KR102146326B1

KR102146326B1 - 페로브스카이트 태양전지, 이의 제조방법 및 이를 이용한 플렉시블 디바이스

Info

Publication number: KR102146326B1
Application number: KR1020190057972A
Authority: KR
Inventors: 소준영; 리앙 양; 염준호; 김도형; 최동혁; 케빈 시불라
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2020-08-24

Abstract

본 발명은 페로브스카이트 태양전지, 이의 제조방법 및 이를 이용한 플렉시블 디바이스에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는, 정공수송층, 광활성층 및 전자수송층의 순서로 적층되는 p-i-n 구조를 형성하되, 상기 전자수송층은, 상기 광활성층 상에 반도체형 가교제와 유기 반도체 물질이 분산된 용액을 코팅한 후 가교 반응을 통해 형성된다.

Description

페로브스카이트 태양전지, 이의 제조방법 및 이를 이용한 플렉시블 디바이스{PEROVSKITE SOLARCELL, FABRICATION METHOD THEREOF AND FLEXIBLE DEVICE USING THE SAME}

본 발명은 페로브스카이트 태양전지, 이의 제조방법 및 이를 이용한 플렉시블 디바이스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 p-i-n형 구조의 페로브스카이트 태양전지에서 반도체형 가교제와 유기 반도체 물질이 분산된 용액을 코팅한 후 가교반응을 통해 광활성층 상에 전자수송층을 형성함으로써, 측정 방향에 따른 광전류 밀도 및 전압과 시간에 따른 전력 생성 특성에 안정성을 제공하기 위한, 페로브스카이트 태양전지, 이의 제조방법 및 이를 이용한 플렉시블 디바이스에 관한 것이다.

페로브스카이트(perovskite) 구조 물질을 이용한 태양전지는 기존 실리콘 재질의 태양전지에 비해 고효율 특성을 나타내는 차세대 태양전지로 각광을 받고 있다. 이러한 태양전지는 전자(electron) 혹은 정공(hole)을 전달할 수 있는 물질이 중요하다.

여기서, 전자 수송층은 전자 수송 물질인 경우에 전자를 수송할 수 있는 전자이동도가 높아야 하고, 홀 수송층은 정공을 수송할 수 있는 정공이동도가 높아야 한다. 이러한 소재에는 유기 반도체 물질(예를 들어, n형; 플러렌계 유도체[fullerene derivatives] 등, p형; PEDOT:PSS 등) 또는 무기 반도체 물질(예를 들어, n형; TiO₂, SnO₂, ZnO 등, p형; NiOx 등)이 이용될 수 있다.

그리고, 이러한 소재는 물질에 따라 용액 기반 공정(solution based processes) 예를 들어, 스핀 코팅(spin coating), 슬롯 코팅(slot coating), 바 코팅(bar coating), 졸-겔 코팅(sol-gel coating), 하이드로써멀법(hydrothermal method) 등으로 제조되거나, 증착법 예를 들어, 스퍼터링(sputtering), 진공증착(evaporation), 원자층 증착(atomic layer deposition) 등으로 제조된다. 일반적으로, 유기 소재는 용액 기반 공정으로 증착된다.

한편, n형 반도체 물질의 경우에는 무기 소재로서 용액 처리된 이산화티타늄(TiO₂)을 대표적으로 사용하였다.

그런데, 고결정성 기반 이산화티타늄 필름(high crystalline based TiO₂ film)을 제조하는 과정에서는 500℃의 고온 기반 공정이 필요하므로 디바이스에서 히스테리시스(hysteresis)를 일으킬 수 있다. 이와 같은 이산화티타늄 기반의 디바이스는 신뢰성이 높지 않다고 알려져 있다.

이로 인해, 최근에는 이산화티타늄 대신에 n형 유기 소재를 이용하여 저온 기반 공정, 고효율, 고신뢰성 디바이스 제조 기술 개발에 관한 연구가 진행되고 있다.

대표적인 n형 유기 소재는 플러렌(fullerene) 계열의 물질로서 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이 있다. 이러한 PCBM은 전자이동도가 높고 유기 용매에서 용해도가 높기 때문에 용액 기반 공정을 활용하기 용이한 물질로서, 하이브리드 페로브스카이트 태양전지에 이용되고 있다.

하지만, 하이브리드 페로브스카이트를 바탕으로 제작된 태양전지는 다음과 같은 한계가 있다.

먼저, 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 전류-전압 특성 측정시 스캔의 방향에 따라 효율이 바뀌며 그 값의 차이가 크다.

또한, 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 시간에 따라 불안정하게 전력을 생성하고, 이는 어떤 구성요소를 사용하느냐에 따라 정도의 차이가 날 수 있다.

이로 인해, 페로브스카이트와 전자수송층(또는 정공수송층)의 계면은 안정적이고 효율적으로 전자나 정공을 잘 전달할 수 있도록 설계되는 것이 중요하다.

아울러, 페로브스카이트 자체의 공기 혹은 물에 대한 불안정성은 소자의 불안정성의 원인이기도 하다. 이와 관련하여, 제2의 물질 예를 들어, 알루미늄 옥사이드(Al₂O₃), 폴리스타이렌(polystyrene), C12 실레인(silane) 등을 페로브스카이트와 정공수송층 사이에 박막 형태로 삽입하여 페로브스카이트의 안정성을 꾀하는 연구가 보고된 바 있다.

이러한 방법은 절연체인 물질을 사용하기 때문에 두께 조절이 중요하다. 너무 두꺼운 경우에는 높은 절연성으로 전자나 정공의 전달을 방해하고, 너무 얇을 경우에는 그 효과가 적을 수밖에 없다. 또한, 태양전지 제작단계에서 추가 공정이 필요한 구조이기도 하다.

따라서, 페르보스카이트와 전자수송층(또는 정공수송층)의 계면은 페로브스카이트의 안정성을 높일 수 있는 소수성(hydrophobicity)을 가지고, 안정적이고 효율적으로 전자나 정공을 잘 전달할 수 있으며, 추가 공정이 없이 제조되는 방안이 요구되고 있다.

한국 등록특허공보 제10-1609588호 (2016.03.31 등록)

Highly Efficient Perovskite Solar Cells with Crosslinked PCBM Interlayers (W Qiu et al, J Mater Chem A, 2017, 5, 2466)

본 발명의 목적은 p-i-n형 구조의 페로브스카이트 태양전지에서 반도체형 가교제와 유기 반도체 물질이 분산된 용액을 코팅한 후 가교반응을 통해 광활성층 상에 전자수송층을 형성함으로써, 측정 방향에 따른 광전류 밀도 및 전압과 시간에 따른 전력 생성 특성에 안정성을 제공하기 위한, 페로브스카이트 태양전지, 이의 제조방법 및 이를 이용한 플렉시블 디바이스를 제공하는데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는, 정공수송층(130), 광활성층(140) 및 전자수송층(150)의 순서로 적층되는 p-i-n 구조를 형성하되, 상기 전자수송층은, 상기 광활성층 상에 반도체형 가교제와 유기 반도체 물질이 분산된 용액을 코팅한 후 가교 반응을 통해 형성되고, 상기 반도체형 가교제는 아지드계(azide group) 작용기와 페릴렌 디이미드(Perylene Diimide, PDI) 작용기로 구성되며, 상기 아지드계 작용기는 알킬 아지드(alkyl-azide) 또는 아로마 아지드(aromatic-azide)이고, 상기 유기 반도체 물질은 플러렌 유도체 계열의 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이며, 상기 가교 반응은 아지드 그룹이 PCBM 또는 유기물질의 알킬 그룹과 일어나는 것일 수 있다.

삭제

상기 용액은, 상기 PCBM이 70%, 상기 반도체형 가교제가 30% 조성 비율로 혼합되는 것일 수 있다.

상기 용액의 용매는, MF(N,N-dimethylformamide), DMSO(DiMethyl SulfOxide), 아세톤(Acetone), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 디클로로메탄(Dichloromethane), THF(Tetrahydrofuran), 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로포름(chloroform) 중 어느 하나의 것 또는 둘 이상의 혼합된 것일 수 있다.

상기 가교 반응은, 100∼120℃ 온도에서 3∼5분간 진행되는 열처리를 통해 이루어지는 것일 수 있다.

상기 정공수송층은, 니켈 옥사이드(NiOx)를 스퍼터링(sputtering)하여 NiOx 박막으로 형성되는 것일 수 있다.

상기 정공수송층은, 기판(110)에 투명전극 물질을 증착시켜 형성된 투명전극층(120) 상에 형성되는 것일 수 있다.

상기 기판은, 가요성 재질일 수 있다.

실시예에 따르면, 상기 전자수송층 상에 은(Ag) 재질로 형성된 금속전극(160);을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은, 정공수송층(130), 광활성층(140) 및 전자수송층(150)의 순서로 적층되는 p-i-n 구조를 형성하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 광활성층 상에 상기 전자수송층을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 전자수송층을 형성하는 단계는, 상기 광활성층 상에 반도체형 가교제와 유기 반도체 물질이 분산된 용액을 코팅하는 단계; 및 코팅된 상기 용액의 가교 반응을 위한 열처리를 수행하는 단계;를 포함하고, 상기 반도체형 가교제는 아지드계(azide group) 작용기와 페릴렌 디이미드(Perylene Diimide, PDI) 작용기로 구성되며, 상기 아지드계 작용기는 알킬 아지드(alkyl-azide) 또는 아로마 아지드(aromatic-azide)이고, 상기 유기 반도체 물질은 플러렌 유도체 계열의 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이며, 상기 가교 반응은 아지드 그룹이 PCBM 또는 유기물질의 알킬 그룹과 일어나는 것일 수 있다.

삭제

또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지를 이용한 플렉시블 디바이스는,
페로브스카이트 태양전지를 이용하여 전원을 공급하기 위한 전원장치;를 포함하되, 상기 페로브스카이트 태양전지는, 기판, 투명전극층, 정공수송층, 광활성층, 전자수송층 및 금속전극의 순서로 적층되는 p-i-n 구조를 형성하되, 상기 기판은, 가요성 재질이고, 상기 전자수송층은, 상기 광활성층 상에 반도체형 가교제와 유기 반도체 물질이 분산된 용액을 코팅한 후 가교 반응을 통해 형성되며, 상기 가교 반응은, 100∼120℃ 온도에서 3∼5분간 진행되는 열처리를 통해 이루어지고, 상기 반도체형 가교제는 아지드계(azide group) 작용기와 페릴렌 디이미드(Perylene Diimide, PDI) 작용기로 구성되며, 상기 아지드계 작용기는 알킬 아지드(alkyl-azide) 또는 아로마 아지드(aromatic-azide)이고, 상기 유기 반도체 물질은 플러렌 유도체 계열의 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이며, 상기 가교 반응은 아지드 그룹이 PCBM 또는 유기물질의 알킬 그룹과 일어나는 것일 수 있다.

본 발명은 p-i-n형 구조의 페로브스카이트 태양전지에서 반도체형 가교제와 유기 반도체 물질이 분산된 용액을 코팅한 후 가교반응을 통해 광활성층 상에 전자수송층을 형성함으로써, 측정 방향에 따른 광전류 밀도 및 전압과 시간에 따른 전력 생성 특성에 안정성을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 반도체형 가교제를 이용하여 안정성이 뛰어난 전자수송층 박막을 저온 및 용액 기반 공정을 통해 제조할 수 있다.

또한, 본 발명은 저온 공정이 요구되는 플렉시블 디바이스에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명은 가교반응 조건 및 가교제의 양 조절에 따라 반도체 성질, 전자전도도 혹은 정공전도도를 조절할 수 있기 때문에, 유기물 반도체를 기반으로 하는 유/무기 태양전지, 기타 응용 분야(예, FET, OLED)에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면을 나타낸 도면,
도 2는 반도체형 가교제의 분자 구조를 나타낸 도면,
도 3은 실시예와 비교예의 측정 방향에 따른 광전류 밀도 및 전압 곡선을 나타낸 도면,
도 4는 실시예와 비교예의 시간에 따른 전력 생성을 나타낸 도면,
도 5는 실시예와 비교예의 시간에 따른 흡광도 변화를 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 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.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면을 나타낸 도면이고, 도 2는 반도체형 가교제의 분자 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 페로브스카이트 태양전지(100)는 기판(110), 투명전극층(120), 정공수송층(130), 광활성층(140), 전자수송층(150), 금속전극(160)을 포함한다. 즉, 페로브스카이트 태양전지(100)는 하부층부터 기판(110), 투명전극층(120), 정공수송층(130), 광활성층(140), 전자수송층(150), 금속전극(160)이 적층된다.

이와 같이, 페로브스카이트 태양전지(100)는 정공수송층(130), intrinsic층으로 사용되는 광활성층(140), 전자수송층(150)의 순서로 적층되는 p-i-n 구조를 형성한다.

구체적으로, 기판(110)은 유리(glass) 기판, 플라스틱 기판(PET 기판, PES 기판 등), 실리콘 기판, 플렉시블 기판(Polyimid, PI) 등일 수 있다. 이러한 기판(110)은 후술할 저온 공정에 처리 가능한 가요성 재질일 수 있다.

다음으로, 투명전극층(120)은 기판(110) 상에 투명전극 물질을 얇게 증착시켜 형성한다. 여기서, 투명전극은 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO), 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide, TCO), 은나노와이어(silver nanowier), 탄소나노튜브(Carbon NanoTube, CNT), 그래핀(graphene), 전도성 고분자(conducting polymer) 등이 적용될 수도 있다.

그런데, 투명전극층(120)은 정공수송층(130)을 형성하기에 앞서, 아세톤, 초순수 및 2-프로판올(2-propanol, IPA)의 혼합 용액으로 30분간 세정한 후, 자외선/오존(UV/Ozone)으로 30분간 처리한다.

다음으로, 정공수송층(130)은 투명전극층(120) 상에 니켈 옥사이드(NiOx)를 스퍼터링(sputtering)하여 NiOx 박막을 형성한다.

다음으로, 광활성층(140)은 요오드화메틸암모늄(CH₃NH₃I)과 요오드화납(PbI₂)이 1:1 몰 비율의 35중량%로 N,N-다이메틸폼아마이드(N,N-dimethylformamide, DMF)에 분산된 용액을 이용하여 정공수송층(130)인 NiOx 박막 위에 페로브스카이트층으로 형성한다. 이때, 광활성층(140)은 100℃로 열처리를 진행한다.

다음으로, 전자수송층(150)은 광활성층(140) 상에 반도체형 가교제(crosslinker)와 유기 반도체 물질이 분산된 용액을 코팅한 후, 가교반응을 위한 열처리(또는 자외선처리)를 통해 형성된다.

여기서, 반도체형 가교제는 아지드계(azide group) 작용기와 페릴렌 디이미드 구조(Perylene Diimide, PDI) 작용기로 구성되는 PDI-DA 반도체형 가교제일 수 있다. 이 경우, 아지드계 작용기는 알킬 아지드(alkyl-azide) 또는 아로마 아지드(aromatic-azide)일 수 있다.

이러한 반도체형 가교제의 분자 구조는 도 2와 같이 나타낼 수 있다. 이때, 반도체형 가교제는 n형 유기 반도체 물질을 적용할 경우에 파이 콘쥬게이션(pi conjugation)이 구비된 n형 크로모포어(chromophore)가 포함되며, p형 유기 반도체 물질을 적용할 경우에 파이 콘쥬게이션이 구비된 p형 크로모포어가 포함된다.

그리고, 유기 반도체 물질은 전자수송층 혹은 정공수송층을 형성하기 위해 알킬기를 가진 n형 또는 p형 유기 반도체 물질(n형; 플러렌 유도체 등, p형; P3HT[poly(3-hexylthiophene)] 등)일 수 있다. 여기서는 대표적인 유기 반도체 물질로서, 플러렌 유도체 계열의 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)을 적용하는 경우를 예를 들어 설명하기로 한다.

한편, 전자수송층(150)을 형성하기 위한 용액은, PCBM을 70%, 반도체형 가교제를 30%의 조성 비율로 혼합하여 최종 농도를 3mg/mL로 조정한다. 여기서, PCBM의 양이 늘면 전도도가 증가하고, 반도체형 가교제의 양을 늘리면 가교 반응을 더 잘 일으켜 솔벤트 저항성이 올라간다.

이 경우, 용매(solvent)는 극성 비양자성 유기 용매로서, 예컨대, DMF(N,N-dimethylformamide), DMSO(DiMethyl SulfOxide), 아세톤(Acetone), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 디클로로메탄(Dichloromethane), THF(Tetrahydrofuran), 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로포름(chloroform) 중 어느 하나의 것 또는 둘 이상의 혼합된 것일 수 있다. 용매의 농도는 원하는 두께에 따라 달라질 수 있다.

그리고, 이러한 용액은 광활성층(140) 상에 코팅할 때 다양한 방식 예를 들어, 스핀 코팅, 그라비아 오프셋 코팅, 바 코팅, 슬롯-다이 코팅, 롤 코팅 등을 이용할 수 있다. 여기서는 스핀 코팅을 통해 20㎚ 두께의 박막이 형성된다. 이처럼, 박막은 용액 기반 공정(solution based process)을 통해 제조된다.

그리고, 가교반응을 위한 열처리는 100∼120℃ 온도에서 3∼5분간 진행된다. 이와 같이, 열처리는 저온 공정을 통해 진행되므로, 플렉시블 기판에서도 처리할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 플렉시블 디바이스(flexible device)에 포함된 전원장치에 이용될 수 있다.

아울러, 가교 반응은 아지드 그룹이 PCBM 또는 어떤 다른 형태의 유기물질의 알킬 그룹과 일어난다. PDI-DA 구조는 가교 반응과 무관하다.

다음으로, 금속전극(160)은 전자수송층(150) 상에 은(Ag) 재질로 80㎚의 두께로 형성될 수 있다.

도 3은 실시예와 비교예의 측정 방향에 따른 광전류 밀도 및 전압 곡선을 나타낸 도면이다.

실시예는 도 2의 페로브스카이트 태양전지이다. 비교예는 PCBM을 3mg/mL의 클로로포름(chloroform)에 용해한 용액을 스핀 코팅을 통해 코팅하여 PCBM 박막 즉, 전자수송층을 형성한다. 전자수송층 이외의 다른 층은 도 6에 기재된 방식과 동일하게 형성된다.

그리고, 실시예는 반도체형 가교제가 포함된 PCBM 전자수송체를 사용한 페로브스카이트 태양전지를 나타내고, 비교예는 반도체형 가교제 없이 PCBM만 전자수송체를 사용한 페로브스카이트 태양전지를 나타낸다.

실시예와 비교예에 대한 태양전지 성능 평가는 실리콘 다이오드(si diode)로 캘리브레이션(calibration)된 AM 1.5 조건에서 100 mW/cm² 세기의 빛을 조사할 수 있는 크세논 램프(Xe lamp)를 이용한 솔라 시뮬레이터로 광원을 형성하였다. 또한, 광조사에 따른 소자 내부 광전류 밀도-전압 특성 변화는 키슬리 2400 소스미터(Keithley 2400 source meter)를 이용하여 기록하였다. 아울러, 태양전지의 에너지 변환 효율(Power Conversion Efficiency, PCE)은 아래 수학식 1을 통해 계산하였다.

도 3을 참조하면, 실시예는 비교예 보다 높은 에너지 변환 효율(PCE) 특성으로 더 향상된 소자 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.

특히, 실시예는 전압 밀도-전압 곡선에서 측정 방향에 의존하지 않고 안정된 성능을 나타낸다.

구체적으로, 비교예는 Voc→Jsc 방향으로 측정했을 때, 개방전압(Voc) 0.87V, 단락전류밀도(Jsc) 18.7mA/cm², 곡선인자(FF) 55.6%, 그리고 에너지 변환 효율(PCE) 9.04%를 나타냈으나(도 3에서 '비교예 V→J'로 표시), 반대 방향(즉, Jsc→Voc 방향)으로 측정했을 때, 개방전압 0.85V, 단락전류밀도 16.8mA/cm², 곡선인자 42.6%, 그리고 에너지 변환 효율 6.06%로 급격한 감소를 나타낸다(도 3에서 '비교예 J→V'로 표시).

반면에, 실시예는 측정 방향(즉, Voc→Jsc 방향 또는 Jsc→Voc 방향)과 상관없이, 개방전압 0.97V, 단락전류밀도 17.8mA/cm², 곡선인자 60.5%, 그리고 에너지 변환 효율은 10.4%로 나타나므로, 비교예에 비해 향상된 광전류 밀도 및 전압 곡선 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 실시예는 측정 방향에 따라 에너지 변환 효율이 달리지지 않는 특징을 나타낸다.

도 4는 실시예와 비교예의 시간에 따른 전력 생성을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 비교예는 시간에 따라 생성되는 전력이 감소하는 반면에, 실시예는 시간에 따라 생성되는 전력이 떨어지지 않는 결과를 나타낸다.

이와 같이, 실시예는 시간에 따라 안정적인 전력 생성이 가능하게 되며, 도 2의 광활성층(140)과 전자수송층(150) 사이의 계면이 안정되고 효율적으로 전자를 잘 전달할 수 있도록 설계되었다는 것을 알려준다.

도 5는 실시예와 비교예의 시간에 따른 흡광도 변화를 나타낸 도면이다.

도 5에서 실시예와 비교예는 습도 85%와 온도 30℃의 조건으로 시간에 따라 자외선 가시광선 분광법(UV-vis absorption)을 통한 흡광도 변화를 측정하였다.

도 5를 참조하면, 실시예는 비교예에 비해 시간에 따라 흡광도가 더 오랜시간 유지되는 것을 확인할 수 있다. 시간에 따른 흡광도가 변하는 특성은 습기로 인해 페로브스카이트가 변색되기 때문에 나타난다.

그런데, 실시예는 비교예에 비해 페로브스카이트층인 광활성층(140)이 변색되지 않도록 안정성을 향상시켜준다. 이는 소수성이 높은 반도체형 가교제가 페로브스카이트의 습도에 대한 안정성을 증가시켜 주는 것을 의미한다. 이처럼, 반도체형 가교제는 페로브스카이트의 습도 불안정성을 개선시켜줄 수 있다.

비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.

110 : 기판 120 : 투명전극층
130 : 정공수송층 140 : 광활성층
150 : 전자수송층 160 : 금속전극

Claims

기판(110)상에, 투명전극층(120), 정공수송층(130), 광활성층(140) 및 전자수송층(150)의 순서로 적층되는 p-i-n 구조를 형성하되,
상기 전자수송층은,
상기 광활성층 상에 반도체형 가교제와 유기 반도체 물질이 분산된 용액을 코팅한 후 가교 반응을 통해 형성되고,
상기 반도체형 가교제는 아지드계(azide group) 작용기와 페릴렌 디이미드(Perylene Diimide, PDI) 작용기로 구성되며,
상기 아지드계 작용기는 알킬 아지드(alkyl-azide) 또는 아로마 아지드(aromatic-azide)이고,
상기 유기 반도체 물질은 플러렌 유도체 계열의 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이며,
상기 반도체형 가교제는, 상기 유기 반도체 물질이 n형일 경우에 파이 콘쥬게이션(pi conjugation)이 구비된 n형 크로모포어(chromophore)가 포함되고, 상기 유기 반도체 물질이 p형일 경우에 파이 콘쥬게이션이 구비된 p형 크로모포어가 포함되며,
상기 광활성층(140) 상에 코팅된 용액의 상기 가교 반응은 아지드 그룹이 PCBM 또는 유기물질의 알킬 그룹과 열처리 또는 자외선 처리를 통해 이루어지고,
상기 기판(110)은 저온공정에서 처리 가능한 가요성 재질인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
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제 1 항에 있어서,
상기 용액은,
상기 PCBM이 70%, 상기 반도체형 가교제가 30% 조성 비율로 혼합되는 것인 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 용액의 용매는,
DMF(N,N-dimethylformamide), DMSO(DiMethyl SulfOxide), 아세톤(Acetone), 아세토나이트릴(Acetonitrile),디클로로메탄(Dichloromethane), THF(Tetrahydrofuran), 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로포름(chloroform) 중 어느 하나의 것 또는 둘 이상의 혼합된 것인 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 가교 반응은, 열처리 또는 자외선 처리로 이루어지고,
열처리인 경우에 100∼120℃ 온도에서 3∼5분간 진행되는 것인 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 정공수송층은,
니켈 옥사이드(NiOx)를 스퍼터링(sputtering)하여 NiOx 박막으로 형성되는 것인 페로브스카이트 태양전지.
제 8 항에 있어서,
상기 정공수송층은,
상기 기판(110)에 투명전극 물질을 증착시켜 형성된 상기 투명전극층(120) 상에 형성되는 것인 페로브스카이트 태양전지.
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제 1 항에 있어서,
상기 전자수송층 상에 은(Ag) 재질로 형성된 금속전극(160);
을 더 포함하는 페로브스카이트 태양전지.
기판(110)상에, 투명전극층(120), 정공수송층(130), 광활성층(140) 및 전자수송층(150)의 순서로 적층되는 p-i-n 구조를 형성하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서,
상기 광활성층 상에 상기 전자수송층을 형성하는 단계;를 포함하되,
상기 전자수송층을 형성하는 단계는,
상기 광활성층 상에 반도체형 가교제와 유기 반도체 물질이 분산된 용액을 코팅하는 단계; 및
코팅된 상기 용액의 가교 반응을 위한 열처리 또는 자외선 처리를 수행하는 단계;를 포함하고,
상기 반도체형 가교제는 아지드계(azide group) 작용기와 페릴렌 디이미드(Perylene Diimide, PDI) 작용기로 구성되며,
상기 아지드계 작용기는 알킬 아지드(alkyl-azide) 또는 아로마 아지드(aromatic-azide)이고,
상기 유기 반도체 물질은 플러렌 유도체 계열의 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이며,
상기 반도체형 가교제는, 상기 유기 반도체 물질이 n형일 경우에 파이 콘쥬게이션(pi conjugation)이 구비된 n형 크로모포어(chromophore)가 포함되고, 상기 유기 반도체 물질이 p형일 경우에 파이 콘쥬게이션이 구비된 p형 크로모포어가 포함되며,
상기 광활성층(140) 상에 코팅된 용액의 상기 가교 반응은 아지드 그룹이 PCBM 또는 유기물질의 알킬 그룹과 열처리 또는 자외선 처리를 통해 이루어지고,
상기 기판(110)은 저온공정에서 처리 가능한 가요성 재질인 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
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제 12 항에 있어서,
상기 용액은,
상기 PCBM이 70%, 상기 반도체형 가교제가 30% 조성 비율로 혼합되는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
제 12 항에 있어서,
상기 용액의 용매는,
DMF(N,N-dimethylformamide), DMSO(DiMethyl SulfOxide), 아세톤(Acetone), 아세토나이트릴(Acetonitrile),디클로로메탄(Dichloromethane), THF(Tetrahydrofuran), 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로포름(chloroform) 중 어느 하나의 것 또는 둘 이상의 혼합된 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
제 12 항에 있어서,
상기 열처리를 수행하는 단계는,
100∼120℃ 온도에서 3∼5분간 진행되는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
제 12 항에 있어서,
상기 전자수송층을 형성하는 단계 이전에, 기판에 투명전극 물질을 증착시켜 형성된 투명전극층 상에 니켈 옥사이드(NiOx)를 스퍼터링(sputtering)하여 NiOx 박막으로 상기 정공수송층을 형성하는 단계;
를 더 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
제 19 항에 있어서,
상기 정공수송층을 형성한 후, 요오드화메틸암모늄(CH₃NH₃I)과 요오드화납(PbI₂)이 1:1 몰 비율의 35중량%로 N,N-다이메틸폼아마이드(N,N-dimethylformamide, DMF)에 분산된 용액을 이용하여 상기 정공수송층 상에 페로브스카이트층으로 광활성층을 형성하는 단계;
를 더 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
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