KR20210078280A - 광활성층의 제조방법 및 이를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 - Google Patents

광활성층의 제조방법 및 이를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광활성층의 제조방법 및 이를 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 관한 것으로, 페로브스카이트 광활성층의 제조방법에 있어서, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액 도포층을 형성하는 코팅단계, 용매 증기를 형성하는 단계 및 상기 코팅 된 전구체 용액 도포층을 어닐링하는 어닐링단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
ABX3
상기 화학식 1에서,
A는 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 알킬, 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 1가의 양이온을 포함하고,
B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Fe2+ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속 양이온을 포함하고,
X는 할로겐 음이온이다.

Description

광활성층의 제조방법 및 이를 포함하는 페로브스카이트 태양전지{A method for manufacturing a photoactive layer and a perovskite solar cell containing the same}
본 발명은 광활성층의 제조방법 및 이를 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다.
최근 전통적인 화력 및 원자력 발전의 환경오염, 안정성 등 문제에 따라, 신재생에너지의 중요성이 부각되고 있다 관련 기술 중 태양전지는 무한 청정에너지로서, 상기와 같은 에너지 패러다임 변화에 대응하기 위해 필수적으로 확보해야 할 기술이다.
페로브스카이트 태양전지는 ABX3의 구조를 가진 유, 무기 복합 물질을 광활성층으로 하는 태양전지로서, A는 1가의 유기 양이온, B는 2가의 금속 양이온, X는 1가의 할로겐 음이온으로 구성되어 있는 것으로, 페로브스카이트 태양전지는 미국 신재생에너지 연구소(NREL)에 의해 22.7%의 효율이 공인되는 등 크게 주목받고 있는 기술로서, 급격한 성능 향상을 보여주고 있다.
특히, 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 광전변환효율을 보유하고, 상대적으로 저가이며, 경량의 투명하고 유연한 태양전지를 제조할 수 있는 우수한 광활성 소재인 페로브스카이트를 적용하여, 반투명 고효율 태양전지를 제작하는 것이 가능하다.
도 1은 일반적인 페로브스카이트 태양전지 소자 제작공정의 순서도를 나타낸 것이다. 도 1을 참고하면, 태양 빛이 입사되는 유리위에 투명전극을 코팅하는 단계, 상기 투명전극의 상부로 전자(정공) 수송층을 코팅하는 단계, 상기 전자(정공)수송층에 대한 열처리 등을 포함하는 제1 후속 공정처리 단계, 상기 제1 후속 공정처리가 완료 된 전자(정공)수송층상에 페로브스카이트 광활성층을 코팅하는 단계, 상기 광활성층에 대한 열처리 등을 포함하는 제2 후속 공정처리 단계, 상기 제2 후속 공정처리가 완료된 상기 광활성층 상에 정공(전자) 수송층을 코팅하는 단계, 상기 정공(전자)수송층에 대한 열처리 등을 포함하는 제3 후속 공정처리 단계, 상기 제3 후속 공정처리가 완료된 정공(수송층)상에 후면전극을 코팅하는 단계 및 페로브스타이트 태양전지 소자를 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 투명전극을 형성하는 단계 이후 전자 수송층을 먼저 코팅할 경우 제2후속 공정처리 단계 이후 전공 수송층을 코팅하고, 상기 투명전극을 형성하는 단계 이후 정공 수송층을 먼저 코팅할 경우 제2 후속 공정처리 단계 이후 전자 수송층을 코팅하게 된다.
또한, 종래의 페로브스카이트 광활성층 코팅공정에서 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅 후 반용매(antisolvent)를 뿌리거나 침지하는 공정을 거친 후, 그 다음 열처리 공정을 통하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하였다. 이때, 상기 공정으로 제작한 페로브스카이트 광활성층은 표면거칠기가 작고, 박막 제작방법이 비교적 쉽고 간단하며, 박막형성의 재현성이 높은 장점이 있다.
하지만, 반용매를 뿌림으로써 페로브스카이트 전구체 용액의 용매를 빠르게 휘발시키기 때문에 광활성층의 결정립 크기가 작게 형성되어 박막내에 결함을 가지게 된다. 이러한 결함은 결국 태양전지의 효율저하를 일으키게 된다. 또한, 반용매를 뿌리거나 침지하는 공정은 용매의 과다사용 등으로 인한 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위한 대면적화 공정 및 자동화 공정에서 어려움을 낳고 있다.
이에, 반용매를 뿌리거나 침지하는 공정의 단점을 보완하기 위하여 페로브스카이트 광활성층 코팅공정을 반용매 없이 코팅하는 방법들이 연구되고 있다. 대표적인 방법으로는 페로브스카이트 광활성층을 두 단계에 걸쳐 코팅하는 방법이 있다. 먼저, ABX3 구조를 만들기 위하여 BX2 물질을 먼저 코팅한 후, AX 물질을 그 위에 코팅하고, 이후 열처리를 통해 ABX3 구조의 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 방법이다. 이 방법은 용매의 과다사용을 막을 수 있어 제조비용을 줄일 수 있으며, 대면적화 공정에 적합하다. 그러나 두 단계에 걸쳐 코팅하는 방법 또한 광활성층의 결정립 크기가 작아 효율저하를 일으키는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 목적은, 결정립의 크기가 향상되고 균일한 코팅을 통해 태양전지의 효율을 증가시키는 페로브스카이트 광활성층 및 광활성층의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 결정립의 크기가 향상되고 균일한 코팅을 통해 태양전지의 효율을 증가시키는 페로브스카이트 광활성층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 페로브스카이트 광활성층의 제조방법에 있어서,
하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액 도포층을 형성하는 코팅단계, 용매 증기를 형성하는 단계, 및 상기 코팅 된 전구체 용액 도포층을 어닐링하는 어닐링단계를 포함하는 것인 페로브스카이트 광활성층의 제조방법을 제공한다.
[화학식 1]
ABX3
상기 화학식 1에서,
A는 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 알킬, 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 1가의 양이온을 포함하고,
B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Fe2+ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속 양이온을 포함하고,
X는 할로겐 음이온이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅단계는 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액을 코팅하는 제1코팅층 형성단계 및 상기 제1코팅층 상에 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 코팅하는 제2코팅층 형성단계를 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 2]
BX2
상기 화학식 2에서,
B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Fe2+ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속 양이온을 포함하고,
X는 할로겐 음이온이다.
[화학식 3]
AX
A는 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 알킬, 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 1가의 양이온을 포함하고,
X는 할로겐 음이온이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용매증기를 형성하는 단계는, 용매를 가열하여 용매증기를 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용매증기는 제1용매증기 및 제2용매증기를 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기를 형성하는 상기 용매는, 디메틸설폭사이드, 증류수, 2-하이드록시에틸 아크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트, 이소프로필알코올, 메틸-2-피롤리디논, N,N-디메틸포름아미드 중 선택되는 서로 다른 1종을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기의 용매는 각각 가열하여 상기 용매증기를 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 어닐링단계는 상기 전구체 용액 도포층의 상부에 제1용매증기 또는 제2용매증기 중 선택되는 1종의 상기 용매증기를 분사하고, 상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리 하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1용매증기 또는 상기 제2용매증기는, 질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종의 기체분압을 제어하여 상기 용매증기를 분사하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 어닐링단계는 상기 전구체 용액 도포층의 상부에 제1용매증기 및 제2용매증기를 포함하는 상기 용매증기를 각 각 분사하고, 상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리 하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기는 질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종이상의 기체분압을 각 각 제어하여 상기 용매증기를 분사하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 관점에 따르면, 페로브스카이트 광활성층을 제조하는 장치에 있어서, 광활성층 형성을 위한 기판을 배치하고 이동시키는 기판이동부, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액 도포층을 형성하는 코팅부, 상기 전구체 용액 도포층 상부에 용매증기를 분사하는 용매증기 분사부 및 상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리하는 열처리부를 포함하는 페로브스카이트 광활성층 제조장치를 제공한다.
[화학식 1]
ABX3
상기 화학식 1에서,
A는 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 알킬, 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 1가의 양이온을 포함하고,
B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Fe2+ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속 양이온을 포함하고,
X는 할로겐 음이온이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용매증기 분사부는 용매증기를 제조하는 용매증기 제조부 상기 용매증기를 가열하는 가열막대, 상기 제조된 용매증기를 상기 용매증기 분사부로 이동시키는 용매증기 이동부, 상기 용매증기의 분사를 위하여 기체를 주입하는 기체주입펌프 및 상기 기체주입펌프를 통하여 주입된 기체를 상기 용매증기 제조부로 이동시키는 기체주입관을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 관점에 따르면, 페로브스카이트 광활성층의 제조방법으로 제조된 페로브스카이트 광활성층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 페로브스카이트 태양전지는 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 형성되는 제1전극층, 상기 제1전극층 상에 형성되는 상기 무기물 정공수송층, 상기 무기물 정공수송층 상에 형성되는 페로브스카이트 광활성층, 상기 광활성층 상에 형성되는 전자수송층 및 상기 전자수송층 상에 형성되는 제2전극층을 포함하는 것인 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 페로브스카이트 광활성층의 제조방법으로 제조된 페로브스카이트 광활성층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서,상기 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은 베이스 기판상에 제1전극층을 형성하는 단계, 상기 제1전극층 상에 상기 무기물 정공수송층을 형성하는 단계, 상기 무기물 정공수송층 상에 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계, 상기 페로브스카이트 광흡수층 상에 전자수송층을 형성하는 단계 및 상기 전자수송층 상에 제2전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광활성층을 형성하는 단계는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액 도포층을 형성하고, 상기 전구체 용액 도포층을 용매증기를 이용하여 어닐링 하는 것일 수 있다.
[화학식 1]
ABX3
상기 화학식 1에서,
A는 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 알킬, 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 1가의 양이온을 포함하고,
B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Fe2+ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속 양이온을 포함하고,
X는 할로겐 음이온이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용매증기는 제1용매증기 및 제2용매증기를 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기를 형성하는 상기 용매는, 디메틸설폭사이드, 증류수, 2-하이드록시에틸 아크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트, 이소프로필알코올, 메틸-2-피롤리디논, N,N-디메틸포름아미드 중 선택되는 서로 다른 1종을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기의 용매는 각각 가열하여 상기 용매증기를 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 어닐링은 상기 전구체 용액 도포층의 상부에 제1용매증기 또는 제2용매증기 중 선택되는 1종의 상기 용매증기를 분사하고, 상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리 하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1용매증기 또는 상기 제2용매증기는, 질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종의 기체분압을 제어하여 상기 용매증기를 분사하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 어닐링단계는,상기 전구체 용액 도포층의 상부에 제1용매증기 및 제2용매증기를 포함하는상기 용매증기를 각 각 분사하고, 상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리 하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기는 질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종이상의 기체분압을 각 각 제어하여 상기 용매증기를 분사하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 광활성층 및 이를 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따르면, 결정립의 크기가 향상되고, 균일한 코팅을 통해 태양전지의 효율을 증가시키는 효과가 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일반적인 페로브스카이트 태양전지 소자 제작공정(100)의 순서도를 나타낸 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층 제조장치를 나타낸 개략도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 용매 증기를 이용하여 제조된 광활성층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 나타낸 개략도이다.
도 5는 일 실시예 및 비교예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 성능 파라미터를 나타낸 것이다.
도 6은 일 실시예 및 비교예에 따른 광활성층의 SEM 이미지를 관찰한 것이다.
도 7은 일 실시예 및 비교예에 따른 광활성층 단면의 SEM 이미지를 관찰한 것이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 지시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 “부”한, 특정 기능을 수행하는 한 개의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층 제조방법을 나타낸 흐름도이며, 도 3은 일 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층 제조장치를 나타낸 개략도이다.
먼저, 도 3을 참고하면, 페로스브타이트 광활성층 제조장치(100)는, 광활성층 형성을 위한 기판을 배치하고 이동시키는 기판이동부(110), 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액 도포층을 형성하는 코팅부(140), 상기 전구체 용액 도포층 상부에 용매증기를 분사하는 용매증기 분사부(180), 및 상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리하는 열처리부(190)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용매증기 분사부(180)는 용매증기를 제조하는 용매증기 제조부(160), 상기 용매증기를 가열하는 가열막대(161), 상기 제조된 용매증기를 상기 용매증기 분사부(180)로 이동시키는 용매증기 이동부(170), 상기 용매증기의 분사를 위하여 기체를 주입하는 기체주입펌프(150) 및 상기 기체주입펌프(150)를 통하여 주입된 기체를 상기 용매증기 제조부(160)로 이동시키는 기체주입관(151)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
하기에는, 도 2 및 도 3을 참고하여 광활성층의 제조방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2를 참고하면, 페로브스카이트 광활성층 제조방법(S100)은 전구체 용액 도포층 코팅단계(S110), 용매증기 형성단계(S120) 및 어닐링단계(S130)를 포함한다.
상기 전구체 용액 도포층 코팅단계(S110)는 하기 화학식1로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액 도포층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
ABX3
상기 화학식 1에서,
A는 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 알킬, 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 1가의 양이온을 포함하고,
B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Fe2+ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속 양이온을 포함하고,
X는 할로겐 음이온이다.
상세하게는, 상기 전구체 용액 도포층 코팅단계(S110)는 하기 화학식2로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액을 코팅하는 제1코팅층(120) 형성단계 및 상기 제1코팅층(120) 상에 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 코팅하는 제2코팅층(130) 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 2]
BX2
상기 화학식 2에서,
B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Fe2+ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속 양이온을 포함하고,
X는 할로겐 음이온이다.
[화학식 3]
AX
A는 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 알킬, 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 1가의 양이온을 포함하고,
X는 할로겐 음이온이다.
먼저, 상기 화학식2로 표시되는 화합물을 포함하는 제1코팅층(120) 형성하기 위하여 진공챔버를 이용한 열증착 또는 슬롯다이(slot die)공정을 통하여 형성하는 것이 바람직하다.
일 예로, 상기 슬롯다이(slot die)공정을 통하여 제1코팅층(120)을 형성하기 위해, 상기 화학식 2의 물질을 용매에 녹여 전구체 용액을 제조하고, 코팅이 이루어질 기판을 기판이동부(110)에 배치고, 상기 기판을 상기 코팅부(140)로 이동 시킨 뒤, 전구체 용액을 기판 상에 일정 양을 도포함으로써 형성할 수 있다. 이때, 상기 코팅부(140)는 슬롯다이 코팅일 수 있다.
또한, 상기 전구체 용액을 제조하기 위한 상기 용매는 디메틸 설폭사이드, N,N-디메틸 포름아미드, 감마-부티로락톤, 1-메틸-2피롤리돈, N,N-N,N-디메틸 아세트아미드 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 코팅부(140)의 슬롯다이공정을 이용하여 제1코팅층(120)이 형성된 상기 기판을 열처리 할 수 있으며, 상기 기판이동부(110)를 통해 다음공정으로 이동시킬 수 있다.
상기 제1코팅층(120)이 형성이 완료되면, 상기 제1코팅층(120) 상부로 상기 화학식 3의 제2코팅층(130)을 형성할 수 있다. 상세하게는, 상기 화학식3으로 표시되는 화합물을 포함하는 제2코팅층(130) 형성하기 위하여 진공챔버를 이용한 열증착 또는 슬롯다이(slot die)공정을 통하여 형성하는 것이 바람직하며, 구체적으로 슬롯다이(slot die)공정을 통하여 제2코팅층(130)을 형성하는 것이 바람직하다.
일 예로, 상기 슬롯다이(slot die)공정을 통하여 제2코팅층(130)을 형성하기 위해, 상기 제2코팅층(130)은 상기 화학식 3의 물질을 용매에 녹여 전구체 용액을 제조하고, 상기 전구체 용액을 코팅부(140)를 통하여 상기 제1코팅층(120) 상에 일정양을 도포함으로써 형성할 수 있다. 이때, 전구체용액을 제조하기 위한 용매는 이소프로필알코올(2-propanol, IPA)를 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 슬롯다이공정을 이용하여 제2코팅층(130)이 형성된 상기 기판을 열처리 할 수 있으며, 상기 기판이동부(110)를 통해 다음공정으로 이동시킬 수 있다.
본 발명에서는 상기 화학식2의 물질을 포함하는 상기 제1코팅층(120)을 형성하고, 상기 제1코팅층(120) 상부에 화학식 3의 물질을 포함하는 상기 제2코팅층(130)을 형성하는 방법으로 진행하였으나, 코팅층을 형성하는 순서에는 제한이 없다. 즉, 상기 화학식 3의 물질을 포함하는 코팅층을 형성 후, 상기 화학식 3의 물질을 포함하는 코팅층 상부에 상기 화학식 2의 물질을 포함하는 코팅층을 형성할 수도 있다.
상기 용매증기 형성단계(S120)는 용매를 가열하여 용매증기를 형성하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 용매증기 제조부(160)에서 용매를 가열하여 용매증기를 형성하는 것으로, 상기 용매증기 제조부(160)는 기체 주입펌프(150), 기체 주입관(151) 및 가열막대(161)를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 용매증기 제조부(160)에 일정비율의 용매를 일부 채운 뒤, 상기 가열막대(161)를 가열함으로써 상기 용매증기를 형성할 수 있다.
또한, 상기 용매증기는 제1용매증기 및 제2용매증기를 형성하는 것일 수 있다. 이때, 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기를 형성하는 상기 용매는, 디메틸설폭사이드, 증류수, 2-하이드록시에틸 아크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트, 이소프로필알코올, 메틸-2-피롤리디논, N,N-디메틸포름아미드 중 선택되는 서로 다른 1종을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기의 용매를 각각 가열하여 상기 용매증기를 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기를 형성하기 위하여 상기 용매증기 제조부(160)는 용매증기의 종류에 따라 각각 구비되는 것이 바람직하다.
일 예로, 상기 제1용매증기는 디메틸설폭사이드를 사용할 경우, 상기 제2용매증기는 증류수를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 디메틸설폭사이드를 사용할 경우, 적은양으로도 광활성층의 결정립의 크기를 성장시킬 수 있으나, 상기 디메틸설폭사이드에 의해 광활성층의 결정립을 분해할수도 있다. 이에, 결정립의 분해를 방지하기 위하여 상기 제2용매증기를 추가로 사용할 수 있다. 상기 제2용매증기로 증류수를 사용함으로써 제1용매증기인 디메틸설폭사이드에 의하여 성장한 광활성층의 결정립이 분해되지 않도록 보호하여 페로브스카이트 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 어닐링단계(S130) 상기 전구체 용액 도포층 코팅단계(S110)를 통하여 형성된 전구체 용액 도포층을 어닐링하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 용매증기 제조부(160)로부터 제조된 상기 용매증기를 용매증기 이동부(170)를 통하여 용매증기 분사부(180)로 이동시킨 뒤 상기 제1코팅층(120) 및 상기 제2코팅층(130)이 형성 된 기판의 상부에 용매증기를 분사하고, 상기 코팅층이 형성되지 않은 기판의 타면은 히터(190)를 이용하여 열처리하여 어닐링하는 것이 바람직하다.
일 예로, 상기 어닐링 단계는 상기 전구체 용액 도포층의 상부에 상기 제1용매증기 또는 상기 제2용매증기 중 선택되는 1종의 상기 용매증기를 분사하고, 상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리함으로써 어닐링 하여 광활성층(131)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 제1용매증기 또는 상기 제2용매증기는 질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종의 기체분압을 제어하여 상기 용매증기를 분사하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 용매증기가 형성된 용매 증기 제조부(160)에 상기 기체 주입펌프(150)를 이용하여 상기 기체 주입관(151)에 질소 또는 아르곤을 주입하고, 상기 질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종의 기체분압을 제어함으로써 상기 제1용매증기 또는 상기 제2용매증기를 분사할 수 있다.
또 다른 일 예로, 상기 어닐링단계는 상기 전구체 용액 도포층의 상부에 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기를 포함하는 상기 용매증기를 각각 분사하고, 상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리함으로써 어닐링 하여 광활성층(131)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기는 질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종이상의 기체분압을 각각 제어하여 상기 용매증기를 분사하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 용매증기 제조부(160)를 통하여 각각 제조된 제1용매증기 및 상기 제2용매증기를 주입하기 위한 것으로, 상기 제1용매증기를 주입하기 위하여 질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종의 기체분압을 제어하고, 상기 제2용매증기를 주입하기 위하여 질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종의 기체분압을 제어하는 것이 바람직하다. 이후, 상기 각각 제어되는 기체분압에 따라 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기는 상기 용매증기 분사부(180)로 이동하고, 상기 용매증기 분사부(180)내에서 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기가 혼합되어 상기 제2코팅층 상부로 분사될 수 있다.
이때, 상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기는 혼합되어 분사되지만, 분사를 위해 주입되는 기체분압을 각각 상이한 것으로, 주입되는 양 또한 서로 상이한 것이 바람직하다. 즉, 사용되는 제1용매증기 및 상기 제2용매증기의 종류에 따라 분사를 하기 위한 주입압력이 각각 상이할 수 있다.
이하 설명되는 다른 실시 예에서는 앞선 예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호가 부여되고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음된다.
도 4는 일 실시예에 따른 용매증기를 이용하여 제조된 광활성층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 나타낸 개략도이다.
도 4 참고하면, 용매증기를 이용하여 제조된 광활성층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지(200)는 베이스 기판(210), 제1 전극층(220), 정공수송층(230), 페로브스카이트 광활성층(240), 전자수송층(250) 및 제2전극층(260)을 포함할 수 있다.
먼저, 베이스 기판(210)은 투명한 재질로서, 글래스 일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 글래스 이외에도 투명 플라스틱 기판 과 같은 광투과율이 높은 재질의 베이스 기판(210)을 사용할 수 있다. 이때, 상기 투명 플라스틱 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI) 또는 트리아세틸 셀룰로오스(TAC) 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1전극층(220)은 베이스 기판(210)상에 형성될 수 있다. 이때, 제1전극층(220)은 투명전극을 형성하는 것으로, In계 산화물 또는 Zn계 산화물로 구성된 투명 도전성 산화물층이 형성될 수 있다. 상세하게는, FTO, ITO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 산화아연 등을 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 정공수송층(230)은 상기 제1전극층(220) 상에 형성될 수 있다. 상기 정공수송층(230)은 NiOx 박막을 포함하는 것으로, 상기 NiOx 박막은 NiOx 나노입자로 구성될 수 있다. 이때, 상기 NiOx 정공수송층을 계면이 분리되는 곳 없이 불균일한 제1전극층(220)의 표면을 따라 치밀하게 형성함으로써 층간의 저항을 감소시킬 수 있다.
또한, 광을 흡수하여 전자를 형성하는 페로브스카이트 광활성층(240)과 직접 맞닿아 있는 부분에 빠른 정공이동도를 가진 NiOx 나노파티클 층을 적용함으로써 페로브스카이트 광활성층(240)에서 NiOx층으로 정공을 추출하고, 이로 인해 정공전달층(230)과 페로브스카이트 광활성층(240) 간의 계면특성이 향상되는 동시에 전하의 수집 및 재결합 효율이 향상될 수 있다.
상기 페로브스카이트 광활성층(240)은 상기 정공수송층(230)상에 형성될 수 있다.
상세하게는, 상기 페로브스카이트 광활성층(240)은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액 도포층을 형성하고, 상기 전구체 용액 도포층을 용매증기를 이용하여 어닐링 하는 것을 특징으로 한다.
[화학식 1]
ABX3
상기 화학식 1에서,
A는 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 알킬, 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 1가의 양이온을 포함하고,
B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Fe2+ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속 양이온을 포함하고,
X는 할로겐 음이온이다.
이때, 상기 페로브스카이트 광활성층(240)은 전술한 페로브스카이트 광활성층 제조방법(S100)에 의하여 형성되는 것으로, 상세한 설명은 앞서 설명한 내용으로 대신한다.
상기 전자수송층(250)은 상기 페로브스카이트 광활성층(240) 상에 형성되는 것으로, 상기 전자수송층(250)은 풀러렌유도체(C60) 및 금속산화물층을 포함할 수 있다. 이때, 상기 금속산화물층은 SnO2, ZnO, MgO, WO3, PbO, In2O3, Bi2O3, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, ZrO3 등을 포함할 수 있다.
상기 제2전극층(260)은 상기 전자수송층(250) 상에 형성될 수 있다. 상기 제2전극층(260)은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Ag 일 수 있다.
이하 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
<실시예 1: 용매증기분사를 통한 페로브스카이트 광활성층을 포함하는 태양전지의 제조>
본 발명에 따른 페로브스카이트 광활성층 및 상기 페로브스카이트 광활성층을 포함하는 태양전지의 제조방법 및 효과는 하기 내용에서 상세히 설명한다.
유리 기판 위에 제1전극으로 인듐 틴 옥사이드를 코팅한 후, 그 위 정공수송층으로 NiOx를 코팅한다. 이 때, 인듐 틴 옥사이드와 NiOx는 열 증착(thermal evaporator) 공정, 슬롯 다이(Slot die) 공정, 스핀 코팅(spin-coating) 공정, 등 당업계에 통상적으로 알려진 방법들로 코팅할 수 있다.
상기 정공수송층이 증착된 기판 위에 제1코팅층으로 PbI2를 100~300nm 두께가 되도록 열증착법을 이용하여 코팅한다. 이후, 제1코팅층이 형성된 기판을 기판 이동부 위에 고정시켜 슬롯 다이를 통해 제2코팅층인 MAI를 코팅한다. 이때, 상기 MAI 물질을 2-propanol(IPA) 용매에 녹여 전구체를 만든 후, 슬롯 다이를 통해 100~300nm 두께가 되도록 도포한다.
이후 용매 증기를 이용한 어닐링 단계를 위하여 하기와 같은 방법으로 두 종류의 용매 증기를 제조한다. 제1용매증기로 하나의 용매 증기 제조부의 용기에 디메틸설폭사이드 용매를 채운 뒤, 60~100도로 가열한다. 기체 주입관을 통해 질소 기체를 4.0~5.0mb의 압력으로 주입한다. 또한, 제2용매증기로 다른 하나의 용매 증기 제조부의 용기에는 증류수를 채운 뒤, 60~100도로 가열한다. 그리고 해당 용매 증기 제조부의기체 주입관을 통해 질소 기체를 5.8~6.7mb의 압력으로 주입한다.
이후, 두 용매 증기 제조부에서 제조된 증기는 기체 이동관을 통해 용매 증기 작업부로 이동하여 합쳐져 일정하게 MAI가 도포된 기판 위로 분사되는 동시에, MAI가 도포되지 않은 기판의 타면은 120~150도로 가열되어 30분~1시간동안 열처리(어닐링)하고, 페로브스카이트 광활성층 코팅이 완료된다. 이후 전자수송층으로 C60를 증착하고, 차례로 전극으로 은을 증착하여 페로브스카이트 태양전지를 제조한다.
<실시예 2>
제1용매증기는 질소기체를 이용하여 3.0~3.5mb의 압력으로 주입하고, 제2용매증기는 질소기체를 이용하여 12.0~13.0mb의 압력으로 주입하는 것을 제외하고, 실시예1과 동일하게 제조하였다.
<실시예 3>
제1용매증기는 질소기체를 이용하여 1.0~2.0mb의 압력으로 주입하고, 제2용매증기는 질소기체를 이용하여 18.7~19.6mb의 압력으로 주입하는 것을 제외하고, 실시예1과 동일하게 제조하였다.
<실시예 4>
2-하이드록시에틸아크릴레이트로 제1용매증기를 형성 후 질소기체를 이용하여 1.8~2.4mb의 압력으로 주입하고, 증류수로 제2용매증기를 형성 후 질소기체를 이용하여 12.5~13.5mb의 압력으로 주입하는 것을 제외하고, 실시예1과 동일하게 제조하였다.
<비교예 1>
MAI를 포함하는 제2코팅층이 형성된 기판을 용매증기를 이용하여 열처리 하지 않고, 120~150℃, 30분~1시간동안 열처리하여 어닐링 하는 것을 제외하고, 실시예1과 동일하게 제조하였다.
<비교예 2>
용매증기를 이용한 어닐링을 위하여 디메틸설폭사이드 용매증기를 질소기체를 이용하여 6.3~7.0mb로 주입하는 것을 제외하고 실시예1과 동일하게 제조하였다.
<비교예 3>
제1용매증기는 질소기체를 이용하여 5.0~6.0mb의 압력으로 주입하고, 제2용매증기는 질소기체를 이용하여 2.3~2.6mb의 압력으로 주입하는 것을 제외하고, 실시예1과 동일하게 제조하였다.
하기 표1은 상기 실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 1 내지 비교예 3의 실험조건을 정리한 것이다.
제1용매증기
/제2용매증기		 어닐링방법
용매증기분사 기판열처리
제1용매증기 주입압력(mb) 제2용매증기 주입압력(mb)
실시예 1 디메틸설폭사이드
/증류수		 4.0~5.0 5.8~6.7 120~150℃, 30분 ~1시간
실시예 2 디메틸설폭사이드
/증류수		 3.3~3.5 12.0~13.0 120~150℃, 30분 ~1시간
실시예 3 디메틸설폭사이드
/증류수		 1.0~2.0 18.7~19.6 120~150℃, 30분 ~1시간
실시예 4 2-하이드록시에틸아크릴레이트
/증류수		 1.8~2.4 12.5~13.5 120~150℃, 30분 ~1시간
비교예 1 --/-- -- 120~150℃, 30분 ~1시간
비교예 2 디메틸설폭사이드/-- 6.3~7.0 -- 120~150℃, 30분 ~1시간
비교예 3 디메틸설폭사이드
/증류수		 5.0~6.0 2.3~2.6 120~150℃, 30분 ~1시간
도 5는 일 실시예 및 비교예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 성능 파라미터를 나타낸 것이다.
도 5를 참고하면, 실시예1 내지 실시예 4의 비교예1 내지 비교예 3과 비교하여 단락전류밀고, 충전율, 개방전압 및 태양전지의 효율이 모두 우수한 것을 확인 할 수 있다.
먼저, 실시예1 내지 실시예3 및 비교예 1을 통하여 용매증기를 이용하여 광활성층을 형성함으로써 더 우수한 품질의 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있다는 것을 확인 할 수 있다.
또한, 실시예1 내지 실시예3 및 비교예 2를 통하여 한 종류의 용매증기를 이용하여 광활성층을 형성하는 것보다 두 종류의 용매증기를 이용함으로써 더 우수한 품질의 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있다는 것을 확인 할 수 있다.
또한, 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 3을 통하여 증류수를 포함하는 제2용매증기의 주입압력이 디메틸설폭사이드를 포함하는 제1용매증기의 주입압력보다 높을수록 페로브스카이트 태양전지의 효율이 향상되는 것을 확인 할 수 있다.
이는, 디메틸설폭사이드 용매증기의 특성에 기인하는 것으로, 디메틸설폭사이드의 경우 적은 양으로도 광활성층의 결정립의 크기를 크게 키울 수 있는 장점을 가지고 있는 동시에, 페로브스카이트 박막을 분해 할 수 있다는 단점을 가지고 있다.
이에, 증류수를 이용하여 제2용매증기를 형성하고 제1용매증기인 디메틸설폭사이드와 함께 혼합하여 분사함으로써 페로브스카이트 박막의 분해를 방지하고 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
즉, 낮은 압력으로 적은양의 디메틸설폭사이드 용매증기를 주입하여 광활성층 결정립의 크기를 증가시키고, 높은 압력으로 충분한 양의 증류수 용매증기를 주입하여 크기가 커진 결정립을 보호함으로써 페로브스카이트 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 일 실시예 및 비교예에 따른 광활성층의 SEM 이미지를 관찰한 것이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 비교예 1 및 비교예 2를 통하여 형성한 광활성층의 표면의 SEM 이미지를 관찰한 것으로, 결정립의 크기는 약 100nm 내지 300nm이며, 코팅 된 표면이 고르지 못한 것을 확인 할 수 있다. 이에 비해, 도 6(c) 및 도 6(d)는 실시예1 및 실시예 2를 통하여 형성한 광활성층의 표면의 SEM 이미지를 관찰한 것으로, 결정립의 크기는 약300nm 내지 700nm이며, 코팅 된 표면이 고르게 형성 된 것을 확인 할 수 있다.
즉, 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 두 종류의 용매증기를 사용함으로써 결정립의 크기를 증가시킬 수 있으며, 표면 또한 고르게 코팅 가능하다는 것을 확인 할 수 있다.
도 7은 일 실시예 및 비교예에 따른 광활성층 단면의 SEM 이미지를 관찰한 것이다.
도 7(a)는 비교예 1을 통하여 제조한 광활성층 단면의 SEM 이미지로 균일하지 않게 결정립이 성장한 것을 확인 할 수 있다. 반면에 도 7(b)는 실시예 1을 통하여 제조한 광활성층 단면의 SEM 이미지로 가로 및 세로방향으로 결정립의 크기가 성장하였으며, 균일한 방향성을 가지고 있음을 확인 할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
110: 기판이동부
120: 제1코팅층
130: 제2코팅층, 131: 광활성층
140: 코팅부, 141: 코팅액 주입펌프
150: 기체 주입펌프, 151: 기체주입관
160: 용매증기 제조부, 161: 가열막대
170: 용매증기 이동부
180: 용매증기 분사부
190: 열처리부
200: 페로브스카이트 태양전지
210: 베이스 기판
220: 제1전극층
230: 정공수송층
240: 광활성층
250: 전자수송층
260: 제2전극

Claims (22)

  1. 페로브스카이트 광활성층의 제조방법에 있어서,
    하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액 도포층을 형성하는 코팅단계;
    용매 증기를 형성하는 단계; 및
    상기 코팅 된 전구체 용액 도포층을 어닐링하는 어닐링단계;를 포함하는 것인
    페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
    [화학식 1]
    ABX3
    상기 화학식 1에서,
    A는 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 알킬, 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 1가의 양이온을 포함하고,
    B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Fe2+ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속 양이온을 포함하고,
    X는 할로겐 음이온이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코팅단계는,
    하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액을 코팅하는 제1코팅층 형성단계; 및
    상기 제1코팅층 상에 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 코팅하는 제2코팅층 형성단계;를 포함하는 것인,
    페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
    [화학식 2]
    BX2
    상기 화학식 2에서,
    B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Fe2+ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속 양이온을 포함하고,
    X는 할로겐 음이온이다.
    [화학식 3]
    AX
    A는 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 알킬, 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 1가의 양이온을 포함하고,
    X는 할로겐 음이온이다.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용매증기를 형성하는 단계는,
    일정 비율의 용매를 가열하여 용매증기를 형성하는 것인,
    페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 용매증기는 제1용매증기 및 제2용매증기를 형성하는 것인,
    페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기를 형성하는 상기 용매는,
    디메틸설폭사이드, 증류수, 2-하이드록시에틸아크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트, 이소프로필알코올, 메틸-2-피롤리디논, N,N-디메틸포름아미드 중 선택되는 서로 다른 1종을 포함하는 것인,
    페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기의 용매는 각각 가열하여 상기 용매증기를 형성하는 것인,
    페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 어닐링단계는,
    상기 전구체 용액 도포층의 상부에 제1용매증기 또는 제2용매증기 중 선택되는 1종의 상기 용매증기를 분사하고,
    상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리 하는 것인,
    페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1용매증기 또는 상기 제2용매증기는,
    질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종의 기체분압을 제어하여 상기 용매증기를 분사하는 것인,
    페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 어닐링단계는,
    상기 전구체 용액 도포층의 상부에 제1용매증기 및 제2용매증기를 포함하는상기 용매증기를 각각 분사하고,
    상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리 하는 것인,
    페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기는 질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종이상의 기체분압을 각각 제어하여 상기 용매증기를 분사하는 것인,
    페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 페로브스카이트 광활성층을 제조하는 장치에 있어서,
    광활성층 형성을 위한 기판을 배치하고 이동시키는 기판이동부;
    하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액 도포층을 형성하는 코팅부;
    상기 전구체 용액 도포층 상부에 용매증기를 분사하는 용매증기 분사부; 및
    상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리하는 열처리부;를 포함하는 것인,
    페로브스카이트 광활성층 제조장치.
    [화학식 1]
    ABX3
    상기 화학식 1에서,
    A는 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 알킬, 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 1가의 양이온을 포함하고,
    B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Fe2+ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속 양이온을 포함하고,
    X는 할로겐 음이온이다.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 용매증기 분사부는,
    용매증기를 제조하는 용매증기 제조부;
    상기 용매증기를 가열하는 가열막대;
    상기 제조된 용매증기를 상기 용매증기 분사부로 이동시키는 용매증기 이동부;
    상기 용매증기의 분사를 위하여 기체를 주입하는 기체주입펌프; 및
    상기 기체주입펌프를 통하여 주입된 기체를 상기 용매증기 제조부로 이동시키는 기체주입관;을 포함하는 것인,
    페로브스카이트 광활성층 제조장치.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 페로브스카이트 광활성층의 제조방법으로 제조된 페로브스카이트 광활성층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 있어서,
    상기 페로브스카이트 태양전지는
    베이스 기판;
    상기 베이스 기판 상에 형성되는 제1전극층;
    상기 제1전극층 상에 형성되는 상기 무기물 정공수송층;
    상기 무기물 정공수송층 상에 형성되는 페로브스카이트 광활성층;
    상기 광활성층 상에 형성되는 전자수송층 및;
    상기 전자수송층 상에 형성되는 제2전극층;을 포함하는 것인,
    페로브스카이트 태양전지.
  14. 제1항 내지 제10항 중 중 어느 한 항의 페로브스카이트 광활성층의 제조방법으로 제조된 페로브스카이트 광활성층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서,
    상기 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은,
    베이스 기판상에 제1전극층을 형성하는 단계;
    상기 제1전극층 상에 상기 무기물 정공수송층을 형성하는 단계;
    상기 무기물 정공수송층 상에 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계;
    상기 페로브스카이트 광흡수층 상에 전자수송층을 형성하는 단계; 및
    상기 전자수송층 상에 제2전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 것인,
    페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 광활성층을 형성하는 단계는,
    하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 전구체 용액을 기판의 일면에 코팅하여 전구체 용액 도포층을 형성하고,
    상기 전구체 용액 도포층을 용매증기를 이용하여 어닐링 하는 것인,
    페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
    [화학식 1]
    ABX3
    상기 화학식 1에서,
    A는 아민기가 치환된 C1-20의 직쇄 알킬, 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 1가의 양이온을 포함하고,
    B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ 및 Fe2+ 로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 2가의 금속 양이온을 포함하고,
    X는 할로겐 음이온이다.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 용매증기는 제1용매증기 및 제2용매증기를 형성하는 것인,
    페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기를 형성하는 상기 용매는,
    디메틸설폭사이드, 증류수, 2-하이드록시에틸 아크릴레이트, 2-하이드록시에틸 메타크릴레이트, 이소프로필알코올, 메틸-2-피롤리디논, N,N-디메틸포름아미드 중 선택되는 서로 다른 1종을 포함하는 것인,
    페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기의 용매는 각각 가열하여 상기 용매증기를 형성하는 것인,
    페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 어닐링은,
    상기 전구체 용액 도포층의 상부에 제1용매증기 또는 제2용매증기 중 선택되는 1종의 상기 용매증기를 분사하고,
    상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리 하는 것인,
    페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1용매증기 또는 상기 제2용매증기는,
    질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종의 기체분압을 제어하여 상기 용매증기를 분사하는 것인,
    페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 어닐링은,
    상기 전구체 용액 도포층의 상부에 제1용매증기 및 제2용매증기를 포함하는상기 용매증기를 각각 분사하고,
    상기 전구체 용액 도포층이 도포되지 않은 기판의 타면을 열처리 하는 것인,
    페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1용매증기 및 상기 제2용매증기는 질소 또는 아르곤 중 선택되는 1종이상의 기체분압을 각각 제어하여 상기 용매증기를 분사하는 것인,
    페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
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KR20180042441A (ko) * 2016-08-25 2018-04-25 항조우 마이크로콴타 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드 페로브스카이트 박막의 저압　화학　증착　장비 및 그의 사용 방법과 응용

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