KR20200117162A - 유-무기 복합 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 구비되고 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 구비되고 제1 탄소 소재 및 무기 나노 입자를 포함하는 제1 상부 전극; 및 상기 제1 상부 전극 상에 구비되고 제2 탄소 소재를 포함하는 제2 상부 전극을 포함하는 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.
Description
본 명세서는 유-무기 복합 태양전지에 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 흡광계수가 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, 높은 효율에도 불구하고, 상부 전극에 적용되는 금속 전극이 페로브스카이트 광흡수층 내 할로겐 원소들과 반응함으로써, 전기전도도 및 장기 구동 안정성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 금속 전극을 도입하기 위한 진공 증착 방식은 상용화를 위한 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 적용시 비용이 상승된다는 문제가 있다.
따라서, 내구성 및 공정성 향상이 가능한 다른 상부 전극에 대한 연구가 필요하다.
Adv. Mater. 2014, 26, 4991-4998
본 명세서는 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 구비되고 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 구비되고 제1 탄소 소재 및 무기 나노 입자를 포함하는 제1 상부 전극; 및
상기 제1 상부 전극 상에 구비되고 제2 탄소 소재를 포함하는 제2 상부 전극을 포함하는 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 상부 전극으로 금속 전극을 사용한 종래의 유-무기 복합 태양전지와 유사한 에너지 변환 효율을 나타낼 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 진공 공정 없이 상압 공정에서 태양전지를 제작할 수 있어 공정 단가가 절감된다.
도 1 내지 4는 본 명세서의 실시상태에 따라 제조된 유-무기 복합 태양전지의 적층 구조를 예시한 도이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지 단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 도이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 7은 비교예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 8은 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지 단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 도이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 7은 비교예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 8은 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
이하, 본 명세서를 상세히 설명한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는한 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 있어서, “나노 입자”는 입자의 크기가 nm범위인 것을 의미한다. 예컨대, 상기 “나노 입자”는 입자의 크기가 1nm 내지 990nm일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 구비되고 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 구비되고 제1 탄소 소재 및 무기 나노 입자를 포함하는 제1 상부 전극; 및
상기 제1 상부 전극 상에 구비되고 제2 탄소 소재를 포함하는 제2 상부 전극을 포함하는 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.
도 1에는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 적층 구조를 나타내었다. 구체적으로 하부 전극(10), 광흡수층(20), 제1 상부 전극(30) 및 제2 상부 전극(40)이 순차적으로 적층된 유-무기 복합 태양전지를 나타내었다.
종래의 유-무기 복합 태양전지는 상부 전극으로 금속을 단독으로 사용하거나, 탄소 소재를 단독으로 사용하였다.
상부 전극이 금속만을 포함할 경우, 금속이 페로브스카이트 광흡수층 내 할로겐 원소들과 반응함으로써, 전기전도도 및 장기 구동 안정성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 금속을 도입하기 위한 진공 증착 방식은 상용화를 위한 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 적용시 비용이 상승된다는 문제가 있다.
상부 전극이 탄소 소재만 포함할 경우, 하부층과의 계면 저항이 상승하고, 물리적 접착력이 하락하는 문제점이 있다. 또한, 탄소 소재의 크기로 인해 상부 전극과 하부층과의 계면에 공극이 형성되어 접촉 면적이 하락되는 문제점이 있다. 이에 따라, 상부 전극으로 탄소 소재만 포함할 경우 전지의 성능이 하향되는 문제점이 있다.
한편, 상부 전극이 무기 나노 입자만 포함할 경우 전자 전도도가 하향되는 문제점이 있다.
반면에, 본 명세서의 일 실시상태는 제1 상부 전극에 탄소 소재와 무기 나노 입자를 혼합하여 사용함으로써, 제1 상부 전극과 하부층간의 접촉 저항을 최소화하여 유-무기 복합 태양전지의 효율을 최대화시키는 효과를 나타낸다. 또한, 제1 상부전극에 광흡수층의 에너지 레벨에 적합한 무기 나노 입자를 혼합하여 사용함으로써, 광흡수층과 제1 상부전극 계면에서의 전하분리를 유도할 수 있다. 또한, 상압 및 저온(150℃ 이하)에서도 전지 제작이 가능한 효과가 있다.
또한, 상기 제1 상부 전극 상에 제2 탄소 소재를 포함하는 제2 상부 전극이 구비됨으로써 광흡수층과 제1 상부전극 사이의 계면 저항이 최소화되고, 계면에서의 전하 분리가 원활하게 이루어지는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 하부층은 광흡수층 또는 중간층을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 탄소 소재와 상기 제2 탄소 소재는 서로 같거나 상이하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 탄소 소재 및 제2 탄소 소재는 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite), 그라핀(graphene), 산화 그라핀(grapheme oxide), 활성탄, 다공성 탄소(mesoporous carbon), 탄소섬유(carbon fiber), 전도성 카본 블랙(carbon black) 및 탄소 나노 와이어(carbon nano wire) 중 1종 이상을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 탄소 소재는 카본 블랙(carbon black), 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite) 및 그라핀(graphene) 중 1종 이상을 포함하며, 상기 제2 탄소 소재는 전도성 카본 블랙(carbon black) 및 그라파이트(graphite) 중 1종 이상을 포함한다.
구체적으로, 상기 제1 탄소 소재는 카본 블랙(carbon black), 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite) 및 그라핀(graphene) 중 1종 또는 2종을 포함하며, 상기 제2 탄소 소재는 전도성 카본 블랙(carbon black) 및 그라파이트(graphite) 중 1종 또는 2종을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 탄소 소재는 전도성이 우수하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 탄소 소재의 크기가 상기 제2 탄소 소재의 크기보다 작다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 탄소 소재의 입자 크기는 5nm 내지 400nm이다. 제1 탄소 소재의 크기가 상기 범위를 만족함으로써, 제1 상부 전극과 광흡수층과의 계면에서의 접합성이 우수해지고, 계면 저항이 최소화 될 수 있다. 또한, 나노 입자와의 상용성이 좋아 탄소 소재와 무기 나노 입자를 혼합하여 사용하였을 때의 효과를 극대화 할 수 있다. 구체적으로, 제1 상부 전극이 전술한 크기의 제1 탄소 소재와 무기 나노 입자를 포함함으로서, 하부층간의 접촉 저항을 최소화 할 수 있는 효과를 나타낸다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 탄소 소재의 입자 크기는 400nm 내지 15μm이다. 구체적으로, 상기 제2 탄소 소재의 입자 크기는 400nm 초과 15μm 이하이다. 제2 탄소 소재의 크기가 상기 범위를 만족함으로써, 전도도에 최적화된 두께로 제2 상부 전극을 형성할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무기 나노 입자는 금속 및 금속 산화물 중 1종 이상을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무기 나노 입자는 금속 또는 금속 산화물을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 주석(Sn) 또는 이들의 합금을 포함한다. 구체적으로, 상기 금속은 은(Ag), 금(Au) 또는 구리(Cu)이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속 산화물은 니켈 산화물, 구리 산화물, 바나듐 산화물, 몰리브덴 산화물, 티타늄 산화물 또는 주석 산화물을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무기 나노 입자의 크기는 10nm 내지 100nm이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 상부 전극의 두께는 20μm 이하이다. 구체적으로 상기 제1 상부 전극의 두께는 50nm 내지 20μm이다. 보다 구체적으로, 상기 제1 상부 전극의 두께는 50nm 내지 10μm이다.
제1 상부 전극의 두께가 상기 범위를 만족할 경우 단락전류밀도(Jsc) 및 충전율(Fill factor)이 증가하여 전지의 광전변환효율이 증대되는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 상부 전극 내 상기 무기 나노 입자의 함량은 상기 제1 탄소 소재 100wt% 대비 5wt% 내지 20wt%이다. 무기 나노 입자가 상기 함량으로 포함됨으로써, 단락전류밀도, 개방전압 및 충전율이 증가하여 유-무기 복합 태양전지의 효율이 증대되는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 상부 전극의 두께는 10μm 내지 70μm이다. 구체적으로, 상기 제2 상부 전극의 두께는 10μm 내지 50μm이다.
제2 상부 전극의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 전도성이 향상되는 효과가 있다
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층은 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시된다.
[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 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 R1으로 한 종류의 1가 양이온만 선택된 것을 의미한다. 예컨대, 상기 화학식 1의 R1은 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 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 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 화학식 1으로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 화학식 2로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 화학식 3으로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 내지 R6는 각각 CnH2n + 1NH3 +, HC(NH2)2 + 또는 Cs+이다. 이때, R2와 R3는 서로 상이하고, R4 내지 R6는 서로 상이하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1은 CH3NH3 +, HC(NH2)2 + 또는 Cs+이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R2 및 R4는 각각 CH3NH3 +이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R3 및 R5는 각각 HC(NH2)2 +이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R6는 Cs+이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 M1 내지 M3는 각각 Pb2 +이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X2 및 X3는 서로 상이하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X4 및 X5는 서로 상이하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 내지 X5는 각각 I-, F-, 또는 Br-이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R2 및 R3의 합이 1이 되기 위하여, a는 0<a<1의 실수이다. 또한, 상기 X2 및 X3의 합이 3이 되기 위하여, z는 0<z<3의 실수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R4, R5 및 R6의 합이 1이 되기 위하여, b는 0<b<1의 실수이고, c는 0<c<1의 실수이며, d는 0<d<1의 실수이고, b+c+d는 1이다. 또한, 상기 X4 및 X5의 합이 3이 되기 위하여, z'는 0<z'<3의 실수이다.
본 명세서의 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 (HC(NH2)2)b(CH3NH3)cCsdPbIz'Br(3-z')이고, a는 0<a<1의 실수, b는 0<b<1의 실수, c는 0<c<1의 실수, d는 0<d<1의 실수, b+c+d는 1, z는 0<z<3의 실수, z'은 0<z'<3의 실수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층의 두께는 200nm 내지 1500nm이다.
광흡수층의 두께가 상기 범위를 만족할 경우 전지의 광전변환효율이 증대되는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층은 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 브러쉬 페인팅, 열증착 등의 방법을 통해 도입될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 하부 전극과 광흡수층 사이에 제1 중간층을 더 포함한다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 적층 구조를 나타내었다. 구체적으로 하부 전극(10), 제1 중간층(50), 광흡수층(20), 제1 상부 전극(30) 및 제2 전극(40)이 순차적으로 적층된 유-무기 복합 태양전지를 나타내었다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 중간층은 전자 수송층 또는 정공 수송층이다. 보다 구체적으로, 상기 제1 중간층은 전자 수송층이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 중간층의 두께는 5nm 내지 200nm이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층과 제1 상부 전극 사이에 제2 중간층을 더 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 중간층은 정공 수송층 또는 전자 수송층이다. 보다 구체적으로, 상기 제2 중간층은 정공 수송층이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 중간층의 두께는 1μm 내지 100μm이다. 구체적으로, 상기 제2 중간층의 두께는 10μm 내지 50μm이다.
제1 중간층 및 제2 중간층의 두께가 상기 범위를 만족할 경우 단락전류밀도(Jsc) 및 충전율(Fill factor)이 증가하여 전지의 광전변환효율이 증대되는 효과가 있다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 적층 구조를 나타내었다. 구체적으로 하부 전극(10), 광흡수층(20), 제2 중간층(60), 제1 상부 전극(30) 및 제2 전극(40)이 순차적으로 적층된 유-무기 복합 태양전지를 나타내었다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 제1 중간층 및 제2 중간층을 동시에 포함할 수 있다.
도 4는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 적층 구조를 나타태었다. 구체적으로 하부 전극(10), 제1 중간층(50) 광흡수층(20), 제2 중간층(60), 제1 상부 전극(30) 및 제2 전극(40)이 순차적으로 적층된 유-무기 복합 태양전지를 나타내었다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 중간층 및 제2 중간층은 스퍼터링, E-Beam, 열증착, ALD(Atomic layer deposition), 스핀 코팅, 슬릿코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 하부 전극 또는 광흡수층의 일면에 도포되거나 필름 형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 n-i-p 구조이다.
본 명세서에 있어서, n-i-p 구조는 하부 전극, 전자수송층, 광흡수층, 제1 상부전극 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조; 또는 하부 전극, 전자수송층, 광흡수층, 정공수송층, 제1 상부전극 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조를 의미한다.
본 명세서에 있어서, 상기 전자수송층은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예컨대, Ti 산화물, Zn 산화물, In 산화물, Sn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, Mo 산화물, Mg 산화물, Zr 산화물, Sr 산화물, Yr 산화물, La 산화물, V 산화물, Al 산화물, Y 산화물, Sc 산화물, Sm 산화물, Ga 산화물, SrTi 산화물 및 이들의 복합물 중에서 1 또는 2 이상 선택된 것이 사용 가능하나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 정공수송층은 터셔리부틸피리딘(tertiary butyl pyridine, TBP), 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(Lithium Bis(Trifluoro methanesulfonyl)Imide, Li-TFSI) 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트) [PEDOT:PSS] 등을 사용할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서, 상기 하부 전극은 애노드이고, 상부 전극은 캐소드일 수 있다. 또한, 상기 하부 전극은 캐소드이고, 상부 전극은 애노드일 수 있다. 이때, 상기 상부 전극은 제1 상부 전극 및 제2 상부 전극을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 하부 전극은 투명 전극이고, 상기 태양전지는 상기 하부 전극을 경유하여 빛을 흡수하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 하부 전극이 투명전극인 경우, 상기 하부 전극은 유리 및 석영판 이외에 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylene naphthelate, PEN), 폴리프로필렌(polyperopylene, PP), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리카보네이트(polycarbornate, PC), 폴리스티렌(polystylene, PS), 폴리옥시에틸렌(polyoxyethlene, 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 전도성을 갖는 물질이 도핑된 것이 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 하부 전극은 산화주석인듐(indium tin oxide, ITO), 불소함유 산화주석 (fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드 (aluminium doped zink oxide, AZO), IZO (indium zinc oxide), ZnO-Ga2O3, ZnOAl2O3 및 ATO (antimony tin oxide) 등이 될 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 하부 전극은 ITO일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 하부 전극은 반투명 전극일 수도 있다. 상기 하부 전극이 반투명 전극인 경우, 은(Ag), 금(Au), 마그네슘(Mg) 또는 이들의 합금 같은 금속으로 제조될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 하부 전극의 하부에 기판을 추가로 포함할 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 폴리에틸렌테라프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyehtylene naphthalate, PEN), 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone) 및 폴리이미드(polyimide) 등의 유연한 필름이 단층 또는 복층의 형태로 포함될 수 있다. 다만, 상기 기판은 이에 한정되지 않으며, 유-무기 복합 태양전지에 통상적으로 사용되는 기판을 사용할 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 1.
ITO 기판을 아세톤, IPA에 세척 후 오븐에서 건조시킨 후 ultraviolet-ozone 처리를 20분 동안 하였다. 이후, SnO2 나노입자를 분산시킨 용액을 2000rpm으로 스핀 코팅하고 120℃에서 30분 간 열처리하였다. 그 후 페로브스카이트 전구체 용액으로 스핀 코팅하여 박막을 형성하였다. 이때, 페로브스카이트 전구체 용액은 CH3NH3(MA), HC(NH2)2(FA), Cs 세 가지의 유기물과 PbI2, PbBr2로 이루어진 용액을 사용하였다. 그 후 탄소나노튜브로 이루어진 페이스트(GS Alliance사)에 NiO 나노입자를 혼합한 페이스트를 블레이드 코팅한 후, 100℃에서 30분간 열처리하여 제1 상부 전극을 형성하였다. 마지막으로, 카본 블랙 및 그라파이트로 이루어진 페이스트(XG Scinence사)를 블레이드 코팅한 후 100℃에서 30분간 열처리하여 제2 상부 전극을 형성함으로써 유-무기 복합 태양전지를 제조하였다.
도 5에는 실시예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지 단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타내었다.
도 5를 통해 유-무기 복합 태양전지의 제1 탄소소재(제1 상부전극)과 광흡수층과의 계면접합이 우수한 것을 확인할 수 있다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
비교예 1.
ITO 기판을 아세톤, IPA에 세척 후 오븐에서 건조시킨 후 ultraviolet-ozone 처리를 20분 동안 하였다. 이후, SnO2 나노입자를 분산시킨 용액을 2000rpm으로 스핀 코팅하고 120℃에서 30분 간 열처리하였다. 그 후 페로브스카이트 전구체 용액으로 스핀 코팅하여 박막을 형성하였다. 이때, 페로브스카이트 전구체 용액은 MA, FA, Cs 세 가지의 유기물과 PbI2, PbBr2로 이루어진 용액을 사용하였다. 그 후, 카본 블랙 및 그라파이트로 이루어진 페이스트(XG Scinence사)를 블레이드 코팅한 후 100℃에서 30분간 열처리하여 상부 전극을 형성함으로써 유-무기 복합 태양전지를 제조하였다.
도 7은 비교예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
비교예 2.
ITO 기판을 아세톤, IPA에 세척 후 오븐에서 건조시킨 후 ultraviolet-ozone 처리를 20분 동안 하였다. 이후, SnO2 나노입자를 분산시킨 용액을 2000rpm으로 스핀 코팅하고 120℃에서 30분 간 열처리하였다. 그 후 페로브스카이트 전구체 용액으로 스핀 코팅하여 박막을 형성하였다. 이때, 페로브스카이트 전구체 용액은 MA, FA, Cs 세 가지의 유기물과 PbI2, PbBr2로 이루어진 용액을 사용하였다. 그 후 탄소나노튜브로 이루어진 페이스트(GS Alliance사)를 블레이드 코팅한 후, 100℃에서 30분간 열처리하여 제1 상부 전극을 형성하였다. 마지막으로, 카본 블랙 및 그라파이트로 이루어진 페이스트(XG Scinence사)를 블레이드 코팅한 후 100℃에서 30분간 열처리하여 제2 상부 전극을 형성함으로써 유-무기 복합 태양전지를 제조하였다.
도 8은 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
실험예 1. 광전변환효율 측정
상기 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지를 ABET Sun 3000 solar simulator를 광원으로, Keithley 2420 소스미터로 이용하여 광전변환효율을 측정한 결과를 하기 표 1에 기재하였다. 1회 측정시 100mW/cm2 하에서 1.2V에서 0V까지 0.1초당 12mV씩 낮춰가며 전압을 인가한 후 전류를 측정하였다.
| PCE (%) |
Jsc (mA/cm2) |
Voc (V) |
FF (%) |
|
| 실시예 1 | 9 | 15.478 | 0.994 | 58.6 |
| 비교예 1 | 5.5 | 13.795 | 1.015 | 39.2 |
| 비교예 2 | 3.7 | 15.128 | 0.59 | 41.7 |
표 1에서 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류밀도를, FF는 충전율(Fill factor)를, PCE는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류밀도는 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 최대 넓이를 단락전류밀도와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세 가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다.
상기 표 1로부터, 탄소 소재와 무기 나노 입자를 포함하는 제1 상부전극 및 탄소 소재를 포함하는 제2 상부전극이 형성된 실시예 1이 상부 전극이 단층으로 형성된 경우(비교예 1) 및 상부 전극이 2층으로 형성됐지만 탄소 물질만 포함하는 경우(비교예 2)에 비하여 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.
10: 하부 전극
20: 광흡수층
30: 제1 상부 전극
40: 제2 상부 전극
50: 제1 중간층
60: 제2 중간층
20: 광흡수층
30: 제1 상부 전극
40: 제2 상부 전극
50: 제1 중간층
60: 제2 중간층
Claims (9)
- 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 구비되고 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 구비되고 제1 탄소 소재 및 무기 나노 입자를 포함하는 제1 상부 전극; 및
상기 제1 상부 전극 상에 구비되고 제2 탄소 소재를 포함하는 제2 상부 전극을 포함하는 유-무기 복합 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 탄소 소재 및 제2 탄소 소재는 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite), 그라핀(graphene), 산화 그라핀(grapheme oxide), 활성탄, 다공성 탄소(mesoporous carbon), 탄소섬유(carbon fiber), 전도성 카본 블랙(carbon black) 및 탄소 나노 와이어(carbon nano wire) 중 1종 이상을 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 탄소 소재는 카본 블랙(carbon black), 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite) 및 그라핀(graphene) 중 1종 이상을 포함하며,
상기 제2 탄소 소재는 전도성 카본 블랙(carbon black) 및 그라파이트(graphite) 중 1종 이상을 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 무기 나노 입자는 금속 및 금속 산화물 중 1종 이상을 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 무기 나노 입자의 함량은 상기 제1 탄소 소재 100wt% 대비 5wt% 내지 20wt%인 것인 유-무기 복합 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 무기 나노 입자의 크기는 10nm 내지 100nm인 것인 유-무기 복합 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 하부 전극과 광흡수층 사이에 제1 중간층을 더 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 광흡수층과 제1 상부 전극 사이에 제2 중간층을 더 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지. - 청구항 1에 있어서,
상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190038890A KR102647065B1 (ko) | 2019-04-03 | 2019-04-03 | 유-무기 복합 태양전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190038890A KR102647065B1 (ko) | 2019-04-03 | 2019-04-03 | 유-무기 복합 태양전지 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200117162A true KR20200117162A (ko) | 2020-10-14 |
| KR102647065B1 KR102647065B1 (ko) | 2024-03-12 |
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ID=72847098
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020190038890A KR102647065B1 (ko) | 2019-04-03 | 2019-04-03 | 유-무기 복합 태양전지 |
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| Country | Link |
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| KR (1) | KR102647065B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180033074A (ko) * | 2016-09-23 | 2018-04-02 | 주식회사 엘지화학 | 유-무기 복합 태양전지 및 유-무기 복합 태양전지 제조방법 |
-
2019
- 2019-04-03 KR KR1020190038890A patent/KR102647065B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Adv. Mater. 2014, 26, 4991-4998 |
| Liang Chu et al., Solar Energy Materials and Solar Cells, 178, 2018, 164(2018.2.6.)* * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102647065B1 (ko) | 2024-03-12 |
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