KR20230072873A - Solar cell with impoved interfacaial phenomenon and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 계면 현상이 향상된 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단분자층을 이용한 나노입자 박막의 형성을 통해 계면 현상이 향상된 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell with improved interfacial phenomenon and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a solar cell with improved interfacial phenomenon through the formation of a nanoparticle thin film using a monomolecular layer and a method for manufacturing the same.
최근 유기물과 무기물의 복합된 구조를 가지는 페로브스카이트 소재를 광흡수층으로 사용한 태양전지가 연구적으로 관심을 받고 있다. 이러한 유무기 하이브리드형 페로브스카이트 소재는 기존의 광흡수 소재들에서는 발견되지 않던 독특한 광전기적 특성과 이에 기인하는 고 광전변환효율 그리고 저렴한 박막제조 공정 등으로 인해 기존 차세대 태양전지의 하계에 돌파구를 제시하고 있다.Recently, a solar cell using a perovskite material having a complex structure of organic and inorganic materials as a light absorbing layer is attracting research attention. This organic-inorganic hybrid perovskite material is a breakthrough in the summer of existing next-generation solar cells due to its unique photoelectric characteristics not found in existing light absorbing materials, high photoelectric conversion efficiency and inexpensive thin film manufacturing process. are presenting
유무기 하이브리드형 금속, 할라이드 계열의 페로브스카이트 소재는 긴 엑시톤 확산거리와 높은 전하이동도 그리고 태양광 스펙트럼의 가시광선 영역 전반에 걸친 넓은 파장대역에서의 높은 흡광계수 등의 뛰어난 광전기적 특성을 갖는다.Organic-inorganic hybrid metal, halide-based perovskite materials have excellent photoelectrical properties such as long exciton diffusion distance, high charge mobility, and high absorption coefficient in a wide wavelength band across the visible ray region of the solar spectrum. have
나아가 페로브스카이트 태양전지는, 용액 공정에 기반한 박막 형성이 용이하기 때문에 생산 공정에서 단가를 크게 낮출 수 있는 장점을 갖는다.Furthermore, the perovskite solar cell has the advantage of significantly lowering the unit cost in the production process because it is easy to form a thin film based on a solution process.
다층의 박막 구조의 태양전지에서 나노 입자 수준의 균일한 박막을 코팅하는 기술은 태양전지의 광전변환 효율을 높일 수 있는 핵심 기술에 해당한다. 특히 박막이 표면이 균일하지 않은 기판층 상에 형성되는 경우, 불균일한 기판층 상에 매끄럽고 균일한 박막을 형성하는 것이 연구의 과제로 제시되고 있다.The technology of coating a uniform thin film at the level of nanoparticles in a solar cell having a multi-layered thin film structure is a key technology that can increase the photoelectric conversion efficiency of a solar cell. In particular, when a thin film is formed on a substrate layer having a non-uniform surface, forming a smooth and uniform thin film on the non-uniform substrate layer has been presented as a research task.
도 1은 종래 기술에 따른 태양전지의 단면의 예시도이다.1 is an exemplary view of a cross section of a solar cell according to the prior art.
도 1을 참조하면, 태양전지(10)는 기판층(11), 제1 전극층(12), 정공수송층(13), 광변환층(14), 전자수송층(15) 및 제2 전극층(16)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a
다층의 박막 구조의 탠덤(tandem) 소자에 정공수송물질(Hole Transporting Materials)을 코팅하기 위해 장비 증착 및 용액공정, 예를 들어 프리커서 고온열처리, 나노입자 등의 공법들이 사용되어 왔다. 장비 증착법 대비 나노입자를 이용한 용액공정의 경우 상온상압에서 대면적 코팅 공정이 가능하며, 다층의 박막 구조에서 하부 층의 열적 손상 없이 박막 형성이 가능하다는 장점이 있다.In order to coat hole transporting materials (HOLE TRANSPORTING MATERIALS) on a tandem device having a multi-layer thin film structure, methods such as equipment deposition and solution processes, for example, high-temperature heat treatment of precursors and nanoparticles, have been used. In the case of the solution process using nanoparticles compared to the equipment deposition method, a large-area coating process is possible at room temperature and normal pressure, and it has the advantage of being able to form a thin film without thermal damage to the lower layer in a multi-layer thin film structure.
나노입자를 균일하게 코팅함과 동시에 전하전달 특성에 제약 없이 박막화하기 위해서는 기판층과 나노입자 간 물리적/화학적 흡착 및 계면 특성 관련 연구가 요구된다.In order to coat nanoparticles uniformly and at the same time to thin them without restrictions on charge transfer properties, research on physical/chemical adsorption and interface properties between the substrate layer and nanoparticles is required.
도 2는 종래 기술에 따른 태양전지의 표면의 전자현미경 촬영 이미지이다.2 is an electron microscope image of the surface of a solar cell according to the prior art.
도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 태양전지의 Si/ITO 층을 스핀 코팅 방법을 이용하여 니켈수소 화합물 박막을 코팅하는 경우, 부분적으로 뭉침 현상과 함께 Si/ITO 층의 표면이 드러나는 문제점이 있었다.Referring to FIG. 2, when the Si / ITO layer of a solar cell according to the prior art is coated with a nickel hydride compound thin film using a spin coating method, there is a problem in that the surface of the Si / ITO layer is partially exposed along with aggregation. .
본 발명과 관련된 기술로서, 대한민국 등록 특허 공보에 개시된, 후면전극 기판층 및 이의 제조방법은, 단분자층이 형성된 기판층 및 단분자층이 형성된 금속 전극을 개시하나, 기판층, 금속 전극 및 유기물 전극에 이용되는 단분자층이라는 점에서 나노입자 박막의 형성을 위한 본 발명의 단분자층과 구성 및 효과 면에서 서로 구별된다.As a technique related to the present invention, the back electrode substrate layer and its manufacturing method, disclosed in the Korean Registered Patent Publication, discloses a substrate layer formed with a monomolecular layer and a metal electrode formed with a monomolecular layer, but used for the substrate layer, the metal electrode and the organic electrode In that it is a monomolecular layer, it is distinguished from the monomolecular layer of the present invention for forming a nanoparticle thin film in terms of composition and effect.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 실리콘 기판층 및 전극의 불규칙한 표면에 단분자층을 매개로 나노입자 박막이 균일하게 형성된 태양전지를 제공하는 것이다.One problem to be solved by the present invention is to provide a solar cell in which a nanoparticle thin film is uniformly formed on irregular surfaces of a silicon substrate layer and an electrode through a monomolecular layer.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 정전기적 결합력을 이용하여 나노입자 박막이 균일하게 형성된 태양전지를 제공하는 것이다.One problem to be solved by the present invention is to provide a solar cell in which nanoparticle thin films are uniformly formed using electrostatic bonding force.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 단분자 입자 기반의 기판 개질에 따른 나노입자 박막 형성을 통해 광전변환 효율이 향상된 태양전지를 제공하는 것이다.One problem to be solved by the present invention is to provide a solar cell with improved photoelectric conversion efficiency through the formation of a nanoparticle thin film according to substrate modification based on monomolecular particles.
본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지는, 제1 전극층, 제1 전극층 상에 형성된 단분자층, 단분자층 상에 형성된 정공수송층, 정공수송층 상에 형성된 광활성층, 광활성층 상에 형성된 전자수송층 및 전자수송층 상에 형성된 제2 전극층을 포함하도록 구성될 수 있다.A solar cell according to an embodiment of the present invention includes a first electrode layer, a monomolecular layer formed on the first electrode layer, a hole transport layer formed on the monomolecular layer, a photoactive layer formed on the hole transport layer, an electron transport layer formed on the photoactive layer, and an electron transport layer formed on the electron transport layer. It may be configured to include a second electrode layer formed on.
또한, 단분자층은, 단분자 유기물을 포함하도록 구성될 수 있다.In addition, the monomolecular layer may be configured to include a monomolecular organic material.
또한, 단분자층은, 트리스(2-아미노에틸)아민 (tris(2-aminoethyl)amine, TREN) 또는 트라이카르복실산(tricarboxylic acid)을 포함하도록 구성될 수 있다.In addition, the monomolecular layer may be configured to include tris(2-aminoethyl)amine (TREN) or tricarboxylic acid.
또한, 단분자층은, 아민기(-NH2), 카르복시기(-COOH) 및 설폰기(-SO3H) 중에서 적어도 하나의 기능기가 포함된 단분자 유기물을 포함하도록 구성될 수 있다.In addition, the monomolecular layer may be configured to include a monomolecular organic material including at least one functional group among an amine group (-NH 2 ), a carboxy group (-COOH), and a sulfone group (-SO 3 H).
또한, 정공수송층은, 박막의 니켈 산화물을 포함하도록 구성될 수 있다.In addition, the hole transport layer may be configured to include a thin film of nickel oxide.
또한, 광활성층은, 페로브스카이트 화합물을 포함하도록 구성될 수 있다.In addition, the photoactive layer may be configured to include a perovskite compound.
또한, 태양전지는 제1 전극층이 형성되는 기판층을 더 포함하되, 기판층은 투명 기판층 또는 실리콘 기판층을 포함하도록 구성될 수 있다.In addition, the solar cell may further include a substrate layer on which the first electrode layer is formed, and the substrate layer may include a transparent substrate layer or a silicon substrate layer.
또한, 태양전지는 제1 전극층이 형성되는 실리콘 기판층을 더 포함하고, 단분자층 및 정공수송층은, 정전기력 결합력을 이용하여 상기 실리콘 기판층 상에서 균일한 두께의 박막을 형성하도록 구성될 수 있다.In addition, the solar cell may further include a silicon substrate layer on which the first electrode layer is formed, and the monomolecular layer and the hole transport layer may be configured to form a thin film having a uniform thickness on the silicon substrate layer by using electrostatic force.
본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판층 상에 제1 전극층을 형성하는 단계, 정전기적 결합력을 이용하여 상기 제1 전극층 상에 정공수송층을 형성하는 단계, 정공수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계, 광활성층 상에 전자수송층을 형성하는 단계 및 전자수송층 상에 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.A method for manufacturing a solar cell according to an embodiment of the present invention includes forming a first electrode layer on a substrate layer, forming a hole transport layer on the first electrode layer by using an electrostatic bonding force, and forming a photoactive layer on the hole transport layer. It may be configured to include forming a layer, forming an electron transport layer on the photoactive layer, and forming a second electrode layer on the electron transport layer.
또한, 정전기적 결합력을 이용하여 상기 제1 전극층 상에 정공수송층을 형성하는 단계는, 제1 전극층 상에 단분자층을 형성하는 단계 및 단분자층 상에 상기 정공수송층을 형성하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.In addition, the step of forming the hole transport layer on the first electrode layer by using the electrostatic bonding force may be configured to include forming a monomolecular layer on the first electrode layer and forming the hole transport layer on the monomolecular layer. .
또한, 제1 전극층 상에 단분자층을 형성하는 단계는, 단분자 유기물이 용해된 분산 용액을 이용하여 제1 전극층을 코팅하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.In addition, the step of forming the monomolecular layer on the first electrode layer may be configured to include the step of coating the first electrode layer using a dispersion solution in which the monomolecular organic material is dissolved.
또한, 제1 전극층 상에 단분자층을 형성하는 단계는, 단분자층을 상기 분산 용액의 용매를 이용하여 세척하는 단계를 더 포함하도록 구성될 수 있다.In addition, the step of forming the monomolecular layer on the first electrode layer may be configured to further include the step of washing the monomolecular layer using a solvent of the dispersion solution.
기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.Details of other embodiments are included in the "specific details for carrying out the invention" and the accompanying "drawings".
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and/or features of the present invention, and methods of achieving them, will become apparent with reference to the various embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.However, the present invention is not limited only to the configuration of each embodiment disclosed below, but may also be implemented in various other forms, and each embodiment disclosed herein only makes the disclosure of the present invention complete, and the present invention It is provided to completely inform those skilled in the art of the scope of the present invention, and it should be noted that the present invention is only defined by the scope of each claim of the claims.
본 발명에 의하면, 태양전지 기판층의 표면 구조에 따른 제약 없이 균일한 나노입자 박막이 형성될 수 있다.According to the present invention, a uniform thin film of nanoparticles can be formed without being restricted by the surface structure of the solar cell substrate layer.
또한, 태양전지에서 나노입자의 균일한 코팅을 통해 계면 현상이 향상될 수 있다.In addition, interface phenomena can be improved through uniform coating of nanoparticles in solar cells.
또한, 페로브스카이트 태양전지 구조에서 대면적의 정공수송의 박막이 형성될 수 있다.In addition, a large-area hole-transporting thin film can be formed in the perovskite solar cell structure.
또한, 단분자를 이용한 균일한 나노입자 박막 형성을 통해 태양전지의 광전변환 효율이 향상될 수 있다.In addition, the photoelectric conversion efficiency of a solar cell can be improved through the formation of a uniform nanoparticle thin film using a single molecule.
또한, 탠덤 태양전지의 불규칙한 전극면에 단분자를 이용하여 균일한 나노입자 박막 형성이 가능하다.In addition, it is possible to form a uniform nanoparticle thin film on the irregular electrode surface of a tandem solar cell by using a single molecule.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 태양전지의 단면의 예시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 태양전지의 표면의 전자현미경 촬영 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 단면의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 표면의 전자현미경 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 단면의 전자현미경 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 표면의 전자현미경 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 단면의 전자현미경 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 효율 표이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 효율 표이다.The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the present invention serve to further understand the technical idea of the present invention, the present invention is the details described in such drawings should not be construed as limited to
1 is an exemplary view of a cross section of a solar cell according to the prior art.
2 is an electron microscope image of the surface of a solar cell according to the prior art.
3 is an exemplary cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart of a solar cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
5 is an electron microscope image of the surface of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
6 is an electron microscope image of a cross section of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
7 is an electron microscope image of the surface of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
8 is an electron microscope image of a cross section of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
9 is an efficiency table of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
10 is an efficiency table of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.Before explaining the present invention in detail, the terms or words used in this specification should not be construed unconditionally in a conventional or dictionary sense, and in order for the inventor of the present invention to explain his/her invention in the best way It should be noted that concepts of various terms may be appropriately defined and used, and furthermore, these terms or words should be interpreted as meanings and concepts corresponding to the technical idea of the present invention.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.That is, the terms used in this specification are only used to describe preferred embodiments of the present invention, and are not intended to specifically limit the contents of the present invention, and these terms represent various possibilities of the present invention. It should be noted that it is a defined term.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.In addition, it should be noted that in this specification, singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise, and similarly, even if they are expressed in plural numbers, they may include singular meanings. .
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.Throughout this specification, when a component is described as "including" another component, it does not exclude any other component, but further includes any other component, unless otherwise stated. It can mean you can do it.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.Furthermore, when a component is described as “existing inside or connected to and installed” of another component, this component may be directly connected to or installed in contact with the other component, and a certain It may be installed at a distance, and when it is installed at a certain distance, a third component or means for fixing or connecting the corresponding component to another component may exist, and now It should be noted that the description of the components or means of 3 may be omitted.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.On the other hand, when it is described that a certain element is "directly connected" to another element, or is "directly connected", it should be understood that no third element or means exists.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.Similarly, other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "directly between", or "adjacent to" and "directly adjacent to" have the same meaning. should be interpreted as
또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.In addition, in this specification, the terms "one side", "the other side", "one side", "the other side", "first", "second", etc., if used, refer to one component It is used to be clearly distinguished from other components, and it should be noted that the meaning of the corresponding component is not limitedly used by such a term.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.In addition, in this specification, terms related to positions such as "top", "bottom", "left", and "right", if used, should be understood as indicating a relative position in the drawing with respect to the corresponding component, Unless an absolute position is specified for these positions, these positional terms should not be understood as referring to an absolute position.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.In addition, in this specification, in specifying the reference numerals for each component of each drawing, for the same component, even if the component is displayed in different drawings, it has the same reference numeral, that is, the same reference throughout the specification. Symbols indicate identical components.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.In the drawings accompanying this specification, the size, position, coupling relationship, etc. of each component constituting the present invention is partially exaggerated, reduced, or omitted in order to sufficiently clearly convey the spirit of the present invention or for convenience of explanation. may be described, and therefore the proportions or scale may not be exact.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.In addition, in the following description of the present invention, a detailed description of a configuration that is determined to unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, for example, a known technology including the prior art, may be omitted.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to related drawings.
종래에는 정공수송층의 코팅에 장비 증착법이 이용되었다. 그런데 챔버(chamber)의 크기에 따라 기판층의 크기가 제한되고 고온 및 고진공과 같이 험한(harsh) 공정 조건이 요구되는 것이 장비 증착법의 단점이었다.Conventionally, an equipment deposition method has been used for coating the hole transport layer. However, the disadvantage of the equipment deposition method is that the size of the substrate layer is limited according to the size of the chamber and harsh process conditions such as high temperature and high vacuum are required.
또한, 종래의 용액 공정에 따른 프리커서 용액을 코팅 후 열처리를 통한 NiOx 층 코팅법은 고온의 열처리 온도조건에 따라 하부 층의 열적 손상 및 코팅 제약이 따를 수 있었다.In addition, the NiOx layer coating method through heat treatment after coating the precursor solution according to the conventional solution process may result in thermal damage of the lower layer and coating limitations depending on the high temperature heat treatment temperature condition.
특히 기존 단순 물리적 용액 코팅법, 예를 들어 블레이드 또는 스핀 용법을 이용한 나노입자 코팅은 입자의 뭉침(aggregation)과 분리(segregation) 현상이 발생할 뿐 아니라, 다층 구조의 탠덤(tandem) 소자에 적용 시, 기판층, 예를 들어 bottom Si cell과 같이 표면이 평평하지 않은 하부 기판층에 균일하게 나노입자의 코팅이 어렵다는 단점이 있었다.In particular, existing simple physical solution coating methods, for example, nanoparticle coating using blade or spin methods, not only cause aggregation and segregation of particles, but also when applied to multi-layered tandem devices, It is difficult to uniformly coat nanoparticles on a substrate layer, for example, a lower substrate layer having an uneven surface such as a bottom Si cell.
추가로 나노입자 코팅을 위해 고분자 바인더를 이용한 슬러리 코팅법은 입자간 그리고 박막 층간 저항을 발생시켜 소자 성능에 한계를 가져올 수 있었다.In addition, the slurry coating method using a polymer binder for coating nanoparticles can cause resistance between particles and between layers of thin films, which can limit device performance.
본 발명에 따르면, 정전기적 결합력으로 인해 극성 용매 내에 분산된 금속산화물의 흡착이 잘 이루어지게 하여, 균일한 금속산화물 박막을 포함하는 정공수송층 또는 전자수송층을 형성시킬 수 있다.According to the present invention, it is possible to form a hole transport layer or an electron transport layer including a uniform metal oxide thin film by adsorbing the metal oxide dispersed in the polar solvent due to the electrostatic bonding force.
따라서, 이러한 정공수송층 또는 전자수송층을 포함하게 되면, 궁극적으로 태양전지의 성능이 향상된다.Therefore, when such a hole transport layer or electron transport layer is included, the performance of the solar cell is ultimately improved.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 단면의 예시도이다.3 is an exemplary cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 계면 현상이 향상된 태양전지(100)는, 기판층(110), 기판층(110) 상에 형성된 제1 전극층(120), 제1 전극층(120) 상에 형성된 단분자층(130), 단분자층(130) 상에 형성된 정공수송층(140), 정공수송층(140) 상에 형성된 광활성층(150), 광활성층(150) 상에 형성된 전자수송층(160) 및 전자수송층(160) 상에 형성된 제2 전극층(170)을 포함하도록 구성될 수 있다.Referring to FIG. 3 , a
한편, 위와 같은 기판층(110), 정공수송층(140), 광활성층(150) 및 전자수송층(160) 외에도 다양한 층 구조 및 물질이 태양전지(100)에 적용될 수 있다.Meanwhile, in addition to the
기판층(110)은 실리콘 태양전지, 또는 실리콘 기판층을 포함하도록 구성될 수 있다. 즉 태양전지(100)는 기판층(110)이 실리콘 기판층이거나, 기판층(110) 하부에 실리콘 태양전지를 포함하는 실리콘-페로브스카이트 탠덤(tandem) 구조의 태양전지에 해당할 수 있다.The
기판층(110)은 투명 기판층을 포함하도록 구성될 수 있다. 즉 태양전지(100)는 기판층(110) 하부에 태양전지를 포함하지 않는 탠덤 구조가 아닌 일반 태양전지에 해당할 수 있다.The
기판층(110)은, 광을 통과시키는 투명한 물질을 포함할 수 있다.The
기판층(110)은 원하는 파장의 광을 선별적으로 통과시키는 물질을 포함할 수 있다. 기판층(110)은, 예를 들어 실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine Tin Oxide)와 같은 TCO(Transparent Conductive Oxide), 글래스, 석영, 또는 폴리머를 포함할 수 있다.The
여기서, 폴리머는 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 폴리디메틸실록산(PDMS) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Here, the polymer may include at least one of polyimide, polyethylenenaphthalate (PEN), polyethyleneterephthalate (PET), polymethylmethacrylate (PMMA), and polydimethylsiloxane (PDMS). can
기판층(110)은, 예를 들어 100 μm 내지 150 μm 범위의 두께를 가질 수 있고, 예를 들면 125 μm의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 기판층(110)의 재질 및 두께는 위의 기재된 내용에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 따라 적절히 선택될 수 있다.The
제1 전극층(120)은, 기판층(110), 예를 들어 실리콘 기판층(110) 또는 투명 기판층(110) 상에 형성될 수 있다. 실리콘 기판층(110)은 바닥-실리콘 셀(bottom-Si cell)의 일부를 구성할 수 있다.The
제1 전극층(120)은 투광성을 갖는 도전성 소재로 형성될 수 있다. 투광성을 갖는 도전성 소재는, 예컨대 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재 및 금속성 소재 등을 포함할 수 있다. 투명 전도성 산화물로는, 예컨대 ITO(Indium Tin Oxide), ICO(Indium Cerium 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), ZnO 등이 사용될 수 있다. 탄소질 전도성 소재로는, 예컨대 그래핀 또는 카본나노튜브 등이 사용될 수 있으며, 금속성 소재로는, 예컨대 금속(Ag) 나노 와이어, Au/Ag/Cu/Mg/Mo/Ti와 같은 다층 구조의 금속 박막이 사용될 수 있다.The
본 명세서에서 투명이라는 용어는 빛을 일정 정도 이상 투과할 수 있는 것을 말하며, 반드시 완전한 투명을 의미하는 것으로 해석되지 않는다. 이상 설명한 물질들은 반드시 위에 설명한 실시예들에 한정되는 것은 아니고 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 그 구조 또한 단층 또는 다층이 될 수 있는 등 다양한 변형이 가능하다.In this specification, the term transparent refers to something that can transmit light to a certain extent or more, and is not necessarily interpreted as meaning complete transparency. The materials described above are not necessarily limited to the above-described embodiments, and may be formed of various materials, and various modifications are possible, such as a single layer or multi-layer structure.
제1 전극층(120)은 기판층(110) 상에 적층되어 형성될 수도 있고, 기판층(110)과 일체로써 형성될 수도 있다.The
제2 전극층(170)은 전자수송층(150) 상에 형성될 수 있다.The second electrode layer 170 may be formed on the
제1 전극층(120) 및 제2 전극층(170)은 서로 독립적으로 ITO(Indium Tin Oxide), ICO(Indium Cerium 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) 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상을 포함할 수 있다.The
본 발명의 일 실시 예에 따른 단분자층(130)은, 단분자 유기물을 포함하도록 구성될 수 있다.The
구체적으로 단분자층(130)은, 트리스(2-아미노에틸)아민 (tris(2-aminoethyl)amine, TREN) 또는 트라이카르복실산(tricarboxylic acid)을 포함하도록 구성될 수 있다.Specifically, the
단분자층(130)은, 아민기(-NH2), 카르복시기(-COOH) 및 설폰기(-SO3H) 중에서 적어도 하나의 기능기가 포함된 단분자 유기물을 포함하도록 구성될 수 있다.The
정공수송층(140)은, 단분자층(130)과의 정전기력 결합력을 이용하여 평평하지 않은, 거칠기(roughness)가 있는 실리콘 기판층(110) 및 제1 전극층(120) 상에서 균일한 두께, 예를 들어 16nm 또는 23nm의 두께의 박막 형태로 형성될 수 있다.The
정공수송층(140)은, 텅스텐 옥사이드(WOx), 몰리브덴 옥사이드(MoOx), 바나듐 옥사이드(V2O5) 및 니켈 옥사이드(NiOx)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상을 포함하도록 구성될 수 있다. 즉 정공수송층(140)은, 박막의 니켈 산화물을 포함하도록 구성될 수 있다.The
제1 전극층(120) 상에 정공수송층(140)이 적층될 수 있다. 정공수송층(140)은 광활성층(150)에서 생성되는 정공(hole)을 제1 전극층(120)으로 전달하는 역할을 한다.A
정공수송층(140)은 전술한 바와 같이, 표면 개질된 금속산화물이 균일하게 박막으로 형성된 금속산화물층을 포함할 수 있고, 또는 텅스텐 옥사이드(WOx), 몰리브덴 옥사이드(MoOx), 바나듐 옥사이드(V2O5), 니켈 옥사이드(NiOx) 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 금속 산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한 단분자 정공수송물질 및 고분자 정공수송물질로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않고 당해 업계에서 사용되는 물질이면 한정되지 않고 사용할 수 있다.As described above, the
예를 들면, 단분자 정공수송물질로서 spiro-MeOTAD [2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxy-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene]를 사용할 수 있고, 상기 고분자 정공수송물질로서 P3HT[poly(3-hexylthiophene)], PTAA(polytriarylamine), poly(3,4-ethylenedioxythiophene) 또는 polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, spiro-MeOTAD [2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxy-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene] can be used as a single molecule hole transport material, and the polymer hole As the transport material, P3HT [poly(3-hexylthiophene)], PTAA (polytriarylamine), poly(3,4-ethylenedioxythiophene), or polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) may be used, but is not limited thereto.
정공수송층(140)에는 도핑 물질이 더 포함될 수 있으며, 도핑 물질로는 Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트, Cu 계열 도펀트, Cs 계열 도펀트 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 도펀트를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The
정공수송층(140)은 제1 전극층(120) 상에 정공수송층용 전구체 용액을 도포하고, 건조하여 형성될 수 있으며, 전구체 용액을 도포하기 전 제1 전극층(120)에 UV-오존 처리를 통해 제1 전극층(120)의 일함수를 낮추고, 표면 불순물 제거하며 친수성 처리를 할 수 있다. 전구체 용액의 도포는 스핀 코팅 또는 블레이드 코팅과 같은 방법을 사용 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 형성된 정공수송층(140)의 두께는 10 내지 500 nm일 수 있다.The
장비 증착 또는 용액 공정과 같이 기존의 단순한 물리적 흡착을 기반으로 하는 금속산화물 박막과 비교하여 표면 개질제에 해당하는 단분자층(130)을 이용함으로써, 기판(110)의 표면 형태에 제약없이 균일한 고밀도 나노입자 박막이 형성될 수 있다. 단분자를 이용하여 입자 간 그리고 박막 층 간 계면 저항이 최소화되고 소자 성능이 최대화 될 수 있다.Uniform high-density nanoparticles without restrictions on the surface shape of the
단분자층(120)의 단분자의 역할은 기판(110)/제1 전극(110) 및 정공수송층(140)에 포함된 나노입자 간의 결합력을 형성시킨다. 즉 정전기적 결합력에 의해 나노입자가 다양한 형태의 기판에 균일하게 코팅될 수 있다. 그리고 단분자 구조로 고분자 바인더 대비 입자간 거리 및 층간 거리를 최소화시켜, 계면 저항이 최소화 되고, 소자의 입자 수송 효율이 최대화 될 수 있다.The role of the single molecule of the
광활성층(150)은 바람직하게는 페로브스카이트 화합물을 포함하는 페로브스카이트층일 수 있다.The
본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지(100)에서 태양광을 흡수하여 광전자-광정공 쌍을 생성하는 광활성 물질로 페로브스카이트 화합물을 채택할 수 있는데, 페로브스카이트는 직접형 밴드갭(direct band gap)을 가지면서 광흡수 계수가 550nm에서 1.5×104cm-1 정도로 높고, 전하 이동 특성이 우수하며 결함에 대한 내성이 뛰어나다는 장점이 있다.In the
또한, 페로브스카이트 화합물은 용액의 도포 및 건조라는 극히 간단하고 용이하며 저가의 단순한 공정을 통해 광활성층을 이루는 광흡수체를 형성할 수 있는 장점이 있고, 도포된 용액의 건조에 의해 자발적으로 결정화가 이루어져 조대(粗大) 결정립의 광흡수체 형성이 가능하며, 특히 전자와 정공 모두에 대한 전도도가 우수하다.In addition, the perovskite compound has the advantage of being able to form a light absorber constituting a photoactive layer through an extremely simple, easy, and low-cost simple process of applying and drying a solution, and crystallizes spontaneously by drying the applied solution. , it is possible to form a light absorber with coarse crystal grains, and in particular, the conductivity for both electrons and holes is excellent.
이러한 페로브스카이트 화합물은 하기의 화학식 1의 구조로 표시될 수 있다.This perovskite compound can be represented by the structure of Formula 1 below.
(여기서, A는 1가의 유기 암모늄 양이온 또는 금속 양이온, B는 2가의 금속 양이온, X는 할로겐 음이온을 의미한다)(Here, A is a monovalent organic ammonium cation or metal cation, B is a divalent metal cation, and X is a halogen anion)
페로브스카이트 화합물이 포함된 페로브스카이트층은 CH3NH3PbI3, CH3NH3PbIxCl3-x, MAPbI3, CH3NH3PbIxBr3-x, CH3NH3PbClxBr3-x, HC(NH2)2PbI3, HC(NH2)2PbIxCl3-x, HC(NH2)2PbIxBr3-x, HC(NH2)2PbClxBr3-x, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbI3, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbIxCl3-x, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbIxBr3-x 및 (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbClxBr3-x로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상을 포함하도록 구성될 수 있다(0≤x, y≤1).The perovskite layer containing the perovskite compound is CH 3 NH 3 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbI x Cl 3-x , MAPbI 3 , CH 3 NH 3 PbI x Br 3-x , CH 3 NH 3 PbCl x Br 3-x , HC(NH 2 ) 2 PbI 3 , HC(NH 2 ) 2 PbI x Cl 3-x , HC(NH 2 ) 2 PbI x Br 3-x , HC(NH 2 ) 2 PbCl x Br 3-x , (CH 3 NH 3 )(HC(NH 2 ) 2 ) 1-y PbI 3 , (CH 3 NH 3 )(HC(NH 2 ) 2 ) 1-y PbI x Cl 3-x , (CH 3 NH 3 )(HC(NH 2 ) 2 ) 1-y PbI x Br 3-x and (CH 3 NH 3 )(HC(NH 2 ) 2 ) 1-y PbCl x Br 3-x selected from the group consisting of It may be configured to include any one or two or more of them (0≤x, y≤1).
또한, ABX3의 A에 Cs가 일부 도핑된 화합물도 사용될 수 있다.In addition, a compound in which A of ABX 3 is partially doped with Cs may also be used.
태양전지(100)는, 광변환층(150)에 해당하는 제1 페로브스카이트층 및 제1 페로브스카이트층 상에 적층된 제2 페로브스카이트층을 포함하는 페로브스카이트-페로브스카이트 탠덤 구조인 태양전지일 수 있다.The
이때, 제1 페로브스카이트층과 제2 페로브스카이트층은 서로 다른 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 이와 같이 다양한 에너지 밴드갭을 갖는 재료들을 이용함으로써 넓은 스펙트럼 영역의 광에너지를 효과적으로 이용할 수 있다.In this case, the first perovskite layer and the second perovskite layer may have different energy band gaps. As such, by using materials having various energy band gaps, light energy in a wide spectral region can be effectively used.
일 예로, 탠덤 구조의 태양전지에서는 상대적으로 큰 밴드갭을 가지는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지가 수광면에 위치하고 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지가 수광면의 반대면에 위치할 수 있다. 이에 따라 탠덤 구조의 태양전지는 전면에서 단파장 영역의 광을 흡수하고 후면에서 장파장 영역의 광을 흡수함으로써 문턱 파장(threshold wavelength)을 장파장 쪽으로 이동시킬 수 있다. 결과적으로 탠덤 구조의 태양전지는 전체 흡수파장 영역을 넓게 이용할 수 있는 이점이 있다.For example, in a solar cell with a tandem structure, a single junction solar cell including an absorber layer having a relatively large band gap is positioned on a light receiving surface, and a single junction solar cell including an absorber layer having a relatively small band gap is located on the opposite surface of the light receiving surface. can be located Accordingly, the solar cell of the tandem structure can move the threshold wavelength toward a long wavelength by absorbing light in a short wavelength region from the front side and absorbing light in a long wavelength region from the rear side. As a result, the solar cell of the tandem structure has the advantage of being able to use a wide range of the entire absorption wavelength.
여기서, 실리콘 태양전지는 일반적인 공지의 실리콘 태양전지일 수 있고, 그 구조나 형태는 제한되지 않으며, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 것이라면 자유롭게 적용 가능하다.Here, the silicon solar cell may be a generally known silicon solar cell, and its structure or form is not limited, and any one capable of achieving the object of the present invention can be freely applied.
전자수송층(160)은 광활성층(150) 상에 위치하고, 광활성층(150)에서 생성된 전자가 제2 전극층(170)으로 용이하게 전달되도록 하는 기능을 할 수 있다.The
전자수송층(160)은, 표면 개질된 금속산화물이 균일하게 박막으로 형성된 금속산화물층을 포함할 수 있고, 또는 일반적인 금속산화물을 포함할 수도 있다. 예컨대 Ti 산화물, Zn 산화물, In 산화물, Sn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, Mo 산화물, Mg 산화물, Zr 산화물, Sr 산화물, Yr 산화물, La 산화물, V 산화물, Al 산화물, Y 산화물, Sc 산화물, Sm 산화물, Ga 산화물, SrTi 산화물 등이 사용될 수 있다.The
본 발명에 따른 전자수송층(160)은 컴팩트한 구조의 TiO2, SnO2, WO3 또는 TiSrO3 등을 포함할 수도 있다. 이러한 전자수송층(160)은 필요에 따라 n형 또는 p형 도펀트를 더 포함할 수 있다.The
정공수송층(140)/광활성층(150)/전자수송층(160)은 전술한 층간 구조 및/또는 물질 이외에도 태양전지(100)를 구성하는 다양한 층 구조 및 물질이 적용될 수 있고, 정공수송층(140)과 전자수송층(160)은 서로 위치가 바뀌어 형성될 수도 있다.The
제2 전극층(170)은 투광성을 갖는 도전성 소재로 형성될 수 있다. 투광성을 갖는 도전성 소재는, 예컨대 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재 및 금속성 소재 등을 포함할 수 있다. 투명 전도성 산화물로는, 예컨대 ITO(Indium Tin Oxide), ICO(Indium Cerium 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), ZnO 등이 사용될 수 있다. 탄소질 전도성 소재로는, 예컨대 그래핀 또는 카본나노튜브 등이 사용될 수 있으며, 금속성 소재로는, 예컨대 금속(Ag) 나노 와이어, Au/Ag/Cu/Mg/Mo/Ti와 같은 다층 구조의 금속 박막이 사용될 수 있다.The second electrode layer 170 may be formed of a light-transmitting conductive material. The light-transmitting conductive material may include, for example, a transparent conductive oxide, a carbonaceous conductive material, and a metallic material. Examples of the transparent conductive oxide include indium tin oxide (ITO), indium cerium oxide (ICO), indium tungsten oxide (IWO), zinc indium tin oxide (ZITO), zinc indium oxide (ZIO), zinc tin oxide (ZTO), Gallium indium tin oxide (GITO), gallium indium oxide (GIO), gallium zinc oxide (GZO), aluminum doped zinc oxide (AZO), fluorine tin oxide (FTO), ZnO, and the like may be used. As the carbonaceous conductive material, for example, graphene or carbon nanotubes may be used, and as the metallic material, for example, metal (Ag) nanowires or multi-layered metals such as Au/Ag/Cu/Mg/Mo/Ti A thin film may be used.
본 명세서에서 투명이라는 용어는 빛을 일정 정도 이상 투과할 수 있는 것을 말하며, 반드시 완전한 투명을 의미하는 것으로 해석되지 않는다. 이상 설명한 물질들은 반드시 위에 설명한 실시예들에 한정되는 것은 아니고 다양한 재질로 형성될 수 있으며, 그 구조 또한 단층 또는 다층이 될 수 있는 등 다양한 변형이 가능하다.In this specification, the term transparent refers to something that can transmit light to a certain extent or more, and is not necessarily interpreted as meaning complete transparency. The materials described above are not necessarily limited to the above-described embodiments, and may be formed of various materials, and various modifications are possible, such as a single layer or multi-layer structure.
한편, 도시되지는 않았으나, 제2 전극층(170) 상에는 제2 전극층(170)의 저항을 낮추고 전하의 전달을 더욱 용이하게 하기 위하여 버스전극(미도시)이 더 배치될 수도 있다. 상기 버스 전극은 Ag, Mg, Al, Pt, Pd, Au, Ni, Nd, Ir, Cr 및/또는 이들의 화합물 등으로 형성될 수 있다.On the other hand, although not shown, a bus electrode (not shown) may be further disposed on the second electrode layer 170 to lower the resistance of the second electrode layer 170 and further facilitate charge transfer. The bus electrode may be formed of Ag, Mg, Al, Pt, Pd, Au, Ni, Nd, Ir, Cr, and/or a compound thereof.
전자수송층(160)은, Ti 산화물, Zn 산화물, In 산화물, Sn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, Mo 산화물, Mg 산화물, Zr 산화물, Sr 산화물, Yr 산화물, La 산화물, V 산화물, Al 산화물, Y 산화물, Sc 산화물, Sm 산화물, Ga 산화물 및 SrTi 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상을 포함하도록 구성될 수 있다.The
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조방법의 흐름도이다.4 is a flowchart of a solar cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조방법(S100)은, 기판층(110) 상에 제1 전극층(120)을 형성하는 단계, 정전기적 결합력을 이용하여 제1 전극층(120) 상에 정공수송층(140)을 형성하는 단계, 정공수송층(140) 상에 광활성층(150)을 형성하는 단계, 광활성층(150) 상에 전자수송층(160)을 형성하는 단계 및 전자수송층(160) 상에 제2 전극층(170)을 형성하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.Referring to FIG. 4 , the solar cell manufacturing method (S100) according to an embodiment of the present invention includes forming a
정전기적 결합력을 이용하여 제1 전극층(120) 상에 정공수송층(140)을 형성하는 단계는, 제1 전극층(120) 상에 단분자층(130)을 형성하는 단계 및 단분자층(130) 상에 정공수송층(140)을 형성하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.The step of forming the
정전기적 결합력을 이용하여 제1 전극층(120) 상에 정공수송층(140)이 형성될 수 있다(S120). 즉 제1 전극층(120) 상에 단분자층(130)이 형성되고(S121), 단분자층(130) 상에 정공수송층(140)이 형성될 수 있다(S122).A
제1 전극층 상에 단분자층(130)을 형성하는 단계(S121)는, 단분자 유기물이 용해된 분산 용액을 이용하여 제1 전극층(120)을 코팅하는 단계(S121)를 포함하도록 구성될 수 있다.The step of forming the
구체적으로 Bottom-Si cell/ITO 표면을 유기물 단분자로 표면 처리하여(S121) 박막 커버리지가 우수한 균일한 NiOx NPs 박막이 형성될 수 있다(S122).Specifically, a uniform NiOx NPs thin film with excellent thin film coverage can be formed by surface treatment of the Bottom-Si cell/ITO surface with organic single molecules (S121).
유기물 단분자로서 기능기 가지가 둘 이상인 유기물 단분자가 용매에 용해된 분산 용액이 이용될 수 있다. 분산 용액은, 용매에 분산되어 표면 전하를 띄는 기능기 아민기(-NH2), 카르복시기(-COOH), 또는 설폰기(-SO3H)를 포함할 수 있다.As organic single molecules, a dispersion solution in which organic single molecules having two or more functional group branches are dissolved in a solvent may be used. The dispersion solution may include a functional amine group (-NH 2 ), a carboxy group (-COOH), or a sulfone group (-SO 3 H) that is dispersed in a solvent and exhibits a surface charge.
용매는 이소프로필알코올(IPA) 등의 비극성 용매일 수도 있고, 탈이온수(DI water) 및 에탄올 등의 극성 용매일 수도 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니고, 상기 용매들로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상이 사용될 수도 있으며, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내의 다양한 용매들이 사용될 수 있다.The solvent may be a non-polar solvent such as isopropyl alcohol (IPA) or a polar solvent such as deionized water (DI water) and ethanol, but is not limited thereto, and any one selected from the group consisting of the above solvents Alternatively, two or more of these may be used, and various solvents within a range capable of achieving the object of the present invention may be used.
유기물 단분자로서 대표적으로 아민 그룹을 갖는 tris(2-aminoethyl)amine, 즉 분자량 146g/mol 이내의 TREN이 사용될 수 있다.As a single organic molecule, tris(2-aminoethyl)amine having an amine group, that is, TREN having a molecular weight of 146 g/mol or less may be used.
스핀 코팅 또는 블레이드 코팅 방법을 통해 Bottom-Si cell/ITO 표면에 단분자 분산 용액이 코팅될 수 있다.The monomolecular dispersion solution may be coated on the bottom-Si cell/ITO surface through spin coating or blade coating.
다음으로 제1 전극층(120) 상에 단분자층(130)을 형성하는 단계는, 단분자층(130)을 분산 용액의 용매를 이용하여 세척하는 단계를 더 포함하도록 구성될 수 있다.Next, forming the
구체적으로 ITO 표면에 과잉 흡착된 단분자를 제거하여 균일한 단일 단분자층 (mono-layer)을 형성하기 위해 동일 용매를 사용하여 박막의 워싱이 진행될 수 있다. 과잉 흡착된 유기 단분자는 상부 NiOx NPs의 균일한 용액 코팅을 어렵게 할 뿐 아니라, ITO와 NPs 박막 계면에서 전하전달 특성을 방해하여 소자 효율 향상에 한계를 가져올 수 있다.Specifically, the thin film may be washed using the same solvent to form a uniform mono-layer by removing excessively adsorbed monomolecules on the ITO surface. Excessive adsorbed organic single molecules not only make it difficult to uniformly coat the upper NiOx NPs, but also interfere with the charge transfer characteristics at the interface between the ITO and NPs thin films, which can limit device efficiency.
다음으로 직경이 약 8nm 이하인 NiOx 분산 용액을 이용한 스핀 코팅(기판층 사이즈 1 inch 기준 200μl 이상의 용액 양, 속도 3000rpm) 또는 블레이드 코팅(기판층 사이즈 3 inch 기준 100μl의 용액 양, 속도 100mm/s, 60C의 기판층 온도)이 이용될 수 있다.Next, spin coating using a NiOx dispersion solution with a diameter of about 8 nm or less (amount of solution of 200 μl or more based on the substrate layer size 1 inch, speed 3000 rpm) or blade coating (amount of solution of 100 μl based on the substrate layer size 3 inch,
이후 TREN과 미결합 및 과잉 흡착된 NiOx NPs를 제거하여 균일한 NiOx NPs 박막형성을 위해 동일 용매를 이용한 워싱이 진행될 수 있다. 과잉 흡착된 NiOx NPs는 HTM의 두께 편차에 따른 소자 성능 저하 및 셀간 성능 편차를 증가시킬 수 있다.Thereafter, washing may be performed using the same solvent to form a uniform NiOx NPs thin film by removing unbound and excessively adsorbed NiOx NPs with TREN. Excessive adsorbed NiOx NPs can decrease device performance according to HTM thickness variation and increase performance variation between cells.
형성된 나노입자 박막 내에 잔여 용매 제거를 위해 100 내지 150C 의 hot plate 온도 조건에서 박막을 건조시키는 과정이 진행될 수 있다.A process of drying the thin film at a hot plate temperature of 100 to 150 C may be performed to remove residual solvent in the formed nanoparticle thin film.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 표면의 전자현미경 이미지이다.5 is an electron microscope image of the surface of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 단면의 전자현미경 이미지이다.6 is an electron microscope image of a cross section of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 5 및 도 6을 참조하면, 기판층(110)을 TREN 또는 처리 후 NiOx NPs 블레이드 또는 스핀 코팅한 경우 TREN 과 NiOx NPs 간 정정기적 결합력으로 인해 평평하지 않은 굴곡이 있는 Si/ITO 표면이 NiOx NPs로 균일하게 코팅되며 TREN/NiOx NPs와 TC/NiOx NPs 박막의 두께는 약 16nm로 균일한 NiOx NPs 박막이 형성된다.Referring to FIGS. 5 and 6, when the
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 표면의 전자현미경 이미지이다.7 is an electron microscope image of the surface of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 단면의 전자 현미경 이미지이다.8 is an electron microscope image of a cross section of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 7 및 도 8을 참조하면, 기판층(110)을 TC(tricarboxylic acid, -COOH 기능기 포함 단분자 유기물) 처리 후 NiOx NPs 블레이드 또는 스핀 코팅한 경우 TREN 과 NiOx NPs 간 정정기적 결합력으로 인해 평평하지 않은 굴곡이 있는 Si/ITO 표면이 NiOx NPs로 균일하게 코팅되며 TREN/NiOx NPs와 TC/NiOx NPs 박막의 두께는 약 23nm로 균일한 NiOx NPs 박막이 형성된다.Referring to FIGS. 7 and 8, when the
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 효율 표이다.9 is an efficiency table of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 기본 소자, 예를 들어 Glass/ITO/TREN/NiOx/Perovskite/ETL/Ag를 포함하는 태양전지에 적용된 TREN/NiOx NPs 스핀 코팅의 효율이 묘사되어 있다.Referring to FIG. 9, the efficiency of TREN/NiOx NPs spin coating applied to a solar cell including a basic device, for example, Glass/ITO/TREN/NiOx/Perovskite/ETL/Ag, is depicted.
E-beam 장비를 이용하여 증착된 NiOx 박막 적용 소자 대비 TREN/NiOx NPs 용액 공정 적용 소자의 광전변환 특성 분석 결과, 모든 factor, 예를 들어 Voc, Jsc, FF 및 효율(eff)이 높아졌다.As a result of analyzing the photoelectric conversion characteristics of the TREN/NiOx NPs solution process applied device compared to the NiOx thin film applied device deposited using E-beam equipment, all factors such as Voc, Jsc, FF and efficiency (eff) were increased.
이는 TREN 및 NiOx NPs 간 결합력으로 인해 하부 ITO 및 NiOx NPs 박막 간 계면 결합 상태가 E-beam NiOx 장비 증착 보다 우수하며, TREN이 단분자 구조로 단층(monolayer)으로 코팅 됨에 따라 ITO 및 NiOx NPs 박막 간 계면 저항이 최소화 되며 무시될 수 있음을 의한다.This is because the interfacial bonding state between the bottom ITO and NiOx NPs thin film is superior to that of E-beam NiOx equipment deposition due to the bonding force between TREN and NiOx NPs. It means that the interfacial resistance is minimized and can be neglected.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지의 효율 표이다.10 is an efficiency table of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 10을 참조하면, Si/ITO/TREN/NiOx/Perovskite/ETL/Ag 적층 구조의 tandem 소자에 적용된 TREN/NiOx NPs 대면적 블레이드 코팅의 효율이 묘사되어 있다.Referring to FIG. 10, the efficiency of TREN/NiOx NPs large-area blade coating applied to a tandem device with a Si/ITO/TREN/NiOx/Perovskite/ETL/Ag layered structure is depicted.
Si/ITO 위에 TREN을 이용하여 NiOx NPs를 코팅하여 탠덤 소자 특성을 분석한 결과 E-beam NiOx 장비 증착 대비 best eff. 110% 이상 고효율이 달성되었다. 위의 실시 예와 같이, 평평하지 않은 Si/ITO 표면이 TREN으로 인해 NiOx NPs로 균일하게 코팅되고, 동시에 TREN이 단분자 구조로 Si/ITO와 NiOx NPs 박막 계면에서 소자 구동 중 계면 저항이 무시될 수 있기 때문이다.As a result of analyzing the characteristics of the tandem device by coating NiOx NPs using TREN on Si/ITO, the best eff compared to E-beam NiOx equipment deposition. A high efficiency of over 110% was achieved. As in the above example, the non-flat Si/ITO surface is uniformly coated with NiOx NPs due to TREN, and at the same time, TREN has a single molecular structure, and at the interface of Si/ITO and NiOx NPs thin films, interface resistance during device operation is negligible. because it can
이와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 태양전지 기판층의 표면 구조에 따른 제약 없이 균일한 나노입자 박막이 형성될 수 있다.As described above, according to an embodiment of the present invention, a uniform thin film of nanoparticles can be formed without being restricted by the surface structure of the solar cell substrate layer.
또한, 태양전지에서 나노입자의 균일한 코팅에 의한 계면 현상이 향상될 수 있다.In addition, the interface phenomenon can be improved by the uniform coating of nanoparticles in a solar cell.
또한, 페로브스카이트 태양전지 구조에서 대면적의 정공전달의 박막이 형성될 수 있다.In addition, a large-area hole-transporting thin film can be formed in the perovskite solar cell structure.
또한, 단분자를 이용한 균일하게 형성된 나노입자 박막에 의해 태양전지의 발전에 관한 전류 및 전압 생성 효율이 향상될 수 있다.In addition, current and voltage generation efficiency related to power generation of a solar cell can be improved by a uniformly formed nanoparticle thin film using a single molecule.
또한, 탠덤 태양전지에서 불규칙한 전극면에 단분자를 이용하여 균일한 나노입자 박막의 형성이 가능하다.In addition, it is possible to form a uniform thin film of nanoparticles by using a single molecule on an irregular electrode surface in a tandem solar cell.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.In the above, various preferred embodiments of the present invention have been described with some examples, but the description of various embodiments described in the "Specific Contents for Carrying Out the Invention" section is only exemplary, and the present invention Those skilled in the art will understand from the above description that the present invention can be practiced with various modifications or equivalent implementations of the present invention can be performed.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.In addition, since the present invention can be implemented in various other forms, the present invention is not limited by the above description, and the above description is intended to complete the disclosure of the present invention and is common in the technical field to which the present invention belongs. It is only provided to completely inform those skilled in the art of the scope of the present invention, and it should be noted that the present invention is only defined by each claim of the claims.
100: 태양전지
110: 기판층
120: 제1 전극층
130: 단분자층
140: 정공수송층
150: 광활성층
160: 전자수송층
170: 제2 전극층100: solar cell
110: substrate layer
120: first electrode layer
130: monomolecular layer
140: hole transport layer
150: photoactive layer
160: electron transport layer
170: second electrode layer
Claims (12)
상기 제1 전극층 상에 형성된 단분자층;
상기 단분자층 상에 형성된 정공수송층;
상기 정공수송층 상에 형성된 광활성층;
상기 광활성층 상에 형성된 전자수송층; 및
상기 전자수송층 상에 형성된 제2 전극층을 포함하도록 구성되는,
태양전지.a first electrode layer;
a monomolecular layer formed on the first electrode layer;
a hole transport layer formed on the monomolecular layer;
a photoactive layer formed on the hole transport layer;
an electron transport layer formed on the photoactive layer; and
Constructed to include a second electrode layer formed on the electron transport layer,
solar cell.
상기 단분자층은,
단분자 유기물을 포함하도록 구성되는,
태양전지.The method of claim 1,
The monomolecular layer,
Consisting of a single molecular organic material,
solar cell.
상기 단분자층은,
트리스(2-아미노에틸)아민 (tris(2-aminoethyl)amine, TREN) 또는 트라이카르복실산(tricarboxylic acid)을 포함하도록 구성되는,
태양전지.The method of claim 1,
The monomolecular layer,
Composed to contain tris (2-aminoethyl)amine (TREN) or tricarboxylic acid,
solar cell.
상기 단분자층은,
아민기(-NH2), 카르복시기(-COOH) 및 설폰기(-SO3H) 중에서 적어도 하나의 기능기가 포함된 단분자 유기물을 포함하도록 구성되는,
태양전지.The method of claim 1,
The monomolecular layer,
An amine group (-NH 2 ), a carboxyl group (-COOH), and a sulfone group (-SO 3 H), which is configured to include a single molecular organic material containing at least one functional group,
solar cell.
상기 정공수송층은,
박막의 니켈 산화물을 포함하도록 구성되는,
태양전지.The method of claim 1,
The hole transport layer,
Consisting of comprising a thin film of nickel oxide,
solar cell.
상기 광활성층은,
페로브스카이트 화합물을 포함하도록 구성되는,
태양전지.The method of claim 1,
The photoactive layer,
Consisting of including a perovskite compound,
solar cell.
상기 제1 전극층이 형성되는 기판층을 더 포함하되,
상기 기판층은 투명 기판층 또는 실리콘 기판층을 포함하도록 구성되는,
태양전지.The method of claim 1,
Further comprising a substrate layer on which the first electrode layer is formed,
The substrate layer is configured to include a transparent substrate layer or a silicon substrate layer,
solar cell.
상기 제1 전극층이 형성되는 실리콘 기판층을 더 포함하고,
상기 단분자층 및 상기 정공수송층은,
정전기력 결합력을 이용하여 상기 실리콘 기판층 상에서 균일한 두께의 박막을 형성하도록 구성되는,
태양전지.The method of claim 1,
Further comprising a silicon substrate layer on which the first electrode layer is formed,
The monomolecular layer and the hole transport layer,
It is configured to form a thin film of uniform thickness on the silicon substrate layer using electrostatic force bonding.
solar cell.
정전기적 결합력을 이용하여 상기 제1 전극층 상에 정공수송층을 형성하는 단계;
상기 정공수송층 상에 광활성층을 형성하는 단계;
상기 광활성층 상에 전자수송층을 형성하는 단계; 및
상기 전자수송층 상에 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함하도록 구성되는,
태양전지의 제조방법.Forming a first electrode layer on the substrate layer;
forming a hole transport layer on the first electrode layer using electrostatic bonding force;
Forming a photoactive layer on the hole transport layer;
Forming an electron transport layer on the photoactive layer; and
Forming a second electrode layer on the electron transport layer,
Manufacturing method of solar cell.
상기 정전기적 결합력을 이용하여 상기 제1 전극층 상에 정공수송층을 형성하는 단계는,
상기 제1 전극층 상에 단분자층을 형성하는 단계; 및
상기 단분자층 상에 상기 정공수송층을 형성하는 단계를 포함하도록 구성되는,
태양전지의 제조방법.The method of claim 9,
Forming a hole transport layer on the first electrode layer by using the electrostatic bonding force,
Forming a monomolecular layer on the first electrode layer; and
It is configured to include the step of forming the hole transport layer on the monomolecular layer,
Manufacturing method of solar cell.
상기 제1 전극층 상에 단분자층을 형성하는 단계는,
단분자 유기물이 용해된 분산 용액을 이용하여 제1 전극층을 코팅하는 단계를 포함하도록 구성되는,
태양전지의 제조방법.The method of claim 10,
Forming a monomolecular layer on the first electrode layer,
It is configured to include the step of coating the first electrode layer using a dispersion solution in which a single molecular organic material is dissolved.
Manufacturing method of solar cell.
상기 제1 전극층 상에 단분자층을 형성하는 단계는,
상기 단분자층을 상기 분산 용액의 용매를 이용하여 세척하는 단계를 더 포함하도록 구성되는,
태양전지의 제조방법.The method of claim 11,
Forming a monomolecular layer on the first electrode layer,
It is configured to further include the step of washing the monomolecular layer using a solvent of the dispersion solution,
Manufacturing method of solar cell.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210159543A KR20230072873A (en) | 2021-11-18 | 2021-11-18 | Solar cell with impoved interfacaial phenomenon and manufacturing method thereof |
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|---|---|
| KR20230072873A true KR20230072873A (en) | 2023-05-25 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102048417B1 (en) | 2017-11-09 | 2019-11-26 | 동국대학교 산학협력단 | Back Contact Substrate and manufacturing method thereof |
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2021
- 2021-11-18 KR KR1020210159543A patent/KR20230072873A/en unknown
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