KR20230061631A - A photo-rechargeable battery having a photochromic layer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 배터리 일체형 디바이스에 관한 것으로서, 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치한 전해질; 상기 제1 전극 상에 형성되는 페로브스카이트 소재의 광흡수저장층; 및 상기 제1 전극 및 상기 광흡수저장층 사이에 구비되어, 전자수송층 및 정공수송층의 기능을 선택적으로 수행하는 광변색(photochromic)물질을 구비하는 광변색물질층을 포함한다.The present invention relates to a solar battery-integrated device, comprising: a first electrode; a second electrode facing the first electrode; an electrolyte positioned between the first electrode and the second electrode; a light absorption and storage layer made of a perovskite material formed on the first electrode; and a photochromic material layer provided between the first electrode and the light absorption and storage layer and including a photochromic material that selectively performs functions of an electron transport layer and a hole transport layer.
Description
본 발명은 태양전지 배터리 일체형 디바이스에 관한 것으로, 상세하게는 효율성을 향상시킨 태양전지와 배터리가 일체화된 구조의 태양전지-배터리 일체형 디바이스에 관한 것이다The present invention relates to a solar cell-battery integrated device, and more particularly, to a solar cell-battery integrated device having a structure in which a solar cell and a battery are integrated with improved efficiency.
근래의 고용량 소형 배터리 기술의 필요에 따라, 에너지 밀도가 높은 2차전지의 사용이 증대되고, 그에 따라 2 차전지의 성능 개선을 위한 다양한 연구가 개발되고 있다. 이러한 2차전지를 전원 공급을 위해 주기적으로 소정 시간 동안 충전을 해주어야 하는 불편함을 가진다. In accordance with the recent need for high-capacity small battery technology, the use of secondary batteries with high energy density is increasing, and accordingly, various researches for improving the performance of secondary batteries are being developed. It is inconvenient to periodically charge such a secondary battery for a predetermined time to supply power.
이러한 이유로, 대한민국특허 제10-2003-0081250호는 광전지 패널과 충전배터리를 일체화한 광전지 충전배터리를 개시한다. 하지만 광전지 패널과 충전배터리는 개별적으로 구성되며, 광전지 패널과 충전배터리가 실질적으로 일체화되어 있지 않아 소형화가 어렵고 효율성이 떨어진다. For this reason, Korean Patent No. 10-2003-0081250 discloses a photovoltaic rechargeable battery in which a photovoltaic panel and a rechargeable battery are integrated. However, since the photovoltaic panel and the rechargeable battery are individually configured, and the photovoltaic panel and the rechargeable battery are not substantially integrated, miniaturization is difficult and efficiency is reduced.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 소형화가 가능하며, 효율성을 향상시킨 태양전지 배터리 일체형 디바이스를 제공하는 것에 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a solar cell battery-integrated device capable of miniaturization and improving efficiency.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 배터리 일체형 디바이스는, 상기 제1 전극에 대향하는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치한 전해질; 상기 제1 전극 상에 형성되는 페로브스카이트 소재의 광흡수저장층; 및 상기 제1 전극 및 상기 광흡수저장층 사이에 구비되어, 전자수송층 및 정공수송층의 기능을 선택적으로 수행하는 광변색(photochromic)물질을 구비하는 광변색물질층을 포함한다.In order to solve the above problem, a solar cell battery-integrated device according to an embodiment of the present invention includes a second electrode facing the first electrode; an electrolyte positioned between the first electrode and the second electrode; a light absorption and storage layer made of a perovskite material formed on the first electrode; and a photochromic material layer provided between the first electrode and the light absorption and storage layer and including a photochromic material that selectively performs functions of an electron transport layer and a hole transport layer.
또한 실시예에 있어서, 상기 전해질은, 고체전해질 및 액체전해질 중 어느 하나로 구비되고, 상기 전해질이 액체전해질인 경우, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이를 분리하는 세퍼레이터를 더 포함한다.In an embodiment, the electrolyte is provided with any one of a solid electrolyte and a liquid electrolyte, and when the electrolyte is a liquid electrolyte, the electrolyte further includes a separator separating the first electrode and the second electrode.
또한 실시예에 있어서, 상기 광변색물질은 광 및 열에 의해 서로 가역적으로 변환되는 적어도 2개의 이성질체를 포함하고, 상기 제1 이성질체의 LUMO 에너지 준위는 상기 제1 전극의 일함수 내지 상기 광흡수저장층의 LUMO 에너지 준위 사이에 위치하고, 상기 제2 이성질체의 HOMO 에너지 준위는 상기 광흡수저장층의 HOMO 에너지 준위 내지 상기 제1 전극의 일함수 사이에 위치한다.In another embodiment, the photochromic material includes at least two isomers that are reversibly converted to each other by light and heat, and the LUMO energy level of the first isomer is a work function of the first electrode to the light absorption and storage layer , and the HOMO energy level of the second isomer is located between the HOMO energy level of the light absorption and storage layer and the work function of the first electrode.
또한 실시예에 있어서, 제1 이성질체의 LUMO에너지 준위는 -4.7eV 내지 -3.9eV 사이에 위치하고, 제2 이성질체의 HOMO에너지 준위는 -5.4eV 내지 -4.7eV 사이에 위치한다.Also in the embodiment, the LUMO energy level of the first isomer is located between -4.7eV and -3.9eV, and the HOMO energy level of the second isomer is located between -5.4eV and -4.7eV.
또한 실시예에 있어서, 상기 제1 이성질체는 전자수송층의 기능을 수행하고, 상기 제2 이성질체는 정공수송층의 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.In another embodiment, the first isomer functions as an electron transport layer, and the second isomer functions as a hole transport layer.
또한 실시예에 있어서, 상기 광변색물질층의 일면은 상기 제1 전극과 인접하게 구비되고, 배면은 상기 광흡수저장층에 인접하게 구비된다.In another embodiment, one surface of the photochromic material layer is provided adjacent to the first electrode, and a rear surface is provided adjacent to the light absorption and storage layer.
또한 실시예에 있어서, 상기 광변색물질은 스피로피란계(spiropyrane), 스피로나프톡사진계(spironaphthoxazines), 나프토피란계(naphthopyrans), 풀자이드계(fulgides), 디아릴에텐계(diarylethenes), 디하이드로피리딘계(dihydropyridine) 및 아조벤젠계(azobenzene derivatives)로 구성된 군에서 선택될 수 있다. In another embodiment, the photochromic material is spiropyrane, spironaphthoxazines, naphthopyrans, fulgides, diarylethenes, diarylethenes, It may be selected from the group consisting of dihydropyridine and azobenzene derivatives.
본 발명에 따르면, 태양전지 배터리 일체형 디바이스는 광 조사시 전력생산이 가능하며, 전력을 자체적으로 저장할 있어 경량화 및 소형화가 가능하다. According to the present invention, the solar cell-battery-integrated device can generate electric power when light is irradiated, and can store the electric power itself, making it possible to reduce the weight and size.
본 발명에 따르면 태양전지 배터리 일체형 디바이스는, 제1 전극과 광흡수저장층 사이에 광변색물질층을 구비함으로써, 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 성능을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, the photochromic material layer is provided between the first electrode and the light absorption and storage layer, so that the performance of the solar cell and battery integrated device can be improved.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 배터리 일체형 디바이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1a에 도시된 광흡수저장층의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 광흡수저장층과 제1 전극 사이에 정공수송층이 구비된 경우와 광흡수저장층과 제1 전극 사이에 정자수송층이 구비된 경우의 문제점을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 도 1a에 도시된 광변색물질층의 에너지 준위를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 1a에 도시된 광변색물질층의 일 예로서, 스피로피란(spiropyran)계의 이성질체를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 도 5에 도시된 SP형태 및 H-PMC형태의 스피로피란계의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 1a에 도시된 광변색물질층의 동작과정을 설명하기 위한 도면이다.1A and 1B are views for explaining a solar cell-battery integrated device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining the structure of the light absorption and storage layer shown in FIG. 1A.
3A and 3B are cross-sectional views illustrating problems in the case where the hole transport layer is provided between the light absorption and storage layer and the first electrode and the case where the sperm transport layer is provided between the light absorption and storage layer and the first electrode.
FIG. 4 is a diagram for explaining energy levels of the photochromic material layer shown in FIG. 1A.
FIG. 5 is an example of the photochromic material layer shown in FIG. 1A, and is a view for explaining spiropyran-based isomers.
FIG. 6 is a view for explaining the characteristics of the SP type and H-PMC type spiropyran system shown in FIG. 5.
FIG. 7 is a diagram for explaining an operation process of the photochromic material layer shown in FIG. 1A.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. In the accompanying drawings, there may be components that are shown to have a specific pattern or have a predetermined thickness, but this is for convenience of description or distinction, so even if they have a specific pattern and predetermined thickness, the present invention is a feature of the illustrated components It is not limited to only
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 배터리 일체형 디바이스를 설명하기 위한 도면이다. 1A and 1B are views for explaining a solar cell-battery integrated device according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 태양전지 배터리 일체형 디바이스에서 전해질(140)은 액체전해질 또는 고체전해질로 구비된다. 도 1a에서의 전해질(150)은 액체전해질이며, 양이온을 통과시키고 전자를 차단하기 위해 세퍼레이터(140)를 포함한다. 한편 도 1b에서의 전해질(150)은 고체전해질이며, 고체전해질은 도 1a에서의 액체전해질의 기능 및 세퍼레이터(140)의 기능을 모두 포함하며, In the solar battery-integrated device of the present invention, the
도 1a를 참조하면, 태양전지 배터리 일체형 디바이스(100)는 기판(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 세퍼레이터(140), 전해질(150), 광변색물질층(160), 광흡수저장층(170)을 포함한다. 여기서 전해질(150)은 액체전해질이다.Referring to FIG. 1A , the solar cell-battery integrated
그리고 도 1b를 참조하면, 태양전지 배터리 일체형 디바이스(100)는 기판(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 전해질(150), 광변색물질층(160), 광흡수저장층(170)을 포함한다. 여기서 전해질(150)은 고체전해질이며 세퍼레이터의 기능도 포함한다.Referring to FIG. 1B, the solar battery-integrated
이하 도 1a를 참조하여 전해질이 액체전해질을 전해질로 갖는 태양전지 배터리 일체형 디바이스에 대해 설명하고, 도 1b에 대한 설명은 도 1a에 대한 설명과 중복되므로 설명을 생략한다. Hereinafter, a solar cell battery-integrated device having a liquid electrolyte as an electrolyte will be described with reference to FIG. 1A, and a description of FIG. 1B is omitted because it overlaps with the description of FIG. 1A.
기판(110)은 디바이스 전체를 지지하며, 광을 투과시키는 기능을 수행한다. The
기판(110) 상에 제1 전극(120), 정공전자수송층(160), 광흡수저장층(170), 세퍼레이터(140), 제2 전극(130)이 순차적으로 적층되며, 제1 전극(120)과 제2 전극(130) 사이에는 전해질(150)이 개재된다. A
기판(110)은 광을 투과시킬 수 있는 소재를 포함한다. 기판(110)을 투과한 광은 광흡수저장층(170)에 제공된다. The
기판(110)은 광의 투과가 가능한 유리, 플라스틱, 플라스틱 필름 중 어느 하나의 소재를 포함한다. The
이때 플라스틱 필름은 화학정안정성, 기계적강도, 투명도, 유연성이 높은 소재로 형성될 수 있다. 플라스틱 필름은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥 시메틸렌(POM), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에테르이미드(PEI) 중 적어도 어느 하나의 소재를 포함할 수 있다. In this case, the plastic film may be formed of a material having high chemical stability, mechanical strength, transparency, and flexibility. Plastic films include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), polystyrene (PS), polypropylene (PP), polyimide (PI), polyethylene sulfonate (PES), and polyocene. It may include at least one material of simethylene (POM), polyether ether ketone (PEEK), polyether sulfone (PES), and polyetherimide (PEI).
제1 전극(120)은 기판(110) 상에 형성되며, 광흡수저장층(170)의 전자이동에 관여한다. The
제1 전극(120)은 기판(110)을 투과한 광이 광흡수저장층(170)에 도달되도록 투명한 전도성 금속산화물을 포함한다. The
투명한 전도성 금속산화물은 산화주석인듐(indium tin oxide, ITO), 불소함유 산화주석 (fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(aluminium doped zink oxide, AZO), IZO (indium zinc oxide), ZnO-Ga2O3, ZnOAl2O3 및 ATO (antimony tin oxide) 등이 될 수 있다.Transparent conductive metal oxides include indium tin oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (FTO), aluminum doped zink oxide (AZO), and indium zinc oxide (IZO). , ZnO-Ga2O3, ZnOAl2O3 and antimony tin oxide (ATO).
제2 전극(130)은 충전가능한 이차전지의 양극 또는 음극이 될 수 있으며, 충전극이 양극인 경우, 양이온을 제공할 수 있는 리튬금속이나 리튬을 포함한 산화물(LiCoO2, LiNiCoMnO2, LiMnO2, LiFeO4)을 포함할 수 있고, 음극일 경우 흑연(graphite)을 포함할 수 있다.The
세퍼레이터(140)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)을 물리적으로 분리하며, 양이온은 통과시키고, 전자의 이동은 차단한다The
전해질(150)은 광흡수저장층(170)과 제2 전극(130) 사이에서 양이온이 이동할 수 있게 한다. 전해질은 공지의 액체전해질, 겔폴리머 전해질, 고체전해질 중 어느 하나로 구비될 수 있다. 전해질(150)이 고체전해질의 경우, 세퍼레이터(140)는 생략될 수 있다.The
한편 전해질의 경우, 광산란입자를 포함할 수 있다. 광산란입자는 투명한 재질을 포함하며, 광흡수저장층(170)에 흡수되지 못하고 투과하여 전해질(150)에 도달한 광을 산란시켜 산란된 광의 일부를 광흡수저장층(170)으로 되돌림으로써 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 효율을 증가시킬 수 있다.Meanwhile, the electrolyte may include light scattering particles. The light-scattering particles include a transparent material, scatter light that is not absorbed by the light absorption and
광흡수저장층(170)은 광을 흡수하여 홀전자쌍을 생성하여 도선을 통해 전자를 제2 전극(130)에 제공하며, 제2 전극(130)으로부터 전해지(150)을 통해 제공되는 양이온을 저장하거나 전해질(150)을 통해 제2 전극(130)에 양이온을 제공하는 기능을 수행한다. The light
광흡수저장층(170)은 광활성물질, 도전재 및 바인더를 포함한다. The light absorption and
도전재는 흑연, 기상탄화탄소섬유(Vapor Grown Carbon fibers), 케첸 블랙(Ketjen black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 다중벽탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube), 메조기공탄소(Ordered Mesoporous Carbon)로 이루어진 군에서 선택된다. The conductive material is graphite, vapor grown carbon fibers, Ketjen black, Denka black, acetylene black, carbon black, carbon nanotube, multi-walled carbon nanotube -Walled Carbon Nanotube) and mesoporous carbon (Ordered Mesoporous Carbon).
바인더는 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐에테르, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리헥사플루오르프로필렌-폴리비닐리덴플루오라이드 코폴리머, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴 및 카르복실메틸셀룰로오스(CMC), 열가소성 폴리에스테르 수지 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다. The binder is polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl ether, polymethyl methacrylate, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene-polyvinylidene fluoride copolymer , polyethyl acrylate, polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile and carboxylmethylcellulose (CMC), thermoplastic polyester resins, and mixtures thereof.
광흡수저장층(170)의 광활성물질은 양이온 저장기능 및 광전변환기능을 갖는 페로브스카이트 소재를 포함할 수 있다. The photoactive material of the light absorption and
페로브스카이트 소재는 ABX3로 나타낼 수 있고, A는 메틸암모늄, 포르마미디늄, 페닐아민, 페닐메틸아민, 페닐에틸아민 및 세슘 중 적어도 하나이고, B는 Pb 및 Sn 중 어느 하나이고, X는 I, Br 및 Cl 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 페로브스카이트 소재를 예를 들어 설명하였지만, 이에 제한되는 것은 아니다. The perovskite material can be represented by ABX 3 , A is at least one of methylammonium, formamidinium, phenylamine, phenylmethylamine, phenylethylamine and cesium, B is any one of Pb and Sn, X may consist of any one of I, Br and Cl. Although the perovskite material has been described as an example, it is not limited thereto.
도 2는 도 1a에 도시된 광흡수저장층의 구조를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a view for explaining the structure of the light absorption and storage layer shown in FIG. 1A.
도 2를 참조하면, 광흡수저장층(170)이 층상구조인 경우, 세퍼레이터(140)를 통과한 양이온은 광전극(130)의 층간에서 저장/방출될 수 있다. 광흡수저장층(170)이 3차원 구조인 페로브스카이트 소재를 포함하는 경우, 페로브스카이트 소재를 제1 전극(120)에 층상구조로 배열하여 다시 2차원 구조를 중첩하여 형성할 수 있다. 아울러, 본 실시예와 같이 광흡수저장층(170)의 층상구조 내부에 양이온과 정전기적 인력결합 가능한 관능기(171)가 포함되면, 광흡수저장층(170)의 양이온의 저장효율을 추가적으로 더 높일 수 있다.Referring to FIG. 2 , when the light absorption and
일반적으로 태양전지의 경우, 발전능력은 있지만 저장능력이 없어서, 광충전에 의해 발생한 전력을 저장할 별도의 배터리가 필요하다. 본 발명의 경우, 광흡수저장층이 광을 흡수하여 광전효과를 일으킬 뿐만 아니라 양이온의 저장 및 방출을 통해 저장능력도 구비함으로써 별도의 배터리가 필요하지 않게 된다.In general, in the case of a solar cell, a separate battery is required to store the power generated by photocharging because it has power generation capability but no storage capability. In the case of the present invention, the light absorption and storage layer not only absorbs light to cause a photoelectric effect, but also has a storage capability through storage and release of positive ions, so that a separate battery is not required.
도 3a는 광흡수저장층과 제1 전극 사이에 정공수송층이 구비된 경우의 문제점을 설명하기 위한 도면이고, 도 3b는와 광흡수저장층과 제1 전극 사이에 전자수송층이 구비된 경우의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.Figure 3a is a view for explaining the problem when a hole transport layer is provided between the light absorption storage layer and the first electrode, Figure 3b is a view for explaining the problem when the electron transport layer is provided between the light absorption storage layer and the first electrode It is a drawing for explanation.
정공수송층(HTL), 전자수송층(ETL) 등은 태양전지, 발광다이오드 등에 주로 사용되어 전자 또는 정공의 일방향으로의 이동도를 향상시킨다. 태양전지나 발광다이오드의 경우, 전자 또는 정공은 일방향으로만 이동하므로, 정공수송층(HTL)이나 전자수송층(ETL)을 이용하여 전자 또는 정공의 이동도를 향상시킬 수 있다.A hole transport layer (HTL), an electron transport layer (ETL), and the like are mainly used in solar cells, light emitting diodes, and the like to improve the mobility of electrons or holes in one direction. In the case of a solar cell or light emitting diode, since electrons or holes move only in one direction, the mobility of electrons or holes can be improved by using a hole transport layer (HTL) or an electron transport layer (ETL).
하지만 태양전지와 배터리가 일체화된 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 경우, 전자는 충전시와 방전시에 서로 다른 방향으로 이동하기 때문에 정공수송층(HTL)이나 전자수송층(ETL)을 제1 전극(120)과 광흡수저장층(170) 사이에 개재하기 어렵다. However, in the case of a solar battery-integrated device in which a solar cell and a battery are integrated, since electrons move in different directions during charging and discharging, the hole transport layer (HTL) or the electron transport layer (ETL) is formed between the
구체적으로 도 3a를 참조하여 광흡수저장층과 제1 전극 사이에 정공수송층이 구비된 경우의 문제점을 살펴본다. 도 3a 및 도 3b에서 제1 전극(120)은 FTO이고, 광흡수저장층(170)은 페로브스카이트(Perovskite)이다.In detail, referring to FIG. 3A, a problem in the case where a hole transport layer is provided between the light absorption storage layer and the first electrode will be described. 3A and 3B, the
광흡수저장층(170)과 제1 전극(120) 사이에 정공수송층(HTL)이 구비된 경우, 방전과정에서 광흡수저장층(170)에서 제1 전극(120)으로의 정공수송능력은 정공수송층(HTL)에 의해 향상된다. 그러나 충전과정에서 광흡수저장층(170)으로부터 제1 전극(120)으로의 전자수송능력은 정공수송층(HTL)에 의해 감소된다.When the hole transport layer (HTL) is provided between the light absorption and
결국, 광흡수저장층과 제1 전극 사이에 정공수송층(HTL)을 개재할 수 없다. As a result, the hole transport layer (HTL) cannot be interposed between the light absorption and storage layer and the first electrode.
도 3b를 참조하여 광흡수저장층과 제1 전극 사이에 전자수송층이 구비된 경우의 문제점을 살펴본다.Referring to FIG. 3B, a problem in the case where an electron transport layer is provided between the light absorption and storage layer and the first electrode will be described.
광흡수저장층(170)과 제1 전극(120) 사이에 전자수송층(ETL)이 구비된 경우, 광충전과정에서 광흡수저장층(170)으로부터 제1 전극(120)으로의 전자수송능력은 전자수송층(ETL)에 의해 향상된다. 그러나 방전과정에서 광흡수저장층(170)으로부터 제1 전극(120)으로의 정공수송능력은 전자수송층(ETL)에 의해 감소된다. When the electron transport layer (ETL) is provided between the light absorption and
결국, 광흡수저장층과 제1 전극 사이에 전자수송층(ETL)을 개재할 수 없다. As a result, an electron transport layer (ETL) cannot be interposed between the light absorption and storage layer and the first electrode.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 열 및 광에 의해 정공수송층 및 전자수송층의 기능을 선택적으로 수행하는 광변색물질층(160)을 광흡수저장층(170)과 제1 전극(120) 사이에 배치한다. 이때 광변색물질층(160)의 일면은 제1 전극(120)과 인접하게 구비되고, 배면은 광흡수저장층(170)에 인접하게 구비된다.In order to solve the above problems, the present invention provides a
본 발명에서 "광변색성 물질"이라 함은 빛에 의해 색상과 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위, HOMO(highest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위가 서로 다른 이성질체로 변화하는 무기물계, 유기물계 및 글래스계의 물질들 중 임의의 물질을 의미한다. In the present invention, "photochromic material" refers to inorganic, organic, and glass materials that change into isomers having different colors, LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) energy levels, and HOMO (highest unoccupied molecular orbital) energy levels by light. It means any substance among the substances in the system.
예를 들어, 광변색성 물질은 광 및 열에 의해 서로 가역적으로 변환되는 적어도 2개의 이성질체를 포함하는, 스피로피란계(spiropyrane), 스피로나프톡사진계(spironaphthoxazines), 나프토피란계(naphthopyrans), 풀자이드계(fulgides), 디아릴에텐계(diarylethenes), 디하이드로피리딘계(dihydropyridine) 및 아조벤젠계(azobenzene derivatives)로 구성된 군에서 선택될 수 있다. For example, photochromic materials include spiropyranes, spironaphthoxazines, naphthopyrans, pools, including at least two isomers that are reversibly converted to each other by light and heat. It may be selected from the group consisting of fulgides, diarylethenes, dihydropyridine and azobenzene derivatives.
도 4는 도 1a에 도시된 광변색물질층의 에너지 준위를 설명하기 위한 도면이다. FIG. 4 is a diagram for explaining energy levels of the photochromic material layer shown in FIG. 1A.
도 4를 참조하면, 광변색물질층과 관련하여 제1 전극(120)의 일함수 및 광흡수저장층(170)을 구성하는 제1 및 제2 이성질체의 LUMO 에너지 준위, HOMO 에너지 준위를 고려할 필요가 있다.Referring to FIG. 4, it is necessary to consider the work function of the
광흡수저장층(170)은 페로브스카이트 소재를 포함한다. 예를 들어 LUMO 에너지 준위는 -5.4eV이고, HOMO 에너지 준위는 -3.9eV로 알려진 특정 페로브스카이트를 사용할 수 있다. The light absorption and
그리고 제1 전극(120)은 예를 들어 FTO로 형성되는 경우, 일반적으로 알려진 FTO의 일함수는 -4.7Ev의 에너지 준위를 갖는 것으로 알려져 있다. Also, when the
광변색물질의 경우, 제1 이성질체의 LUMO 에너지 준위가 제1 전극(120)의 일함수 내지 광흡수저장층(170)의 LUMO 에너지 준위 사이에 위치하고, 제2 이성질체의 HOMO 에너지 준위가 광흡수저장층(170)의 HOMO 에너지 준위 내지 제1 전극의 일함수 사이에 위치하는 광변색물질이 선택될 수 있다. In the case of a photochromic material, the LUMO energy level of the first isomer is located between the work function of the
구체적으로 제1 전극(120)이 -4.7eV의 일함수를 갖는 FTO로 형성되고, 광흡수저장층(170)이 -3.9eV의 LUMO 에너지 준위 및 -4.7eV의 HOMO 에너지 준위를 갖는 페로브스카이트 소재를 포함하면, 광변색물질은 아래와 같이 선택될 수 있다. Specifically, the
도 4의 (a)와 같이 제1 이성질체의 LUMO에너지 준위가 -4.7eV 내지 -3.9eV 사이에 위치함과 동시에, 도 4의 (b)와 같이 제2 이성질체의 HOMO에너지 준위가 -5.4eV 내지 -4.7eV 사이에 위치하는 광변색물질이 선택될 수 있다.As shown in (a) of FIG. 4, the LUMO energy level of the first isomer is located between -4.7eV and -3.9eV, and at the same time, as shown in (b) of FIG. 4, the HOMO energy level of the second isomer is -5.4eV to A photochromic material located between -4.7 eV may be selected.
도 4의 (a)와 같이 페로브스카이트, 제1 이성질체, FTO순으로 LUMO 에너지 준위가 순차적으로 낮아지므로, 제1 이성질체는 전자수송층(ETL)의 기능을 수행할 수 있다. 그리고 도 4의 (b)와 같이 페로브스카이트, 제2 이성질체, FTO 순으로 HOMO 에너지 준위가 순차적으로 높아지므로 제2 이성질체는 정공수송층(HTL)의 기능을 수행할 수 있다.As shown in (a) of FIG. 4, since the LUMO energy level is sequentially lowered in the order of perovskite, first isomer, and FTO, the first isomer may function as an electron transport layer (ETL). And, as shown in (b) of FIG. 4, since the HOMO energy level sequentially increases in the order of perovskite, second isomer, and FTO, the second isomer may function as a hole transport layer (HTL).
본 발명에 따르면, 제1 전극(120)과 광흡수저장층(170) 사이에, 광 및 열에 의해 서로 가역적으로 변환되는 제1 이성질체 및 제2 이성질체를 갖는 광변색물질로 이루어진 광변색물질층을 개재시킴으로써, 광변색물질층이 전자수송층의 기능 및 정공수송층의 기능을 선택적으로 수행함으로써 방전시 및 충전시 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 성능을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, between the
도 5는 도 1a에 도시된 광변색물질층의 일 예로서, 스피로피란(spiropyran)계의 이성질체를 설명하기 위한 도면이고, 도 6는 도 5에 도시된 SP형태 및 H-PMC형태의 스피로피란계의 특성을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 5 is an example of the photochromic material layer shown in FIG. 1A, and is a view for explaining spiropyran-based isomers, and FIG. 6 is an SP-type and H-PMC-type spiropyran shown in FIG. It is a drawing for explaining the characteristics of the system.
도 5 및 도 6을 참조하면, 도 5의 (b)과 같은 H-PMC형태의 스피로피란(Spiropyran)은 가시광이 조사되면 도 5의 (a)과 같은 무색의 닫힌 형태인 SP형태의 스피로피란(Spiropyran)으로 변환되고, 도 5의 (a)와 같은 SP형태의 스피로피란(Spiropyran)에 열이 가해지면, 도 5의 (b)과 같은 H-PMC형태의 스피로피란(Spiropyran)으로 변환된다. 즉, 이성질체간의 변환은 서로 가역적이다.5 and 6, the H-PMC type spiropyran as shown in FIG. 5 (b) is a colorless closed SP type spiropyran as shown in FIG. 5 (a) when visible light is irradiated. (Spiropyran), and when heat is applied to the SP type spiropyran as shown in FIG. 5 (a), it is converted into H-PMC type spiropyran as shown in FIG. 5 (b) . That is, transformations between isomers are mutually reversible.
도 6의 (a)와 같은 SP형태(a)의 스피로피란 (Spiropyran)의 LUMO 에너지 준위가 -2.8eV, HOMO 에너지 준위가 -5.3eV이다. 그리고 도 6의 (b)와 같이 H-PMC형태의 스피로피란 (Spiropyran)의 LUMO 에너지 준위는 -4.0eV이고, HOMO 에너지 준위는 -6.1eV가 된다.The LUMO energy level of Spiropyran of the SP form (a) as shown in FIG. 6 (a) is -2.8eV and the HOMO energy level is -5.3eV. As shown in (b) of FIG. 6, the LUMO energy level of Spiropyran in the form of H-PMC is -4.0eV and the HOMO energy level is -6.1eV.
도 6의 (a)를 참조하면, SP형태의 스피로피란 (Spiropyran)의 경우, 페로브스카이트, SP형태의 스피로피란 (Spiropyran), FTO순으로 HOMO 에너지 준위가 높아지므로, FTO와 페로브스카이트 사이에 개재된 SP형태의 스피로피란 (Spiropyran)은 정공수송층(HTL)의 기능을 수행할 수 있다.Referring to (a) of FIG. 6, in the case of SP type spiropyran, the HOMO energy level increases in the order of perovskite, SP type spiropyran, and FTO, so FTO and perovskite Spiropyran in the form of SP interposed between the two layers may function as a hole transport layer (HTL).
SP형태의 스피로피란(Spiropyran)에 열이 가해지면 H-PMC(protonated PMC form)형태의 스피로피란(Spiropyran)으로 변환된다. SP형태의 스피로피란(Spiropyran)이 실리카에 분산되어 있는 경우, 열이 가해지면, CO결합 절단에 의해 생성된 산화물 음이온과 실리카의 부분적으로 응축되지 않은 Si-OH 및 OH 결합 사이의 분자간 수소결합에 의해 H-PMC 형태로 변환된다.When heat is applied to Spiropyran in the SP form, it is converted to Spiropyran in the form of H-PMC (protonated PMC form). When spiropyran in the form of SP is dispersed in silica, when heat is applied, the intermolecular hydrogen bonds between the oxide anion generated by the cleavage of the CO bond and the partially uncondensed Si-OH and OH bonds of the silica converted to H-PMC form by
도 6의 (b)을 참조하면, 페로브스카이트, H-PMC형태의 스피로피란(Spiropyran), FTO순으로 LUMO 에너지 준위가 낮아지므로, FTO와 페로브스카이트 사이에 개재된 H-PMC형태의 스피로피란 (Spiropyran)은 정공수송층(HTL)의 기능을 수행할 수 있다.Referring to (b) of FIG. 6, since the LUMO energy level is lowered in the order of perovskite, H-PMC type spiropyran, and FTO, H-PMC type interposed between FTO and perovskite Spiropyran of (Spiropyran) can perform the function of the hole transport layer (HTL).
결국, 스피로피란(Spiropyran)에 열이 가해지면 정공수송층으로 변환되며, 광이 조사되면 전자수송층으로 변환되므로, 제1 전극(120) 및 광흡수저장층(170) 사이에 배치된 하나의 스피로피란 물질층은 열 및 광에 의해 선택적으로 정공수송층 및 전자수송층의 기능을 수행할 수 있다. As a result, when heat is applied to spiropyran, it is converted into a hole transport layer, and when light is irradiated, it is converted into an electron transport layer. Therefore, one spiropyran disposed between the
도 7은 도 1a에 도시된 광변색물질층의 동작과정을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 7 is a diagram for explaining an operation process of the photochromic material layer shown in FIG. 1A.
태양전지 배터리 일체형 디바이스의 충전과정과 관련하여, 다시 도 7의 (a)를 참조하면, 광흡수저장층(170)은, 광을 흡수하여 홀전자쌍을 생성하고, 전자를 도선을 통해 제2 전극(130)에 제공한다. 이와 동시에 광흡수저장층(170)은 리튬양이온(Li+)을 방출하고 방출된 리튬양이온(Li+)을 전해질(50)을 통해 제2 전극(130)에 제공한다. 제2 전극(130)에 제공된 리튬양이온(Li+)은 리튬(Li)으로 환원된다. 도 7에서 양이온이 리튬양이온(Li+)으로 설명되었지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 충전과정에서 광흡수저장층(170)으로부터 제1 전극(120)으로 이동하는 전자는 열 또는 광 중 어느 적어도 하나에 의해 전자수송층의 기능을 수행하도록 에너지 준위가 변환된 이성질체로 변환된 광변색물질층(160)를 통해 원할하게 이동할 수 있다. Regarding the charging process of the solar battery-integrated device, again referring to FIG. 7 (a), the light absorption and
태양전지 배터리 일체형 디바이스의 방전과정을 설명하는 도 7의 (b)를 참조하면, 광흡수저장층(170)은 방전시, 제2 전극(120)으로부터 도선을 통해 제공되는 전자를 흡수함과 동시에, 제2 전극(120)으로부터 방출되어 전해질(150)을 통과한 리튬양이온(Li+)을 흡수하여 저장한다. 방전과정에서 제1 전극(120)에서 광흡수저장층(170)으로 이동하는 전자는 광 및 열 중 적어도 하나에 의해 정공수송층의 기능을 수행하도록 에너지 준위가 변환된 이성질체로 구성된 광변색물질층(160)를 통해 원할하게 이동할 수 있다. 한편 광흡수물질의 이성질체간 변환을 위해, 태양광 이 이용되거나 인위적인 광 또는 열이 가해질 수 있다. Referring to (b) of FIG. 7 describing the discharging process of the solar battery-integrated device, the light absorption and
본 발명에 따르면, 태양전지 배터리 일체형 디바이스는 광 조사시 전력생산이 가능하며, 전력을 자체적으로 저장할 있어 경량화 및 소형화가 가능하다. According to the present invention, the solar cell-battery-integrated device can generate electric power when light is irradiated, and can store the electric power itself, making it possible to reduce the weight and size.
본 발명에 따르면 태양전지 배터리 일체형 디바이스는, 제1 전극(120)과 광흡수저장층(170) 사이에 광변색물질층(160)을 구비함으로써, 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 성능을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, the
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범 위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described above, those skilled in the art can add, change, delete, or add components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. Various modifications and changes may be made to the present invention, which will also be included within the scope of the present invention.
100: 태양전지 배터리 일체형 디바이스
110: 기판
120: 제1 전극
130: 제2 전극
140: 세퍼레이터
150: 전해질
160: 광변색물질층
170: 광흡수저장층100: solar battery integrated device
110: substrate
120: first electrode
130: second electrode
140: separator
150: electrolyte
160: photochromic material layer
170: light absorption storage layer
Claims (6)
상기 제1 전극에 대향하는 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치한 전해질;
상기 제1 전극 상에 형성되는 페로브스카이트 소재의 광흡수저장층; 및
상기 제1 전극 및 상기 광흡수저장층 사이에 구비되어, 전자수송층 및 정공수송층의 기능을 선택적으로 수행하는 광변색(photochromic)물질을 구비하는 광변색물질층을 포함하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스. a first electrode;
a second electrode facing the first electrode;
an electrolyte positioned between the first electrode and the second electrode;
a light absorption and storage layer made of a perovskite material formed on the first electrode; and
A photochromic material layer including a photochromic material provided between the first electrode and the light absorption and storage layer and selectively performing functions of an electron transport layer and a hole transport layer. A solar cell battery integrated device.
상기 전해질은, 고체전해질 및 액체전해질 중 어느 하나로 구비되고,
상기 전해질이 액체전해질인 경우, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이를 분리하는 세퍼레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스.According to claim 1,
The electrolyte is provided with any one of a solid electrolyte and a liquid electrolyte,
When the electrolyte is a liquid electrolyte, the solar battery-integrated device further comprises a separator separating the first electrode and the second electrode.
상기 광변색물질은 서로 가역적으로 변환되는 적어도 2개의 이성질체를 포함하고,
상기 제1 이성질체의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)에너지 준위는 상기 제1 전극의 일함수 내지 상기 광흡수저장층의 LUMO 에너지 준위 사이에 위치하고,
상기 제2 이성질체의 HOMO(highest occupied molecular orbital) 에너지 준위는 상기 광흡수저장층의 HOMO 에너지 준위 내지 상기 제1 전극의 일함수 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스.According to claim 1,
The photochromic material includes at least two isomers that are reversibly converted to each other,
The lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) energy level of the first isomer is located between the work function of the first electrode and the LUMO energy level of the light absorption and storage layer,
The solar battery integrated device, characterized in that the highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level of the second isomer is located between the HOMO energy level of the light absorption and storage layer and the work function of the first electrode.
상기 제1 이성질체는 전자수송층의 기능을 수행하고,
상기 제2 이성질체는 정공수송층의 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스.According to claim 3,
The first isomer performs the function of an electron transport layer,
The second isomer is a solar cell battery integrated device, characterized in that performing the function of the hole transport layer.
상기 광변색물질층의 일면은 상기 제1 전극과 인접하게 구비되고, 배면은 상기 광흡수저장층에 인접하게 구비되는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스.According to claim 1,
A solar battery integrated device, characterized in that one side of the photochromic material layer is provided adjacent to the first electrode, and a rear side is provided adjacent to the light absorption and storage layer.
상기 광변색물질은
스피로피란계(spiropyrane), 스피로나프톡사진계(spironaphthoxazines), 나프토피란계(naphthopyrans), 풀자이드계(fulgides), 디아릴에텐계(diarylethenes), 디하이드로피리딘계(dihydropyridine) 및 아조벤젠계(azobenzene derivatives)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스.According to claim 3,
The photochromic material is
Spiropyranes, spironaphthoxazines, naphthopyrans, fulgides, diarylethenes, dihydropyridines and azobenzenes Solar cell battery integrated device, characterized in that selected from the group consisting of derivatives).
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