KR20210012709A - 유-무기 복합 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 제2 전극 상에 구비된 특정 화합물을 포함하는 제1 버퍼층 및 상기 제1 버퍼층 상에 구비된 봉지층을 포함하는 유-무기 복합 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

유-무기 복합 태양전지 및 그 제조방법 {ORGANIC-INORGANIC COMPLEX SOLAR CELL AND MANUFACTURING SAME}
본 명세서는 유-무기 복합 태양전지 및 그 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 흡광계수가 높고, 용액 공정을 통해 쉽게 합성이 가능한 특성 때문에 최근에 유-무기 복합 태양전지 광흡수 물질로서 각광 받고 있다.
그러나, 페로브스카이트 태양전지는 습도에 매우 민감하여 소자의 안정성을 높이기 위해서는 상부 전극의 봉지과정이 필수적이다. 이 때, 유리(Glass)나 플라스틱 필름이 봉지재로 흔히 사용된다. 유리(Glass)를 봉지재로 사용하는 경우, 높은 수분 차단력을 가지며 소자의 안정성을 높일 수 있으나, 잘 휘지 않는 특성 때문에 유연소자에는 사용이 어려운 문제가 있다.
플라스틱 필름의 경우, 플라스틱 필름에 수분차단 접착제가 코팅된 형태로 봉지재로 사용하게 된고, 유연 소자에 사용하기에 용이하다. 다만, 상부 전극과 수분차단 접착제가 직접적으로 맞닿게 되어, 유리(Glass) 봉지재를 사용한 경우보다 봉지 후 전지의 효율이 떨어지는 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 유연소자 사용이 쉬우면서도 전지의 효율을 높이기 위한 방안이 계속 요구되고 있다.
Adv. Mater. 2014, 26, 4991-4998
본 명세서는 유-무기 복합 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 기판;
상기 기판 상에 구비된 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 구비된 제2 전극;
상기 제2 전극 상에 구비된 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 폴리아크릴 수지 및 에폭시 수지 중 1 이상을 포함하는 제1 버퍼층; 및
상기 제1 버퍼층 상에 구비된 봉지층을 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시상태에 있어서, 기판 상에 제1 전극을 적층하는 단계;
상기 제1 전극 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층을 적층하는 단계;
상기 광흡수층 상에 제2 전극을 적층하는 단계; 상기 제2 전극 상에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 폴리아크릴 수지 및 에폭시 수지 중 1 이상을 포함하는 제1 버퍼층을 적층하는 단계; 및
상기 제1 버퍼층 상에 봉지층을 적층하는 유-무기 복합 태양전지의 제조방법을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
R1 내지 R6는 각각 독립적으로, 수소; 중수소; 또는 -CN이다.
본 출원의 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 유연소자에 사용하기 쉽고, 전지의 효율이 우수하다.
도 1 및 2는 본 명세서의 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 구조를 예시한 도이다.
도 3 및 4는 성능 측정 결과 나타난 본 명세서의 실시예 및 비교예의 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타내는 도이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 층의 “두께”란 해당 층의 하면으로부터 상면까지의 최단거리를 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 명세서의 일 실시상태에 있어서, 기판; 및 상기 기판 상에 구비된 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 구비된 제2 전극; 상기 제2 전극 상에 구비된 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 폴리아크릴 수지 및 에폭시 수지 중 1 이상을 포함하는 제1 버퍼층; 및 상기 제1 버퍼층 상에 구비된 봉지층을 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00002
상기 화학식 1에서,
R1 내지 R6는 각각 독립적으로, 수소; 중수소; 또는 -CN이다.
상기 제1 버퍼층을 가지는 유-무기 복합 태양전지는 상기 제1 버퍼층으로 인하여 플라스틱 필름에 수분차단 접착제가 코팅된 형태로 봉지재를 사용하면서도 상부 전극과 수분차단 접착제가 직접적으로 맞닿는 것을 방지하여 유연소자에 사용하기 쉽고, 전지의 효율이 우수하다.
본 명세서의 유-무기 복합 태양전지는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물, 폴리아크릴 수지 및 에폭시 수지 중 1 이상을 포함하는 제1 버퍼층을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 제1 버퍼층을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에서 상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1 내지 화학식 1-8 중 어느 하나로 표시될 수 있다.
[화학식 1-1]
Figure pat00003
[화학식 1-2]
Figure pat00004
[화학식 1-3]
Figure pat00005
[화학식 1-4]
Figure pat00006
[화학식 1-5]
Figure pat00007
[화학식 1-6]
Figure pat00008
[화학식 1-7]
Figure pat00009
[화학식 1-8]
Figure pat00010
상기 화학식 1-1 내지 1-7에서의 R2 내지 R6의 정의는 상기 화학식 1에서의 정의와 같다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 폴리아크릴 수지를 포함하는 제1 버퍼층을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 상기 폴리아크릴 수지는 (메타)아크릴수지를 의미한다.
상기 (메타)아크릴수지의 제조에 사용될 수 있는 (메타)아크릴계 단량체는 예를 들어, 메틸(메타)아크릴레이트, 에틸(메타)아크릴레이트, n-프로필(메타)아크릴레이트, i-프로필(메타)아크릴레이트, n-부틸(메타)아크릴레이트, i-부틸(메타)아크릴레이트, sec-부틸(메타)아크릴레이트, t-부틸(메타)아크릴레이트, 2-에틸헥실(메타)아크릴레이트, 라우릴(메타)아크릴레이트, 트리데실(메타)아크릴레이트, 스테아릴(메타)아크릴레이트, 사이클로헥실(메타)아크릴레이트, 벤질(메타)아크릴레이트, 테트라하이드로푸르푸릴(메타)아크릴레이트, 2-하이드록시에틸(메타)아크릴레이트, 2-하이드록시프로필(메타)아크릴레이트, 2-메톡시에틸(메타)아크릴레이트, 2-에톡시에틸(메타)아크릴레이트, 2-부톡시에틸(메타)아크릴레이트, 2-페녹시에틸(메타)아크릴레이트, 알릴(메타)아크릴레이트, 글리시딜(메타)아크릴레이트, 디메틸아미노에틸(메타)아크릴레이트, 또는 이들의 2종 이상의 혼합물일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 명세서의 일시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 에폭시 수지를 포함하는 제1 버퍼층을 포함할 수 있다.
상기 에폭시 수지는 예를 들어 비스페놀 A, 비스페놀 F, 크레졸노볼락, 디시클로펜타젠, 트리스페닐메탄, 나프탈렌, 바이페닐형 및 이들의 수소 첨가 에폭시 수지 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 버퍼층은 2층 이상의 다층 구조일 수 있다. 상기 제1 버퍼층이 다층 구조인 경우, 각각의 제1 버퍼층이 포함하는 물질은 상이할 수 있다. 상기 제1 버퍼층은 4층 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 버퍼층의 총 두께는 30㎚ 내지 2000㎚, 바람직하게는 50㎚ 내지 1500㎚일 수 있다.
본 명세서에 있어서 "층의 총 두께"란 특정 층이 2층 이상의 다층 구조를 가지는 경우, 다층에 해당하는 모든 층의 두께의 합을 의미한다. 상기 두께 범위를 만족할 때, 버퍼층이 봉지 층의 압력에 의한 소자의 불량 또는 봉지층의 이물질과 전극이 반응하여 발생하는 불량을 더욱 효과적으로 방지할 수 있어 전지의 효율이 더욱 우수하다.
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.
본 명세서에 있어서, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2 전극은 캐소드일 수 있다. 또한, 상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 제2 전극은 애노드일 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 제1 전극을 "하부 전극"으로이고, 상기 제2 전극은 "상부 전극"으로 표현할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 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 제1 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 제1 전극은 ITO일 수 있다.
도 1에는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지를 나타내었다. 구체적으로 기판(10), 제1 전극(20), 광흡수층(30), 제2 전극(40), 제1 버퍼층(50) 및 봉지층(60)이 순차적으로 적층된 유-무기 복합 태양전지를 나타내었다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 광흡수층 사이에 구비된 전자수송층을 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수송층은 금속 산화물, 플러렌 및 플러렌유도체로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 전자수송층에 포함되는 금속 산화물은 구체적으로, 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, Ta 산화물 및 SrTi 산화물 및 이들의 복합물 중에서 1 또는 2 이상 선택된 것이 사용 가능하다. 구체적으로 SnO2 또는 TiO2일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 전자수송층에 포함되는 플러렌 유도체는 PC61BM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester), PC71BM([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester), PCBCR(Phenyl-C61-butyric acid cholesteryl ester) 또는 ICBA(1',1'',4',4''-Tetrahydro-di[1,4]methanonaphthaleno[1,2:2',3',56,60:2'',3''][5,6]fullerene-C60)일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수송층은 도핑을 이용하여 전하의 특성을 개선할 수 있으며, 플러렌 유도체 등을 이용하여 표면을 개질 할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층은 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 화학식 2 내지 4 중 어느 하나로 표시된다.
[화학식 2]
R7M1X1zX2(3-z)
[화학식 3]
R8aR9(1-a)M2X3z'X4(3-z')
[화학식 4]
R10bR11cR12dM3X5z''X6(3-z'')
상기 화학식 2 내지 4에 있어서,
R8 및 R9는 서로 상이하고,
R10, R11 및 R12는 서로 상이하며,
R7 내지 R12는 각각 CmH2m+1NH3 +, NH4 +, HC(NH2)2 +, Cs+, 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 X6는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 이온이며,
m은 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 실수이고,
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 2에 있어서 R7으로 한 종류의 1가 양이온만 선택된 것을 의미한다. 예컨대, 상기 화학식 5의 R7은 CmH2m+1NH3 + 이고, m은 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 3에서 R8 및 R9로 서로 상이한 1가 양이온이 선택되고, 화학식 4에서 R10 내지 R12로 서로 상이한 1가의 양이온이 선택된 것을 의미한다. 예컨대, 상기 화학식 3의 R8은 CmH2m+1NH3 +, R9는 HC(NH2)2 +일 수 있다. 또한, 상기 화학식 4의 R10은 CmH2m+1NH3 +, R11은 HC(NH2)2 +, R12는 Cs+일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 상기 화학식 2로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 상기 화학식 3로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 상기 화학식 4로 표시된다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R7 내지 R12는 각각 CmH2m+1NH3 +, HC(NH2)2 + 또는 Cs+이다. 이때, R8와 R9는 서로 상이하고, R10 내지 R12는 서로 상이하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R7은 CH3NH3 +, HC(NH2)2 + 또는 Cs+이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R8 및 R10은 각각 CH3NH3 +이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R9 및 R11은 각각 HC(NH2)2 +이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R12는 Cs+이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 M1 내지 M3는 각각 Pb2+이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 및 X2는 서로 같거나 상이하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X3 및 X4는 서로 상이하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X5 및 X6는 서로 상이하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 내지 X6는 각각 F- 또는 Br-이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 및 X2의 합이 3이 되기 위하여, z는 0<z<3의 실수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R8 및 R9의 합이 1이 되기 위하여, a는 0<a<1의 실수이다. 또한, 상기 X3 및 X4의 합이 3이 되기 위하여, z'는 0<z'<3의 실수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R10, R11 및 R12의 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 X5 및 X6의 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)PbIz'Br(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, z'은 0<z'<3의 실수, z''은 0<z''<3의 실수 이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층의 두께는 300nm 내지 1500nm, 바람직하게는 500nm 내지 700nm 일 수 있다. 광흡수층의 두께가 상기 범위를 만족할 경우 광전변환효율이 증대되는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 전극은 은(Ag), 금(Au), 마그네슘(Mg) 또는 이들의 합금 같은 금속으로 제조될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층과 제2 전극 사이에 정공수송층을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 정공수송층은 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-p-methoxyphenylamine)-9,9′-spirobifluorene, Spiro-OMeTAD), PTAA (Poly(triaryl amine)), Copper(I) thiocyanate, Cu2O, V2O5, NiO 등을 사용할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 정공수송층의 두께는 50nm 내지 600nm, 바람직하게는 100nm 내지 200nm 일 수 있다. 상기 정공수송층의 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 전극과 광흡수층 사이에 제2 버퍼층을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 버퍼층은 2층 이상의 다층 구조일 수 있다. 상기 제2 버퍼층이 다층 구조인 경우, 각각의 제2 버퍼층이 포함하는 물질은 상이할 수 있다. 상기 제2 버퍼층은 4층 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 버퍼층의 총 두께는 10㎚ 내지 2000㎚, 바람직하게는 50㎚ 내지 1800㎚일 수 있다. 상기 두께 범위를 만족할 때, 전지의 효율이 더욱 우수하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층과 제2 전극과 사이에 제3 버퍼층을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제3 버퍼층은 2층 이상의 다층 구조일 수 있다. 상기 제3 버퍼층이 다층 구조인 경우, 각각의 제3 버퍼층이 포함하는 물질은 상이할 수 있다. 상기 제3 버퍼층은 4층 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제3 버퍼층의 총 두께는 10㎚ 내지 2000㎚, 바람직하게는 50㎚ 내지 1800㎚일 수 있다. 상기 두께 범위를 만족할 때, 전지의 효율이 더욱 우수하다.
상기 제2 및 제3 버퍼층을 제1 버퍼층과 동일한 물질 또는 해당 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
도 2에는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지를 나타내었다. 구체적으로 기판(10), 제1 전극(20), 제2버퍼층(70), 광흡수층(30), 제3버퍼층(80), 제2 전극(40), 제1 버퍼층(50) 및 봉지층(60)이 순차적으로 적층된 유-무기 복합 태양전지를 나타내었다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 봉지층은 플라스틱 필름을 봉지재로 사용한 것일 수 있다. 상기 플라스틱 필름의 봉지재는 플라스틱 필름에 수분 차단 접착제가 코팅된 형태이다. 상기 플라스틱 필름의 봉지재는 해당 분야에서 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 봉지층은 플라스틱 필름 및 금속시트를 사용한 것일 수 있다. 상기 금속시트를 플라스틱 필름과 사용할 경우, 수분 차단이 더욱 용이하다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 n-i-p 구조이다.
본 명세서에 있어서, n-i-p 구조는 제1 전극, 전자수송층, 광흡수층, 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조 또는 제1 전극, 전자수송층, 광흡수층, 정공수송층 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조를 의미한다.
본 명세서의 또 다른 일 실시상태에 있어서, 기판 상에 제1 전극을 적층하는 단계; 상기 제1 전극 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층을 적층하는 단계; 상기 광흡수층 상에 제2 전극을 적층하는 단계; 상기 제2 전극 상에 상기 화학식 1로 표시되는 화합물, 폴리아크릴 수지 및 에폭시 수지 중 1 이상을 포함하는 제1 버퍼층을 적층하는 단계; 및 상기 제1 버퍼층 상에 봉지층을 적층하는 유-무기 복합 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 제조방법에 있어서, 각 층에 대한 설명은 상술한 내용이 적용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 버퍼층을 적층하는 단계는 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 브러쉬 페인팅, 열증착 등의 방법을 이용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 버퍼층을 적층하는 단계는 단분자를 증착하는 방법, 단분자 용액을 코팅한 후 경화시키는 방법 또는 고분자 용액을 코팅하는 방법에 의한 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 버퍼층을 적층하는 단계는 단분자를 증착하는 방법에 의한 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 버퍼층을 적층하는 단계는 단분자 용액을 코팅한 후 경화시키는 방법에 의한 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 버퍼층을 적층하는 단계는 고분자 용액을 코팅하는 방법에 의한 것일 수 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 정공수송층은 스핀 코팅, 슬릿코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 브러쉬 페인팅, 스퍼터링, ALD(Atomic layer deposition), 열증착 등의 방법을 통해 도입될 수 있다.
또한, 본 명세서에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물, 폴리아크릴 수지 및 에폭시 수지 중 1 이상을 포함하는 제1 버퍼층에 대한 설명을 제외하고, 해당 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 구성 및 제조방법이 적용될 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>
무알칼리 유리 기판에 스퍼터링 방법에 의하여 산화주석인듐(ITO) 전극을 형성하였다. 이후, 산화주석인듐(ITO) 전극 상에 2wt%의 이산화주석(SnO2)이 에탄올(ethanol)에 포함된 용액을 2,000rpm으로 스핀 코팅한 후 150℃에서 30분간 건조하였다. 그 후 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 0.05wt%의 불소계 계면활성제(3M 社, FC-4430)를 디메틸포름아미드(dimethylformamide)에 녹인 용액을 5,000rpm으로 스핀 코팅한 후 100℃에서 30분간 가열하여 광흡수층을 형성하였다. 이후 Spiro-OMeTAD를 클로로벤젠(chlorobenzene)에 녹인 후 터셔리부틸피리딘(tBP) 및 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(LiTFSI)를 첨가한 용액을 스핀 코팅하였다. 이후 Au 전극을 진공증착으로 형성하였다. 이 후, 하기 화학식 A로 표시된 화합물을 진공증착하여 버퍼층을 형성하였다. 마지막으로 수분 흡습용 점착제가 코팅된 필름으로 봉지한 후 60℃, 6bar에서 30분간 오토클레이브(autoclave)하여 태양전지를 제조하였다.
[화학식 A]
Figure pat00011
<비교예 1>
무알칼리 유리 기판에 스퍼터링 방법에 의하여 산화주석인듐(ITO) 전극을 형성하였다. 이후, 산화주석인듐(ITO) 전극 상에 2wt%의 이산화주석(SnO2)이 에탄올(ethanol)에 포함된 용액을 2,000rpm으로 스핀 코팅한 후 150℃에서 30분간 건조하였다. 그 후 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 0.05wt%의 불소계 계면활성제(3M 社, FC-4430)를 디메틸포름아미드(dimethylformamide)에 녹인 용액을 5,000rpm으로 스핀 코팅한 후 100℃에서 30분간 가열하여 광흡수층을 형성하였다. 이후 Spiro-OMeTAD를 클로로벤젠(chlorobenzene)에 녹인 후 터셔리부틸피리딘(tBP) 및 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(LiTFSI)를 첨가한 용액을 스핀 코팅한 후 Au 전극을 진공증착으로 형성하였다. 마지막으로 수분 흡습용 점착제가 코팅된 필름으로 봉지한 후 60℃, 6bar에서 30분간 오토클레이브(autoclave)하여 태양전지를 완성하였다.
<비교예 2>
무알칼리 유리 기판에 스퍼터링 방법에 의하여 산화주석인듐(ITO) 전극을 형성하였다. 이후, 산화주석인듐(ITO) 전극 상에 2wt%의 이산화주석(SnO2)이 에탄올(ethanol)에 포함된 용액을 2,000rpm으로 스핀 코팅한 후 150℃에서 30분간 건조하였다. 그 후 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 0.05wt%의 불소계 계면활성제(3M 社, FC-4430)를 디메틸포름아미드(dimethylformamide)에 녹인 용액을 5,000rpm으로 스핀 코팅한 후 100℃에서 30분간 가열하여 광흡수층을 형성하였다. 이후 Spiro-OMeTAD를 클로로벤젠(chlorobenzene)에 녹인 후 터셔리부틸피리딘(tBP) 및 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(LiTFSI)를 첨가한 용액을 스핀 코팅한 후 Au 전극을 진공증착으로 형성하였다. 이후 ITO를 스퍼터링(sputtering)하여 50nm 두께의 버퍼층을 증착하였다. 마지막으로 수분 흡습용 점착제가 코팅된 필름으로 봉지한 후 60℃, 6bar에서 30분간 오토클레이브(autoclave)하여 태양전지를 완성하였다.
<실험예>
상기 실시예 1 및 비교예 1 및 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지를 ABET Sun 3000 solar simulator를 광원으로, Keithley 2420 소스미터로 이용하여 소자 성능을 측정하여 그 결과를 도 3 및 도4에 나타내었다. 도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 것으로, 도 3에서 A는 비교예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지를 의미하며, B는 실시예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지를 의미한다. 또한, 도 4는 비교예 2의 유-무기 복합 태양전지의 측정 결과를 타나낸다.
도 3에 나타난 것과 같이 실시예 1 및 비교예 1의 유-무기 복합 태양전지의 개방전압 (Voc)은 동등한 수준이지만 성능 측정 결과, 충진율(Fill factor)이 42.4%(비교예 1)에서 62.8%(실시예 1)로 상승하여, 광전변환효율이 48% 증대되었음을 확인할 수 있었다.
또한, 도 4에 나타난 것과 같이 비교예 2의 유-무기 복합 태양전지의 전류 밀도는 14.8mA/cm2로 실시예1과 유사한 수준이었으나 개방전압 (Voc)과 충진율(Fill factor)이 현저히 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이로 인하여, ITO층이 적절한 버퍼층이 아님을 알 수 있었다.
10: 기판
20: 제1 전극
30: 광흡수층
40: 제2 전극
50: 제1 버퍼층
60: 봉지층
70: 제2버퍼층
80: 제3버퍼층

Claims (7)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 구비된 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층;
    상기 광흡수층 상에 구비된 제2 전극; 상기 제2 전극 상에 구비된 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 폴리아크릴 수지 및 에폭시 수지 중 1 이상을 포함하는 제1 버퍼층; 및
    상기 제1 버퍼층 상에 구비된 봉지층을 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지:
    [화학식 1]
    Figure pat00012

    상기 화학식 1에서,
    R1 내지 R6는 각각 독립적으로, 수소; 중수소; 또는 -CN이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1 내지 화학식 1-8 중 어느 하나로 표시되는 것인 유-무기 복합 태양전지:
    [화학식 1-1]
    Figure pat00013

    [화학식 1-2]
    Figure pat00014

    [화학식 1-3]
    Figure pat00015

    [화학식 1-4]
    Figure pat00016

    [화학식 1-5]
    Figure pat00017

    [화학식 1-6]
    Figure pat00018

    [화학식 1-7]
    Figure pat00019

    [화학식 1-8]
    Figure pat00020

    상기 화학식 1-1 내지 1-7에서의 R2 내지 R6의 정의는 상기 화학식 1에서의 정의와 같다.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층은 2층 이상의 다층 구조인 것인 유-무기 복합 태양전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 버퍼층의 총 두께는 50㎚ 내지 2000㎚ 인 것인 유-무기 복합 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 봉지층은 플라스틱 필름을 봉지재로 사용한 것인 유-무기 복합 태양전지.
  6. 기판 상에 제1 전극을 적층하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층을 적층하는 단계;
    상기 광흡수층 상에 제2 전극을 적층하는 단계;
    상기 제2 전극 상에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 폴리아크릴 수지 및 에폭시 수지 중 1 이상을 포함하는 제1 버퍼층을 적층하는 단계; 및
    상기 제1 버퍼층 상에 봉지층을 적층하는 청구항 1 내지 5중 한 항에 따른 유-무기 복합 태양전지의 제조방법:
    [화학식 1]
    Figure pat00021

    상기 화학식 1에서,
    R1 내지 R6는 각각 독립적으로, 수소; 중수소; 또는 -CN이다.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 버퍼층을 적층하는 단계는 단분자를 증착하는 방법, 단분자 용액을 코팅한 후 경화시키는 방법 또는 고분자 용액을 코팅하는 방법에 의한 것인 유-무기 복합 태양전지의 제조방법.
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