KR20230107106A - 광충전 에너지 저장장치 - Google Patents

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KR20230107106A
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유지영
조성진
한주연
이준영
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 광충전 에너지 저장장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 태양전지와 수퍼커페시터의 결합에 의해 자가충전이 가능하도록 하여 IoTs 센서의 동력원으로 이용되는 광충전 에너지 저장장치를 제공하는 데 있다.
그에 따른 본 발명의 광충전 에너지 저장장치는 태양전지부; 상기 태양전지부에 전기적으로 연결되고, 상기 태양전지부에 결합되는 전도성연결부; 및, 상기 전도성연결부에 결합되며, 상기 전도성연결부를 통해 상기 태양전지부와 전기적으로 연결되어 충전되는 수퍼커페시터부; 를 포함한다.

Description

광충전 에너지 저장장치{PHOTO-CHARGING STORAGE DEVICE}
본 발명은 광충전 에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페로브스카이트 태양전지와 수퍼커패시터를 일체형으로 연결하여 고전압 충전이 가능하도록 한 광충전 에너지 저장장치에 관한 것이다.
4차 산업혁명의 발달로 일상생활에서 흔히 보고 사용하는 사물 대부분이 인터넷으로 연결되어 서로 정보를 주고받는 사물인터넷 (Internet of Things, IoTs) 시대가 열렸다. 끊임없이 정보를 전달/수신받기 위해서는 사물인터넷의 통신 센서는 최소한의 혹은 유지보수 없이 일정하게 전력을 공급받아야 한다.
발전-송전-배전을 통해 전달되는 전통적인 전력의 경우, 케이블을 통해 안정적으로 전력 공급이 가능하나 고정된 위치에서 벗어날 수 없다는 단점이 있다.
반면, 현재 많이 사용되고 있는 배터리의 경우에는 무선 전력 공급이 가능하지만, 배터리는 단순히 저장기능만을 가진 소자로 주기적인 배터리 충전 및 교체가 필요하다.
따라서 지속적으로 성장하고 있는 IoTs 시장에 맞추어 적절한 무선 센서의 필요성이 대두되고 있다. 전자기기의 주변 환경에서 수확한 분산 에너지로 IoT 네트워크의 각 센서에 직접 공급하는 것은 대안으로 여겨진다.
하지만, 태양광, 풍력, 지열 등 신재생 에너지는 간헐적이며, 시간, 날씨, 위치 등 외부적인 환경에 영향을 많이 받는다. 따라서 에너지 저장장치의 주기적인 재충전 문제와 에너지 생산장치의 간헐적인 전력 생산 문제를 해결하기 위해, 에너지 생산소자 에너지 저장소자를 결합하여 사용하고 있다. 현재는 에너지 저장소자와 생산소자를 개별적으로 제작하여 외부 전선을 통해 연결한 형태로 이용되고 있다. 이러한 형태의 대표적인 조합은 태양광 발전소와 리튬 이온전지를 이용한 저장시스템(Energy Storage System, ESS)으로, 태양광 패널과 리튬 이온전지를 외부 전선을 통해 연결하여 제작되고 있다.
이처럼 외부회로를 통해 두 소자를 연결할 경우, 전선으로 인한 에너지 손실이 발생하며 시스템의 설계 및 제작 과정이 복잡해지고, 소형화에 어려움이 있다는 문제가 있다. 이러한 한계점들을 보완하기 위해, 소형화 및 경량화가 가능하고 효율이 높은 전력원을 제작하기 위해 에너지 수집 및 저장 기능을 하나의 장치에 통합하는 개념이 보고되었다.
이와 같은 일체형 소자는 에너지 생산소자와 에너지저장소자가 하나의 전극을 공유한 형태로 제작된다. 기존의 외부전선으로 두 소자가 연결되었을 때와 달리 일체형 소자의 경우 에너지 생산소자에서 형성된 전하들이 공용전극을 통해 곧바로 에너지 저장소자로 전달되기 때문에, 빠른 충전 및 우수한 효율을 보여준다.
하지만, 이와 같은 시스템 개발에 대한 연구는 아직 초기 단계이기 때문에, 일체형 장치의 연구 개념은 실제 전자기기의 작동 전압 및 작동 환경을 고려하지 않고 단순히 두 장치를 부착하는 것에 그쳐 있다.
이러한 이유로 우수한 효율을 보이며, 장시간 수명 안정성 확보 및 높은 작동 전압을 보이는 일체형 소자에 대한 제안이 필요한 실정이며, 이러한 실정에 비추어 볼때, 태양전지는 비교적 쉬운 공정 과정 및 저렴한 가격, 태양에너지의 풍부함과 같은 요소를 포함하고 있어 에너지생산소자로서 가장 매력적인 후보이다.
하지만, 실리콘 태양전지, 유기태양전지, 염료감응형 태양전지 및, 페로브스카이트 태양전지(PSC)와 같은 전지들의 단일 셀의 문턱 전압은 1 V 이하로, 3.5V 이상에서 동작하는 리튬이온 전지의 작동 전위 구간에 미치지 못하는 문제점이 있다.
이러한 문제점의 해결을 위하여 태양전지를 다수개 직렬로 연결하거나 혹은 부스트 컨버터(boost converter)의 추가 도입을 통해 전압을 승압시켜야한다는 문제점이 있다.
특히, 부스트 컨버터의 도입은 공간적 여유가 있는 대형 에너지 생산및 저장 시스템에는 크게 문제가 되지 않으나 소형 전자기기의 전력원으로서는 적용하기 어려움이 있다.
이에 반해, 전기 이중충 기반 수퍼커패시터의 경우 물리적 흡착을 통해 에너지를 저장하므로, 작동 전위구간이 존재하지 않는다. 또한, 외부 전기장 변화에 따른 수퍼커패시터의 빠른 응답특성은 태양전지에서 생산된 에너지를 효율적으로 저장할 수 있으므로, 태양전지와 수퍼커패시터가 합쳐진 형태를 구성해 볼 수 있다.
하지만, 단순히 태양전지와 수퍼커패시터를 합친 일체형 소자의 경우에는 낮은 작동 전압과 태양전지의 수분 민감성 때문에, 실제 IoTs 센서 전원의 동력원으로써는 부적절하여 이를 해결하기 위한 기술적 해결수단이 필요하다.
대한민국 공개특허 10-2022-006403(2022.01.17 공개)
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는 태양전지와 수퍼커페시터의 결합에 의해 자가충전이 가능하도록 하여 IoTs 센서의 동력원으로 이용되는 광충전 에너지 저장장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는 다수 개가 직결된 연결된 태양전지와 수퍼커페시터를 결합하여 자가충전시에 고전압을 형성하는 광충전 에너지 저장장치를 제공하는 데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 광충전 에너지 저장장치는 태양전지부; 상기 태양전지부에 전기적으로 연결되고, 상기 태양전지부에 결합되는 전도성연결부; 및, 상기 전도성연결부에 결합되며, 상기 전도성연결부를 통해 상기 태양전지부와 전기적으로 연결되어 충전되는 수퍼커페시터부; 를 포함한다.
이 경우, 상기 태양전지부는 주석 산화화물 유리로 구성되는 전도성산화물층; 상기 전도성산화물층에 소결되어 안착되는 전자수송층층; 상기 전자소송층에 결합되는 페로브스카이트층; 상기 페로브스카이트층에 흡착되는 정공수송층; 및, 상기 정공수송층에 증착되는 은층; 을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 전자수송층은 c-TiO2층과 M-TiO2층을 포함하여 형성된다.
또한, 상기 페로브스카이트층은 PbI2(TCI, Japan), MAI, 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)를 혼합되어 형성되는 활성층 용역을 상기 전자수송층층에 스핀 코팅한 후, 어닐링 하여 형성된다.
또한, 상기 정공수송층은 spiro-OMeTAD(Jilin, China), bis(trifluoromthane)sulfonimide 리튬 용액, 4-tert-butylpyridine, chlorobenzene을 혼합하여 상기 페로브스카이트층에 스핀 코팅되어 구성된다.
또한, 상기 은층은 상기 정공수송층에 증착되며, 열 증발을 통해 상기 정공수송층에 증착된다.
또한, 상기 전도성연결부는 실버페이스트로 구성되고, 상기 폐로브스카이트 태양전지부와 수퍼커페시터부의 사이에 결합시 열경화되어 상기 폐로브스카이트 태양전지부와 수퍼커페시터부를 결합시키게 된다.
한편, 상기 수퍼커페시터부는 상기 전도성연결부에 의해 태양전지부와 전기적으로 연결되는 제1전극층; 상기 제1전극측과 결합되고 이오노겔 전해질로 구성되는 전해질층; 및, 상기 전해질층과 연결되며 상기 전해질층을 통해 상기 제1전극층과 충방전 가능한 상태로 형성되는 제2전극층; 을 포함하여 구성된다.
이 경우, 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층은 카본블랙(super P, TIMCAL) 및, 폴리불화비닐리덴(PVdF, HSV900, Kynar)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 전해질층은 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 올리고머, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(EMITFSI) 및 2-히드록시-2-메틸프로피오페논(HMPP)을 포함하는 이오노겔 전해질로 구성된다.
또한, 상기 태양전지부는 다수 개가 직렬로 연결되어 상기 수퍼커페시터부를 고전압을 자가충전시키게 된다.
본 발명은 태양전지와 수퍼커페시터의 결합에 의해 자가충전이 가능하도록 하여 IoTs 센서의 동력원으로 이용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 태양전지와 수퍼커페시터를 결합하여 자가충전시에 3V이상의 충전 전압을 형성하여 IoTs 센서의 동력원으로 이용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광충전 에너지 저장장치의 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 단면을 전자현미경으로 촬영한 상태의 사진.
도 3은 직렬로 연결되는 4개의 광충전 에너지 저장장치에 대한 구성도.
도 4(a)는 전자현미경으로 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 단면을 촬영한 단면 사진.
도 4(b)는 6.25㎟ 및 25.00㎟크기의 페로브스카이트 태양전지부(PSC)에 100mW/㎠ 조명을 가한 상태의 전류 밀도-전압(J-V) 곡선.
도 4(c)는 직렬연결된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)와 단일 페로브스카이트 태양전지부(PSC)에 100mW/㎠ 조명을 가한 상태의 전류-전압(I-V) 곡선.
도 4(d)는 페로브스카이트 태양전지부(PSC)에 100mW/㎠ 조명을 가한 상태의 전류 밀도-전압(J-V) 곡선.
도 5(a)는 m-TiO2 기판의 페로브스카이트층(MAPbI3)에 대한 X선 회절 패턴 그래프.
도 5(b)는 페로브스카이트층(MAPbI3)의 흡광도 스펙트럼 그래프.
도 5(c)는 단일 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 IPCE 스펙트럼 및 통합 전류 밀도 그래프.
도 6(a)는 중합된 PUA(검정색)와 EMITFSI의 양이온 및 음이온(빨강 및 파랑)을 나타내는 이오노겔(ionogel)의 개략도.
도 6(b)는 10mV s-1의 스캔 속도를 갖는 이오노겔(ionogel)의 LSV 프로파일.
도 7(a)는 수퍼커페시터부(SC)의 나이퀴스트 플롯이고, 도 7(b)는 C', C'' 및 수퍼커페시터부(SC)의 위상각.
도 7(c)는 전류 밀도가 다른 수퍼커페시터부(SC)의 순환 전압전류도.
도 7(d)는 수퍼커페시터부(SC)의 특정 커패시턴스.
도 7(e)는 수퍼커페시터부(SC)의 라곤 플롯.
도 7(f)는 5000 사이클에 대한 수퍼커페시터부(SC)의 사이클링 특성.
도 8은 전류 밀도과 다른 수퍼커페시터부(SC)의 GCD 프로파일.
도 9(a)는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)가 와이어에 의해 연결된 구성도.
도 9(b)는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)가 전도성연결부(EC)에 의해 결합된 구성도.
도 9(c)는 도 9(a)에 대한 충전 성능 그래프.
도 9(d)는 도 9(b)에 대한 충전 성능 그래프.
도 10은 AC 전극의 밴드 구조에 대한 그래프.
도 11은 수퍼커페시터부(SC)가 1A g-1의 전류 밀도에서 0.9V로 완전히 충전되었고 2시간 동안 0.9V로 유지되는 것을 나타내는 수퍼커페시터부(SC)의 자가 방전 프로파일 그래프.
도 12(a) 내지 도 12(b)는 어두운 조건에서 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)와 등가 회로로서 경계면에 대한 구동을 나타내는 그래프.
도 13(a)는 AM 1.5G 조명에서 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 광충전 및 다른 정전류 방전 프로파일.
도 13(b)는 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 전체 효율성에 대한 프로파일.
도 13(c)는 직렬 셀의 수에 따른 광충전 및 정전류 방전 프로파일.
도 13(d)는 0.1 태양 조도에서 광충전 및 다른 정전류 방전 프로파일.
도 14(a)는 AM 1.5G 조명에서 방전 전류 밀도가 다른 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 특정 커패시턴스의 그래프.
도 14(b)는 AM 1.5G 조명에서 방전 전류 밀도가 다른 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 저장 효율에 대한 그래프.
도 15는 본 실시예의 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)에 대한 라곤 플롯.
도 16(a)는 1개의 광충전 에너지 저장장치에 대한 광충전 및 정전류 방전 프로파일.
도 16(b)는 2개의 광충전 에너지 저장장치에 대한 광충전 및 정전류 방전 프로파일.
도 16(c)는 3개의 광충전 에너지 저장장치에 대한 광충전 및 정전류 방전 프로파일.
도 16(d)는 4개의 광충전 에너지 저장장치에 대한 광충전 및 정전류 방전 프로파일.
도 17은 1mA cm-2 방전 시 직렬 셀 수에 따른 전체 효율에 대한 그래프.
도 18(a)는 0.1 태양 조도에서 방전 전류 밀도가 다른 4-PCSD의 성능 가운데 특정 커패시턴스에 대한 그래프.
18(b)는 저장 효율성에 대한 그래프이며, 18(c)는 전반적인 효율성에 관한 그래프.
도 19(a)는 100사이클에 대한 4-PCSD의 정규화된 전체 효율과 초기 상태 및 100사이클 이후의 전압 프로파일.
도 19(b)는 주변 조건에서 4-PCSD의 장기 안정성 테스트를 위한 주간 충전 시간과 당일 및 8주 후의 전압 프로파일에 대한 프로파일.
도 19(c)는 실내 조명에서 4-PCSD의 사이클 성능에 대한 그래프이고, 19(d) 3V에서 작동하는 LED 사진.
도 20은 100싸이클 동안 20mA cm-2의 광충전 및 정전류 방전의 전압 프로파일.
도 21은 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 비에너지 밀도 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 실시예를 설명하기로 하며, 이 경우, 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제어하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미하는 것으로 간주한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부" 등의 용어는 전자 하드웨어 또는 전자 소프트웨어에 대한 설명시 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하고, 기계장치에 대한 설명시 하나의 부품, 기능, 용도, 지점 또는 구동요소를 의미하는 것으로 간주한다. 또한, 이하에서는 동일한 구성 또는 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하여 설명하기로 하며, 동일한 구성 요소의 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광충전 에너지 저장장치의 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 단면을 전자현미경으로 촬영한 상태의 사진이다. 도 3은 4개의 광충전 에너지 저장장치가 직렬로 연결된 상태의 구성도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광충전 에너지 저장장치(PSCD)는 페로브스카이트 태양전지부(PSC)와 전도성연결부(EC) 및 수퍼커페시터부(SC)를 포함한다.
페로브스카이트 태양전지부(PSC)는 전도성산화물층(FTO), 전자수송층(ETL), 페로브스카이트층(MAPbI3), 정공수송층(HTL) 및, 은층(Ag)을 포함한다.
전도성산화물층(FTO)은 주석 산화물 유리로 구성되며, 전자수송층(ETL)층이 소결되어 안착되도록 하여 투명전극을 구성하게 된다.
전자수송층(ETL)은 페로브스카이트층(MAPbI3)이 흡착되어 결합된다. 이와 같은 전자수송층(ETL)은 페로브스카이트 흡수층과 전극 물질 사이에 단계적 에너지 정렬을 형성하여 전극으로의 전자 수송을 위한 포텐셜 에너지 장벽을 감소시키고 정공 수송을 차단하게 된다. 본 실시예의 경우, 전자수송층은 이산화 타이타늄(TiO2)을 구성되며, c-TiO2층과 M-TiO2층을 포함하여 형성된다. 이 경우, 전자수송층(ETL)은 매우 조밀한 이산화 타이타늄층을 제조하기 위해 1-부탄올과 혼합된 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)를 불소 도핑된 주석 산화물(FTO) 기판(Pilkington, Japan)인 전도성산화물층에 스핀 코팅한 후 125°C에서 5분 동안 건조시켜 제조된다. 또한, 메조포러스-TiO2 층을 제조하기 위해 TiO2 나노입자 페이스트(GreatCell Solar Limited, AUS)를 에탄올에 혼합하고, 스핀 코팅한 후, 500°C에서 1시간 동안 소결시켜 형성하게 된다. 이 경우, 기판을 90°C에서 15분 동안 20mM TiCl4 용액에 담그고 500°C에서 1시간 동안 건조하기 전에 탈이온수(DI) 및 에탄올로 세척하게 된다.
페로브스카이트층(MAPbI3)은 광을 받아 전자와 전공이 생성되도록 하는 구성으로, 제조방법은 먼저, 활성층 용액을 제조한 후, 활성층 용액을 전자수송층(ETL)층에 스핀 코팅한 후, 어닐링하여 형성된다. 이 경우, 활성층 용액은 PbI2(TCI, Japan), MAI, 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)를 혼합되어 형성되며, 이와 같은 혼합 용액을 메조포러스-TiO2층에 스핀 코팅한 후 기판을 65℃에서 1분, 100℃에서 10분동안 어닐링하게 된다.
정공수송층(HTL)은 페로브스카이트층(MAPbI3)과 용이하게 흡착되어 광입자의 최대 흡수를 통해 에너지 변환 효율을 증대시키기 위한 역할을 하게 된다. 이 경우, 정공 수송층(HTL)의 제조 방법은 spiro-OMeTAD(Jilin, China), bis(trifluoromthane)sulfonimide 리튬 용액, 4-tert-butylpyridine, chlorobenzene을 혼합하여 페로브스카이트층(MAPbI3)에 스핀 코팅되어 구성된다.
은층(Ag)은 정공수송층(HTL)에 증착되며, 이 경우, 은은 열 증발을 통해 정공수송층(HTL)에 증착된다.
전도성연결부(EC)는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)를 결합하는 구성으로써, 본 실시예의 경우, 전도성연결부(EC)는 실버페이스트로 구성되며, 실버페이스트는 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 상부전극과 동일한 물질로 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 상부전극에서 공통전극으로 홀이 원활하게 이동되도록 하게 된다. 이와 같은 전도성연결부(EC)는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)와 결합시에 70℃의 온도에서 10분여간 열경화 시켜 페로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)를 결합시키게 된다.
수퍼커페시터부(SC)는 제1전극층(AC1), 전해질층(IG) 및, 제2전극층(AC2)을 포함한다.
제1전극층(AC1)은 카본블랙(super P, TIMCAL) 및, 폴리불화비닐리덴(PVdF, HSV900, Kynar)을 포함하여 구성된다. 이 경우, 제1전극층(AC1)은 카본블랙(super P, TIMCAL), 폴리불화비닐리덴(PVdF, HSV900, Kynar)을 질량비 7:2:1로 사용되며, 이들의 혼합시에 N-메틸-2-피롤리돈(NMP, 98%, Thermo Fisher)과 혼합하여 슬러리로 제조되고, 이때 제조된 슬러리는 슬러리를 균질화기(AR-100, Thinky Mixer)를 통해 혼합되며, 이와 같이 혼합된 슬러리를 알루미늄 기판에 도포하여 두께 40㎛, 직경 10mm 및, 직경 10mm의 AC 전극으로 제조하게 된다. 이와 같은 제1전극층(AC1)은 전도성연결부(EC)에 의해 페로브스카이트 태양전지부와 전기적으로 연결된다.
전해질층(IG)은 이오노겔 전해질로 구성되며, 보다 구체적으로, 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 올리고머, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(EMITFSI) 및 2-히드록시-2-메틸프로피오페논(HMPP)을 포함하여 구성된다. 이 경우, 이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(EMITFSI)는 이온 전도성 매질이며, 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 올리고머는 독립 필름용 매트릭스를 제공하게 된다. 이때, 전해질층(IG)은 15wt% 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 올리고머와 85wt% 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 비스(EMITFSI)를 포함하여 구성된다. 이와 같은 구성을 포함하는 전해질에 대한 혼합물은 테프론 코팅된 유리에 50μm 두께로 균일하게 도포한 후, UV 램프(300J)로 60초 동안 경화되어 제조되며, 이때, 전제 제조 공정은 아르곤 가스(Ar)가 채워진 글로브박스에서 수행된다. 또한, 수퍼커패시터부(SC)의 성능 분석을 위한 전고체 수퍼커패시터는 CR2032 코인 셀로 준비되며, 준비된 AC 전극은 전해질의 양면에 부착된다. 이 경우, 수퍼커패시터부의 총 두께는 130μm이며, 모든 과정은 Ar 조건에서 수행된다.
제2전극층(AC2)은 제1전극층(AC1)과 동일한 구성 및 동일한 제조 방법으로 제조되며, 전해질층(IG)에 의해 제1전극층(AC1)과 충방전 가능한 상태로 연결되며 수퍼커페시터부의 형태를 구성하게 된다.
이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 광충전 에너지 저장치의 특성을 테스트한 실험 결과치에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 도 4(a)는 전자현미경으로 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 단면을 촬영한 단면 사진이고, 도 4(b)는 6.25㎟ 및 25.00㎟크기의 페로브스카이트 태양전지부(PSC)에 100mW/㎠ 조명을 가한 상태의 전류 밀도-전압(J-V) 곡선이며, 도 4(c)는 직렬연결된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)와 단일 페로브스카이트 태양전지부(PSC)에 100mW/㎠ 조명을 가한 상태의 전류-전압(I-V) 곡선이며, 도 4(d)는 페로브스카이트 태양전지부(PSC)에 100mW/㎠ 조명을 가한 상태의 전류 밀도-전압(J-V) 곡선이다.
이 경우, 도 4(a)에 도시된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 단면 이미지는 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, S-4800, Hitachi)을 사용하여 촬영되었고, 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 전류밀도-전압(J-V) 특성은 크세논 램프 기반 솔라 시뮬레이터(Oriel 94042 A, Newport)를 사용하여 100 mW cm-2 및 10 mW cm-2 조명 조건에서 측정되었다.
도 4(a)에 도시된 바와 같은 구성으로 제작된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)는 광흡수층에서 광생성된 전자를 추출하여 전극으로 수송하는 전자수송층(electron transport layer, ETL)으로 높은 전자 이동도, 높은 전도성, 우수한 광학적 특성을 가진 조밀하고 메조다공성인 TiO2층이 형성된다. 이때, 전자수송층(ETL)은 정공이 음극으로 이동하는 것을 방지하는 정공 차단층 역할하게 된다. 이와는 반대로, Spiro-OMeTAD는 높은 정공 이동도로 인해 정공수송층(HTL)으로 채택되어 광발생 정공을 추출함으로써 은층(Ag) 전극으로 이동시키는 데 중요한 역할을 하며, 전자가 양극으로 이동하는 것을 방지하는 전자 차단층 역할도 한다. 이와 같이, 다양한 ETL 및 HTL 재료가 개발되었지만 TiO2 및 spiro-OMeTAD는 여전히 고성능 태양 전지에 사용되므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 광충전 에너지 저장장치는 한 개로 구성되는 독립적인 특성을 살펴보았을 때, 광충전 에너지 저장장치에 적합한 특성을 가지고 있다는 것을 도 4(a) 내지 4(d)의 특성치를 통해 확인할 수 있다.
도 5(a)는 m-TiO2 기판의 페로브스카이트층(MAPbI3)에 대한 X선 회절 패턴 그래프이고, 도 5(b)는 페로브스카이트층(MAPbI3)의 흡광도 스펙트럼 그래프이며, 도 5(c)는 단일 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 IPCE 스펙트럼 및 통합 전류 밀도 그래프이다. 표 1은 소형 전극과 대형 전극을 사용한 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 태양광 성능 파라미터이다.
Figure pat00001
페로브스카이트층(MAPbI3)가 형성되는 것을 확인하기 위해 코팅된 페로브스카이트층(MAPbI3)에 대해 X선 회절(XRD)을 수행하게 되면, 도 5(a)와 같이, (110), (220) 및 (310) 결정면에 각각 해당하는 14.17°, 28.56° 및 31.85°에서 피크가 관찰된다. 또한, UV-Vis 흡수 스펙트럼을 사용하여 페로브스카이트층(MAPbI3)의 광 수확 능력을 조사하게 되면, 도 5(b)에서 볼 수 있듯이 400~800 nm에서 페로브스카이트층(MAPbI3) 필름의 흡수는 강력한 광자 수확 능력을 나타내며 일반적인 페로브스카이트층(MAPbI3) 흡광도를 나타내고 이는 페로브스카이트층(MAPbI3)에 대해 보고된 형태와 잘 일치하고 있다. 또한, 도 4(b)는 개구 면적이 6.25mm2인 기준 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 대표적인 전류 밀도-전압(J-V) 곡선을 보여주고 있으며, 기준 페로브스카이트 태양전지부(PSC)는 표 1과 같이 21.84mA cm-2의 단락 전류 밀도(JSC), 0.99V의 Voc, 69.50%의 필 팩터(FF) 및 15.07%의 PCE를 나타내고 있다. 또한, 도 5(c)와 같이 입사광자-전류변환효율(IPCE)을 측정하여 단락 조건에서 추출된 전하의 수를 파장의 함수로 나타내었다. 이 경우, IPCE 곡선은 300~800nm 범위에서 강한 스펙트럼 응답과 350~600nm 사이에서 70% 이상의 넓은 고원을 보여 350~800nm의 전체 범위에서 페로브스카이트 태양전지부(PSC)가 효율적으로 전하 추출 기능을 수행하고 있다는 것을 검증하고 있다.
나아가, 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 충전 전류를 높이면 수퍼커페시터부(SC)의 충전 시간이 줄어드는 것이 입증되었기 때문에, 이를 유용하게 활용할 수 있다. 이와 같은 사항을 활용하기 위하여 먼저 조리개 영역이 25.00㎟인 페로브스카이트 태양전지부(PSC)를 설계, 최적화 및 특성화 하였는데, 구체적으로, 6.25㎟ 페로브스카이트 태양전지부(PSC) 조리개가 고효율에 이상적이나, 25.00㎟ 페로브스카이트 태양전지부(PSC)가 더 큰 광전류를 제공하여 수퍼커페시터부(SC)의 충전 시간을 크게 단축하고 있다는 것을 알 수 있다. 이 경우, 25.00㎟ 페로브스카이트 태양전지부(PSC)는 21.56mA ㎠의 단락 전류 밀도(JSC), 1.02 V의 Voc, 66.33%의 필 팩터(FF), 14.60%의 PCE를 나타내었고, 25.00㎟ 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 성능은 6.25㎟ 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 성능과 비슷했지만 25.00㎟ 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 PCE가 단락 전류 밀도(JSC) 및 필 펙터(FF)의 감소로 인해 약간 떨어졌다. 이와 같은 단락 전류 밀도(JSC) 및 필 팩터(FF)의 감소 이유는 개구 면적이 증가함하면서 캐리어 수송 및 투명 전도성 전극의 직렬 저항이 증가하는 동안 캐리어의 재결합율이 증가하는 데에 그 원인이 있다.
한편, 일반적으로 1V 미만인 개별 태양 전지의 상대적으로 낮은 고유 전압은 광충전 수퍼커페시터부(SC)의 낮은 작동 전압을 초래하며, 이는 소형 전자 장치에 전원을 공급하는 데 필요한 전압 요구 사항을 충족할 수 없다.
그에 따라 광충전 수퍼커패시터(SC)의 성능을 향상시키기 위한 두 번째 전략은 페로브스카이트 태양전지부(PSC)를 직렬로 연결하여 전압을 높이는 것이다. 그에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 4개의 페로브스카이트 태양전지부(PSC)를 각각 25.00㎟의 구경 면적으로 직렬 연결하여 충전 전압을 4배로 높혀 필요한 전압 요구 사항이 충족되는 것을 입증하였다. 그에 따른 전압 그래프를 살펴보면, 도 4(c)에서는 직렬 연결된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 Voc가 4.07V로 단일 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 Voc의 거의 4배임을 나타내고 있다. 또한, 직렬 연결된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 PCE는 14.46%로 단일 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 PCE와 유사한 것을 표 2를 통해 알 수 있다.
Figure pat00002
따라서, 이러한 결과는 직렬 연결 설계에서 개별 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 균질성을 검증하고 있으며, 이와 같은 개별 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 균질성은 전류가 개별 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 가장 낮은 전류에 의해 제한되는 동안에 전압이 개별 페로브스카이트 태양전지부(PSC) 전압의 합으로 작용하기 때문에, 직렬 연결 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 성능에 중점적인 요소로 작용하게 된다.
한편, 실내 조명과 같이 조도가 낮은 조건에서도 페로브스카이트 태양전지부(PSC)를 충전할 수 있는지 확인하기 위하여 태양광 시뮬레이터를 사용하여 0.1 태양의 조도에서 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 성능을 조사하였다.
Figure pat00003
이는 도 4 (d) 및 표 3와 나타난 바와 같이, 낮은 광도에서 PCE가 약간 감소되는 것으로 관찰되었으며 단락 전류 밀도(JSC)는 거듭제곱 법칙 의존성으로 인해 초기 값의 약 9%로 현저히 감소하였다. 이에 반해, 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 p-i-n 구조에서 낮은 수준의 주입 조건에서는 캐리어 수명이 크게 영향을 받지 않기 때문에 낮은 조도에서 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 Voc가 초기 전압의 약 94%에서 변하지 않는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 광충전 수퍼커페시터부(SC)가 낮은 조도 조건에서도 직렬 연결된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)에 의해 높은 동작 전압을 유지할 수 있음을 의미한다.
다른 한편, 도 6을 더 참조하면, 도 6(a)는 중합된 PUA(검정색)와 EMITFSI의 양이온 및 음이온(빨강 및 파랑)을 나타내는 이오노겔(ionogel)의 개략도이고, 도 6(b)는 10mV s-1의 스캔 속도를 갖는 이오노겔(ionogel)의 LSV 프로파일이다.
도 6(a)에 도시된 바와 같은 구조로 이오노겔로 형성되며, 이는 EMITFSI와 중합된 PUA가 물리적으로 결합되어 있음을 보여주고 있다. 이 경우, TFSI의 불소와 산소 원자는 PUA의 요소기와 수소 결합을 형성하였고, 수소 결합으로 인해 이오노겔의 전기화학적 안정성과 기계적 안정성이 향상되었다. 여기서, 셀 구성은 스테인리스 스틸(SS), 이오노겔 및, SS로 구성되며, 이때, 이오노겔(ionogel)은 4.1V까지 안정한 전압을 형성하게 된다. 이러한 넓은 범위의 전기화학적 안정성은 EMITFSI와 PUA 사이에 형성된 수소 결합에 의한 영향으로 형성된다. 한편, 수퍼커페시터부(SC)는 AC 전극과 이오노겔 전해질을 사용하여 대칭형으로 제작되었고, 비 패러데이 전기 이중층(EDL) 커패시턴스 형성은 전극 물질의 비표면적에 영향을 받기 때문에, 넓은 표적적을 확보하면서 비용을 낮추기 위하여 AC를 선택하게 되었다.
도 7(a)는 수퍼커페시터부(SC)의 나이퀴스트 플롯이고, 도 7(b)는 C', C'' 및 수퍼커페시터부(SC)의 위상각이며, 도 7(c)는 전류 밀도가 다른 수퍼커페시터부(SC)의 순환 전압전류도이고, 도 7(d)는 수퍼커페시터부(SC)의 특정 커패시턴스이며, 도 7(e)는 수퍼커페시터부(SC)의 라곤 플롯이고, 도 7(f)는 5000 사이클에 대한 수퍼커페시터부(SC)의 사이클링 특성이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 수퍼커페시터부(SC)의 전기화학적 성능을 확인하기 위하여 EIS, CV, GCD를 수행하였고, 이 경우, 수퍼커페시터부(SC)의 계면 거동은 도 7(a)에 나타나 있다. 여기서, EIS는 주파수에 따른 전극/전해질 계면에서의 전하 이동 및 이온 확산과 관련된 특성을 연구하는 유용한 기술이다. 이 경우, 고주파에서는 이온이 AC 전극에 도달하는 데 시간이 충분하지 않기 때문에 저항성 구성 요소가 우세하게 된다. 이에 반해 교류전극의 이온흡착은 저주파에서 완료되어 용량성 성분이 지배적이다. 또한, 중간 주파수 영역에서는 이온 확산 과정에 따라 저항성 및 용량성 거동이 관찰된다. 또한, 고주파의 반원은 벌크 저항(Rb)과 전하 이동 저항(Rct)을 나타내고 있다. Rb는 전극 저항, 벌크 전해질 저항 및 전극과 집전체 사이의 접촉 저항에 의한 영향을 받게 된다. 이 경우, 다른 저항은 무시할 수 있으므로 Rb는 벌크 전해질 저항에 의해 결정된다. 따라서, Rb는 전해질 전도도, 재료 특성 및 전해질 두께에 따라 달라지게 된다. 여기서, Rct는 AC 전극과 전해질 사이의 계면 저항이고, 이 경우, Rct는 전자 저항과 이온 저항으로 나뉘게 된다. 전자 저항은 전극 물질의 고유 전자 전도도와 활성층과 집전체 사이의 접촉 저항을 포함하게 된다. 또한, 이온 저항은 AC 전극의 이온 이동도에 해당합니다. 따라서, Rct는 전해질 전도도, 전극 다공성 및 활성층 두께와 관련성이 있다. 이 경우, Rb와 Rct￢는 각각 3.672와 9.864이다. 이러한 저항값은 높은 EMITFSI 함량과 130μm의 비교적 얇은 총 두께가 원인으로 작용해 낮게 형성되었다. 또한, EMITFSI는 이온 전도체이기 때문에 EMITFSI 함량이 증가하면 이온 전도도가 증가하여 셀 저항이 감소하게 된다. 또한, 낮은 주파수에서는 수직선이 관찰되며 이는 AC 전극의 이온 흡착이 완료되었음을 의미한다. 따라서, AC 전극은 용량성 구동을 보여주는 이상적인 분극성 AC 인터페이스로 구동하게 된다.
한편, 이온 확산은 도 7(b)와 같이 수퍼커페시터부(SC)의 이완 시간 상수(τ)에 의해 확인되었다. 이 경우, 이완 시간 상수(τ)는 수퍼커페시터부(SC)가 충전할 수 있는 속도를 나타내며 EIS를 통해 얻게 된다.
다음 식 1의 방정식 시퀀스는 수퍼커페시터부(SC)의 주파수 종속 임피던스 동작에서 이완 시간 상수(τ)에 대한 공식의 유도를 보여주고 있다.
Figure pat00004
여기서, C'(ω) 및 C"(ω)는 각각 C(ω)의 실수부와 허수부이고 ω는 ω = 2πf로 정의된 각 주파수이며, 이 경우, 임피던스 Z(ω)는 다음의 식 (2)와 같다.
Figure pat00005
이 경우, 식 (2)의 C(ω)는 다음의 식(3)과 같이 풀어쓸 수 있다.
Figure pat00006
식 (3)에서의 C'(ω) 및 "(ω)는 각각 C(ω)의 실수부와 허수부이고 Z'(ω) 및 Z"(ω)는 Z( ω), 각각. C'(ω)는 순환 전압전류도 및 GCD 프로파일을 통해 얻은 정전용량 값이고, C"(ω)는 전하 저장 과정에서 에너지 손실과 관련이 있다.
마지막으로, τ는 식 (4)에서 보는 바와 같이, 특성 주파수(f0)의 역수로 표현된다.
Figure pat00007
여기서, f0는 최대 C"(ω)에서의 주파수이며, τ는 각각 1/f0 위 및 아래의 주파수에서 지배적인 저항성 및 용량성 동작을 나타내고 있다. 즉, τ가 작을수록 유용한 비율이 더 높아지게 된다. 이는 전고체 수퍼커페시터부(SC)에도 불구하고 1.78s의 우수한 τ가 도출되었고, 이는 빠른 이온 확산을 뒷받침하는 값에 해당한다. 여기서, 이상적인 커패시터는 보드 플롯에서 위상각이 -90°를 나타내는데, 위상각이 -90°에 가까워질수록 소자는 커패시터처럼 행동하게 되며, 제안된 수퍼커페시터부(SC)의 위상각은 도 7(b)와 같이 -88.3°로 우수한 정전용량 응답을 보이고 있다.
CV는 도 7(c)에 표시된 것처럼 다른 스캔 속도로 수행되었다. 이 경우, 순환 전압전류도의 직사각형 모양은 제안된 수퍼커페시트(SC)가 전극/전해질 계면에서 이온 정렬로 나타나는 EDL을 통해 전하를 저장한다는 것을 보여주고 있다. 또한, 직사각형 모양은 50mV s-1의 높은 스캔 속도에서 유지되어 SC의 현저한 이온 확산으로 인해 빠른 EDL 형성을 의미한다.
여기서, 도 8을 더 참조하면, 도 8은 전류 밀도과 다른 수퍼커페시터부(SC)의 GCD 프로파일이다.
도 8에 도시된 바와 같이, GCD는 다른 전류 밀도에서 수행되어 프로파일로 도출되었고, 이 경우, 비 커패시턴스는 식 (5)을 통해 GCD 프로파일로 계산된다.
Figure pat00008
여기서, I는 인가된 전류, m은 두 전극의 활성 질량, ΔV는 방전 전압, Δt는 방전 시간이다. 도 7(d)와 같이 전류밀도가 증가함에 따라 비정전용량은 감소하게 된다. 이러한 경향은 벌크에서 전극/전해질 계면으로의 이온 확산과 관련이 있다. 또한, 도 7(d)에서 보는 바와 같이 0.1A g-1에서의 비정전용량은 7.15F g-1, 1A g-1에서의 비정전용량은 6.67F g-1로 낮은 비정전용량 감소를 보였고, 이는 높은 이온 전도도에 의해 이온이 빠르게 확산되는 것에 그 원인이 있다.
또한, 수퍼커페시터부(SC)의 라곤 플롯이 도 7(e)에 표시되고, 여기서, 표 4를 더 참조하면, 도 4는 수퍼커페시터부(SC)의 비에너지 밀도 및 비전력 밀도로서, 라곤 플로의 정확한 수치를 표로 보여주고 있다.
Figure pat00009
여기서, 라곳 플롯은 결합된 비에너지 및 전력 밀도를 보는 데 유용한 도구이며, 비에너지 밀도와 전력 밀도는 GCD 프로파일에서 계산되며, 이 경우, 비에너지 밀도(E)와 전력 밀도(P)는 다음의 식 (7)과 같이 표현된다.
Figure pat00010
Figure pat00011
여기서 i는 인가 전류 밀도이고, t0 및 tf는 각각 초기 및 최종 방전 시간이다. 이 경우, 수퍼커페시터부(SC)는 0.1A g-1에서 비출력 밀도가 1479.47W kg-1인 최대 비에너지 밀도(42.74W·h·kg-1)를 나타낸다.
사이클 안정성은 도 7(f)와 같이 5000 사이클 동안 1A g-1에서 GCD를 사용하여 평가된다. 전극/전해질 접착력의 향상으로 인해 초기 사이클 동안 약간의 성능 향상이 관찰되었다가 사이클이 반복될수록 수퍼커페시터부(SC)의 열화로 인해 수퍼커페시터부(SC)의 성능이 점차 감소하게 된다. 이 경우, 5000 사이클 후에 수퍼커페시터부(SC)는 특정 정전용량의 85%가 유지되었다. 이와 같은 결과는 PUA의 -NH 그룹과 TFSI 음이온 사이의 수소 결합으로 인한 기계적 안정성이 향상되었기 때문이다.
도 9(a)는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)가 와이어에 의해 연결된 구성도이고, 도 9(b)는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)가 전도성연결부(EC)에 의해 결합된 구성도이며, 도 9(c)는 도 9(a)에 대한 충전 성능 그래프이고, 도 9(d)는 도 9(b)에 대한 충전 성능 그래프이다.
도 9(a)에서는 페로브스카이트층(MAPbI3)에서 생성된 전하가 외부 와이어를 통해 수퍼커페시터(SC)로 전달되는 것을 보여주고 있다. 대조적으로, 그림 9(b)와 같이 페로브스카이트층(MAPbI3)에 생성된 정공은 공통 전극인 HTL층과 전도성연결부(EC)인 은 페이스트를 통해 AC 전극인 제1전극층(AC1)에 도달하고 여기된 전자는 FTO 전극에 연결된 다른 AC 전극인 제2전극층(AC2)으로 전달된다. 두 가지 전달 경로의 경우 모두에서 양/음으로 대전된 AC 전극은 각각 음이온/양이온을 끌어당겨 에너지를 저장하게 된다. 이때, 공통 전극은 전류 손실을 줄여 전하 이동을 용이하게 하고 보다 컴팩트한 광충전 에너지 소자(PCSD)를 제작하는 데 도움이 된다. 이 경우, 강한 접착력, 높은 전기 전도성, 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)에 대한 화학적/기계적 손상 부족으로 인해 은 페이스트를 공통 전극으로 선택된다. 특히, 전도성연결부(EC)인 실버페이스트는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)의 상부전극과 동일한 은 물질로 구성됨으로써, 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)의 상부전극에서 공통전극으로 홀이 원활하게 이동되도록 하게 된다.
한편, 공통 전극에서 수퍼커페시터부(SC)로의 전하 이동이 자유롭게 일어날 수 있는지 확인하기 위해 제1전극층(AC1)과 제2전극층(AC2)에 대한 AC 밴드 구조의 밀도 기능 이론(DFT) 계산을 수행하였다.
그에 따라, 도 10을 더 참조하면, 도 10은 AC 전극의 밴드 구조에 대한 그래프로써, DFT에서 교환 상관 함수로 Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)의 일반화된 기울기 근사(GGA)를 사용하여 Vienna Ab initio Simulation Package(VASP) 6을 통해 계산 프로그램을 사용하여 계산된 그래프값이다. 이 경우, AC 표면은 단층 그래핀 구조로 모델링되었고, 슈퍼셀 그리드의 k-포인트는 4 × 4 × 1로 샘플링되었으며, 슈퍼셀의 크기는 7.403 × 10.113 × 8.685로 설정되었다. 또한, 운동 컷오프 에너지는 평면파에서 520 Ry였으며, 에너지 및 힘에 대한 수렴 기준은 각각 10-7 Ry 및 10-5 Ry Bohr-1로 설정되었다.
이 경우, DFT 계산에 따르면 가전자대는 도 10에서와 같이 AC 전극의 전도대와 중첩되어 금속성을 나타내고 있다. 이 경우, 서로 다른 전도성 물질 사이의 전하 이동이 자유롭게 일어나기 때문에 전도성연결부(EC)인 은 페이스트에서 AC 전극으로의 정공 이동이 용이하게 된다. 따라서 페로브스카이트층(MAPbI3)에 생성된 정공은 HTL과 공통 전극을 통해 AC 전극에 쉽게 도달할 수 있게 된다.
광충전 에너지 저장장치(PCSD)의 출력단자는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)의 FTO 전극, 공통 전극 및 AC 전극의 세 단자로 구성된다. 이 경우, 전류는 전자가 이동할 수 있는 닫힌 경로가 있을 때만 흐를 수 있다. 따라서 광충전을 위해 AC 전극과 FTO 전극이 결합되며, 이때, 수퍼커페시터부(SC)에 저장된 에너지를 분석하기 위해 도 9 (b)의 전기적인 연결과 같이, 공통 전극과 AC 전극을 측정 장비에 연결하게 된다.
도 9(c)는 연결 방식에 따른 단일 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)의 전압 프로파일을 보여주고 있다. 이 경우, 측정 조건은 0.9V에서 광충전되었으며 수퍼커페시터부(SC)에 저장된 에너지에서 광원을 제거한 후 측정하였다. 여기서, 충전 시간이 뚜렷하게 차이나는 것은 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)에서 수퍼커페시터부(SC)로의 전류 감소를 유도하는 와이어 저항과 관련이 있으며, 광충전 후에 두가지 모드의 경우 충전 전압이 크게 감소하게 된다. 이러한 결과는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)가 암실 환경하에서 다이오드 구동을 하여 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)가 높은 저항을 형성하기 때문이다. 따라서, 수퍼커페시터부(SC)에 저장된 에너지는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)에서 소비되어 부하가 없는 상태에서도 연속 방전되며, 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)의 전기적으로 연결시키는 배선의 저항으로 인해 더 빠르게 전압이 감소되는 것으로 관찰된다.
또한, 저장된 에너지를 유지하기 위해서는 어두운 조건에서 폐로브스카이트 태양전지부(PSC) 및 수퍼커페시터부(SC) 부품을 분리하는 스위치가 적용되어야 한다. 즉, 광충전 종료 후 스위치에 의해 FTO 전극과 AC 전극이 분리되어 개방회로가 된다. 도 9(d)와 같이, 충전 전압은 0.82V 이상을 유지하고 있기에, 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)에 의한 심각한 전압 저하를 방지하기 위한 스위치를 적용하여 성능을 향상시켰다.
한편, 도 9(d)에서 보는 같이 약간의 전압 강하는 수퍼커페시터부(SC)의 자체 방전과 관련이 있다.
그에 따라 도 11을 더 참조하면, 수퍼커페시터부(SC)가 1A g-1의 전류 밀도에서 0.9V로 완전히 충전되었고 2시간 동안 0.9V로 유지되는 것을 나타내는 수퍼커페시터부(SC)의 자가 방전 프로파일 그래프이다.
이 경우, 충전된 수퍼 커페시터(SC)는 고에너지 상태에 있기 때문에 깁스 자유 에너지가 자체 방전을 위한 열역학적 추진력을 발생시키게 되고, 그에 따라 수퍼커페시터부(SC)는 도 11에 도시된 바와 같이, 개방 회로 상태로 유지될 때 필연적으로 자발적인 전압 강하가 나타난다.
한편, EIS는 일반적으로 개별 태양 전지 및 수퍼커페시터부(SC)의 계면 특성을 식별하기 위해 수행되었지만 수퍼커페시터부(SC)와 통합된 태양 전지의 임피던스 거동은 지금까지 보고되지 않고 있다. 그에 따라, 본 실험에서는 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 계면 거동을 시연하였다. 이 경우, 임피던스는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC), 수퍼커페시터부(SC) 및 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)를 1~1MHz의 주파수 범위에서 나누어 분석하였다. 또한, 장치의 임피던스 거동을 추정하기 위해 페로브스카이트 태양전지부(PSC), 수퍼커페시터부(SC) 및 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD) 각각을 FTO 공통 전극, 공통 AC 전극 및 FTO-AC 전극과 연결하였다. 이 경우, 페로브스카이트 태양전지부(PSC), 수퍼커페시터부(SC) 및 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 Nyquist 플롯을 기반으로 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)에 강한 영향을 미치는 부분을 결정하게 된다. 이때, 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 임피던스 동작은 도 12에 나타난 바와 같으며, 측정된 구성 요소 값들은 표 [5]의 기록내용과 같다.
Figure pat00012
또한, 도 12(a) 내지 도 12(b)는 어두운 조건에서 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)와 등가 회로로서 경계면에 대한 구동을 나타내는 그래프이다.
이 경우, 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)의 등가 회로에는 세 가지 구성 요소가 포함된다.
첫번째로, 전극의 면저항과 관련된 직렬저항(Rs)은 전체 층의 접촉저항에 의한 전하추출과 관련된 전하이동저항(Rct)과 연관되어 있고, 전하재결합저항(Rrec)은 MAPbI3 및 HTL과 관련되어 있다.
이와 관련하여 전하 이동 및 전하 재결합과 관련된 커패시턴스 성분이 관찰된다. 정전 용량 구성 요소는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)의 트랩 사이트와 같은 결함으로 인해 정위상 요소(CPEct, CPErec)를 사용하여 장착된다. 또한, 암실 조건에서는 도 12(a)와 같이 두 개의 반원을 나타내는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC) 부품의 Nyquist 플롯으로 확인하여 볼 수 있다. 이 경우, 왼쪽 반원은 고주파 영역의 Rct를 나타내고 오른쪽 반원은 저주파 영역의 Rrec를 나타낸다. 암실 조건에서는 전하 발생이 없기 때문에 약한 전하추출에 의해 Rct가 증가하게 된다. 따라서, 활성층은 내부 전하 캐리어만 이동하기 때문에 매우 높은 저항을 유발하게 된다. 이 경우, 수퍼커페시터부(SC)는 일 부분에서 Nyquist 플롯의 모양이 도 7(a)와 유사하게 나타나며, 이때, 등가 회로는 전극과 전해질 사이의 계면 특성에 대한 정보를 제공하는 Randle 회로를 기반으로 수정된 상태이다. 또한, 도 7(a)에서 언급된 바와 같이, Rb는 전해질 저항에 의해 결정된다. 전극/전해질 계면의 Rct, 이중층 커패시턴스(Cdl) 및, Warburg 임피던스 요소(Wo)가 나타나 있으며, 이 경우, Rct는 전극/전해질 계면에서의 전자/이온 전달과 관련이 있고, 또한, Rct는 Wo와 직렬로 연결되고 Cdl과 병렬로 연결된다. 이 경우, 전극/전해질 계면에서의 흡착에 의한 정렬된 이온층은 Cdl을 증가시키게 된다. 또한, Wo는 다공성 전극을 통한 이온 확산과 관련된다. 이러한 Wo는 전극 표면의 전해질에서 주파수에 따른 이온 확산의 결과이다.
폐로브스카이트 태양전지부(PSC) 부분의 저항은 암실 조건에서 수퍼 커페시터(SC) 부분 저항을 무시할 수 있을 만큼 크기 때문에 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 임피던스 거동은 폐로브스카이트 태양전지부(PSC) 부분과 유사하게 나타난다.
또한, 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)의 임피던스 동작은 조명 아래에서 크게 변화된다. 도 12(d)에서 페로브스카이트 태양전지부(PSC) 부분의 Nyquist 플롯은 이온 확산과 전하 재결합의 반응속도가 스캔 속도보다 느리기 때문에 Rrec 성분이 관찰되지 않았다. 따라서, 저주파 대역에서 변동영역을 제거한 후 Nyquist plot을 표현하였다. 또한, 폐로브스카이트 태양전지부(PSC) 부분이 조명 하에서 전류원으로 작용하기 때문에 어두운 조건에 비해 Rct가 감소했다. 또한, 고주파 대역에서 명암 조건하에서 수퍼커페시터부(SC) 부분에 큰 변화가 없었다. Rb는 동일한 벌크 전해질 저항으로 인해 두 경우 모두 거의 동일하다. 그러나, 조명 아래에서는 Rct가 감소하게 된다. 전극 표면 근처에 적용된 전기장은 전극/전해질 계면에서 이온의 재분배 및 재구성을 유발하기 때문에 EDL 역학은 계면 유전체와 확산층을 통해 영향을 받게 된다.
직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 임피던스 동작은 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)에서 생성된 전하가 수퍼커페시터부(SC)로 이동하기 때문에 수퍼커페시터부(SC) 부품의 임피던스 동작과 유사하게 나타나게 된다. 즉, 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)는 수퍼커페시터부(SC)의 안정적인 전원 역할을 하며, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 특성은 조명 아래에서 수퍼커페시터부(SC)에 의해 지배적으로 결정된다.
직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 조명 조건에서 수퍼커페시터부(SC) 거동을 따르고, 암실 상태에서 폐로브스카이트 태양전지부(PSC) 거동을 따르며, 이러한 결과는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)가 부하로 작용하여 저장된 에너지의 지속적인 소비를 초래한다는 것에 대한 기언급 내용과 일치되는 것을 알 수 있다.
도 13(a) 내지 도 13(b)는 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 정전류 특성에 대한 프로파일으로써, 도 13(a)는 AM 1.5G 조명에서 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 광충전 및 다른 정전류 방전 프로파일이고, 도 13(b)는 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 전체 효율성에 대한 프로파일이며, 도 13(c)는 직렬 셀의 수에 따른 광충전 및 정전류 방전 프로파일이고, 도 13(d)는 0.1 태양 조도에서 광충전 및 다른 정전류 방전 프로파일이다.
도 13(a) 내지 도 13(b)에 도시된 바와 같이, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 정전류 특성을 살펴볼 수 있으며, 이 경우, 실제 시스템에서는 안정적인 전원을 공급하기 위해서는 전압 마진이 필요하다.
본 실시예에서는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)의 안정적인 동작을 고려하기 위해 차단 전압을 직렬 연결된 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)의 최대 전원 전압에 가까운 3.00V로 제한하였다.
도 13(a)에 나타난 바와 같이, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 3초 이내에 빠르게 3V로 충전된 상태에서 1, 2, 5, 10, 20mA cm-2의 전류 밀도로 정전류 방전되는 것을 볼 수 있다. 이 경우, 대칭적인 충방전 곡선을 얻기 위해 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 폐로브스카이트 태양전지부(PSC)에 의해 수퍼커페시터부(SC)에 약 20-24mA cm-2의 높은 전류 밀도가 전달되었기 때문에 20mA cm-2에서 방전된다. 이와 같은 높은 방전 전류 밀도는 태양 전지와 통합된 전기 이중층 커패시터(EDLC)에 대해 보고된 바 없다. 이들에 대한 특정 커패시턴스는 도 14에 도시되어 있다.
이 경우, 도 14(a)는 AM 1.5G 조명에서 방전 전류 밀도가 다른 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 특정 커패시턴스의 그래프이고, 도 14(b)는 AM 1.5G 조명에서 방전 전류 밀도가 다른 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 저장 효율에 대한 그래프이다.
여기서, 비정전용량은 1mA cm-2에서 21.35mF cm-2, 20mA cm-2에서 18.07mF cm-2였다. 전체 효율(ηoverall)은 다음의 식(8)과 같이 변환 효율(ηconversion)과 저장 효율(ηstorage)을 곱하여 계산된다.
Figure pat00013
여기서, ηconversion은 광변환 효율이며 Pin을 입사광 전력 밀도(1000W m-2)로 하여 광조사 시 태양 전지 특성에 의해 계산된다. ηstorage는 광충전 과정에서 수퍼커페시터부(SC)의 저장된 에너지(Eout)를 빛으로부터의 입사 에너지(Ein)로 나눈 값이다.
또한, 다양한 전류 밀도에서의 ηoverall 및 ηstorage이 각각 도 13(b)와 도 14(b)에 나와 있으며, 에너지 밀도를 정확하게 계산하기 위해 Ein 및 Eout 값을 도 13(a)의 결과와 통합하여 연산하게 된다.
직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 전체 값은 1mA cm-2에서 13.17%, 20mA cm-2에서 9.87%이다. 이러한 높은 ηoverall은 빠른 이온 확산에서 비롯된 높은 전류 허용 오차와 수퍼커페시터부(SC)의 높은 ηstorage(~70%)에 기인한다. 다른 연구와 비교해 보면, 본 실시예의 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 표 [6]에 나타난 바와 같이, 전반적으로 우수한 ηoverall를 보인다.
Figure pat00014
페로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)의 빠른 응답으로 인해 20mA cm-2에서도 현저하게 높은 ηoverall을 보여주고 있으며, 고전류 밀도에서 ηoverall이 이렇게 우수하게 나타난 것은 이전에 보고된적이 없다. 또한, 본 실시예의 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 1mA cm-2에서 50.05μWh cm-2의 가장 높은 비에너지 밀도와 1.295mW cm-2의 전력 밀도를 나타내고 있다.
여기서, 도 15를 더 참조하면, 도 15는 본 실시예의 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)에 대한 라곤 플롯으로서, 도 15에 도시된 바와 같이, 비전력밀도 24.74mW cm-2에서 비에너지밀도 37.52μWh cm-2를 형성하였다. 즉, 본 실시예의 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 이전에 보고된 탄소 기반 EDLC 기반 통합 장치보다 더 나은 성능을 보여주고 있다.
또한, 직렬 연결된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 수에 따른 광충전 에너지 저장장치(PCSD)의 성능은 도 4 및 도 7에 도시된 바와 같다.
이 경우, 차단 전압은 페로브스카이트 태양전지부(PSC)를 이용하여 충전 가능한 전압인 0.9, 1.8, 2.7, 3.6V로 설정하였다. 그림 13(c)는 직렬 연결된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 수에 따른 1mA cm-2의 광충전 및 정전류 방전을 나타내고 있다.
이 경우, 방전 전류 밀도가 다른 전압 프로파일을 참조하기 위해 도 16을 더 참조하면, 도 16(a)는 1개의 광충전 에너지 저장장치에 대한 광충전 및 정전류 방전 프로파일이고, 도 16(b)는 2개의 광충전 에너지 저장장치에 대한 광충전 및 정전류 방전 프로파일이며, 도 16(c)는 3개의 광충전 에너지 저장장치에 대한 광충전 및 정전류 방전 프로파일이고, 도 16(d)는 4개의 광충전 에너지 저장장치에 대한 광충전 및 정전류 방전 프로파일이다.
이때, 충전 시간은 직렬 연결된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 수에 따라 선형적으로 증가했고, 도 17은 1mA cm-2 방전 시 직렬 셀 수에 따른 전체 효율에 대한 그래프로써, 도 17에 나타는 바와 같이, ηoverall은 직렬연결된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 수에 관계없이 유사한 것을 알 수 있으며, 이는 시리즈 내 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 동일한 전류 밀도 및 필 팩터(FF)에 기인하기 때문이다. 따라서, ηconversion 및 ηstorage값도 유사하게 연산된다.
한편, 도 13(d)에서 보는 바와 같이, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 우수한 성능을 확인하기 위해 저조도 광충전 테스트를 수행하였다. 저강도 조명에서 단일 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 I-V 곡선은 0.9V 이상의 Voc를 나타내므로 직렬 연결된 페로브스카이트 태양전지부(PSC)는 3V에 충분히 도달하였다.
또한, 도 13(d)에서 보는 바와 같이, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 0.1 태양 조명 하에서 30초 이내에 3V로 충전된다. 0.1 태양 조도에서 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 전류는 1.0 태양 조도에서보다 10배 낮았으므로 충전 시간이 ~3초에서 ~30초로 증가하게 도는 도 13(a)를 통해 알 수 있다.
또한, 0.1 태양 조도에서 비정전용량, ηstorage 및 ηoverall을 살펴보기 위하여 도 18을 살펴보면, 도 18(a)는 0.1 태양 조도에서 방전 전류 밀도가 다른 4-PCSD의 성능 가운데 특정 커패시턴스에 대한 그래프이고, 18(b)는 저장 효율성에 대한 그래프이며, 18(c)는 전반적인 효율성에 관한 그래프이다.
먼저, 도 18(a)에서 볼 수 있듯이, 비정전용량은 1.0 태양 조도보다 0.1 태양 조도에서 더 높았다. 수퍼커페시터부(SC)로 들어가는 전류 밀도가 감소했기 때문에 수퍼커페시터부(SC)는 전극 표면에 이온 흡착을 통해 EDL을 형성하기에 충분한 시간을 형성되었고, 그에 따라 낮은 조도에서 가장 높은 비정전용량이 형성되었다.
또한, 0.1 태양 조도 아래에서 전압 프로파일의 더 작은 저항 강하가 관찰되었으며, 이는 더 높은 비정전용량 및 에너지 밀도를 의미한다. 따라서, 도 18(b)에 보여지는 것처럼, 심지어 0.1 태양 조도 아래에서는 ηstorage가 20mA cm-2의 높은 전류 밀도에서도 81% 이상으로 향상되어 관찰되었다. 따라서, 저조도 조명 환경에서의 ηoverall은 1mA cm-2에서 13.52%가 향상되고 20mA cm-2에서 11.42%가 향상되었다.
도 19을 더 참조하면, 도 19(a)는 100사이클에 대한 4-PCSD의 정규화된 전체 효율과 초기 상태 및 100사이클 이후의 전압 프로파일이고, 도 19(b)는 주변 조건에서 4-PCSD의 장기 안정성 테스트를 위한 주간 충전 시간과 당일 및 8주 후의 전압 프로파일에 대한 프로파일이고, 도 19(c)는 실내 조명에서 4-PCSD의 사이클 성능에 대한 그래프이고, 19(d) 3V에서 작동하는 LED 사진이다.
도 20을 더 참조하면, 도 20은 100싸이클 동안 20mA cm-2의 광충전 및 정전류 방전의 전압 프로파일이다.
도 19(a)에 도시된 바와 같이, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 사이클에 대한 안정성이 보여지고 있다. 이 경우, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 AM 1.5G 조명 하에서 충전된 다음 도 20에 도시된 바와 같이, 100사이클 동안 20mA cm-2에서 정전류 방전되었다. 이 경우, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 100싸이클 후에 ηoverall의 78.6%를 유지하였다. 이 경우, 주기가 증가함에 따라 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(PSC)는 조명에 의해 열화되어 전류 밀도가 감소하게 되며, 그에 따라 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 3V에 도달하는 데 필요한 충전 시간을 증가된다. 또한, 반복되는 고속 충전 및 방전은 수퍼커페시터부(SC)에 가혹한 과정이며, 이는 수퍼커페시터부(SC)의 성능을 저하시키게 된다. 이는 도 19(a)에 나타난 바와 같이, 사이클 수가 증가함에 따라 저항 강하가 증가하는 것으로 관찰할 수 있다. 따라서, 주기가 진행됨에 따라 ηstorage가 감소했고, 이러한 이유로 ηoverall는 100 사이클 후에 감소했다.
또한, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 실내 조명 조건에서도 놀라운 충전 특성을 나타내었다. 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치는 4개의 페로브스카이트 태양전지부(PSC)가 직렬로 연결되어 있기 때문에 충전 속도가 느리지만 실내 조명만으로 2V까지 충전할 수 있다. 또한, 인터페이스 트랩 밀도는 전하 캐리어 생성을 지배하기 때문에 실내 조명 아래에서 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 광전압은 ETL/MAPbI3 인터페이스의 결함으로 인해 감소하게 된다. 따라서, 달성된 최대 광충전 전압은 2V였다. 0.4mA cm-2에서 광충전 실내 조건과 정전류 방전의 사이클 안정성은 도 19(c)에 나와 있다. 이때, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 광원에서 최소 1.5m 떨어진 곳에서 충전된 상태이다. 이러한 조건에서 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 260초 이내에 2V에 도달하였다. 이러한 결과는 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)가 IoT 장치와 결합시 저전력을 소모하면서 실내 조명에 의해 지속적으로 충전할 수 있음을 보여주는 매우 의미 있는 결과이다.
이에, 도 19(d)에 도시된 바와 같이, 충전된 에너지를 확인하기 위하여 AM 1.5G 조명에서 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)를 충전한 상태에서 청색 LED에 연결하였고, 그에 따라 청색 LED가 발광되는 것을 확인하였다.
도 19(a) 내지 도 19(b)에서 보는 바와 같이, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 주변 조건에서 몇 개월 동안 안정적인 수명을 보였고 실내 조명을 통해 충전할 수 있어 소형 휴대용 전원으로 높은 잠재력을 입증하고 있다.
결론적으로, 본 발명의 실시예에 따른 광충전 에너지 저장장치는 수퍼커페시터부(SC)의 높은 저장 효율로 인해 1mA cm-2에서 13.17% 및 20mA cm-2에서 9.87%의 우수한 전체 효율을 나타내고 있다. 물론, 페로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)는 각각의 단일 장치로 구성되는 경우 최고의 성능을 나타내지 않을 수 있지만 두 장치를 통합하면 기능 간의 시너지 효과가 발생하여 통합 장치의 성능이 향상된다. 페로브스카이트 태양전지부(PSC)와 통합된 EDLC의 경우 지금까지 20mA cm-2의 더 높은 방전 전류 밀도가 보고되지 않았으며, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)의 임피던스 동작은 페로브스카이트 태양전지부(PSC)의 조명 조건에서 수퍼커페시터부(SC)에 안정적인 전원 공급을 제공한다는 것을 보여주고 있다. 또한, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 페로브스카이트 태양전지부(PSC)와 수퍼커페시터부(SC)의 빠른 응답에서 비롯된 다양한 조건에서 우수한 충전 성능을 보였다. 더욱이, 직렬 연결된 4개의 광충전 에너지 저장장치(4-PCSD)는 20mA cm-2에서 100싸이클의 충방전 주기 후에 전체 효율의 78.6%를 유지하여 우수한 수명을 보였다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
PSC : 태양전지부 EC : 전도성연결부
SC : 수퍼커페시터부
FTO : 전도성산화물층 ETL : 전자수송층
MAPbI3 : 페로브스카이트층 HTL : 정공수송층
Ag : 은층 AC1 : 제1전극층
IG : 전해질층 AC2 : 제2전극층

Claims (11)

  1. 태양전지부;
    상기 태양전지부에 전기적으로 연결되고, 상기 태양전지부에 결합되는 전도성연결부; 및,
    상기 전도성연결부에 결합되며, 상기 전도성연결부를 통해 상기 태양전지부와 전기적으로 연결되어 충전되는 수퍼커페시터부; 를 포함하는 광충전 에너지 저장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지부는
    주석 산화화물 유리로 구성되는 전도성산화물층;
    상기 전도성산화물층에 소결되어 안착되는 전자수송층층;
    상기 전자소송층에 결합되는 페로브스카이트층;
    상기 페로브스카이트층에 흡착되는 정공수송층; 및,
    상기 정공수송층에 증착되는 은층; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광충전 에너지 저장장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전자수송층은 c-TiO2층과 M-TiO2층을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광충전 에너지 저장장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 페로브스카이트층은 PbI2(TCI, Japan), MAI, 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)를 혼합되어 형성되는 활성층 용역을 상기 전자수송층층에 스핀 코팅한 후, 어닐링 하여 형성되는 것을 광충전 에너지 저장장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 정공수송층은 spiro-OMeTAD(Jilin, China), bis(trifluoromthane)sulfonimide 리튬 용액, 4-tert-butylpyridine, chlorobenzene을 혼합하여 상기 페로브스카이트층에 스핀 코팅되어 구성되는 것을 특징으로 하는 광충전 에너지 저장장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 은층은 상기 정공수송층에 증착되며, 열 증발을 통해 상기 정공수송층에 증착되는 것을 특징으로 하는 광충전 에너지 저장장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전도성연결부는 실버페이스트로 구성되고, 상기 태양전지부와 수퍼커페시터부의 사이에 결합시 열경화되어 상기 태양전지부와 수퍼커페시터부를 결합시키는 것을 특징으로 하는 광충전 에너지 저장장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수퍼커페시터부는
    상기 전도성연결부에 의해 상기 태양전지부와 전기적으로 연결되는 제1전극층;
    상기 제1전극측과 결합되고 이오노겔 전해질로 구성되는 전해질층; 및,
    상기 전해질층과 연결되며 상기 전해질층을 통해 상기 제1전극층과 충방전 가능한 상태로 형성되는 제2전극층; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광충전 에너지 저장장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1전극층 및 상기 제2전극층은 카본블랙(super P, TIMCAL) 및, 폴리불화비닐리덴(PVdF, HSV900, Kynar)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광충전 에너지 저장장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전해질층은 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 올리고머, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(EMITFSI) 및 2-히드록시-2-메틸프로피오페논(HMPP)을 포함하는 이오노겔 전해질로 구성되는 것을 특징으로 하는 광충전 에너지 저장장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지부는 다수 개가 직렬된 연결되어 상기 수퍼커페시터부를 고전압으로 자가충전시키는 것을 특징으로 하는 광충전 에너지 저장장치.
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