KR20230082159A - 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본원은 투명기판 상에 p형 반도체층, 광전변환층, n형 반도체층이 차례대로 구비된 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지에 있어서, 상기 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지는, 상기 p형 반도체층 상에 형성된 제 1 버퍼층; 및 상기 제 1 버퍼층 상에 형성된 제 2 버퍼층;을 포함하는 것인, 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지에 관한 것이다
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
태양전지는 구성하는 물질에 따라 실리콘 화합물 반도체, 박막태양전지와 같은 무기소재로 이루어진 무기태양전지와 유기물질을 포함하는 유기태양전지로 나눌 수 있고, 유기태양전지에는 염료감응형 태양전지와 유기분자접합형 태양전지가 포함된다.
최근 차세대 태양전지는 BIPV(Building-integrated photovoltaic) 시스템에 적용되며, 이때 태양전지의 투광성이 매우 중요하다. 최근 투광성에 따른 손실을 줄이기 위해, 알루미늄(Al) 및 은(Ag)과 같은 불투명한 금속대신 금속 메쉬(metal mesh) 및 투명전도성산화물(Transparent conductive oxides, TCOs)을 전극으로 사용한광흡수층을 포함하는 투명 태양전지(Semitransparent Solar Cells, STSCs)가 연구되고 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제1전극; 상기 제1전극 상에 형성되는 전자전달층; 상기 전자전달층 상에 형성되는 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성되는 정공전달층; 및 상기 정공전달층 상에 형성되는 제2전극;을 포함하고, 상기 광흡수층은 하기 화학식 1 또는 2 로서 표시되는 페로브스카이트 물질을 동시에 포함하는 것인, 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지를 제공한다:
[화학식 1]
RMX3
[화학식 2]
R4MX6
(상기 화학식 1 및 화학식 2 에서,
상기 R 은 알칼리금속, C1-24 의 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 R 이 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고,
상기 M 은 Pb, Sn, Ge, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Pd, Cd, Yb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이고,
상기 X 는 할라이드 음이온 또는 칼코게나이드 음이온을 포함하는 것임).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광흡수층은 열, 플라즈마, 또는 이온에의해 표면개질된 것을 특징으로 한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1 또는 2 로서 표시되는 페로브스카이트 물질는 반데르발스 힘에 의해 이종구조가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지는 상부 전극 및 하부전극을 추가 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지는 광투과성 및 광전변환효율이 우수한 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지를 제공할 수 있다. 상기 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지는 와이드 밴드갭을 갖는 광흡수층을 적용함으로써 전자-홀 재결합을 적절하게 제어하여 안정적인 광전발전을 수행할 수 있다.
다만, 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지의 개략적 모식도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하에서는 본원의 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지의 개략적 모식도이다.
도 1 을 참고하면, 기판(미도시); 상기 기판 상에 형성되는 제1전극(100); 상기 제1전극 상에 형성되는 전자전달층(200); 상기 전자전달층 상에 형성되는 광흡수층(300); 상기 광흡수층 상에 형성되는 정공전달층(400); 및 상기 정공전달층 상에 형성되는 제2전극(500);을 포함하고, 상기 광흡수층은 하기 화학식 1 로 표시되는 페로브스카이트 물질을 포함하는 광흡수층(310) 및 화학식 2 로서 표시되는 페로브스카이트 물질(320)을 동시에 포함하는 것인, 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지를 제공한다:
[화학식 1]
RMX3
[화학식 2]
R4MX6
(상기 화학식 1 및 화학식 2 에서,
상기 R 은 알칼리금속, C1-24 의 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 R 이 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고,
상기 M 은 Pb, Sn, Ge, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Pd, Cd, Yb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이고,
상기 X 는 할라이드 음이온 또는 칼코게나이드 음이온을 포함하는 것임).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 FTO, ITO, IZO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전자전달층(200)은 SnO2, TiO2, ZrO, Al2O3, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 투명 태양전지는 정공전달층(400)으로서 2차원 물질을 이용할 수 있다.
2차원 물질은 원자층과 원자층 사이가 화학적 결합 없이 van der Waals (vdW) 힘에 의해 결합되어 있어, 물질의격자와 무관하게 다양한 이종 접합 (heterostructure)를 형성할 수 있다 또한, 2차원 물질은 표면에 댕글링본드(dangling bond)가 없어 매우 얇은 두께 (원자 1층~수 층)에서도 안정적으로 존재 가능하며, 두께 감소에따라 양자점 제한 효과 (quantum confinement)가 나타나 기존 벌크(bulk) 재료와 다른 기계적, 전기적, 광학적,화학적 특성을 나타낸다. 2차원 물질의 얇은 두께로 인해 전기적, 기계적 특성 저하 없이 투명성 및 유연성을 확보할 수 있다. 대표적인 물질로 그래핀, 전이금속 칼코겐화합물, 흑린 등이 있다.
정공전달층과 전극을 모두 2차원 물질을 이용할 경우 유연성과 투명성을 확보할 수 있다.
또한, 종래 페로브스카이트 태양전지에서는 투명전극으로 높은 투명도와 우수한 전기전도성을 가지는ITO(Indium Tin Oxide)이 주로 사용된다. 하지만 ITO 전극은 취성이 커 반복 굽힘 시험 시 저항이 급격히 증가하는 문제가 있고, 이는 페로브스카이트 태양전지의 반복 굽힘 효율이 감소하는 원인이 된다. 하지만 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 유연 태양전지는 수송층과 전극을 모두 2차원 물질을 이용할 경우 유연성을 확보할 수 있으며, 이를 통해 반복 굽힘 시험을 하더라도 전도도가 유지되는 장점이 있다. 또한 2차원 물질의 낮은 광 흡수율로 인해 태양전지의 투명성 또한 확보할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광흡수층은 열, 플라즈마, 또는 이온에의해 표면개질된 것을 특징으로 한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1 또는 2 로서 표시되는 페로브스카이트 물질는 반데르발스 힘에 의해 이종구조가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지는 상부 전극 및 하부전극을 추가 포함하는 것을 특징으로 한다.
전극도 전극-수송층이 적절한 밴드 정렬이되기 위한 재료 선정이 중요하다. 하부 전극과 상부전극에는 높은 전하 이동도를 가지는 그래핀이 선정될 수 있다. 전극에서 전하추출을 용이 하기 위하여, 하부전극에 사용되는 그래핀은 n-doping, 상부전극에 사용되는 그래핀은 pdoping처리를 하여 전자 이동 장벽과 정공 이동 장벽이 없도록 할 수 있다. 그래핀에 게이트 전압을 주어 n-doping 및 p-doping 모두 가능하며, 표면개질을 통해서도 doping을 할 수있다. 표면개질 doping의 대표적인 방법은 질소 치환을 통해 n-doping, AuCl3, MoO3 도포를 통한p-doping 등이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연 투명 태양전지는 수송층으로 표면개질 된 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 이용하는 것도 가능하며, 광흡수층도 표면개질 하는 것이 가능하다. 이러한 표면개질을 통해 적층 균일도 개선, 이종물질 간 계면특성 개선, 광흡수층에서 형성된 전하의 추출 및 전하이동향상 등의 효과가 있다.
100: 제1전극
200: 전자전달층
300: 광흡수층
310: 화학식 1 로 표시되는 페로브스카이트 물질을 포함하는 광흡수층
310: 화학식 2 로 표시되는 페로브스카이트 물질을 포함하는 광흡수층
400: 정공전달층
500: 제2전극
200: 전자전달층
300: 광흡수층
310: 화학식 1 로 표시되는 페로브스카이트 물질을 포함하는 광흡수층
310: 화학식 2 로 표시되는 페로브스카이트 물질을 포함하는 광흡수층
400: 정공전달층
500: 제2전극
Claims (6)
- 기판;
상기 기판 상에 형성되는 제1전극;
상기 제1전극 상에 형성되는 전자전달층;
상기 전자전달층 상에 형성되는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성되는 정공전달층; 및
상기 정공전달층 상에 형성되는 제2전극;을 포함하고,
상기 광흡수층은 하기 화학식 1 또는 2 로서 표시되는 페로브스카이트 물질을 동시에 포함하는 것인, 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지:
[화학식 1]
RMX3
[화학식 2]
R4MX6
(상기 화학식 1 및 화학식 2 에서,
상기 R 은 알칼리금속, C1-24 의 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 R 이 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고,
상기 M 은 Pb, Sn, Ge, Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Pd, Cd, Yb, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이고,
상기 X 는 할라이드 음이온 또는 칼코게나이드 음이온을 포함하는 것임).
- 제 1항에 있어서,
상기 광흡수층은 열, 플라즈마, 또는 이온에의해 표면개질된 것인, 투명 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 화학식 1 또는 2 로서 표시되는 페로브스카이트 물질은 반데르발스 힘에 의해 이종구조가 형성되는 것인, 투명 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 투명 태양전지는 상부 전극 및 하부전극을 추가 포함하는 것인, 투명 태양전지.
- 제 4항에 있어서,
상기 상부전극 및 상기 하부전극은 각각 독립적으로 금속, 전도성 고분자, 탄소물질, 주석계 산화물, 산화아연 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것인, 투명 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 정공 전달층을 추가 포함하고, 상기 정공 전달층은 단분자 정공 전달 물질, 고분자 정공 전달 물질 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것인, 투명 태양전지.
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| KR1020210169819A KR20230082159A (ko) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지 |
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| KR1020210169819A KR20230082159A (ko) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지 |
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Family Applications (1)
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| KR (1) | KR20230082159A (ko) |
-
2021
- 2021-12-01 KR KR1020210169819A patent/KR20230082159A/ko unknown
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