KR20230096284A - 투명 전극을 포함하는 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본원은 기판; 상기 기판 상에 형성되는 제 1 투명전극층; 상기 제 1 투명전극층 상에 형성되는 전자 전달층; 상기 전자 전달층 상에 형성되는 광활성화층; 상기 광활성화층 상에 적층되는 정공 전달층; 및 상기 정공 전달층 상에 형성되며, 제 1 투명전극층에 대향하는 제 2 투명전극층을 포함하는, 태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 투명 전극을 포함하는 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.
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.
최근 플렉시블 기판에 형성한 태양전지가 차세대 태양전지 기술의 주요한 개발 분야로 주목 받고 있다. 플렉시블 태양전지의 안정적인 작동을 위해서는 깨짐성이 적은 물질로 태양전지의 구성층을 형성해야 한다. 저온공정을 활용한 p-i-n 구조의 페로브스카이트 태양전지에서는 대부분 투명 애노드로서 플라스틱 기판상의 ITO를 플렉시블한 기판으로 사용하여 왔다. 그러나, 기계적 취성 때문에 굽힘 조건에서 ITO의 균열 및 부서짐을 유발시키는 것으로 나타났다. 태양전지에 널리 사용되는 전도성 투명전극은 ITO나 FTO의 전도성 투명산화물이다. 그러나 해당 물질은 깨짐성이 커서 태양전지의 반복적인 휘어짐에 따라 태양전지의 효율 저하의 원인으로 작용하게 된다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 투명 전극을 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 제 1 투명전극층; 상기 제 1 투명전극층 상에 형성되는 전자 전달층; 상기 전자 전달층 상에 형성되는 광활성화층;상기 광활성화층 상에 적층되는 정공 전달층; 및 상기 정공 전달층 상에 형성되며, 제 1 투명전극층에 대향하는 제 2 투명전극층을 포함하는, 태양전지를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 투명전극층은 금속 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노와이어가 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 주석(Sn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu), 인듐(In) 및 티타늄(Ti) 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 2 투명전극층은 그래핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광흡수층은 열, 플라즈마, 또는 이온에의해 표면개질된 것을 특징으로 한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 PET(polyethylene terephthalate), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate) 또는 PAR(polyarylate) 인 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, 본 발명은 금속 나노와이어 및 그래핀이 안정적이고 평평한 투명전극을 형성함으로써, 면저항이 감소되어 전도성이 향상된 투명전극을 제공할 뿐만 아니라, 금속 나노와이어 및 그래핀이 도핑이 되어 에너지 준위를 조정할 수 있어, 보다 최적화된 에너지 준위를 갖는 투명전극 및 이를 포함하는 태양전지를 제공할 수 있다.
다만, 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 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 투명전극을 포함하는 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 구현예에 따른 광흡수층을 포함하는 투명 태양전지의 개략적 모식도이다.
도 1 을 참고하면, 본 발명에 따른 태양전지는 기판(substrate)(1), 상기 기판(1) 상에 증착되는 제 1 투명전극층(2), 상기 제 1 투명전극층(2) 상에 형성되는 전자 전달층(3), 상기 전자 전달층(3) 상에 형성되는 광활성화층(4), 상기 광활성화층(4) 상에 형성되는 정공 전달층(5), 상기 정공 전달층(5) 상에 형성되는 제 2 투명전극층(6) 등을 포함하여 구성된다.
태양전지 기판(1)은 PET(polyethylene terephthalate), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate) 및 PAR(polyarylate) 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
제 1 투명전극층(2)은 금속 나노와이어를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 나노와이어가 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 주석(Sn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu), 인듐(In) 및 티타늄(Ti) 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 에서 선택되는 것일 수 있고, 보다 바람직하게는 은(Ag) 나노와이어가 적합할 수 있다.
전자 전달층(3)은 금속, 도전성 유기물 및 이들이 혼합된 것을 사용할 수 있으며, 특히 바람직하게는 반도체 나노입자로 구성된 반도체 산화물 일 수 있다.
이러한 상기 반도체 산화물 상부에는 나노입자로 전자 전달층(3)을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 전자 전달층(3)은 금속산화물 입자 또는 금속산화물 막대를 포함하는 열린 기공을 갖는 다공성 구조이며, 전자의 이동 경로를 제공한다.
상기 전자 전달층(3)의 다공성 구조는 열린 기공 구조를 포함할 수 있으며, 일부 닫힌 기공구조를 더 포함할 수 있다. 상기 다공성 전자 전달층의 금속 산화물 입자의 기공에는 무기물 반도체가 위치하여 접하게 된다.
상기 전자 전달층(3)은 Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Ba산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물 및 SrTi산화물 중에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있으며, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체(composite)일 수 있다.
또한, 상기 전자 전달층(3)은 금속산화물 입자간 계면 접촉을 향상시키기 위하여 통상적으로 알려진 고팅층이 형성된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 코팅층은 Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Ba산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, SrTi산화물, 이들의 혼합물 및 이들의 복합물 중에서 하나 이상의 선택된 물질일 수 있으며, 금속산화물 입자간 계면 접촉의 향상을 위해 다공성 금속산화물의 공극을 메우지 않는 범위내에서 코팅된 것일 수 있다.
광활성화층(4)은 반도체층으로 무기물 반도체와 유기물 반도체가 혼합된 혼합물을 포함하여 구성하게 된다. 따라서 무기물 반도체 물질의 특징을 가지면서도 저온에서 형성 가능한 유기물 반도체 물질을 제공할 수 있다.
정공 전달층(5)은 공액고분자 유기물 반도체로 P3HT(poly[3-hexylthiophene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2''-ethylhexyloxy)-pphenylene vinylene]), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), POT(poly(octyl thiophene)),P3DT(poly(3-decylthiophene)), P3DDT(poly(3-dodecyl thiophene), PPV(poly(p-phenylene vinylene)), TFB(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenyl amine), Polyaniline, Spiro-MeOTAD([2,22',7,77'-tetrkis(N,N-di-pmethoxyphenylamine)-9,9,9'-spirobi fluorine]), CuSCN, CuI, PCPDTBT(Poly[2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl]], Si-PCPDTBT(poly[(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PBDTTPD(poly((4,8-diethylhexyloxyl)benzo([1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl)-alt-((5-octylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione)-1,3-diyl)), PFDTBT(poly[2,7-(9-(2-ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PFO-DBT(poly[2,7-9,9-(dioctyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PSiFDTBT(poly[(2,7-dioctylsilafluorene)-2,7-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5'-diyl]),PSBTBT(poly[(4,4'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PCDTBT(Poly [[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl]-2,5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]), PFB(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-bis(N,N'-(4,butylphenyl))bis(N,N'-phenyl-1,4-phenylene)diamine), F8BT(poly(9,9'-dioctylfluorenecobenzothiadiazole),PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)), PTAA(poly(triarylamine)), poly(4-butylphenyldiphenylamine) 및 이들의 공중합체에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.
제 2 투명전극층(6)은 그래핀을 포함할 수 있다.
본 발명에서의 그래핀은 높은 기계적 특성, 광학특성 및 전기적 특성을 나타내는. 이를 제조하는 방법에는 2차원 탄소 동소체를 의미하는 것이며, 그래핀의 제조 방법으로는 흑연(graphite)에서 물리적으로 그래핀 한 층을 분리하는 박리법, 흑연을 분산액에 분산시켜서 화학적으로 환원시켜 그래핀을 획득하는 화학적 산화/환원법, 탄화규소(SiC) 기판에서 고온의 열분해를 통해서 그래핀층을 얻는 열분해법, 및 화학기상증착법이 있으며, 이 중 에서 화학기상증착법이 고품질의 그래핀을 합성할 수 있는 방법으로서 예시할 수 있다. 제한되는 것은 아니지만, 화학증착법(CVD)에 의해 제조된 단일층 그래핀이 바람직하며, 다층의 그래핀도 가능하다. 본 발명에 따르면, 그래핀과 금속이 일정거리 이상 가까워지면 그래핀은 상기 금속으로 인해 도핑이 되고, 예를 들면 은과 조합하게 되면 P-도핑이 일어날 수 있다. 또한, 이러한 도핑은 화학적 도핑이 아닌 물리적 도핑으로서 금속과 접촉되는 양과 거리를 정량적으로 조절함으로써 도핑을 용이하게 조절할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 상기 그래핀은 형상 종횡비가 01 이하, 그래핀 층수가 100 이하 및 비표면적인 300 m2/g 이상의 특성을 나타낼 수 있다. 상기 그래핀은 흑연의 hcp 구조에서 탄소(C)의 SP2 결합의 단일 망목면을 말하며, 또한 복수의 층수를 가지는 그래핀 복합 층도 넓은 의미로 그래핀으로 분류할 수 있다.
투명 전극도 전극-수송층이 적절한 밴드 정렬이되기 위한 재료 선정이 중요하다. 제 2 투명 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.
1 : 기판
2 : 제 1 투명전극층
3 : 전자 전달층
4 : 광활성화층
5 : 정공 전달층
6 : 제 2 투명전극층
2 : 제 1 투명전극층
3 : 전자 전달층
4 : 광활성화층
5 : 정공 전달층
6 : 제 2 투명전극층
Claims (6)
- 기판;
상기 기판 상에 형성되는 제 1 투명전극층;
상기 제 1 투명전극층 상에 형성되는 전자 전달층; 상기 전자 전달층 상에 형성되는 광활성화층;
상기 광활성화층 상에 적층되는 정공 전달층; 및
상기 정공 전달층 상에 형성되며, 제 1 투명전극층에 대향하는 제 2 투명전극층
을 포함하는, 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1 투명전극층은 금속 나노와이어를 포함하는 것인, 투명 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 금속 나노와이어가 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 주석(Sn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu), 인듐(In) 및 티타늄(Ti) 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 투명 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 2 투명전극층은 그래핀을 포함하는 것인, 투명 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 광흡수층은 열, 플라즈마, 또는 이온에의해 표면개질된 것인, 투명 태양전지.
- 제 1항에 있어서,
상기 기판은 PET(polyethylene terephthalate), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate) 또는 PAR(polyarylate) 인 것인, 투명 태양전지.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210185622A KR20230096284A (ko) | 2021-12-23 | 2021-12-23 | 투명 전극을 포함하는 태양전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210185622A KR20230096284A (ko) | 2021-12-23 | 2021-12-23 | 투명 전극을 포함하는 태양전지 |
Publications (1)
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|---|---|
| KR20230096284A true KR20230096284A (ko) | 2023-06-30 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210185622A KR20230096284A (ko) | 2021-12-23 | 2021-12-23 | 투명 전극을 포함하는 태양전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230096284A (ko) |
-
2021
- 2021-12-23 KR KR1020210185622A patent/KR20230096284A/ko unknown
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