 화합물층; 상기 3족 질화물계 화합물층 위에 형성된 제1 전극; 상기 3족 질화물계 화합물층의 적어도 일부가 습식 에칭에 의해 형성되는 다공화층; 상기 다공화층 위에 적층 형성되며, 유기물 또는 페로브스카이트 화합물로 구비되는 광흡수층; 상기 광흡수층 위에 적층 형성되며, p형 반도체층으로 구비되는 홀 전달물질층; 및 상기 홀 전달물질층 위에 구비되는 제2 전극;을 포함한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자에서, 상기 3족 질화물계 화합물층은, n형 In(x)Ga(1-x)N(0≤x＜1)으로 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, Au, Ag, Cr, Ni, Mo, Pt, Al 및 Cu으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질 및 이들 합금으로 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자에서, 상기 기판은, 사파이어(Al2O3) 기판, 실리콘 기판, 유리 기판, 금속 및 합성수지 기판 중에서 선택된 어느 하나로 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자 제조방법은, 상기 기판에 상기 3족 질화물계 화합물층을 성장시키는 제1 단계; 상기 3족 질화물계 화합물층 위에 상기 제1 전극을 형성하고, 상기 제1 전극 위에 SiO2를 증착하는 제2 단계; 상기 3족 질화물계 화합물층을 전기화학 습식 에칭법으로 에칭하여 상기 다공화층을 형성하는 제3 단계; 상기 제1 전극을 포함하는 상기 3족 질화물계 화합물층을 위에 상기 광흡수층을 형성하는 제4 단계; 상기 광흡수층 위에 상기 홀 전달물질층을 형성하는 제5 단계; 상기 광흡수층으로부터 SiO2를 제거하여 상기 제1 전극을 노출시키는 제6 단계; 및 상기 홀 전잘 물질층 위에 상기 제2 전극을 형성하는 제7 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자 제조방법에서, 상기 광흡수층은, 페로브스카이트 화합물로 구비되며, 스핀 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 다공화층에 의해 3족 질화물층의 비표면적이 증가하므로 3족 질화물층에 의한 전자 수집(Electron collection)이 향상되므로 광전소자의 성능이 향상되는 이점을 가진다.
또한, 전자 전달층으로서, 종래 TiO2 또는 ZnO와 달리 ITO 투명전극을 필요로 하지 않아 공정상 이점을 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자의 일 실시형태를 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자의 제조방법을 보인 순서도.
도 3 내지 도 6은 도 2의 제조방법을 단계별로 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자의 제조방법을 보인 순서도.
도 3 내지 도 6은 도 2의 제조방법을 단계별로 보인 도면.
이하, 본 발명에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자 및 그 제조방법을 구현한 실시형태를 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
다만, 본 발명의 사상은 이하에서 설명되는 실시형태에 의해 그 실시 가능 형태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 본 개시와 동일한 기술적 사상의 범위 내에 포함되는 다양한 실시 형태를 치환 또는 변경의 방법으로 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 기술적 사상에 포함됨을 밝힌다.
또한, 이하에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 것이므로, 본 발명의 기술적 내용을 파악하는 데 있어서, 사전적 의미에 제한되지 않고 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.
먼저, 본 발명에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자의 일 실시형태를 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자(100)는, 기판(110), 3족 질화물계 화합물층(120), 제1 전극(130), 다공화층(121), 광흡수층(140), 홀 전달물질층(150) 및 제2 전극(160)을 포함한다.
기판(110)은, 사파이어 기판, 실리콘기판, 유리재질 기판, 금속 및 플라스틱 기판을 포함한 유연(Flexible) 기판이 사용될 수 있고 세부적으로는 기판의 형상이나 종류를 한정하지 않는다.
3족 질화물계 화합물층(120)은, 기판(110) 위에 성장되어 구비되며, n형 도전성을 가지도록 구비된다.
3족 질화물계 화합물층(120)은, 성장시 발생 되는 결함을 완화하기 위해 n형 도전성을 가지지 않는 도핑 되지 않은 GaN을 버퍼층(또는 결함 완화층)이 먼저 성장된 후 그 위에 성장될 수 있다.
3족 질화물계 화합물층(120)은, n형 In(x)Ga(1-x)N(0≤x＜1)으로 구비되는 것이 바람직하며, MOCVD 또는 MBE 법에 의해 성장될 수 있다.
한편, 3족 질화물계 화합물층(120)은, n형 GaN과 n형 In(x)Ga(1-x)N(0＜x＜1)이 반복 적층되어 형성될 수도 있다. 이때 초격자 구조(Superlattice structure)로 형성될 수 있다.
더하여, 3족 질화물계 화합물층(120)은, 동일한 조성의 물질로 구비되되 n형 도핑농도가 순차로 변하는 형태로 구비될 수 있다.
3족 질화물계 화합물층(120)의 두께는, 1nm~수백 um로 구비될 수 있다.
제1 전극(130)은, Au, Ag, Cr, Ni, Mo, Pt, Al 및 Cu으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질 및 이들 합금으로 구비된다.
이는 제2 전극(160)에서도 동일하다.
다공화층(121)은, 전기화학 습식 에칭법(electrochemical etching method)으로 형성되는 것이 바람직하나, 패터닝을 통한 건식에칭을 배제하지 않는다.
광흡수층(140)은, 다공화층(121) 위에 적층 형성되며, 유기물 또는 페로브스카이트 화합물로 구비된다.
페로브스카이트(Perovskite) 화합물은, ABX3 화학식(A, M은 양이온, X는 음이온)을 갖는 결정구조로 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물로 정의되는데,
홀 전달물질층(150)은, 광흡수층(140) 위에 적층 형성되며, p형 반도체층으로 구비되는데, 스피로(spiro)-MeOTAD로 구비될 수 있다.
본 실시형태에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자(100)는, 다공성 n-type In(x)Ga(1-x)N(0≤x＜1)을 페로브스카이트 또는 유기물 광전소자에 필요한 전자 전달층으로 제안한다.
n-type In(x)Ga(1-x)N(0≤x＜1)은 넓은 에너지벤드를 가지고 있고, 높은 전자 이동도(Mobility)를 가지고 있다.
이러한 높은 전자 이동도는 기존의 hole-electron 분리의 불균형에 의한 이력현상을 완화하는데 큰 도움을 줄 뿐만 아니라 전자의 재결합 비율을 감소시켜 소자의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 전자 확산계수도 기존의 ZnO 또는 TiO2보다도 훨씬 큰 값을 가지므로 GaN가 페로브스카이트 태양전지의 차세대 전자 전달층으로 대체가능성이 크다고 할 수 있다.
특히 다공성층은, 충진율(Fill factor, 개방전압(Voc)과 단락전류(Isc)의 곱에 대한 최대출력의 비율)을 향상시키는 이점을 가진다.
다음으로, 본 실시형태에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자의 제조방법에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자의 제조방법을 보인 순서도, 도 3 내지 도 6은 도 2의 제조방법을 단계별로 보인 도면이다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 본 실시형태에 따른 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자의 제조방법은, 질화물 성장 단계(S100), 제1 전극 형성 단계(S200), 다공화 단계(S300), 광흡수층 증착 단계(S400), 홀 전달물질층 형성단계(S500), 제2 전극 형성단계(S600)을 포함한다.
질화물 성장 단계(S100)는, 기판(110)에 3족 질화물계 화합물층(120)을 성장시키는 단계이다.
기판(110)은, 사파이어 기판, 실리콘기판, 유리재질 기판, 금속 및 플라스틱 기판을 포함한 유연(Flexible) 기판이 사용될 수 있고 세부적으로는 기판의 형상이나 종류를 한정하지 않는다.
3족 질화물계 화합물층(120)은, n형 In(x)Ga(1-x)N(0≤x＜1)으로 구비되는 것이 바람직하며, MOCVD 또는 MBE 법에 의해 성장될 수 있다.
제1 전극 형성 단계(S200)는, Au, Ag, Cr, Ni, Mo, Pt, Al 및 Cu으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질 및 이들 합금으로 구비되며, 제1 전극(130) 위에 SiO2가 증착되는 것이 바람직하다.
다공화 단계(S300)는, 3족 질화물계 화합물층(120)을 전기화학 습식 에칭법으로 에칭하여 다공화층(121)을 형성하는 단계이다.
광흡수층 증착 단계(S400)는, 제1 전극(130)을 포함하는 3족 질화물계 화합물층(120)을 위에 광흡수층(140)을 형성하는 단계이다.
광흡수층(140)은, 페로브스카이트 화합물로 구비되며, 스핀 코팅되어 형성된다.
홀 전달물질층 형성단계(S500)는, 홀 전달물질층(150)으로서 스피로(spiro)-MeOTAD를 스핀 코팅하여 형성한다.
제2 전극 형성단계(S600)는, 제1 전극 형성 단계(S200)와 유사하게, Au, Ag, Cr, Ni, Mo, Pt, Al 및 Cu으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질 및 이들 합금으로 구비된다.
한편, 제2 전극 형성단계(S600)에 앞서 또는 이후에 제1 전극(130)의 상부에 형성된 SiO2를 제거함으로서, 제1 전극(130)을 싸고 있는 광흡수층(140)과 홀 전달물질층(150)을 제거히여 제1 전극(130)을 노출시킬 수 있게 된다.
Claims (1)
- 기판;
상기 기판 위에 성장된 3족 질화물계 화합물층;
상기 3족 질화물계 화합물층 위에 형성된 제1 전극;
상기 3족 질화물계 화합물층의 적어도 일부가 습식 에칭에 의해 형성되는 다공화층;
상기 다공화층 위에 적층 형성되며, 유기물 또는 페로브스카이트 화합물로 구비되는 광흡수층;
상기 광흡수층 위에 적층 형성되며, p형 반도체층으로 구비되는 홀 전달물질층; 및
상기 홀 전달물질층 위에 구비되는 제2 전극;을 포함하는 유기물 및 다공성 질화물을 이용한 광전소자.
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|---|---|---|---|---|
| KR101810155B1 (ko) | 2016-07-29 | 2017-12-19 | 울산과학기술원 | 고효율 페로브스카이트 화합물계 막의 제조방법 및 이를 포함하는 태양전지 |
-
2020
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