KR20220035455A - 태양 전지 모듈, 전자 기기, 및 전원 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 제1 기판(1); 및 제1 기판(1) 상에 배치된 복수의 광전 변환 소자(a, b)로서 복수의 광전 변환 소자(a, b)의 각각은 제1 전극(2a, 2b), 전자 수송층(3), 페로브스카이트층(5), 홀 수송층(6), 및 제2 전극(7a, 7b)을 포함하는 것인 복수의 광전 변환 소자(a, b)를 포함하는 태양 전지 모듈(100)로서, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자(a, b)에서, 홀 수송층(6)은 연장된 연속층이고, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자(a, b)에서 제1 전극(2a, 2b), 전자 수송층(3), 및 페로브스카이트층(5)은 홀 수송층(6)에 의해 분리되고, 홀 수송층(6)은 홀 수송성 재료로서 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머 또는 2,000 이상의 분자량을 갖는 화합물을 포함하는 것인 태양 전지 모듈을 제공한다.

Description

태양 전지 모듈, 전자 기기, 및 전원 모듈
본 개시내용은 태양 전지 모듈, 전자 기기, 및 전원 모듈에 관한 것이다.
최근, 광전 변환 소자를 이용하는 태양 전지는 화석 연료의 대책 및 지구 온난화에 대한 대책의 관점에서뿐만 아니라 전지 교환 또는 전원 배선을 필요로 하지 않는 자립형 전원으로서도 폭넓게 적용될 것으로 기대되고 있다. 또한, 자립형 전원으로서의 태양 전지는 IoT(Internet of Things) 디바이스 또는 인공 위성에서 요구되는 환경 발전(energy harvest) 기술 중 하나로서 많은 주목을 받고 있다.
태양 전지의 예는 유기계 태양 전지, 예를 들어 색소 증감 태양 전지, 유기 박막 태양 전지, 및 페로브스카이트 태양 전지뿐만 아니라 종래부터 널리 사용되고 있는 실리콘을 사용하는 무기계 태양 전지를 포함한다.
페로브스카이트 태양 전지는, 예를 들어 요오드 및 유기 용매를 포함하는 전해액을 사용하지 않고 종래부터 존재하는 인쇄 수단에 의해 제조될 수 있기 때문에, 안전성의 개선 및 제조 비용의 억제의 관점에서 유리하다.
유기 박막 태양 전지 및 페로브스카이트 태양 전지와 관련하여, 공간적으로 분할된 복수의 광전 변환 소자는, 직렬 회로를 형성하여 출력 전압이 증가되도록 전기적으로 접속되는 것으로 알려져 있다(예를 들어, PTL 1 참조).
[인용문헌]
[특허 문헌]
[PLT1]: 미심사된 일본 공개 특허 출원 공보 2016-195175
본 개시내용의 목적은 장기간 동안 높은 조도를 갖는 광에 노출된 후에도 발전 효율을 유지할 수 있는 태양 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 개시내용의 한 양태에 따라, 태양 전지 모듈은 제1 기판; 및 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 광전 변환 소자를 포함한다. 복수의 광전 변환 소자의 각각은 제1 전극, 전자 수송층, 페로브스카이트층, 홀 수송층, 및 제2 전극을 포함한다. 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서, 홀 수송층은 연장된 연속층이다. 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 제1 전극, 전자 수송층, 및 페로브스카이트층은 홀 수송층에 의해 분리된다. 홀 수송층은 홀 수송성 재료로서 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머 또는 2,000 이상의 분자량을 갖는 화합물을 포함한다.
본 개시내용에 따라, 장기간 동안 높은 조도를 갖는 광에 노출된 후에도 발전 효율을 유지할 수 있는 태양 전지 모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 태양 전지 모듈의 구조의 한 예를 나타내는 설명도이다.
도 2는 본 개시내용의 태양 전지 모듈의 구조의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 3은 본 개시내용의 태양 전지 모듈의 구조의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 4는 본 개시내용의 태양 전지 모듈의 구조의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 5는 본 개시내용의 태양 전지 모듈의 구조의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 6은 본 개시내용의 전자 기기의 한 예로서 퍼스널 컴퓨터용 마우스의 블록 다이어그램이다.
도 7은 도 6에 나타낸 마우스의 한 예를 나타내는 모식적인 외관도이다.
도 8은 본 개시내용의 전자 기기의 한 예로서 퍼스널 컴퓨터용 키보드의 블록 다이어그램이다.
도 9는 도 8에 나타낸 키보드의 한 예를 나타내는 모식적인 외관도이다.
도 10은 도 8에 나타낸 키보드의 다른 예를 나타내는 모식적인 외관도이다.
도 11은 본 개시내용의 전자 기기의 한 예로서 센서의 블록 다이어그램이다.
도 12는 본 개시내용의 전자 기기의 한 예로서 텐테이블의 블록 다이어그램이다.
도 13은 본 개시내용의 전자 기기의 한 예를 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 14는 전원 IC가 도 13에 나타낸 전자 기기 내에 추가로 통합되는 경우의 한 예를 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 15는 축전 디바이스가 도 14에 나타낸 전자 기기 내에 추가로 통합되어 있는 한 예를 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 16은 본 개시내용의 전원 모듈의 한 예를 나타내는 블록 다이어그램이다.
도 17은 축전 디바이스가 도 16에 나타낸 전자 기기 내에 추가로 통합되어 있는 한 예를 나타내는 블록 다이어그램이다.
(태양 전지 모듈)
본 개시내용의 태양 전지 모듈은 제1 기판; 및 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 광전 변환 소자를 포함한다. 복수의 광전 변환 소자의 각각은 제1 전극, 전자 수송층, 페로브스카이트층, 홀 수송층, 및 제2 전극을 포함한다. 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서, 홀 수송층은 연장된 연속층(extended continuous layer)이다. 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서, 제1 전극, 전자 수송층, 및 페로브스카이트층은 홀 수송층에 의해 분리된다. 홀 수송층은 홀 수송성 재료로서 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머 또는 2,000 이상의 분자량을 갖는 화합물을 포함한다.
본 개시내용의 태양 전지 모듈은 페로브스카이트층을 갖는 종래의 태양 전지 모듈이 장기간 동안 높은 조도를 갖는 광에 노출된 후에 발전 효율이 대폭 감소된다는 발견에 기초한다. 구체적으로, 페로브스카이트층을 갖는 종래의 태양 전지 모듈에서, 다공질 산화티탄층 또는 페로브스카이트층이 연장되기 때문에, 이러한 구조는 확산을 통한 전자들의 많은 재결합을 야기하고, 장기간 동안 높은 조도를 갖는 광에 노출된 후에 발전 효율이 대폭 감소되는데, 이는 문제가 된다.
다른 문제로서, 홀 수송층 및 제2 전극은 박리되는데, 그 이유는 홀 수송층과 제2 전극 사이의 접착력이 낮기 때문이고, 이는 장기간 동안의 내구성의 관점에서 문제가 된다.
한편, 본 개시내용의 태양 전지 모듈과 관련하여, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서, 홀 수송층은 연장된 연속층이고, 제1 전극, 전자 수송층, 및 페로브스카이트층은 홀 수송층에 의해 분리된다. 따라서, 본 개시내용의 태양 전지 모듈에서, 제1 전극, 다공질 산화티탄층, 및 페로브스카이트층은 홀 수송층에 의해 분리되고, 홀 수송층은 홀 수송성 재료로서 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머 또는 2,000 이상의 분자량을 갖는 화합물을 포함한다. 결과적으로, 확산을 통한 전자들의 재결합이 보다 더 야기되기 때문에, 발전 효율은 장기간 동안 높은 조도를 갖는 광에 노출 후에도 유지될 수 있고, 내구성은 대폭 증가된다.
본 개시내용의 태양 전지 모듈은 제1 기판 및 상기 제1 기판 상에 배치된 복수의 광전 변환 소자를 포함하며, 바람직하게는 상기 언급된 기판과 상이한 제2 기판 및 밀봉 부재를 더 포함하며, 필요에 따라 다른 부재를 포함한다.
<기판>
제1 기판의 형상, 구조, 및 크기는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
제1 기판의 재료는 특별히 제한되지 않으며, 그것이 투광성 및 절연성을 갖는 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 재료의 예는 유리, 플라스틱 필름, 및 세라믹을 포함한다. 이들 중에서, 후술하는 바와 같이 전자 수송층을 형성하는 소성 단계가 포함되는 경우, 소성 온도에 대해 내열성을 갖는 재료가 바람직하다. 또한, 제1 기판의 바람직한 예는 가요성을 갖는 것들을 포함한다.
<광전 변환 소자>
광전 변환 소자는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 소자를 의미하고, 예를 들어 태양 전지 및 광다이오드에 응용된다.
본 개시내용의 광전 변환 소자는 적어도 제1 전극, 전자 수송층, 페로브스카이트층, 홀 수송층, 및 제2 전극을 포함한다.
<<제1 전극>>
제1 전극의 형상 및 크기는 특별히 제한되지 않으며, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 제1 전극이 후술되는 홀 수송층에 의해 분리되는 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
제1 전극의 구조는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 제1 전극의 구조는 단층 구조 또는 복수의 재료가 적층된 구조일 수 있다.
제1 전극의 재료는 특별히 제한되지 않으며, 그 재료가 도전성을 갖는 재료인 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 재료의 예는 투명 도전성 금속 산화물, 카본, 및 금속을 포함한다.
투명 도전성 금속 산화물의 예는 인듐-주석 산화물(이하 "ITO"로 언급됨), 불소 도핑된 주석 산화물(이하 "FTO"로 언급됨), 안티몬 도핑된 주석 산화물(이하 "ATO"로 언급됨), 니오븀 도핑된 주석 산화물(이하 "NTO"로 언급됨), 알루미늄 도핑된 아연 산화물, 인듐-아연 산화물, 및 니오븀-티탄 산화물을 포함한다.
카본의 예는 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그래핀, 및 풀러렌을 포함한다.
금속의 예는 금, 은, 알루미늄, 니켈, 인듐, 탄탈, 및 티탄을 포함한다.
이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 이들 중에서, 고투명성을 갖는 투명 도전성 금속 산화물이 바람직하며, ITO, FTO, ATO, NTO가 더 바람직하다.
제1 전극의 평균 두께는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 제1 전극의 평균 두께는 5 nm 이상 100 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 50 nm 이상 10 ㎛ 이하인 것이 더 바람직하다. 제1 전극의 재료가 카본 또는 금속인 경우, 제1 전극의 평균 두께는 투광성을 얻는 데 충분한 평균 두께인 것이 바람직하다.
제1 전극은 공지된 방법, 예를 들어 스퍼터링법, 증착법, 및 분무법에 의해 형성될 수 있다.
또한, 제1 전극은 제1 기판 상에 형성되는 것이 바람직하다. 제1 전극이 제1 기판 상에 미리 형성되어 있는 일체화된 상업적으로 이용 가능한 제품을 사용하는 것이 가능하다.
일체화된 상업적으로 이용 가능한 제품의 예는 FTO 코팅된 유리, ITO 코팅된 유리, 아연 산화물/알루미늄 코팅된 유리, FTO 코팅된 투명 플라스틱 필름, 및 ITO 코팅된 투명 플라스틱 필름을 포함한다. 일체화된 상업적으로 이용 가능한 제품의 다른 예는 주석 산화물 또는 인듐 산화물이 상이한 원자가를 갖는 양이온 또는 음이온으로 도핑되어 있는 투명 전극이 구비된 유리 기판; 및 메쉬 또는 스트라이프의 형태로 광을 통과시킬 수 있는 이러한 구조를 갖는 금속 전극이 구비된 유리 기판을 포함한다.
이들은 단독으로 사용될 수 있거나, 또는 2개 이상의 제품이 결합된 제품 또는 라미네이트로서 조합으로 사용될 수 있다. 또한, 금속 리드선이 전기 저항값을 감소시키기 위해 조합으로 사용될 수 있다.
금속 리드선의 재료는, 예를 들어 알루미늄, 구리, 은, 금, 백금, 및 니켈이다.
금속 리드선은, 예를 들어 증착, 스퍼터링, 또는 압착을 통해 그것을 기판 상에 형성하고, 그 위에 ITO나 FTO의 층을 배치함으로써 또는 그것을 ITO 또는 FTO 상에 형성함으로써 조합으로 사용될 수 있다.
<<전자 수송층>>
전자 수송층은 후술되는 페로브스카이트층에서 생성된 전자를 제1 전극으로 수송하는 층을 의미한다. 따라서, 전자 수송층은 제1 전극에 인접하여 배치되는 것이 바람직하다.
전자 수송층의 형상 및 크기는 특별히 제한되지 않으며, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 전자 수송층이 후술되는 홀 수송층에 의해 분리되는 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 전자 수송층이 홀 수송층에 의해 분리되는 경우, 전자들의 확산은 방지되어 전류의 누출이 감소된다. 결과적으로, 광 내구성은 개선될 수 있다.
전자 수송층의 구조는 단층일 수 있거나, 또는 복수의 층이 적층되어 형성된 다층일 수 있다. 그러나, 그의 구조는 다층인 것이 바람직하다. 그의 구조는 치밀한 구조를 갖는 층(치밀층)과 다공질 구조를 갖는 층(다공질층)으로 형성되는 것이 더 바람직하다. 또한, 치밀층은 다공질층보다 제1 전극에 더 가깝게 배치되는 것이 바람직하다.
-치밀층-
치밀층은 특별히 제한되지 않으며, 그것이 전자 수송성 재료를 포함하고, 후술되는 다공질층보다 더 치밀하는 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 본 출원에서, 다공질층보다 더 치밀하다는 것은 치밀층의 충전 밀도가 다공질층을 형성하는 입자의 충전 밀도보다 더 높다는 것을 의미한다.
전자 수송성 재료는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있으나, 반도체 재료인 것이 바람직하다.
반도체 재료는 특별히 제한되지 않으며, 공지된 재료가 사용될 수 있다. 반도체 재료의 예는 단체 반도체 및 화합물 반도체를 갖는 화합물을 포함한다.
단체 반도체의 예는 실리콘 및 게르마늄을 포함한다.
화합물 반도체의 예는 금속의 칼코게나이드를 포함한다. 그의 구체적인 예는 티탄, 주석, 아연, 철, 텅스텐, 지르코늄, 하프늄, 스트론튬, 인듐, 세륨, 이트륨, 란탄, 바나듐, 니오븀 및 탄탈의 산화물; 카드뮴, 아연, 납, 은, 안티몬, 및 비스무트의 황화물; 카드뮴 및 납의 셀렌화물; 및 카드뮴의 텔루르화물을 포함한다. 화합물 반도체의 다른 예는 아연, 갈륨, 인듐, 및 카드뮴의 인화물; 비화갈륨; 구리-인듐-셀렌화물; 및 구리-인듐-황화물을 포함한다.
이들 중에서, 산화물 반도체가 바람직하다. 특히, 산화티탄, 산화아연, 산화주석, 및 산화니오븀이 더 바람직하게 포함된다.
이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 또한, 반도체 재료의 결정형은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그의 결정형은 단결정, 다결정, 또는 비정질일 수 있다.
치밀층의 막 두께는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 치밀층의 막 두께는 5 nm 이상 1 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 10 nm 이상 700 nm 이하인 것이 보다 더 바람직하다
치밀층의 제작 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 방법의 예는 진공 하에 박막을 형성하기 위한 방법(진공 제막법) 및 습식 제막법을 포함한다.
진공 제막법의 예는 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법(PLD 법), 이온빔 스퍼터링법, 이온 어시스트 증착법, 이온 플레이팅법, 진공 증착법, 원자층 증착법(ALD 법), 및 화학 기상 증착법(CVD 법)을 포함한다.
습식 제막법의 예는 졸-겔 방법을 포함한다. 졸-겔 방법은 후술하는 방법이다. 구체적으로, 용액은 화학 반응, 예를 들어 가수분해 또는 중합·축합이 진행되어 겔을 제조한다. 이후, 이는 열처리되어 치밀화가 촉진된다. 졸-겔 방법을 이용하는 경우, 졸 용액을 코팅하기 위한 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그 방법의 예는 디프법(dip method), 스프레이법, 와이어바법(wire bar method), 스핀 코팅법, 롤러 코팅법, 블레이드 코팅법, 그라비아 코팅법 및 습식 인쇄법, 예를 들어 철판 인쇄(relief printing), 오프셋 인쇄, 그라비아 인쇄, 요판 인쇄(intaglio printing), 고무판 인쇄, 및 스크린 인쇄를 포함한다. 졸 용액이 코팅된 이후에 열처리가 수행되는 온도는 바람직하게는 80℃ 이상이고, 더 바람직하게는 100℃ 이상이다.
-다공질층-
다공질층은 특별히 제한되지 않으며, 그것이 전자 수송성 재료를 포함하고, 치밀층보다 덜 치밀하는 한(즉, 다공질인 한) 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 유의할 점은 치밀증보다 덜 치밀하다는 것은 다공질층의 충전 밀도가 치밀층의 충전 밀도보다 더 낮다는 것이다.
전자 수송성 재료는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있으나, 치밀층의 경우와 유사하게 반도체 재료인 것이 바람직하다. 반도체 재료로서, 치밀층에서 사용되는 재료와 동일한 재료가 사용될 수 있다.
또한, 다공질층을 형성하는 전자 수송성 재료는 입자의 형상을 갖고, 이러한 입자는 접합되어 다공질 필름을 형성하는 것이 바람직하다.
전자 수송성 재료의 1차 입자의 수 평균 입자 직경은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그의 수 평균 입자 직경은 1 nm 이상 100 nm 이하인 것이 바람직하고, 10 nm 이상 50 nm 이하인 것이 더 바람직하다. 또한, 수 평균 입자 직경보다 큰 입자 크기를 갖는 반도체 재료가 혼합되거나 적층될 수 있다. 이러한 반도체 재료의 사용은 변환 효율을 개선시킬 수 있는데, 그 이유는 입사광을 산란하는 효과가 있기 때문이다. 이러한 경우, 수 평균 입자 직경은 50 nm 이상 500 nm 이하인 것이 바람직하다.
다공질층 내의 전자 수송성 재료로서, 산화티탄 입자가 적합하게 사용될 수 있다. 다공질층 내의 전자 수송성 재료가 산화티탄 입자인 경우, 전도대(conduction band)가 높으며, 이는 높은 개방 전압(open-circuit voltage)을 얻는 것을 가능하게 한다. 또한, 다공질층 내의 전자 수송성 재료가 산화티탄 입자인 경우, 그 굴절률이 높고, 높은 단락 전류가 얻어질 수 있는데, 그 이유는 광을 구속하는 효과가 있기 때문이다. 또한, 다공질층 내의 전자 수송성 재료가 산화티탄 입자인 경우, 이는 유리한데, 그 이유는 다공질층의 유전율이 높아 지고, 전자의 이동도가 높아져 높은 곡선 인자(형상 인자)가 얻어지기 때문이다. 즉, 개방 전압 및 곡선 인자가 향상될 수 있기 때문에, 전자 수송층은 산화티탄 입자를 포함하는 다공질층을 포함하는 것이 바람직하다.
다공질층의 평균 두께는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그의 평균 두께는 30 nm 이상 1 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 100 nm 이상 600 nm 이하인 것이 더 바람직하다
또한, 다공질층은 다층 구조를 포함할 수 있다. 다층 구조를 갖는 다공질층은 입자 직경이 상이한 전자 수송성 재료의 입자의 분산액을 복수회 코팅함으로써, 또는 전자 수송성 재료, 수지, 및 첨가제의 조성이 상이한 분산액을 복수회 코팅함으로써 제작될 수 있다. 전자 수송성 재료의 입자의 분산액을 복수회 코팅하는 것은 다공질층의 평균 두께(막 두께)를 조정하는 경우에 효과적이다.
다공질층의 제작 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 방법의 예는 침지법, 스핀 코팅법, 스프레이법, 디프법, 롤러법, 및 에어 나이프법을 포함한다. 다공질층의 제작 방법으로서, 이산화탄소와 같은 초임계 유체를 사용하여 석출시키는 방법을 사용할 수 있다.
전자 수송성 재료의 입자를 제작하는 방법은, 예를 들어 공지된 밀링 장치를 사용하여 기계적으로 분쇄하는 방법이다. 이 방법을 통해, 전자 수송성 재료를 입자 형태 단독으로 또는 반도체 재료와 수지의 혼합물의 형태로 수 중에 또는 용매 중에 분산시킴으로써 반도체 재료의 분산액을 제조하는 것이 가능하다.
수지의 예는 비닐 화합물(예를 들어, 스티렌, 비닐 아세테이트, 아크릴산 에스테르, 및 메타크릴산 에스테르)의 폴리머 또는 코폴리머, 실리콘 수지, 페녹시 수지, 폴리설폰 수지, 폴리비닐 부티랄 수지, 폴리비닐 포르말 수지, 폴리에스테르 수지, 셀룰로오스 에스테르 수지, 셀룰로오스 에테르 수지, 우레탄 수지, 페놀 수지, 에폭시 수지, 폴리카르보네이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리아미드 수지, 및 폴리이미드 수지를 포함한다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
용매의 예는 물, 알코올 용매, 케톤 용매, 에스테르 용매, 에테르 용매, 아미드 용매, 할로겐화 탄화수소 용매, 및 탄화수소 용매를 포함한다.
알코올 용매의 예는 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 및 α-테르피네올을 포함한다.
케톤 용매의 예는 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 및 메틸 이소부틸 케톤을 포함한다.
에스테르 용매의 예는 에틸 포르메이트, 에틸 아세테이트, 및 n-부틸 아세테이트를 포함한다.
에테르 용매의 예는 디에틸 에테르, 디메톡시 에탄, 테트라하이드로푸란, 디옥솔란, 및 디옥산을 포함한다.
아미드 용매의 예는 N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세토아미드, 및 N-메틸-2-피롤리돈을 포함한다.
할로겐화 탄화수소 용매의 예는 디클로로메탄, 클로로포름, 브로모포름, 메틸 요오다이드, 디클로로에탄, 트리클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로벤젠, o-디클로로벤젠, 플루오로벤젠, 브로모벤젠, 요오도벤젠, 및 1-클로로나프탈렌을 포함한다.
탄화수소 용매의 예는 n-펜탄, n-헥산, n-옥탄, 1,5-헥사디엔, 사이클로헥산, 메틸사이클로헥산, 사이클로헥사디엔, 벤젠, 톨루엔, o-크실렌, m-크실렌, p-크실렌, 에틸벤젠, 및 쿠멘을 포함한다.
이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
전자 수송성 재료를 포함하는 분산액, 또는 예를 들어 졸-겔 법에 의해 수득되는 전자 수송성 재료를 포함하는 페이스트에는, 입자의 재응집을 방지하기 위해 산, 계면활성제, 또는 킬레이화제를 첨가할 수 있다.
산의 예는 염산, 질산, 및 아세트산을 포함한다.
계면활성제의 예는 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐 에테르를 포함한다.
킬레이화제의 예는 아세틸 아세톤, 2-아미노에탄올, 및 에틸렌 디아민을 포함한다.
더욱이, 증점제의 첨가는 또한 제막성을 개선하기 위한 목적에 효과적인 수단이다.
증점제의 예는 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 알코올, 및 에틸 셀룰로오스를 포함한다.
전자 수송성 재료가 코팅된 이후, 전자 수송성 재료의 입자를 서로 전기적으로 접촉시키고, 이어서 막의 강도 및 기판에 대한 밀착성을 향상시키기 위해 소성, 마이크로파 또는 전자빔의 조사, 또는 레이저 광의 조사를 수행할 수 있다. 이들 처리는 단독으로 수행될 수 있거나 또는 조합으로 수행될 수 있다.
전자 수송성 재료로 형성된 다공질층이 소성되는 경우, 소성 온도는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그러나, 그의 소성 온도는 30℃ 이상 700℃ 이하인 것이 바람직하고, 100℃ 이상 600℃ 이하인 것이 더 바람직하다. 그의 소성 온도가 30℃ 이상 700℃ 이하인 경우, 다공질층은 제1 기판의 저항값의 증가와 용융을 억제하면서 소성될 수 있다. 소성 시간은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있으나, 10분 이상 10시간 이하인 것이 바람직하다.
전자 수송성 재료로 형성된 다공질층이 마이크로파로 조사되는 경우, 조사 시간은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있으나, 1시간 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 광은 다공질층이 형성되어 있는 표면 측으로부터 방출될 수 있고, 광은 다공질층이 형성되어 있지 않은 표면 측으로부터 방출될 수 있다.
전자 수송성 재료로 형성된 다공질층이 소성된 이후, 사염화티탄 수용액 또는 유기 용매의 혼합 용액을 사용하는 화학 도금 처리 또는 사염화티탄 수용액을 사용한 전기 화학적 도금 처리가 다공질층의 표면적을 증가시키기는 목적을 위해 수행될 수 있다.
이러한 방식으로, 예를 들어 수십 나노미터의 직경을 갖는 전자 수송성 재료를 소성함으로써, 얻어지는 막은 다수의 공극을 갖는 다공질 구조를 갖는다. 다공질 구조는 상당히 높은 표면적을 갖고, 표면적은 조도 계수(roughness factor)를 이용하여 나타낼 수 있다. 조도 계수는 제1 기판 또는 치밀층 상에 코팅된 전자 수송성 재료의 입자의 면적에 대한 다공질체 내부의 실제 면적을 나타내는 수치이다. 따라서, 조도 계수가 클수록 바람직하지만, 조도 계수는 전자 수송층의 평균 두께와 조도 계수 사이의 관계의 관점에서 20 이상인 것이 바람직하다.
전자 수송성 재료의 입자는 리튬 화합물로 도핑될 수 있다. 그의 구체적인 방법은 예를 들어, 스핀 코팅을 통해 전자 수송성 재료의 입자 상에 리튬 비스(트리플루오로메탄설폰이미드) 화합물의 용액을 증착시키고, 이후 소성 처리하는 방법이다.
리튬 화합물은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그의 예는 리튬 비스(트리플루오로메탄설폰이미드), 리튬 퍼콜레이트, 및 요오드화리튬을 포함한다.
-페로브스카이트층-
페로브스카이트층은 페로브스카이트 화합물을 포함하는 층을 의미한다. 따라서, 페로브스카이트층은 전자 수송층에 인접하여 배치되는 것이 바람직하다.
페로브스카이트층의 형상 및 크기는 특별히 제한되지 않으며, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 페로브스카이트층이 후술되는 홀 수송층에 의해 분리되는 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
페로브스카이트 화합물은 유기 화합물과 무기 화합물의 복합 물질이며, 하기 일반식 (A)로 나타내어진다.
일반식 (A)
Xα Yβ Mγ
상기 일반식 (A)에서, α:β:γ의 비율은 3:1:1이며, β 및 γ는 1보다 큰 정수를 나타낸다. 예를 들어, X는 할로겐 이온일 수 있고, Y는 알킬 아민 화합물의 이온일 수 있고, M은 금속 이온일 수 있다.
상기 일반식 (A)에서의 X는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그의 예는 할로겐 이온, 예를 들어 염소, 브롬, 및 요오드를 포함한다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
상기 일반식 (A)에서의 Y는, 예를 들어 알킬 아민 화합물(예를 들어, 메틸아민, 에틸아민, n-부틸아민, 및 포름아미딘), 세슘, 칼륨, 및 루비듐의 이온이다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
할로겐화납 및 메틸암모늄의 페로브스카이트 화합물의 경우에서, 할로겐 이온이 Cl인 경우 광 흡수 스펙트럼의 피크 λmax는 약 350 nm이고, 할로겐 이온이 Br인 경우 피크 λmax는 약 410 nm이고, 할로겐 이온이 I인 경우 피크 λmax는 약 540 nm이다. 상기한 바와 같이, 피크 λmax는 더 긴 파장 측으로 시프트되어, 이용할 수 있는 스펙트럼 폭(밴드 폭)이 변화된다.
상기 일반식 (A)에서의 M은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그의 예는 금속, 예를 들어 납, 인듐, 안티몬, 주석, 구리, 및 비스무트를 포함한다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
페로브스카이트층은 금속 할로겐화물로 형성된 층과 배열된 유기 양이온 분자의 층이 교대로 적층되어 있는 적층형 페로브스카이트 구조를 갖는 것이 바람직하다.
페로브스카이트층은 알칼리 금속 및 안티몬 원자로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 페로브스카이트층 내에 알칼리 금속 및 안티몬 원자 중 적어도 하나를 포함시키는 것이 유리한데, 그 이유는 출력이 높아지기 때문이다.
페로브스카이트층을 형성하는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 방법의 예는 금속 할로겐화물 및 할로겐화 알킬아민을 용해시키거나 분산시킨 용액을 코팅하고, 이후 건조시키는 방법을 포함한다.
또한, 페로브스카이트층을 형성하기 위한 방법의 예는 후술하는 바와 같이 2단계 석출법을 포함한다. 구체적으로, 금속 할로겐화물을 용해 또는 분산시킨 용액을 코팅하고, 이후 건조시킨다. 이어서, 생성물은 할로겐화 알킬아민을 용해시킨 용액에 침지시켜 페로브스카이트 화합물을 형성한다.
또한, 페로브스카이트층을 형성하는 방법의 예는 금속 할로겐화물 및 할로겐화 알킬아민을 용해 또는 분산시킨 용액을 코팅하면서, 페로브스카이트 화합물에 대해 빈용매(poor solvent, 용해도가 낮은 용매)를 첨가하여 결정을 석출시키는 방법을 포함한다. 또한, 페로브스카이트층을 형성하는 방법의 예는 예를 들어 메틸아민이 충전된 가스 중에서 금속 할로겐화물을 증착시키는 방법을 포함한다.
이들 중에서, 금속 할로겐화물 및 할로겐화 알킬아민을 용해 또는 분산시킨 용액을 코팅하면서, 페로브스카이트 화합물에 대해 빈용매를 첨가함으로써 석출시키는 방법이 바람직하다.
용액을 코팅하는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 방법의 예는 침지법, 스핀 코팅법, 스프레이법, 디프법, 롤러법, 및 에어 나이프법을 포함한다. 용액을 코팅하기 위한 방법으로서, 예를 들어 이산화탄소를 사용하여 초임계 유체 내에서 석출을 수행하는 방법을 사용할 수 있다.
또한, 페로브스카이트층은 증감 색소(sensitizing dye)를 포함하는 것이 바람직하다.
증감 색소를 포함하는 페로브스카이트층을 형성하는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 방법의 예는 페로브스카이트 화합물과 증감 색소를 혼합하는 방법 및 페로브스카이트층을 형성하고 이후 증감 색소를 흡착시키는 방법을 포함한다.
증감 색소는 특별히 제한되지 않으며, 그것이 사용하고자 하는 여기 광에 의해 광 여기되는 화합물인 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
증감 색소의 예는, 예를 들어 PCT 국제출원 공개 번호 JP-T-07-500630의 일본어 번역문, 미심사된 일본 공개 특허 공보 10-233238, 미심사된 일본 공개 특허 공보 2000-26487, 미심사된 일본 특허 출원 공개 번호 2000-323191, 및 미심사된 일본 공개 특허 공보 2001-59062에 기재된 금속-착체 화합물; 예를 들어 미심사된 일본 공개 특허 공보 10-93118, 미심사된 일본 공개 특허 공보 2002-164089, 미심사된 일본 공개 특허 공보 2004-95450, 및 문헌[J. Phys. Chem. C, 7224, Vol. 111 (2007)]에 기재된 쿠마린 화합물; 예를 들어 미심사된 일본 공개 특허 공보 2004-95450, 및 문헌[Chem. Commun., 4887 (2007)]에 기재된 폴리엔 화합물; 예를 들어 미심사된 일본 공개 특허 공보 2003-264010, 미심사된 일본 공개 특허 공보 2004-63274, 미심사된 일본 공개 특허 공보 2004-115636, 미심사된 일본 공개 특허 공보 2004-200068, 미심사된 일본 공개 특허 공보 2004-235052, 문헌[J. Am. Chem. Soc., 12218, Vol. 126 (2004)], 문헌[Chem. Commun., 3036 (2003)], 및 문헌[Angew. Chem. Int. Ed., 1923, Vol. 47 (2008)]에 기재된 인돌린 화합물; 예를 들어 문헌[J. Am. Chem. Soc., 16701, Vol. 128 (2006)], 및 문헌[J. Am. Chem. Soc., 14256, Vol. 128 (2006)]에 기재된 티오펜 화합물; 예를 들어 미심사된 일본 공개 특허 공보 11-86916, 미심사된 일본 공개 특허 공보 11-214730, 미심사된 일본 공개 특허 공보 2000-106224, 미심사된 일본 공개 특허 공보 2001-76773, 및 미심사된 일본 공개 특허 공보 2003-7359에 기재된 시아닌 색소; 예를 들어 미심사된 일본 공개 특허 공보 11-214731, 미심사된 일본 공개 특허 공보 11-238905, 미심사된 일본 공개 특허 공보 2001-52766, 미심사된 일본 공개 특허 공보 2001-76775, 및 미심사된 일본 공개 특허 공보 2003-7360에 기재된 메로시아닌 색소; 예를 들어 미심사된 일본 공개 특허 공보 10-92477, 미심사된 일본 공개 특허 공보 11-273754, 미심사된 일본 공개 특허 공보 11-273755, 및 미심사된 일본 공개 특허 공보 2003-31273에 기재된 9-아릴 크산텐; 예를 들어 미심사된 일본 공개 특허 공보 10-93118, 및 미심사된 일본 공개 특허 공보 2003-31273에 기재된 트라아릴메탄 화합물; 및 예를 들어 미심사된 일본 공개 특허 공보 09-199744, 미심사된 일본 공개 특허 공보 10-233238, 미심사된 일본 공개 특허 공보 11-204821, 미심사된 일본 공개 특허 공보 11-265738, 문헌[J. Phys. Chem., 2342, Vol. 91 (1987)], 문헌[J. Phys. Chem. B., 6272, Vol 97 (1993)], 문헌[Electroanal. Chem., 31, Vol. 537 (2002)], 미심사된 일본 공개 특허 공보 2006-032260, 문헌[J. Porphyrins Phthalocyanines, 230, Vol. 3 (1999)], 문헌[Angew. Chem. Int. Ed., 373, Vol. 46 (2007)], 및 문헌[Langmuir, 5436, Vol. 24 (2008)]에 기재된 프탈로시아닌 화합물 및 포르피린 화합물을 포함한다. 이들 중에서, 금속-착체 화합물, 인돌린 화합물, 티오펜 화합물, 및 포르피린 화합물이 바람직하다.
<<홀 수송층>>
홀 수송층은 페로브스카이트층에서 생성된 홀을 후술되는 제2 전극으로 수송하는 층을 의미한다. 따라서, 홀 수송층은 페로브스카이트층에 인접하여 배치되는 것이 바람직하다.
홀 수송층의 형상 및 크기는 특별히 제한되지 않으며, 홀 수송층이 서로 연속하고 있고, 홀 수송층이 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 제1 전극, 전자 수송층, 및 페로브스카이트층을 분리할 수 있는 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 연장된 연속층인 홀 수송층에 의해 제1 전극, 전자 수송층, 및 페로브스카이트층을 분리시킴으로써, 다공질 산화티탄층이 분리되고, 확산을 통해 전자의 재결합이 적어지게 되는데, 이는 장기간 동안 높은 조도를 갖는 광에 노출된 후에도 발전 효율을 유지하는 것을 가능하하게 한다.
홀 수송층은 홀 수송성 재료로서 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머 또는 2,000 이상의 분자량을 갖는 화합물을 포함하고, 필요에 따라 기타 성분을 추가로 포함한다.
-2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머-
2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머는 특별히 제한되지 않으며, 그것이 홀 수송성 재료인 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머의 예는 폴리티오펜 화합물, 폴리페닐렌 비닐렌 화합물, 폴리플루오렌 화합물, 폴리페닐렌 화합물, 폴리아릴아민 화합물, 및 폴리티아디아졸 화합물을 포함한다. 그들 중에서, 캐리어 이동도 및 이온화 포텐셜을 고려하면, 폴리티오펜 화합물, 폴리아릴아민 화합물, 및 하기 일반식 (1) 또는 (2)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 포함하는 폴리머가 바람직하고, 하기 (1) 또는 (2)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 포함하는 폴리머가 특히 바람직하다.
유의할 점은 중량 평균 분자량은 겔 투과 크로마토그래피(GPC)를 통해 측정된 폴리스티렌의 환산 값이라는 것이다.
폴리티오펜 화합물의 예는 폴리(3-n-헥실티오펜), 폴리(3-n-옥틸옥시티오펜), 폴리(9,9'-디옥틸-플루오렌-코-비티오펜), 폴리(3,3'''-디도데실-쿼터 티오펜), 폴리(3,6-디옥틸티에노[3,2-b]티오펜), 폴리(2,5-비스(3-데실티오펜-2-일)티에노[3,2-b]티오펜), 폴리(3,4-디데실티오펜-코-티에노[3,2-b]티오펜), 폴리(3,6-디옥틸티에노[3,2-b]티오펜-코-티에노[3,2-b]티오펜), 폴리(3,6-디옥틸티에노[3,2-b]티오펜-코-티오펜), 및 폴리(3,6-디옥틸티에노[3,2-b]티오펜-코-비티오펜)을 포함한다.
폴리페닐렌 비닐렌 화합물의 예는 폴리[2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌], 폴리[2-메톡시-5-(3,7-디메틸옥틸옥시)-1,4-페닐렌비닐렌], 및 폴리[(2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)-코-(4,4'-비페닐렌-비닐렌)]을 포함한다.
폴리플루오렌 화합물의 예는 폴리(9,9'-디도데실플루오레닐-2,7-디일), 폴리[(9,9-디옥틸-2,7-디비닐렌플루오렌)-알트-코-(9,10-안트라센)], 폴리[(9,9-디옥틸-2,7-디비닐렌플루오렌)-알트-코-(4,4'-비페닐렌)], 폴리[(9,9-디옥틸-2,7-디비닐렌플루오렌)-알트-코-(2-메톡시-5-(2-에틸헥실옥시)-1,4-페닐렌)], 및 폴리[(9,9-디옥틸-2,7-디일)-코-(1,4-(2,5-디헥실옥시)벤젠)]을 포함한다.
폴리페닐렌 화합물의 예는 폴리[2,5-디옥틸옥시-1,4-페닐렌], 및 폴리[2,5-디(2-에틸헥실옥시-1,4-페닐렌]을 포함한다.
폴리아릴아민 화합물의 예는 폴리[(9,9-디옥틸플루오레닐-2,7-디일)-알트-코-(N,N'-디페닐)-N,N'-디(p-헥실페닐)-1,4-디아미노벤젠], 폴리[(9,9-디옥틸플루오레닐-2,7-디일)-알트-코-(N,N'-비스(4-옥틸옥시페닐)벤지딘-N,N'-(1,4-디페닐렌)], 폴리[(N,N'-비스(4-옥틸옥시페닐)벤지딘-N,N'-(1,4-디페닐렌)], 폴리[(N,N'-비스(4-(2-에틸헥실옥시)페닐)벤지딘-N,N'-(1,4-디페닐렌)], 폴리[페닐이미노-1,4-페닐렌비닐렌-2,5-디옥틸옥시-1,4-페닐렌비닐렌-1,4-페닐렌], 폴리[p-톨릴이미노-1,4-페닐렌비닐렌-2,5-디(2-에틸헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌-1,4-페닐렌], 및 폴리[4-(2-에틸헥실옥시)페닐이미노-1,4-비페닐렌]을 포함한다.
폴리티아디아졸 화합물의 예는 폴리[(9,9-디옥틸플루오레닐-2,7-디일)-알트-코-(1,4-벤조(2,1',3)티아디아졸], 및 폴리(3,4-디데실티오펜-코-(1,4-벤조(2,1',3)티아디아졸)을 포함한다.
2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머는 하기 일반식 (1) 또는 (2)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 포함하는 폴리머인 것이 적합하다.
일반식 (1)
상기 일반식 (1)에서, R1 및 R2는 서로 동일할 수 있거나 또는 상이할 수 있으며, 각각 수소 원자, 알킬기, 아르알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 나타낸다.
알킬기의 예는 메틸기, 에틸기, 및 2-이소부틸기를 포함한다.
아르알킬기의 예는 벤질기 및 2-나프틸메틸기를 포함한다.
알콕시기의 예는 메톡시기 및 에톡시기를 포함한다.
아릴기의 예는 페닐기 및 1-나프틸기를 포함한다.
R3는 알킬기, 아르알킬기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택되는 군으로부터 선택된 하나를 나타낸다.
알킬기의 예는 메틸기, 에틸기, 및 2-이소부틸기를 포함한다.
아르알킬기의 예는 벤질기 및 2-나프틸메틸기를 포함한다.
아릴기의 예는 페닐기 및 1-나프틸기를 포함한다.
헤테로사이클릭기의 예는 티오펜 고리기 및 푸란 고리기를 포함한다.
X1은 알킬렌기, 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타낸다.
알킬렌기의 예는 메틸렌기, 에틸렌긴, 프로필렌기, 부틸렌기, 및 헥실렌기를 포함한다.
알케닐기의 예는 비닐기를 포함한다.
알키닐기의 예는 아세틸렌기를 포함한다.
아릴기의 예는 페닐기 및 1-나프틸기를 포함한다.
헤테로사이클릭기의 예는 티오펜 고리기 및 푸란 고리기를 포함한다.
n은 2 이상이고 일반식 (1)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 포함하는 폴리머가 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타낸다. p는 0, 1, 또는 2를 나타낸다.
일반식 (2)
상기 일반식 (2)에서, R4는 수소 원자, 알킬기, 아르알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타낸다.
알킬기의 예는 메틸기, 에틸기, 및 2-이소부틸기를 포함한다.
아르알킬기의 예는 벤질기 및 2-나프틸메틸기를 포함한다.
알콕시기의 예는 메톡시기 및 에톡시기를 포함한다.
알케닐기의 예는 비닐기를 포함한다.
아릴기의 예는 페닐기 및 1-나프틸기를 포함한다.
X2는 산소 원자, 황 원자, 및 셀레늄 원자로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타낸다.
X3는 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타낸다.
알케닐기의 예는 비닐기를 포함한다.
알키닐기의 예는 아세틸렌기를 포함한다.
아릴기의 예는 페닐기 및 1-나프틸기를 포함한다.
헤테로사이클릭기의 예는 티오펜 고리기 및 푸란 고리기를 포함한다.
m은 2 이상이고 일반식 (2)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 포함하는 폴리머가 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타낸다. q는 0, 1, 또는 2를 나타낸다.
일반식 (1)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 포함하는 폴리머의 예는 하기 (A-1) 내지 (A-25)를 포함한다. 식에서, n은 2 이상이고 일반식 (1)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 포함하는 폴리머가 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타낸다.
일반식 (2)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 포함하는 폴리머의 예는 하기 (B-1) 내지 (B-32)를 포함한다. 식에서, m은 2 이상이고 일반식 (2)에 의해 나타내어지는 폴리머가 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타낸다.
-2,000 이상의 분자량을 갖는 화합물-
2,000 이상의 분자량을 갖는 화합물의 예는 하기 화합물(C-3)을 포함한다.
-2,000 미만의 분자량을 갖는 화합물-
2,000 미만의 분자량을 갖는 화합물은 홀 수송성 재료이고, 그의 화학 구조는 특별히 제한되지 않는다. 2,000 미만의 분자량을 갖는 화합물의 구체적인 예는 예를 들어 심사된 일본 특허 공보 34-5466에 기재된 옥사디아졸 화합물; 예를 들어 심사된 일본 특허 공보 45-555에 기재된 트리페닐메탄 화합물; 예를 들어 심사된 일본 특허 공보 52-4188에 기재된 피라졸린 화합물; 예를 들어 심사된 일본 특허 공보 55-42380에 기재된 하이드라존 화합물; 예를 들어 미심사된 일본 공개 특허 공보 56-123544에 기재된 옥사디아졸 화합물; 미심사된 일본 공개 특허 공보 54-58445에 기재된 테트라아릴벤지딘 화합물; 미심사된 일본 공개 특허 공보 58-65440 및 미심사된 일본 공개 특허 공보 60-98437에 기재된 스틸벤 화합물; 미심사된 일본 공개 특허 공보 2007-115665, 미심사된 일본 공개 특허 공보 2014-72327, 일본 특허 출원 2000-067544, WO2004/063283, WO2011/030450, WO2011/45321, WO2013/042699, 및 WO2013/121835에 기재된 스피로바이플루오렌 화합물; 및 미심사된 일본 공개 특허 공보 2-250881 및 미심사된 일본 공개 특허 공보 2013-033868에 기재된 티오펜 화합물 및 트리아릴아민 화합물을 포함한다.
이들 중에서, 스피로바이플루오렌 화합물, 트리아릴아민 화합물, 및 티오펜 화합물이 바람직하다.
--스피로바이플루오렌 화합물--
스피로바이플루오렌 화합물은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 발전 효율의 관점에서, 스피로바이플루오렌 화합물의 예는 문헌[J. Am. Chem. Soc., 133 (2011) 18042]에 기재된 홀 수송성 재료로서 (2,2',7,7'-테트라키스(N,N-디-p-메톡시페닐아미노)-9,9'-스피로바이플루오렌: 스피로-OMeTAD); 문헌[Chem. Commun., 54, (2018) 9571] 에 기재된 홀 수송성 재료로서 (N2',N2',N5,N5,N7',N7',N9,N9-옥타키스(4-메톡시페닐)스피로[디벤조-[c,h]크산텐-7,9'-플루오렌]-2',5,7',9-테트라아민: X62); 문헌[Chem, 2 (2017) 676]에 기재된 홀 수송성 재료로서 (N2,N7-비스(4-메톡시페닐)-N2,N7-디(스피로[플루오렌-9,9'-크산텐]-2-일)스피로[플루오렌-9,9'-크산텐]-2,7-디아민: X55); 문헌[Nano Energy, 23 (2016) 138]에 기재된 홀 수송성 재료로서 (N2,N2,N7,N7-테트라키스(4-메톡시페닐)스피로[플루오렌-9,9'-크산텐]-2,7-디아민: X59); 및 문헌[Energy & Environmental Science, 9 (2016) 873]에 기재된 홀 수송성 재료로서 (옥타키스(4-메톡시페닐)스피로[플루오렌-9,9'-크산텐]-2,2',7,7'-테트라아민): X60)을 포함한다. 이들 중에서, 스피로-OMeTAD가 바람직하다. 스피로-OMeTAD는 하기 구조식 (1)에 의해 표현된다.
<구조식 (1)>
--트리아릴아민 화합물--
트리아릴아민 화합물의 예는 하기 일반식 3에 의해 나타내어지는 화합물을 포함한다.
(일반식 3)
An-Bm
상기 식에서, n은 2인 경우 m은 0이고, n이 1인 경우 m은 0 또는 1이다. A는 하기 일반식 4에 의해 나타내어지는 구조이고, Z1 내지 Z15으로 구성되는 군으로부터 선택되는 위치에서 B에 결합된다. B는 하기 일반식 5에 의해 나타내어지는 구조이고, Z16 내지 Z21으로 구성되는 군으로부터 선택되는 위치에서 A에 결합된다.
(일반식 4)
(일반식 5)
서로 동일할 수 있거나 또는 상이할 수 있는 Z1 내지 Z21은 각각 1가 유기기를 나타낸다.
일반식 4 및 일반식 5에서 각각의 1가 유기기의 예는 수소 원자, 할로겐 원자, 하이드록실기, 니트로기, 시아노기, 카르복실기, 치환기를 가질 수 있는 알콕시카르보닐기, 치환기를 가질 수 있는 아릴옥시카르보닐기, 치환기를 가질 수 있는 알킬카르보닐기, 치환기를 가질 수 있는 아릴카르보닐기, 아미드기, 치환기를 가질 수 있는 모노알킬아미노카르보닐기, 치환기를 가질 수 있는 디알킬아미노카르보닐기, 치환기를 가질 수 있는 모노아릴아미노카르보닐기, 치환기를 가질 수 있는 디아릴아미노카르보닐기, 설포네이트기, 치환기를 가질 수 있는 알콕시설포닐기, 치환기를 가질 수 있는 아릴옥시설포닐기, 치환기를 가질 수 있는 알킬설포닐기, 치환기를 가질 수 있는 아릴설포닐기, 설폰아미드기, 치환기를 가질 수 있는 모노알킬아미노 설포닐기, 치환기를 가질 수 있는 디알킬아미노 설포닐기, 치환기를 가질 수 있는 모노아릴아미노설포닐기, 치환기를 가질 수 있는 디아릴아미노설포닐기, 아미노기, 치환기를 가질 수 있는 모노알킬아미노기, 치환기를 가질 수 있는 디알킬아미노기, 치환기를 가질 수 있는 알킬기, 치환기를 가질 수 있는 알케닐기, 치환기를 가질 수 있는 알키닐기, 치환기를 가질 수 있는 아릴기, 치환기를 가질 수 있는 알콕시기, 치환기를 가질 수 있는 아릴옥시기, 치환기를 가질 수 있는 알킬티오기, 치환기를 가질 수 있는 아릴티오기, 및 치환기를 가질 수 있는 헤테로사이클릭기를 포함한다.
이들 중에서, 알킬기, 알콕시기, 수소 원자, 아릴기, 아릴옥시기, 할로겐 원자, 알케닐기, 및 알키닐기가 안정한 거동의 관점에서 특히 바람직하다.
할로겐 원자의 예는 불소 원자, 염소 원자, 브롬 원자, 및 요오드 원자를 포함한다.
알킬기의 예는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 및 부틸기를 포함한다.
아릴기의 예는 페닐기 및 나프틸기를 포함한다.
아르알킬기의 예는 벤질기, 페네틸기, 및 나프틸메틸기를 포함한다.
알콕시기의 예는 메톡시기, 에톡시기, 및 프로폭시기를 포함한다.
아릴옥시기의 예는 페녹시기, 1-나프틸옥시기, 2-나프틸옥시기, 4-메톡시페녹시기, 및 4-메틸페녹시기를 포함한다.
헤테로사이클릭기의 예는 카르바졸, 디벤조푸란, 디벤조티오펜, 옥사디아졸, 및 티아디아졸를 포함한다.
치환기에 의해 추가로 치환되는 치환기의 예는 할로겐 원자, 니트로기, 시아노기, 알킬기, 예를 들어 메틸기, 및 에틸기; 알콕시기, 예를 들어 메톡시기 및 에톡시기; 아릴옥시기, 예를 들어 페녹시기; 아릴기, 예를 들어 페닐기 및 나프틸기; 및 아르알킬기, 예를 들어 벤질기 및 페네틸기를 포함한다.
트리아릴아민 화합물의 구체적인 예는 하기 구조식에 의해 표현되는 화합물 (C-1)을 포함한다.
--티오펜 화합물--
티오펜 화합물은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 티오펜 화합물의 예는 티오펜, 벤조티오펜, 아자디벤조티오펜, 및 하기 구조식에 의해 표현된 화합물 (C-2)를 포함한다.
본 개시내용에서, 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머와 2,000 미만의 분자량을 갖는 화합물이 혼합되는 경우, 각각의 이온화 포텐셜의 차이는 0.2 eV 이하인 것이 바람직하다. 이온화 포텐셜은 분자로부터 하나의 전자를 추출하기 위해 필요한 에너지이고, 전자 볼트(eV)의 단위에 의해 표시된다. 이온화 포텐셜을 측정하기 위한 방법은 특별히 제한되지 않는다. 그러나, 이온화 포텐셜은 바람직하게는 광전자 분광분석법을 통해 측정된다.
2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머의 이온화 포텐셜이 IPa이고, 2,000 미만의 분자량을 갖는 화합물의 이온화 포텐셜이 IPb인 경우, IPa - IPb = ± 0.2 eV 이하를 만족하는 것이 바람직하다. 상기 차이가 0.2 eV 이상인 경우, 홀은 한쪽에 포획되어 이동하기 어렵게 된다. 결과적으로, 홀은 순조롭게 수송될 수 없다.
2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머와 2,000 미만의 분자량을 갖는 화합물 사이의 혼합 비율은 바람직하게는 4:6 내지 9:1, 더 바람직하게는 4:6 내지 7:3, 더욱 더 바람직하게는 1:1 내지 7:3 질량비이다.
홀 수송층에 포함되는 기타 재료는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 기타 재료의 예는 첨가제 및 산화제를 포함한다.
그 첨가제는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 첨가제의 예는 요오드; 금속 요오드화물, 예를 들어 요오드화리튬, 요오드화나트륨, 요오드화칼륨, 요오드화세슘, 요오드화칼슘, 요오드화구리, 요오드화철 및 요오드화은; 4급 암모늄염, 예를 들어 요오드화테트라알킬암모늄 및 요오드화피리디늄; 금속 브롬화물, 예를 들어 브롬화리튬, 브롬화나트륨, 브롬화칼륨, 브롬화세슘, 및 브롬화칼슘; 4급 암모늄 화합물의 브롬 염, 예를 들어 브롬화테트라알킬암모늄 및 브롬화피리디늄; 금속 염화물, 예를 들어 염화구리 및 염화은; 금속 아세트산염, 예를 들어 아세트산구리, 아세트산은, 및 아세트산팔라듐; 금속 황산염, 예를 들어 황산구리 및 황산아연; 금속 착체, 예를 들어 페로시아네이트-페리시아네이트 및 페로센-페리시늄 이온; 황 화합물, 예를 들어 나트륨 폴리설파이드 및 알킬티올-알킬 다이설파이드; 비올로겐 색소; 하이드로퀴논; 염기성 화합물, 예를 들어 피리딘, 4-t-부틸피리딘, 및 벤즈이미다졸을 포함한다.
산화제가 추가로 첨가될 수 있다. 산화제의 종류는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 산화제의 예는 헥사클로로안티몬산트리스(4-브로모페닐)암모늄, 헥사플루오로안티몬산은, 니트로소늄 테트라플루오로보레이트, 질산은, 및 코발트 착체를 포함한다. 유의할 점은 산화제를 사용하여 전체 홀 수송성 재료를 산화시킬 필요는 없으며, 홀 수송성 재료가 부분적으로 산화되는 한 효과적이라는 것이다. 반응 이후, 산화제는 계 외부로 제거될 수 있거나, 또는 제거되지 않을 수 있다.
홀 수송층 내에 산화제를 포함시키는 것은 홀 수송성 재료를 부분적으로 또는 전체적으로 라디칼 양이온으로 형성시킬 수 있는데, 이는 도전성을 개선시키고, 안전성 및 출력 특성의 내구성을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
홀 수송층의 평균 두께는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그러나, 그의 평균 두께는 페로브스카이트층 상에서 0.01 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 0.1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것이 더 바람직하고, 0.2 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하인 것이 더욱 더 바람직하다.
홀 수송층은 페로브스카이트층 상에 직접 형성될 수 있다. 홀 수송층의 제작 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 방법의 예는 박막을 진공 증착을 통해 진공 하에 형성하는 방법 및 습식 제막법을 포함한다. 특히, 이들 중에서, 습식 제막법이 바람직하며, 제조 비용의 관점에서 페로브스카이트층 상에 홀 수송층을 코팅하는 방법이 더 바람직하다.
습식 제막법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 습식 제막법의 예는 디프법, 스프레이법, 와이어바법, 스핀 코팅법, 롤러 코팅법, 블레이드 코팅법, 및 그라비아 코팅법을 포함한다. 습식 인쇄법으로서, 예를 들어 철판 인쇄, 오프셋 인쇄, 그라비아 인쇄, 요판 인쇄, 고무판 인쇄, 및 스크린 인쇄와 같은 방법이 사용될 수 있다.
또한, 홀 수송층은 초임계 유체 중에서 또는 임계점보다 낮은 온도 및 압력을 갖는 아임계 유체 중에서 막을 형성함으로써 제작될 수 있다.
초임계 유체는 기체와 액체가 공존할 수 있는 한계(임계점)를 초과하는 온도 및 압력 영역에서 비응집성의 고밀도 유체로서 존재하고, 압축되는 경우에도 응집되지 않고, 임계 온도 이상의 상태이고, 또한 임계 압력 이상의 상태인 유체이다. 초임계 유체는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있으나, 낮은 임계 온도를 갖는 초임계 유체가 바람직하다.
아임계 유체는 특별히 제한되지 않으며, 그것이 임계점 근방의 온도 및 압력 영역에서 고압 액체로서 존재하는 유체인 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 초임계 유체로서 예시되는 유체는 아임계 유체로서도 적합하게 사용될 수 있다.
초임계 유체의 예는 일산화탄소, 이산화탄소, 암모니아, 질소, 물, 알코올 용매, 탄화수소 용매, 할로겐 용매, 및 에테르 용매를 포함한다.
알코올 용매의 예는 메탄올, 에탄올, 및 n-부탄올을 포함한다.
탄화수소 용매의 예는 에탄, 프로판, 2,3-디메틸부탄, 벤젠, 및 톨루엔을 포함한다. 할로겐 용매의 예는 메틸렌 클로라이드, 및 클로로트리플루오로메탄을 포함한다.
에테르 용매의 예는 디메틸 에테르를 포함한다.
이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
이들 중에서, 7.3 MPa의 임계 압력, 31℃의 임계 온도를 갖는 이산화탄소가 바람직한데, 그 이유는 이산화탄소가 초임계 상태를 용이하게 생성할 수 있고, 불연성이며, 취급이 용이하기 때문이다.
초임계 유체의 임계 온도 및 임계 압력은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 초임계 유체의 임계 온도는 -273℃ 이상 300℃ 이하인 것이 바람직하고, 0℃ 이상 200℃ 이하인 것이 더 바람직하다
초임계 유체 및 아임계 유체 이외에, 유기 용매 또는 엔트레이너(entrainer)가 함께 사용될 수 있다. 초임계 유체에서의 용해도의 조정은 유기 용매 또는 엔트레이너를 첨가함으로써 용이하게 수행될 수 있다.
유기 용매는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 유기 용매의 예는 케톤 용매, 에스테르 용매, 에테르 용매, 아미드 용매, 할로겐화 탄화수소 용매, 및 탄화수소 용매를 포함한다.
케톤 용매의 예는 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 및 메틸 이소부틸 케톤을 포함한다.
에스테르 용매의 예는 에틸 포르메이트, 에틸 아세테이트, 및 n-부틸 아세테이트를 포함한다.
에테르 용매의 예는 디이소프로필 에테르, 디메톡시 에탄, 테트라하이드로푸란, 디옥살란, 및 디옥산을 포함한다.
아미드 용매의 예는 N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세토아미드, 및 N-메틸-2-피롤리돈을 포함한다.
할로겐화 탄화수소 용매의 예는 디클로로메탄, 클로로포름, 브로모포름, 메틸 요오다이드, 디클로로에탄, 트리클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 클로로벤젠, o-디클로로벤젠, 플루오로벤젠, 브로모벤젠, 요오드벤젠, 및 1-클로로나프탈렌을 포함한다.
탄화수소 용매의 예는 n-펜탄, n-헥산, n-옥탄, 1,5-헥사디엔, 사이클로헥산, 메틸사이클로헥산, 사이클로헥사디엔, 벤젠, 톨루엔, o-크실렌, m-크실렌, p-크실렌, 에틸벤젠, 및 쿠멘을 포함한다.
이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
페로브스카이트층 상에 홀 수송성 재료를 적층한 후, 프레스 처리 단계를 수행할 수 있다. 프레스 처리를 수행함으로써, 홀 수송성 재료는 페로브스카이트층과 보다 밀착되는데, 이는 일부 경우에서 발전 효율을 개선할 수 있다.
프레스 처리 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그의 예는 적외선 분광분석법(IR) 정제 성형 장치로 대표되는 플레이트를 사용하는 프레스 성형 방법 및 롤러를 사용하여 롤 프레스 방법을 포함한다.
프레스 처리할 때의 압력은 10 kgf/cm2 이상인 것이 바람직하고, 30 kgf/cm2 이상인 것이 더 바람직하다.
프레스 처리하는 시간은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그의 시간은 1시간 이하인 것이 바람직하다. 또한, 프레스 처리 시간에 열을 가할 수 있다.
프레스 처리 시, 이형제가 프레스기와 전극 사이에 배치될 수 있다.
이형제는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 이형제의 예는 플루오로수지, 예를 들어 폴리에틸렌 테트라플루오라이드, 폴리클로로에틸렌 트리플루오라이드, 에틸렌 테트라플루오라이드-프로필렌 헥사플루오라이드 코폴리머, 퍼플루오로알콕시 플루오라이드 수지, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 에틸렌-에틸렌 테트라플루오라이드 코폴리머, 에틸렌-클로로에틸렌 트리플루오라이드 코폴리머 및 폴리비닐 플루오라이드를 포함한다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
프레스를 수행한 후에 그러나 제2 전극을 배치하기 전에, 금속 산화물을 포함하는 막이 홀 수송층과 제2 전극 사이에 배치될 수 있다.
금속 산화물은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 금속 산화물의 예는 산화몰리브덴, 산화텅스텐, 산화바나듐, 및 산화니켈을 포함한다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 이들 중에서, 산화몰리브덴이 바람직하다.
금속 산화물을 포함하는 막을 홀 수송층 상에 배치하기 위한 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 방법의 예는 박막이 진공 중에서 형성되는 방법, 예를 들어 스퍼터링법 및 진공 증착법; 및 습식 제막법을 포함한다.
금속 산화물을 포함하는 막이 형성되는 경우의 습식 제막법은 바람직하게는 금속 산화물의 분말 또는 졸이 분산되는 페이스트를 제조하고, 이어서 이를 홀 수송층 상에 코팅하는 방법이 바람직하다.
습식 제막법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 습식 제막법의 예는 디프법, 스프레이법, 와이어바법, 스핀 코팅법, 롤러 코팅법, 블레이드 코팅법, 및 그라비아 코팅법을 포함한다. 또한, 습식 인쇄법으로서, 예를 들어 철판 인쇄, 오프셋 인쇄, 그라비아 인쇄, 요판 인쇄, 고무판 인쇄, 및 스크린 인쇄와 같은 방법이 사용될 수 있다.
금속 산화물을 포함하는 막의 평균 두께는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그러나, 그의 평균 두께는 0.1 nm 이상 50 nm 이하인 것이 바람직하고, 1 nm 이상 10 nm 이하인 것이 더 바람직하다.
<<제2 전극>>
제2 전극은 홀 수송층 상에, 또는 홀 수송층에서의 금속 산화물의 막 상에 형성되는 것이 바람직하다. 제1 전극과 동일한 것이 제2 전극을 위해 사용될 수 있다.
제2 전극의 형상, 구조, 및 크기는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
제2 전극의 재료의 예는 금속, 탄소 화합물, 도전성 금속 산화물, 및 도전성 폴리머를 포함한다.
금속의 예는 백금, 금, 은, 구리 및 알루미늄을 포함한다.
탄소 화합물의 예는 흑연, 풀러렌, 탄소 나노튜브, 및 그래핀을 포함한다.
도전성 금속 산화물의 예는 ITO, FTO, 및 ATO를 포함한다.
도전성 폴리머의 예는 폴리티오펜, 및 폴리아닐린을 포함한다.
이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
제2 전극은 이용되는 재료의 종류 또는 홀 수송층의 종류에 따라 코팅, 라미네이트, 진공 증착, CVD 또는 결합과 같은 방법을 통해 홀 수송층 상에 적절하게 형성될 수 있다.
광전 변환 소자에서, 제1 전극과 제2 전극 중 적어도 어느 하나는 실질적으로 투명한 것이 바람직하다. 본 개시내용의 태양 전지 모듈이 사용되는 경우, 제1 전극은 제1 전극 측으로부터 입사광을 입사시키는 것을 허용하도록 투명하는 것이 바람직하다. 이 경우, 제2 전극에는 광을 반사시키는 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 금속 또는 도전성 산화물이 증착되는 유리, 플라스틱, 및 금속 박막이 바람직하게 이용된다. 또한, 입사광이 입사되는 전극 측에 반사방지층을 제공하는 것도 효과적인 수단이다.
<<제2 기판>>
제2 기판은 제1 기판과 대향하여 배치되어 제1 기판과 제2 기판이 광전 변환 소자를 샌드위칭하도록 한다.
상기 기판의 형상, 구조, 및 크기는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
제2 기판의 재료는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 재료의 예는 유리, 플라스틱 필름 및 세라믹을 포함한다.
밀착성을 증가시키기 위해, 후술되는 밀봉 부재와의 제2 기판의 접합부에 요철부를 형성할 수 있다.
요철부의 형성 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 형성 방법의 예는 샌드 블라스트법, 워터 블라스트법, 화학 에칭법, 레이저 가공법, 및 연마지를 이용하는 방법을 포함한다.
제2 기판과 밀봉 부재 사이의 밀착성을 증가시키는 방법은, 예를 들어 제2 기판의 표면 상에서 유기물을 제거하는 방법, 또는 제2 기판의 친수성을 향상시키는 방법일 수 있다. 제2 기판의 표면 상에서 유기물을 제거하는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 방법의 예는 UV 오존 세정, 및 산소 플라즈마 처리를 포함한다.
<밀봉 부재>
밀봉 부재는 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되어 광전 변환 소자를 밀봉한다.
밀봉 부재의 재료는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 재료의 예는 아크릴 수지의 경화물 및 에폭시 수지의 경화물을 포함한다.
아크릴 수지의 경화물로서, 아크릴 수지의 경화물이 그의 분자 내의 아크릴기를 포함하는 모노머 또는 올리고머를 경화시킴으로써 수득되는 제품인 한, 당해 기술분야에 알려진 임의의 재료가 사용될 수 있다.
에폭시 수지의 경화물로서, 에폭시 수지의 경화물이 그의 분자 내의 에폭시기를 포함하는 모노머 또는 올리고머를 경화시킴으로써 수득되는 제품인 한, 당해 기술분야에 알려진 임의의 재료가 사용될 수 있다.
에폭시 수지의 예는 수분산계 에폭시 수지, 무용제계 에폭시 수지, 고체계 에폭시 수지, 열경화형 에폭시 수지, 경화제 혼합형 에폭시 수지, 및 자외선 경화형 에폭시 수지를 포함한다. 이들 중에서, 열경화형 에폭시 수지 및 자외선 경화형 에폭시 수지가 바람직하고, 자외선 경화형 에폭시 수지가 더 바람직하다. 유의할 점은 자외선 경화형 에폭시 수지가 사용되는 경우에도 가열을 수행할 수 있으며, 가열은 바람직하게는 자외선 조사를 통해 경화된 후에도 수행된다는 것이다.
에폭시 수지의 예는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 노볼락형 에폭시 수지, 환상 지방족형 에폭시 수지, 장쇄 지방족형 에폭시 수지, 글리시딜 아민형 에폭시 수지, 글리시딜 에테르형 에폭시 수지, 및 글리시딜 스테르형 에폭시 수지를 포함한다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
경화제 또는 다양한 첨가제는 필요에 따라 에폭시 수지와 혼합되는 것이 바람직하다.
경화제는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 경화제는 예를 들어 아민계 경화제, 산무수물계 경화제, 폴리아미드계 경화제, 및 기타 경화제로 분류된다.
아민계 경화제의 예는 지방족 폴리아민, 예를 들어 디에틸렌트리아민 및 트리에틸렌테트라민; 및 방향족 폴리아민, 예를 들어 메타페닐렌디아민, 디아미노디페닐메탄, 및 디아미노디페닐설폰을 포함한다.
산무수물계 경화제의 예는 프탈산 무수물, 테트라하이드로프탈산 무수물, 헥사하이드로프탈산 무수물, 메틸테트라하이드로프탈산 무수물, 메틸나딕산 무수물, 피로메멜리트산 무수물, HET 무수물, 및 도데세닐석신산 무수물을 포함한다.
기타 경화제의 예는 이미다졸 및 폴리머캅탄을 포함한다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
첨가제는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 첨가제의 예는 충전제, 갭제, 중합 개시제, 건조제(흡습제), 경화 촉진제, 커플링제, 유연제, 착색제, 난연제, 산화 방지제, 및 유기 용매를 포함한다. 이들 중에서, 충전제, 갭제, 경화 촉진제, 중합 개시제 및 건조제(흡습제)가 바람직하고, 충전제 및 중합 개시제가 더 바람직하다.
첨가제로서 충전제를 포함시키는 것은 수분 또는 산소의 침입을 방지하고, 경화 시에 체적 수축의 저감, 경화 시 또는 가열 시에 아웃가스량의 저감, 기계적 강도의 향상, 및 열전도성 또는 유동성의 제어와 같은 효과를 추가로 달성할 수 있다. 따라서, 첨가제로서 충전제를 포함하는 것은, 여러 환경 하에 안정한 출력을 유지하는 데 있어서 매우 효과적이다.
또한, 광전 변환 소자의 출력 특성 또는 내구성과 관련하여, 침입하는 수분또는 산소의 영향뿐만 아니라 밀봉 부재의 경화 시 또는 가열 시에 발생하는 아웃가스의 영향을 무시할 수 없다. 특히, 가열 시에 발생하는 아웃가스는 고온 환경에서 보관되는 광전 변환 소자의 출력 특성에 큰 영향을 미친다.
수분 또는 산소의 침입은 충전제, 갭제, 또는 건조제를 밀봉 부재에 첨가함으로써 억제될 수 있고, 이에 따라, 사용되는 밀봉 부재의 양은 감소되고, 이에 의해 아웃가스를 저감시키는 효과를 얻을 수 있다. 밀봉 부재에 충전제나 갭제, 건조제를 함유시키는 것은 경화 시뿐만 아니라 광전 변환 소자를 고온 환경에서 보존하는 때에도 효과적이다.
충전제는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그의 예는 무기 충전제, 예를 들어 결정형 또는 비정형의 실리카, 탈크, 알루미나, 알루미늄 니트라이드, 실리콘 니트라이드, 칼슘 실리케이트, 및 칼슘 카르보네이트를 포함한다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
충전제의 평균 일차 입자 직경은 0.1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 1 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하인 것이 더 바람직하다. 충전제의 평균 일차 입자 직경이 상기 바람직한 범위 내에 포함되는 경우, 수분 또는 산소의 침입을 억제하는 효과를 충분히 얻을 수 있고, 적절한 점도가 얻어지며, 기판과의 밀착성 또는 소포 특성이 향상된다. 또한, 이는 밀봉부의 폭의 제어 또는 작업성과 관련하여도 효과적이다.
충전제의 양은 밀봉 부재의 총량(100 질량부)에 대해 10 질량부 이상 90 질량부 이하인 것이 바람직하고, 20 질량부 이상 70 질량부 이하인 것이 더 바람직하다. 충전제의 양이 상기 바람직한 범위 내에 포함되는 경우, 수분 또는 산소의 침입을 억제하는 효과를 충분히 얻을 수 있고, 적절한 점도가 얻어지며, 밀착성 및 작업성이 양호하게 된다.
갭제는 또한 갭 제어제 또는 스페이서제로도 언급된다. 첨가제로서 갭제를 포함함으로써, 밀봉부의 갭을 제어할 수 있다. 예를 들어, 밀봉 부재가 제1 기판 또는 제1 전극 상에 제공되고, 제2 기판이 밀봉을 위해 그 위에 제공되는 경우, 밀봉부의 갭은 밀봉 부재가 갭제를 포함하기 때문에 갭제의 크기와 일치된다. 그 결과, 밀봉부의 갭을 용이하게 제어할 수 있다.
갭제는 특별히 제한되지 않으며, 그것이 입상이며, 균일한 직경을 갖고, 높은 내용매성 및 내열성을 갖는 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 갭제는 에폭시 수지와의 친화성이 높고, 구형 입자의 형상인 것이 바람직하다. 그의 특정 예는 유리 비드, 실리카 미립자, 및 유기 수지 미립자를 포함한다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다. 갭제의 입자 직경은 설정되는 밀봉부의 갭에 따라 선택될 수 있다. 그의 입자 직경은 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 것이 더 바람직하다.
중합 개시제는 특별히 제한되지 않으며, 중합이 열 및 광을 통해 개시되는 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 중합 개시제의 예는 열중합 개시제 및 광중합 개시제를 포함한다.
열중합 개시제는 가열 시에 활성 종, 예를 들어 라디칼 및 양이온을 발생시키는 화합물이다. 열중합 개시제의 예는 아조 화합물, 예를 들어 2,2'-아조비스부티로니트릴(AIBN) 및 퍼옥사이드, 예를 들어 벤조일 퍼옥사이드(BPO)를 포함한다. 열 양이온 중합 개시제의 예는 벤젠설폰산 에스테르 및 알킬 설포늄염을 포함한다.
한편, 광중합 개시제로서, 광양이온 중합 개시제는 에폭시 수지의 경우에 사용되는 것이 바람직하다. 광양이온 중합 개시제가 에폭시 수지와 혼합되어 광이 방출되는 경우, 광양이온 중합 개시제는 분해되어 산을 발생시키고, 산은 에폭시 수지의 중합을 유도한다. 이어서, 경화 반응이 진행된다. 광양이온 중합 개시제는 경화가 야기되는 동안 체적 수축이 적고, 산소 저해가 일어나지 않고, 저장 안정성이 높은 효과를 갖는다.
광양이온 중합 개시제의 예는 방향족 디아조늄염, 방향족 요오도늄염, 방향족 설포늄염, 메탈로센 화합물, 및 실라놀-알루미늄 착체를 포함한다.
또한, 광의 조사 시 산을 발생시키는 기능을 갖는 광산 발생제를 중합 개시제로서 사용할 수 있다. 광산 발생제는 양이온 중합을 개시하기 위한 산으로서 역할을 한다. 광산 발생제의 예는 오늄염, 예를 들어 양이온부와 음이온부로 이루어지는 이온성 설포늄염계 오늄염 및 이온성 요오도늄염계 오늄염을 포함한다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
첨가된 중합 개시제의 양은 사용하는 재료에 따라 상이할 수 있다. 중합 개시제의 양은 밀봉 부재의 총량(100 질량부)에 대해 0.5 질량부 이상 10 질량부 이하인 것이 바람직하고, 1 질량부 이상 5 질량부 이하인 것이 더 바람직하다. 중합 개시제의 첨가량이 상기 언급된 바람직한 범위 내에 포함되는 경우, 경화가 적절하게 진행되며, 잔류된 미경화 생성물이 감소될 수 있으며, 과량의 아웃가스가 방지될 수 있다.
건조제는 또한 흡습제로도 언급되며, 수분을 기계적으로 또는 화학적으로 흡착하거나 흡수하는 기능을 갖는 물질이다. 밀봉 부재가 건조제를 포함하는 경우, 그것은 내습성을 더욱 향상시키며, 아웃가스의 영향을 감소시킬 수 있다.
건조제는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있고, 바람직하게는 입상 물질이다. 건조제의 예는 무기 흡습 재료, 예를 들어 산화칼슘, 산화바륨, 산화마그네슘, 황산마그네슘, 황산나트륨, 염화칼슘, 실리카 겔, 분자체, 및 제올라이트를 포함한다. 이들 중에서, 제올라이트가 바람직한데, 그 이유는 제올라이트가 다량의 수분을 흡수하기 때문이다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
경화 촉진제는 소위 경화 촉매로도 언급되며, 경화 속도를 촉진하는 물질이다. 경화 촉진제는 열경화성 에폭시 수지에 대해 주로 사용된다.
경화 촉진제는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 경화 촉진제의 예는 3급 아민 또는 3급 아민염, 예를 들어 DBU(1,8-디아자비사이클로(5,4,0)-운데센-7) 및 DBN(1,5-디아자비사이클로(4,3,0)-노넨-5); 이미다졸계 화합물, 예를 들어 1-시아노에틸-2-에틸-4-메틸이미다졸 및 2-에틸-4-메틸이미다졸; 및 포스핀 또는 포스포늄염, 예를 들어 트리페닐포스핀 및 테트라페닐포스포늄· 테트라페닐 보레이트를 포함한다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
커플링제는 특별히 제한되지 않으며, 이것이 분자 결합력을 증가시키는 효과를 갖는 물질인 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 커플링제의 예는 실란 커플링제를 포함한다. 그의 구체적인 예는 실란 커플링제, 예를 들어 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란, 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트리메톡시실란, N-페닐-γ-아미노프로필트리메톡시실란, N-(2-아미노에틸)3-아미노프로필메틸디메톡시실란, N-(2-아미노에틸)3-아미노프로필메틸트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-머캅토프로필트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, N-(2-(비닐벤질아미노)에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란 하이드로클로라이드, 및 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란을 포함한다. 이들은 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있다.
밀봉 부재로서, 밀봉재, 시일재, 또는 접착제로서 상업적으로 이용 가능한 에폭시 수지 조성물은 공지되어 있으며, 이러한 상업적으로 이용 가능한 제품은 본 개시내용에서 유효하게 사용될 수 있다. 이들 중에서, 또한 태양 전지 또는 유기 EL 소자에 사용하기 위해 개발되어 상업적으로 이용 가능한 에폭시 수지 조성물이 존재하며, 이러한 상업적으로 이용 가능한 제품은 본 개시내용에 특히 유효하게 사용될 수 있다. 상업적으로 이용 가능한 에폭시 수지의 예는 TB3118, TB3114, TB3124, 및 TB3125F(ThreeBond로부터 이용 가능함); World Rock 5910, World Rock 5920, 및 World Rock 8723 (Kyoritsu Chemical Co, Ltd로부터 이용 가능함); 및 WB90US(P)(MORESCO Corporation으로부터 이용 가능함)을 포함한다.
본 개시내용에 있어서, 시트형 밀봉재가 밀봉재로 사용될 수 있다.
그 시트형 밀봉재는 에폭시 수지층이 미리 시트 상에 형성되어 있는 재료이다. 시트에서, 높은 가스 배리어성을 갖는 유리 또는 필름이 사용된다. 밀봉 부재 및 제2 기판은 제2 기판 상에 시트형 밀봉재를 접착시키고 이후 경화시킴으로써 한번에 형성될 수 있다. 중공부를 갖는 구조는 시트 상에 형성된 에폭시 수지층의 형성 패턴에 따라 형성될 수 있다.
밀봉 부재의 형성 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그의 예는 디스펜싱법, 와이어바법, 스핀 코팅법, 롤러 코팅법, 블레이드 코팅법, 및 그라비아 코팅법을 포함한다. 또한, 밀봉 부재의 형성 방법으로서는 철판 인쇄, 오프셋 인쇄, 그라비아 인쇄, 요판 인쇄, 고무판 인쇄, 및 스크린 인쇄를 사용할 수 있다.
또한, 패시베이션층이 밀봉 부재와 제2 전극 사이에 배치될 수 있다. 패시베이션층은 특별히 제한되지 않으며, 패시베이션층이 밀봉 부재가 제2 전극과 접촉되지 않는 방식으로 배치되는 한, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그의 예는 산화알루미늄, 질화규소, 및 산화규소를 포함한다.
<기타 부재>
기타 부재는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
이하, 본 개시내용을 실시하기 위한 하나의 실시양태를 도면을 참조하여 기술한다. 각 도면에서, 동일한 부호는 동일 구성부분에 부여되며, 중복 설명이 생략될 수 있다.
<태양 전지 모듈의 구조>
도 1은 본 개시내용의 태양 전지 모듈의 구조의 한 예를 나타내는 설명도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 모듈(100)은 제1 기판(1); 및 제1 기판(1) 상에 배치된 광전 변환 소자를 포함하고, 각각의 광전 변환 소자는 제1 전극(2a 및 2b), 치밀 전자 수송층(치밀층)(3), 다공질 전자 수송층(다공질층)(4), 페로브스카이트층(5), 홀 수송층(6), 및 제2 전극(7a 및 7b)을 포함한다. 유의할 점은 제1 전극(2a 및 2b) 및 제2 전극(7a 및 7b) 각각은 전극 추출 단자에 전류를 통과시키도록 구성된 경로를 보유한다는 것이다. 또한, 태양 전지 모듈(100)에서, 제2 기판(10)은 제1 기판(1)에 대향하도록 배치되어 제1 기판(1) 및 제2 기판(10)이 광전 변환 소자를 샌드위칭하도록 한다. 밀봉 부재(9)는 제1 기판(1)과 제2 기판(10) 사이에 배치된다. 태양 전지 모듈(100)에서, 제1 전극(2a) 및 제1 전극(2b)은 연장된 연속층인 홀 수송층(6)에 의해 분리된다.
도 2는 본 개시내용의 태양 전지 모듈의 구조의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 모듈(101)은 다공질 전자 수송층(다공질층)(4)이 도 1에 나타낸 태양 전지 모듈(100) 내에 존재하지 않는 실시양태이다.
도 3은 본 개시내용의 태양 전지 모듈의 구조의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 모듈(102)은 홀 수송층(6)뿐만 아니라 다공질 전자 수송층(다공질층)(4) 및 페로브스카이트층(5)이 도 1에 나타낸 태양 전지 모듈(100) 내에 연장된 연속층인 실시양태이다.
태양 전지 모듈(102)에서, 제1 전극(2a) 및 제1 전극(2b)은 연장된 연속층인 다공질층(4) 및 페로브스카이트층(5)에 의해 분리된다.
도 4는 본 개시내용의 태양 전지 모듈의 구조의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 모듈(103)은 다공질층(4)이 도 3에 나타낸 태양 전지 모듈(102) 내에 연장되지 않은 실시양태이다.
태양 전지 모듈(103)에서, 제1 전극(2a) 및 제1 전극(2b)은 연장된 연속층인 페로브스카이트층(5)에 의해 분리된다.
도 5는 본 개시내용의 태양 전지 모듈의 구조의 다른 예를 나타내는 설명도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 모듈(104)은 다공질층(4)이 도 4에 나타낸 태양 전지 모듈(103) 내에 존재하지 않는 실시양태이다.
태양 전지 모듈(100 내지 106)의 각각은 제1 기판(1), 밀봉 부재(9), 및 제2 기판(10)으로 밀봉된다. 따라서, 제2 전극(7)과 제2 기판(10) 사이에 존재하는 중공부 내의 산소의 농도 및 수분의 양을 제어하는 것이 가능하다. 태양 전지 모듈(100 내지 106)의 각각의 중공부 내의 산소의 농도 및 수분의 양을 제어함으로써, 발전 성능 및 내구성이 개선될 수 있다. 즉, 태양 전지 모듈이 제1 기판과 대향하도록 배치되어 제1 기판과 제2 기판이 광전 변환 소자를 샌드위칭하도록 하는 제2 기판; 및 제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되고 광전 변환 소자를 밀봉하는 밀봉 부재를 추가로 포함하는 경우, 중공부 내의 산소의 농도 및 수분의 양을 제어할 수 있고, 이는 발전 성능 및 내구성을 개선시킬 수 있다.
중공부 내의 산소의 농도는 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 그러나, 그의 농도는 0% 이상 21% 이하인 것이 바람직하고, 0.05% 이상 10% 이하인 것이 더 바람직하고, 0.1% 이상 5% 이하인 것이 더욱 더 바람직하다.
태양 전지 모듈(100 내지 106)의 각각에서, 제2 전극(7) 및 제2 기판(10)은 서로 접촉하지 않는다. 따라서, 제2 전극(7)이 박리 및 파단되지 않도록 할 수 있다.
또한, 태양 전지 모듈(100 내지 106)의 각각은 광전 변환 소자(a)와 광전 변환 소자(b)를 전기적으로 접속하도록 구성된 관통부(8)를 포함한다. 태양 전지 모듈(100 내지 106)의 각각에서, 광전 변환 소자(a) 및 광전 변환 소자(b)는 홀 수송층(6)을 통해 통과하는 통과부(8)에 의해 광전 변환 소자(a)의 제2 전극(7a)과 광전 변환 소자(b)의 제1 전극(2b)을 전기적으로 접속함으로써 서로 직렬로 접속된다. 상기한 바와 같이, 복수의 광전 변환 소자가 직렬로 접속되는 경우, 태양 전지 모듈의 개방 전압은 증가될 수 있다.
유의할 점은, 관통부(8)가 제1 전극(2)을 관통하여 제1 기판(1)에 도달할 수 있다는 것이다. 대안적으로, 관통부(8)는 제1 전극(2) 내부에서 가공을 중단함으로써 제1 기판(1)에 도달하지 않을 수 있다. 관통부(8)의 형상이 제2 전극(2)을 관통하여 제1 기판(1)에 도달하는 미세 기공인 경우에서, 미세 기공의 총 개방 면적이 관통부(8)의 면적에 비해 너무 큰 경우, 제1 전극(2)의 필름의 감소된 단면적은 증가된 저항 값을 초래하고, 이는 전력 효율의 감소를 야기할 수 있다. 따라서, 관통부(8)의 면적에 대한 미세 기공의 총 개방 면적의 비율은 5/100 이상 60/100 이하인 것이 바람직하다.
또한, 관통부를 형성하기 위한 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 의도된 목적에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 상기 방법의 예는 샌드 블래스팅법, 워터 블래스팅법, 화학물질 에칭법, 레이저 처리법, 및 연마지를 이용하는 방법을 포함한다. 이들 중에서, 레이저 처리법이 바람직한데, 그 이유는 미세 기공이 샌드, 에칭, 및 레지스트를 이용하지 않고 형성될 수 있고, 이는 세정 및 재생 가능한 방식으로 미세 기공을 처리할 수 있기 때문이다. 또한, 레이저 처리법이 바람직한 이유는 다음과 같다. 구체적으로, 관통부(8)가 형성되는 경우, 레이저 처리법을 이용하는 충격 박리를 통해 치밀층(3), 다공질층(4), 페로브스카이트층(5), 홀 수송층(6), 및 제2 전극(7)을 제거할 수 있다. 따라서, 적층 중에 마스크를 제공할 필요가 없고, 광전 변환 소자가 형성되는 재료의 제거 및 관통부의 형성은 한번에 용이하게 수행될 수 있다.
이때, 광전 변환 소자(a) 내의 페로브스카이트층과 광전 변환 소자(b) 내의 페로브스카이트층 사이의 공간은 연장될 수 있거나 또는 분리될 수 있다. 이들이 분리되는 경우, 그들 사이의 거리는 1 μm 이상 100 μm 이하인 것이 바람직하고, 5 μm 이상 50 μm 이하인 것이 더 바람직하다. 광전 변환 소자(a) 내의 페로브스카이트층과 광전 변환 소자(b) 내의 페로브스카이트층 사이의 거리가 1 μm 이상 100 μm 이하인 경우, 다공질 산화티탄층 및 페로브스카이트층은 분리되고, 확산을 통한 전자의 재조합은 덜 생성된다. 따라서, 이는 장기간에 걸쳐 높은 조도를 갖는 광에 노출된 후에도 발전 효율을 유지하는 것을 가능하게 한다. 즉, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변화 소자에서 한 광전 변환 소자 내의 전자 수송층 및 페로브스카이트층과 다른 광전 변환 소자 내의 전자 수송층 및 페로브스카이트층 사이의 거리가 1 μm 이상 100 μm 이하인 경우, 장기간 동안 높은 조도를 갖는 광에 노출된 후에도 발전 효율을 유지할 수 있다.
이때, 어구 "서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변화 소자에서 한 광전 변환 소자 내의 전자 수송층 및 페로브스카이트층과 다른 광전 변환 소자 내의 전자 수송층 및 페로브스카이트층 사이의 거리"는 광전 변환 소자 내의 전자 수송층 및 페로브스카이트층의 외주부(단부) 사이의 거리 중 가장 짧은 거리를 의미한다.
본 개시내용의 태양 전지 모듈은 예를 들어 생성된 전류를 제어하도록 구성된 회로 기판과 조합하여 이를 사용함으로써 전원 장치에 적용될 수 있다. 그러한 전원 장치를 이용하는 기기의 예는 전자계산기 및 시계를 포함한다. 또한, 본 개시내용의 태양 전지 모듈을 포함하는 전원 장치는 예를 들어 모바일 폰, 전자 수첩, 및 전자 페이퍼에 적용될 수 있다. 본 개시내용의 태양 전지 모듈을 포함하는 전원 장치는 재충전 가능한 전자 제품 또는 배터리 타입 전자 제품의 연속적으로 작동하는 시간을 연장하도록 구성된 보조 전원으로서, 또는 제2 배터리와 조합하여 이를 사용함으로써 야간에 사용될 수 있는 전원으로서 사용될 수 있다. 또한, 본 개시내용의 태양 전지 모듈은 IoT 디바이스 또는 인공위성에서 전지 및 전원 배선의 교체를 필요로 하지 않는 자립형 전원으로서 사용될 수 있다.
(전자 기기)
본 개시내용의 전자 기기는 본 개시내용의 태양 전지 모듈; 및 태양 전지 모듈의 광전 변환을 통해 발생된 전력에 의해 구동되도록 구성된 장치를 포함한다. 본 개시내용의 전자 기기는 필요에 따라 다른 장치를 추가로 포함한다.
(전원 모듈)
본 개시내용의 전원 모듈은 본 개시내용의 태양 전지 모듈 및 전원 집적 회로(IC)를 포함한다. 본 개시내용의 전원 모듈은 필요에 따라 다른 장치를 추가로 포함한다.
본 개시내용의 태양 전지 모듈 및 태양 전지 모듈의 발전을 통해 수득된 전력에 의해 구동되도록 구성된 장치를 포함하는 전자 기기의 구체적인 실시양태가 기재될 것이다.
도 6은 본 개시내용의 전자 기기의 한 예로서 퍼스널 컴퓨터용 마우스의 블록 다이어그램이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 모듈의 광전 변화 소자, 전원 IC, 및 축전 디바이스는 조합되고, 공급된 전력은 마우스의 제어 회로의 전원을 통과할 수 있다. 결과적으로, 마우스가 사용되지 않는 경우 축전 디바이스는 충전되고, 마우스는 전력에 의해 구동될 수 있고, 따라서 배선이나 전지의 교환을 필요로 하지 않는 그러한 마우스가 수득될 수 있다. 전지가 필요하지 않기 때문에, 그의 중량은 감소될 수 있고, 이는 효과적이다.
도 7은 도 6에 나타낸 마우스의 한 예를 나타내는 모식적인 외관도이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 모듈, 전원 IC, 및 축전 디바이스는 마우스의 내부에 장착되지만, 광전 변환 소자의 상단부는 투명한 하우징으로 커버되어 태양 전지 모듈의 광전 변환 소자가 광을 수용하도록 한다. 또한, 마우스의 전체적인 하우징은 투명한 수지로 형성될 수 있다. 광전 변환 소자의 배열은 상기한 것으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 광전 변환 소자는 마우스가 손으로 커버되는 경우에도 광이 방출되는 위치로 배열될 수 있고, 그러한 배열이 바람직할 수 있다.
본 개시내용의 태양 전지 모듈 및 태양 전지 모듈의 발전을 통해 수득된 전력에 의해 구동되도록 구성된 디바이스를 포함하는 전자 기기의 다른 실시양태가 기재될 것이다.
도 8은 본 개시내용의 전자 기기의 한 예로서 퍼스널 컴퓨터를 위한 키보드의 블록 다이어그램이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 모듈의 광전 변환 소자, 전원 IC, 및 축전 디바이스는 조합되고, 공급된 전력은 키보드의 제어 회로의 전원을 통과할 수 있다. 결과적으로, 키보드가 사용되지 않는 경우 축전 디바이스는 충전되고, 키보드는 전력에 의해 구동될 수 있다. 따라서, 배선이나 전지의 교환을 필요로 하지 않는 그러한 키보드가 수득될 수 있다. 그러한 배치는 효율적인데, 그 이유는 전지가 필요하지 않고, 따라서 키보드의 중량이 감소될 수 있기 때문이다.
도 9는 도 8에 나타낸 키보드의 한 예를 나타내는 모식적인 외관도이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 모듈, 전원 IC, 및 축전 디바이스는 키보드의 내부에 장착되지만, 광전 변환 소자의 상단부는 투명한 하우징으로 커버되어 태양 전지 모듈의 광전 변환 소자가 광을 수용하도록 한다. 키보드의 전체적인 하우징은 투명한 수지로 형성될 수 있다. 광전 변환 소자의 배열은 상기한 것으로 제한되지 않는다. 광전 변환 소자를 내장하기 위한 공간이 작은 소형 키보드의 경우, 소형 광전 변환 소자가 도 10에 나타낸 바와 같은 몇몇 키보드 내에 내장될 수 있고, 그러한 배열이 효과적이다.
다음으로, 본 개시내용의 태양 전지 모듈 및 태양 전지 모듈의 발전을 통해 수득된 전력에 의해 구동되도록 구성된 디바이스를 포함하는 전자 기기의 다른 실시양태가 기재될 것이다.
도 11은 본 개시내용의 전자 기기의 한 예로서 센서의 블록 다이어그램이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 모듈의 광전 변환 소자, 전원 IC, 및 축전 디바이스는 조합되고, 공급된 전력은 센서 회로의 전원을 통과할 수 있다. 결과적으로, 센서 모듈은 외부 전원에 접속할 필요 없이 및 전지를 교체할 필요 없이 구성될 수 있다. 감지 타겟은 예를 들어 온도 및 습도, 조도, 사람 탐지, CO2, 가속도, UV, 소음, 지자기, 및 대기압이고, 그러한 전자 기기는 다양한 센서에 적용될 수 있고, 이는 효과적이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 센서 모듈은 정기적으로 측정하려는 타겟을 감지하고 판독 데이터를 무선 통신을 통해 퍼스널 컴퓨터(PC) 또는 스마트폰에 전송하도록 구성된다.
센서의 사용은 사물 인터넷(IoT) 사회의 도래로 상당히 증가될 것으로 예상된다. 수많은 센서의 배터리를 하나씩 교체하는 것은 시간 소모적이고 현실적이지 않다. 또한, 센서는 전지가 용이하게 교체되지 않는 천장 및 벽과 같은 위치에 설치되고, 이러한 배열은 작업성을 나쁘게 만든다. 또한, 전기가 광전 변환 소자에 의해 공급될 수 있다는 사실은 상당히 유리하다. 또한, 본 개시내용의 태양 전지 모듈은 낮은 조도의 광을 사용하는 경우에도 높은 출력이 수득될 수 있고, 높은 정도의 설치 자유도가 달성될 수 있다는 장점을 보유하는데, 그 이유는 출력을 위한 광 입사각의 의존성이 낮게 때문이다.
다음으로, 본 개시내용의 태양 전지 모듈 및 태양 전지 모듈의 발전을 통해 수득된 전력에 의해 구동되도록 구성된 디바이스를 포함하는 전자 기기의 다른 실시양태가 기재될 것이다.
도 12는 본 개시내용의 전자 기기의 한 예로서 턴테이블의 블록 다이어그램이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 광전 변환 소자, 전원 IC, 및 축전 디바이스는 조합되고, 공급된 전력은 턴테이블 제어 회로의 전원을 통과할 수 있다. 결과적으로, 턴테이블은 외부 전원에 접속할 필요 없이 및 전지를 교체할 필요 없이 구성될 수 있다.
턴테이블은, 예를 들어 제품이 디스플레이되는 디스플레이 케이스에 사용된다. 전원의 배선은 디스플레이의 외관을 저하시키고, 더구나 디스플레이된 제품은 전지 교체 시점에서 제거될 필요가 있는데, 이는 시간 소모적이다. 본 개시내용의 태양 전지 모듈의 이용은 효과적인데, 그 이유는 상기 언급된 문제점이 해결될 수 있기 때문이다.
상기한 바와 같이, 본 개시내용의 태양 전지 모듈 및 태양 전지 모듈의 발전을 통해 수득된 전력에 의해 구동되도록 구성된 디바이스 및 전원 모듈을 포함하는 전자 기기가 기재되었다. 그러나, 기재된 실시양태는 적용 가능한 실시양태의 단지 일부이고, 본 개시내용의 태양 전지 모듈의 용도가 상기 기재된 용도로 제한되는 것은 아니다.
<응용분야>
본 개시내용의 태양 전지 모듈은 자립형 전원으로서 기능할 수 있고, 광전 변환 소자를 통해 발생된 전력은 디바이스를 구동하기 위해 사용될 수 있다. 본 개시내용의 태양 전지 모듈은 광의 조사에 의해 전기를 생성할 수 있기 때문에, 전자 기기를 전원에 연결할 필요가 없거나, 또는 전지를 교체할 필요가 없다. 따라서, 전자 기기는 전원 설비가 없는 장소에서 구동될 수 있고, 전자 기기는 착용하거나 휴대할 수 있고, 전자 기기는 전지가 용이하게 교체될 수 없는 장소에서도 전지의 교체 없이 구동될 수 있다. 또한, 건전지가 사용되는 경우, 전자 기기는 건전지의 중량으로 인해 무거워지거나, 또는 전자 기기는 건전지의 크기에 의해 커진다. 따라서, 전자 기기를 벽 또는 천장에 설치하거나, 또는 전자 기기를 수송하는데 문제가 될 수 있다. 그러나, 본 개시내용의 태양 전지 모듈은 가볍고 얇기 때문에, 이는 자유롭게 설치될 수 있고, 착용하거나 휴대할 수 있는데, 이는 장점이 된다.
상기한 바와 같이, 본 개시내용의 태양 전지 모듈은 자립형 전원으로서 사용될 수 있고, 전자 기기와 함께 조합될 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 태양 전지 모듈은 디스플레이 장치(예를 들어, 탁상용 전자계산기, 시계, 모바일 폰, 전자 수첩, 전자 종이), 퍼스널 컴퓨터의 보조 장치(예를 들어, 마우스 및 키보드), 여러 가지 센서 디바이스(예를 들어, 온도 및 습도 센서 및 사람 탐지 센서), 트랜스미터(예를 들어, 비컨(beacon) 및 위성 위치확인 시스템(GPS)), 및 다수의 전자 기기(예를 들어, 보조 램프 및 리모트 컨트롤러)와 조합으로 사용될 수 있다.
본 개시내용의 태양 전지 모듈은 광범위하게 응용되는데, 그 이유는 상기 태양 전지 모듈이 특히 낮은 조도의 광을 이용하여 전기를 생성할 수 있고, 실내 및 더 어두운 그늘에서 전기를 생성할 수 있기 때문이다. 또한, 태양 전지 모듈은 매우 안전한데, 그 이유는 건전지에서 확인된 액체 누출이 발생하지 않고, 단추형 전지에서 확인된 우발적인 섭취가 발생하지 않기 때문이다. 또한, 태양 전지 모듈은 충전형 또는 건전지형 전기 기구의 연속 작동 시간을 연장시키기 위한 목적을 위한 보조 전원으로서 사용될 수 있다. 상기한 바와 같이, 본 개시내용의 태양 전지 모듈이 태양 전지 모듈의 광전 변환을 통해 발생된 전력에 의해 구동되도록 구성된 디바이스와 조합되는 경우, 가볍고 사용이 용이하고, 높은 설치 자유도를 보유하고, 전지 교체의 필요성이 없고, 안전성이 탁월하고, 환경적 부담을 감소시키기에 효과적인 전자 기기를 수득할 수 있다.
도 13은 태양 전지 모듈의 광전 변환을 통해 발생된 전력에 의해 구동되도록 구성된 디바이스와 본 개시내용의 태양 전지 모듈을 조합함으로써 수득된 전자 기기의 기본 배치 다이어그램을 나타낸다. 전자 기기는 광전 변환 소자가 광 조사되는 경우 전기를 생성할 수 있고, 전력을 추출할 수 있다. 디바이스의 회로는 발생된 전력에 의해 구동될 수 있다.
태양 전지 모듈의 광전 변환 소자의 출력은 주위 조도에 따라 달라지기 때문에, 도 13에 나타낸 전자 기기는 몇몇 경우에 안정하게 구동되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 도 14에 나타낸 바와 같이, 광전 변환 소자를 위한 전원 IC는 회로 측에 안정한 전압을 공급하기 위해 디바이스의 회로와 광전 변환 소자 사이에 내장될 수 있고, 이러한 배열이 효과적이다. 태양 전지 모듈의 광전 변환 소자는 충분한 조도의 광이 방출되는 한 전기를 생성할 수 있다. 그러나, 전기를 생성하기 위해 충분한 조도가 아닌 경우, 요망되는 전력은 수득될 수 없는데, 이는 광전 변환 소자의 단점이다. 이러한 경우, 도 15에 나타낸 바와 같이, 캐퍼시터와 같은 축전 디바이스가 전원 IC와 디바이스 회로 사이에 장착되는 경우, 광전 변환 소자로부터 과량의 전력이 축전 디바이스 내에 저장될 수 있다. 또한, 축전 디바이스 내에 저장된 전력은 디바이스 회로에 공급됨으로써 조도가 너무 낮은 경우 또는 광이 광전 변환 소자에 적용되지 않는 경우에도 안정한 조작을 가능하게 할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 개시내용의 태양 전지 모듈과 디바이스 회로를 조합함으로써 수득된 전자 기기는 전원이 없는 환경에서도 구동될 수 있고, 전지의 교체가 필요하지 않으며, 전원 IC 또는 축전 디바이스와 함께 안정하게 구동될 수 있다. 따라서, 이는 광전 변환 소자의 가장 좋은 장점이 될 수 있다.
한편, 본 개시내용의 태양 전지 모듈은 또한 전원 모듈로서 사용될 수 있고, 그러한 용도는 효과적이다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 본 개시내용의 태양 전지 모듈이 광전 변환 소자를 위해 전원 IC에 접속되는 경우, 태양 전지 모듈의 광전 변환 소자의 광전 변환을 통해 발생된 전력을 선결정된 전압 수준에서 전원 IC에 공급할 수 있는 DC 전원 모듈이 구성될 수 있다.
또한, 도 17에 나타낸 바와 같이, 축전 디바이스가 전원 IC에 추가되는 경우, 태양 전지 모듈의 광전 변환 소자에 의해 발생된 전력은 축전 디바이스 내에 저장될 수 있다. 따라서, 조도가 너무 낮은 경우 또는 광이 광전 변환 소자에 적용되지 않는 경우에도 전력을 공급할 수 있는 전원 모듈이 구성될 수 있다.
도 16 및 도 17에 나타낸 본 개시내용의 전원 모듈은 당해 기술분야에 공지된 1차 전지의 경우에서와 같이 전지를 교체하지 않는 전원 모듈로서 사용될 수 있다.
실시예
본 개시내용은 실시예 및 비교예에 의해 더 상세히 기재될 것이다. 본 개시내용은 이들 실시예로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다.
(합성예 1)
<일반식 (1)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 갖는 폴리머의 합성>
하기 구조식에 의해 표현되는 폴리머 (A-11)은 하기 반응을 통해 합성되었다.
상기 식에서, n은 2 이상이고 폴리머 (A-11)이 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타낸다.
먼저, 100 mL 4목 플라스크는 상기 언급된 디알데히드 화합물(0.66 g) (2.0 mmol) 및 상기 언급된 디포스포네이트 화합물(1.02 g) (2.0 mmol)로 충전되었고, 생성물은 질소로 퍼징되었고, 이어서 테트라하이드로푸란(75 ml)이 첨가되었다. 상기 용액에 칼륨 t-부톡사이드의 1.0 mol/dm3 테트라하이드로푸란 용액(6.75 mL) (6.75 mmol)이 적가되었고, 생성된 용액은 실온에서 2시간 동안 교반되었다. 거기에 디에틸 벤질포스포네이트 및 벤즈알데히드가 순차적으로 첨가되었고, 이어서 2시간 동안 교반되었다. 거기에 반응을 종결시키기 위해 아세트산(약 1 mL)이 첨가되었고, 상기 용액은 물로 세척되었다. 용매는 감압 하에 제거된 후, 생성물은 테트라하이드로푸란 및 메탄올을 이용하는 재침전을 통해 정제하여 상기 구조식에 의해 표현된 폴리머 (A-11) (0.95 g)를 수득하였다.
상기 구조식에 의해 표현된 수득된 폴리머 (A-11)은 폴리스티렌의 관점에서 20,000의 중량 평균 분자량을 갖는 것으로 확인되었고, 중량 평균 분자량은 겔 투과 크로마토그래피(GPC)를 통해 측정되었다. 광전자 방출 수득 분광학(RIKEN KEIKI CO., LTD.로부터 구입한 AC-2)를 이용하여 측정된 폴리머 (A-11)의 이온화 포텐셜은 5.22 eV였다. 후술하는 모든 이온화 포텐셜은 AC-2에 의해 측정되었다.
(실시예 1)
<태양 전지 모듈의 제작>
먼저, 이소프로필 알코올(10 mL) 중에 티탄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세톤) 이소프로필 알코올 용액(Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.로부터 구입, B3395, 75 질량%) (0.36 g)을 용해시켜 수득된 액체는 스핀 코팅법에 의해 FTO 유리 기판(Nippon Sheet Glass Co., Ltd.로부터 구입) 상에 코팅되었다. 코팅액은 120℃에서 3분 동안 건조되었고, 450℃에서 30분 동안 소성되어 제1 기판 상에 제1전극 및 치밀 전자 수송층(치밀층)을 생성하였다. 유의할 점은 치밀층이 10 μm 내지 40 μm의 평균 두께를 갖도록 설정되었다는 것이다.
다음으로, α-테르피네올(KANTO CHEMICAL CO., INC.로부터 구입)로 산화티탄 페이스트(Greatcell Solar Limited로부터 구입, 제품명: MPT-20)를 희석하여 수득된 분산액은 스핀 코팅법에 의해 치밀층 상에 코팅되었다. 이어서, 생성물은 120℃에서 3분 동안 건조되었고, 550℃에서 30분 동안 소성되었다.
이어서, 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(KANTO CHEMICAL CO., INC.로부터 구입, 제품명: 38103)를 용해시킨 아세토니트릴(KANTO CHEMICAL CO., INC.로부터 구입) (0.1 M) (주, M은 mol/dm3를 의미함)의 용액은 스핀 코팅법에 의해 상기 언급된 필름 상에 코팅되었고, 450℃에서 30분 동안 소성되어 다공질 전자 수송층(다공질층)을 생성하였다. 여기서, 다공질층은 150 nm의 평균 두께를 갖도록 설정되었다.
다음으로, 요오드화납(II)(Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.로부터 구입, L0279, 0.5306 g), 브롬화납(II)(Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.로부터 구입, L0288, 0.0736 g), 브롬화메틸암모늄(Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.로부터 구입, M2589, 0.0224 g), 포름아미딘 하이드로요오다이드(Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.로부터 구입, F0974, 0.1876 g), 및 요오드화칼륨(KANTO CHEMICAL CO., INC.로부터 구입, 32351, 0.0112 g)가 N,N-디메틸포름아미드(KANTO CHEMICAL CO., INC.로부터 구입, 0.8 ml) 및 디메틸 설폭사이드(KANTO CHEMICAL CO., INC.로부터 구입, 0.2 ml)에 첨가되었고, 생성물은 가열되었고, 60℃에서 교반되어 용액이 수득되었다. 상기 용액은 스핀 코팅법에 의해 상기 다공질층 상에 코팅되면서 클로로벤젠(KANTO CHEMICAL CO., INC.로부터 구입, 0.3 ml)이 거기에 첨가되어 페로브스카이트 필름을 형성하였다. 이어서, 페로브스카이트 필름은 150℃에서 30분 동안 건조되어 페로프스카이트층을 생성하였다.
유의할 점은 페로프스카이트층이 200 nm 이상 350 nm 이하의 평균 두께를 갖도록 설정되었다는 것이다.
상기 단계에 의해 수득된 라미네이트는 그루브를 형성하기 위해 레이저 처리되어 인접한 라미네이트 사이의 거리가 10 μm가 되도록 하였다. 이어서, 상기 구조식에 의해 나타내어진 폴리머 (A-11) (중량 평균 분자량 = 20,000, 이온화 포텐셜: 5.22 eV) (36.8 mg), 2,2(7,7(-테트라키스-(N,N-디-p-메톡시페닐아민)9,9(-스피로비플루오렌))) (이하, "스피로-OMeTAD"로도 언급됨, Merck로부터 구입, 분자량 = 1225.4, 이온화 포텐셜 = 5.09 eV) (36.8 mg), 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(4.9 mg), 4-t-부틸피리딘(Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.로부터 구입, B0388) (6.8 mg), 및 트리스(2-(1H-피라졸-1-일)-4-tert-부틸피리딘)코발트(III) 헥사플루오로포스페이트(Greatcell Solar로부터 구입, MS210205) (0.1 mg)는 클로로벤젠(KANTO CHEMICAL CO., INC.로부터 구입) (1.5 mL) 중에 용해되었다. 상기 언급된 단계에 의해 수득된 라미네이트 상에, 수득된 용액은 스핀 코팅법에 의해 코팅되어 홀 수송층을 생성하였다. 홀 수송층(메로브스카이트층 상의 일부분)의 평균 두께는 100 nm 내지 200 nm로 설정되었다. 두 종류의 홀 수송층 재료의 이온화 포텐셜의 차이는 0.13 eV였다.
금(TANAKA KIKINZOKU KOGYO K.K.로부터 구입) (100 nm)은 진공 하에서 상기 라미네이트 상에 증착되었다.
밀봉 부재가 구비된 제1 기판 및 제2 기판의 단부는 레이저 처리를 통해 에칭 처리되었고, 이어서 레이저 처리를 수행하여 광전 변환 소자를 직렬로 접속하기 위한 관통 홀(도통부)을 형성하였다. 이어서, 은이 진공 하에서 상기 라미네이트 상에 증착되어 약 100 nm의 두께를 갖는 제2 전극을 형성하였다. 마스크 필름 형성을 통해, 인접하는 제2 전극 사이의 거리는 200 μm가 되었다. 또한, 은은 관통 홀의 내벽 상에 증착되었고, 인접하는 광전 변환 소자가 직렬로 접속되었음이 확인되었다. 직렬로 배치된 광전 변환 소자의 수는 6개였다.
이어서, 자외선 경화성 수지(ThreeBond Holdings Co., Ltd. 로부터 구입, 제품명: TB3118)는 제1 기판의 단부 상에 디스펜서(SAN-EI TECH Ltd.로부터 구입, 제품명: 2300N)로 코팅되어 광전 변환 소자(발전 영역)가 둘러싸여지도록 하였다. 이어서, 이는 낮은 습도(이슬점: -30℃) 및 0.2%의 산소 농도를 갖도록 제어된 글로브 박스에 이전되었다. 이어서, 제2 기판으로서 커버 글래스는 자외선 경화성 수지 상에 배치되었고, 자외선 경화성 수지는 발전 영역을 밀봉하기 위해 자외선 조사를 통해 경화되었다. 결과적으로, 도 1에 나타낸 바와 같은 본 개시내용의 태양 전지 모듈(1)이 제작되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다.
<태양 전지 모듈의 평가>
수득된 태양 전지 모듈(1)은 태양광 시뮬레이터(AM1.5, 10 mW/cm2)에 의한 광으로 조사되는 동안, 수득된 태양 전지 모듈(1)은 태양 전지 평가 시스템(NF Corporation으로부터 구입, 제품명: As-510-PV03)을 이용하여 태양 전지의 특성(초기 특성)에 대해 평가되었다. 또한, 상기 태양광 시뮬레이터가 상기 언급된 조건 하에서 100시간 동안 연속적으로 광을 방출하기 위해 사용된 후, 태양 전지의 특성(100시간 동안 연속 조사 후 특성)이 상기한 바와 동일한 조건 하에서 평가되었다.
태양 전지의 평가된 특성은 개방 전압, 단락 전류 밀도, 형상 인자, 및 변환 효율(발전 효율)이다. 초기 특성에서 변환 효율에 대한 100시간 동안 연속 조사 후 특성에서 변환 효율의 비율은 변환 효율의 유지율로서 결정되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 2)
도 1에 나타낸 태양 전지 모듈(2)은 실시예 1과 동일한 방식으로 제조되었으나, 단 서로 인접하는 광전 변환 소자 내의 제1 전극, 치밀층, 다공질층, 및 페로브스카이트층은 40 μm의 거리를 갖도록 설정되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(2)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 평가 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 3)
도 1에 나타낸 태양 전지 모듈(3)은 실시예 1과 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 스피로-OMeTAD(Merck로부터 구입, 분자량 = 1225.4, 이온화 포텐셜 = 5.09 eV) (36.8 mg)은 하기 (C-1)에 의해 표현된 화합물(분자량: 844.1, 이온화 포텐셜: 5.21 eV) (36.8 mg)로 변경되었다. 두 가지 종류의 홀 수송성 재료의 이온화 포텐셜 사이의 차이는 0.01 eV였다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(3)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 4)
도 1에 나타낸 태양 전지 모듈(4)은 실시예 1과 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 상기 구조식에 의해 나타낸 폴리머 (A-11) (중량 평균 분자량 = 20,000, 이온화 포텐셜: 5.22 eV) (36.8 mg)은 하기 식에 의해 표현된 폴리머 (B-1) (Aldrich로부터 구입, "P3HT", 중량 평균 분자량 = 50,000, 이온화 포텐셜 = 5.0 eV)으로 변경되었고, 스피로-OMeTAD(Merck로부터 구입, 분자량 = 1225.4, 이온화 포텐셜 = 5.09 eV) (36.8 mg)는 하기 식에 의해 표현된 화합물 (C-2) (분자량: 554.9, 이온화 포텐셜 = 5.05 eV)로 변경되었다. 두 가지 종류의 홀 수송성 재료의 이온화 포텐셜 사이의 차이는 0.05 eV였다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(4)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
상기 식에서, m은 2 이상이고 상기 언급된 식에 의해 나타내어지는 폴리머 (B-1)이 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타낸다.
(실시예 5)
도 2에 나타낸 태양 전지 모듈(5)은 실시예 1과 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 다공질층은 형성되지 않았다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(5)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 6)
태양 전지 모듈(6)은 실시예 5와 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 치밀층은 스퍼터링을 통해 형성된 산화주석으로 형성된 치밀층으로 변경되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(6)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 7)
태양 전지 모듈(7)은 실시예 6과 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 실시예 6에서 페로브스카이트층을 형성하기 위해 사용된 요오드화납(II)(0.5306 g), 브롬화납(II)(0.0736 g), 메틸아민 브로마이드(0.0224 g), 포름아미딘 요오다이드(0.1876 g), 및 요오드화칼륨(0.0112 g) 이외에 요오드화세슘(0.0143 g)가 추가로 사용되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(7)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 8)
태양 전지 모듈(8)은 실시예 5와 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 홀 수송성 재료 내의 폴리머 (A-11)은 폴리머 (A-11) (중량 평균 분자량 Mw = 122,000)으로 변경되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(8)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 9)
태양 전지 모듈(9)은 실시예 5와 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 홀 수송성 재료 내의 폴리머 (A-11)은 폴리머 (A-11) (중량 평균 분자량 Mw = 282,000)으로 변경되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(9)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 10)
태양 전지 모듈(10)은 실시예 5와 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 홀 수송성 재료 내의 폴리머 (A-11)은 폴리머 (A-11) (중량 평균 분자량 Mw = 282,000)으로 변경되었고, "스피로-OMeTAD"는 (C-1)에 의해 표현된 화합물(분자량: 844.1, 이온화 포텐셜: 5.21 eV)로 변경되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(10)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 11)
태양 전지 모듈(11)은 실시예 5와 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 홀 수송성 재료 내의 폴리머 (A-11)은 폴리머 (A-11) (중량 평균 분자량 Mw = 282,000)으로 변경되었고, "스피로-OMeTAD"는 (C-2)에 의해 표현된 화합물(분자량: 554.9, 이온화 포텐셜 = 5.05 eV)로 변경되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(11)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 12)
태양 전지 모듈(12)은 실시예 5와 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 홀 수송성 재료 내의 폴리머 (A-11)은 화합물 (C-3) (분자량 = 2,157, 이온화 포텐셜 = 5.23 eV)로 변경되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(12)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 13)
태양 전지 모듈(13)은 실시예 5와 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 홀 수송성 재료 내의 폴리머 (A-11)은 화합물 (C-3) (분자량 = 2,157, 이온화 포텐셜 = 5.23 eV)로 변경되었고, "스피로-OMeTAD"는 상기 (C-1)에 의해 표현된 화합물(분자량: 844.1, 이온화 포텐셜: 5.21 eV)로 변경되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(13)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 14)
태양 전지 모듈(14)은 실시예 5와 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 홀 수송성 재료 내의 폴리머 (A-11)은 화합물 (C-3) (분자량 = 2,157, 이온화 포텐셜 = 5.23 eV)로 변경되었고, "스피로-OMeTAD"는 상기 (C-2)에 의해 표현된 화합물(분자량: 554.9, 이온화 포텐셜 = 5.05 eV)로 변경되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(14)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 15)
태양 전지 모듈(15)은 실시예 7과 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 요오드화칼륨(0.0112 g)는 페로프스카이트층이 형성되는 경우 사용되었던 요오드화납(II) (0.5306 g), 브롬화납(II)(0.0736 g), 메틸아민 브로마이드(0.0224 g), 포름아미딘 요오다이드(0.1876 g), 요오드화칼륨(0.0112 g), 및 요오드화세슘(0.0143 g) 중에 포함되지 않았고, 요오드화세슘의 중량은 증가되었다(0.0318 g). 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(15)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 16)
태양 전지 모듈(16)은 실시예 15와 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 페로프스카이트층이 형성되는 경우 사용되었던 요오드화납(II)(0.5306 g), 브롬화납(II)(0.0736 g), 메틸아민 브로마이드(0.0224 g), 포름아미딘 요오다이드(0.1876 g), 및 요오드화세슘(0.0318 g) 이외에 요오드화안티몬(0.0204 g)이 사용되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(16)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 17)
태양 전지 모듈(17)은 실시예 6과 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 홀 수송성 재료 내의 폴리머 (A-11) (중량 평균 분자량 = 20,000, 이온화 포텐셜: 5.22 eV)의 중량은 51.5 mg으로 변경되었고, 스피로-OMeTAD(Merck로부터 구입, 분자량 = 1225.4, 이온화 포텐셜 = 5.09 eV)의 중량은 22.1 mg으로 변경되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(17)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(실시예 18)
태양 전지 모듈(18)은 실시예 6과 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 홀 수송성 재료 내의 폴리머 (A-11) (중량 평균 분자량 = 20,000, 이온화 포텐셜: 5.22 eV)의 중량은 44.2 mg으로 변경되었고, 스피로-OMeTAD(Merck로부터 구입, 분자량 = 1225.4, 이온화 포텐셜 = 5.09 eV)의 중량은 66.2 mg으로 변경되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(18)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(비교예 1)
도 3에 나타낸 태양 전지 모듈(19)은 실시예 1과 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 다공질층 및 페로프스카이트층은 연장된 연속층이었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(19)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(비교예 2)
도 3에 나타낸 태양 전지 모듈(20)은 실시예 1과 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 서로 인접하는 광전 변화 소자 내의 제1 전극 및 치밀층은 40 μm의 거리를 갖도록 설정되었고, 다공질층 및 페로프스카이트층은 연장된 연속층이었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(20)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(비교예 3)
도 3에 나타낸 태양 전지 모듈(21)은 실시예 1과 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 서로 인접하는 광전 변화 소자 내의 제1 전극, 치밀층 및 다공질층은 40 μm의 거리를 갖도록 설정되었고, 페로프스카이트층은 연장된 연속층이었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(20)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
(비교예 4)
도 4에 나타낸 태양 전지 모듈(22)은 실시예 1과 동일한 방식으로 제작되었으나, 단 상기 구조식에 의해 나타낸 폴리머 (A-11) (중량 평균 분자량 = 20,000, 이온화 포텐셜: 5.22 eV) (36.8 mg) 및 스피로-OMeTAD(Merck로부터 구입, 분자량 = 1225.4, 이온화 포텐셜 = 5.09 eV) (36.8 mg)는 스피로-OMeTAD(Merck로부터 구입, 분자량 = 1225.4, 이온화 포텐셜 = 5.09 eV) (73.6 mg)로 변경되었다. 서로 인접하는 광전 변환 소자를 구성하는 층 사이의 각각의 거리는 표 1에 나타내었다. 태양 전지 모듈(22)은 실시예 1과 동일한 방식으로 평가되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.
표 3의 결과로부터, 실시예 1 내지 18의 태양 전지 모듈들은 양호한 내구성을 갖는 것으로 확인되는데, 그 이유는 100시간 동안의 연속 조사 테스트 이후 모든 변환 효율의 유지율이 90% 이상이었고, 제2 전극으로 배치된 금 및 홀 수송층은 박리되지 않았기 때문이다. 한편, 비교예 1 내지 3의 태양 전지 모듈들은 낮은 내구성을 갖는 것으로 확인되는데, 그 이유는 그들이 실시예의 홀 수송성 재료와 동일한 홀 수송성 재료를 포함하지만, 연속 다공질층 및 연속 페로브스카이트층으로 형성된 모듈이기 때문이다.
제2 전극으로서 배치된 금 및 홀 수송층은 비교예 4의 태양 전지 모듈(22)에서 100시간 동안의 연속 조사 이후 박리되었음이 관찰되었다.
상기한 바와 같이, 본 개시내용의 태양 전지 모듈에서, 홀 수송층은 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 연장된 연속층이고, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 제1 전극, 전자 수송층, 및 페로브스카이트층은 홀 수송층에 의해 분리된다. 결과적으로, 본 개시내용의 태양 전지 모듈은 장기간 동안 높은 조도를 갖는 광에 노출된 후에도 발전 효율을 유지할 수 있다.
본 개시내용의 양태는 예를 들어 다음과 같다:
<1> 제1 기판; 및
제1 기판 상에 배치된 복수의 광전 변환 소자로서, 복수의 광전 변환 소자의 각각은 제1 전극, 전자 수송층, 페로브스카이트층, 홀 수송층, 및 제2 전극을 포함하는 것인 복수의 광전 변환 소자
를 포함하는 태양 전지 모듈로서,
서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서, 홀 수송층은 연장된 연속층이고, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 제1 전극, 전자 수송층, 및 페로브스카이트층은 홀 수송층에 의해 분리되고,
홀 수송층은 홀 수송성 재료로서 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머 또는 2,000 이상의 분자량을 갖는 화합물을 포함하는 것인 태양 전지 모듈.
<2> <1>에 있어서, 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머는 하기 일반식 (1) 또는 (2)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 포함하는 것인 태양 전지 모듈:
일반식 (1)
상기 일반식 (1)에서, R1 및 R2는 서로 동일할 수 있거나 또는 상이할 수 있으며, 각각 수소 원자, 알킬기, 아르알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 나타내고, R3는 알킬기, 아르알킬기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, X1은 알킬렌기, 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, n은 2 이상이고 일반식 (1)에 의해 나타내어지는 폴리머가 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타내고, p는 0, 1, 또는 2를 나타내고;
일반식 (2)
상기 일반식 (2)에서, R4는 수소 원자, 알킬기, 아르알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, X2는 산소 원자, 황 원자, 및 셀레늄 원자로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, X3는 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, m은 2 이상이고 일반식 (2)에 의해 나타내어지는 폴리머가 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타내고, q는 0, 1, 또는 2를 나타낸다.
<3> 기판; 및
기판 상에 배치된 복수의 광전 변환 소자로서, 복수의 광전 변환 소자의 각각은 제1 전극, 전자 수송층, 페로브스카이트층, 홀 수송층, 및 제2 전극을 포함하는 것인 복수의 광전 변환 소자
를 포함하는 태양 전지 모듈로서,
복수의 광전 변환 소자의 각각은 제1 전극, 전자 수송층, 페로브스카이트층, 홀 수송층, 및 제2 전극을 포함하고,
서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서, 홀 수송층은 연장된 연속층이고, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 제1 전극, 전자 수송층, 및 페로브스카이트층은 홀 수송층에 의해 분리되고,
홀 수송층은 홀 수송성 재료로서 하기 일반식 (1) 또는 (2)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 포함하고, 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머; 또는 2,000 이상의 분자량을 갖는 화합물을 포함하는 것인 태양 전지 모듈:
일반식 (1)
상기 일반식 (1)에서, R1 및 R2는 서로 동일할 수 있거나 또는 상이할 수 있으며, 각각 수소 원자, 알킬기, 아르알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 나타내고, R3는 알킬기, 아르알킬기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, X1은 알킬렌기, 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, n은 2 이상이고 일반식 (1)에 의해 나타내어지는 폴리머가 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타내고, p는 0, 1, 또는 2를 나타내고;
일반식 (2)
상기 일반식 (2)에서, R4는 수소 원자, 알킬기, 아르알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, X2는 산소 원자, 황 원자, 및 셀레늄 원자로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, X3는 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, m은 2 이상이고 일반식 (2)에 의해 나타내어지는 폴리머가 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타내고, q는 0, 1, 또는 2를 나타낸다.
<4> <3>에 있어서, 2,000 미만의 분자량을 갖는 화합물은 스피로바이플루오렌 화합물, 트리아릴아민 화합물, 및 티오펜 화합물로 구성되는 군으로부터 선택된 하나인 태양 전지 모듈.
<5> <1> 내지 <4> 중 어느 하나에 있어서, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서, 한 광전 변환 소자 내의 제1 전극과 다른 광전 변환 소자 내의 제2 전극은 홀 수송층을 통해 통과하는 전도부를 통해 서로 전기적으로 접속되는 것인 태양 전지 모듈.
<6> <1> 내지 <5> 중 어느 하나에 있어서, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서, 한 광전 변환 소자 내의 페로브스카이트층과 다른 광전 변환 소자 내의 페로브스카이트층 사이의 거리가 1 μm 이상 100 μm 이하인 태양 전지 모듈.
<7> <1> 내지 <6> 중 어느 하나에 있어서, 복수의 광전 변환 소자를 샌드위칭하기 위해 제1 기판에 대향하도록 배치된 제2 기판; 및
제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되고 복수의 광전 변환 소자를 밀봉하도록 구성되는 밀봉 부재
를 추가로 포함하는 태양 전지 모듈.
<8> <1> 내지 <7> 중 어느 하나에 따른 태양 전지 모듈; 및
태양 전지 모듈의 광전 변환을 통해 발생된 전력에 의해 구동되도록 구성된 디바이스
를 포함하는 전자 기기.
<9> <1> 내지 <7> 중 어느 하나에 따른 태양 전지 모듈;
태양 전지 모듈의 광전 변환을 통해 발생된 전력을 축전하도록 구성된 축전지; 및
태양 전지 모듈의 광전 변환을 통해 발생된 전력 및 축전지 내에 저장된 전력 중 적어도 하나에 의해 구동되도록 구성된 디바이스
를 포함하는 전자 기기.
<10> <1> 내지 <7> 중 어느 하나에 따른 태양 전지 모듈; 및
전원 집적 회로(IC)
를 포함하는 전원 모듈.
<1> 내지 <7> 중 어느 하나의 태양 전지 모듈, <8> 또는 <9>의 전자 기기, 및 <10>의 전원 모듈은 당해 기술분야의 기존의 문제점들을 해결할 수 있고, 본 개시내용의 목적을 달성할 수 있다.
1: 제1 기판
2, 2a, 2b: 제1 전극
3: 치밀 전자 수송층(치밀층)
4: 다공질 전자 수송층(다공질층)
5: 페로브스카이트층
6: 홀 수송층
7, 7a, 7b: 제2 전극
8: 관통부
9: 밀봉 부재
100 내지 104: 태양 전지 모듈
a,b: 광전 변환 소자

Claims (10)

  1. 제1 기판; 및
    제1 기판 상에 배치된 복수의 광전 변환 소자로서, 복수의 광전 변환 소자의 각각은 제1 전극, 전자 수송층, 페로브스카이트층, 홀 수송층, 및 제2 전극을 포함하는 것인 복수의 광전 변환 소자
    를 포함하는 태양 전지 모듈로서,
    서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서, 홀 수송층은 연장된 연속층이고, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 제1 전극, 전자 수송층, 및 페로브스카이트층은 홀 수송층에 의해 분리되고,
    홀 수송층은 홀 수송성 재료로서 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머 또는 2,000 이상의 분자량을 갖는 화합물을 포함하는 것인 태양 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머는 하기 일반식 (1) 또는 (2)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 포함하는 것인 태양 전지 모듈:
    일반식 (1)

    상기 일반식 (1)에서, R1 및 R2는 서로 동일할 수 있거나 또는 상이할 수 있으며, 각각 수소 원자, 알킬기, 아르알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 나타내고, R3는 알킬기, 아르알킬기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, X1은 알킬렌기, 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, n은 2 이상이고 일반식 (1)에 의해 나타내어지는 폴리머가 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타내고, p는 0, 1, 또는 2를 나타내고;
    일반식 (2)

    상기 일반식 (2)에서, R4는 수소 원자, 알킬기, 아르알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, X2는 산소 원자, 황 원자, 및 셀레늄 원자로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, X3는 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, m은 2 이상이고 일반식 (2)에 의해 나타내어지는 폴리머가 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타내고, q는 0, 1, 또는 2를 나타낸다.
  3. 기판; 및
    기판 상에 배치된 복수의 광전 변환 소자로서, 복수의 광전 변환 소자의 각각은 제1 전극, 전자 수송층, 페로브스카이트층, 홀 수송층, 및 제2 전극을 포함하는 것인 복수의 광전 변환 소자
    를 포함하는 태양 전지 모듈로서,
    서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서, 홀 수송층은 연장된 연속층이고, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서 제1 전극, 전자 수송층, 및 페로브스카이트층은 홀 수송층에 의해 분리되고,
    홀 수송층은 홀 수송성 재료로서 하기 일반식 (1) 또는 (2)에 의해 나타내어지는 반복 단위를 포함하고, 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖는 폴리머; 또는 2,000 이상의 분자량을 갖는 화합물을 포함하는 것인 태양 전지 모듈:
    일반식 (1)

    상기 일반식 (1)에서, R1 및 R2는 서로 동일할 수 있거나 또는 상이할 수 있으며, 각각 수소 원자, 알킬기, 아르알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 나타내고, R3는 알킬기, 아르알킬기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, X1은 알킬렌기, 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, n은 2 이상이고 일반식 (1)에 의해 나타내어지는 폴리머가 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타내고, p는 0, 1, 또는 2를 나타내고;
    일반식 (2)

    상기 일반식 (2)에서, R4는 수소 원자, 알킬기, 아르알킬기, 알콕시기, 및 아릴기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, X2는 산소 원자, 황 원자, 및 셀레늄 원자로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, X3는 알케닐기, 알키닐기, 아릴기, 및 헤테로사이클릭기로 구성되는 군으로부터 선택된 하나를 나타내고, m은 2 이상이고 일반식 (2)에 의해 나타내어지는 폴리머가 2,000 이상의 중량 평균 분자량을 갖도록 하는 정수를 나타내고, q는 0, 1, 또는 2를 나타낸다.
  4. 제3항에 있어서, 2,000 미만의 분자량을 갖는 화합물은 스피로바이플루오렌 화합물, 트리아릴아민 화합물, 및 티오펜 화합물로 구성되는 군으로부터 선택된 하나인 태양 전지 모듈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서, 한 광전 변환 소자 내의 제1 전극과 다른 광전 변환 소자 내의 제2 전극은 홀 수송층을 통해 통과하는 전도부를 통해 서로 전기적으로 접속되는 것인 태양 전지 모듈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 인접하는 적어도 2개의 광전 변환 소자에서, 한 광전 변환 소자 내의 페로브스카이트층과 다른 광전 변환 소자 내의 페로브스카이트층 사이의 거리가 1 μm 이상 100 μm 이하인 태양 전지 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 광전 변환 소자를 샌드위칭하기 위해 제1 기판에 대향하도록 배치된 제2 기판; 및
    제1 기판과 제2 기판 사이에 배치되고 복수의 광전 변환 소자를 밀봉하도록 구성되는 밀봉 부재
    를 추가로 포함하는 태양 전지 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 태양 전지 모듈; 및
    태양 전지 모듈의 광전 변환을 통해 발생된 전력에 의해 구동되도록 구성되는 디바이스
    를 포함하는 전자 기기.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 태양 전지 모듈;
    태양 전지 모듈의 광전 변환을 통해 발생된 전력을 축전하도록 구성된 축전지; 및
    태양 전지 모듈의 광전 변환을 통해 발생된 전력 및 축전지 내에 저장된 전력 중 적어도 하나에 의해 구동되도록 구성된 디바이스
    를 포함하는 전자 기기.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 태양 전지 모듈; 및
    전원 집적 회로(IC)
    를 포함하는 전원 모듈.
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