KR20220077980A - 높은 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 높은 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 태양전지 단위 셀이 대면적화되어 상기 단위셀이 조립되어 제조된 태양전지에서 유효 면적을 증가시켜 효율이 현저히 개선된 페로브스카이트 태양전지, 및 이러한 구조를 가질 수 있도록 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 높은 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 태양전지 단위 셀이 대면적화되어 상기 단위셀이 조립되어 제조된 태양전지에서 유효 면적을 증가시켜 효율이 현저히 개선된 페로브스카이트 태양전지, 및 이러한 구조를 가질 수 있도록 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈과 환경오염, 지구온난화 문제로 인해 신재생에너지의 개발 필요성이 높아지고 있으며, 환경 친화적이고 무한 재생이 가능한 태양전지가 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
태양전지는 태양광 발전의 핵심소자이며, 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 소자로써, 변환효율을 향상시키고 제조비용을 감소시키기 위해 다양한 재료의 태양전지가 전 세계적으로 연구 개발되고 있다.
또한, 태양전지는 일반적으로 실리콘 기반의 벌크형 태양전지와 기판 상에 박막의 형태로 반도체가 형성된 박막형 태양전지가 있으며, 벌크형 태양전지는 박막형 태양전지에 비해 효율이 우수하나 공정상 두께를 최소화하는데 한계가 있으며, 고가의 반도체 기판을 이용하기 때문에 제조비용이 상승되는 문제점이 있으며, 박막형 태양전지는 얇은 두께로 제조가 가능하고 저가의 재료를 이용하여 제조비용을 감소시킬 수 있어, 최근에는 박막형 태양전지에 대한 연구가 증가되는 추세이다.
이러한 태양전지는 지상 발전용 분야뿐만 아니라 최근 소비자의 요구에 맞추어, 휴대하기 편하고 유연성이 뛰어나며, 안정적인 발전 효율을 나타내는 초경량 박막형 플렉시블 태양전지 및 그에 대한 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다.
태양전지의 효율을 높이기 위한 한가지 방법은 태양광에 노출되는 유효 면적을 증가시키는 것이다. 종래의 태양전지에서는 태양광을 받아들이기 위하여 투명한 전극을 사용하였고, 투명 전극으로는 인듐 주석산화물(ITO) 등이 있다. 이들은 금속 전극에 비하여 낮은 전기전도도를 가지기 때문에 태양전지의 단위셀의 면적이 커지면 커질수록 태양전지의 효율이 감소하게 되는 문제점이 있었다. 따라서 태양전지를 작은 면적의 단위셀로 분할하여 배치할 수밖에 없는데, 이 경우 단위 셀 간의 이격 간격 등으로 인해 유효면적이 감소하는 등 태양전지의 효율이 감소하는 문제가 있다.
따라서, 각 단위셀의 면적을 증가시킬 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 첫번째 해결하려는 과제는 단위셀을 대면적화하여도 효율 감소가 최소화되는 페로브스카이트 태양전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 두번째 해결하려는 과제는 상술한 효과를 갖는 태양전지 단위셀을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
상술한 첫번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하부 금속 전극; 보호층; 정공수송층(HTL); 페로브스카이트 광활성층; 전자수송층(ETL); 보조전극층; 및 복수의 천공을 갖는 상부 전극;이 순차적으로 적층된 복수의 단위셀이 전기적으로 연결된 페로브스카이트 태양전지로서,
상기 정공수송층과 전자수송층은 위치가 상호 치환될 수 있으며,
상기 단위셀의 면적이 30inch2이상인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 상부 전극은 그리드(grid) 형상의 천공을 갖는 금속 전극일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 단위셀의 상부면이 상기 상부 전극의 천공에 의하여 개방된 면적이 90~98%일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 보호층 및 보조전극층은 각각 독립적으로 투명 도전성 산화물(TCO)층인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 투명 도전성 산화물은 인듐 주석산화물(ITO), 플루오린 주석산화물(FTO) 및 인듐 아연산화물(IZO)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 보호층은 10~1,000mΩ/□의 면저항을 갖는 물질을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 보호층은 20㎚ 내지 200㎚의 두께를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 단위셀은 상기 하부 금속 전극과 보호층 사이에 개재된, 복수의 천공을 갖는 천공 기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 하부 금속 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 하부 금속 전극과 보호층이 합지된 하부 전극은 4-탐침법(4-point probe)로 측정한 면저항이 1×10-6 ~ 5×10-6 Ω/□을 갖는 것일 수 있다.
상술한 두번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은
1) 기재 상에 금속 페이스트를 인쇄하거나 금속 전구체를 진공 증착하여 하부 전극을 형성하는 단계;
2) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 하부 전극 상에 하여 보호층을 형성하는 단계;
3) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 보호층 상에 정공수송층(HTL)을 형성하는 단계;
4) 상기 정공수송층 상에 페로브스카이트 광감응제 용액을 도포하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계;
5) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 페로브스카이트 광활성층 상에 전자수송층(ETL)을 형성하는 단계;
6) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 전자수송층 상에 보조전극층을 형성하는 단계; 및
7) 마스킹(masking) 처리하여 진공 증착하는 마스크 증착 공정 또는 스크린 프린팅 공정에 의하여 상기 보조전극층 상에 복수의 천공을 갖는 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 단위셀의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
1) 기재 상에 금속 페이스트를 인쇄하거나 금속 전구체를 증착하여 하부 금속 전극을 형성하는 단계;
2) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 하부 금속 전극 상에 보호층을 형성하는 단계;
3) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 보호층 상에 전자수송층(ETL)을 형성하는 단계;
4) 상기 전자수송층 상에 페로브스카이트 광감응체 용액을 도포하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계;
5) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 페로브스카이트 광활성층 상에 정공수송층(HTL)을 형성하는 단계;
6) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 정공수송층 상에 보조전극층을 형성하는 단계; 및
7) 마스킹(masking) 처리하여 진공 증착하는 마스크 증착 공정 또는 스크린 프린팅 공정에 의하여 상기 보조전극층 상에 복수의 천공을 갖는 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 단위셀의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 태양전지의 제조방법은 상기 복수의 단위셀을 전기적으로 직렬 연결하여 모듈화 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지는 종래 태양전지에 비하여 대면적의 단위셀을 가지면서도 전기전도도가 우수하여 효율 감소가 최소화되며, 따라서 상기 단위셀이 조립되어 제조된 페로브스카이트 태양전지는 유효면적을 증가시킬 수 있어 효율이 현저히 개선된 장점이 있다.
도 1a는 본 발명의 일실시예 따른 태양전지의 층상 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 태양전지의 층상 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 천공을 가진 상부 전극의 천공 패턴을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 태양전지의 층상 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a는 종래 기술에 따른 태양전지의 기판 상에 전극을 형성하고 광 활성물질 전구체 용액을 코팅하기 전(좌)과 후(우)를 비교한 사진이다.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 기판 상에 전극 및 전극 보호층을 형성하고 광활성물질 전구체 용액을 코팅하기 전(좌)과 후(우)를 비교한 사진이다.
도 1b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 태양전지의 층상 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 천공을 가진 상부 전극의 천공 패턴을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 태양전지의 층상 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a는 종래 기술에 따른 태양전지의 기판 상에 전극을 형성하고 광 활성물질 전구체 용액을 코팅하기 전(좌)과 후(우)를 비교한 사진이다.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 기판 상에 전극 및 전극 보호층을 형성하고 광활성물질 전구체 용액을 코팅하기 전(좌)과 후(우)를 비교한 사진이다.
상술한 바와 같이, 종래의 태양전지는 전극 물질의 낮은 전기전도도로 인하여 단위셀을 대면적화하기 어려운 특성이 있어, 태양전지의 효율 제고에 한계가 있는 문제점이 있었다.
본 발명자는 이러한 문제를 해결하기 위하여 하기와 같은 구성을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 고안하였으며, 그에 따라서 단위셀의 면적을 현저히 증가시킬 수 있었고, 태양전지의 효율을 현저하게 향상시킬 수 있었다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 하부 금속 전극; 보호층; 정공수송층(HTL); 페로브스카이트 광활성층; 전자수송층(ETL); 보조전극층; 및 복수의 천공을 갖는 상부 전극;이 순차적으로 적층된 복수의 단위셀이 전기적으로 연결된 페로브스카이트 태양전지로서,
상기 정공수송층과 전자수송층은 위치가 상호 치환될 수 있으며,
상기 단위셀의 면적이 30inch2이상인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
본 발명의 페로브스카이트 태양전지는 상기와 같이 단위셀의 면적을 30inch2 이상의 대면적으로 함으로써 태양전지의 유효 면적을 증가시킬 수 있어 효율이 개선될 수 있다.
바람직하게는 상기 단위셀은 직사각형일 수 있다. 직사각형인 경우 대량생산 및 단위셀로 여백없이 태양전지를 채우기 유리하여 유효 면적을 증가시키는 데 좋다. 또한, 상기 단위셀은 면적이 30inch2 내지 50inch2일 수 있다. 만일 면적이 30inch2 미만인 경우에는 단위 셀 간의 이격 공간으로 인하여 유효 면적이 감소할 수 있으며, 50inch2를 초과하는 경우에는 내부 저항의 증가로 태양전지의 효율이 감소할 수 있다.
여기서, '유효 면적'이라 함은 광활성층에 입사광이 흡수될 수 있도록 노출된 면적을 의미한다.
본 발명의 태양전지의 층상 구조는 도 1a 및 도 1b를 참조하여 확인할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 층상구조를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 1b는 특히 천공 기판이 개재되어 있는 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 층상구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기판(600), 하부 금속 전극(500), 보호층(200), 정공수송층(300) 또는 전자수송층(300'), 페로브스카이트 광활성층(400), 전자수송층(300') 또는 정공수송층(300), 보조전극(200) 및 상부 전극(100)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 보호층(200) 상에 정공수송층(300)이 형성되어 있는 경우, 상기 보조전극(200)은 전자수송층(300')과 접하고, 보호층(200) 상에 전자수송층(300')이 형성되어 있는 경우, 상기 보조전극(200)은 정공수송층(300)과 접한다.
도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기판(600), 하부 금속 전극(500), 천공 기판(510), 보호층(200), 정공수송층(300) 또는 전자수송층(300'), 페로브스카이트 광활성층(400), 전자수송층(300') 또는 정공수송층(300), 보조전극(200) 및 상부 전극(100)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 만일 보호층(200) 상에 정공수송층(300)이 적층된 경우, 상기 페로브스카이트 광활성층(400) 상에는 전자수송층(300')이 적층되고, 반대로 상기 보호층(200) 상에 전자수송층(300')이 적층된 경우에는 상기 페로브스카이트 광활성층(400) 상에는 정공수송층(300)이 적층된다.
이하, 각 구성별로 더욱 상세히 설명한다.
1. 하부 금속 전극
본 발명은 하부 전극(500)을 금속 전극을 사용하며, 바람직하게는 상기 금속은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명은 종래의 페로브스카이트 태양전지가 하부 전극으로 인듐 주석산화물(ITO) 등의 투명 전극을 사용하는 대신에 금속 전극을 사용하는 바, 전기 전도도가 더 높아 효율의 감소를 최소화하면서 태양전지 단위셀의 면적을 대형화할 수 있는 장점이 있다.
바람직하게는 상기 하부 금속 전극은 두께가 1㎛ 내지 30㎛ 일 수 있다. 두께가 1㎛ 미만인 경우 저항이 증가하여 태양전지의 효율이 감소하는 문제가 있을 수 있고, 두께가 30㎛를 초과하는 경우에는 제조 비용이 증가하게 되므로 상기 범위 내에서 두께를 조절함이 바람직하다.
2. 천공 기판
본 발명은 또한 상기 하부 금속 전극(500)과 후술할 보호층(200)의 사이에 개재된 천공 기판(510)을 더 포함할 수 있다. 상기 천공 기판(510)은 천공을 통하여 하부 금속 전극(500)과 보호층(200)을 연결하며, 상기 천공 기판(510)은 페로브스카이트 전구체 용액을 투과시키지 않으며, 천공 기판을 포함하지 않는 경우에 비하여 페로브스카이트 전구체 용액과 하부 금속 전극(500)의 접촉을 더욱 감소시킬 수 있으므로, 페로브스카이트 전구체 용액에 의한 하부 금속전극 부식을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 천공 기판(510)은 바람직하게는 Glass, PET, PEN 및 PI 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 전자 소자 기판용 소재 가운데 당업계에 일반적으로 사용되는 물질 중에서 택할 수 있다.
상기 천공 기판(510)은 기판에 복수의 천공을 포함할 수 있으며, 상기 천공 내에는 전극 소재가 채워질 수 있다. 천공은 전극과 전극 보호층의 전기적 연결을 위한 공간 제공 및 지지 역할을 하며, 바람직하게는 지름 100㎛ 내지 1000㎛의 원형을 갖고 그리드형(grid)으로 배치될 수 있다.
상기 천공은 상기 천공 기판(510) 전체 면적 대비 바람직하게는 20 내지 40%의 면적을 차지할 수 있다. 만일 천공의 면적이 20% 미만인 경우 저항 증가의 문제가 있을 수 있다. 반대로 천공의 면적이 40%를 초과하는 경우 페로브스카이트 박막 태양전지 형성을 위한 기판으로서의 역할에 문제가 있을 수 있다.
또한, 상기 천공 기판(510)의 두께는 바람직하게는 100㎛ 내지 1mm일 수 있다. 만일 상기 천공 기판의 두께가 100㎛ 미만인 경우에는 저항 발생으로 인한 효율 감소 문제가 있을 수 있고, 1mm를 초과하는 경우에는 제조 비용이 증가하게 되므로 상기 범위 내에서 두께를 조절함이 바람직하다.
상기 천공은 바람직하게는 레이저 천공(LASER opening), 포토레지스트(photoresist) 등의 공정을 사용하여 형성할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
3. 보호층
또한, 본 발명의 태양 전지는 전자수송층(300') 또는 정공수송층(300)과 상기 하부 전극(500) 사이에 개재된 보호층(200)을 포함한다.
본 발명의 태양 전지는 종래의 태양전지와 달리 하부 전극을 투명 산화물 대신 금속 전극을 사용하는 바, 페로브스카이트 광활성층(400) 형성 시, 전구체 용액을 도포할 때 할라이드(halide) 성분이 금속 전극(500)을 부식시키는 문제가 있을 수 있으므로, 이를 보호하기 위한 코팅층의 역할을 한다.
따라서, 상기 보호층(200)은 바람직하게는 투명 도전성 산화물(TCO, Transparent Conductive Oxide)일 수 있으나, 할라이드 성분으로부터 금속 전극을 보호할 수 있고, 도전성이 있는 물질 중에서 선택 가능하다. 가령 면저항 10 내지 1,000Ω/□인 물질 중에서 선택할 수 있다.
구체적인 예에는 인듐 주석 산화물(ITO, Indium Tin Oxide), 플루오린 주석 산화물(FTO, Fluorine Tin Oxide), 인듐 아연 산화물(IZO, Indium Zinc Oxide), 전도성 고분자 및 그래핀(graphene)으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
상기 보호층(200)은 바람직하게는 ITO층일 수 있다.
또한, 상기 보호층(200)은 바람직하게는 20㎚ 내지 200㎚의 두께를 가질 수 있다. 만일 보호층(200)의 두께가 20㎚ 미만인 경우 하부 금속 전극에 대한 보호 효과가 충분하지 않을 수 있고, 두께가 200㎚를 초과하는 경우에는 광 손실이 증가하여 태양전지의 효율이 감소하는 문제가 있을 수 있다.
상기 보호층(200)은 예컨대 상기 하부 금속 전극(500) 상에 TCO 패터닝(TCO patterning)하는 방식으로 형성할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
4. 정공수송층 및 전자수송층
정공수송층(HTL, Hole Transport Layer)(300) 및 전자수송층(ETL, Electron Transport Layer)(300')은 광활성층에서 발생한 정공과 전자를 각각 전극으로 전달하는 역할을 한다.
정공수송층(300)과 전자수송층(300')은 서로 위치가 반대일 수 있으며, 그 경우 태양전지에서 전자와 정공의 흐름이 반대가 될 수 있다.
정공수송층(300) 또는 전자수송층(300')은 상기 보호층(200)과 상기 페로브스카이트 광활성(400)층 사이에 개재될 수 있다.
전자수송층(300') 및 정공수송층(300)의 전자 수송 물질 및 정공 수송 물질은 각각 페로브스카이트 태양전지에 일반적으로 사용되는 것 중에서 선택할 수 있으며, 각 층의 두께 또한, 당업계에서 일반적으로 사용되는 범위 내로 조절 가능하다.
전자 수송물질은 예컨대 플러렌 유도체를 사용할 수 있으며, 구체적으로는 [6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸에스테르(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM)이 있다. 또한, PBD, TAZ, spiro-PBD와 같은 고분자, Alq3, BAlq, SAlq와 같은 저분자 물질도 사용할 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 정공 수송물질은 예컨대 단분자 정공 전달 물질 또는 고분자 정공 전달 물질을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로 상기 단분자 정공 전달 물질은 spiro-MeOTAD [2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxy-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene]을 사용할 수 있고, 상기 고분자 정공 전달 물질로서는 P3HT [poly(3-hexylthiophene)]를 사용할 수 있다.
또한, 정공 수송층(300)에는 도핑 물질로서 Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 도펀트를 사용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예컨대, 상기 정공 전달 물질로서, spiro-MeOTAD, tBP, Li-TFSI의 혼합물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
5. 페로브스카이트 광활성층
페로브스카이트 광활성층(400)은 광전 효과에 의하여 광에너지로부터 전자 및 정공을 발생시켜 전자수송층 및 정공수송층으로 전달하는 역할을 하며, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 광감응체를 포함하는 층이다.
페로브스카이트 광감응체의 종류, 광활성층의 두께는 각각 당업계에서 일반적으로 사용되는 종류 및 범위 내에서 선택 가능하다.
페로브스카이트 광활성층(400)은 상기 정공수송층(300) 또는 전자수송층(300') 상에 페로브스카이트 광감응체 용액을 코팅하여 제조할 수 있다. 코팅 방법은 바람직하게는 스핀 코팅일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
6. 보조전극층
보조전극층(200)은 상부전극(100)에 대한 보조전극일 수 있다. 구체적으로는 보조전극층은 태양전지로부터 발생하는 전자 및 전공을 금속 전극까지 이동하는 통로를 제공함으로써 태양전지로부터 발생하는 전자 및 정공을 상부 전극(100)에 수집하는 것을 보완하는 역할을 한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 보조전극층(200)은 10~1,000 Ω/□의 면저항을 가지며, 보조전극층이 없는 경우, 상대적으로 저항이 큰 정공수송층(300) 및 전자수송층(300')에 의하여 전류가 흐르기 어려워 상부 전극(100)에 전자 및 정공의 수집이 어려워지는 문제가 있을 수 있다.
보조전극층(200)은 바람직하게는 투명 도전성 산화물(TCO)을 포함할 수 있으며, 상기 TCO는 상기 보호층(200)과 동일한 물질일 수 있다.
보조전극층(200)은 상기 페로브스카이트 광활성층(400) 상의 전자수송층(300') 또는 정공수송층(300) 상에 상기 보호층(200)과 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 그러나, 형성 방법은 반드시 이에 한정되지 않고, TCO 물질층을 형성하는 태양전지 분야의 일반적인 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
7. 상부전극
상부 전극(100)을 통하여 광이 입사하게 되며, 상기 하부 전극(500)을 투명 전극으로 하는 대신에 금속 전극으로 함으로써 수광이 불가능해진 대신 상기 상부 전극(100)을 통하여 광이 입사하기 때문에 상부 전극(100)은 천공을 가져 유효 면적을 확보하는 형태로 한다. 상기 천공은 바람직하게는 그리드(grid) 형상으로 형성될 수 있다. 그리드 형상은 대량 생산에 유리한 장점이 있다. 또한, 상기 상부 전극의 천공 면적은 단위셀을 기준으로 전체의 90% 이상, 바람직하게는 90% 내지 98%일 수 있다.
만일 천공 면적의 비율이 90% 미만인 경우, 유효 면적이 감소하여 태양전지의 효율이 나빠질 수 있으며, 반대로 천공 면적의 비율이 98%를 초과하는 경우 전극의 단면적이 감소하여 저항이 증가하게 되는 바, 오히려 효율이 감소할 수 있다.
상기 상부 전극(100)은 바람직하게는 금속 전극일 수 있다. 상부(100) 및 하부 전극(500)을 모두 금속 전극으로 함으로써 태양 전지 단위셀의 면적이 대면적화됨에 따른 효율의 감소를 최소화하는 장점이 있다.
상기 상부 전극(100)은 바람직하게는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 오스뮴(Os), 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 것일 수 있다. 그러나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 상부 전극(100)의 천공은 상기 보조전극(200) 상에 마스킹(masking) 처리한 후 상부 전극 전구체를 진공 증착하는 마스크 증착 공정 또는 스크린 패턴을 이용하여 프린팅하는 스크린 프린팅 공정에 의하여 형성될 수 있다. 특히, 스크린 프린팅 공정에 따라서 전극을 형성하는 경우 상부 전극의 두께를 용이하게 조절할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 반드시 이것에 한정하는 것이 아니며, 당업계에서 태양전지의 금속을 형성하는 일반적인 방법을 채택할 수 있다.
상기 상부 전극(100)은 바람직하게는 금속 전극일 수 있다.
마스킹 공정, 진공 증착 공정, 스크린 프린팅 공정의 수행 방법은 당업계에 알려진 일반적인 방법을 사용하여 수행할 수 있다.
상술한 두번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은
1) 기재 상에 금속 페이스트를 인쇄하거나 금속 전구체를 증착하여 하부 금속 전극을 형성하는 단계;
2) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 하부 금속 전극 상에 보호층을 형성하는 단계;
3) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 보호층 상에 정공수송층(HTL)을 형성하는 단계;
4) 상기 정공수송층 상에 페로브스카이트 광감응체 용액을 도포하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계;
5) 상기 광활성층 상에 전자 수송층 용액을 도포하거나 또는 전자 수송층 전구체를 증착하여 전자 수송층을 형성하는 단계;
6) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 전자수송층 상에 보조전극층을 형성하는 단계; 및
7) 마스킹(masking) 처리하여 진공 증착하는 마스크 증착 공정 또는 스크린 프린팅 공정에 의하여 상기 보조전극층 상에 복수의 천공을 갖는 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 단위셀의 제조방법을 제공한다.
상기 각 단계에서의 증착 공정은 바람직하게는 화학 기상 증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 또는 열증착이나 스퍼터링과 같은 물리 기상 증착(PVD, Physical Vapor Deposition) 공정일 수 있다.
상기 각 단계에서의 인쇄 공정은 바람직하게는 스크린 프린팅 공정일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것이 아니고 태양전지 분야에서 일반적으로 사용되는 인쇄 공정 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지는 상술한 바와 같은 구성을 가질 수 있도록 상술한 바와 같은 제조방법을 통해 제조될 수 있으며, 구체적으로는 아래와 같은 순차적인 단계를 거쳐 제조될 수 있다.
1) 기재 상에 금속 페이스트를 인쇄하거나 금속 전구체를 증착하여 하부 전극을 형성하는 단계;
2) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 하부 전극 상에 보호층을 형성하는 단계;
3) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 보호층 상에 정공수송층(HTL)을 형성하는 단계;
4) 상기 정공수송층 상에 페로브스카이트 광감응체 용액을 도포하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계;
5) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 광활성층 상에 전자 수송층 (ETL)을 형성하는 단계;
6) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 전자수송층 상에 보조전극층을 형성하는 단계; 및
7) 마스킹(masking) 처리하여 진공 증착하는 마스크 증착 공정 또는 스크린 프린팅 공정에 의하여 상기 보조전극층 상에 복수의 천공을 갖는 상부 전극을 형성하는 단계.
여기서, 전자 수송층과 정공 수송층은 서로 위치가 반대가 될 수 있다. 즉, 전자 수송층 위치에 정공 수송층이 구비되고, 정공 수송층 위치에 전자 수송층이 구비될 수 있다. 이 경우는 하기와 같은 순서의 단계를 거쳐 제조될 수 있다.
1) 기재 상에 금속 페이스트를 인쇄하거나 금속 전구체를 증착하여 하부 전극을 형성하는 단계;
2) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 하부 전극 상에 보호층을 형성하는 단계;
3) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 보호층 상에 전자 수송층(HTL)을 형성하는 단계;
4) 상기 전자수송층 상에 페로브스카이트 광감응체 용액을 도포하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계;
5) 상기 광활성층 상에 정공 수송층 용액을 도포 또는 정공 수송층 전구체를 증착하여 정공 수송층 (HTL)을 형성하는 단계;
6) 상기 정공수송층 상에 보조전극층을 형성하는 단계; 및
7) 마스킹(masking) 처리하여 진공 증착하는 마스크 증착 공정 또는 스크린 프린팅 공정에 의하여 상기 보조전극층 상에 복수의 천공을 갖는 상부 전극을 형성하는 단계.
이에 따른 효과 및 각 층의 구성에 관한 상세한 내용은 상술한 태양전지의 구성에 대하여 설명한 바와 같으므로 생략한다.
이상에서는 첨부된 도면과 구체적인 구현예를 기준으로 본 발명을 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명의 범위가 이들 구현예로 한정되는 것은 아니며, 당업자는 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 구성을 부가, 변경 또는 삭제하여 실시할 수 있을 것이다.
1000: 태양 전지
2000: 태양 전지
100: 상부 전극
110: 금속 전극
200: 투명 전도층
210: 투명 전도층
300: 전자수송층
310: 전자수송층
300': 정공수송층
310': 정공수송층
400: 페로브스카이트 광활성층
500: 금속 전극
510: 천공 기판
600: 기판
2000: 태양 전지
100: 상부 전극
110: 금속 전극
200: 투명 전도층
210: 투명 전도층
300: 전자수송층
310: 전자수송층
300': 정공수송층
310': 정공수송층
400: 페로브스카이트 광활성층
500: 금속 전극
510: 천공 기판
600: 기판
Claims (12)
- 하부 금속 전극; 보호층; 정공수송층(HTL); 페로브스카이트 광활성층; 전자수송층(ETL); 보조전극층; 및 복수의 천공을 갖는 상부 전극;이 순차적으로 적층된 복수의 단위셀이 전기적으로 연결된 페로브스카이트 태양전지로서,
상기 정공수송층과 전자수송층은 위치가 상호 치환될 수 있으며,
상기 단위셀의 면적이 30inch2이상인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 상부 전극은 그리드(grid) 형상의 천공을 갖는 금속 전극인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
- 제2항에 있어서,
상기 단위셀의 상부면이 상기 상부 전극의 천공에 의하여 개방된 면적이 90~98%인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 보호층 및 보조전극층은 각각 독립적으로 투명 도전성 산화물(TCO)층인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
- 제4항에 있어서,
상기 투명 도전성 산화물은 인듐 주석산화물(ITO), 플루오린 주석산화물(FTO) 및 인듐 아연산화물(IZO)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 보호층은 10~1,000mΩ/□의 면저항을 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 보호층은 20㎚ 내지 200㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 단위셀은 상기 하부 금속 전극과 보호층 사이에 개재된, 복수의 천공을 갖는 천공 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 하부 금속 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 금(Au)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 하부 금속 전극과 보호층이 합지된 하부 전극은 4-탐침법(4-point probe)로 측정한 면저항이 1×10-6 ~ 5×10-6 Ω/□의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
- 1) 기재 상에 금속 페이스트를 인쇄하거나 금속 전구체를 증착하여 하부 금속 전극을 형성하는 단계;
2) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 하부 전극 상에 보호층을 형성하는 단계;
3) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 보호층 상에 정공수송층(HTL)을 형성하는 단계;
4) 상기 정공수송층 상에 페로브스카이트 광감응체 용액을 도포하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계;
5) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 페로브스카이트 광활성층 상에 전자수송층(ETL)을 형성하는 단계;
6) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 전자수송층 상에 보조전극층을 형성하는 단계; 및
7) 마스킹(masking) 처리하여 진공 증착하는 마스크 증착 공정 또는 스크린 프린팅 공정에 의하여 상기 보조전극층 상에 복수의 천공을 갖는 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 단위셀의 제조방법.
- 1) 기재 상에 금속 페이스트를 인쇄하거나 금속 전구체를 증착하여 하부 금속 전극을 형성하는 단계;
2) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 하부 금속 전극 상에 보호층을 형성하는 단계;
3) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 보호층 상에 전자수송층(ETL)을 형성하는 단계;
4) 상기 전자수송층 상에 페로브스카이트 광감응체 용액을 도포하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계;
5) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 페로브스카이트 광활성층 상에 정공수송층(HTL)을 형성하는 단계;
6) 진공 증착 또는 인쇄 공정으로 상기 정공수송층 상에 보조전극층을 형성하는 단계; 및
7) 마스킹(masking) 처리하여 진공 증착하는 마스크 증착 공정 또는 스크린 프린팅 공정에 의하여 상기 보조전극층 상에 복수의 천공을 갖는 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 단위셀의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200166577A KR20220077980A (ko) | 2020-12-02 | 2020-12-02 | 높은 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200166577A KR20220077980A (ko) | 2020-12-02 | 2020-12-02 | 높은 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지 및 그 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20220077980A true KR20220077980A (ko) | 2022-06-10 |
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ID=81986573
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| KR (1) | KR20220077980A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10069025B2 (en) | 2012-09-18 | 2018-09-04 | Oxford University Innovation Limited | Optoelectronic device |
-
2020
- 2020-12-02 KR KR1020200166577A patent/KR20220077980A/ko unknown
Patent Citations (1)
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