WO2022215990A1 - 페로브스카이트 태양 전지 및 이를 포함하는 탠덤 태양 전지 - Google Patents

페로브스카이트 태양 전지 및 이를 포함하는 탠덤 태양 전지 Download PDF

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WO2022215990A1
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WO
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thin film
transport layer
solar cell
electron transport
perovskite
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PCT/KR2022/004831
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정진영
양운석
이민지
최인택
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한화솔루션 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a perovskite solar cell and a tandem solar cell including the same, and more particularly, to a perovskite solar cell including an electron transport layer improved by using an atomic deposition method, and a tandem solar cell including the same it's about
  • a solar cell is an aggregate that converts solar energy into electricity, and has been studied for a long time as it has attracted attention as next-generation energy, and high photoelectric efficiency is reported based on various materials such as silicon, CIGS, and perovskite.
  • the most widely used solar cell is a silicon-based solar cell, which accounts for more than 90% of the solar cell market.
  • a silicon solar cell When a silicon solar cell includes a crystalline silicon solar cell and an amorphous silicon solar cell, the crystalline silicon solar cell has a disadvantage in that the manufacturing cost is high, but it is widely commercialized due to its high energy efficiency. On the other hand, in the case of amorphous materials, the process technology is difficult, the dependence on equipment is high, and above all, the development is not in progress due to the low efficiency. If a silicon solar cell is classified as a first-generation, a perovskite-based solar cell is a representative of a third-generation solar cell that is being actively studied worldwide as an environmentally friendly future promising item.
  • a perovskite solar cell uses a material having a perovskite crystal structure by combining inorganic and organic materials.
  • Perovskite has a very special structure that shows superconductivity as well as insulator, semiconductor, and conductor properties.
  • a conventional perovskite solar cell has a substrate (Glass), a transparent electrode (Transparent anode), a hole transport layer (HTL), a light absorption layer (Perovskite), an electron transport layer (ETL), and a metal It has a structure in which an electrode (metal cathode) is sequentially stacked.
  • ITO indium tin oxide
  • FTO fluorine doped tin oxide
  • Au or Ag having a high work function is used as the metal electrode.
  • perovskite-based solar cells The efficiency of perovskite-based solar cells is increasing rapidly after 10 years of research, and high photoelectric efficiency has been reported.
  • a single-junction solar cell as described above only solar energy in a limited wavelength region can be absorbed, and degradation loss occurs in solar energy below the bandgap, so that a higher efficiency than the S-Q limit efficiency cannot be obtained.
  • an upper cell (cell) having a large bandgap absorbs solar energy in a low wavelength band
  • a lower cell having a low bandgap absorbs solar energy in a high wavelength band, thereby reducing loss and reducing the loss in a wide wavelength band. Since solar energy can be operated, it is possible to obtain high efficiency of 30% or more, which cannot be achieved with a single junction.
  • the perovskite silicon tandem solar cell has a small bandgap and a large bandgap, respectively, so it is advantageous for light operation, so research is active.
  • a thin film such as a SnO-bonded thin film forming an electron transport layer has a p-type semiconductor characteristic and has a high electron transfer resistance, so that the FF (Fill Factor) value of the solar cell is low, and thus energy conversion efficiency is lowered.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and includes a perovskite solar cell capable of improving the FF (Fill Factor) value and energy conversion efficiency of the solar cell by forming an improved electron transport layer and the same
  • An object of the present invention is to provide a tandem solar cell.
  • the present invention is a perovskite solar cell comprising a transparent electrode, a hole transport layer, a perovskite light absorption layer, an electron transport layer and a metal electrode, wherein the electron transport layer is
  • a perovskite solar cell characterized in that it is a graded thin film in which the chemical bonding state of the elements constituting the electron transport layer gradually changes from the lower part to the upper part.
  • the transparent electrode is positioned on the substrate, the hole transport layer is positioned on the transparent electrode, the perovskite light absorption layer is positioned on the hole transport layer, and the electron transport layer is on the perovskite light absorption layer is positioned, and the metal electrode may be positioned on the electron transport layer.
  • the differential thin film is made of any one of SnOx, TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, and CeOx, and is chemically bonded to each of Sn, Ti, Zn W, Nb, In, and Ce constituting the differential thin film.
  • the number of oxygen may be characterized in that it gradually changes from the lower thin film to the upper thin film.
  • the differential thin film may be a thin film that is gradually changed from a lower thin film made of SnO to an upper thin film made of SnO 2 .
  • a fullerene-based electron transport layer made of PCBM or C60 may be further included between the electron transport layer and the perovskite light absorption layer.
  • the present invention provides a tandem solar cell including a silicon solar cell and a perovskite solar cell positioned on the silicon solar cell, wherein the perovskite solar cell includes a first transparent electrode, a hole transport layer, and a perovskite solar cell. It includes a skylight light absorption layer, an electron transport layer, a second transparent electrode, and a metal electrode, wherein the electron transport layer is graded in which the chemical bonding state of the elements constituting the electron transport layer gradually changes from the bottom to the top. ) provides a tandem solar cell, characterized in that it is a thin film.
  • the first transparent electrode is positioned on the silicon solar cell
  • the hole transport layer is positioned on the first transparent electrode
  • the perovskite light absorption layer is positioned on the hole transport layer
  • the electron transport layer is It may be positioned on the perovskite light absorption layer
  • the second transparent electrode is positioned on the electron transport layer
  • the metal electrode is positioned on the second transparent electrode.
  • the differential thin film is made of any one of SnOx, TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, and CeOx, and is chemically bonded to each of Sn, Ti, Zn W, Nb, In, and Ce constituting the differential thin film.
  • the number of oxygen may be characterized in that it gradually changes from the lower thin film to the upper thin film.
  • the differential thin film may be a thin film that is gradually changed from a lower thin film made of SnO to an upper thin film made of SnO 2 .
  • a fullerene-based electron transport layer made of PCBM or C60 may be further included between the electron transport layer and the perovskite light absorption layer.
  • the electron transport layer of the perovskite solar cell is gradually changed from SnO to SnO 2 from the bottom to the top (graded) ) as a thin film, the FF (Fill Factor) value and energy conversion efficiency are remarkably improved.
  • FIG. 1 is a view showing an example of a conventional perovskite solar cell.
  • FIG. 2 is a view showing a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a flowchart of an ALD process for forming a differential thin film made of SnOx according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a tandem solar cell including a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing the XPS analysis result of the thin film formed by changing the TDMASn flow rate.
  • FIG. 6 is a view showing the FF and energy conversion efficiency of the perovskite solar cell in the case where the electron transport layer is formed by changing the TDMASn flow rate.
  • FIG. 7 is a view showing the XPS analysis result of the thin film formed while further changing the TDMASn flow rate.
  • FIG. 8 is a view showing the FF and energy conversion efficiency of the perovskite solar cell in the case of forming the electron transport layer while further changing the TDMASn flow rate.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of a perovskite solar cell 1 according to an embodiment of the present invention.
  • a perovskite solar cell 1 includes a substrate 11 , a first transparent electrode 12 positioned on the substrate 12 , and a first The hole transport layer 13 positioned on the transparent electrode 12, the perovskite light absorbing layer 14 positioned on the hole transport layer 13, and the perovskite light absorbing layer 14 positioned on the upper part
  • a fullerene-based electron transport layer 15, an electron transport layer 16 positioned on the electron transport layer 15, and a second transparent electrode 17 positioned on the electron transport layer 16 It includes a metal electrode 18 positioned on the second transparent electrode 17, and the electron transport layer 16 is a differential ( graded) as a thin film.
  • the perovskite solar cell 1 according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 2 has four structures of a general perovskite solar cell, that is, a mesoscopic crystal structure (n-i-p mesoscopic), and a planar crystal structure ( It relates to a p-i-n planar among n-i-p planar), p-i-n planar, and p-i-n mesoscopic.
  • the structure of the perovskite solar cell 1 shown in FIG. 2 is only one embodiment, it is not limited thereto, and a modified perovskite having a different structure or a different stacking order or a different configuration.
  • the configuration of the electron transport layer made of the differential thin film according to the embodiment of the present invention may be equally applied to the solar cell.
  • the substrate 11 is a borosilicate glass, quartz glass, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), polycarbonate (PC), polypropylene (PP) , but may be triacetyl cellulose (TAC) or polyether sulfone (PES), but is not limited thereto.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PI polyimide
  • PC polycarbonate
  • PP polypropylene
  • TAC triacetyl cellulose
  • PES polyether sulfone
  • the first transparent electrode 12 may be formed of a light-transmitting conductive material, and according to an embodiment of the present invention may be indium-tin oxide (ITO).
  • ITO indium-tin oxide
  • the present invention is not limited thereto, and the light-transmitting conductive material may include, for example, a transparent conductive oxide, a carbonaceous conductive material, and a metallic material.
  • transparent conductive oxide examples 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), GITO (Gallium Indium Tin Oxide), GIO (Gallium Indium Oxide), GZO (Gallium Zinc Oxide), AZO (Aluminum doped Zinc Oxide), FTO (Fluorine Tin Oxide), ZnO, etc. may be used.
  • 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 Gaallium Indium Tin Oxide
  • GIO Gaallium Indium Oxide
  • GZO Gaallium Zinc Oxide
  • AZO Alluminum doped Zinc Oxide
  • the carbonaceous conductive material for example, graphene or carbon nanotubes may be used, and as the metallic material, for example, a metal (Ag) nanowire, a metal having a multilayer structure such as Au/Ag/Cu/Mg/Mo/Ti A thin film may be used.
  • the term "transparent” refers to something that can transmit light to a certain degree 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.
  • the hole transport layer 13 may include at least one of a metal oxide selected from tungsten oxide (WOx), molybdenum oxide (MoOx), vanadium oxide (V2O5), nickel oxide (NiOx), and mixtures thereof. In addition, it may include at least one selected from the group consisting of a single molecule hole transport material and a polymer hole transport material, but is not limited thereto, and any material used in the art may be used without limitation.
  • tungsten oxide tungsten oxide
  • MoOx molybdenum oxide
  • V2O5 vanadium oxide
  • NiOx nickel oxide
  • spiro-MeOTAD [2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxy-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene]
  • the polymer As the hole 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.
  • the hole transport layer 13 may further include a doping material, and the doping material is a dopant selected from the group consisting of a Li-based dopant, a Co-based dopant, a Cu-based dopant, a Cs-based dopant, and combinations thereof. can be used, but is not limited thereto.
  • the hole transport layer 13 may be formed by applying a precursor solution for a hole transport layer on the first transparent electrode 12 and drying it.
  • the perovskite light absorption layer 14 is ABX 3 (where A is a monovalent organic ammonium cation or metal cation, B is a divalent metal metal cation, and X is a halogen anion.)
  • A represents methylammonium (CH 3 NH 3 + ) or ethylammonium (CH 3 CH 2 NH 3 + ), B represents Pb or Sn, and X represents I, Br or Cl may include, but is not limited to, perovskite having a chemical formula of ), and two or more types may be mixed and used.
  • the perovskite compound is, for example, 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 Cl 3-x , (CH 3 NH 3 )( HC(NH 2 ) 2 ) 1-y P
  • Perovskite has a large absorption coefficient (strong solar absorption) and a low non-radiative carrier recombination rate. It is known to increase the conversion efficiency due to the characteristic that it is not formed in or at the deep level.
  • the electron transport layer 15 is located on the perovskite light absorption layer 14 and may be formed of a fullerene series made of PCBM or C60. However, this is not essential and, optionally, the upper electron transport layer 16 may be formed directly on the perovskite light absorption layer 14 without such an electron transport layer 15 in the embodiment of the present invention shown in FIG. 2 . have.
  • the electron transport layer 16 is formed of TiOx or ZnOx on the perovskite light absorption layer 14, when the electron transport layer 16 comes into direct contact with the perovskite light absorption layer 14, the perovskite There is a problem of disassembling
  • the fullerene-based electron transport layer 15 made of PCBM or C60 is formed between the electron transport layer 16 and the perovskite light absorption layer 14, so that electron transport made of TiOx or ZnOx. It is possible to prevent the layer from decomposing the perovskite by contacting the perovskite light absorbing layer.
  • the electron transport layer 16 is located on the electron transport layer 15, and transfers electrons generated in the perovskite light absorption layer to the second transparent electrode.
  • the electron transport layer 16 is a thin film made of SnOx, and is gradually changed from a lower thin film made of SnO to an upper thin film made of SnO 2 . It may be made of a thin film.
  • Such a differential thin film made of SnOx according to an embodiment of the present invention may be formed by atomic layer deposition (ALD) at a low temperature of 150° C. or less.
  • ALD atomic layer deposition
  • FIG 3 is a flowchart of an ALD process for forming a differential thin film made of SnOx according to an embodiment of the present invention.
  • a precursor gas which is a source of tin (Sn) constituting the differential thin film, is first injected and adsorbed on the surface (S1).
  • the source of the tin (Sn) may be any one of TDMASn, TEMASn, Sn(dmamp) 2 , and SnCl 4 .
  • TDMASn is used as the source of the tin Sn.
  • a source of oxygen (O) is injected as a reactant constituting the differential thin film (S3).
  • the source of oxygen (O) may be any one of H 2 O, H 2 O 2 , O 3 , and O 2 .
  • H 2 O is used as a source of oxygen (O).
  • steps S1 to S4 are used as one cycle and this cycle is repeated.
  • the flow rate of TDMASn which is the source of tin (Sn)
  • the flow rate of H 2 O which is the source of oxygen (O)
  • the process temperature is 80 °C.
  • graded SnOx thin film was formed on the electron transport layer according to an embodiment of the present invention could be confirmed by X-ray Phothelectron Spectroscopy (XPS) surface analysis equipment.
  • XPS X-ray Phothelectron Spectroscopy
  • XPS surface analysis equipment is an equipment that measures the components and bonding characteristics of a sample by measuring the kinetic energy and intensity of photoelectrons emitted from the surface of the sample by shooting X-rays on the sample.
  • the upper electron transport layer 16 made of the above-described differential thin film of SnOx is only one embodiment of the present invention, and the differential thin film of the present invention may be formed of any one of TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, and CeOx.
  • the number of oxygen chemically bonded to each Ti, Zn W, Nb, In, and Ce is relatively small as in the SnOx differential thin film.
  • the number of chemically bound oxygen from the predetermined lower thin film is gradually changed to the predetermined upper thin film having a relatively large number.
  • a differential thin film of TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, and CeOx may also be formed by low-temperature atomic layer deposition (ALD) as shown in FIG. 3 .
  • the flow rate and process temperature of the reactants constituting each TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, and CeOx may be different from SnOx, but oxygen (O) in each of TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, and InOx
  • O oxygen
  • the second transparent electrode 17 may be indium zinc oxide (IZO) according to an embodiment of the present invention.
  • IZO indium zinc oxide
  • ITO indium tin oxide
  • FTO fluorine-containing tin oxide
  • It may be formed of the same material as the transparent electrode.
  • the electron transport layer 16 and the electron transport layer 15 are present between the second transparent electrode 17 and the perovskite light absorption layer 14, they serve as a buffer layer. Even if the second transparent electrode 17 made of IZO is formed on the absorption layer 14 by sputtering, the perovskite light absorption layer 14 may be protected.
  • the metal electrode 18 is a portion electrically connected to the outside, and may be formed by depositing a patterned silver (Ag) thin film.
  • FIG. 4 is an embodiment of a tandem solar cell 2 including a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • a tandem solar cell including a perovskite solar cell is formed on a silicon solar cell (lower cell) 20 and a silicon solar cell. It may include a perovskite solar cell (upper cell) 30 that becomes city) may be provided.
  • This bonding layer is a transparent conductive oxide (TCO), a carbonaceous conductive material, so that the long-wavelength light passing through the perovskite solar cell 30 can be incident on the silicon solar cell 20 disposed below without transmission loss. It may be implemented using a metallic material or a conductive polymer.
  • the tandem solar cell 2 is formed by spin coating a bonding layer solution on top of the silicon solar cell 20, and applying the spin-coated transparent bonding layer solution to the surface of the perovsky solution. It can be prepared by bonding the solar cell 30 and curing it by UV treatment or heat treatment. However, since this is only one embodiment, it goes without saying that the tandem solar cell may be manufactured by other well-known methods.
  • the silicon solar cell 20 may be a silicon solar cell having a band gap of about 1.0 eV to 1.2 eV. It may include a back electrode 21 of a metal or a metal alloy disposed on the substrate, and a silicon semiconductor layer 22 disposed on the back electrode.
  • the back-electrode 21 may be formed on a substrate (not shown) for electrical connection to the outside.
  • the back electrode may be formed through e-beam evaporation vacuum deposition, and may be formed of Ag, Ti, Au, or the like.
  • the silicon semiconductor layer 22 may include a p-type silicon semiconductor layer and an n-type silicon semiconductor layer disposed on the p-type silicon semiconductor layer.
  • the perovskite solar cell 30 includes a first transparent electrode 31 , a hole transport layer 32 , a perovskite light absorption layer 33 , an electron transport layer 34 , an electron transport layer 35 , A second transparent electrode 36 and a metal electrode 37 may be included.
  • the first transparent electrode 31 is formed on the silicon solar cell 20
  • the hole transport layer 32 is formed on the first transparent electrode
  • the perovskite light absorption layer 33 is formed on the hole transport layer 32
  • the electron transport layer 34 is formed on the perovskite light absorption layer 33
  • the electron transport layer ( 35) is formed on the fullerene-based electron transport layer 34
  • the second transparent electrode 36 is formed on the electron transport layer 35
  • the metal electrode 37 is 2 It may be formed on the transparent electrode 36 .
  • the first transparent electrode 31 may be formed of a light-transmitting conductive material, and according to an embodiment of the present invention may be indium-tin oxide (ITO).
  • ITO indium-tin oxide
  • the present invention is not limited thereto, and the light-transmitting conductive material may include, for example, a transparent conductive oxide, a carbonaceous conductive material, and a metallic material.
  • transparent conductive oxide examples 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), GITO (Gallium Indium Tin Oxide), GIO (Gallium Indium Oxide), GZO (Gallium Zinc Oxide), AZO (Aluminum doped Zinc Oxide), FTO (Fluorine Tin Oxide), ZnO, etc. may be used.
  • 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 Gaallium Indium Tin Oxide
  • GIO Gaallium Indium Oxide
  • GZO Gaallium Zinc Oxide
  • AZO Alluminum doped Zinc Oxide
  • the carbonaceous conductive material for example, graphene or carbon nanotubes may be used, and as the metallic material, for example, a metal (Ag) nanowire, a metal having a multilayer structure such as Au/Ag/Cu/Mg/Mo/Ti A thin film may be used.
  • the term "transparent” refers to something that can transmit light to a certain degree 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.
  • the hole transport layer 32 may include at least one of a metal oxide selected from tungsten oxide (WOx), molybdenum oxide (MoOx), vanadium oxide (V2O5), nickel oxide (NiOx), and mixtures thereof. In addition, it may include at least one selected from the group consisting of a single molecule hole transport material and a polymer hole transport material, but is not limited thereto, and any material used in the art may be used without limitation.
  • WOx tungsten oxide
  • MoOx molybdenum oxide
  • V2O5 vanadium oxide
  • NiOx nickel oxide
  • spiro-MeOTAD [2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxy-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene]
  • the polymer As the hole 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.
  • the hole transport layer 32 may further include a doping material, and the doping material is a dopant selected from the group consisting of a Li-based dopant, a Co-based dopant, a Cu-based dopant, a Cs-based dopant, and combinations thereof. can be used, but is not limited thereto.
  • the hole transport layer 32 may be formed by applying a precursor solution for the hole transport layer on the first transparent electrode 31 and drying it.
  • the perovskite light absorption layer 33 is ABX 3 (where A is a monovalent organic ammonium cation or metal cation, B is a divalent metal metal cation, and X is a halogen anion.)
  • A represents methylammonium (CH 3 NH 3 + ) or ethylammonium (CH 3 CH 2 NH 3 + ), B represents Pb or Sn, and X represents I, Br or Cl may include, but is not limited to, perovskite having a chemical formula of ), and two or more types may be mixed and used.
  • the perovskite compound is, for example, 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 Cl 3-x , (CH 3 NH 3 )( HC(NH 2 ) 2 ) 1-y P
  • the electron transport layer 34 is located on the perovskite light absorption layer 33 and may be formed of a fullerene series made of PCBM or C60. However, this is not essential, and optionally, an upper electron transport layer may be formed directly on the perovskite light absorption layer 33 without such an electron transport layer 34 .
  • the electron transport layer 34 is located between the electron transport layer 35 and the perovskite light absorption layer 33 when the electron transport layer 35 is made of TiOx, ZnOx, or the like, so that the electron transport layer is made of perovskite.
  • the electron transport layer 35 is made of TiOx, ZnOx, or the like, so that the electron transport layer is made of perovskite.
  • the electron transport layer 35 is located on the electron transport layer 34 , and transfers electrons generated in the perovskite light absorption layer 33 to the second transparent electrode 36 .
  • the electron transport layer 35 is a thin film made of SnOx, and is gradually changed from a lower thin film made of SnO to an upper thin film made of SnO 2 . It may be made of a thin film.
  • Such a differential thin film made of SnOx according to an embodiment of the present invention may be formed by the ALD process shown in FIG. 3 .
  • the flow rate of TDMASn which is a source of tin (Sn)
  • Sn tin
  • O oxygen
  • the flow rate of phosphorus H 2 O is 10 ⁇ 100 sccm, and the process temperature can be 80 °C.
  • the upper electron transport layer made of the SnOx differential thin film is only one embodiment of the present invention, and the differential thin film of the present invention may be formed of any one of TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, and CeOx.
  • the number of oxygen chemically bonded to each Ti, Zn W, Nb, In, and Ce is relatively small as in the SnOx differential thin film.
  • the number of chemically bound oxygen from the predetermined lower thin film is gradually changed to the predetermined upper thin film having a relatively large number.
  • a differential thin film of TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, and CeOx may also be formed by the atomic layer deposition (ALD) method shown in FIG. 3 .
  • the flow rate and process temperature of the reactants constituting each TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, and CeOx may be different from SnOx, but oxygen (O) in each of TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, and InOx
  • O oxygen
  • the second transparent electrode 36 may be indium zinc oxide (IZO) according to an embodiment of the present invention.
  • IZO indium zinc oxide
  • ITO indium tin oxide
  • FTO fluorine-containing tin oxide
  • It may be formed of the same material as the transparent electrode 31 .
  • the second transparent electrode 36 is essential. The reason is that when sunlight is irradiated from the top to the bottom of the tandem solar cell 2 shown in FIG. 4 , the metal electrode 37 must be formed in a grid pattern to transmit sunlight, so there is no empty space between the grid patterns.
  • the second transparent electrode 36 is formed so that electrons generated in the perovskite light absorption layer 33 below and reaching this empty space can move to the metal electrode 37 through lateral movement.
  • the metal electrode 37 is a portion electrically connected to the outside, and may be formed by depositing a silver (Ag) thin film in a grid pattern to allow sunlight to pass therethrough.
  • FIG. 5 shows the XPS analysis results when the thin film was formed with the flow rate of TDMASn, the source of tin (Sn) being 20 sccm, and when the thin film was formed with the flow rate of 30 sccm
  • FIG. 6 is the source of tin (Sn).
  • the thin film shown in A of FIG. 5 has a flow rate of TDMASn, a source of tin (Sn), of 20 sccm, and a flow rate of, H 2 O, a source of oxygen (O) of 30 sccm on the ITO transparent electrode, and a process temperature of 80
  • a thin film was formed by atomic layer deposition (ALD) shown in FIG. 3 at °C
  • the thin film shown in FIG. 5B is a source of tin (Sn) under the same experimental conditions as in FIG.
  • a thin film was formed by atomic layer deposition (ALD) with only the flow rate of TDMASn set to 30 sccm.
  • XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy
  • analysis equipment is a surface analysis equipment that measures the components and bonding properties of materials by measuring the kinetic energy and intensity of photoelectrons emitted by the photoelectric effect by incident X-rays on the sample.
  • the binding energy representing the peak value is 486.6 eV, which is formed in a single layer structure of SnO, and described in the present invention It can be seen that a graded thin film was not formed.
  • the binding energy representing the peak value gradually increases from 486.6 eV (SnO) to 487.2 eV (SnO 2 ) from the bottom to the top. you can see that is changing.
  • the lowermost layer is substantially formed only of SnO, but as the ratio of SnO2 to SnO2 increases toward the uppermost layer, the uppermost layer is substantially formed only of SnO2. That is, in the case of B of FIG. 5 , it can be seen that the graded thin film described in the present invention is formed.
  • 6A is a perovskite by forming an electron transport layer with a single SnO thin film (a thin film not a differential thin film) as shown in FIG.
  • the FF Frill Factor
  • 6B shows a perovskite solar cell by forming an electron transport layer as a graded thin film as shown in FIG. 5B by atomic deposition at a flow rate of TDMASn, a source of tin (Sn), of 30 sccm
  • TDMASn a source of tin
  • Sn tin
  • the case of manufacturing a perovskite solar cell by forming an electron transport layer with a graded thin film that gradually changes from SnO to SnO 2 from bottom to top according to an embodiment of the present invention is not the case with SnO single It can be seen that the FF (Fill Factor) and energy conversion efficiency are remarkably higher than those of the thin film.
  • TDMASn which is a source of tin (Sn)
  • Sn tin
  • FIG. 7 The FF and energy conversion efficiency in the case of manufacturing a perovskite solar cell by forming an electron transport layer by changing the flow rate of TDMASn as a source to 20 sccm, 30 sccm, 60 sccm, and 90 sccm are shown in comparison.
  • the source of tin (Sn) is 30 sccm or more (ie, 30 sccm, 60 sccm, and 90 sccm)
  • a graded thin film that gradually changes from SnO to SnO 2 from the bottom to the top is formed.
  • the flow rate of TDMASn which is a source of tin (Sn)
  • 20 sccm As shown in FIG. 8, the flow rate of TDMASn, which is a source of tin (Sn), is changed to 20 sccm, 30 sccm, 60 sccm, and 90 sccm, and other conditions are the same as in FIG.
  • the flow rate is 30 sccm and the process temperature is 80 ° C.
  • Experimental data is shown in the case of manufacturing a perovskite solar cell by forming an electron transport layer made of a graded thin film by atomic deposition.
  • the present invention can be used in the field of manufacturing perovskite solar cells.

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Abstract

본 발명은 기판, 투명전극, 정공전달층, 페로브스카이트 광흡수층, 전자전달층 및 금속 전극을 포함하는 페로브스카이트 태양 전지에 있어서, 상기 전자전달층은 하부에서 상부로 갈수록 상기 전자전달층을 구성하는 원소들의 화학적 결합상태가 점진적으로 변하는 차등(graded) 박막인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양 전지 및 이를 포함하는 탠덤 태양 전지에 관한 것이다.

Description

페로브스카이트 태양 전지 및 이를 포함하는 탠덤 태양 전지
본 발명은 페로브스카이트 태양 전지 및 이를 포함하는 탠덤 태양 전지에 관한 것으로서 보다 상세하게는 원자 증착법을 활용하여 개선된 전자전달층을 포함하는 페로브스카이트 태양 전지 및 이를 포함하는 탠덤 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양광 에너지를 전기로 변환하는 집합체로서, 차세대 에너지로 주목받으며 오랜 기간 연구되어 오고 있으며, 실리콘, CIGS 그리고 페로브스카이트 등의 여러가지 물질을 기반으로 높은 광전 효율들이 보고되고 있다. 현재 상업화되어 가장 많이 쓰이고 있는 태양 전지는 실리콘 기반의 태양 전지로 태양 전지 시장의 90% 이상을 차지하고 있다.
실리콘 태양 전지에는 결정질 실리콘 태양 전지와 비결정질 실리콘 태양 전지가 포함되어 있으면 결정질의 경우는 제조 단가가 높은 단점이 있으나, 에너지 효율이 높아 널리 상용화 되고 있다. 이에 반면 비결정질의 경우 공정기술이 어렵고 장비의존도가 높이며, 무엇보다 효율이 낮아 현재는 개발이 거의 진행되고 있지 않은 상황이다. 실리콘 태양 전지를 1세대로 분류한다면, 최근 친환경적인 미래 유망 아이템으로 세계적으로 활발히 연구 중에 있는 3세대 태양 전지의 대표 주자로서 페로브스카이트 기반 태양 전지가 있다.
페로브스카이트 태양 전지는 무기물과 유기물이 결합하여 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 소재를 활용한다. 페로브스카이트는 부도체·반도체·도체 성질과 함께 초전도 현상까지 보이는 매우 특별한 구조를 갖는다.
이러한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양 전지는 제조비용이 저렴하고 용액공정으로 박막제작이 가능하므로 현재 차세대 박막 태양전지로 각광받고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 페로브스카이트 태양 전지는 기판(Glass), 투명전극(Transparent anode), 정공전달층(HTL), 광흡수층(Perovskite), 전자전달층(ETL), 및 금속전극(Metal cathode)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어진다. 여기서, 투명전극으로는 일함수가 낮은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 FTO(Fluorine doped Tin Oxide)가, 금속전극으로는 높은 일함수를 갖는 Au 또는 Ag 등이 사용된다.
페로브스카이트 기반 태양 전지는 연구가 시작된지 10년만에 빠른속도로 효율이 증가하고 있으며 높은 광전 효율이 보고되고 있다. 하지만 위와 같은 싱글 정션(single-juction) 태양 전지의 경우 한정된 파장 영역의 태양 에너지만 흡수할 수 있고, 밴드갭 이하의 태양에너지에서는 열화 손실이 발생하여 S-Q 한계 효율 이상의 높은 효율을 얻을 수 없다.
이와 같은 싱글 정션의 페로브스카이트 기반 태양 전지의 단점을 보완하기 위하여, 다종 접합 탠덤 태양 전지에 대한 연구가 계속되고 있다. 다종 접합 탠덤 태양 전지는, 큰 밴드갭을 가지는 상부 셀(Cell)이 낮은 파장대의 태양에너지를 흡수하고, 낮은 밴드갭을 가지는 하부 셀이 높은 파장대의 태양에너지를 흡수하여, 손실을 줄이고 넓은 파장대의 태양에너지를 운용할 수 있어 단일 정션으로 얻을 수 없는 30% 이상의 고효율을 얻을 수 있다.
특히, 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양 전지는 각각 작은 밴드갭과 큰 밴드갭을 가져 광운용에 유리하여 연구가 활발하다.
상술한, 페로브스카이트 태양 전지 또는 페로브스카이트 실리콘 태양 전지에서 문제가 되고 있는 것 중에 하나는 공통으로 포함하고 있는 페로브스카이트 태양 전지의 전자전달층에 관한 것이다. 전자전달층을 형성하는 SnO 결합 박막과 같은 박막은 p-type 반도체 특성을 가지며 전자이동저항이 높아서 태양 전지의 FF(Fill Factor) 값이 낮고 따라서 에너지 변환 효율이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 개선된 전자전달층을 형성하여 태양전지의 FF(Fill Factor) 값과 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 페로브스카이트 태양 전지 및 이를 포함하는 탠덤 태양 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 투명전극, 정공전달층, 페로브스카이트 광흡수층, 전자전달층 및 금속 전극을 포함하는 페로브스카이트 태양 전지에 있어서, 상기 전자전달층은 하부에서 상부로 갈수록 상기 전자전달층을 구성하는 원소들의 화학적 결합상태가 점진적으로 변하는 차등(graded) 박막인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양 전지를 제공한다.
상기 투명전극은 상기 기판 상부에 위치하고, 상기 정공전달층은 투명전극 상부에 위치하며, 상기 페로브스카이트 광흡수층은 정공전달층 상부에 위치하고, 상기 전자전달층은 상기 페로브스카이트 광흡수층 상부에 위치하며, 상기 금속전극은 상기 전자전달층 상부에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 차등 박막은 SnOx, TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, 및 CeOx 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 차등 박막을 구성하는 각각의 Sn, Ti, Zn W, Nb, In, 및 Ce에 화학적으로 결합되는 산소의 개수는, 하부 박막으로부터 상부 박막으로 점진적으로 변화하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 차등 박막은 SnO로 이루어진 하부 박막으로부터 SnO2로 이루어진 상부 박막으로 점진적으로 변화되는 박막인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 전자전달층과 상기 페로브스카이트 광흡수층 사이에 PCBM이나 C60으로 이루어지는 풀러렌 계열의 전자수송층을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은 실리콘 태양 전지와 상기 실리콘 태양 전지 상부에 위치하는 페로브스카이트 태양 전지를 포함하는 탠덤 태양 전지에 있어서, 상기 페로브스카이트 태양 전지는 제1 투명전극, 정공전달층, 페로브스카이트 광흡수층, 전자전달층, 제2 투명전극, 및 금속전극을 포함하고, 상기 전자전달층은 하부에서 상부로 갈수록 상기 전자전달층을 구성하는 원소들의 화학적 결합상태가 점진적으로 변하는 차등(graded) 박막인 것을 특징으로 하는 탠덤 태양 전지를 제공한다.
상기 제1 투명전극은 상기 실리콘 태양 전지 상부에 위치하고, 상기 정공전달층은 제1 투명전극 상부에 위치하며, 상기 페로브스카이트 광흡수층은 상기 정공전달층 상부에 위치하고, 상기 전자전달층은 상기 페로브스카이트 광흡수층 상부에 위치하며, 상기 제2 투명전극은 상기 전자전달층 상부에 위치하고, 상기 금속전극은 상기 제2 투명전극 상부에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 차등 박막은 SnOx, TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, 및 CeOx 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 차등 박막을 구성하는 각각의 Sn, Ti, Zn W, Nb, In, 및 Ce에 화학적으로 결합되는 산소의 개수는, 하부 박막으로부터 상부 박막으로 점진적으로 변화하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 차등 박막은 SnO로 이루어진 하부 박막으로부터 SnO2로 이루어진 상부 박막으로 점진적으로 변화되는 박막인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 전자전달층과 상기 페로브스카이트 광흡수층 사이에 PCBM이나 C60으로 이루어지는 풀러렌 계열의 전자수송층을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양 전지 및 이를 포함하는 탠덤 태양 전지의 경우 페로브스카이트 태양 전지의 전자전달층이 하부에서 상부로 갈수록 SnO에서 SnO2로 점진적으로 변화되는 차등(graded) 박막으로 형성됨으로써 FF(Fill Factor) 값과 에너지변환효율이 현저하게 향상되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 페로브스카이트 태양 전지의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양 전지를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SnOx로 이루어진 차등 박막을 형성하는 ALD 공정의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양 전지를 포함하는 탠덤 태양 전지를 도시한 도면이다.
도 5는 TDMASn 유량을 변화시켜서 형성된 박막의 XPS 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 TDMASn 유량을 변화시켜서 전자전달층을 형성한 경우에 있어서 페로브스카이트 태양 전지의 FF 및 에너지 변환 효율을 도시한 도면이다.
도 7은 TDMASn 유량을 추가로 변화시키면서 형성한 박막의 XPS 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 TDMASn 유량을 추가로 변화시키면서 전자전달층을 형성한 경우에 있어서 페로브스카이트 태양 전지의 FF 및 에너지 변환 효율을 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
구성 요소(element) 또는 층이 다른 요소 또는 층 "상에(on)", "에 연결된(connected to)", 또는 "에 결합된(coupled to)" 것으로서 나타낼 때, 이것이 직접적으로 다른 구성 요소 또는 층에 있을 수 있거나, 연결될 수 있거나 결합될 수 있거나 또는 간섭 구성 요소 또는 층(intervening elements and layer)이 존재할 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
이하, 본 발명의 페로브스카이트 태양 전지 및 이를 포함하는 탠덤 태양 전지에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
페로브스카이트 태양 전지
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양 전지(1)의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양 전지(1)는 기판(11)과, 기판(12) 상부에 위치하는 제1 투명전극(12)과, 제1 투명전극(12) 상부에 위치하는 정공전달층(13)과, 정공전달층(13) 상부에 위치하는 페로브스카이트 광흡수층(14)과, 페로브스카이트 광흡수층(14) 상부에 위치하는 풀러렌(fullerene) 계열의 전자수송층(15)과, 전자수송층(15) 상부에 위치하는 전자전달층(16)과, 전자전달층(16) 상부에 위치하는 제2 투명전극(17)과, 제2 투명전극(17) 상부에 위치하는 금속전극(18)을 포함하며, 전자전달층(16)은 하부에서 상부로 갈수록 상기 전자전달층을 구성하는 원소들의 화학적 결합상태가 점진적으로 변하는 차등(graded) 박막으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양 전지(1)는 일반적인 페로브스카이트 태양 전지의 4가지 구조 즉, 메조스코픽 정구조(n-i-p mesoscopic), 평판형 정구조(n-i-p planar), 평판형 역구조(p-i-n planar), 메조스코픽 역구조(p-i-n mesoscopic) 중 평판형 역구조(p-i-n planar)에 관한 것이다.
다만, 도 2에 도시된 페로브스카이트 태양 전지(1)의 구조는 하나의 실시예일뿐이므로 이에 한정되는 것은 아니며, 이와 다른 구조 또는 이와 다른 적층 순서나 다른 구성으로 이루어진 변형된 페로브스카이트 태양 전지에 대해서도 본 발명의 실시예에 따른 차등 박막으로 이루어진 전자전달층의 구성이 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
상기 기판(11)은 보로실리케이트(borosilicate) 유리, 석영(quartz) 유리, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 또는 폴리에테르술폰(PES)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 투명전극(12)은 투광성을 갖는 도전성 소재로 형성될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따르면 산화인듐주석(ITO; indium-tin oxide) 일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 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. 본 명세서에 서 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.
상기 정공전달층(13)은 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. 예를 들면, 상기 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.
또한, 상기 정공전달층(13)에는 도핑 물질이 더 포함될 수 있으며, 상기 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.
상기 정공전달층(13)은 제1 투명전극(12) 상에 정공전달층용 전구체 용액을 도포하고, 건조하여 형성될 수 있다.
상기 페로브스카이트 광흡수층(14)은 ABX3(여기서, A는 1가의 유기 암모늄 양이온 또는 금속 양이온, B는 2가의 금속 금속 양이온, X는 할로겐 음이온을 의미한다.)
하나 또는 다수의 실시예에서, 상기 A는 메틸암모늄(CH3NH3 +) 또는 에틸암모늄(CH3CH2NH3 +)을 나타내고, B는 Pb 또는 Sn을 나타내고, X는 I, Br 또는 Cl을 나타냄)의 화학식을 갖는 페로브스카이트를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 2 종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다.
페로브스카이트　화합물은 예컨대, 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, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbClxBr3-x　등이 사용될 수 있다(0≤x, y≤1). 또한, ABX3의 A에 Cs가 일부 도핑된 화합물도 사용될 수 있다.
페로브스카이트는 흡수계수가 크고(strong solar absorption) 낮은 비발광 캐리어 재결합율(low non-radiative carrier recombination rate)의 특징을 가지고 있으며, 운반자 이동도가 크며 비발광 캐리어 재결합을 유발하는 결함이 밴드갭 내에 또는 깊은 준위(deep level)에 형성되지 않는 특성으로 인해 변환효율을 증가시키는 것으로 알려져 있다.
상기 전자수송층(15)은 상기 페로브스카이트 광흡수층(14) 상부에 위치하며 PCBM이나 C60으로 이루어지는 풀러렌 계열로 형성될 수 있다. 다만, 이는 필수적인 것이 아니며 선택적으로는 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에서 이러한 전자수송층(15) 없이 페로브스카이트 광흡수층(14) 상부에 바로 상부 전자전달층(16)이 형성될 수도 있다.
페로브스카이트 광흡수층(14) 위에 전자전달층(16)이 TiOx나 ZnOx 등으로 형성되는 경우 전자전달층(16)이 페로브스카이트 광흡수층(14)과 직접 맞닿게 되면 페로브스카이트를 분해하는 문제가 있다.
특히, ZnO의 경우 열처리 등에 의해 ZnO/페로브스카이트 계면에서 ZnO에 의해 메틸암모늄 양이온의 탈양성자화가 진행되어 메틸암모늄이 메틸아민으로 바뀐다. 메틸아민은 끓는점이 매우 낮아 상온에서도 쉽게 기체가 된다. 이에 따라 메틸암모늄이 손실되어 페로브스카이트가 분해되는 문제가 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 전자전달층(16)과 페로브스카이트 광흡수층(14) 사이에 상기 PCBM이나 C60으로 이루어지는 풀러렌 계열의 전자수송층(15)이 형성됨으로써 TiOx나 ZnOx 등으로 이루어진 전자전달층이 페로브스카이트 광흡수층 접촉하여 페로브스카이트를 분해하는 것을 방지할 수 있다.
상기 전자전달층(16)은 상기 전자수송층(15) 상부에 위치하며, 상기 페로브스카이트 광흡수층에서 생성된 전자를 상기 제2 투명전극에 전달한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 도 2에 도시된 바와 같이 상기 전자전달층(16)은 SnOx로 이루어진 박막이며, SnO로 이루어진 하부 박막으로부터 SnO2로 이루어진 상부 박막으로 점진적으로 변화되는 차등(graded) 박막으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 SnOx로 이루어진 차등 박막은 150℃ 이하의 저온에서 원자증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)에 의해 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SnOx로 이루어진 차등 박막을 형성하는 ALD 공정의 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 차등 박막을 구성하는 주석(Sn)의 소스가 되는 전구체 가스를 주입하여 표면에 흡착시킨다(S1). 상기 주석(Sn)의 소스는 TDMASn, TEMASn, Sn(dmamp)2, 및 SnCl4 중 어느 하나가 될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 주석(Sn)의 소스로서 TDMASn을 사용한다.
그 다음 잔류 물질을 제거하기 위한 퍼지(purge) 단계를 실시한다(S2).
그 다음 차등 박막을 구성하는 반응물로 산소(O)의 소스를 주입한다(S3). 산소(O)의 소스로는 H2O, H2O2, O3, 및 O2 중 어느 하나가 될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 산소(O)의 소스로는 H2O를 사용한다.
그 다음 잔류 물질을 제거하기 위한 퍼지(purge) 단계를 실시한다(S4).
본 발명의 실시예에 따른 ALD 공정에서는 상기 S1 내지 S4 단계를 하나의 사이클로 하여 이 사이클을 반복한다.
이러한 사이클을 반복하면 전자전달층(16)의 최하부는 대체로 SnO만 형성되나 위로 올라갈수록 SnO에 대한 SnO2의 비율이 점진적으로 상승하여 전자전달층(16)의 최상부에서는 실질적으로 SnO2만 형성된다.
이 때 상기 SnO로 이루어진 하부 박막으로부터 SnO2로 이루어진 상부 박막으로 점진적으로 변화되는 차등(graded) 박막을 형성하기 위해서 중요한 것은 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량이다.
주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량을 확보하지 못하는 경우에는 차등 박막이 형성되지 못하고 SnO만으로 이루어진 박막이 형성되어, 전자이동저항이 높아 태양 전지의 FF(Fill Factor) 값이 낮고 따라서 에너지 변환 효율이 저하되는 문제가 있다. 이에, 본 발명에서는 TDMASn 유량을 30 sccm 이상으로 한정하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량을 30 ~ 90sccm으로 한 경우에 표면에 SnO로 이루어진 하부 박막으로부터 SnO2로 이루어진 상부 박막으로 점진적으로 변화되는 차등(graded) SnOx 박막이 형성될 수 있다. 이 때 산소(O)의 소스인 H2O의 유량은 10 ~ 100sccm이며 공정온도는 80℃이다.
본 발명의 실시예에 따른 전자전달층에 상술한 차등(graded) SnOx 박막이 형성되었는지 여부는 X-ray Phothelectron Spectroscopy (XPS) 표면 분석 장비를 통해 확인할 수 있었다.
XPS 표면 분석 장비는 샘플에 X-ray를 쏴서 샘플의 표면으로부터 방출되는 광전자의 운동에너지와 intensity를 측정함으로써 샘플의 성분과 결합특성 등을 측정하는 장비이다.
한편, 상술한 SnOx의 차등 박막으로 이루어진 상부 전자전달층(16)은 본 발명의 일 실시예일 뿐이고, 본 발명의 차등 박막은 TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, 및 CeOx 중 어느 하나로도 형성될 수 있다.
즉, TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, 및 CeOx의 차등 박막의 경우에도 SnOx 차등 박막과 마찬가지로 각각의 Ti, Zn W, Nb, In, 및 Ce에 화학적으로 결합되는 산소의 개수가 상대적으로 적은 소정의 하부 박막으로부터 화학적으로 결합되는 산소의 개수가 상대적으로 많은 소정의 상부 박막으로 점진적으로 변화된다.
TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, 및 CeOx의 차등 박막의 경우에도 도 3에 도시된 바와 같은 저온 원자증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)에 의해 형성될 수 있다.
이 때 각각의 TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, 및 CeOx을 구성하는 반응물의 소스의 유량과 공정온도 등은 SnOx와 달라질 수 있으나 각각의 TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx에서 산소(O)와 결합되는 반응물의 유량이 소정 유량 이상이 되어야 ALD 공정시에 하부 박막으로부터 상부 박막으로 점진적으로 변화되는 차등(graded) SnOx 박막이 형성될 수 있는 것은 마찬가지이다.
상기 제2 투명전극(17)은 본 발명의 실시예에 따르면 IZO(Indium Zinc Oxide) 일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al), 산화인듐주석(ITO; indium-tin oxide), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide) 등 상기 제1 투명전극과 같은 소재로 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에서는 제2 투명전극(17)과 페로브스카이트 광흡수층(14) 사이에 전자전달층(16)과 전자수송층(15)이 존재하여 버퍼층의 역할을 하므로 페로브스카이트 광흡수층(14)에 스퍼터 방식으로 증착하여 IZO로 이루어진 제2 투명전극(17)을 형성하더라도 페로브스카이트 광흡수층(14)이 보호될 수 있다.
상기 금속전극(18)은 외부와 전기적으로 연결되는 부분으로서, 패턴된 은(Ag) 박막을 증착시켜셔 형성될 수 있다.
페로브스카이트 태양 전지를 포함하는 탠덤 태양 전지
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양 전지를 포함하는 탠덤 태양 전지(2)의 일 실시예이다.
도 4에 일 실시예로 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양 전지를 포함하는 탠덤 태양 전지는, 실리콘 태양 전지(하부 셀) (20)와 실리콘 태양 전지 상에 형성되는 페로브스카이트 태양 전지(상부 셀) (30)를 포함할 수 있으며, 실리콘 태양 전지(20)와 페로브스카이트 태양 전지(30) 사이에는 양자를 접합시키고 전기적으로 연결하는 접합층(미도시)이 구비될 수 있다. 이러한 접합층은 페로브스카이트 태양 전지(30)를 투과하는 장파장의 광을 투과 손실 없이 하부에 배치된 실리콘 태양전지(20)로 입사될 수 있도록 투명 전도성 산화물(TCO), 탄소질 전도성 소재, 금속성 소재 또는 전도성 고분자를 사용하여 구현될 수 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서, 상기 탠덤 태양 전지(2)는, 접합층 용액을 상기 실리콘 태양 전지(20)의 상부에 스핀 코팅하는 단계, 상기 스핀 코팅된 투명 접합층 용액 표면에 상기 페로브스카이트 태양 전지(30)를 접착시키고 UV 처리 또는 열처리를 하여 경화시킴으로써 제조될 수 있다. 다만, 이는 하나의 실시예일뿐이므로 주지된 다른 방법에 의해 탠덤 태양 전지를 제조할 수 있음은 물론이다.
상기 실리콘 태양 전지(20)는 밴드갭이 1.0eV ~ 1.2eV 부근인 실리콘 태양전지일 수 있다. 상기 기판 상에 배치된 금속 또는 금속 합금의 이면 전극(21)과, 상기 이면 전극 상에 배치된 실리콘 반도체층(22)를 포함할 수 있다.
상기 이면 전극(back-electrode)(21)은 외부로 전기적 연결을 위하여 기판(미도시) 상에 형성될 수 있다. 하나 또는 다수의 실시예에서 상기 이면 전극은 이-빔 이베포레이션(e-beam evaporation) 진공 증착을 통하여 형성될 수 있고, Ag, Ti, Au 등으로 형성될 수 있다.
상기 실리콘 반도체층(22)은 p형 실리콘 반도체층 및 상기 p형 실리콘 반도체층 상에 배치된 n형 실리콘 반도체층을 포함할 수 있다.
상기, 페로브스카이트 태양 전지(30)는 제1 투명전극(31), 정공전달층(32), 페로브스카이트 광흡수층(33), 전자수송층(34), 전자전달층(35), 제2 투명전극(36), 및 금속전극(37)을 포함할 수 있다.
도 4에 일 실시예로 도시된 바와 같이, 상기 제1 투명전극(31)은 상기 실리콘 태양 전지(20) 상부에 형성되고, 상기 정공전달층(32)은 제1 투명전극 상부에 형성되며, 상기 페로브스카이트 광흡수층(33)은 상기 정공전달층(32) 상부에 형성되고, 상기 전자수송층(34)은 상기 페로브스카이트 광흡수층(33) 상부에 형성되며, 상기 전자전달층(35)은 풀러렌(fullerene) 계열의 상기 전자수송층(34) 상부에 형성되고, 상기 제2 투명전극(36)은 상기 전자전달층(35) 상부에 형성되며, 상기 금속전극(37)은 상기 제2 투명전극(36) 상부에 형성될 수 있다.
상기 제1 투명전극(31)은 투광성을 갖는 도전성 소재로 형성될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따르면 산화인듐주석(ITO; indium-tin oxide) 일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 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. 본 명세서에 서 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.
상기 정공전달층(32)은 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. 예를 들면, 상기 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.
또한, 상기 정공전달층(32)에는 도핑 물질이 더 포함될 수 있으며, 상기 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.
상기 정공전달층(32)은 제1 투명전극(31) 상에 정공전달층용 전구체 용액을 도포하고, 건조하여 형성될 수 있다.
상기 페로브스카이트 광흡수층(33)은 ABX3(여기서, A는 1가의 유기 암모늄 양이온 또는 금속 양이온, B는 2가의 금속 금속 양이온, X는 할로겐 음이온을 의미한다.)
하나 또는 다수의 실시예에서, 상기 A는 메틸암모늄(CH3NH3 +) 또는 에틸암모늄(CH3CH2NH3 +)을 나타내고, B는 Pb 또는 Sn을 나타내고, X는 I, Br 또는 Cl을 나타냄)의 화학식을 갖는 페로브스카이트를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 2 종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다.
페로브스카이트　화합물은 예컨대, 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, (CH3NH3)(HC(NH2)2)1-yPbClxBr3-x　등이 사용될 수 있다(0≤x, y≤1). 또한, ABX3의 A에 Cs가 일부 도핑된 화합물도 사용될 수 있다.
상기 전자수송층(34)은 상기 페로브스카이트 광흡수층(33) 상부에 위치하며 PCBM이나 C60으로 이루어지는 풀러렌 계열로 형성될 수 있다. 다만, 이는 필수적인 것이 아니며 선택적으로는 이러한 전자수송층(34) 없이 페로브스카이트 광흡수층(33) 상부에 바로 상부 전자전달층이 형성될 수도 있다.
상기 전자수송층(34)은 전자전달층(35)이 TiOx나 ZnOx 등으로 이루어진 경우에 전자전달층(35)과 페로브스카이트 광흡수층(33) 사이에 위치되어 전자전달층이 페로브스카이트 광흡수층에 직접 접촉하지 못하게 함으로써 TiOx나 ZnOx 등에 의해 페로브스카이트가 분해되는 것을 방지할 수 있다.
상기 전자전달층(35)은 상기 전자수송층(34) 상부에 위치하며, 상기 페로브스카이트 광흡수층(33)에서 생성된 전자를 상기 제2 투명전극(36)에 전달한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 도 2에 도시된 바와 같이 상기 전자전달층(35)은 SnOx로 이루어진 박막이며, SnO로 이루어진 하부 박막으로부터 SnO2로 이루어진 상부 박막으로 점진적으로 변화되는 차등(graded) 박막으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 SnOx로 이루어진 차등 박막은 도 3에 도시된 ALD 공정에 의해 형성될 수 있다.
상기 SnO로 이루어진 하부 박막으로부터 SnO2로 이루어진 상부 박막으로 점진적으로 변화되는 차등(graded) 박막을 형성하기 위하여 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량을 30 ~ 90sccm으로 하고, 산소(O)의 소스인 H2O의 유량은 10 ~ 100sccm으로 하며, 공정온도를 80℃로 할 수 있다.
상기 SnOx의 차등 박막으로 이루어진 상부 전자전달층은 본 발명의 일 실시예일 뿐이고, 본 발명의 차등 박막은 TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, 및 CeOx 중 어느 하나로도 형성될 수 있다.
즉, TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, 및 CeOx의 차등 박막의 경우에도 SnOx 차등 박막과 마찬가지로 각각의 Ti, Zn W, Nb, In, 및 Ce에 화학적으로 결합되는 산소의 개수가 상대적으로 적은 소정의 하부 박막으로부터 화학적으로 결합되는 산소의 개수가 상대적으로 많은 소정의 상부 박막으로 점진적으로 변화된다.
TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, 및 CeOx의 차등 박막의 경우에도 도 3에 도시된 원자증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)에 의해 형성될 수 있다.
이 때 각각의 TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, 및 CeOx을 구성하는 반응물의 소스의 유량과 공정온도 등은 SnOx와 달라질 수 있으나 각각의 TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx에서 산소(O)와 결합되는 반응물의 유량이 소정 유량 이상이 되어야 ALD 공정시에 하부 박막으로부터 상부 박막으로 점진적으로 변화되는 차등(graded) SnOx 박막이 형성될 수 있는 것은 마찬가지이다.
상기 제2 투명전극(36)은 본 발명의 실시예에 따르면 IZO(Indium Zinc Oxide) 일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al), 산화인듐주석(ITO; indium-tin oxide), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide) 등 상기 제1 투명전극(31)과 같은 소재로 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 탠덤 태양 전지의 구조에서는 제2 투명전극(36)이 필수적이다. 그 이유는 도 4에 도시된 탠덤 태양 전지(2)의 상부에서 하부로 태양광이 조사되는 경우, 태양광의 투과를 위해 금속전극(37)은 격자무늬로 형성되어야 하므로 격자무늬 사이에 빈공간이 생길 수 밖에 없고, 아래의 페로브스카이트 광흡수층(33)에서 생성되어 이 빈공간으로 도달하는 전자들이 측면이동을 통해 금속전극(37)으로 이동할 수 있도록 하기 위해서 제2 투명전극(36)이 있어야 한다.
상기 금속전극(37)은 외부와 전기적으로 연결되는 부분으로서, 태양광이 투과할 수 있도록 격자무늬(grid)로 은(Ag) 박막을 증착시켜서 형성될 수 있다.
차등 박막으로 이루어진 본 발명의 전자전달층의 효과
이하에서는 상술한 페로브스카이트 태양 전지 및 이를 구비한 탠덤 태양 전지에 사용되는 본 발명의 실시예에 따른 차등 박막의 효과에 대하여 살펴본다
도 5는 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량을 20sccm으로 하여 박막을 형성한 경우와 30sccm으로 하여 박막을 형성한 경우의 XPS 분석 결과를 도시하고 있고, 도 6은 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량을 20sccm으로 하여 전자전달층을 형성함으로써 페로브스카이트 태양 전지를 제조한 경우와 30sccm으로 하여 박막을 형성함으로써 페로브스카이트 태양 전지를 제조한 경우에 있어서의 FF 및 에너지 변환 효율을 도시하고 있다.
도 5의 A에 도시된 박막은 ITO 투명전극 상에 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량을 20sccm으로 하고, 산소(O)의 소스인 H2O의 유량은 30sccm으로 하며, 공정온도를 80℃로 하여 도 3에 도시된 원자증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)에 의해 박막을 형성한 것이고, 도 5의 B에 도시된 박막은 도 5의 A와 동일한 실험 조건 하에서 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량만 30sccm으로 하여 원자증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)에 의해 박막을 형성한 것이다.
XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석 장비는 시료에 X-ray를 입사하여 광전효과에 의해 방출되는 광전자의 운동에너지와 intensity를 측정함으로써 재료의 성분과 결합특성을 측정하는 표면분석 장비이다.
도 5의 XPS 분석 그래프에 나타난 바와 같이 도 5의 A의 박막의 경우 피크(peak)값을 나타내는 결합에너지(Binding energy)가 486.6eV 하나로서 SnO의 단일층 구조로 형성되어 있고, 본 발명에서 설명하는 차등(graded) 박막이 형성되지 못한 것을 알 수 있다.
한편, 도 5의 B의 박막의 경우 XPS 분석 그래프를 보면, 피크(peak)값을 나타내는 결합에너지(Binding energy)가 하부에서 상부로 갈수록 486.6eV(SnO)에서 487.2eV(SnO2)로 점진적으로 변화되고 있는 것을 알 수 있다.
도 5의 B의 박막의 경우 최하부층은 실질적으로 SnO로만 형성되어 있으나 상부로 갈수록 SnO에 비해 SnO2의 비율이 증가하면서 최상부층은 실질적으로 SnO2로만 형성되어 있다. 즉, 도 5의 B의 경우 본 발명에서 설명하는 차등(graded) 박막이 형성된 것을 알 수 있다.
도 6의 A는 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량을 20sccm으로 하여 원자증착법에 의해 도 5의 A와 같은 단일 SnO 박막(차등 박막이 아닌 박막)으로 전자전달층을 형성하여 페로브스카이트 태양 전지를 제조한 경우로서, 이에 대해 실험한 결과 FF(Fill Factor) 값은 61.96%이고 에너지변환효율은 11.69%로 나타났다.
도 6의 B는 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량을 30sccm으로 하여 원자증착법에 의해 도 5의 B와 같은 차등(graded) 박막으로 전자전달층을 형성하여 페로브스카이트 태양 전지를 제조한 경우로서, 이에 대해 실험한 결과 FF(Fill Factor) 값은 73.88%이고 에너지변환효율은 14.39%로 나타났다.
즉, 본 발명의 실시예에 따라 하부에서 상부로 갈수록 SnO로부터 SnO2로 점진적으로 변화는 차등(graded) 박막으로 전자전달층을 형성하여 페로브스카이트 태양 전지를 제조한 경우가 그렇지 않고 SnO 단일 박막으로 형성한 경우에 비해 FF(Fill Factor)와 에너지변환효율이 현저하게 높은 것을 알 수 있다.
도 7은 추가적으로 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량을 20sccm, 30sccm, 60sccm, 및 90sccm으로 변경하여 박막을 형성한 경우의 XPS 분석 결과를 비교하여 도시하고 있고, 도 8은 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량을 20sccm, 30sccm, 60sccm, 및 90sccm으로 변경하여 전자전달층을 형성함으로써 페로브스카이트 태양 전지를 제조한 경우에 있어서의 FF 및 에너지 변환 효율을 비교하여 도시하고 있다.
도 7에 도시된 각각의 박막은 ITO 투명전극 상에 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량만 20sccm, 30sccm, 60sccm, 및 90sccm으로 변경하고, 다른 실험 조건은 동일하게 하여(즉, 산소의 소스인 H2O의 유량은 30sccm으로 하고 공정온도를 80℃로 하여) 도 3에 도시된 원자증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)에 의해 박막을 형성한 것이다.
도 7의 XPS 분석 그래프에 나타난 바와 같이 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량을 20sccm으로 한 경우를 제외하고, 30sccm, 60sccm, 및 90sccm으로 한 경우에는 모두 피크(peak)값을 나타내는 결합에너지(Binding energy)가 하부에서 상부로 갈수록 점진적으로 SnO를 나타내는 값에서 SnO2를 나타내는 값으로 변화되고 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량이 30sccm 이상인 경우(즉, 30sccm, 60sccm, 및 90sccm인 경우) 하부에서 상부로 갈수록 SnO에서 SnO2로 점진적으로 변화되는 차등(graded) 박막이 형성되는 것을 알 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 주석(Sn)의 소스인 TDMASn의 유량을 20sccm, 30sccm, 60sccm, 및 90sccm으로 변경하고, 다른 조건은 도 7과 동일하게 하여(즉, 산소의 소스인 H2O의 유량은 30sccm으로 하고 공정온도를 80℃로 하여) 원자증착법에 의해 차등(graded) 박막으로 이루어진 전자전달층을 형성하여 페로브스카이트 태양 전지를 제조한 경우의 실험데이터를 나타내고 있다.
도 8에 나타나 있는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차등 박막으로 전자전달층이 형성되는 경우(즉, TDMASn의 유량이 20sccm, 30sccm, 60sccm, 및 90sccm인 경우) FF(Fill Factor) 값이 66.46~73.88%이고 에너지변환효율은 12.92%~14.39%로서 그렇지 않은 경우(TDMASn의 유량이 20sccm인 경우)에 비해 월등하게 높은 것을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 페로브스카이트 태양 전지의 제조분야에 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 투명전극, 정공전달층, 페로브스카이트 광흡수층, 전자전달층 및 금속전극을 포함하는 페로브스카이트 태양 전지에 있어서,
    상기 전자전달층은 하부에서 상부로 갈수록 상기 전자전달층을 구성하는 원소들의 화학적 결합상태가 점진적으로 변하는 차등(graded) 박막인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정공전달층은 투명전극 상부에 위치하며,
    상기 페로브스카이트 광흡수층은 정공전달층 상부에 위치하고,
    상기 전자전달층은 상기 페로브스카이트 광흡수층 상부에 위치하며,
    상기 금속전극은 상기 전자전달층 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 차등 박막은 SnOx, TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, 및 CeOx 중 어느 하나로 이루어지며,
    상기 차등 박막을 구성하는 각각의 Sn, Ti, Zn W, Nb, In, 및 Ce에 화학적으로 결합되는 산소의 개수는, 하부 박막으로부터 상부 박막으로 점진적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양 전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 차등 박막은 SnO로 이루어진 하부 박막으로부터 SnO2로 이루어진 상부 박막으로 점진적으로 변화되는 박막인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양 전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전자전달층과 상기 페로브스카이트 광흡수층 사이에 PCBM이나 C60으로 이루어지는 풀러렌 계열의 전자수송층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양 전지.
  6. 실리콘 태양 전지와 상기 실리콘 태양 전지 상부에 위치하는 페로브스카이트 태양 전지를 포함하는 탠덤 태양 전지에 있어서,
    상기 페로브스카이트 태양 전지는 제1 투명전극, 정공전달층, 페로브스카이트 광흡수층, 전자전달층, 제2 투명전극, 및 금속전극을 포함하고,
    상기 전자전달층은 하부에서 상부로 갈수록 상기 전자전달층을 구성하는 원소들의 화학적 결합상태가 점진적으로 변하는 차등(graded) 박막인 것을 특징으로 하는 탠덤 태양 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 투명전극은 상기 실리콘 태양 전지 상부에 위치하고,
    상기 정공전달층은 제1 투명전극 상부에 위치하며,
    상기 페로브스카이트 광흡수층은 상기 정공전달층 상부에 위치하고,
    상기 전자전달층은 상기 페로브스카이트 광흡수층 상부에 위치하며,
    상기 제2 투명전극은 상기 전자전달층 상부에 위치하고,
    상기 금속전극은 상기 제2 투명전극 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양 전지.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 차등 박막은 SnOx, TiOx, ZnOx, WOx, NbOx, InOx, 및 CeOx 중 어느 하나로 이루어지며,
    상기 차등 박막을 구성하는 각각의 Sn, Ti, Zn W, Nb, In, 및 Ce에 화학적으로 결합되는 산소의 개수는, 하부 박막으로부터 상부 박막으로 점진적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양 전지.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 차등 박막은 SnO로 이루어진 하부 박막으로부터 SnO2로 이루어진 상부 박막으로 점진적으로 변화되는 박막인 것을 특징으로 하는 탠덤 태양 전지.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 전자전달층과 상기 페로브스카이트 광흡수층 사이에 PCBM이나 C60으로 이루어지는 풀러렌 계열의 전자수송층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤 태양 전지.
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