KR20200100148A - 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기 및 사용방법과 응용 - Google Patents

페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기 및 사용방법과 응용 Download PDF

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Abstract

밀봉 챔버(1)를 포함하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기에 있어서, 밀봉 챔버(1) 내에는 하나의 반밀폐 반응 장치(2)가 적어도 설치되고, 반밀폐 반응 장치(2)는 하측 가열 승화 장치(3) 및 상측 가열 스테이션(4)을 포함하며, 하측 가열 승화 장치(3)의 최상부에는 컨테이너(5)가 설치되고, 컨테이너(5) 내에는 반응물 전구체가 담겨 있으며, 컨테이너(5)의 바로 상측에는 서브스트레이트 프레임(6)이 설치되고, 서브스트레이트 프레임(6)은 컨테이너(5)의 개구에 덮히며, 컨테이너(5)의 측면에는 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼(7)이 설치되고, 서브스트레이트 프레임(6)은 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼(7)에 설치되며, 서브스트레이트 프레임(6)의 하측 저면에는 침적될 서브스트레이트(8)가 설치되고, 서브스트레이트(8) 상의 침적면은 컨테이너(8) 중의 반응물 전구체를 향하고, 상측 가열 스테이션(4)은 서브스트레이트 프레임(6)에 설치되어 서브스트레이트(8)를 가열한다. 상기 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기를 사용하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 방법은 제조 과정에서 박막의 결정체 성장을 제어하여 막 형성 품질 및 균일성과 중복성을 향상시킬 수 있다.

Description

페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기 및 사용방법과 응용
본 발명은 페로브스카이트 태양전지 기술분야에 관한 것이고, 특히 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기 및 사용방법과 응용에 관한 것이다.
태양전지는 광전변환소자로서 반도체의 광기전력 효과를 이용하여 태양에너지를 전력에너지로 변환한다. 현재까지의 발전에 다르면, 태양 발전은 수력 발전 및 풍력 발전을 제외한 가장 중요한 재생가능한 에너지원이다. 현재 상업화 반도체로는 단결정 실리콘, 비결정질 실리콘, 텔루르화 카드뮴, 구리 인듐 갈륨 셀레늄 등이 있으나 대부분 에너지 소모가 크고 원가가 높다.
근년래, 페로브스카이트 태양전지가 큰 주목을 받고 있는데 이런 페로브스카이트 태양전지는 유기 금속 할로겐화물을 광흡수층으로 한다. 페로브스카이트는 ABX3형의 육팔면체 구조로서 도 1에 도시된 바와 같다. 이런 재질로 제조된 박막 태양전지는 공법이 간단하고 편리하며 생산 원가가 낮고 안정적이며 변환율이 높다. 따라서 2009년부터 광전변환효율이 3.8 %에서 22 % 이상으로 높아졌고 상업화 단결정 태양전지를 초과하였으며 큰 원가 우세가 있다.
기존의 다양한 페로브스카이트 태양전지 박막의 성형 공법은 2개의 큰 류로 나뉠 수 있는데 용액법과 기상법이다. 용액법은 조작이 간편하나 박막의 균일성, 중복성이 차하여 전지의 효율에 영향을 준다. 기상법은 다중 성분 공통 증발법으로서 기상 용액 보조법, 화학기상증착(CVD) 등 방법이 있는데, 여기서 기상 용액 보조법은 균일하고 큰 결정입자 사이즈, 표면 거칠기가 작은 페로브스카이트 박막을 제조할 수 있으나 박막 중복성, 막 형성 품질이 좋지 못하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기 및 사용방법과 응용을 제공하여 균일하고 안정적인 반응 환경을 제공하고 제조 과정에서 박막의 결정체 성장을 제어하여 막 형성 품질 및 균일성과 중복성을 향상시키며, 대형 생산 라인에 투입되어 연속 생산을 진행할 수 있다.
본 발명은 아래와 같이 실현된다. 밀봉 챔버를 포함하고, 상기 밀봉 챔버 내에는 하나의 반밀폐 반응 장치가 적어도 설치되고, 상기 반밀폐 반응 장치는 하측 가열 승화 장치 및 상측 가열 스테이션을 포함하며, 상기 하측 가열 승화 장치의 최상부에는 개구가 위를 향한 컨테이너가 설치되고, 상기 컨테이너 내에는 반응물 전구체가 담겨 있으며, 상기 컨테이너의 바로 상측에는 서브스트레이트 프레임이 설치되고, 상기 서브스트레이트 프레임은 컨테이너의 개구에 덮히며, 상기 컨테이너의 측면에는 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼이 설치되고, 상기 서브스트레이트 프레임은 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼에 설치되며, 상기 서브스트레이트 프레임의 하측 저면에는 침적될 서브스트레이트가 설치되고, 상기 서브스트레이트는 컨테이너의 바로 상측에 위치하며, 그 위의 침적면은 컨테이너 중의 반응물 전구체를 향하고, 상기 상측 가열 스테이션은 서브스트레이트 프레임에 설치되어 서브스트레이트를 가열하며, 상기 반응물 전구체는 증발되어 서브스트레이트 표면에 침적되고; 밀봉 챔버 내의 기압을 제어하여 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치의 가열 온도를 제어하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기를 제공한다.
또한, 상기 컨테이너의 개구 면적은 서브스트레이트의 면적보다 크다.
또한, 상기 서브스트레이트 프레임은 서브스트레이트가 수평 또는 수직 방향에서 왕복 운동하도록 한다.
또한, 상기 컨테이너 내의 반응물 전구체 두께는 2 ~ 10 mm이고, 그 두께 차이는 0.1 ~ 1.0 mm를 초과하지 않으며; 상기 서브스트레이트의 침적면과 반응물 전구체의 상면 높이 사이의 거리는 5 ~ 40 mm이다.
또한, 상기 밀봉 챔버 내의 반응 기압 범위는 10-5 Pa ~ 105 Pa이고, 상기 상측 가열 스테이션의 가열 온도 범위는 20 ~ 400 ℃이며, 상기 하측 가열 승화 장치의 가열 온도 범위는 20 ~ 400 ℃이고, 반응 시간은 10 ~ 120 min이다.
또한, 상기 밀봉 챔버는 소형 캐비티 또는 대형 연속 생산 기기이고, 밀봉 챔버 내의 기압은 진공 펌프 및 진공 밸브에 의해 제어된다.
본 발명은 아래와 같이 실현된다.
컨테이너에 반응물 전구체 재료를 쏟아 넣고, 서브스트레이트의 침적면을 아래로 향하게 서브스트레이트 프레임의 내부 저면에 설치하며, 서브스트레이트 프레임을 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼에 안착시킨 다음, 설치된 반밀폐 반응 장치를 밀봉 챔버 내에 넣는 제1 단계;
밀봉 챔버 내의 기체를 추출하여 밀봉 챔버 내의 기압을 제어하고; 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치에 각각 전력을 공급하여 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치의 가열 온도를 제어하며, 반응물 전구체를 증발시켜 서브스트레이트 표면에 침적시키는 제2 단계; 및
반응을 10 ~ 120 min 동안 지속시킨 후, 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치에 대한 전력을 차단하여 가열을 정지하고, 밀봉 챔버 내를 대기압으로 회복시키며 침적된 반응물 전구체의 서브스트레이트를 꺼내는 제3 단계
를 포함하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기의 사용방법을 더 제공한다.
또한, 제1 단계에서, 상기 컨테이너 내의 반응물 전구체 두께는 2 ~ 10 mm이고, 그 두께 차이는 0.1 ~ 1.0 mm를 초과하지 않으며; 상기 서브스트레이트의 침적면과 반응물 전구체의 상면 높이 사이의 거리는 5 ~ 40 mm이다.
또한, 제2 단계에서, 상기 서브스트레이트 프레임은 서브스트레이트가 수평 또는 수직 방향에서 왕복 운동하도록 한다.
또한, 제2 단계에서, 상기 밀봉 챔버는 소형 캐비티 또는 대형 연속 생산 기기이고, 밀봉 챔버 내의 기압은 진공 펌프 및 진공 밸브에 의해 제어된다.
또한, 제2 단계에서, 상기 밀봉 챔버 내의 반응 기압 범위는 10-5 Pa ~ 105 Pa이고, 상기 상측 가열 스테이션의 가열 온도 범위는 20 ~ 400 ℃이며, 상기 하측 가열 승화 장치의 가열 온도 범위는 20 ~ 400 ℃이다.
본 발명은 아래와 같이 실현된다. 페로브스카이트층을 포함하고, 상기 페로브스카이트층의 제조 과정에서 상술한 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기를 사용하는 페로브스카이트 태양전지를 더 제공한다.
본 발명은 아래와 같이 실현된다. 상술한 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 더 제공하고, 상기 페로브스카이트 태양전지는 제1 전도성 전극, 제1 전달층, 페로브스카이트 박막층, 제2 전달층 및 제2 전도성 전극을 포함하고, 그 제조 방법은
제1 전도성 전극에 제1 전달층을 제조하는 단계 S1;
스핀 코팅, 나이프 코팅, 슬롯형 연속 코팅, 스프레이 코팅, 프린팅 또는 진공 침적 중 어느 하나의 가공 방법을 이용하여 제1 전달층이 침적된 서브스트레이트에 하나 또는 다수의 금속 할로겐화물 BX2 박막을 침적하는 단계 S2;
다음 금속 할로겐화물 BX2 박막이 침적된 서브스트레이트를 침적될 서브스트레이트로 하여 제 1 항에 따른 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기의 서브스트레이트 프레임에 고정하고, 상기 컨테이너에 하나 또는 다수의 반응물 AX을 넣되 모두 균일하게 펴놓고, 상기 서브스트레이트의 침적면을 아래를 향하게 컨테이너 중의 반응물 AX을 향하게 하며, 동시에 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치를 가열하여 밀봉 챔버 내의 기압을 제어하여, 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치의 가열 온도를 제어하고, 반응물 AX은 증발하여 금속 할로겐화물 BX2를 포함한 서브스트레이트 표면에 침적되어 페로브스카이트 박막층을 생성하는 단계 S3;
반응이 끝난 후 침적된 서브스트레이트를 꺼내는 단계 S4;
페로브스카이트 박막층에 제2 전달층을 침적시키는 단계 S5; 및
제2 전도성 전극을 침적시키는 단계 S6
를 포함하며,
상기 금속 할로겐화물 BX2 중의 B는 2가 금속 양이온이고, 납, 주석, 텅스텐, 구리, 아연, 갈륨, 게르마늄, 비소, 셀레늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 인듐, 안티몬, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금, 수은, 탈륨, 비스무트, 폴로늄 중 하나의 양이온일 수 있으며, X는 염소, 브롬, 요오드, 티오시안산기, 시안기, 옥시시안 중 어느 하나의 음이온일 수 있고; 상기 금속 할로겐화물 BX2 박막의 두께는 80 ~ 300 nm이며;
상기 반응물 AX 중 A는 세슘, 루비듐, 칼륨, 아미도기, 아미디노기 또는 알칼리족 중 어느 하나의 양이온이고, X는 염소, 브롬, 요오드, 티오시안산기, 시안기, 옥시시안 중 어느 하나의 음이온이다.
또한, 상기 컨테이너 내의 반응물 전구체 두께는 2 ~ 10 mm이고, 각각의 반응물 전구체의 두께 차이는 0.1 ~ 1.0 mm를 초과하지 않으며; 상기 서브스트레이트의 침적면과 반응물 전구체의 상면 높이 사이의 거리는 5 ~ 40 mm이고; 상기 밀봉 챔버 내의 반응 기압 범위는 10-5 Pa ~ 105 Pa이고, 상기 상측 가열 스테이션의 가열 온도 범위는 100 ~ 400 ℃이며, 상기 하측 가열 승화 장치의 가열 온도 범위는 100 ~ 400 ℃이고, 제조된 페로브스카이트 박막층의 두께는 100 ~ 600 nm이다.
또한, 상기 서브스트레이트 프레임은 서브스트레이트가 수평 또는 수직 방향에서 왕복 운동하도록 한다.
또한, 상기 밀봉 챔버는 소형 캐비티 또는 대형 연속 생산 기기이고, 밀봉 챔버 내의 기압은 진공 펌프 및 진공 밸브에 의해 제어된다.
선행기술에 비해, 본 발명의 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기 및 사용방법과 응용은 균일하고 안정적인 반응 환경을 제공하고 제조 과정에서 박막의 결정체 성장을 제어하여 막 형성 품질 및 균일성과 중복성을 향상시키며, 대형 생산 라인에 투입되어 연속 생산을 진행할 수 있다.
선행기술에 비해 본 발명은 아래와 같은 특징을 동시에 더 구비한다.
1. 형성하고자 하는 페로브스카이트 박막의 품질을 정확하게 제어할 수 있고, 페로브스카이트 박막의 균일성을 향상시킨다.
2. 금속 할로겐화물과 할로겐화물 증기의 충분한 반응을 촉진하여, 페로브스카이트 결정의 제어 가능성을 향상시킨다.
3. 실현 가능성 연속 생산 방안을 제공한다.
4. 침적 속도 및 재료의 이용률을 높인다.
진공에서 침적하여 페로브스카이트 재료의 분해 또는 변질을 방지한다.
도 1은 선행기술에 따른 페로브스카이트 박막 중 분자 구조 모식도이다.
도 2는 본 발명의 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기의 일 바람직한 실시예의 평면 모식도이다.
도 3은 도 2 중 반밀폐 반응 장치의 일 바람직한 구현예의 평면 모식도이다.
도 4는 도 3 중 서브스트레이트 프레임의 바람직한 구현예의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 페로브스카이트 태양전지 제조 과정 중 페로브스카이트 박막의 제조 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기를 사용하여 제조한 페로브스카이트 박막의 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기를 사용하여 제조한 페로브스카이트 태양전지의 JV 곡선이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제, 과제의 해결 수단 및 유리한 효과가 더 명확해 지도록, 아래 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 이해해야 할 것은 여기서 기술된 구체적인 실시예는 단지 본 발명을 해석하기 위한 것일 뿐 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다.
도 2, 도 3 및 도 4를 동시에 참조하면, 본 발명의 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기는 밀봉 챔버(1)를 포함하고, 상기 밀봉 챔버(1) 내에는 하나의 반밀폐 반응 장치(2)가 적어도 설치된다.
상기 반밀폐 반응 장치(2)는 하측 가열 승화 장치(3) 및 상측 가열 스테이션(4)을 포함한다. 상기 하측 가열 승화 장치(3)의 최상부에는 개구가 위를 향한 컨테이너(5)가 설치되고, 상기 컨테이너(5) 내에는 반응물 전구체가 담겨 있다. 상기 컨테이너(5)의 바로 상측에는 서브스트레이트 프레임(6)이 설치된다. 상기 서브스트레이트 프레임(6)은 컨테이너(5)의 개구에 덮힌다. 상기 컨테이너(5)의 측면에는 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼(7)이 설치되고, 상기 서브스트레이트 프레임(6)은 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼(7)에 설치된다. 상기 서브스트레이트 프레임(6)의 하측 저면에는 침적될 서브스트레이트(8)가 설치되고, 상기 서브스트레이트(8)는 컨테이너(5)의 바로 상측에 위치하며, 그 위의 침적면은 컨테이너(5) 중의 반응물 전구체를 향한다. 상기 상측 가열 스테이션(4)은 서브스트레이트 프레임(6)에 설치되어 서브스트레이트(8)를 가열한다. 상기 반응물 전구체는 증발되어 서브스트레이트(8) 표면에 침적된다. 밀봉 챔버(1) 내의 기압을 제어하여 상측 가열 스테이션(4) 및 하측 가열 승화 장치(3)의 가열 온도를 제어한다. 상기 상측 가열 스테이션(4)은 서브스트레이트 프레임(6)의 최상부에 설치되고, 상기 하측 가열 승화 장치(3) 내에 컨테이너(5) 중의 반응물 전구체를 가열하는 반응물 가열 장치가 설치되며, 상기 상측 가열 스테이션(4)에 서브스트레이트(8)를 가열하는 서브스트레이트 가열 자치가 설치된다.
상기 컨테이너(5)의 개구 면적은 서브스트레이트(8)의 면적보다 크다. 상기 컨테이너(5) 내의 반응물 전구체 두께는 2 ~ 10 mm이고, 그 두께 차이는 0.1 ~ 1.0 mm를 초과하지 않는다. 상기 서브스트레이트(8)의 침적면과 반응물 전구체의 상면 높이 사이의 거리는 5 ~ 40 mm이다.
상기 밀봉 챔버(1) 내의 반응 기압 범위는 10-5 Pa ~ 105 Pa이고, 상기 상측 가열 스테이션(4)의 가열 온도 범위는 20 ~ 400 ℃이며, 상기 하측 가열 승화 장치(3)의 가열 온도 범위는 20 ~ 400 ℃이고, 반응 시간은 10 ~ 120 min이다.
본 발명의 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기는 동력 전달 장치(9)를 더 포함하고, 상기 동력 전달 장치(9)는 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼(7)을 구동시켜 서브스트레이트 프레임이 수평 또는 수직 방향에서 왕복 운동하도록 한다.
본 발명의 밀봉 챔버(1)는 소형 캐비티 또는 대형 연속 생산 기기이고, 밀봉 챔버(1) 내의 기압은 진공 펌프 및 진공 밸브에 의해 제어된다.
본 발명은 상술한 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기의 사용방법을 더 공개하고 이는 아래와 같은 단계를 포함한다.
제1 단계에서, 컨테이너(5)에 반응물 전구체 재료를 쏟아 넣고, 서브스트레이트(8)의 침적면을 아래로 향하게 서브스트레이트 프레임(6)의 내부 저면에 설치하며, 서브스트레이트 프레임(6)을 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼(7)에 안착시킨 다음, 설치된 반밀폐 반응 장치(2)를 밀봉 챔버(1) 내에 넣는다.
제2 단계에서, 밀봉 챔(1)버 내의 기체를 추출하여 밀봉 챔버(1) 내의 기압을 제어하고; 상측 가열 스테이션(4) 및 하측 가열 승화 장치(3)에 각각 전력을 공급하여 상측 가열 스테이션(4) 및 하측 가열 승화 장치(3)의 가열 온도를 제어하며, 반응물 전구체를 증발시켜 서브스트레이트(8) 표면에 침적시킨다.
제3 단계에서, 반응을 10 ~ 120 min 동안 지속시킨 후, 상측 가열 스테이션(4) 및 하측 가열 승화 장치(3)에 대한 전력을 차단하여 가열을 정지하고, 밀봉 챔버(1) 내를 대기압으로 회복시키며 침적된 반응물 전구체의 서브스트레이트를 꺼낸다.
제1 단계에서, 상기 컨테이너(5) 내의 반응물 전구체 두께는 2 ~ 10 mm이고, 그 두께 차이는 0.1 ~ 1.0 mm를 초과하지 않으며; 상기 서브스트레이트(8)의 침적면과 반응물 전구체의 상면 높이 사이의 거리는 5 ~ 40 mm이다.
제2 단계에서, 상기 밀봉 챔버(1) 내의 반응 기압 범위는 10-5 Pa ~ 105 Pa이고, 상기 상측 가열 스테이션(4)의 가열 온도 범위는 20 ~ 400 ℃이며, 상기 하측 가열 승화 장치(3)의 가열 온도 범위는 20 ~ 400 ℃이다.
제2 단계에서, 상기 서브스트레이트 프레임(6)은 서브스트레이트(8)가 수평 또는 수직 방향에서 왕복 운동하도록 한다.
제2 단계에서, 상기 밀봉 챔버는 소형 캐비티 또는 대형 연속 생산 기기이고, 밀봉 챔버 내의 기압은 진공 펌프 및 진공 밸브에 의해 제어된다.
본 발명은 페로브스카이트 태양전지를 더 공개하고, 상기 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트층을 포함하고, 상기 페로브스카이트층의 제조 과정에서 상술한 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기를 사용한다.
도5를 참조하면, 본 발명은 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 더 공개하고, 상기 페로브스카이트 태양전지는 제1 전도성 전극, 제1 전달층, 페로브스카이트 박막층, 제2 전달층 및 제2 전도성 전극을 포함하고, 그 제조 방법은
제1 전도성 전극에 제1 전달층을 제조하는 단계 S1;
스핀 코팅, 나이프 코팅, 슬롯형 연속 코팅, 스프레이 코팅, 프린팅 또는 진공 침적 중 어느 하나의 가공 방법을 이용하여 제1 전달층이 침적된 서브스트레이트에 하나 또는 다수의 금속 할로겐화물 BX2 박막을 침적하는 단계 S2;
다음 금속 할로겐화물 BX2 박막이 침적된 서브스트레이트를 침적될 서브스트레이트로 하여 상술한 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기의 서브스트레이트 프레임에 고정하고, 상기 컨테이너에 하나 또는 다수의 반응물 AX을 넣되 모두 균일하게 펴놓고, 상기 서브스트레이트의 침적면을 아래를 향하게 컨테이너 중의 반응물 AX을 향하게 하며, 동시에 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치를 가열하여 밀봉 챔버 내의 기압을 제어하여, 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치의 가열 온도를 제어하고, 반응물 AX은 증발하여 금속 할로겐화물 BX2를 포함한 서브스트레이트 표면에 침적되어 페로브스카이트 박막층을 생성하는 단계 S3;
반응이 끝난 후 침적된 서브스트레이트(8)를 꺼내는 단계 S4;
서브스트레이트(8)의 페로브스카이트 박막층에 제2 전달층을 침적시키는 단계 S5; 및
제2 전도성 전극을 침적시키는 단계 S6
를 포함한다.
여기서 상기 금속 할로겐화물 BX2 중의 B는 2가 금속 양이온이고, 납(Pb2+), 주석(Sn2+), 텅스텐(W2+), 구리(Cu2+), 아연(Zn2+), 갈륨(Ga2+), 게르마늄(Ge2+), 비소(As2+), 셀레늄(Se2+), 로듐(Rh2+), 팔라듐(Pd2+), 은(Ag2+), 카드뮴(Cd2+), 인듐(In2+), 안티몬(Sb2+), 오스뮴(Os2+), 이리듐(Ir2+), 백금(Pt2+), 금(Au2+), 수은(Hg2+), 탈륨(Tl2+), 비스무트(Bi2+), 폴로늄(Po2+) 중 하나의 양이온, X爲염소(Cl-), 브롬(Br-), 요오드(I-), 티오시안산기(NCS-), 시안기(CN-), 옥시시안 (NCO-) 중 어느 하나의 음이온일 수 있고; 상기 금속 할로겐화물 BX2 박막의 두께는 80 ~ 300 nm이다.
여기서 상기 반응물 AX 중 A는 세슘(Cs+), 루비듐(Rb+), 칼륨(K+), 아미도기, 아미디노기 또는 알칼리족 중 어느 하나의 양이온이고, X는 염소(Cl-), 브롬(Br-), 요오드(I-), 티오시안산기(NCS-), 시안기(CN-), 옥시시안 (NCO-) 중 어느 하나의 음이온이다.
상기 컨테이너(5) 내의 반응물 전구체 두께는 2 ~ 10 mm이고, 각각의 반응물 전구체의 두께 차이는 0.1 ~ 1.0 mm를 초과하지 않으며; 상기 서브스트레이트(8)의 침적면과 반응물 전구체의 상면 높이 사이의 거리는 5 ~ 40 mm이다, 상기 밀봉 챔버(1) 내의 반응 기압 범위는 10-5 Pa ~ 105 Pa이고, 상기 상측 가열 스테이션(4)의 가열 온도 범위는 100 ~ 400 ℃이며, 상기 하측 가열 승화 장치(3)의 가열 온도 범위는 100 ~ 400 ℃이고, 제조된 페로브스카이트 박막층의 두께는 100 ~ 600 nm이다.
상기 서브스트레이트 프레임(6)은 서브스트레이트(8)가 수평 또는 수직 방향에서 왕복 운동하도록 한다.
상기 밀봉 챔버는 소형 캐비티 또는 대형 연속 생산 기기이고, 밀봉 챔버(1) 내의 기압은 진공 펌프 및 진공 밸브에 의해 제어된다.
아래 구체적인 실시예를 참조하여 본 발명의 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기를 사용하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 방법을 설명한다.
실시예 1
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법은,
(1) 10 × 10 cm의 ITO 유리판을 순차적으로 세정액, 탈이온수, 아세톤, 이소프로필 알코올 초음파를 거쳐 각각 30 min 동안 세척하고, 다시 N2를 이용하여 브로잉 건조시킨 후 UV O-zone으로 10 min 동안 처리하는 단계;
(2) PEDOT : PSS 박막을 정공 전달층으로 제조하는 단계;
(3) 금속 할로겐화물 박막 전구체 용액을 제조하고, 461 mg의 PbI2(1 mmol)을 1 mL의 DMF 용액에 용해시키고 60 ℃의 온도로 가열하면서 2 h 동안 교반하고 용해시켜 준비하는 단계;
(4) 제조된 전구체 용액을 사용하여 슬롯 코팅을 통해 도핑된 PbI2 박막을 제조하는 단계;
(5) 금속 할로겐화물 박막이 침직된 서브스트레이트(8)를 서브스트레이트 프레임(6)에 고정시키고 침적면이 아래를 향하게 하고, 동력 전달 장치를 이용하여 반응 챔버의 상측 커버를 MAI로 도포된 증발 컨테이너 상측으로 전달시키며, 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼(7)에 설치되고, 진공 챔버를 이용하여 진공을 형성하여 기압을 제어하고, 일정 값에 도달한 후 진공 밸브에 피드백하여 이를 닫고, 밀봉 챔버(1) 캐비티 내의 기압 범위는 10-5 Pa ~ 105 Pa이며, 하측 가열 승화 장치(3)를 100 ℃ ~ 200 ℃로 제어하고, 상측 가열 스테이션(4) 가열 온도를 100 ℃ ~ 200 ℃로 제어하며, MAI 기체 분자는 PbI2와 반응하여 페로브스카이트 박막을 형성하고 반응 시간은 10 ~ 120 min인 단계;
(6) 전자 전달층 PCBM을 침적시키는 단계;
(7) 금속 전도층 AG 전극을 증착하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 단계를 포함한다.
도 6은 본 발명의 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기를 사용하여 제조한 페로브스카이트 박막의 SEM 사진이다. 도면을 참조하면, 이런 방법으로 제조된 페로브스카이트은 평편하고 치밀하며 결정체 입자의 크기가 균일하다.
도 7은 본 발명의 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기를 사용하여 제조한 페로브스카이트 태양전지의 JV 곡선이고, 전지 효율은 16.08 %(PCE)에 달한다.
상술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐이고 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다. 본 발명의 정신 및 원칙 내에서 진행한 임의의 수정, 등가 교환 및 개선 등은 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.

Claims (16)

  1. 밀봉 챔버를 포함하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기로서,
    상기 밀봉 챔버 내에는 하나의 반밀폐 반응 장치가 적어도 설치되고, 상기 반밀폐 반응 장치는 하측 가열 승화 장치 및 상측 가열 스테이션을 포함하며, 상기 하측 가열 승화 장치의 최상부에는 개구가 위를 향한 컨테이너가 설치되고, 상기 컨테이너 내에는 반응물 전구체가 담겨 있으며, 상기 컨테이너의 바로 상측에는 서브스트레이트 프레임이 설치되고, 상기 서브스트레이트 프레임은 컨테이너의 개구에 덮히며, 상기 컨테이너의 측면에는 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼이 설치되고, 상기 서브스트레이트 프레임은 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼에 설치되며, 상기 서브스트레이트 프레임의 하측 저면에는 침적될 서브스트레이트가 설치되고, 상기 서브스트레이트는 컨테이너의 바로 상측에 위치하며, 그 위의 침적면은 컨테이너 중의 반응물 전구체를 향하고, 상기 상측 가열 스테이션은 서브스트레이트 프레임에 설치되어 서브스트레이트를 가열하며, 상기 반응물 전구체는 증발되어 서브스트레이트 표면에 침적되고; 밀봉 챔버 내의 기압을 제어하여 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치의 가열 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨테이너의 개구 면적은 서브스트레이트의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서브스트레이트 프레임은 서브스트레이트가 수평 또는 수직 방향에서 왕복 운동하도록 하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨테이너 내의 반응물 전구체 두께는 2 ~ 10 mm이고, 그 두께 차이는 0.1 ~ 1.0 mm를 초과하지 않으며; 상기 서브스트레이트의 침적면과 반응물 전구체의 상면 높이 사이의 거리는 5 ~ 40 mm인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉 챔버 내의 반응 기압 범위는 10-5 Pa ~ 105 Pa이고, 상기 상측 가열 스테이션의 가열 온도 범위는 20 ~ 400 ℃이며, 상기 하측 가열 승화 장치의 가열 온도 범위는 20 ~ 400 ℃이고, 반응 시간은 10 ~ 120 min인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉 챔버는 소형 캐비티 또는 대형 연속 생산 기기이고, 밀봉 챔버 내의 기압은 진공 펌프 및 진공 밸브에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기.
  7. 제1항에 따른 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기의 사용방법으로서,
    컨테이너에 반응물 전구체 재료를 쏟아 넣고, 서브스트레이트의 침적면을 아래로 향하게 서브스트레이트 프레임의 내부 저면에 설치하며, 서브스트레이트 프레임을 서브스트레이트 프레임 지지 플랫폼에 안착시킨 다음, 설치된 반밀폐 반응 장치를 밀봉 챔버 내에 넣는 제1 단계;
    밀봉 챔버 내의 기체를 추출하여 밀봉 챔버 내의 기압을 제어하고; 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치에 각각 전력을 공급하여 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치의 가열 온도를 제어하며, 반응물 전구체를 증발시켜 서브스트레이트 표면에 침적시키는 제2 단계; 및
    반응을 10 ~ 120 min 동안 지속시킨 후, 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치에 대한 전력을 차단하여 가열을 정지하고, 밀봉 챔버 내를 대기압으로 회복시키며 침적된 반응물 전구체의 서브스트레이트를 꺼내는 제3 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기의 사용방법.
  8. 제7항에 있어서,
    제1 단계에서, 상기 컨테이너 내의 반응물 전구체 두께는 2 ~ 10 mm이고, 그 두께 차이는 0.1 ~ 1.0 mm를 초과하지 않으며; 상기 서브스트레이트의 침적면과 반응물 전구체의 상면 높이 사이의 거리는 5 ~ 40 mm인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기의 사용방법.
  9. 제7항에 있어서,
    제2 단계에서, 상기 서브스트레이트 프레임은 서브스트레이트가 수평 또는 수직 방향에서 왕복 운동하도록 하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기의 사용방법.
  10. 제7항에 있어서,
    제2 단계에서, 상기 밀봉 챔버는 소형 캐비티 또는 대형 연속 생산 기기이고, 밀봉 챔버 내의 기압은 진공 펌프 및 진공 밸브에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기의 사용방법.
  11. 제7항에 있어서,
    제2 단계에서, 상기 밀봉 챔버 내의 반응 기압 범위는 10-5 Pa ~ 105 Pa이고, 상기 상측 가열 스테이션의 가열 온도 범위는 20 ~ 400 ℃이며, 상기 하측 가열 승화 장치의 가열 온도 범위는 20 ~ 400 ℃인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기의 사용방법.
  12. 페로브스카이트 태양전지로서,
    상기 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트층을 포함하고, 상기 페로브스카이트층의 제조 과정에서 제 1 항에 따른 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기를 사용하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
  13. 제 12 항에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법으로서,
    상기 페로브스카이트 태양전지는 제1 전도성 전극, 제1 전달층, 페로브스카이트 박막층, 제2 전달층 및 제2 전도성 전극을 포함하고, 그 제조 방법은
    제1 전도성 전극에 제1 전달층을 제조하는 단계 S1;
    스핀 코팅, 나이프 코팅, 슬롯형 연속 코팅, 스프레이 코팅, 프린팅 또는 진공 침적 중 어느 하나의 가공 방법을 이용하여 제1 전달층이 침적된 서브스트레이트에 하나 또는 다수의 금속 할로겐화물 BX2 박막을 침적하는 단계 S2;
    이어서, 금속 할로겐화물 BX2 박막이 침적된 서브스트레이트를 침적될 서브스트레이트로 하여 제1항에 따른 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기의 서브스트레이트 프레임에 고정하고, 상기 컨테이너에 하나 또는 다수의 반응물 AX을 넣되 모두 균일하게 펴놓고, 상기 서브스트레이트의 침적면을 아래를 향하게 컨테이너 중의 반응물 AX을 향하게 하며, 동시에 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치를 가열하여 밀봉 챔버 내의 기압을 제어하여, 상측 가열 스테이션 및 하측 가열 승화 장치의 가열 온도를 제어하고, 반응물 AX은 증발하여 금속 할로겐화물 BX2를 포함한 서브스트레이트 표면에 침적되어 페로브스카이트 박막층을 생성하는 단계 S3;
    반응이 끝난 후 침적된 서브스트레이트를 꺼내는 단계 S4;
    페로브스카이트 박막층에 제2 전달층을 침적시키는 단계 S5; 및
    제2 전도성 전극을 침적시키는 단계 S6
    을 포함하며,
    상기 금속 할로겐화물 BX2 중의 B는 2가 금속 양이온이고, 납, 주석, 텅스텐, 구리, 아연, 갈륨, 게르마늄, 비소, 셀레늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 인듐, 안티몬, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금, 수은, 탈륨, 비스무트, 폴로늄 중 하나의 양이온일 수 있으며, X는 염소, 브롬, 요오드, 티오시안산기, 시안기, 옥시시안 중 어느 하나의 음이온일 수 있고; 상기 금속 할로겐화물 BX2 박막의 두께는 80 ~ 300 nm이며;
    상기 반응물 AX 중 A는 세슘, 루비듐, 칼륨, 아미도기, 아미디노기 또는 알칼리족 중 어느 하나의 양이온이고, X는 염소, 브롬, 요오드, 티오시안산기, 시안기, 옥시시안 중 어느 하나의 음이온인
    것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 컨테이너 내의 반응물 전구체 두께는 2 ~ 10 mm이고, 각각의 반응물 전구체의 두께 차이는 0.1 ~ 1.0 mm를 초과하지 않으며; 상기 서브스트레이트의 침적면과 반응물 전구체의 상면 높이 사이의 거리는 5 ~ 40 mm이고; 상기 밀봉 챔버 내의 반응 기압 범위는 10-5 Pa ~ 105 Pa이고, 상기 상측 가열 스테이션의 가열 온도 범위는 100 ~ 400 ℃이며, 상기 하측 가열 승화 장치의 가열 온도 범위는 100 ~ 400 ℃이고, 제조된 페로브스카이트 박막층의 두께는 100 ~ 600 nm인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 서브스트레이트 프레임은 서브스트레이트가 수평 또는 수직 방향에서 왕복 운동하도록 하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 밀봉 챔버는 소형 캐비티 또는 대형 연속 생산 기기이고, 밀봉 챔버 내의 기압은 진공 펌프 및 진공 밸브에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
KR1020207020952A 2018-01-17 2018-12-21 페로브스카이트 박막의 침지식 제조 기기 및 사용방법과 응용 KR102418868B1 (ko)

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