KR20230064054A - 열 및 전자전달층 또는 정공전달층을 포함하는 단일 페로브스카이트 태양전지 및 탠덤 태양전지 - Google Patents
열 및 전자전달층 또는 정공전달층을 포함하는 단일 페로브스카이트 태양전지 및 탠덤 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 방열을 위한 열 및 전자 전달층 또는 정공전달층을 포함하여 방열을 수행하도록, 기판; 상기 기판 상부에 적층 형성되는 제1 투명전극층; 정공전달 유기물질을 포함하여 상기 제1 투명전극층 상부에 적층 형성되는 제1 정공전달층; 상기 제1 정공전달층 상부에 적층 형성되는 광흡수층; 열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층 상부에 적층되는 전자전달층; 및 상기 전자전달층 상부에 적층 형성되는 제1 금속전극;을 포함하는, 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 단일 페로브스카이트(perovskite) 태양전지 및 탠덤(tandem) 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 방열을 위한 열 및 전자 전달층 또는 정공전달층을 포함하여 단면 또는 양면 방열을 수행하는 단일 페로브스카이트 태양전지 및 탠덤 태양전지에 관한 것이다.
단일 페로브스카이트 태양전지는 최근 효율 25.5%가 보고되면서 현 상용 태양전지 최고 효율인 26.7%에 근접한 수준의 기술 개발이 이뤄져 상용화가 기대되고 있다.
또한 ITRPV 보고서((International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) 12th edition, (2021))에 따르면 실리콘 베이스에 페로브스카이트를 접합한 탠덤 태양전지가 수년 내에 시장에 출시될 것으로 예상하고 있어, 이에 따른 기술 확보 및 특허 선점이 요구되고 있다.
상술한 단일 페로브스카이트 태양전지 또는 실리콘 베이스에 페로브스카이트를 접합한 탠덤 태양전지는 구동 시 광전환되는 에너지 이외의 에너지 대부분이 열로 방출된다. 이로 인해, 단일 페로브스카이트 태양전지 또는 탠덤 태양전지는 실외에서 50도 이상의 열을 발생할 수 있으나, 페로브스카이트가 대부분 유기 또는 유무기(organic/inorganic) 소재로 제작되기 때문에 낮은 열 전도도로 인해 열 방출이 힘든 문제점을 가진다.
또한, 열 방출이 효율적으로 되지 않는 것에 의해, 태양전지 구동 온도가 올라가게 되어 효율이 떨어지며, 페로브스카이트 태양전지 소재가 열에 취약하여 안정성이 떨어지는 문제점을 가진다.
따라서 단일 페로브스카이트 태양전지 또는 탠덤 태양전지의 상용화를 위해서는 방열 성능의 개선이 필요하다.
따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 페로브스카이트 태양전지의 전자전달층이 유기전자전달층과 무기열전달필러로 이루어지는 방열 복합 레이어로 형성되도록 하는 것에 의해, 방열 효율을 현저히 향상시킨 단일 페로브스카이트 태양전지 또는 실리콘 베이스에 페로브스카이트를 접합한 탠덤 태양전지를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 기판; 상기 기판 상부에 적층 형성되는 제1 투명전극층; 정공전달 유기물질을 포함하여 상기 제1 투명전극층 상부에 적층 형성되는 제1 정공전달층; 상기 제1 정공전달층 상부에 적층 형성되는 광흡수층; 열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층 상부에 적층되는 전자전달층; 및 상기 전자전달층 상부에 적층 형성되는 제1 금속전극;을 포함하는, 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
상기 기판은 유리(glass), PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PES(Polyethersulfone), PI(Polyimide), 결정질 및 비결정질 실리콘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 일종 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열 및 전자 전달 필러는, 열전도도 및 전자전달 기능을 가지는 산화물(oxide) 계 소재로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전자전달 물질은 전자 전도성 유기물질 층, 전자 전도성 무기물 층 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중 어느 하나의 층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전자 전달 유기물질은, 유기 전자전달층인 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)) 및 C71-PCBM, C84-PCBM, PC70BM([6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester)을 포함하는 풀러렌-유도체(Fulleren-derivative), PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전자 전도성 무기물은 금속산화물로서, Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Ba 산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산 화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, SrTi산화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체(composite) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실리콘(Si)을 포함하는 층은, 비정질 실리콘(n-a-Si), 비정질 실리콘 산화물(n-a-SiO), 비정질 실리콘 질화물(n-a-SiN), 비정질 실리콘 탄화물(n-a-SiC), 비정질 실리콘 산질화물(n-a-SiON), 비정질 실리콘 탄질화물(n-a-SiCN), 비정질 실리콘 게르마늄(n-a-SiGe), 마이크로결정 실리콘(n-uc-Si), 마이크로결정 실리콘 산화물(n-uc-SiO), 마이크로결정 실리콘 탄화물(n-uc-SiC), 마이크로결정 실리콘 질화물(n-uc-SiN) 또는 마이크로결정 실리콘 게르마늄(n-uc-SiGe) 중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 투명전극층은, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide) 또는 ZTO (Zinc Tin Oxide) 또는 FTO(Fluorine doped tin oxide)중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 정공전달층을 구성하는 상기 정공전달 유기물질은 2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene(Spiro-OMeTAD), Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine (PTAA), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT), Poly(3-alkylthiophene) (P3AT), Poly(3-octylthiophene-2,5-diyl) (P3OT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), Poly{4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(decyloxy)-6-ethoxybenzo[c][1,2,5]thiadiazole} (PBT), Poly{(4,8-bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis(trimethylstannane)}(PBDT) 또는 Poly(BT)-(BDT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 정공전달 유기물질은 도펀트로 도핑되고, 상기 도펀트는 Li-TFSI, Co(Ⅱ)PF6, 4-tert-부틸 피리딘(4-tert-butyl pyridine, tBP), AgTFSI 및 CuI로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 광흡수층은, AMX3의 화학조성을 지니는 물질로, A는 MA, FA, Cs, Rb의 금속 원소 또는 유기 화합물 하나 이상, M은 금속 양이온 중 어느 하나, X는 산화물 또는 CL(Chlorine), Br(Bromine), 및 I(Iodine)의 할로겐 원자 중 어느 하나 이상을 조합하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 금속전극은, ITO, FTO, IZO, AZO, ZnO, MoO3, CoO, WoO3, IGZO, IZTO, Al, Ag, Cu, PEDOT:PSS, Au 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 기판; 상기 기판 상부에 적층 형성되는 제1 투명전극층; 열전달 필러와 정공전달 유기물질을 포함하여 상기 제1 투명전극층 상부에 적층 형성되는 제2 정공전달층; 상기 제2 정공전달층 상부에 적층 형성되는 광흡수층; 열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층 상부에 적층되는 전자전달층; 및 상기 전자전달층 상부에 적층 형성되는 제1 금속전극;을 포함하는, 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
상기 광흡수층은 상기 정공전달층과 접하는 계면에 열전달 필러층을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 기판은 유리(glass), PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PES(Polyethersulfone), PI(Polyimide), 결정질 및 비결정질 실리콘으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열 및 전자 전달 필러는, 열전도도 및 전자전달 기능을 가지는 산화물(oxide) 계 소재로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전자전달 물질은 전자 전도성 유기물질 층, 전자 전도성 무기물 층 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중 어느 하나의 층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전자 전달 유기물질은, 유기 전자전달층인 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)) 및 C71-PCBM, C84-PCBM, PC70BM([6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester)을 포함하는 풀러렌-유도체(Fulleren-derivative), PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전자 전도성 무기물은 금속산화물로서, Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Ba 산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산 화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, SrTi산화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체(composite) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실리콘(Si)을 포함하는 층은, 비정질 실리콘(n-a-Si), 비정질 실리콘 산화물(n-a-SiO), 비정질 실리콘 질화물(n-a-SiN), 비정질 실리콘 탄화물(n-a-SiC), 비정질 실리콘 산질화물(n-a-SiON), 비정질 실리콘 탄질화물(n-a-SiCN), 비정질 실리콘 게르마늄(n-a-SiGe), 마이크로결정 실리콘(n-uc-Si), 마이크로결정 실리콘 산화물(n-uc-SiO), 마이크로결정 실리콘 탄화물(n-uc-SiC), 마이크로결정 실리콘 질화물(n-uc-SiN) 또는 마이크로결정 실리콘 게르마늄(n-uc-SiGe) 중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 투명전극층은, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide) 또는 ZTO (Zinc Tin Oxide)) 또는 FTO(Fluorine doped tin oxide)중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 정공전달층은, 복수의 나노입자, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 상기 열전달 필러로서의 열전도성 무기물 구조체 및 상기 기공에 위치하는 상기 정공전달 유기물질을 포함하고, 상기 나노 입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열전도성 무기물은 HOMO(Highest occupied molecular orbital) 에너지 준위가 -5.6eV보다 작고, LUMO(Lowestunoccupied molecular orbital) 에너지 준위가 -3.9eV보다 큰 것인 것을 특징으로 한다.
상기 열전도성 무기물은 Al2O3, MgO, BN, AlN, SiO2, Si3N4 및 SiC로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 정공전달 유기물질은 2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene(Spiro-OMeTAD), Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine (PTAA), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT), Poly(3-alkylthiophene) (P3AT), Poly(3-octylthiophene-2,5-diyl) (P3OT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), Poly{4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(decyloxy)-6-ethoxybenzo[c][1,2,5]thiadiazole} (PBT), Poly{(4,8-bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis(trimethylstannane)}(PBDT) 또는 Poly(BT)-(BDT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 정공전달 유기물질은 도펀트로 도핑되고, 상기 도펀트는 Li-TFSI, Co(Ⅱ)PF6, 4-tert-부틸 피리딘(4-tert-butyl pyridine, tBP), AgTFSI 및 CuI로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 광흡수층은, AMX3의 화학조성을 지니는 물질로, A는 MA, FA, Cs, Rb의 금속 원소 또는 유기 화합물 하나 이상, M은 금속 양이온 중 어느 하나, X는 산화물 또는 CL(Chlorine), Br(Bromine), 및 I(Iodine)의 할로겐 원자 중 어느 하나 이상을 조합하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 금속전극은, ITO, FTO, IZO, AZO, ZnO, MoO3, CoO, WoO3, IGZO, IZTO, Al, Ag, Cu, PEDOT:PSS, Au 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 광흡수층에서 생성된 열을 상기 광흡수층의 단면 또는 양면으로 방출하도록 구성되는 페로브스카이트 태양전지; n형 결정질 실리콘 기판, 상기 n형 결정질 실리콘 기판의 양면 각각에 형성되는 제1 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H) 및 제2 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H), 상기 제1 진성 비정질 실리콘층의 하부 면에 위치하는 도전형 p형 비정질 실리콘층, 상기 제2 진성 비정질 실리콘층의 상부 면에 위치하는 도전형 n형 비정질 실리콘층, 상기 도전형 p형 비정질 실리콘층의 하부 면에 위치하는 제2 투명전극층 및 상기 제2 투명전극층의 하부 면에 형성되는 제2 금속전극을 포함하여, 상기 정공전달층이 상기 결정질 실리콘 태양전지의 도전형 n형 비정질 실리콘층과 대향하도록 상기 pin 구조의 페로브스카이트 태양전지의 하부에 적층되는 결정질 실리콘 태양전지; 및 상기 결정질 실리콘 태양전지의 도전형 n형 비정질 실리콘층과 상기 페로브스카이트 태양전지의 정공전달층의 사이를 접합하는 제3 투명전극층;을 포함하여 구성되는 탠덤 태양전지를 제공한다.
상기 페로브스카이트 태양전지는, 정공전달 유기물질을 포함하는 제1 정공전달층; 상기 정공전달층 상부에 적층되는 광흡수층; 열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층 상부에 적층 형성되는 전자전달층; 상기 전자전달층의 상부에 적층 형성되는 제1 투명전극층; 및 상기 제1 투명전극층의 상부에 형성되는 제1 금속전극;을 포함하는 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지인 것을 특징으로 한다.
상기 페로브스카이트 태양전지는, 열전달 필러와 정공전달 유기물질을 포함하는 제2 정공전달층; 상기 제2 정공전달층 상부에 적층되는 광흡수층; 열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층 상부에 적층 형성되는 전자전달층; 상기 전자전달층의 상부에 적층 형성되는 제1 투명전극층; 및 상기 제1 투명전극층의 상부에 형성되는 제1 금속전극;을 포함하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지인 것을 특징으로 한다.
상기 열 및 전자 전달 필러는, 열전도도 및 전자전달 기능을 가지는 산화물(oxide) 계 소재로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전자전달 물질은 전자 전도성 유기물질 층, 전자 전도성 무기물 층 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중 어느 하나의 층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전자 전달 유기물질은, 유기 전자전달층인 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)) 및 C71-PCBM, C84-PCBM, PC70BM([6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester)을 포함하는 풀러렌-유도체(Fulleren-derivative), PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전자 전도성 무기물은 금속산화물로서, Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Ba 산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산 화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, SrTi산화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체(composite) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실리콘(Si)을 포함하는 층은, 비정질 실리콘(n-a-Si), 비정질 실리콘 산화물(n-a-SiO), 비정질 실리콘 질화물(n-a-SiN), 비정질 실리콘 탄화물(n-a-SiC), 비정질 실리콘 산질화물(n-a-SiON), 비정질 실리콘 탄질화물(n-a-SiCN), 비정질 실리콘 게르마늄(n-a-SiGe), 마이크로결정 실리콘(n-uc-Si), 마이크로결정 실리콘 산화물(n-uc-SiO), 마이크로결정 실리콘 탄화물(n-uc-SiC), 마이크로결정 실리콘 질화물(n-uc-SiN) 또는 마이크로결정 실리콘 게르마늄(n-uc-SiGe) 중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 정공전달층을 구성하는 상기 정공전달 유기물질은 2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene(Spiro-OMeTAD), Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine (PTAA), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT), Poly(3-alkylthiophene) (P3AT), Poly(3-octylthiophene-2,5-diyl) (P3OT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), Poly{4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(decyloxy)-6-ethoxybenzo[c][1,2,5]thiadiazole} (PBT), Poly{(4,8-bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis(trimethylstannane)}(PBDT) 또는 Poly(BT)-(BDT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 정공전달 유기물질은 도펀트로 도핑되고, 상기 도펀트는 Li-TFSI, Co(Ⅱ)PF6, 4-tert-부틸 피리딘(4-tert-butyl pyridine, tBP), AgTFSI 및 CuI로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 정공전달층은, 복수의 나노입자, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 상기 열전달 필러로서의 열전도성 무기물 구조체 및 상기 기공에 위치하는 상기 정공전달 유기물질을 포함하고, 상기 나노 입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열전도성 무기물은 HOMO(Highest occupied molecular orbital) 에너지 준위가 -5.6eV보다 작고, LUMO(Lowestunoccupied molecular orbital) 에너지 준위가 -3.9eV보다 큰 것인 것을 특징으로 한다.
상기 열전도성 무기물은 Al2O3, MgO, BN, AlN, SiO2, Si3N4 및 SiC로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 정공전달 유기물질은 2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene(Spiro-OMeTAD), Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine (PTAA), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT), Poly(3-alkylthiophene) (P3AT), Poly(3-octylthiophene-2,5-diyl) (P3OT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), Poly{4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(decyloxy)-6-ethoxybenzo[c][1,2,5]thiadiazole} (PBT), Poly{(4,8-bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis(trimethylstannane)}(PBDT) 또는 Poly(BT)-(BDT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 정공전달 유기물질은 도펀트로 도핑되고, 상기 도펀트는 Li-TFSI, Co(Ⅱ)PF6, 4-tert-부틸 피리딘(4-tert-butyl pyridine, tBP), AgTFSI 및 CuI로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 진성(i) 비정질 실리콘층(i-a-Si:H) 및 제2 진성(i) 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)은 실리콘 소스 물질(SiH4, Si2H6 등)과 수소(H2)를 이용한 PECVD법에 의해 증착 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 도전형 n형 비정질 실리콘층은 n 타입의 고농도 비정질 실리콘 (n+-a-Si:H) 층으로 형성되고,
상기 도전형 p형 비정질 실리콘층은 p 타입의 고농도 비정질 실리콘(p-a-Si:H) 층으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 투명전극층, 제2 투명전극층 및 제3 투명전극층은, ITO (Indium Tin Oxide), IWO(Indium Tungsten Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide), ZTO (Zinc Tin Oxide), GITO (Gallium Indium Tin Oxide), GIO (Gallium Indium Oxide), GZO (Gallium Zinc Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide), FTO (Fluorine Tin Oxide) 또는 ZnO 중 하나 이상의 투명 전도성 산화물로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 광흡수층은, AMX3의 화학조성을 지니는 물질로, A는 MA, FA, Cs, Rb의 금속 원소 또는 유기 화합물 하나 이상, M은 금속 양이온 중 어느 하나, X는 산화물 또는 CL(Chlorine), Br(Bromine), 및 I(Iodine)의 할로겐 원자 중 어느 하나 이상을 조합하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 금속전극 및 제2 금속전극은, ITO, FTO, IZO, AZO, ZnO, MoO3, CoO, WoO3, IGZO, IZTO, Al, Ag, Cu, PEDOT:PSS, Au 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
페로브스카이트 태양전지의 전자전달층이 유기전자전달층과 무기열전달필러로 이루어지거나, 정공전달층이 열전달 필러를 포함하도록 하는 방열 복합 레이어를 가지도록 하여, 단일 페로브스카이트 태양전지 또는 실리콘 베이스에 페로브스카이트를 접합한 탠덤 태양전지의 방열 효율을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 광흡수층이 정공전달층과 접하는 계면에 열전달 필러층을 포함하여 구성되는 것에 의해 방열 효율을 더욱 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 단면 방열 구조를 가지는 pin 구조 태양전지(단일 페로브스카이트 태양전지)의 개념적인 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 양면 방열 구조를 가지는 pin 구조 태양전지(단일 페로브스카이트 태양전지)의 개념적인 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 pin 구조 탠덤 태양전지의 개념적인 단면도.
도 4는 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 pin 구조 태양전지(단일 페로브스카이트 태양전지)의 개념적인 단면도 및 정공전달층(p), 광흡수층(i) 및 전자전달층(n)의 열저항 비교를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 양면 방열 구조를 가지는 pin 구조 태양전지(단일 페로브스카이트 태양전지)의 개념적인 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 pin 구조 탠덤 태양전지의 개념적인 단면도.
도 4는 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 pin 구조 태양전지(단일 페로브스카이트 태양전지)의 개념적인 단면도 및 정공전달층(p), 광흡수층(i) 및 전자전달층(n)의 열저항 비교를 나타내는 도면.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 단면 방열 구조를 가지는 pin((Positive-Intrinsic-Negative) 구조 태양전지(1)(이하, “단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지(1)”라 함)의 개념적인 단면도이다.
도 1과 같이, 상기 단일 페로브스카이트 태양전지(1)는, 기판(121); 상기 기판(121)에 적층 형성되는 제1 투명전극층(122); 정공전달 유기물질을 포함하여 상기 제1 투명전극층(122)에 적층 형성되는 제1 정공전달층(123); 상기 정공전달층(123)에 적층 형성되는 광흡수층(124); 열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층(124)에 적층되는 전자전달층(125); 및 상기 전자전달층(125)에 적층 형성되는 제1 금속전극(127);을 포함하여 구성된다.
상술한 구성의 상기 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지(1)는, 광흡수층(124)에 접촉되는 전자전달층(125)이 열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질을 포함하여 형성되는 것에 의해, 광흡수층(124)에서 발생하는 열을, 전자전달층(125)을 통해 효과적으로 외부로 방출할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 양면 방열 구조를 가지는 pin 구조 태양전지(2)(이하, “양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지(2)”라 험)의 개념적인 단면도이다.
도 2와 같이, 상기 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지(2)는, 기판(121); 상기 기판(121)에 적층 형성되는 제1 투명전극층(122); 열전달 필러와 정공전달 유기물질을 포함하여 상기 제1 투명전극층(122)에 적층 형성되는 제2 정공전달층(223); 상기 제2 정공전달층(223)에 적층 형성되는 광흡수층(124); 열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층(124)에 적층되는 전자전달층(125); 및 상기 전자전달층(125)에 적층 형성되는 제1 금속전극(127);을 포함하여 구성된다.
상술한 구성의 상기 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지(2)는 광흡수층(124)의 일면에 접촉되는 전자전달층(125)이 열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질을 포함하여 형성되고, 광흡수층(124)의 타면에 접촉되는 제2 정공전달층(223)이 열전달 필러를 포함하여 구성되는 것에 의해, 광흡수층(124)에서 발생하는 열을 양면을 통해 방출할 수 있도록 하여 페로브스카이트 태양전지의 방열 효과를 현저히 향상시킨다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 pin 구조 탠덤 태양전지의 개념적인 단면도이다.
도 3과 같이 상기 탠덤 태양전지(5)는, 광흡수층(124)에서 생성된 열을 상기 광흡수층(124)의 단면 또는 양면으로 방출하도록 구성되는 pin 구조의 페로브스카이트 태양전지(1 또는 2); n형 결정질 실리콘 기판(411), 상기 n형 결정질 실리콘 기판(411)의 양면 각각에 형성되는 제1 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)(413) 및 제2 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)(412), 상기 제1 진성 비정질 실리콘층(413)의 하부 면에 위치하는 도전형 p형 비정질 실리콘층(415), 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(412)의 상부 면에 위치하는 도전형 n형 비정질 실리콘층(414), 상기 도전형 p형 비정질 실리콘층(415)의 하부 면에 위치하는 제2 투명전극층(417) 및 상기 제2 투명전극층(417)의 하부 면에 형성되는 제2 금속전극(418)을 포함하여, 상기 정공전달층(123)이 상기 결정질 실리콘 태양전지의 도전형 n형 비정질 실리콘층(414)과 대향하도록 상기 pin 구조의 페로브스카이트 태양전지의 하부에 적층되는 결정질 실리콘 태양전지(4); 및 상기 결정질 실리콘 태양전지의 도전형 n형 비정질 실리콘층(414)과 상기 페로브스카이트 태양전지의 정공전달층(123 또는 223)의 사이를 접합하는 제3 투명전극층(516);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 탠덤 태양전지(5)는 상대적으로 큰 밴드갭을 가지는 광흡수층(124)을 포함하는 페로브스카이트 태양전지(1 또는 2)와 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 결정질 실리콘 태양전지(4)가 제3 투명전극층(또는 접합층, 터널 접합층, inter-layer 라고도 함)(516)에 의해 터널 접합된다.
상기 구성의 탠덤 태양전지(5)는 페로브스카이트 태양전지(1 또는 2)에서 단파장 광을 흡수하고, 결정질 실리콘 태양전지(4)에서 장파장 광을 흡수하게 되어, 흡수되는 파장 범위가 넓어 짐으로써 태양광의 흡수 효율을 현저히 높인다.
상술한 구성에서 상기 pin 구조의 페로브스카이트 태양전지는, 정공전달 유기물질을 포함하는 제1 정공전달층(123); 상기 정공전달층(123) 에 적층되는 광흡수층(124); 열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층(124)에 적층 형성되는 전자전달층(125); 상기 전자전달층(125)의 상부에 적층 형성되는 제1 투명전극층(122); 및 상기 제1 투명전극층(122)의 상부에 형성되는 제1 금속전극(127)을 포함하는 pin 구조의 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지(1)로 구성될 수 있다.
이와 달리, 상기 pin 구조의 페로브스카이트 태양전지는, 열전달 필러와 정공전달 유기물질을 포함하는 제2 정공전달층(223); 상기 제2 정공전달층(223)에 적층되는 광흡수층(124); 열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층(124)에 적층 형성되는 전자전달층(125); 상기 전자전달층(125)의 상부에 적층 형성되는 제1 투명전극층(122); 및 상기 제1 투명전극층(122)의 상부에 형성되는 제1 금속전극(127)을 포함하는 pin 구조의 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지(2)로 구성될 수도 있다.
상술한 도 1 내지 도 3의 단일 페로브스카이트 태양전지(1 또는 2)와 탠덤 태양전지(5)의 각 구성은 다음과 같다.
상기 열 및 전자 전달 필러(10)는, 열전도도가 크면서 전자전달까지 가능한 소재로서, ZnO, SnO2, TiO2 등의 산화물(oxide) 계 소재일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자전달 물질은 전자 전도성 유기물질 층, 전자 전도성 무기물 층 또는 실리콘(Si)을 포함한 층으로 형성될 수 있다.
상기 전자전달 유기물질은, 유기 전자전달층인 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)) 및 C71-PCBM, C84-PCBM, PC70BM([6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester)을 포함하는 풀러렌-유도체(Fulleren-derivative), PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 전도성 무기물은 통상의 양자점 기반 태양전지 또는 염료 감응형 태양전지에서, 전자 전달을 위해 통상적으로 사용되는 금속산화물일 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 금속산화물은 Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Ba 산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산 화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물 및 SrTi산화물에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 들 수 있으며, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체(composite)를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 실리콘(Si)을 포함하는 층으로 이루어진 전자전달층(125)은, 비정질 실리콘(n-a-Si), 비정질 실리콘 산화물(n-a-SiO), 비정질 실리콘 질화물(n-a-SiN), 비정질 실리콘 탄화물(n-a-SiC), 비정질 실리콘 산질화물(n-a-SiON), 비정질 실리콘 탄질화물(n-a-SiCN), 비정질 실리콘 게르마늄(n-a-SiGe), 마이크로결정 실리콘(n-uc-Si), 마이크로결정 실리콘 산화물(n-uc-SiO), 마이크로결정 실리콘 탄화물(n-uc-SiC), 마이크로결정 실리콘 질화물(n-uc-SiN), 마이크로결정 실리콘 게르마늄(n-uc-SiGe) 중 하나 또는 둘 이상을 포함하는 재료로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 정공전달층(123)은, 정공전달 유기물질을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 정공전달 유기물질은 2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene(Spiro-OMeTAD), Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine (PTAA), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT), Poly(3-alkylthiophene) (P3AT), Poly(3-octylthiophene-2,5-diyl) (P3OT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), Poly{4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(decyloxy)-6-ethoxybenzo[c][1,2,5]thiadiazole} (PBT), Poly{(4,8-bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis(trimethylstannane)}(PBDT), Poly(BT)-(BDT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Spiro-OMeTAD를 포함할 수 있다.
상기 정공전달 유기물질은 도펀트로 도핑될 수 있고, 상기 도판트는 Li-TFSI, Co(Ⅱ)PF6, 4-tert-부틸 피리딘(4-tert-butyl pyridine, tBP), AgTFSI 및 CuI로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Li-TFSI, Co(Ⅱ)PF6 및 4-tert-부틸 피리딘으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제2 정공전달층(223)은, 복수의 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 상기 열전달 필러로서의 열전도성 무기물 구조체 및 상기 기공에 위치하는 상기 정공전달 유기물질을 포함하고, 상기 나노 입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 열전도성 무기물은 HOMO(Highest occupied molecular orbital) 에너지 준위가 -5.6eV보다 작고, LUMO(Lowestunoccupied molecular orbital) 에너지 준위가 -3.9eV보다 큰 것일 수 있다. 상세하게는 에너지 밴드갭(energy band gap)이 커서 전도성을 가지기 힘든 절연체(insulator)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 무기물을 절연체가 아닌 전도체 또는 반도체를 사용할 경우, 정공이 다시 광활성층(페로브스카이트)으로 넘어가서 전자와 재결합하므로 바람직하지 않다.
또한, 상기 무기물이 Al2O3, MgO, BN, AlN, SiO2, Si3N4 및 SiC로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Al2O3 및 MgO로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상, 보다 바람직하게는 Al2O3를 포함할 수 있다.
상기 제1 진성(i) 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)(413) 및 제2 진성(i) 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)(412)은 실리콘 소스 물질(SiH4, Si2H6 등)과 수소(H2)를 이용한 PECVD법에 의해 증착 형성될 수 있다.
상기 도전형 n형 비정질 실리콘층(414)은 n 타입의 고농도 비정질 실리콘 (n+-a-Si:H) 층으로 형성되고, 상기 도전형 p형 비정질 실리콘층(415)은 p 타입의 고농도 비정질 실리콘(p-a-Si:H) 층으로 형성될 수 있다.
상기 제1 투명전극층(122), 제2 투명전극층(417) 및 제3 투명전극층(516)은, 투명 전도성 산화물을 스퍼터링을 통해 증착하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 투명 전도성 산화물은 ITO (Indium Tin Oxide), IWO(Indium Tungsten Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide), ZTO (Zinc Tin Oxide), GITO (Gallium Indium Tin Oxide), GIO (Gallium Indium Oxide), GZO (Gallium Zinc Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide), FTO (Fluorine Tin Oxide) 또는 ZnO 등일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 광흡수층(124)은, AMX3의 화학조성을 지니는 물질로, A는 MA, FA, Cs, Rb의 금속 원소 또는 유기 화합물 하나 이상, M은 금속 양이온 중 어느 하나, 및 X는 산화물 또는 CL(Chlorine), Br(Bromine), 및 I(Iodine)의 할로겐 원자 중 어느 하나 이상을 조합하여 형성되고, 태양광을 흡수하여 물질 내부에 안정상태를 유지하던 전자를 여기시켜 여기된 전자와 여기된 전자로 인해 생성된 정공을 각각의 전하수송층으로 전달할 수 있다. 또한, 광흡수층은 열증착, 스핀코팅, 슬롯다이 코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 코팅, 시어링 코팅 등을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 금속전극(127) 및 제2 금속전극(418)은 상기 제1 및 제2 투명전극층(126, 417) 상에 전극 페이스트를 스크린 프린팅법으로 인쇄한 후 열처리에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 금속전극(127) 및 제2 금속전극(418)은 ITO, FTO, IZO, AZO, ZnO, MoO3, CoO, WoO3, IGZO, IZTO, Al, Ag, Cu, PEDOT:PSS 및 Au 중에서 선택될 수 있으나, 소재가 반드시 상술한 물질에 한정되는 것은 아니다. 스퍼터(Sputter), 열증착(Thermal evaporator), 및 화학기상증착(Chemical vapor deposition; CVD) 방법을 이용하여 형성될 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제1전극(120) 형성 후, 상호 이격되어 제1간격(a1)이 형성되도록 건식, 습식 에칭, 레이저 및 메카니컬 가공 등 물리적 및 화학적 제거를 통해 패턴될 수 있다.
상술한 도 1 내지 도 3의 각각의 단일 페로브스카이트 태양전지(1 또는 2)와 탠덤 태양전지의 방열 기능을 설명하면 다음과 같다.
도 1에서 (a)는 본 발명의 일 실시예의 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지(1)의 단면도이고, (b)는 본 발명의 일 실시예의 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지(1)의 전자전달층(125)에서 열 및 전자전달 필러(10)와 전자전달 유기물질(20)에 의한 전자와 열을 광흡수층(124)으로부터 흡수하여 방출하는 것을 나타내는 도면이며, (c)는 종래기술의 열전달 필러(11)와 전자전달 유기물질(20)에 의해 열과 전자가 이동되는 것을 나타내는 도면이다.
도 1의 (a)와 같이 본 발명의 일 실시예의 전자전달층(125)은 열 및 전자전달 필러(10)가 열과 열 에너지를 가지는 전자를 함께 광흡수층(124)으로부터 흡수하여 외부로 방출한다.
이와 달리, 도 1의 (c)의 종래기술의 열전달필러(11)와 전자전달 유기물질(20)을 가지는 전자전달층의 경우에는 열전달필러(11)가 열만을 전달하게 되므로, 열에너지를 가지는 전자를 함께 전달하는 도 1의 (b)의 본 발명의 전자전달층(125)에 비해 방열효과가 저하된다.
따라서 본 발명의 실시예에 따르는 전자전달층(125)은 광흡수층(124)의 방열에 있어 종래기술에 비해 현저히 향상된 효과를 제공한다.
도 2의 (a)는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지(2)의 단면도이고, (b)는 광흡수층(124)의 제2 정공전달층(223)과의 계면에 열전달필러층(60)이 형성된 것을 나타내는 도면이고, (c)는 열전달 필러(50)를 포함하는 제2 정공전달층(223)에서의 정공(40)이 전달되며, 열(30)이 외부로 방출되는 것을 나타내는 도면이다.
도 2 (b)의 본 발명의 일 실시예의 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지(2)는, 도 1의 (b)와 같이 전자전달층(125)을 통해 광흡수층(124)에 발생하는 열을 외부로 방출함과 동시에, 열전달 필러(50)를 가지는 제2 정공전달층(223)이 광흡수층(1240)에서 발생한 열(30)을 전자전달층(125)과 반대되는 면에서 외부로 방출하게 되어, 더욱 방열 효율을 향상시킨다.
또한, 광흡수층(124)의 제2 정공전달층(223)과 접하는 계면에 형성된 열전달필러층(60)에 의해 광흡수층(124)에서 발생한 열을 더욱 효과적으로 제2 정공전달층(223)으로 전달함으로써 방열 효율이 더욱 향상시키게 된다.
도 4는 종래기술과 본 발명의 일 실시예의 pin 구조 태양전지(단일 페로브스카이트 태양전지)의 개념적인 단면도 및 정공전달층(p), 광흡수층(i) 및 전자전달층(n)의 열저항 비교를 나타내는 도면이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시예의 단면 방열 페로브스카이트 태양전지(1)의 광흡수층(124)에서 발생한 열을 전자전달층(125)에서 열 및 전자전달 필러(10)를 통해 열과 열에너지를 가지는 전자가 동시에 외부로 전달되는 것에 의해 방열을 수행하는 것을 나타내는 도면이고, (c)는 본 발명의 일 실시예의 양면 방열 페로브스카이트 태양전지(2)의 광흡수층(124)에서 발생한 열을 전자전달층(125)에서 열 및 전자전달 필러(10)를 통해 열과 열에너지를 가지는 전자가 동시에 외부로 전달되는 것과 제2 정공전달층(223)의 열전달필러(50)에 의해 반대측에서도 열을 외부로 방출하는 것을 나타내는 도면이며, (e)는 종래기술의 열 및 전자 전달 필러(10)와 제2 정공전달층(223)의 열전달필러(50)를 포함하지 않는 pin 구조 페로브스카이트 태양전지에서의 광흡수층(i)의 열이 외부로 방출되는 것을 나타내는 도면이며, (b), (d) 및 (f) 각각은 본 발명의 일 실시예의 단면 방열 페로브스카이트 태양전지(1)와 양면 방열 페로브스카이트 태양전지(3) 의 pin 구조(p: 제1 정공전달층(123) 또는 제2 정공전달츨(223), i: 광흡수층(124), n: 전자전달층(125)) 및 종래기술의 페로브스카이트 태양전지의 pin 구조(정공전달층(p), 광흡수층(i), 전자전달층(n)) 각각 에서의 열저항 측정 값을 나타내는 도면이다.
도 4의 (b), (d) 및 (f)와 같이, 본 발명의 양면 페로브스카이트 태양전지(2)의 pin 구조(p: 제1 정공전달층(123) 또는 제2 정공전달츨(223), i: 광흡수층(124), n: 전자전달층(125))를 형성하는 각각의 층의 열저항이 가장 낮게 측정되었다((c), (d) 참조). 그 다음으로, 본 발명의 단면 방열 페로브스카이트 태양전지(1)의 pin 구조(p: 제1 정공전달층(123) 또는 제1 정공전달츨(123), i: 광흡수층(124), n: 전자전달층(125))를 형성하는 각각의 층의 열저항이 낮은 것으로 측정되었다((a), (b) 참조). 이와 달리, 종래기술의 페로브스카이트 태양전지의 pin 구조(정공전달층(p), 광흡수층(i), 전자전달층(n)) 각각 에서의 열저항 측정 값은 본 발명의 실시예의 단면 방열 페로브스카이트 태양전지(1)와 양면 방열 페로브스카이트 태양전지(2)에 pin 구조들의 열저항에 비해 더 크게 측정되었다((e), (f) 참조).
이에 따라, 도 4의 (a), (c) 및 (e)와 같이, 본 발명의 실시예의 양면 방열 페로브스카이트 태양전지(2)(c)의 광흡수층(124)에 대한 방열 효율이 가장 크며, 다음으로, 본 발명의 실시예의 단면 방열 페로브스카이트 태양전지(1)(a)의 방열 효율이 그 다음으로 좋은 것으로 나타났다. 이에 비해, 전자전달층에서 열 및 전자 전달이 없으며, 광흡수층에서의 열전달칠러층(60)에 의해 열의 배출과 정공전달층에서 열전달필러에 의한 열방출이 없는 종래기술의 페로브스카이트 태양전지(3, (e) 참조)의 경우에는 광흡수층에서의 방열 효율이 본 발명의 실시예들에 비해 현저히 저하되는 것을 알 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 단면 방열 pin 구조 태양전지(단일 페로브스카이트 태양전지)
2: 양면 방열 pin 구조 태양전지(단일 페로브스카이트 태양전지)
3: 종래기술의 pin 구조 태양전지(단일 페로브스카이트 태양전지)
4: 결정질 실리콘 태양전지
5: pin 구조 탠덤 태양전지
10: 열 및 전자전달 필러
15: 열 및 전자전달
20: 전자전달 유기물질
25: 전자 전달
30: 열전달
40: 정공전달
50: 열전달필러
60: 열전달필러층
121: 기판
122: 제1 투명전극층
123: 제1 정공전달층
124: 광흡수층
125: 전자전달층
127: 제2 금속전극
223: 제2 정공전달층
411: n형 결정질 실리콘 기판
412: 제2 진성(i) 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)
413: 제1 진성(i) 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)
414: 도전형 n형 비정질 실리콘층
415: 도전형 p형 비정질 실리콘층
417: 제2 투명전극층
418: 제2 금속 전극
516: 제3 투명전극층
2: 양면 방열 pin 구조 태양전지(단일 페로브스카이트 태양전지)
3: 종래기술의 pin 구조 태양전지(단일 페로브스카이트 태양전지)
4: 결정질 실리콘 태양전지
5: pin 구조 탠덤 태양전지
10: 열 및 전자전달 필러
15: 열 및 전자전달
20: 전자전달 유기물질
25: 전자 전달
30: 열전달
40: 정공전달
50: 열전달필러
60: 열전달필러층
121: 기판
122: 제1 투명전극층
123: 제1 정공전달층
124: 광흡수층
125: 전자전달층
127: 제2 금속전극
223: 제2 정공전달층
411: n형 결정질 실리콘 기판
412: 제2 진성(i) 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)
413: 제1 진성(i) 비정질 실리콘층(i-a-Si:H)
414: 도전형 n형 비정질 실리콘층
415: 도전형 p형 비정질 실리콘층
417: 제2 투명전극층
418: 제2 금속 전극
516: 제3 투명전극층
Claims (21)
- 기판;
상기 기판 상부에 적층 형성되는 제1 투명전극층;
정공전달 유기물질을 포함하여 상기 제1 투명전극층 상부에 적층 형성되는 제1 정공전달층;
상기 제1 정공전달층 상부에 적층 형성되는 광흡수층;
열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층 상부에 적층되는 전자전달층; 및
상기 전자전달층 상부에 적층 형성되는 제1 금속전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제1항에 있어서, 상기 열 및 전자 전달 필러는,
열전도도 및 전자전달 기능을 가지는 산화물(oxide) 계 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제1항에 있어서, 상기 전자전달 물질은,
전자 전도성 유기물질 층, 전자 전도성 무기물 층 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중 어느 하나의 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제3항에 있어서, 상기 전자 전달 유기물질은,
유기 전자전달층인 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)) 및 C71-PCBM, C84-PCBM, PC70BM([6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester)을 포함하는 풀러렌-유도체(Fulleren-derivative), PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제3항에 있어서, 상기 전자 전도성 무기물은,
금속산화물로서, Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Ba 산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산 화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, SrTi산화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체(composite) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제3항에 있어서, 상기 실리콘(Si)을 포함하는 층은,
비정질 실리콘(n-a-Si), 비정질 실리콘 산화물(n-a-SiO), 비정질 실리콘 질화물(n-a-SiN), 비정질 실리콘 탄화물(n-a-SiC), 비정질 실리콘 산질화물(n-a-SiON), 비정질 실리콘 탄질화물(n-a-SiCN), 비정질 실리콘 게르마늄(n-a-SiGe), 마이크로결정 실리콘(n-uc-Si), 마이크로결정 실리콘 산화물(n-uc-SiO), 마이크로결정 실리콘 탄화물(n-uc-SiC), 마이크로결정 실리콘 질화물(n-uc-SiN) 또는 마이크로결정 실리콘 게르마늄(n-uc-SiGe) 중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제1항에 있어서, 상기 제1 정공전달층을 구성하는 상기 정공전달 유기물질은.
2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene(Spiro-OMeTAD), Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine (PTAA), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT), Poly(3-alkylthiophene) (P3AT), Poly(3-octylthiophene-2,5-diyl) (P3OT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), Poly{4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(decyloxy)-6-ethoxybenzo[c][1,2,5]thiadiazole} (PBT), Poly{(4,8-bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis(trimethylstannane)}(PBDT) 또는 Poly(BT)-(BDT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 기판;
상기 기판 상부에 적층 형성되는 제1 투명전극층;
열전달 필러와 정공전달 유기물질을 포함하여 상기 제1 투명전극층 상부에 적층 형성되는 제2 정공전달층;
상기 제2 정공전달층 상부에 적층 형성되는 광흡수층;
열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층 상부에 적층되는 전자전달층; 및
상기 전자전달층 상부에 적층 형성되는 제1 금속전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제8항에 있어서, 상기 광흡수층은,
상기 정공전달층과 접하는 계면에 열전달 필러층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제8항에 있어서, 상기 열 및 전자 전달 필러는,
열전도도 및 전자전달 기능을 가지는 산화물(oxide) 계 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제8항에 있어서, 상기 전자전달 물질은,
전자 전도성 유기물질 층, 전자 전도성 무기물 층 또는 실리콘(Si)을 포함한 층 중 어느 하나의 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제11항에 있어서, 상기 전자 전달 유기물질은,
유기 전자전달층인 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)) 및 C71-PCBM, C84-PCBM, PC70BM([6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester)을 포함하는 풀러렌-유도체(Fulleren-derivative), PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제11항에 있어서, 상기 전자 전도성 무기물은,
금속산화물로서, Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Ba 산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산 화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물, SrTi산화물, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체(composite) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제11항에 있어서, 상기 실리콘(Si)을 포함하는 층은,
비정질 실리콘(n-a-Si), 비정질 실리콘 산화물(n-a-SiO), 비정질 실리콘 질화물(n-a-SiN), 비정질 실리콘 탄화물(n-a-SiC), 비정질 실리콘 산질화물(n-a-SiON), 비정질 실리콘 탄질화물(n-a-SiCN), 비정질 실리콘 게르마늄(n-a-SiGe), 마이크로결정 실리콘(n-uc-Si), 마이크로결정 실리콘 산화물(n-uc-SiO), 마이크로결정 실리콘 탄화물(n-uc-SiC), 마이크로결정 실리콘 질화물(n-uc-SiN) 또는 마이크로결정 실리콘 게르마늄(n-uc-SiGe) 중 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제8항에 있어서, 상기 제2 정공전달층은,
복수의 나노입자, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 상기 열전달 필러로서의 열전도성 무기물 구조체 및 상기 기공에 위치하는 상기 정공전달 유기물질을 포함하고,
상기 나노 입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제15항에 있어서, 상기 열전도성 무기물은,
HOMO(Highest occupied molecular orbital) 에너지 준위가 -5.6eV보다 작고, LUMO(Lowestunoccupied molecular orbital) 에너지 준위가 -3.9eV보다 큰 것인 것을 특징으로 하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제15항에 있어서, 상기 열전도성 무기물은,
Al2O3, MgO, BN, AlN, SiO2, Si3N4 및 SiC로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 제8항에 있어서, 상기 제2 정공전달층의 정공전달 유기물질은,
2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene(Spiro-OMeTAD), Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine (PTAA), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)(P3HT), Poly(3-alkylthiophene) (P3AT), Poly(3-octylthiophene-2,5-diyl) (P3OT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), Poly{4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(decyloxy)-6-ethoxybenzo[c][1,2,5]thiadiazole} (PBT), Poly{(4,8-bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis(trimethylstannane)}(PBDT) 또는 Poly(BT)-(BDT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지. - 광흡수층 상부에서 생성된 열을 상기 광흡수층의 단면 또는 양면으로 방출하도록 구성되는 페로브스카이트 태양전지;
n형 결정질 실리콘 기판, 상기 n형 결정질 실리콘 기판의 양면 각각에 형성되는 제1 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H) 및 제2 진성 비정질 실리콘층(i-a-Si:H), 상기 제1 진성 비정질 실리콘층의 하부 면에 위치하는 도전형 p형 비정질 실리콘층, 상기 제2 진성 비정질 실리콘층의 상부 면에 위치하는 도전형 n형 비정질 실리콘층, 상기 도전형 p형 비정질 실리콘층의 하부 면에 위치하는 제2 투명전극층 및 상기 제2 투명전극층의 하부 면에 형성되는 제2 금속전극을 포함하여, 상기 정공전달층이 상기 결정질 실리콘 태양전지의 도전형 n형 비정질 실리콘층과 대향하도록 상기 pin 구조의 페로브스카이트 태양전지의 하부에 적층되는 결정질 실리콘 태양전지; 및
상기 결정질 실리콘 태양전지의 도전형 n형 비정질 실리콘층과 상기 페로브스카이트 태양전지의 정공전달층의 사이를 접합하는 제3 투명전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제19항에 있어서, 상기 페로브스카이트 태양전지는,
정공전달 유기물질을 포함하는 제1 정공전달층;
상기 정공전달층 상부에 적층되는 광흡수층;
열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층 상부에 적층 형성되는 전자전달층;
상기 전자전달층의 상부에 적층 형성되는 제1 투명전극층; 및
상기 제1 투명전극층의 상부에 형성되는 제1 금속전극;을 포함하는 단면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지인 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지. - 제19항에 있어서, 상기 페로브스카이트 태양전지는,
열전달 필러와 정공전달 유기물질을 포함하는 제2 정공전달층;
상기 제2 정공전달층 상부에 적층되는 광흡수층;
열 및 전자 전달 필러와 전자전달 물질이 혼합되어 상기 광흡수층 상부에 적층 형성되는 전자전달층;
상기 전자전달층의 상부에 적층 형성되는 제1 투명전극층; 및
상기 제1 투명전극층의 상부에 형성되는 제1 금속전극;을 포함하는 양면 방열 단일 페로브스카이트 태양전지인 것을 특징으로 하는 탠덤 태양전지.
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| KR1020210148924A KR20230064054A (ko) | 2021-11-02 | 2021-11-02 | 열 및 전자전달층 또는 정공전달층을 포함하는 단일 페로브스카이트 태양전지 및 탠덤 태양전지 |
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2021
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