KR20220050965A - 광기전 디바이스 및 그 준비 방법 - Google Patents

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비벡 바부
데이비드 포르각스
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사울 에스.에이.
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Abstract

반투명(semi-transparent) 기판(120) 및 적어도 하나의 반투명(translucent) 광기전(photovoltaic; PV) 전지(100)를 포함하는 광기전(PV) 디바이스가 제공된다. PV 전지(100)는 기판(120) 상에 배치된 층의 스택(110)을 포함하고, 스택(110)은 전면 전극층(112), 후면 전극층(113), 및 전면 전극층(112)과 후면 전극층(113) 사이의 광활성층(111)을 포함하며, 전면 전극층(112) 및 후면 전극층(113) 중 하나는 PV 전지(100)의 애노드를 구성하고 다른 하나는 PV 전지(100)의 캐소드를 구성한다. 스택(110)은 적어도 후면 전극층(113) 및 적어도 광활성층(111)의 일부를 관통해 연장되는 개구(130)를 더 포함한다. 개구(130)는 기능화제(131)를 포함한다.

Description

광기전 디바이스 및 그 준비 방법
본 개시는 기능성이 향상된 광기전(photovoltaic; PV) 디바이스 및 그 준비(preparation) 방법에 관한 것이다.
박막 광기전(PV) 디바이스는 높은 흡수 계수, 높은 전력 변환 효율, 낮은 중량 및 고속 생산 능력으로 인해 매력적이다.
에너지 소비의 지속적인 증가와 관련되는, 이러한 디바이스의 바람직한 피처(features)는 반투명성(semi-transparency 또는 translucency)이다. 반투명(semi-transparent 및 translucent) PV 디바이스, 특히 경량이고 바람직하게는 가요성(flexible)인 디바이스는 창문 및 다른 씨스루 표면(see-through surfaces) 상에 적용하기에 적합하다. 따라서 이러한 종류의 PV 디바이스는 불투명한 표면(예컨대, 지붕 또는 벽)을 덮을 뿐만 아니라, 건물의 유리벽, 자동차 창문 및 차체용 스티커, 그리고 휴대폰, 태블릿, 랩톱 및 다른 전자 디바이스용 케이스(casings) 형태를 취할 수 있다.
PV 디바이스의 반투명성(semi-transparency/translucency)은 3개의 상이한 방법들에 의해 획득되는 것으로 알려져 있다. 제1 방법은 반투명 물질을 사용하여 디바이스의 반투명성을 제공하는 것을 포함한다. 제2 방법은 PV 디바이스의 각 층에 예를 들어, 금속과 같은 불투명한(투명하지 않은) 물질을 사용한 다음, 불투명한 물질을 부분적으로 제거하여, 광이 PV 디바이스를 통과할 수 있게 하는 씨스루 홀(see-through holes)를 형성하는 것이다. 이러한 제거는 일반적으로 기계적 스크러빙 또는 레이저 어블레이션에 의해 달성된다. 제3 방법은 반투명성을 제공하는 전도성 중합체층 상에 금속 격자를 퇴적하는 것에 의해 이루어진다. 퇴적은 예를 들어, 잉크젯, 스크린 등과 같은 상이한 인쇄 기술들에 의해 이루어진다. 제1 방법에 의해 얻어진 PV 디바이스를 일반적으로 반투명(semi-transparent)하다고 하는 반면 제2 및 제3 방법에 의해 얻어진 PV 디바이스는 반투명(translucent)하다고 한다.
PV 전지(cells) 물질 내에 형성된 투광성 개구로 인해 반투명한 복수의 PV 전지를 포함하는 다양한 PV 전지 및 PV 모듈이 알려져 있다.
예를 들어, 미국 특허 공보 제US9257592호는 복수의 투광성 개구를 포함하는 광기전 디바이스를 설명한다. 이 디바이스는 기판, 제1 전극층, 광전도층 및 제2 전극층을 포함한다. 제1 투광성 개구는 제2 전극층 상에 형성되고, 개구는 제1 투광성 개구에 대응하는 복수의 제2 투광성 개구를 형성하기 위해 광전도층까지 깊이 방향으로 더 연장된다. 각각의 제2 투광성 개구의 투영 영역은 대응하는 제1 투광성 개구의 투영 영역보다 작다. 제1 및 제2 투광성 개구의 영역들의 크기의 차이는 단락(short-circuits)을 제거한다. 그럼에도 불구하고, 제시된 방법은 제1 및 제2 투광성 개구를 별도로 형성하기 위한 복잡한 다단계 레이저 방법을 포함한다.
복수의 개구를 갖는 PV 전지로 구성된 PV 모듈은 PV 모듈의 외부층을 덮는 최외곽 평탄층을 형성하는 밀봉 물질에 의해 추가로 밀봉되어, 수증기 및 산소뿐만 아니라 환경 불순물의 확산으로부터 PV 작업층을 보호한다. 최외곽 밀봉층은 그 상단에서 투광성 개구도 덮으며 개구 내부는 비어 있다.
또한, PVC 전지의 기능을 개선하기 위한 다양한 접근 방식이 알려져 있다. 그 중 하나는 사용자가 볼 수 있는 미적 효과를 제공하기 위해 PV 전지 디바이스를 착색하는 것이다. 이것은 PV 디바이스가 창문 및/또는 건물 정면에 적용될 때 특히 유리하다.
출판물["Light Management with Patterned Micro- and Nanostructure Arrays for Photocatalysis, Photovoltaics, and Optoelectronic and Optical Devices", Wenhui Wang and Limin Qi, Adv. Funct. Mater. 2019, 1807275, DOI: 10.1002/adfm.201807275]은 효율적인 광 관리를 나타내는 패터닝된 마이크로 및 나노구조 어레이의 제조 방법을 설명한다. 설명된 방법은 페로브스카이트 막의 표면 특성, 즉, 나노 보울 유사(nano bowl-like) 구조를 조정하여 조정 가능한 광학 반사율을 얻는 것을 가능케 한다. 이 구조는 페로브스카이트 컬러풀(colorful)한 태양전지의 준비에 사용될 수 있다.
일본 특허 출원 제JP2002343998호는 접착제, PVB 또는 EVA로 채워진 개구를 포함하는 PV 모듈을 설명한다. 이 개구는 접착제의 색상 - 예를 들어, 백색 -, 또는 투명 기판을 통해 볼 수 있는, 밑에 있는 기판의 색상 중 하나의 색상을 나타낼 수 있다: "(…) 개구에 의해 나타나는 색상은 후면 전극층에 후면 밀봉재를 접착하기 위한 접착제의 색상이다 (…) 개구에 의해 나타나는 색상은 불투명한 후면 봉지재의 색상이다". 따라서 이 PV 모듈에서 개구를 채우는 것, 즉, 중합체 접착제는 PV 모듈의 본체와 코팅층 사이의 접착력과 원하는 개구의 색상만을 제공한다. 문헌 제JP2002343998호는 중합체(PVB, EVA) 이외의 물질 사용을 제안하지도 않아 PV 구조에서 다른 물질을 구현하는 방법을 설명하지 않는다.
미국 특허 출원 제US2016/141535호는 반투명 광활성층, 기판 및 기판 상에 배치된 디웨트층(dewet layer)을 포함하는 광활성 디바이스를 설명한다. 디웨트층은 광활성 물질을 갖는 복수의 흡수 영역 및 광활성 물질을 실질적으로 포함하지 않는 복수의 투명 영역을 포함한다. 디웨트층은 투명 영역을 통과하는 광을 흡수하는 염료를 투명 영역에 포함하는 페로브스카이트로 제조될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이 문헌은 광활성 물질과는 다른 화학 구조의 기능화 물질(functionalizing material)로 개구를 채우는 것을 제안하지 않는다. 이 문헌은 도 3b에서 "(...) 흡수 영역은 스펙트럼의 가시 영역에 걸쳐 입사 태양광의 대부분을 흡수할 수 있을 정도로 충분히 두껍지만, 투명 영역은, 무색 또는 주로 투과 스펙트럼에서 평평한 광을 생성하면서, 모든 파장의 광이 통과할 수 있게 한다(...)". 따라서 광활성 디바이스는 광활성층의 적어도 일부를 관통해 연장되는 개구를 포함하지 않는다.
또한, 미국 특허 출원 제US2007/251566호는 광 입사 표면 상에 배열된 반투명 발광층을 갖는 발광 전지를 포함하는 발광 디바이스(light-emitting device; LED)를 설명한다. 이 디바이스에서, 광원은 전지의 후면측 상에 제공된다. 전지는 광원으로부터 방출된 광이 투과되도록 배열된 개구를 갖는다(문단 [0082]: "개구(30)는 LED 조명 디바이스에 의해 방출된 LED 광(200), 도 4 참조)을 투과시킨다(..)"). 그럼에도 불구하고, 제US2007/251566호는 개구의 임의의 기능화 채움(functionalizing filling)에 대해 언급하지 않는다. 또한, 본 문헌은 발광 디바이스에 관한 것이므로 본 개시의 분야와는 동떨어진 분야에 속한다.
위에 인용된 문헌을 따라서, 페로브스카이트 PV 디바이스의 기능화는 원하는 성능을 유지하면서 또는 더욱 바람직하게는 PV 디바이스의 개선된 성능을 제공하면서 반투명성 및 컬러풀함(colorfulness)을 포함하여 PV 디바이스의 기능을 개선하는 것을 목표로 지속적으로 개발된다.
따라서, 본 발명의 목적은 반투명성 및 컬러풀함을 포함하지만 이에 제한되지 않는, PV 디바이스의 개선된 기능을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 개선된 기능성을 나타내는 PV 디바이스의 준비 방법을 제공하는 것이다.
반투명(semi-transparent) 기판(120) 및 적어도 하나의 반투명(translucent) 광기전 전지(PV cell)(100)를 포함하는 광기전(PV) 디바이스가 제시된다. PV 전지(100)는 기판(120) 상에 배치된 층의 스택(110)을 포함하고, 스택(110)은 전면 전극층(112), 후면 전극층(113), 및 전면 전극층(112)과 후면 전극층(113) 사이의 광활성층(111)을 포함하며, 전면 전극층(112) 및 후면 전극층(113) 중 하나는 PV 전지(100)의 애노드를 구성하고 다른 하나는 PV 전지(100)의 캐소드를 구성한다. 스택(110)은 적어도 후면 전극층(113) 및 적어도 광활성층(111)의 일부를 통해 연장되는 개구(130)를 더 포함한다. 개구(130)는, 착색 성분, 형광성 및/또는 인광성 성분, 흡습제, 재귀반사성 성분, PV 디바이스의 구조 내 도광(light-guiding)을 개선하는 양자점(quantum-dots), PV 디바이스의 기계적 강도를 개선하는 성분, 단열재, 광공동 역할을 하는 미소구체, 플라즈몬 효과를 나타내는 금속 나노입자, 스펙트럼 아래로 시프팅하는 입자와 스펙트럼 위로 시프팅하는 입자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 기능화 성분을 포함하는 기능화제(functionalizing agent)(131)를 포함한다.
바람직하게는, 광활성층(111)은 페로브스카이트층이다.
바람직하게는, 개구(130)는 기능화제(131)에 의해 개구(130)의 깊이(D)의 적어도 20%의 두께(T)로 채워진다.
바람직하게는, 개구(130)는 개구(130)의 전체 깊이(D)에 걸쳐 기능화제(131)에 의해 채워진다.
바람직하게는, 기능화제(131)는 반투명하거나 불투명하다.
바람직하게는, 개구(130)의 면적은 10 μm2 내지 1000 cm2이다.
바람직하게는, PV 전지(100)의 층들의 스택(110)은, 광활성층(111)과 전면 전극층(112) 사이에 배치된 전면 전하 수송층(112a), 및 광활성층(111)과 후면 전극층(113) 사이에 배치된 후면 전하 수송층(113a)을 더 포함한다.
바람직하게는, PV 디바이스는 페로브스카이트층(111)과 전면 전하 수송층(112a) 사이에 배치된 전면 패시베이션층(112b) 및/또는 페로브스카이트층(111)과 후면 전하 수송층(113a) 사이에 배치된 후면 패시베이션층(113b)을 더 포함한다.
바람직하게는, 후면 전극층(113)은 불투명 전극이다.
바람직하게는, PV 디바이스는 개구(130)의 내벽과 기능화제(131) 사이에 절연 물질의 보호층(132)을 더 포함한다.
바람직하게는, 기능화제(131)의 기능화 성분은 다양한 크기를 갖는다.
바람직하게는, 보호층(132)은 AlOx, Al2O3, LiF(Lithium Fluoride) 및 BCP(Bathocuproine)로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한다.
본 개시의 또 다른 양상은 적어도 하나의 광기전 전지(PV cell)(100)를 포함하는 PV 디바이스를 준비하기 위한 방법을 구성한다. 이 방법은 반투명 기판(120)을 제공하는 단계, 기판(120) 상에 PV 전지(100)의 층의 스택(110)을 형성하는 단계를 포함한다. 스택(110)은 전면 전극층(112), 후면 전극층(113), 및 전면 전극층(112)과 후면 전극층(113) 사이의 광활성층(111)을 포함하며, 전면 전극층(112) 및 후면 전극층(113) 중 하나는 PV 전지(100)의 애노드를 구성하고 다른 하나는 PV 전지(100)의 캐소드를 구성한다. 방법은 또한 PV 전지(100)의 층의 스택(110)에 개구(130)를 형성하는 단계를 포함하며, 개구(130)는 적어도 후면 전극층(113) 및 적어도 광활성층(111)의 일부를 관통해 연장된다. 방법은, 착색 성분, 형광성 및/또는 인광성 성분, 흡습제, 재귀반사성 성분, PV 디바이스의 구조 내 도광을 개선하는 양자점, PV 디바이스의 기계적 강도를 개선하는 성분, 단열재, 광공동 역할을 하는 미소구체, 플라즈몬 효과를 나타내는 금속 나노입자, 스펙트럼 아래로 시프팅하는 입자와 스펙트럼 위로 시프팅하는 입자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 기능화 성분을 포함하는 기능화제(131)를 개구(130) 내로 도입하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 도입하는 단계에서, 기능화제(131)는 잉크 또는 분말 형태이다.
바람직하게는, 도입하는 단계에서, 기능화제(131)는 안료와, 부탄올, 아니솔, 테르피네올, 폴리프로필렌 글리콜, 무수 이소프로판올, 및 에탄올로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 용매를 포함한다.
바람직하게는, 보호층(132)은 ALD(atomc layer deposition) 방법 또는 스퍼터링 방법에 의해 제공된다.
본 개시의 목적은 도면의 예시적인 실시예에 의해 도시된다.
도 1a 내지 1f는 본 개시의 다양한 실시예에 따른 PV 디바이스의 PV 전지의 주요 요소를 도시하는 단면도의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 일반도에서 그리고 2개의 단면도: A-A, B-B로 도시된 2개의 PV 태양 전지를 포함하는, 본 개시의 반투명 PV 디바이스를 도시한다.
도 3은 기능화제를 도입하기 전 개구의 FIB-SEM 사진을 보여준다.
도 4a는 잉크 형태의 기능화제의 4가지 조성의 사진을 보여준다.
도 4b는 녹색 잉크 형태의 기능화제로 채워진 개구를 갖는 PV 전지를 포함하는 PV 디바이스의 사진을 보여준다.
본 개시에 따른 PV 디바이스는 내부에 게구가 형성된 적어도 하나의 PV 전지, 바람직하게는 복수의 PV 전지를 포함한다.
개구는 단일 화합물 물질 또는 하나 이상의 기능화 성분을 포함하는 다중 화합물 물질일 수 있는 하나 이상의 유형의 기능화제로 채워진다. 기능화제는 PV 디바이스의 개선된 기능을 제공한다. 기능화제는 그 화학적 특성에 따라 다음 중 적어도 하나를 제공할 수 있다: PV 디바이스의 개선된 안정성, PV 디바이스의 개선된 미적 외관, PV 디바이스의 개선된 광 관리 및 아래에 자세히 설명된 다른 개선 사항.
도 1a 내지 도 1f 및 도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 개시의 PV 디바이스는 광이 PV 디바이스의 광활성층에 도달할 수 있도록 광이 통과할 수 있는 반투명(translucent 또는 semi-transparent) 기판(120)을 포함한다. 바람직하게는, 기판(120)은 가역적으로 용이하게 변형될 수 있어 PV 디바이스의 가요성을 제공할 수 있도록 가요성 얇은 시트 또는 가요성 포일, 바람직하게는 예를 들어, PET(polyethylene terephthalate)와 같은 플라스틱으로 제조된다. 기판(120)은 예를 들어, PET, ETFE(ethylene tetrafluoroethylene), PI(polyimide), PEEK(polyether ether ketone), PES(polyethersolfone) 또는 PEN(polyethylene naphthalate) 포일과 같은 포일일 수 있다. 더욱이, 포일은 제한된 증기 투과를 나타내는 금속 산화물층을 포함하는 배리어 포일일 수 있으며, 따라서 물과 기체로부터 PV 디바이스의 작업층을 보호하여 활용하는 동안 PV 디바이스 특성의 열화를 제한한다.
그럼에도 불구하고, 필요에 따라, 기판(120)은 예를 들어, 유리판과 같은 두꺼운 그리고/또는 내구성 및/또는 강성 물질의 형태일 수 있다. 또한, 기판은 예를 들어, 적층 유리와 같은 반투명 적층체의 형태일 수 있다. 본 개시에 따르면, 기판(120)이 광을 통과시킬 수 있는 한 다양한 물질이 기판(120)을 위해 사용될 수 있다.
PV 디바이스는 적어도 하나의 광기전 전지(100)를 더 포함한다. PV 전지의 주요 부분은 도 1a 내지 1f의 단면도로 개략적으로 도시된다.
PV 전지는 PV 디바이스의 작업층인 층(110)의 스택을 포함한다. 층의 스택(110)은,
- 반투명 물질로 제조되어 광활성층(111)에 광을 투과시킬 전면 전극층(112),
- 후면 전극층(113) 및
- 전면 전극층(112)과 후면 전극층(113) 사이의 광활성층(111)을 포함한다.
광활성층 내에서, 광의 광자는 흡수되어 한 쌍의 전하(전자와 정공)로 변환된다. 이들 전하는 후면 전극층(113) 및 전면 전극층(112)으로 각각 전파된다.
전면 전극층(112)은 광에 대해 적어도 부분적으로 투명한, PV 디바이스의 전극에 적합한 임의의 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 전면 전극층은 AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide), FTO(Fluorine Tin Oxide), ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 전면 전극층의 두께는 다양할 수 있으며, 바람직하게는 10nm 내지 10㎛ 범위이다.
광활성층(111)은 임의의 적합한 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 페로브스카이트층(111)을 위한 바람직한 페로브스카이트 물질은 코너 공유 BX6 팔면체의 네트워크로 구성된 3차원 ABX3 페로브스카이트 구조를 포함하며, B 원자는 2가 금속 양이온(일반적으로 Ge2+, Sn2+ 또는 Pb2+)이고 X는 1가 음이온(일반적으로 Cl-, Br-, I-)이다; A 양이온은 총 전하의 균형을 맞추기 위해 선택되며 Cs+ 또는 작은 분자 종일 수 있다. 또 다른 유형은 러들레스덴-포퍼(Ruddlesden-Popper) 및 디온-제이콥슨(Dion-Jacobson) 유형으로 분류될 수 있는 2차원 페로브스카이트이고 R2An-1BnX3n+1 의 구조를 가지며, 여기서 R은 부피가 큰(bulky) 유기 양이온이다. 페닐에틸암모늄(PEA+) 및 부틸암모늄(BA+)은 가장 널리 사용되는 R 양이온이다.
광활성층은 또한 예를 들어, CIGS(Copper indium gallium selenide), a-Si(Amorphous silicon), CdTe(Cadmium telluride), 또는 케스테라이트와 같은 다른 공지된 광활성 물질로도 제조될 수 있다.
후면 전극층(113)은 단층 구조 또는 다층 구조를 가질 수 있다. 후면 전극층(113)은 투명하거나 불투명할 수 있으며 임의의 적절한 물질로 제조될 수 있다. 예를 들어, 후면 전극층(113)은 탄소 또는 예를 들어, 금, 은, 구리, 알루미늄과 같은 금속, 또는 예를 들어, AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide), ITO(Indium tin oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), FTO(Fluorine doped Tin Oxide)와 같은 금속 산화물로 제조될 수 있다.
탄소 후면 전극층(113)의 사용은 높은 안정성(프로브스카이트층으로부터 이동된 이온에 반응하지 않음), 낮은 비용, 낮은 온도를 제공하고 용액 가공이 가능(solution processable)하기 때문에 특히 유리하며, 예를 들어, 업스케일을 용이하게 하는 스크린 인쇄 또는 블레이드 코팅과 같은 종래의 퇴적 기술에 의해 퇴적될 수 있다.
탄소 후면 전극층(113)은 카본 블랙 및 흑연 형태의 탄소(및 아마도 성능을 개선하기 위한 추가적인 무기 첨가제)를 포함할 수 있다. 탄소층은 카본 블랙과 전도성 흑연 플레이크를 함께 결합하는 중합 결합제로 인해 가요성이 있을 수 있다. 더욱이, 이 층은 약 20 마이크로미터로 얇을 수 있다. 탄소 후면 전극층(113)을 형성하기 위해, 탄소 물질은 페이스트 형태로 공급될 수 있다. 탄소층(113)은 후면 접촉 퇴적으로서 탄소 페이스트를 도포하여 형성될 수 있다. 페이스트의 기본 성분은 카본 블랙, 흑연, 중합 결합제 및 페로브스카이트와 호환되는 용매계이다.
예를 들어, 용매계로서 이소프로판올, 에틸 아세테이트 및 클로로벤젠을 갖는, 특허 문헌 제CN104966548호에 의해 언급된 탄소 페이스트가 사용될 수 있다. 아크릴계 수지와 에틸셀룰로오스가 슬러리를 위한 결합제로서 사용되고, 인상 흑연은 전도성 필러로서 사용되고, 나노 카본블랙 분말이 촉매로서 사용되며, ZrO2 또는 NiO가 무기 첨가제로서 사용된다.
탄소 페이스트는 반자동 스크린 프린터를 사용하여 디바이스 스택 상에 퇴적될 수 있다. 156 내지 250 스레드/인치의 폴리에스터 메시 크기와 25 N/cm 초과의 스크린 장력을 가진 스크린이 인쇄 프로세스를 위해 선택될 수 있다. 퇴적 프로세스 후에 적외선 이미터로 층을 어닐링하여 용매를 제거하고 전도성을 증가시킬 수 있다.
그럼에도 불구하고, 필요에 따라 후면 전극층(113)에는 예를 들어, 위에서 나열된 바와 같은 투명 물질이나 금속과 같은, 탄소 이외의 물질이 사용될 수 있다.
후면 전극층(113) 및 가요성 기판(120), 바람직하게는 예를 들어, PET 포일과 같은 포일 기판을 포함하는 PV 디바이스는 가요성과 내구성을 모두 나타내므로, 전극 응집성의 저하 없이 가역적으로 변형될 수 있으므로, PV 디바이스의 성능을 원하는 수준으로 오랫동안 유지한다.
PV 전지(100)의 층들(111-113)의 스택(110)은, 공지된 PV 전지들에서 전형적으로 달성되는 바와 같이, 예를 들어, 적어도 하나의 전하 수송층, 즉, 정공 및 전자를 각각 전면 전극층(112)으로 그리고 후면 전극층(113)으로 수송하기 위한 전면 전하 수송층(112a) 및/또는 후면 전하 수송층(113a)과 같은 추가적인 층(들)을 더 포함할 수 있다. 추가 전하 수송층(112a, 113a), 즉, 전자 수송층 및 정공 수송층을 갖는 층의 스택(110)을 포함하는 PV 전지(100)의 아키텍처가 도 1b에 개략적으로 도시되어 있다.
PV 전지(100)에 사용되는 원하는 작동 특성 및 기능성 물질에 따라, 층의 스택(110)은 다양한 아키텍처를 가질 수 있다. 예를 들어, PV 전지(100)의 스택(110)은 후면 전극층(113)이 캐소드를 구성하고 전면 전극층(112)이 애노드층을 구성하는 평면형 또는 메조스코픽형 n-i-p 아키텍처를 가질 수 있으므로, 전하를 운반하기 위한 전하 수송층(112a 및 113a)은 각각 광활성층(111)과 애노드층(112) 사이의 전자 수송층(112a) 및 광활성층(111)과 캐소드층(113) 사이의 정공 수송 층(113a)이다.
또 다른 실시예에서, PV 전지(100)의 스택(110)은 후면 전극층(113)이 애노드를 구성하고, 전면 전극층(112)이 캐소드를 구성하는 평면형 또는 메조스코픽형 p-i-n 아키텍처를 가질 수 있으므로, 전하를 운반하는 전하 수송층(112a 및 113a)은 각각 광활성층(111)과 캐소드층(112) 사이의 정공 수송층(112a) 및 광활성층(111)과 애노드층(113) 사이의 전자 수송층(113a)이다.
정공 수송층은 예를 들어, 유기 스피로-OMeTAD(N2,N2,N2',N2',N7,N7,N7',N7'-옥타키스(4-메톡시페닐)-9,9'-스피로비[9H-플루오렌]-2,2',7,7'-테트라민)/PTAA(폴리(트리아릴아민)/PEDOT(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜))/P3HT(폴리(3-헥실티오펜-2,5-디일))) 또는 무기(NiOx(산화질소), CuSCN(구리(I) 티오시아네이트), CuO(구리(II) 산화물), MoOx(산화몰리브덴)) 물질을 포함할 수 있다. 전자 수송층은 예를 들어, TiOx(산화티타늄), ZnO(산화아연), PCBM(페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르) 또는 OXD-7(1,3-비스[2-(4-tert-부틸페닐)-1,3,4-옥사디아조-5-일]벤젠), SnO(주석(II) 산화물)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, PV 디바이스는 스택(110)에서 PET 기판(120) 상에 적층된 다음 물질을 포함하는 n-i-p 아키텍처의 PV 전지의 층의 스택(110)을 포함한다: 아조(112)/SnO2(112a)/페로브스카이트(111)/PTAA(113a)/탄소(113). PV 전지의 작동 물질의 이러한 조합은 저온 및 완전한 용액 가공이 가능하다는 결과를 가져오므로 가요성 기판 상의 디바이스 제작에 적합하다.
본 개시에 따른 PV 디바이스의 적어도 하나의 PV 전지(100)의 층의 스택(110)은 적어도 하나의 개구(130), 바람직하게는 적어도 후면 전극층(113) 및 적어도 광활성층(111)의 일부를 관통해 연장되는 복수의 개구(130)를 포함한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 개구(130)는 스택의 모든 층(111-113)을 관통해 연장된다. 개구(130)는 기능화제(131)에 의해 채워진다. 바람직하게는 개구(130)의 전체 체적이 기능화제(131)로 채워져 채움 두께(T)가 개구 깊이(D)와 동일하게 된다.
그럼에도 불구하고, 특별한 필요와 원하는 기능에 따라, 채움 두께(T)는 개구 깊이(D)보다 작을 수 있고, 따라서 개구(130)의 체적은 기능화제(131)로 부분적으로 채워질 수 있다. 기능의 가시적인 개선을 제공하기 위해, 채움 두께(T)는 (도 1c에 도시된 바와 같이) 개구 깊이(D)의 적어도 20%를 구성해야 한다. 더 바람직하게는 채움 두께(T)는 (도 1d에 도시된 바와 같이) 개구 깊이의 적어도 50%를 구성해야 한다. 가장 바람직하게는 채움 두께(T)는 (도 1e에 도시된 바와 같이) 개구 깊이의 적어도 75%를 구성해야 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 1f에 도시된 바와 같이, 추가적인 패시베이션층, 즉, 전면 패시베이션층(112b) 및 후면 패시베이션층(113b)은 광활성층(111)과 전하 수송층(112a, 113a) 사이에서 광기전 디바이스(100)에 포함될 수 있다. 패시베이션층(112b, 113b)은 광활성 물질(111)과 전하 수송층(112a, 113a) 사이의 계면에서 비방사성 재결합(non-radiative recombination)을 감소시키거나 억제하는 수단의 역할을 한다. 이것은 이온 결합, 물질 배위, 그리고 광활성 물질(111)보다 밴드 갭이 넓은 영역으로 표면을 변환함으로써 달성될 수 있다. 패시베이션층(112b, 113b)은 루이스 산 및 염기, 음이온 및 양이온, 쯔비터이온, 반도체 및 절연체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로 제조될 수 있다. 모든 예시는 아닌 일부 예시는, 광활성층의 벌크와는 다른 조성을 갖는 페로브스카이트 물질, 절연체(예컨대, PMMA(Poly(methyl methacrylate)와 같은 중합체), 예를 들어, BCP(Bathocuproine)와 같은 작은 분자, PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 및 그 유도체, 자기 조립 단층(self assembly monolayer; SAM) 등), 예를 들어, NaCl, KI와 같은 이온성 물질, 및 예를 들어, AlOx(예컨대, Al2O3)와 같은 금속 산화물을 포함한다. 패시베이션층(112b, 113b)의 두께는 필요에 따라 선택될 수 있으며, 이는 광기전 성능을 개선하지만, 그 존재는 레이저 패터닝을 통해 반투명 디바이스를 제조하는 데 필요한 프로세스에 크게 영향을 미치지는 않는다.
개구를 채우는 기능화제(131)는 적어도 하나의 기능화 성분을 포함하고, 바람직하게는 둘 이상의 기능화 성분을 포함한다.
기능화제(131)는 그 화학적 조성에 따라 불투명 물질, 반투명 물질 또는 투명 물질을 구성할 수 있다. 투명성 또는 반투명성을 나타내는 기능화제(131)는 개구(130)의 투광성을 제공함으로써 본 개시에 따른 PV 디바이스의 반투명성을 제공한다.
기능화제(131)는 원하는 기능에 따라 바람직하게는 하기 기능화 성분 중 적어도 하나를 포함할 수 있다:
- 사용자가 볼 수 있는 PV 디바이스의 컬러풀함을 제공하는, 예를 들어, 안료 또는 염료와 같은 착색 성분: 예를 들어, 스몰트(코발트 유리), 이집트 블루(칼슘 구리 규산염), 아주라이트, 나폴리 옐로우, 말라카이트, 키소콜라, 에기린, 에피도트, 플로렌틴 그린, 버건디 옐로우;
- PV 디바이스의 형광성 및/또는 인광성을 제공하는, 예를 들어, 황화아연(ZnS), 알루민산스트론튬(SrAl2O4), 황화칼슘(CaS)과 같은 형광 및/또는 인광 성분;
- PV 디바이스의 수분 함량을 감소시키는, 예를 들어, 실리카와 같은 수분 흡수제 성분 또는 예를 들어, 황산칼슘(CaSO4), 염화칼슘(CaCl2)과 같은 기타 건조제;
- PV 디바이스의 재귀반사 특성을 제공하는 예를 들어, 알루미늄 코팅된 티탄산바륨 유리 미소구체와 같은 재귀반사 성분;
- 발광 태양열 집광기로서 사용되어 PV 디바이스의 구조 내에서 개선된 도광을 제공하는, 예를 들어, 실리카 쉘로 캡슐화된 CdSe/CdZnS-QD와 같은 양자점;
- 예를 들어, 고체 아크릴 미소구체와 같은 PV 디바이스의 기계적 강도를 개선하는 성분;
- 지붕이나 창문 상의 PV 디바이스(BIPV(Building Integrated PV))의 단열을 제공하는 예를 들어, 붕규산 나트륨 유리 미소구체와 같은 단열재 - 적외선이 산란되어 적외선이 방 안으로 들어오지 못하게 하여 여름에는 방을 시원하게 유지하고 반대로 겨울에는 적외선을 방 안으로 반사시킴 -;
- 반사 손실을 감소시키도록 돕고 광활성 물질의 광흡수를 향상시킴으로써 광활성 물질의 향상된 광흡수를 제공하는, 문헌["High refractive-index microspheres of optical cavity structure"(by Yusuke Arai et al, Appl. Phys. Lett. 82, 3173(2003))]에 개시된 바와 같이, 광공동(optical cavities) 역할을 하는 미소구체;
- 광활성층을 향해 원하는 광 산란을 제공하는, 예를 들어, 얇은 은(Ag) 플라즈몬 나노구조의 층과 같은, 플라즈몬 효과를 나타내는 금속 나노입자 - 산란은 금속 나노 입자의 크기와 농도를 변경하여 다른 파장에서 추가로 조정할 수 있음 -;
- 더 높은 에너지의 광자(예컨대, 인간의 눈에 보이지 않음)를 흡수하고, 그 후에 더 낮은 에너지의 광자(예컨대, 인간의 눈에 보임)를 방출함으로써 PV 디바이스의 광활성 특성을 개선하고 다운 시프팅 효과를 제공할 수 있는, 스펙트럼 아래로 시프팅하는 입자;
- 더 낮은 에너지의 광자(예컨대, 인간의 눈에 보이지 않음)를 흡수하고, 그 후에 더 높은 에너지의 광자(예컨대, 인간의 눈에 보임)를 방출함으로써 PV 디바이스의 광활성 특성을 개선하고 업 시프팅 효과를 제공할 수 있는, 스펙트럼 위로 시프팅하는 입자.
추가로, 기능화제(131)는 기능화제(131) 조성물의 원하는 일관성 및 안정성을 제공하는 다른 성분을 포함할 수 있다. 이러한 성분의 비제한적인 예는 용매, 희석제, 가용화제, 안정화제, 분산제 또는 계면활성제이다.
기능화제(131)의 성분으로 사용될 수 있는 용매의 비제한적인 예는 부탄올, 무수 이소프로판올, 에탄올, 아니솔, 테르피네올 및 폴리프로필렌 글리콜이다.
기능화제(131)의 성분이 PV 디바이스의 작동층, 특히 광활성층의 물질에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에, 보호층(132)은 기능화제(131)와 개구(130)의 내벽 사이에 제공된다.
따라서, 보호층(132)의 존재로 인해, PV 전지 작업층의 하나 이상의 물질에 일반적으로 악영향을 미치는 화합물이 또한 기능화제(131)의 성분으로서 사용될 수 있다. 따라서, 절연 물질, 예를 들어, AlOx, 예를 들어, Al2O3 또는 LiF(Lithium Fluoride) 또는 BCP(Bathocuproine)의 코팅과 같은 도 1a, 도 1c 내지 1e에 도시된 바와 같은 보호층(132)은 기능화제(131)로 개구(130)를 채우기 전에 개구(130) 내벽에 도포된다. 이러한 보호층은 심지어 역작용 분자(adversely acting molecules)를 포함하는 성분들일지라도 기능화제(131) 성분으로부터 광활성 물질을 효과적으로 분리할 수 있다.
일부 실시예에서, PV 디바이스의 단일 PV 전지 내의 모든 개구(130)는 동일한 기능화제(131)로 채워질 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 PV 전지 내의 개구의 한 부분은 기능화제(131)의 한 조성으로 채워질 수 있고, 동일한 PV 전지 내의 개구(130)의 또 다른 부분은 기능화제(131)의 또 다른 조성으로 채워질 수 있다. 후자의 경우, 채움 절차는 개구의 한 부분만을 채우기 위해 제1 개구 패턴을 포함하는 제1 마스크의 사용을 포함하는 몇 단계로 달성될 수 있는 반면, 후속 단계에서 제2 개구 패턴을 포함하는 제2 마스크가 사용되어 개구의 나머지 부분을 기능화제(131)의 다른 조성으로 채울 수 있다.
기능화제(131)의 다양한 농도가 가능하다.
예를 들어, 기능화제(131)는 액체, 예를 들어, 액체 잉크의 형태일 수 있다. 도 4a는 개구(130)를 채우는 기능화제(131)로서 사용될 수 있는 4개의 잉크의 사진을 도시한다. 잉크는 필요에 따라 임의의 색상(예컨대, 녹색, 황색, 적색, 진홍색 등)일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 기능화제(131)는 고체 또는 분말, 예를 들어, 건조 잉크, 페이스트, 졸 또는 젤과 같은 반고체 형태를 가질 수 있다.
기능화제(131)의 기능화 성분은 다양한 크기일 수 있으며, 바람직하게는 나노미터 내지 마이크로미터 범위의 크기일 수 있다. 이러한 치수는 개구(130) 내부 내에서 기능화 성분의 균일한 분포를 가능하게 한다. 선택된 크기 범위는 퇴적 프로세스 선택에 가요성을 더 제공한다. 잉크젯 인쇄는 나노미터 범위의 입자를 갖는 데 적합하다. 종래의 스크린 인쇄 프로세스의 경우 입자는 미크론 범위 내이다.
상이한 기능화제(131)는 성분의 유형 및 원하는 기능성에 따라 상이한 총 농도의 기능화 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기능화제에 존재하는 기능화 성분의 총량은 10% 내지 100% 범위일 수 있다.
예를 들어, 기능화제는 수분 흡수제 역할을 하는 실리카(SiO2)를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 하나의 기능화 성분은 하나 이상의 기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 기능화제의 조성물에 도입된 실리카(SiO2)는 착색제 및 흡습제 모두의 역할을 할 수 있다.
특히, 기능화제(131)의 일관성에 따라 다양한 방법이 개구(130)를 기능화제(131)로 채우는 데 사용될 수 있다. 보호층(132)을 포함하는, 개구(130) 내로 기능화제(131)를 도입하기 위한 방법의 비제한적인 예는 열 증발, 물리적 증기 퇴적, 스퍼터링 및 "호퍼 노즐" 포함한다(예컨대, 문헌["Direct-write deposition of fine powders through miniature hopper-nozzles for multi-material solid freeform fabrication" by Kumar Pranav et al, Rapid Prototyping Journal, Volume 10, Number 1 DOI 10.1108/13552540410512499]에 개시된 바와 같음).
또한, 고휘발성 용매 시스템에 의해 운반되는 잉크 형태의 기능화제(131)는 에어브러시, 스프레이 코팅 또는 에어로졸 퇴적 기술을 사용하여 개구 내에 퇴적될 수 있다. 이러한 방법은 개구(130) 내로 용매 분자의 확산을 상당히 제한함으로써 PV 전지의 작동 물질에 대한 용매 분자의 파괴적인 영향을 제약한다.
따라서, 개구(130)를 기능화제(131)로 채우기 전에 수행되는 초기 단계에서, 개구(130)의 내벽의 표면은 무기(AlOx, LiF 등) 또는 유기(BCP(bathocuproine), PMMA 등)일 수 있는 보호층으로 덮일 수 있다. 이 초기 단계는, 기능화제(131)의 조성물이 PC 전지(100)의 작업층에 악영향을 미칠 수 있는 하나 이상의 성분을 포함하는 경우 PV 전지의 물질을 보호한다. 도포된 보호층(132)은 PV 전지(111, 112, 113, 112a, 113a)의 작업층을, 예를 들어, 원하지 않는 화학 반응으로부터 보호한다.
예를 들어, AlOx의 얇은 보호층(132)이 개구(130)를 형성한 후에 퇴적된다. 얇은 보호층(132)의 퇴적은 예를 들어, ALD 방법 또는 스퍼터링 방법 중 적어도 하나에 의해 달성될 수 있다.
일부 실시예에서, 기능화제(131)를 개구(130) 내로 도입한 후, 기능화제(131)는 제품의 최종 특성을 획득하기 위해 예를 들어, 건조 또는 가교와 같은 추가 처리를 필요로 할 수 있다. 따라서 적용되는 경우 추가 처리의 선택된 방법은 기능화제의 조성에 따라 다르다. 예를 들어, 액체 잉크 형태의 기능화제는 용매 증발이 필요할 수 있다.
보호층(132)이 제공되고 이후에 기능화제(131)가 채워지는 개구(130)는 다양한 형상, 예를 들어, 원형, 타원형, 삼각형, 직사각형, 정사각형 및 마름모꼴로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 컬러풀한 잉크를 구성하는 기능화제(131)로 채워진 개구(130)는 다양한 형상을 갖는 개구로 구성된 패턴을 생성하여 시청자에게 전용의 미적 효과(dedicated aesthetical effect)를 부여할 수 있다.
도 2a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 개구(130)의 내부는 2개의 개별 PV 전지 사이의 공간을 관통하지 않는다. 또한, 단일 PV 전지 내에서, 개구들은, 층들의 스택(110)의 작동 물질(광활성 영역)이 단일 PV 전지 내에서 생성된 모든 전하들을 수집하기 위해 개구들(130) 사이에 제공된 연속 경로의 형태를 취하도록 배열된다.
개구(130)는 필요에 따라 PV 전지 내에 균일하게 또는 불균일하게 분포될 수 있다. 단일 PV 전지 내의 개구는 동일한 면적 또는 상이한 면적들을 가질 수 있다. 개구는 원형, 직사각형, 삼각형 또는 다른 형상일 수 있다. 바람직하게는, 각각의 개구(130)는 2개의 인접한 개구(130) 사이의 다양한 간격과 함께 10 μm2 내지 1000 cm2 범위의 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 2개의 인접한 개구(130) 사이의 간격(레이저의 해상도에 따라 다름)은 1 ㎛ 내지 100 cm 범위일 수 있다. 다수의 레이저 스폿이 서로 옆에 형성되거나 서로 중첩될 수 있다.
PV 디바이스의 일 실시예에서, 보호층(132)이 제공된 개구는 투명 또는 반투명 기능화제(131)로 채워질 수 있고, 따라서 개구(130)의 투광성을 제공하여 PV 디바이스의 반투명성을 제공할 수 있다.
이러한 실시예에서, 위에서 주어진 마이크로미터 치수의 개구(130)의 실질적으로 균일한 분포는 거시적 규모에서 관찰자에게 가시적인 개선된 반투명 인상(impression)의 추가적인 이점을 제공한다. 특히, 이것은 반투명 기능화제(131)로 채워진 개구(130)의 선택된 치수 및 간격에 의해 야기된다. 도 4b는 녹색 잉크를 구성하는 반투명 기능화제(131)로 채워진 개구(130)를 갖는 그러한 반투명 PV 디바이스의 사진을 나타낸다.
본 개시의 반투명 PV 디바이스는 예를 들어, 빌딩 정면 또는 창문을 위한 빌딩 통합 광기전(Building Integrated Photovoltaic; BIPV), 자동차 창문, 예를 들어, 버스, 기차, 전차 등과 같은 대중 교통의 창문을 위한 차량 통합 광기전과 같은 다양한 응용에 사용될 수 있다. 본 개시의 PV 디바이스는 사물 인터넷 기술(Internet of Things technology; IoT), 자율 센서, 스마트 가구 등을 포함하는 다른 응용에서 또한 사용될 수 있다.
도 4b에서 볼 수 있는 바와 같이, 기능화제(131)로 채워진 개구(130)는 패턴을 형성하는 반면, PV 디바이스는 기능화제로 채워지지 않은 빈 개구(130)를 추가로 포함한다. 하나의 PV 디바이스 내에서 채워진 개구(130)와 비어 있는 개구(130)의 편집(compilation)은 예를 들어, 마케팅 로고 또는 다른 패턴을 제공하는 것과 같이 컬러풀한 PV 디바이스의 미적 효과의 추가 개선을 제공한다.
개구(130)는 예를 들어, 패턴 형성을 위한 레이저 스크라이빙, 또는 기계적 스크라이빙과 같은 다양한 방법에 의해 PV 전지(100)의 층의 스택(110)에 형성될 수 있다.
그러나 개구의 바람직한 형성 방법은 레이저 어블레이션인데, 그 이유는 레이저 어블레이션이 고속 프로세스이고, 임의의 형상이 패터닝될 수 있으며, 이 프로세스는 사용된 레이저 파라미터에 기초하여 층을 선택적으로 어블레이션할 수 있기 때문이다.
또한, 개구(130)를 형성하기 위한 기계적 스크라이빙 기술은, 이 기술이 고가의 장비를 필요로 하지 않고 레이저 기술에서 사용되는 파장, 주파수 등과 같은 많은 파라미터에 의존하지 않기 때문에 특히 적합하다.
탄소가 후면 전극층(113)의 물질로서 사용되는 PV 전지의 실시예에 대해, 레이저 스크라이빙 기술은 PV 전지의 스택의 층을 관통해 연장되는 개구(130)를 형성하는 데 특히 유리하다. 레이저 처리 동안 탄소 후면 전극층(113)은 완전한 산화 연소를 겪는다고 믿어진다. 따라서, 탄소 물질은 레이저-탄소 상호작용의 부산물로 인한 개구(130) 내부의 오염 없이 레이저에 의해 제거된다. 불투명한 후면 전극층(113)에 일반적으로 사용되는 금속 물질과 달리, 탄소는 레이저 빔과의 상호 작용에 따라 녹거나 증발하지 않아 전술한 효과를 제공하는 것으로 추정된다. 이러한 이유로, 개구(130)는 후면 전극층(113)의 제거되지 않은 잔류 물질을 포함하지 않으며, 이것은 단락 효과의 제거 및 탄소층의 박리(탄소층이 용융되지 않기 때문임)를 추가로 제공한다. 개구(130) 내부는 오염이 없기 때문에, 개구(130) 내로 도입된 보호층(132) 및 기능화제(131)는 그러한 오염에 의해 영향을 받지 않고 작용할 수 있다.
PV 디바이스의 제조 방법은 예를 들어, 플라스틱 포일과 같은 투명 또는 반투명 기판(120)을 제공하는 단계, 및 PV 전지(들)(110)의 작업층의 스택(110)을 형성하는 단계를 포함하며, 바람직하게는 층이 기판(120) 상에 하나씩 형성된다. 이 경우, 하나 초과의 PV 전지(100)가 기판(120) 상에 형성되고, 스택(110) 내의 각각의 층들의 형성 사이에, 예를 들어, 레이저 패터닝과 같은 소정의 패터닝 단계들이 콘택의 형성을 포함해, 적절한 디바이스 아키텍처를 제공하기 위해 수행될 수 있다. 각각의 PV 전지의 층의 스택(110)을 준비한 후, 스택(110)의 층을 관통해 연장되는 개구(130)가 형성된다.
도 2b는 2개의 PV 전지를 포함하는 본 개시의 PV 디바이스를 준비하기 위해 레이저 패터닝을 사용하는 방법의 예시적인 실시예를 도시한다. 이 방법은 예를 들어, 플라스틱 포일과 같은 반투명 기판(120)을 제공하는 단계 및 후술하는 바와 같이 연속적인 퇴적 단계 및 레이저 패터닝 단계(P1-P4)에 의해 PV 전지(들)(110)의 작업층의 스택(110)을 형성하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 레이저 패터닝(P1)에 의해 전면 전극을 제거하는 단계는 개별 전지 영역들을 생성하기 위해 구현될 수 있다. 전면 전극의 물질에 따라 P1 패터닝에는 다양한 레이저가 사용될 수 있는데, 예를 들어, 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide; TCO)의 경우, 전형적으로 적외선 레이저가 사용된다. 제2 레이저 패터닝(P2)은 p-i-n 또는 n-i-p 중 어느 하나의 PV 전지 구조에 따라 전자 수송층 또는 정공 수송층일 수 있는, 전면 전극층(112) 상의 전면 전하 수송층(112a)의 퇴적 후에 요구될 수 있다. 레이저 패터닝(P2)은 전면 전하 수송층(112a)을 국부적으로 제거한다. 일반적으로 P2 패터닝에서 IR 또는 다른 가시 레이저가 사용될 수 있다.
다음으로, 후면 전극층(113)이 퇴적되고 패터닝 단계(P3)가 수행되어 개별 전지의 경계를 규정하거나 개별 전지로 분리된다.
P3 패터닝 단계의 완료 후, 스택(110)은 레이저 패터닝(P4)을 거쳐, 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 투광성 개구(130)가 작업층의 스택(110) 내에서 PV 전지(100)에 형성되어, 개구(130)가 적어도 후면 전극층(113) 및 적어도 광활성층(111)의 일부를 관통해 연장되도록 한다. 이것은 불투명 후면 전극(113)의 경우에 특히 중요하며, 이는 PV 전지를 투광성으로 만들기 때문이다. 선택적으로, 투광성을 더 개선하기 위해, 개구(130)는 후면 전극층(113)에서 전면 전극층(112)까지 스택(110)의 모든 층을 관통해 연장될 수 있다.
P4 패터닝에서 레이저는 기판(120)의 반대편에 있는 스택(110)에 영향을 미친다. 후면 전극(113)이 탄소로 제조되는 경우, 각 투광성 개구(130)는 레이저 처리의 단일 단계로 제조되어, 레이저 빔이 개구(130)의 깊이를 따라 제거될 PV 전지의 스택(110)의 층들을 한 번에 관통한다. 다음으로, 개구(130) 내벽 상에 보호층(132)이 형성한다.
그 후, 개구는 기능화제(131)로 채워지고, 이어서 기능화제(131)의 화학적 조성에 따라 선택적인 처리가 뒤따른다.
예시 1: 레이저 패터닝된 개구를 갖는 반투명 PV 디바이스의 준비.
n-i-p 아키텍처의 PV 디바이스는 EASTMAN으로부터의 AZO 박막(300nm) 층이 위에 도포된 가요성 PET 기판(포일) 상에 제조되었다. 나머지 작업층들은 스핀 코팅에 의해 기판 상에 하나씩 퇴적되었고, 이 층들은 SnO2(전자 수송층), 화학량론비 Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3을 갖는 페로브스카이트(광활성층) - Cs는 세슘이고, MA는 메틸암모늄이고, FA는 포름아미디늄이고, Pb는 납이고, I는 요오드이며, Br은 브롬임 -, 및 PTAA(Poly(triarylamine))(정공 수송층)이다. 후면 콘택(후면 전극층)을 위해, EMS(CI-2042)의 탄소 페이스트가 블레이드 코팅되었고 약 80℃의 온도에서 5분 동안 기체 담금질 방법에 의해 어닐링되었다.
탄소 페이스트의 두께는 약 20Ω/sq의 시트 저항을 제공하는 FIB-SEM을 통해 20μm로 측정되었다. 나중에 디바이스는 로핀-파워 라인(Rofin-Power line)으로부터의 1064 nm Nd:YAG 나노초 레이저를 사용하여 레이저 패터닝되었다. 반투명성은 디바이스 작업층 상단에 각각 직경 200 μm 및 간격 500 μm의 스폿(개구)의 매트릭스를 어블레이션하여 개구를 형성함으로써 달성되었다. 다음 구조의 PV 디바이스가 얻어졌다: PET/AZO/SnO2/CH3NH3PbI3(메틸 암모늄 납 요오드화물)/PTAA/탄소. 레이저 패터닝된 개구의 FIB-SEM(focused ion beam scanning electron microscopy) 이미지가 도 3에 도시된다. 다음으로 절연 물질 Al2O3의 보호층이 개구 내벽 상에 형성되었다.
예시 2: 기능화제의 조성물로서 잉크를 준비하고, 이어서 PV 디바이스의 개구를 잉크로 채움.
잉크는 아니솔(Anisol)에서 250mg/ml의 PMMA(Poly(methyl methacrylate))를 혼합하여 모액(stock solution)을 형성하여 제형화(formulate)되었다. 5mg의 크레머 그린(Kremer Green) 및 크레머 블루(Kremer Blue) 안료를 모액에 첨가하여 도 4a에 도시된 개별 잉크들을 생성했다. 예시 1에서 얻어진 PV 디바이스의 개구(130)에 잉크를 적가 주조(drop cast)하고 80℃의 오븐 내에서 5분간 건조하여 용매를 제거하여 최종적으로 착색된 PV 디바이스를 형성하였다. 도 4b는 얻어진 PV 디바이스 중 하나를 도시한다.
예시 3: 추가 실시예
잉크는 1 ml의 클로로포름에 50 mg의 크레머 블루 안료를 혼합하여 제형화되었다. 에어브러시 코터(air-brush coater)를 사용하여 예시 1에서 얻어진 PV 디바이스의 개구(130)에 잉크가 퇴적되었다. 퇴적 프로세스 동안에, 클로로포름은 공기 중에 증발하고 안료만 개구(130)에 도달한다. 이것은 빠르게 증발하고 PV 디바이스에 도달하지 않는 클로로포름의 낮은 끓는점과 높은 증기압 때문이다.

Claims (16)

  1. 반투명(semi-transparent) 기판(120) 및 적어도 하나의 반투명(translucent) 광기전 전지(PV(photovoltaic) cell)(100)를 포함하는 광기전(PV) 디바이스에 있어서,
    상기 PV 전지(100)는 상기 기판(120) 상에 배치된 층의 스택(110)을 포함하고, 상기 스택(110)은,
    - 전면 전극층(112);
    - 후면 전극층(113); 및
    - 상기 전면 전극층(112)과 상기 후면 전극층(113) 사이의 광활성층(111)
    을 포함하고, 상기 전면 전극층(112) 및 상기 후면 전극층(113) 중 하나가 상기 PV 전지(100)의 애노드를 구성하고, 상기 전면 전극층(112) 및 상기 후면 전극층(113) 중 다른 하나는 상기 PV 전지(100)의 캐소드를 구성하고,
    상기 스택(110)은 적어도 상기 후면 전극층(113) 및 적어도 상기 광활성층(111)의 일부를 관통해 연장되는 개구(130)를 더 포함하며,
    상기 개구(130)는, 착색 성분, 형광성 및/또는 인광성 성분, 흡습제, 재귀반사성 성분, 상기 PV 디바이스의 구조 내 도광(light-guiding)을 개선하는 양자점(quantum-dots), 상기 PV 디바이스의 기계적 강도를 개선하는 성분, 단열재, 광공동(optical cavities) 역할을 하는 미소구체(microspheres), 플라즈몬 효과를 나타내는 금속 나노입자, 스펙트럼 아래로 시프팅하는 입자 및 스펙트럼 위로 시프팅하는 입자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 기능화(functionalizing) 성분을 포함하는 기능화제(functionalizing agent)(131)를 포함하는 것인, 광기전(PV) 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광활성층(111)은 페로브스카이트층인 것인, 광기전(PV) 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 개구(130)는 상기 기능화제(131)에 의해 상기 개구(130)의 깊이(D)의 적어도 20%의 두께(T)로 채워지는 것인, 광기전(PV) 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구(130)는 상기 개구(130)의 전체 깊이(D)에 걸쳐 상기 기능화제(131)에 의해 채워지는 것인, 광기전(PV) 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기능화제(131)는 반투명 또는 불투명한 것인, 광기전(PV) 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구(130)의 면적은 10 μm2 내지 1000 cm2인 것인, 광기전(PV) 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PV 전지(100)의 층들의 스택(110)은:
    - 상기 광활성층(111)과 상기 전면 전극층(112) 사이에 배치된 전면 전하 수송층(112a), 및
    - 상기 광활성층(111)과 상기 후면 전극층(113) 사이에 배치된 후면 전하 수송층(113a)
    을 더 포함하는 것인, 광기전(PV) 디바이스.
  8. 제2항에 종속되는 제7항에 있어서,
    상기 페로브스카이트층(111)과 상기 전면 전하 수송층(112a) 사이에 배치된 전면 패시베이션층(112b) 및/또는 상기 페로브스카이트층(111)과 상기 후면 전하 수송층(113a) 사이에 배치된 후면 패시베이션층(113b)을 더 포함하는, 광기전(PV) 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 후면 전극층(113)은 불투명 전극인 것인, 광기전(PV) 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구(130)의 내벽과 상기 기능화제(131) 사이에 절연 물질의 보호층(132)을 더 포함하는, 광기전(PV) 디바이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기능화제(131)의 상기 기능화 성분은 다양한 크기를 갖는 것인, 광기전(PV) 디바이스.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층(132)은 AlOx, Al2O3, LiF(Lithium Fluoride) 및 BCP(Bathocuproine)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인, 광기전(PV) 디바이스.
  13. 적어도 하나의 광기전(photovoltaic; PV) 전지(100)를 포함하는 PV 디바이스를 준비(prepare)하기 위한 방법에 있어서,
    - 반투명 기판(120)을 제공하는 단계;
    - 상기 기판(120) 상에 상기 PV 전지(100)의 층의 스택(110)을 형성하는 단계 ― 상기 스택(110)은, 전면 전극층(112), 후면 전극층(113), 및 상기 전면 전극층(112)과 상기 후면 전극층(113) 사이의 광활성층(111)을 포함하고, 상기 전면 전극층(112)과 상기 후면 전극층(113) 중 하나는 상기 PV 전지(100)의 애노드를 구성하고, 상기 전면 전극층(112)과 상기 후면 전극층(113) 중 다른 하나는 상기 PV 전지(100)의 캐소드를 구성함 ― ; 및
    - 상기 PV 전지(100)의 층의 스택(110)에 개구(130)를 형성하는 단계
    를 포함하고, 상기 개구(130)는 적어도 상기 후면 전극층(113)과 적어도 상기 광활성층(111)의 일부를 관통해 연장되며,
    상기 방법은, 착색 성분, 형광성 및/또는 인광성 성분, 흡습제, 재귀반사성 성분, 상기 PV 디바이스의 구조 내 도광을 개선하는 양자점, 상기 PV 디바이스의 기계적 강도를 개선하는 성분, 단열재, 광공동 역할을 하는 미소구체, 플라즈몬 효과를 나타내는 금속 나노입자, 스펙트럼 아래로 시프팅하는 입자 및 스펙트럼 위로 시프팅하는 입자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 기능화 성분을 포함하는 기능화제(131)를 상기 개구(130) 내로 도입하는 단계를 더 포함하는, PV 디바이스를 준비하기 위한 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 도입하는 단계에서, 상기 기능화제(131)는 잉크 또는 분말 형태인 것인, PV 디바이스를 준비하기 위한 방법.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 도입하는 단계에서, 상기 기능화제(131)는 안료와, 부탄올, 아니솔, 테르피네올, 폴리프로필렌 글리콜, 무수 이소프로판올, 및 에탄올로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 용매를 포함하는 것인, PV 디바이스를 준비하기 위한 방법.
  16. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층(132)은 ALD(atomc layer deposition) 방법 또는 스퍼터링 방법에 의해 제공되는 것인, PV 디바이스를 준비하기 위한 방법.
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