KR20220064152A

KR20220064152A - 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20220064152A
Application number: KR1020200150347A
Authority: KR
Inventors: 최동혁; 김한기; 김도형; 김수경; 석해준; 임상휘; 한상철
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2020-11-11
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2022-05-18
Also published as: KR20220145308A; KR20220145309A; KR102456931B1; KR102467639B1; KR102467983B1

Abstract

페로브스카이트의 흡광 영역대인 가시광 영역과 실리콘 태양전지의 흡광 영역대인 적외선 영역까지 우수한 투과성을 가져 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구성이 가능하며, 고 투과도 및 저 저항값을 가지는 투명 산화물 전극을 페로브스카이트 태양전지의 상부 전극으로 적용하여 심미성과 에너지 변환효율이 높은 에너지 변환효율의 반투명 페로브스카이트 태양전지가 개시된다. 상기 반투명 페로브스카이트 태양전지는, 하부 투명 기판, 상기 하부 투명 기판의 상부면에 형성되는 하부 투명 전극, 상기 하부 투명 전극의 상부면에 형성되는 정공 수송층, 상기 정공 수송층의 상부면에 형성되며, 페로브스카이트로 형성되는 광 활성층, 상기 광 활성층의 상부면에 형성되는 전자 수송층, 및 상기 전자 수송층의 상부면에 형성되는 상부 투명 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법{Semi-transparent perovskite solar cell having amorphous oxide top electrode with high transparency and Method for manufacturing the same}

본 발명은 페로브스카이트 태양전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 가시광에서 적외선 영역까지 우수한 투과성 및/또는 저 저항값을 갖는 투명 산화물 전극을 페로브스카이트 광 활성층의 손상 없이 상부 전극으로 적용한 높은 에너지 변환효율의 반투명 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.

페로브스카이트 태양전지는 염료 감응형 태양전지의 염료를 대체하여 유무기 할로겐화물을 광흡수체로 이용하는 소자로부터 개발이 시작되었으나, 최근 252%의 효율이 공인되는 등 급격한 효율 향상을 보여 크게 주목받고 있는 기술이다.

특히, 광전환 효율 측면에서 기존의 실리콘 태양전지의 효율에 비견될 수 있을 만큼 높은 효율을 가지며, 저온에서 저가의 용액 공정으로 구현 가능하며, 반투명한 소자의 제작이 가능하기에 차세대 태양전지로서 큰 잠재력을 지니고 있다.

특히, 이러한 반투명성을 이용해 단일 불투명 페로브스카이트 태양전지보다 더 높은 효율의 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지를 만드는 것이 가능하다.

또한, 반투명 태양전지를 건물의 외장에 유리 대신적용한다면 창문의 역할을 수행할 수 있으며, 건물의 외관 중 넓은 면적에 설치가 가능하므로 기존의 불투명한 태양전지보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있다는 장점이 있어 최근 주목을 받고있다. 하지만, 이러한 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위해서는 극복해야 할 여러 가지 기술적 문제가 남아있다.

선행기술들의 경우, 페로브스카이트 광 활성층 및 전하 수송층 제조 이후 고진공에서 진공 열 증발기로 증착한 금속 전극이나 고온/고에너지의 스퍼터링 공정으로 전도성 투명 산화물 전극을 증착하는 방법이 주로 쓰였다. 그러나, 금속 전극의 경우에는 반투명 태양전지의 구현이 불가능하며 금속의 산화나 이온 이동으로 인한 염 발생으로 장기간에 걸쳐 소자의 열화가 발생하는 문제점이 있다.

또한, 심미성이 떨어지는 불투명한 태양전지만 제작할 수 있어 그 사용 및 응용이 제한되는 문제가 있다.

또한, 전도성 투명 산화물 전극의 경우에는 고온/고에너지로 인한 광 활성층 손상, 전하 수송층 손상, 태양전지 효율 저하의 문제가 있고, 이러한 문제를 막기 위하여 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정을 통한 버퍼층(buffer layer)을 도입한 경우는 추가적 공정에 따른 생산성 및/또는 경제성 저하 등의 문제가 있었다.

특히, 이러한 스퍼터링 공정 기반 투명전극의 단점들을 해결하기 위해 소자의 손상 없이 성막할 수 있는 저 손상 증착 장비인 진공 열 증발기를 사용한 초박형 금속 전극, 산화물/금속/산화물 다층 투명 전극 또는 용액 공정을 이용한 은 나노 와이어 전극, 그래핀 전극, 전도성 폴리머 전극 등 다양한 접근이 이루어져 왔으나, 이들 전극은 상대적으로 낮은 에너지전환효율, 생산성, 환경 안전성 등의 문제와 소자의 짧은 수명이라는 과제를 안고 있다.

부연하면, 기존 선행기술들의 경우, 금속 상부 전극을 사용하므로 심미성이 떨어지는 불투명한 태양전지만 제작할 수 있어 건물 일체형 태양광 발전(BIPV: Building-integrated photovoltaics)에 적용하는데 한계점을 가지고 있었다. 또한, 투명 산화물을 상부 전극으로 적용하는 경우는 증착 공정에서 발생하는 페로브스카이트 태양전지 소자의 열화로 인하여, 낮은 효율과 안전성, 짧은 소자 수명 등의 문제가 있었다.

따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 상대적으로 안정성과 수명이 긴 높은 투과도와 전도성을 동시에 지니는 투명 전도성 산화물이 상부 투명전극의 재료로 가장 적합하다고 할 수 있다. 또한, 이를 태양전지의 상부에 직접 스퍼터링하여도 소자의 손상 없이 전극을 증착할 수 있으며, 기존 진공 양산 장비와 높은 호환성 및 생산성을 가지는 수평 대향 타겟 스퍼터링 공정이 적합하다고 할 수 있다.

그러나, 일반적인 인듐 주석 산화물 투명전극을 수평 대향 타겟 스퍼터링 공정으로 성막할 경우, 결정화도가 낮아 전기적, 광학적 특성이 떨어지며 이를 개선하기 위해 추가적인 열처리가 필요한 문제가 있어 부적합하기에, 비정형에서도 우수한 고투과, 저저항 특성을 가지는 대향 타겟 스퍼터링 공정용 투명 산화물 전극 소재의 개발이 요구된다.

1. 한국공개특허번호 제10-2020-0048037호

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 페로브스카이트의 흡광 영역대인 가시광 영역과 실리콘 태양전지의 흡광 영역대인 적외선 영역까지 우수한 투과성을 가져 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구성이 가능하며, 고 투과도 및 저 저항값을 가지는 투명 산화물 전극을 페로브스카이트 태양전지의 상부 전극으로 적용하여 심미성과 에너지 변환효율이 높은 에너지 변환효율의 반투명 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 비정형에서도 우수한 고투과, 저저항 특성을 가지는 대향 타겟 스퍼터링 공정용 투명 산화물 전극 소재가 적용되는 반투명 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 페로브스카이트의 흡광 영역대인 가시광 영역과 실리콘 태양전지의 흡광 영역대인 적외선 영역까지 우수한 투과성을 가져 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구성이 가능하며, 고 투과도 및 저 저항값을 가지는 투명 산화물 전극을 페로브스카이트 태양전지의 상부 전극으로 적용하여 심미성과 에너지 변환효율이 높은 에너지 변환효율의 반투명 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.

상기 반투명 페로브스카이트 태양전지는,

반투명 페로브스카이트 태양전지로서,

하부 투명 기판;

상기 하부 투명 기판의 상부면에 형성되는 하부 투명 전극;

상기 하부 투명 전극의 상부면에 형성되는 정공 수송층;

상기 정공 수송층의 상부면에 형성되며, 페로브스카이트로 형성되는 광 활성층;

상기 광 활성층의 상부면에 형성되는 전자 수송층; 및

상기 전자 수송층의 상부면에 형성되는 상부 투명 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부 투명 전극은 저온 저에너지 증착 공정을 이용하여 성막되는 고투과도 및 저저항의 비정형 산화물 도전막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비정형 산화물 도전막은 산화인듐, 치환형 도펀트인 갈륨 및 티타늄을 함유하는 IGTO (Indium-Gallium-Titanium-Oxide)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비정형 산화물 도전막은 상기 저온 저에너지 증착 공정을 위해 수평 대향 타겟 스퍼터링 장비를 이용하여 상기 전자 수송층의 상부면에 손상없이 증착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비정형 산화물 도전막은 고에너지 입자 및 전자를 포함하는 플라즈마 영역이 수평으로 마주보는 2개의 타겟뒤에 있는 자석으로 인해 발생하는 자기장에 의해 2개의 상기 타겟 사이에 구속되어 상기 전자 수송층에 미치는 영향을 감소시키는 저온 저손상 공정이 가능한 수평 대향 타겟 스퍼터링 장비를 사용하여 성막되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 IGTO는 산화 인듐으로 이루어지고 상기 치환형 도펀트인 티타늄의 함유량이 Ti/In 원자수비로 0.005-0.05인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 IGTO는 산화 인듐으로 이루어지고 상기 치환형 도펀트인 갈륨의 함유량이 Ga/In 원자 수비로 0.005-0.05인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비정형 산화물 도전막을 이루는 비정형 산화물은 X-선 회절 측정을 통해 산화 인듐, 산화 티타늄, 및 산화 갈륨중 어느 하나의 결정상이 검출되지 않는 산화물인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비정형 산화물 도전막은 산소 조절하에 성막되며, 상기 저저항은 1×10^-3Ωcm 이하의 값인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산소 조절은 산소 유량이 0.3sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비정형 산화물 도전막의 두께는 500nm 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비정형 산화물 도전막은 400nm에서 1200nm까지의 범위의 파장에서 빛의 평균 투과도가 상기 비정형 산화물 도전막 그 자체에 대해 적어도 80% 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 정공 수송층(130)의 두께는 10 내지 300nm인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광 활성층의 두께는 100 내지 500nm인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전자 수송층의 두께는 10 내지 300nm인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부 투명 전극은 산화 인듐 주석(ITO), 산화 불소 주석(FTO), 산화 인듐 아연(IZO), 인듐, 산화알루미늄 아연(AZO), 산화 인듐 아연 주석(IZTO), 산화 인듐 갈륨 티타늄(IGTO), 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 주석(SnO₂), 산화아연(ZnO), 산화 마그네슘(MgO)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 투명 전도성 산화물인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 정공 수송층은 Ni 산화물, Cu 산화물, CuI, CuSCN을 포함하는 금속 산화물과 Spiro-MeOTAD[2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9'-spirobifluoren], PEDOT:PSS[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)], P3HT[poly(3-hexylthiophene)], PTAA[Poly[bis(4-phenyl)(2,5,6-trimethylphenyl)amine]을 포함하는 단분자 및 고분자 물질로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광 활성층은 하기 화학식1 또는 화학식2로 표시되는 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

[화학식 1]

ABX₃

[화학식 1]

A₂BX₄

상기 화학식1 및 화학식2에서, A는 아민기가 치환되는 C1-20의 직쇄 혹은 측쇄 알킬 금속이온 또는 알칼리 금속이온 및 상기 알킬 금속이온 및 알칼리 금속이온의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1가의 양이온을 포함하고, B는 Pb²⁺, Sn²⁺,Ge²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺ 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 2가의 금속 양이온이고, X는 할로겐 음이온이다.

또한, 상기 전자 수송층은 Zn산화물, In산화물, Sn산화물, Ti산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Zr산화물, V산화물, Ga산화물, Al 산화물을 포함하는 금속 산화물과 BCP[Bathocuproine], C60, ICBA[indene-C60 bisadduct], PCBM[[6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester]을 포함하는 단분자 및 고분자 물질로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 반투명 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법으로서, (a) 하부 투명 기판를 준비하는 단계; (b) 상기 하부 투명 기판의 상부면에 하부 투명 전극이 형성되는 단계; (c) 상기 하부 투명 전극의 상부면에 정공 수송층이 형성되는 단계; (d) 상기 정공 수송층의 상부면에 페로브스카이트로 광 활성층이 형성되는 단계; (e) 상기 광 활성층의 상부면에 전자 수송층이 형성되는 단계; 및 (f) 상기 전자 수송층의 상부면에 상부 투명 전극이 형성되는 단계;를 포함하며, 상기 상부 투명 전극은 저온 저에너지 증착 공정을 이용하여 성막되는 고투과도 및 저저항의 비정형 산화물 도전막을 포함하는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 제공한다.

또한, 상기 (a) 단계는, 인듐 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide)이 코팅된 유리 기판을 증류수 및 아이소프로필알코올로 세척하는 단계; 및 세척된 상기 유리 기판에 UV-오존(ozone)으로 30분간 처리하여 하부 투명전극을 준비하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (b) 단계는, 상기 하부 투명전극의 상부면에 산화니켈(NiO) 전구체 용액을 4000rpm의 회전속도로 40초간 스핀코팅하는 단계; 및 상기 산화니켈 전구체 용액을 280℃에서 1시간 동안 열처리를 하여 정공 수송층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (c) 단계는, 상기 정공 수송층의 상부면에 페로브스카이트 전구체 용액을 500rpm의 회전속도로 5초, 5000rpm의 회전속도로 45초간 스핀코팅하는 단계; 및 상기 페로브스카이트 전구체 용액을 120℃에서 10분간 열처리를 하여 광 활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (d) 단계는, 상기 광 활성층의 상부면에 풀러렌 유도체[6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(PCBM) 용액을 6000rpm의 회전속도로 50초간 스핀코팅하는 단계; 상기 플러렌 유도체 용액을 100℃에서 20분 열처리를 하고 상기 플러렌 유도체 용액위에 산화아연(ZnO) 나노입자 용액을 500rpm의 회전속도로 5초간, 5000rpm의 회전속도로 45초간 스핀코팅하는 단계; 및 100℃에서 20분 열처리를 하여 전자 수송층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전자 수송층은 이중 구조인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 효과에 따르면, 반투명 페로브스카이트 태양전지용 투명 상부전극을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 이를 통해 기존의 금속 상부 전극을 사용하는 심미성이 떨어져 설치가 제한되는 불투명 페로브스카이트 태양전지로부터 벗어날 수 있다는 점을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 고투과, 저저항 상부 전극의 저온/저손상 스퍼터링 공정으로 실현할 수 있다는 점을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 태양전지의 효율, 안정성 및 수명 등도 늘릴 수 있으므로 반투명 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 특성상, 우수한 심미성을 가진 건물 일체형 태양광 발전시스템의 구축 및 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구성이 가능하여 고효율의 태양전지 구현이 가능하다는 점을 들 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 조립 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제작 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상부 전극 제조시 사용하는 저온/저손상 증착 공정 장비인 수평 대향 타겟 스퍼터링 장비를 나타낸 개념도이다.
도 4 내지 도 6은 도 2에 도시된 상부 투명 전극 형성 단계(S250)에 해당하는 IGTO(indium gallium tin oxide) 도전막의 성막시 Ar/O₂ 가스 유량비에 따른 산소 공공(Oxygen Vacancy) 농도의 변화와 그로 인한 광학적, 전기적 특성의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8은 도 2에 도시된 상부 투명 전극 형성 단계(S250)에 해당하는 IGTO 도전막의 성막시 도전막의 두께에 따른 광학적, 전기적 특성의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 2에 도시된 상부 투명 전극 형성 단계(S250)에 해당하는 IGTO 도전막의 성막시, 수평대향 타겟 스퍼터링을 이용한 것과 기존의 DC(Direct Current) 스퍼터를 이용한 것의 결정성 차이를 X선 회절 분석법(XRD:X-ray Diffraction)으로 측정한 것을 나타낸 화면예이다.
도 10 내지 도 12는 도 2에 도시된 상부 투명 전극 형성 단계(S250)에 해당하는 IGTO 도전막을 비행시간형 2차 이온 질량 분석기(ToF-SIMS: Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)를 이용하여 분석한 구성 성분을 나타내는 것을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예 및 비교예 1과 비교예2를 통해 제작된 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율(Power conversion efficiency, PCE) 및 전류-전압(J-V) 곡선을 나타낸 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 고 투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지(100)의 조립 사시도이다. 도 1을 참조하면, 페로브스카이트 태양전지(100)는, 하부 투명 기판(110), 투명 기판(110)의 상부면에 형성되는 하부 투명 전극(120), 하부 투명 전극(120)의 상부면에 형성되는 정공 수송층(130), 정공 수송층(130)의 상부면에 형성되는 광 활성층(140), 광 활성층(140)의 상부면에 형성되는 전자 수송층(150), 전자 수송층(150)의 상부면에 형성되는 상부 투명 전극(160) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

하부 투명 기판(110)은 유리 또는 유연성이 있는 플라스틱으로 형성된 기판을 이용할 수 있다. 예를 들어, 기판은 유리(glass) 기판, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylenenaphthelate), PP(polypropylene),PI(polyamide), TAC(tri acetyl cellulose), PES(polyethersulfone) 등을 포함하는 플라스틱 중 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판, 알루미늄 포일(aluminum foil), 스테인리스 스틸 포일(stainlessteel foil) 중 어느 하나를 포함하는 플렉서블(flexible) 기판 등을 이용할 수 있다.

하부 투명 전극(120)은 투명전극으로는 투명 전도성 산화물층의 소재가 사용될 수 있다. 예를 들면, 산화 인듐 주석(ITO), 산화 불소 주석(FTO), 산화 인듐 아연(IZO), 인듐, 산화 알루미늄 아연(AZO), 산화 인듐 아연 주석(IZTO), 산화 인듐 갈륨 티타늄(IGTO), 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 주석(SnO₂), 산화 아연(ZnO), 산화 마그네슘(MgO)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 ITO 혹은 이를 포함하는 투명 산화물 전극이 사용될 수 있다.

정공 수송층(130)은 업계에서 사용되는 물질이면 한정되지 않고 사용할 수 있으며, 예를 들면, Ni 산화물, Cu 산화물, CuI, CuSCN 등의 금속산화물과 Spiro-MeOTAD[2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9'-spirobifluoren],PEDOT:PSS[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)], P3HT[poly(3-hexylthiophene)], PTAA[Poly[bis(4-phenyl)(2,5,6-trimethylphenyl)amine]등의 단분자 및 고분자 물질로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.

광 활성층(140)은 주로 페로브스카이트(Perovskite)로 이루어진다. 광 활성층 형성을 위하여, 상기 요오드화 메틸암모늄(Methyl Ammonium Iodide, MAI), 요오드화포름아미디늄(Formamidinium Iodide, FAI) 등의 유무기 할라이드 화합물과 요오드화납(PbI2) 등의 할로겐화 금속 화합물을 N,N-디메틸포름아미드(N,N-Dimethylformamide, DMF), 감마-부티로락톤(Gamma-butyrolactone, GBL), 1-메틸-2-피롤리돈(1-Methyl-2-pyrolidinone),N,N-N,N-디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide), 디메틸술폭시드(Dimethylsulfoxide, DMSO)와 같은 용매에 용해시킨 전구체 용액을 제조할 수 있다.

페로브스카이트 전구체 용액의 농도는 특별히 한정되지 않으나, 안정적으로 재현성 있게 페로브스카이트층을 제조하는 측면에서, 페로브스카이트 전구체 용액은 유무기 할로겐화물이 전체 용액에서 10 내지 60 중량부로 구성하는 것이 바람직할 수 있다.

전자 수송층(150)은 Zn산화물, In산화물, Sn산화물, Ti산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Zr산화물, V산화물, Ga산화물, Al산화물과 같은 금속산화물과 BCP[Bathocuproine], C60, ICBA[indene-C₆₀ bisadduct], PCBM[[6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester]등의 단분자 및 고분자 물질로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 물질을 들 수 있다.

상기 전자 전도성 금속 산화물의 나노입자를 에탄올, 이소프로필 알코올 등의 용매에 첨가하여 전자 수송층 용액을 제조할 수 있으며, 이를 스핀 코팅방법으로 페로브스카이트 광 활성층상에 도포하고 열처리를 하여 성막할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 형성된 정공 수송층(130)의 두께는 약 10 내지 300nm일 수 있다.

상부 투명 전극(160)은 투명전극으로는 투명 전도성 산화물층의 소재가 사용될 수 있다. 예를 들면, 산화 인듐 주석(ITO), 산화 불소 주석(FTO), 산화 인듐 아연(IZO), 인듐, 산화 알루미늄 아연(AZO), 산화 인듐 아연 주석(IZTO), 산화 인듐 갈륨 티타늄(IGTO), 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 주석(SnO₂), 산화 아연(ZnO), 산화 마그네슘(MgO)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 ITO 혹은 이를 포함하는 투명 산화물 전극이 사용될 수 있다.

도 1에서는 역구조의 태양전지를 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 정구조에서도 본 발명의 일실시예가 적용될 수 있다. 즉, 전자 수송층이 하부 투명 전극의 상부면에 형성되고, 정공 수송층이 광 활성층의 상부면에 형성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제작 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 하부 투명 기판(110)의 상부면에 하부 투명 전극(120)이 형성된다(단계 S210).

이후, 하부 투명 전극(120)의 상부면에 정공 수송층(120)이 형성된다(단계 S220). 정공 수송층(120)은 광 활성층(140)에서 생성되는 정공(hole)을 전극으로 전달하는 역할을 한다. 정공 수송층은 상기 정공수송물질을 하부 투명전극 상에 스핀 코팅 방법으로 도포하고 열처리를 하여 성막할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 성막 전에 하부 투명전극의 전처리를 통해 정공 수송층 코팅 용액의 도포시 젖음성 향상 또는 전극 표면의 일함수 조절로 전기적 특성의 개선이 이루어질 수 있다. 이를 통해 형성된 정공수송층의 두께는 10 내지 300nm 일 수 있다.

이후, 정공 수송층(130) 상에 아래 화학식으로 구성되는 페로브스카이트의 광 활성층(140)이 형성될 수 있다(단계 S230). 이는 태양전지 소자 중 가장 핵심 부분로서, 다음 화학식과 같다.

상기 화학식 1에서, A는 아민기가 치환된 C_1-20의 직쇄 혹은 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속이온 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 1가의 양이온을 포함하고, B은 Pb²⁺, Sn²⁺,Ge²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺ 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 2가의 금속 양이온이고, X는 할로겐 음이온이다.

광 활성층(140)의 형성을 위하여, 상기 요오드화 메틸암모늄(Methyl Ammonium Iodide, MAI), 요오드화포름아미디늄(Formamidinium Iodide, FAI) 등의 유무기 할라이드 화합물과 요오드화납(PbI₂) 등의 할로겐화 금속 화합물을 N,N-디메틸포름아미드(N,N-Dimethylformamide, DMF), 감마-부티로락톤(Gamma-butyrolactone, GBL), 1-메틸-2-피롤리돈(1-Methyl-2-pyrolidinone), N,N-N,N-디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide), 디메틸술폭시드(Dimethylsulfoxide, DMSO)와 같은 용매에 용해시킨 전구체 용액을 제조할 수 있다.

페로브스카이트 전구체 용액의 농도는 특별히 한정되지 않으나, 안정적으로 재현성 있게 페로브스카이트로 형성되는 광 활성층(140)을 제조하는 측면에서, 페로브스카이트 전구체 용액은 유무기 할로겐화물이 전체 용액에서 10 내지 60중량부로 구성하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어, 페로브스카이트 전구체 용액을 기재 상에 도포하고 열처리하여 페로브스카이트의 광 활성층(140)을 형성하는 단계는 당업계에서 사용되는 통상적인 방법을 통해 수행할 수 있다.

상세하게, 도포는 반도체 공정에서 사용되는 통상의 액상 도포 방법이면 사용가능하나, 균일도, 대면적 코팅의 용이성 등의 측면에서 스핀 코팅을 이용하는 것이 바람직하다. 이때, 균일한 막의 형성을 위해 회전속도는 약 500 내지 6000rpm을 사용하는 것이 좋으며, 스핀 코팅 초반에 코팅 용액의 유실을 방지하기 위하여 상이한 회전속도로 2회 이상으로 수행될 수 있다.

상기, 도포된 페로브스카이트 전구체 용액의 건조(또는 어닐링)를 위한 열처리는 용액이 충분히 건조되며, 페로브스카이트 구조가 안정적으로 유지될 수 있는 온도라면 특별히 한정하지 않는다. 바람직하게는, 약 130℃ 이하의 온도에서 약 10분 내지 30분 동안 수행될 수 있다. 이처럼 낮은 온도로 열처리를 하여 페로브스카이트 광 활성층의 분해를 막고 안정적인 구조로 형성할 수 있다. 형성된 광 활성층의 두께는 약 50 내지 500nm일 수 있다.

도 2를 계속 참조하면, 이후 광 활성층(140)의 상부면에 전자 수송층(150)이 형성된다(단계 S240). 전자 수송층(150)은 광 활성층(140)에서 생성되는 전자를 전극으로 전달하는 역할을 한다. 전자 전도성 금속 산화물의 나노입자를 에탄올, 이소프로필 알코올 등의 용매에 첨가하여 전자 수송층 용액을 제조할 수 있으며, 이를 스핀 코팅방법으로 페로브스카이트 광 활성층 상에 도포하고 열처리를 하여 성막할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 형성된 전자 수송층의 두께는 약 10 내지 300nm일 수 있다.

이후, 전자 수송층(150)의 상부면에 상부 투명 전극(160)이 형성된다(단계 S250). 부연하면, 저온 저에너지 증착 공정인 수평 대향 타겟 스퍼터링으로 고 투과도 및 저 저항을 가지는 비정형 산화물 도전막이 전자 수송층(150) 및 광 활성층(140)의 손상없이 형성된다.

비정형 산화물 도전막은 고투과도 및/또는 저저항의 특성을 갖는다. 비정형 산화물 도전막의 기술 구성은 산화 인듐으로 주로 이루어지고 갈륨과 티타늄을 함유하며, 갈륨의 함유량이 Ga/In 원자수비로 약 0.005-0.05이고, 티타늄의 함유량이 Ta/In 원자수비로 약 0.005-0.05로, 높은 산화물 결합에너지를 가지는 갈륨과 티타늄을 사용해 산소 공공의 양을 줄여 투과도를 증가시킨다.

특히, 전자 이동도와 전자 농도를 동시에 증가시키는 티타늄으로 인해 낮은 비저항을 가져, 기존에 사용되던 도펀트 이온인 주석과 같이 함유량을 늘려 전자 농도를 증가시키면 전자 이동도가 감소한다. 이와 달리, 함유량을 줄이면 전자농도가 줄고, 전자 이동도가 증가하여 비저항의 감소를 이루기 어려운 문제를 해결할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 상부 전극 제조시 사용하는 저온/저손상 증착 공정 장비인 수평 대향 타겟 스퍼터링 장비(300)를 나타낸 개념도이다. 도 3을 참조하면, 기존의 일반적인 DC 마그네트론 스퍼터링은 기판이 플라즈마의 영향에 직접적으로 노출되기에 플라즈마로 인한 고열과 손상을 피할 수 없는 문제점이 있어 적용이 어려운 단점이 있다.

이와 달리, 도 3에 도시된 수평 대향 타겟 스퍼터링 장비(300)는 이 플라즈마 영역(350)의 바깥쪽에 위치하며, 플라즈마 영역(350)이 두 개의 타겟(340) 사이에 갇혀있어 플라즈마 내의 강한 에너지 입자에 전자 수송층(150)이 노출되지 않고 스퍼터링된 입자(360)들만 전자 수송층(150)에 저온 증착되므로 상부 투명전극(160)의 증착에 적합하다. 특히, 플라즈마 영역(350)이 수평으로 마주보는 2개의 타겟(340)뒤에 있는 자석(330)으로 인해 발생하는 자기장에 의해 2개의 상기 타겟(340) 사이에 구속된다. 자석(330)은 지지 플레이트(320)에 의해 지지된다.

일반적으로, 수평 대향 타겟 스퍼터링은 저온/저에너지 공정의 특성상 성막된 산화물의 결정화도가 낮아 전기적, 광학적 특성이 떨어지는 문제가 발생한다.

본 발명의 일실시예에서는 이를 해결하기 위해 비정형에서도 우수한 고 투과 및 저 저항 특성을 가지는 수평 대향 타겟 스퍼터링 공정에 적합한 반투명 페로브스카이트 태양전지 상부 전극용 투명 전도성 산화물의 개발이 본 발명의 핵심 구성 요소 중 하나이다.

따라서, 본 발명의 일실시예를 적용하면, 해당 상부 투명 전극(160)은 앞서 기술한 바와 같이 갈륨과 티타늄이 도핑된 형태의 인듐 비정형의 산화물로서 투과도와 전기적 특성의 최적화를 위해 도핑 농도, 인가 전력, 타겟간 거리, 타겟-기판 거리, 공정 압력, 공정가스 유량비, 두께 등의 공정 변수를 조절하여 우수한 특성의 투명전극을 구현할 수 있다.

다음은 그 예시이며 이는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 최적화 방법에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

본 발명의 일실시예의 영우, 공정 가스의 유량비를 변수로 하여 제작한 IGTO 박막의 광학적, 전기적 특성을 분석한 것으로 공정 가스로는 Ar과 O₂가 사용되었으며 가스 유량은 Ar은 10sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute), O₂를 0sccm부터 1sccm까지 변화시켰으며 그 결과가 도 4 내지 도 6에 도시된다.

도 4 내지 도 6은 도 2에 도시된 상부 투명 전극 형성 단계(S250)에 해당하는 IGTO(indium gallium tin oxide) 도전막의 성막시 Ar/O₂ 가스 유량비에 따른 산소공공(Oxygen Vacancy) 농도의 변화와 그로 인한 광학적, 전기적 특성의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 산소 가스의 유량이 증가할수록 반응성 스퍼터링이 더 많이 일어나므로, 박막의 결함인 산소 공공의 양이 줄어들어 투과도(Transmittance)는 상승하는 경향을 보여준다.

전기적 특성의 경우, 전자를 공급하는 산소 공공이 줄어들게 되므로 박막의 전자 농도가 다소 감소하나, 전자의 산란을 일으키는 산소 공공의 양이 줄어들어 전자 이동도가 향상하는 경향을 보여주었다.

이로 인해 최적의 산소 유량 조건인 0.3sccm일 때, IGTO 박막의 전자 농도와 이동도 모두가 충분히 높아 가장 낮은 면저항을 가지며, 이때 광학적 특성 또한 다른 산소 유량 조건과 비슷한 수준의 준수한 투과도를 보였다. 그로 인해, 투명 전도성 박막의 전기적/광학적 특성 모두를 고려하여 그 수준을 알 수 있는 하기의 계산식을 통해 감도 지수(FoM)의 값을 계산한 결과, 산소 유량 0.3sccm일 때 가장 우수하여 최적의 조건임을 알 수 있었다. 이를 나타내면 다음식과 같다.

여기서, T_av는 400nm부터 800nm 사이의 가시광 영역대에서의 평균 투과도이며, R_sh는 면저항이다.

도 7 및 도 8은 도 2에 도시된 상부 투명 전극 형성 단계(S250)에 해당하는 IGTO 도전막의 성막시 도전막의 두께에 따른 광학적, 전기적 특성의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 분석 결과, 두께가 증가함에 따라 평균 투과도가 감소하고 투과도 곡선이 적외선 영역으로 편이되는 경향을 보였으며, 전기적 특성의 경우 다른 조건은 크게 변하지 않으나, 두께의 증가로 인해 면저항이 감소하는 경향을 확인할 수 있다.

평균 투과도와 면저항 특성이 트레이드 오프(trad-off) 특성을 보이므로 투명 전도성 박막의 전기적 광학적 특성 모두를 고려하여 그 수준을 알 수 있는 FoM을 통해 그 값을 계산한 결과, IGTO 박막의 두께가 400nm일 때 가장 우수하여 최적의 조건임을 알 수 있었다.

상기 최적화된 IGTO 성막 조건에 따라 수평 대향 타겟 스퍼터링법을 사용해 페로브스카이트 태양전지의 상부 투명 전극(160)으로 고투과도 및 저저항의 IGTO 투명전극을 하부층의 손상 없이 전자 수송층(150) 상에 성막하는 것이 가능하다.

그러나, 성막 조건은 상기 언급된 조건에만 한정 되어지는 것이 아니며, 바람직하게는 이를 통해 형성된 비정형 IGTO 상부 투명전극의 약 400nm에서 1,200nm까지 빛의 파장대에서 평균 투과도는 80% 이상, 면저항은 20Ω/□ 이하이며, 두께는 500nm이하 일 수 있다.

다음은 위 도 1 내지 도 8에 따른 태양전지 제작의 실시예이다.

<실시예1> 태양전지의 제작

단계 1: 인듐 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide)이 코팅된 유리 기판을 증류수 및 아이소프로필알코올로 세척한 후, UV-오존(ozone)으로 30분 간 처리하여 하부 투명전극을 준비하였다.

단계 2: 상기 단계 1에서 준비된 하부 투명전극의 상부면에 산화니켈(NiO) 전구체 용액을 4000 rpm의 회전속도로 40초 간 스핀코팅한 후, 280 ℃에서 1시간 동안 열처리를 하여 정공 수송층을 형성하였다.

단계 3: 상기 단계 2에서 형성된 정공 수송층의 상부면에 페로브스카이트 전구체 용액을 500rpm의 회전속도로 5초, 5000rpm의 회전속도로 45초 간 스핀코팅한 후, 120 ℃에서 10분 열처리를 하여 페로브스카이트 광 활성층을 형성하였다.

단계 4: 상기 단계 3에서 형성된 페로브스카이트 광 활성층의 상부면에 풀러렌 유도체[6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르 (PCBM) 용액을 6000 rpm의 회전속도로 50초 간 스핀코팅한 후, 100 ℃에서 20분 열처리를 하고 그 위에 산화아연(ZnO) 나노입자 용액을 500 rpm의 회전속도로 5초, 5000 rpm의 회전속도로 45초 간 스핀코팅한 후, 100 ℃에서 20분 열처리를 하여 이중으로 구성된 전자 수송층을 형성하였다.

단계 5: 상기 단계 4에서 형성된 전자 수송층의 상부면에 저온/저손상 스퍼터링 공정 장비인 수평 대향 타겟 스퍼터링 장비를 이용하여 고투과도, 저 저항을 가지는 비정형의 IGTO 투명 전극을 하부층의 손상 없이 형성하였다.

<비교예 1> 태양전지의 제작

상기 실시예 1의 단계 5에서 진공 열 증발기를 이용하여 10 Å/s 증착 속도의 열 증착으로 은(Ag) 금속 상부 전극을 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지를 제작하였다.

<비교예 2> 태양전지의 제작

상기 실시예 1의 단계 5에서 전자수송층 상부에 300 W의 인가전력으로 ITO를 스퍼터링하여 상부 투명전극을 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 태양전지를 제작하였다.

<실험예 1> X선 회절 분광법(XRD) 및 비행시간형 2차 이온 질량 분석법(ToF-SIMS) 관찰

도 9는 도 2에 도시된 상부 투명 전극 형성 단계(S250)에 해당하는 IGTO 도전막의 성막시, 수평대향 타겟 스퍼터링을 이용한 것(LFTS 성장 IGTO)과 기존의 DC(Direct Current) 스퍼터를 이용한 것(DC 스퍼터링된 IGTO)의 결정성 차이를 X선 회절 분석법(XRD:X-ray Diffraction)으로 측정한 것을 나타낸 화면예이다. 도 9를 참조하면, LFTS를 사용하여 성막한 조건의 IGTO 박막은 특정 회절각에서의 peak이 없는 모습을 보이는데 이는 특정면으로 배열된 결정 구조가 존재하지 않는 비정형 구조임을 의미한다.

이와 반대로 기존의 DC 스퍼터링 공정을 사용하여 성막한 IGTO의 경우 결정화된 산화 인듐의 (222) 면과 (400) 면에 해당하는 회절각에서의 피크(peak)가 강하게 나타나며 이는 IGTO의 주성분인 산화 인듐중 일부가 고온, 고에너지의 공정인 DC 스퍼터링 공정에서 결정화가 일어나기에 충분한 에너지를 얻어 결정화되었기 때문이다. 상기 결과를 통해, 수평 대향 타겟 스퍼터링(LFTS)으로 성막한 IGTO 박막은 비정형임을 알 수 있으며, 이는 저온/저에너지의 공정 특성에 기인한 것임을 알 수 있다.

도 10 내지 도 12는 도 2에 도시된 상부 투명 전극 형성 단계(S250)에 해당하는 IGTO 도전막을 비행시간형 2차 이온 질량 분석기(ToF-SIMS: Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)를 이용하여 분석한 구성 성분을 나타내는 것을 나타낸 그래프이다. 도 10 내지 도 12를 참조하면, 인듐[도 10]이 주가 되며, 갈륨[도 11]과 티타늄[도 12]이 첨가되어 있음을 알 수 있으며, 이들 결과에서 보이는 균일하고 무작위의 갈륨, 티타늄 peak 분포를 통해 이들 성분이전 측정 영역에서 균일하게 인듐과 치환 고용되어 있음을 알 수 있다.

<실험예 2> 태양전지의 광전변환효율 분석

본 발명에 따른 태양전지의 광전 변환 효율(Power conversion efficiency, PCE)을 확인하기 위하여, 상기 실시예 및 비교 예1과 비교 예2에서 제조된 태양전지를 솔라 시뮬레이터(Solar simulator, Newport Co)로 측정하였으며, 측정 조건은 AM 15G(1sun, 100 mW/cm2, 25℃)이다.

이에 따른, 태양전지의 개방회로전압(Open circuit voltage, VOC), 단락회로전류밀도(Short-circuit current, JSC), 곡선인자(Fill factor, FF), 광전 변환 효율(Power conversion efficiency, PCE) 값을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내고, 이를 도 9에 도시하였다.

구 분	개방회로전압 (V)	단락회로전류밀도 (mA/cm²)	곡선인자 (%)	광전변환효율 (%)
실시예	1.06	19.4	71.3	14.6
비교예 1	1.05	20.8	71.1	15.5
비교예 2	0.65	20.42	33.2	4.5

도 13은 본 발명의 일실시예 및 비교예 1과 비교예2를 통해 제작된 페로브스카이트 태양전지의 광전 변환 효율(Power conversion efficiency, PCE) 및 전류-전압(J-V) 곡선을 나타낸 그래프이다.

상기 표 1에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 고투과도 비정형 산화물 전극인 IGTO가 적용된 실시예1의 태양전지가 일반 귀금속 전극(Ag)가 적용된 비교예 1의 태양전지과 비교하였을 때 근접한 수준의 성능을 보여주었다. 실시예1의 개방회로전압값과 곡선인자값은 거의 유사하며, 태양전지가 빛을 에너지로 변환한다는 점과 비교예 1은 불투명한 상부전극으로 인해 빛이 반사되어 광흡수층에서의 광 경로가 두배로 늘어나며, 실시예가 투명한 상부전극으로 인해 그렇지 않다는 것을 고려하였을 때 실시예의 광전변환효율 및 단락회로전류밀도 모두 우수한 수치를 보여주는 것을 확인할 수 있다.

이는 실시예1의 IGTO 투명 전극이 우수한 광학적 특성을 가지면서도 동시에 금속에 비견할만한 우수한 전기적 특성을 가지기 때문이다.

또한, IGTO를 수평 대향 타겟 스퍼터링을 이용해 투명 상부 전극으로 성막하여 제조한 실시예1를 기존 ITO를 일반적인 DC 스퍼터링을 이용해 투명 상부 전극으로 성막한 비교예 2와 비교 하였을 때, 실시예1의 개방회로전압값, 곡선인자값과 광전변환효율이 모두 우수하다.

이러한 차이는 비교예 2의 경우 투명 상부 전극의 성막시에 사용한 일반적인 DC 스퍼터링 공정이 고온, 고에너지의 공정이기 때문에 하부층에 가해지는 손상으로 인한 소자의 열화가 발생하였다. 또한, 실시예1의 IGTO 성막시 사용한 수평 대향 타겟 스퍼터링 공정은 소자의 손상을 유발하지 않으면서도 뛰어난 전기적 특성을 가지는 전극을 구현 할 수 있어 우수한 태양전지 특성을 보여주는 것을 확인할 수 있다.

이를 통해 금속 전극을 대체할 수 있는 상부 투명 전극이 성공적으로 제조된 것을 확인하였다. 또한, 이를 적용한 페로브스카이트 태양전지 소자가 금속 전극을 적용한 비교예1 대비하여 비슷한 수준의 광전변환효율을 가지는 안정적이고 우수한 성능의 반투명 페로브스카이트 태양전지의 구현이 가능함을 알 수 있었다.

100: 반투명 페로브스카이트 태양전지
110: 하부 투명 기판
120: 하부 투명 전극
130: 정공 수송층
140: 광 활성층
150: 전자 수송층
160: 상부 투명 전극

Claims

반투명 페로브스카이트 태양전지에 있어서,
하부 투명 기판(110);
상기 하부 투명 기판(110)의 상부면에 형성되는 하부 투명 전극(120);
상기 하부 투명 전극(120)의 상부면에 형성되는 정공 수송층(130);
상기 정공 수송층(130)의 상부면에 형성되며, 페로브스카이트로 형성되는 광 활성층(140);
상기 광 활성층(140)의 상부면에 형성되는 전자 수송층(150); 및
상기 전자 수송층(150)의 상부면에 형성되는 상부 투명 전극(160);을 포함하며,
상기 상부 투명 전극(160)은 저온 저에너지 증착 공정을 이용하여 성막되는 고투과도 및 저저항의 비정형 산화물 도전막을 포함하는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 비정형 산화물 도전막은 산화인듐, 치환형 도펀트인 갈륨 및 티타늄을 함유하는 IGTO (Indium-Gallium-Titanium-Oxide)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 2 항에 있어서,
상기 비정형 산화물 도전막은 상기 저온 저에너지 증착 공정을 위해 수평 대향 타겟 스퍼터링 장비를 이용하여 상기 전자 수송층(150)의 상부면에 손상없이 증착되는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 2 항에 있어서,
상기 비정형 산화물 도전막은 고에너지 입자 및 전자를 포함하는 플라즈마 영역(350)이 수평으로 마주보는 2개의 타겟(340)뒤에 있는 자석(330)으로 인해 발생하는 자기장에 의해 2개의 상기 타겟(340) 사이에 구속되어 상기 전자 수송층(150)에 미치는 영향을 감소시키는 저온 저손상 공정이 가능한 수평 대향 타겟 스퍼터링 장비(300)를 사용하여 성막되는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 2 항에 있어서,
상기 IGTO는 산화 인듐으로 이루어지고 상기 치환형 도펀트인 티타늄의 함유량이 Ti/In 원자수비로 0.005-0.05인 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 2 항에 있어서,
상기 IGTO는 산화 인듐으로 이루어지고 상기 치환형 도펀트인 갈륨의 함유량이 Ga/In 원자 수비로 0.005-0.05인 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 2 항에 있어서,
상기 비정형 산화물 도전막을 이루는 비정형 산화물은 X-선 회절 측정을 통해 산화 인듐, 산화 티타늄, 및 산화 갈륨중 어느 하나의 결정상이 검출되지 않는 산화물인 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 비정형 산화물 도전막은 산소 조절하에 성막되며, 상기 저저항은 1×10^-3Ωcm 이하의 값인 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 8 항에 있어서,
상기 산소 조절은 산소 유량이 0.3sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute)인 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 비정형 산화물 도전막의 두께는 500nm 이하인 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 비정형 산화물 도전막은 400nm에서 1200nm까지의 범위의 파장에서 빛의 평균 투과도가 상기 비정형 산화물 도전막 그 자체에 대해 적어도 80% 이상인 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 정공 수송층(130)의 두께는 10 내지 300nm인 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 광 활성층(140)의 두께는 100 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 전자 수송층(150)의 두께는 10 내지 300 nm인 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 하부 투명 전극(120)은 산화 인듐 주석(ITO), 산화 불소 주석(FTO), 산화 인듐 아연(IZO), 인듐, 산화알루미늄 아연(AZO), 산화 인듐 아연 주석(IZTO), 산화 인듐 갈륨 티타늄(IGTO), 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 주석(SnO2), 산화 아연(ZnO), 산화 마그네슘(MgO)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 투명 전도성 산화물인 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 정공 수송층(130)은 Ni 산화물, Cu 산화물, CuI, CuSCN을 포함하는 금속 산화물과 Spiro-MeOTAD[2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9'-spirobifluoren], PEDOT:PSS[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)], P3HT[poly(3-hexylthiophene)], PTAA[Poly[bis(4-phenyl)(2,5,6-trimethylphenyl)amine]을 포함하는 단분자 및 고분자 물질로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 광 활성층(140)은 하기 화학식1 또는 화학식2로 표시되는 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
[화학식 1]
ABX₃
[화학식 2]
A₂BX₄
상기 화학식1 및 화학식2에서, A는 아민기가 치환되는 C1-20의 직쇄 혹은 측쇄 알킬 금속이온 또는 알칼리 금속이온 및 상기 알킬 금속이온 및 알칼리 금속이온의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1가의 양이온을 포함하고, B는 Pb²⁺, Sn²⁺,Ge²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺ 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 2가의 금속 양이온이고, X는 할로겐 음이온이다.
제 17 항에 있어서,
상기 전자 수송층(150)은 Zn산화물, In산화물, Sn산화물, Ti산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Zr산화물, V산화물, Ga산화물, Al 산화물을 포함하는 금속 산화물과 BCP[Bathocuproine], C60, ICBA[indene-C60 bisadduct], PCBM[[6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester]을 포함하는 단분자 및 고분자 물질로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지.
반투명 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법에 있어서,
(a) 하부 투명 기판(110)를 준비하는 단계;
(b) 상기 하부 투명 기판(110)의 상부면에 하부 투명 전극(120)이 형성되는 단계;
(c) 상기 하부 투명 전극(120)의 상부면에 정공 수송층(130)이 형성되는 단계;
(d) 상기 정공 수송층(130)의 상부면에 페로브스카이트로 광 활성층(140)이 형성되는 단계;
(e) 상기 광 활성층(140)의 상부면에 전자 수송층(150)이 형성되는 단계; 및
(f) 상기 전자 수송층(150)의 상부면에 상부 투명 전극(160)이 형성되는 단계;를 포함하며,
상기 상부 투명 전극(160)은 저온 저에너지 증착 공정을 이용하여 성막되는 고투과도 및 저저항의 비정형 산화물 도전막을 포함하는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
인듐 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide)이 코팅된 유리 기판을 증류수 및 아이소프로필알코올로 세척하는 단계; 및
세척된 상기 유리 기판에 UV-오존(ozone)으로 30분 간 처리하여 하부 투명전극(120)을 준비하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 하부 투명전극(120)의 상부면에 산화니켈(NiO) 전구체 용액을 4000rpm의 회전속도로 40초 간 스핀코팅하는 단계; 및
상기 산화니켈 전구체 용액을 280℃에서 1시간 동안 열처리를 하여 정공 수송층(130)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 정공 수송층(130)의 상부면에 페로브스카이트 전구체 용액을 500rpm의 회전속도로 5초, 5000rpm의 회전속도로 45초 간 스핀코팅하는 단계; 및
상기 페로브스카이트 전구체 용액을 120℃에서 10분간 열처리를 하여 광 활성층(140)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 광 활성층(140)의 상부면에 풀러렌 유도체[6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(PCBM) 용액을 6000rpm의 회전속도로 50초 간 스핀코팅하는 단계;
상기 플러렌 유도체 용액을 100℃에서 20분 열처리를 하고 상기 플러렌 유도체 용액위에 산화아연(ZnO) 나노입자 용액을 500rpm의 회전속도로 5초간, 5000rpm의 회전속도로 45초 간 스핀코팅하는 단계; 및
100℃에서 20분 열처리를 하여 전자 수송층(150)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 전자 수송층(150)은 이중 구조인 것을 특징으로 하는 고투과도 비정형 산화물 상부 전극을 갖는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.