KR101677798B1 - Solar cell and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.
Description
본 명세서는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.
미국 국립연구소인 NREL의 에너지 리뷰 자료에 따르면 현재 주로 사용되고 있는 에너지원은 석유, 석탄, 가스이다. 이는 전체 사용되고 있는 에너지원의 80 %에 달한다. 그러나, 현재 석유 및 석탄 에너지 고갈 상태가 점차 큰 문제가 되고 있으며, 증가하는 이산화탄소와 다른 온실가스들의 공기 중으로의 배출은 점차 심각한 문제를 발생시키고 있다. 그에 반하여, 무공해 그린 에너지인 재생 에너지의 이용은 아직까지 전체 에너지원의 약 2% 밖에 되지 않는다. 그래서 에너지원의 문제 해결을 위한 고민들은 더욱더 신재생 에너지 개발 연구에 박차를 가하는 계기가 되고 있다. 바람, 물, 태양 등 신재생 에너지 중에서도 가장 관심을 받고 있는 것은 태양에너지이다. 태양에너지를 이용한 태양전지는 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반 영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.According to the NREL Energy Review, US National Laboratories are currently using oil, coal and gas. This amounts to 80% of the total energy source used. However, current petroleum and coal energy depletion is becoming a major problem, and increasing emissions of carbon dioxide and other greenhouse gases into the air are becoming increasingly serious. On the contrary, the use of renewable energy, which is pollution-free green energy, is still only about 2% of the total energy source. Therefore, the problems for solving the problems of the energy sources are becoming an opportunity to spur more research on the development of renewable energy. Among the renewable energy sources such as wind, water, and sun, solar energy is the most interested. Solar cells using solar energy are expected to be an energy source capable of solving future energy problems because of their low pollution, their infinite resources and their semi-permanent life span.
태양전지는 광기전력효과(photovoltaic effect)를 응용함으로써 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양전지는 박막을 구성하는 물질에 따라 무기 태양전지와 태양전지로 나뉠 수 있다. 전형적인 태양전지는 무기 반도체인 결정성 실리콘(Si)을 도핑(doping)하여 p-n 접합으로 만든 것이다. 빛을 흡수하여 생기는 전자와 정공은 p-n 접합점까지 확산되고 그 전계에 의하여 가속되어 전극으로 이동한다. 이 과정의 전력변환 효율은 외부 회로에 주어지는 전력과 태양전지에 들어간 태양전력의 비로 정의되며, 현재 표준화된 가상 태양 조사 조건으로 측정 시 24 %정도까지 달성되었다. 그러나 종래 무기 태양전지는 이미 경제성과 재료상의 수급에서 한계를 보이고 있기 때문에, 가공이 쉬우며 저렴하고 다양한 기능성을 가지는 태양전지가 장기적인 대체 에너지원으로 각광받고 있다.Solar cells are devices that can convert solar energy directly into electrical energy by applying a photovoltaic effect. Solar cells can be divided into inorganic solar cells and solar cells depending on the material constituting the thin film. A typical solar cell is made of p-n junction by doping crystalline silicon (Si), which is an inorganic semiconductor. Electrons and holes generated by absorption of light are diffused to the p-n junction, accelerated by the electric field, and moved to the electrode. The power conversion efficiency of this process is defined as the ratio of the power given to the external circuit to the solar power entering the solar cell, and is achieved up to 24% when measured under the current standardized virtual solar irradiation conditions. However, since conventional inorganic solar cells are already limited in economic efficiency and supply / demand of materials, solar cells having easy processing, low cost and various functions are attracting attention as long-term alternative energy sources.
초기 태양전지는 미국 UCSB의 Heeger 교수 그룹에서 주도적으로 기술 개발을 이끌었다. 태양전지는 사용되는 단분자 유기물질 또는 고분자 재료는 쉽고, 빠르게 저가, 대면적 공정이 가능한 장점을 가지고 있다.The initial solar cell was led by UCSB's Heeger professor group to lead the technology development. Solar cells have advantages of easy, fast, low-cost and large-area process.
그러나, 현재까지의 연구에서는 아직 태양전지는 에너지 변환 효율이 낮은 단점이 있다. 그러므로 현 시점에서 다른 태양전지와의 경쟁력을 확보하기 위해서는 효율 향상이 매우 중요하다고 할 수 있다.However, in the researches so far, the solar cell still has a low energy conversion efficiency. Therefore, in order to secure competitiveness with other solar cells at present, it is very important to improve the efficiency.
본 명세서는 태양전지 및 이의 제조방법에 대하여 제공한다.This specification provides a solar cell and a method of manufacturing the same.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층; 및 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 구비된 제1 전극의 버퍼층을 포함하고, 상기 제1 전극의 버퍼층은 금속 입자를 1 이상 포함하는 태양전지를 제공한다. One embodiment of the present disclosure includes a first electrode; A second electrode facing the first electrode; A photoactive layer comprising a compound of perovskite structure provided between the first electrode and the second electrode; And a buffer layer of a first electrode provided between the first electrode and the photoactive layer, wherein the buffer layer of the first electrode comprises at least one metal particle.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 금속 입자를 1 이상 포함하는 제1 전극의 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제1 전극의 버퍼층 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 상기 태양전지의 제조방법을 제공한다.One embodiment of the present disclosure includes forming a first electrode; Forming a buffer layer of a first electrode including at least one metal particle on the first electrode; Forming a photoactive layer comprising a compound of perovskite structure on the buffer layer of the first electrode; And forming a second electrode on the photoactive layer.
명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 따르면, 제1 전극의 버퍼층은 높은 전도성으로 인하여 낮은 내부 전위(built in potential)에서의 전자와 정공의 재결합을 억제하여, 태양전지의 전류 밀도 및 충전율(fill factor: FF)을 향상시킬 수 있다. According to the solar cell according to one embodiment of the specification, the buffer layer of the first electrode suppresses the recombination of electrons and holes at a low internal in potential due to high conductivity, so that the current density and charge factor: FF) can be improved.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 따르면, 제1 전극의 버퍼층은 가시광선 영역의 파장의 빛을 광활성층으로 집광하여 높은 광전환 효율을 달성할 수 있다.According to the solar cell according to one embodiment of the present invention, the buffer layer of the first electrode can achieve high light conversion efficiency by condensing light having a wavelength in the visible light region into the photoactive layer.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지는 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료를 포함하여 가시광선 영역에서부터 근적외선 영역까지의 넓은 태양광 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다. The solar cell according to one embodiment of the present disclosure can have a broad solar absorption spectrum ranging from the visible light region to the near infrared region including the organic / inorganic composite dye having the perovskite structure.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지는 높은 흡광 계수를 가지므로, 광활성층의 두께가 얇아도 높은 전류 밀도를 확보할 수 있다. Since the solar cell according to one embodiment of the present invention has a high extinction coefficient, a high current density can be secured even if the thickness of the photoactive layer is small.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지는 전자 및 정공의 이동속도(mobility)가 뛰어나, 높은 에너지 변환 효율을 확보할 수 있다.The solar cell according to one embodiment of the present invention is excellent in the mobility of electrons and holes and can ensure a high energy conversion efficiency.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지의 적층 구조의 일 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 있어서, 금속 입자의 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 있어서, 금속 입자의 광학 특성을 나타낸 것이다. FIG. 1 shows an example of a laminated structure of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a TEM (Transmission Electron Microscope) image of a metal particle in a solar cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows optical characteristics of metal particles in a solar cell according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.When a member is referred to herein as being "on " another member, it includes not only a member in contact with another member but also another member between the two members.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Whenever a component is referred to as "comprising ", it is to be understood that the component may include other components as well, without departing from the scope of the present invention.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층; 및 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 구비된 제1 전극의 버퍼층을 포함하고, 상기 제1 전극의 버퍼층은 금속 입자를 1 이상 포함하는 태양전지를 제공한다. One embodiment of the present disclosure includes a first electrode; A second electrode facing the first electrode; A photoactive layer comprising a compound of perovskite structure provided between the first electrode and the second electrode; And a buffer layer of a first electrode provided between the first electrode and the photoactive layer, wherein the buffer layer of the first electrode comprises at least one metal particle.
상기 제1 전극의 버퍼층은 금속 입자를 포함하여, 전자 전도성이 우수하다. 그러므로, 상기 제1 전극의 버퍼층에 의하여, 상기 태양전지는 낮은 내부 전위(built in potential)에서의 전자와 정공의 재결합이 억제되고, 태양전지의 전류 밀도 및 충전율(fill factor: FF)이 향상될 수 있다.The buffer layer of the first electrode contains metal particles and is excellent in electron conductivity. Therefore, by the buffer layer of the first electrode, recombination of electrons and holes at a low internal in potential is suppressed, and the current density and the fill factor (FF) of the solar cell are improved .
또한, 상기 제1 전극의 버퍼층은 가시광선 영역의 파장의 빛을 광활성층으로 집광하므로, 상기 태양전지는 높은 광전환 효율을 달성할 수 있다.Also, since the buffer layer of the first electrode collects light having a wavelength in the visible light region into the photoactive layer, the solar cell can achieve high light conversion efficiency.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지의 적층 구조의 일 예를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 1은 제1 전극(101) 상에 제1 전극의 버퍼층(401)이 구비되고, 제1 전극의 버퍼층(401) 상에 광활성층(301)이 구비되며, 광활성층(301) 상에 제2 전극의 버퍼층(501)이 구비되고, 제2 전극의 버퍼층(501) 상에 제2 전극(201)이 구비된 태양전지의 적층 구조를 도시한 것이다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지는 도 1의 적층 구조에 한정되지 않으며, 추가의 부재가 더 포함되어 태양전지를 형성할 수 있다.FIG. 1 shows an example of a laminated structure of a solar cell according to an embodiment of the present invention. 1 illustrates a structure in which a
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 투명 전극이고, 상기 태양전지는 상기 제1 전극을 경유하여 빛을 흡수하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the first electrode is a transparent electrode, and the solar cell may absorb light via the first electrode.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자의 형태는 구, 판상, 막대, 로드(rod), 파드(pod) 또는 프리즘 형태일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자는 판상형일 수 있다. According to one embodiment of the present disclosure, the shape of the metal particles may be in the form of a sphere, a plate, a rod, a rod, a pod, or a prism. Specifically, according to one embodiment of the present specification, the metal particles may be in a plate-like shape.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자는 판상형으로서, 제1 전극의 버퍼층의 표면 거칠기 값을 낮출 수 있는 장점이 있다. 구체적으로, 판상형의 나노 입자는 넓은 면이 제1 전극의 상면이 나란히 위치하게 되어 상기 제1 전극의 버퍼층의 표면 거칠기 값을 낮출 수 있다. 그러므로, 상기 제1 전극의 버퍼층 상에 적층되는 다른 층을 용이하게 형성할 수 있으며, 상기 제1 전극의 버퍼층과 이에 접하는 다른 층과의 계면 접합성이 높아 전자 및/또는 정공의 이동이 원활하게 될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the metal particles are of a plate-like shape, and the surface roughness of the buffer layer of the first electrode can be lowered. Specifically, the upper surface of the first electrode is positioned in parallel on the wide surface of the plate-shaped nanoparticles, so that the surface roughness value of the buffer layer of the first electrode can be lowered. Therefore, other layers stacked on the buffer layer of the first electrode can be easily formed, and the interface bonding between the buffer layer of the first electrode and another layer in contact with the buffer layer is high, so that the movement of electrons and / .
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자의 평균 입경은 1 ㎚ 이상 1,000 ㎚ 이하일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the average particle diameter of the metal particles may be 1 nm or more and 1,000 nm or less.
상기 입경은 금속 입자의 크기를 의미할 수 있으며, 상기 금속 입자의 내부를 통과하는 최대 길이를 의미할 수 있다. The particle size may mean the size of the metal particles, and may mean a maximum length passing through the inside of the metal particles.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자의 함량은 상기 전극 버퍼층 전체 부피에 대하여 0.005 부피% 이상 50 부피% 이하일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the content of the metal particles may be 0.005% by volume or more and 50% by volume or less based on the total volume of the electrode buffer layer.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극의 버퍼층은 무기 산화물 내에 1 이상의 상기 금속입자를 포함하는 구조일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the buffer layer of the first electrode may be a structure containing at least one of the metal particles in the inorganic oxide.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 무기 산화물은 티타늄 산화물(TiOx); 아연 산화물(ZnO); 몰리브덴 산화물(MoO3); 알루미늄 산화물(Al2O3); 주석 산화물(SnO2); 인듐산화물(In2O3); 바나듐 산화물(VOx) 및 세슘 카보네이트(Cs2CO3)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, the inorganic oxide is selected from the group consisting of titanium oxide (TiO x ); Zinc oxide (ZnO); Molybdenum oxide (MoO 3 ); Aluminum oxide (Al 2 O 3); Tin oxide (SnO 2); Indium oxide (In 2 O 3 ); Vanadium oxide (VO x ), and cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ).
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극의 버퍼층은 ZnO 내에 금속 입자를 포함하는 캐소드 버퍼층일 수 있다.Specifically, according to one embodiment of the present invention, the buffer layer of the first electrode may be a cathode buffer layer containing metal particles in ZnO.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자는 표면에 계면활성제로 코팅되어 상기 제1 전극의 버퍼층 내에서의 분산성을 높일 수 있다. 구체적으로, 금속 입자의 표면에 계면활성제가 코팅되어 상기 제1 전극의 버퍼층을 형성하기 위한 용액 내에서 분산성을 높일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the metal particles may be coated with a surfactant on the surface of the metal particles, thereby enhancing the dispersibility of the first electrode in the buffer layer. Specifically, the surface of the metal particles may be coated with a surfactant to increase dispersibility in a solution for forming the buffer layer of the first electrode.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극의 버퍼층은 전자수송층의 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극의 버퍼층은 캐소드 버퍼층일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the buffer layer of the first electrode may serve as an electron transport layer. Specifically, according to an embodiment of the present invention, the buffer layer of the first electrode may be a cathode buffer layer.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극의 버퍼층의 두께는 1 ㎚ 이상 10 ㎛ 이하일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the thickness of the buffer layer of the first electrode may be 1 nm or more and 10 m or less.
상기 제1 전극의 버퍼층에 포함되는 판상형 금속 입자는 표면 플라즈몬 공명 효과로 인하여 특정 파장대의 빛을 집광하는 효과가 있다. 그러므로, 광활성층에서 흡수하는 파장대의 빛을 집광할 수 있는 금속 입자를 제1 전극의 버퍼층에 포함시켜 광활성층의 광전환 효율을 증가시킬 수 있다. The plate-shaped metal particles included in the buffer layer of the first electrode have an effect of condensing light of a specific wavelength band due to a surface plasmon resonance effect. Therefore, the light conversion efficiency of the photoactive layer can be increased by incorporating the metal particles capable of focusing the light of the wavelength band absorbed by the photoactive layer into the buffer layer of the first electrode.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자는 Ag, Au, Al, Pt, W 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자는 Ag를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the metal particles may include at least one metal selected from the group consisting of Ag, Au, Al, Pt, W, and Cu. Specifically, according to one embodiment of the present disclosure, the metal particles may include Ag.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 있어서, 금속 입자의 TEM(Transmission Electron Microscope) 이미지를 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 2는 본 명세서의 Ag 입자의 TEM 이미지를 도시한 것이다.2 is a TEM (Transmission Electron Microscope) image of a metal particle in a solar cell according to an embodiment of the present invention. Specifically, Figure 2 shows a TEM image of Ag particles in this specification.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 금속 입자의 최대 집광 파장은 상기 광활성층의 광흡수 파장대에 포함될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the maximum condensation wavelength of the metal particles may be included in a light absorption wavelength band of the photoactive layer.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 버퍼층의 최대 집광 파장은 400 ㎚ 이상 2,000 ㎚ 이하일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 버퍼층의 최대 집광 파장은 500 ㎚ 이상 1,000 ㎚ 이하일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the maximum condensing wavelength of the buffer layer may be 400 nm or more and 2,000 nm or less. Specifically, according to an embodiment of the present invention, the maximum condensing wavelength of the buffer layer may be 500 nm or more and 1,000 nm or less.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 최대 집광 파장은 상기 버퍼층의 흡수 또는 산란 스펙트럼을 측정하여, 최대 신호 피크를 통해 검출할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the maximum condensation wavelength can be detected through the maximum signal peak by measuring the absorption or scattering spectrum of the buffer layer.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 있어서, 금속 입자의 광학 특성을 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 1은 본 명세서의 Ag 입자의 광학 특성을 도시한 것이다. 도 1에서, 금속 입자의 최대 집광 파장은 500 nm 영역대, 구체적으로 550 ㎚ 내지 550 ㎚ 영역에 존재하는 것을 알 수 있다.FIG. 3 shows optical characteristics of metal particles in a solar cell according to an embodiment of the present invention. Specifically, Figure 1 shows the optical properties of the Ag particles in this specification. 1, the maximum condensation wavelength of the metal particles exists in the region of 500 nm, specifically in the region of 550 nm to 550 nm.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 구조식 1-1을 만족할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the perovskite structure compound may satisfy the following structural formula 1-1.
[구조식 1-1][Structural formula 1-1]
A B(1-y)B'y X(3-Z)X'z AB (1-y) B ' y X (3-Z) X' z
상기 A는 1가의 유기 암모늄이온이고, 상기 B 및 상기 B'는 각각 독립적으로 전이금속의 양이온이며, 상기 X 및 상기 X'는 각각 독립적으로 16족 및 17족으로 선택되는 군에서 선택되는 원소의 음이온이고, 0≤y≤1이며, 0≤z≤1이다.Wherein A is a monovalent organic ammonium ion, B and B 'are each independently a cation of a transition metal, X and X' are each independently an element selected from the group consisting of Group 16 and Group 17 An anion, 0? Y? 1, and 0? Z?
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 B 및 상기 B'는 각각 독립적으로 Pb, Sn, Ti, Nb, Zr, Ce으로 이루어진 군에서 선택되는 금속의 양이온일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, B and B 'may each independently be a cation of a metal selected from the group consisting of Pb, Sn, Ti, Nb, Zr and Ce.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 A는 (R'-NR''3)+이고, R'는 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 20의 치환 또는 비치환된 아릴기이며, R''는 각각 독립적으로, 수소, 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 20의 치환 또는 비치환된 아릴기일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, A is (R'-NR '' 3 ) + and R 'is a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, And R " each independently represents hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted 6 to 20 carbon atom Lt; / RTI >
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 구조식 1-3을 만족할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the perovskite structure compound may satisfy the following structural formulas 1-3.
[구조식 1-3][Structural Formula 1-3]
CH3NH3PbX(3-z)X'z CH 3 NH 3 PbX (3- z) X 'z
상기 구조식 1-2에 있어서, X 및 X'는 각각 독립적으로 할로겐 원소 중 하나이며, z는 0 이상 3 이하의 실수이다.In Formula 1-2, X and X 'are each independently one of halogen elements, and z is a real number of 0 or more and 3 or less.
구체적으로, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 CH3NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbIxBr3-x 및 CH3NH3PbI(Br)3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 상기 페로브스카이트 구조의 화합물 및 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 전도성 고분자 내에 상기 페로브스카이트 구조의 물질이 분산되어 있을 수 있다.Specifically, the perovskite-structured compound is represented by the group consisting of CH 3 NH 3 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbBr 3 , CH 3 NH 3 PbI x Br 3-x, and CH 3 NH 3 PbI (Br) 3 And may include one or more materials selected. According to one embodiment of the present invention, the photoactive layer may include the perovskite structure compound and the conductive polymer. Specifically, according to one embodiment of the present invention, the photoactive layer may have the perovskite structure material dispersed in the conductive polymer.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지는 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합염료를 포함하여 가시광선 영역에서부터 근적외선 영역까지의 넓은 태양광 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다. The solar cell according to one embodiment of the present disclosure can have a broad solar absorption spectrum ranging from the visible light region to the near infrared region including the organic / inorganic composite dye having the perovskite structure.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지는 높은 흡광 계수를 가지므로, 광활성층의 두께가 얇아도 높은 전류 밀도를 확보할 수 있다. Since the solar cell according to one embodiment of the present invention has a high extinction coefficient, a high current density can be secured even if the thickness of the photoactive layer is small.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지는 전자 및 정공의 이동속도(mobility)가 뛰어나, 높은 에너지 변환 효율을 확보할 수 있다.The solar cell according to one embodiment of the present invention is excellent in the mobility of electrons and holes and can ensure a high energy conversion efficiency.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 기판을 더 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 기판 상에 구비되며, 상기 제1 전극은 캐소드일 수 있다. 구체적으로, 상기 태양전지는 인버티드 구조의 태양전지일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the solar cell further includes a substrate, the first electrode is provided on the substrate, and the first electrode may be a cathode. Specifically, the solar cell may be an inverted solar cell.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 기판을 더 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 기판 상에 구비되며, 상기 제1 전극은 애노드일 수 있다. 구체적으로, 상기 태양전지는 노말 구조의 태양전지일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the solar cell further includes a substrate, the first electrode is provided on the substrate, and the first electrode may be an anode. Specifically, the solar cell may be a solar cell having a normal structure.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 기판을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 기판은 제1 전극의 하부에 구비될 수 있다. According to one embodiment of the present disclosure, the solar cell may further include a substrate. Specifically, the substrate may be provided under the first electrode.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급용이성 및 방수성이 우수한 기판을 사용할 수 있다. 구체적으로, 유리 기판, 박막유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 상기 플라스틱 기판은 PET(polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene naphthalate), PEEK(Polyether ether ketone) 및 PI(Polyimide) 등의 필름이 단층 또는 복층의 형태로 포함될 수 있다. 다만, 상기 기판은 이에 한정되지 않으며, 태양전지에 통상적으로 사용되는 기판을 사용할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the substrate can use a substrate having excellent transparency, surface smoothness, ease of handling, and waterproofness. Specifically, a glass substrate, a thin film glass substrate, or a transparent plastic substrate can be used. The plastic substrate may include films such as PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate), PEEK (polyether ether ketone) and PI (polyimide) in a single layer or a multilayer. However, the substrate is not limited thereto, and a substrate commonly used in a solar cell can be used.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 애노드이고, 상기 제2 전극은 캐소드일 수 있다. 또한, 상기 제1 전극은 캐소드이고, 상기 제2 전극은 애노드일 수 있다.According to one embodiment of the present disclosure, the first electrode may be an anode, and the second electrode may be a cathode. Also, the first electrode may be a cathode, and the second electrode may be an anode.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극은 투명전극일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the first electrode may be a transparent electrode.
상기 제1 전극이 투명전극인 경우, 상기 제1 전극은 산화주석인듐(ITO) 또는 산화아연인듐(IZO) 등과 같은 전도성 산화물일 수 있다. 나아가, 상기 제1 전극은 반투명 전극일 수도 있다. 상기 제1 전극이 반투명 전극인 경우, Ag, Au, Mg, Ca 또는 이들의 합금 같은 반투명 금속으로 제조될 수 있다. 반투명 금속이 제1 전극으로 사용되는 경우, 상기 태양전지는 미세공동구조를 가질 수 있다.When the first electrode is a transparent electrode, the first electrode may be a conductive oxide such as indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), or the like. Furthermore, the first electrode may be a translucent electrode. When the first electrode is a translucent electrode, the first electrode may be made of a semi-transparent metal such as Ag, Au, Mg, Ca, or an alloy thereof. When a semitransparent metal is used as the first electrode, the solar cell may have a microcavity structure.
본 명세서의 상기 전극이 투명 전도성 산화물층인 경우, 상기 전극은 유리 및 석영판 이외에 PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthelate), PP (polyperopylene), PI(polyimide), PC (polycarbornate), PS (polystylene), POM (polyoxyethlene), AS 수지 (acrylonitrile styrene copolymer), ABS 수지 (acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 및 TAC (Triacetyl cellulose), PAR (polyarylate)등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질 위에 도전성을 갖는 물질이 도핑된 것이 사용될 수 있다. 구체적으로, ITO (indium tin oxide), 플루오린이 도핑된 틴 옥사이드 (fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드 (aluminium doped zink oxide, AZO), IZO (indium zink oxide), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 ATO (antimony tin oxide) 등이 될 수 있으며, 보다 구체적으로 ITO일 수 있다.When the electrode of the present invention is a transparent conductive oxide layer, the electrode may be formed of a material selected from the group consisting of polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyperopylene (PP), polyimide (PI), polycarbornate conductive material such as plastics such as polystyrene, polystyrene, POM (polyoxyethylene), acrylonitrile styrene copolymer (ABS), acrylonitrile butadiene styrene copolymer and TAC (triacetyl cellulose) Materials doped may be used. Specifically, a metal oxide such as ITO (indium tin oxide), fluorine doped tin oxide (FTO), aluminum doped zink oxide (AZO), IZO (indium zink oxide), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 and ATO (antimony tin oxide), and more specifically ITO.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 전극은 금속 전극일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 니켈(Ni), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the second electrode may be a metal electrode. Specifically, the metal electrode may be formed of a metal such as silver (Ag), aluminum (Al), platinum (Pt), tungsten (W), copper (Cu), molybdenum (Mo), gold (Au), nickel (Ni) Pd), and the like.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지가 인버티드 구조일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the solar cell may be an inverted structure.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지가 인버티드 구조인 경우, 상기 제2 전극은 금속 전극일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지가 인버티드 구조인 경우, 상기 제2 전극은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄 (Al), MoO3/Au, MoO3/Ag MoO3/Al, V2O5/Au, V2O5/Ag, 또는 V2O5/Al 을 포함할 수 있다. When the solar cell according to an embodiment of the present invention has an inverted structure, the second electrode may be a metal electrode. Specifically, when the solar cell according to an embodiment of the present invention has an inverted structure, the second electrode may be formed of gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), MoO 3 / Au, MoO 3 / Ag MoO 3 / Al, V 2 O 5 / Au, V 2 O 5 / Ag, or V 2 O 5 / Al.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지가 노말 구조일 수 있다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지가 노말 구조인 경우, 상기 제2 전극은 금속 전극일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the solar cell may have a normal structure. When the solar cell according to one embodiment of the present invention has a normal structure, the second electrode may be a metal electrode.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비된 추가의 층을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 추가의 층은 정공주입층, 정공수송층, 전자차단층, 전자수송층 및 전자주입층으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present disclosure, the solar cell may further include an additional layer provided between the first electrode and the second electrode. Specifically, according to one embodiment of the present specification, the additional layer may include at least one selected from the group consisting of a hole injection layer, a hole transporting layer, an electron blocking layer, an electron transporting layer, and an electron injecting layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전자수송층은 전도성 산화물 및 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1 또는 2 이상을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the electron transporting layer may include one or more selected from the group consisting of a conductive oxide and a metal.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 전자수송층의 전도성 산화물은 전자추출금속 산화물(electron-extracting metal oxides)이 될 수 있으며, 구체적으로 티타늄 산화물(TiOx); 아연 산화물(ZnO); 및 세슘 카보네이트(Cs2CO3)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the conductive oxide of the electron transport layer may be electron-extracting metal oxides, and specifically titanium oxide (TiO x ); Zinc oxide (ZnO); And cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ).
상기 전자수송층은 스퍼터링, E-Beam, 열증착, 스핀코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 제1 전극의 일면에 도포되거나 필름 형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.The electron transport layer may be formed on one side of the first electrode using a sputtering method, an E-beam method, a thermal evaporation method, a spin coating method, a screen printing method, an inkjet printing method, a doctor blade method or a gravure printing method.
본 명세서의 상기 정공수송층 및/또는 전자수송층 물질은 전자와 정공을 광활성층으로 효율적으로 전달시킴으로써, 생성되는 전하가 전극으로 이동되는 확률을 높이는 물질이 될 수 있으나, 특별히 제한되지는 않는다.The hole transporting layer and / or the electron transporting layer material of the present invention may be a material that increases the probability that electrons and holes are efficiently transferred to the electrode by efficiently transferring electrons and holes to the photoactive layer, but is not particularly limited.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 정공수송층은 애노드 버퍼층일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the hole transport layer may be an anode buffer layer.
상기 전처리된 광활성층의 상부에는 정공수송층이 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅, 열증착 등의 방법을 통해 도입될 수 있다. 이 경우, 주로 전도성 고분자 용액으로서 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트) [PEDOT:PSS]이 사용되며, 정공추출금속 산화물(hole-extracting metal oxides) 물질로는 몰리브덴 산화물(MoOx), 바나듐 산화물(V2O5), 니켈 산화물(NiO), 텅스텐 산화물(WOx) 등을 사용할 수 있다. 본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 정공 수송층은 MoO3를 열증착 시스템을 통해 5 nm ~ 10 nm 의 두께로 형성될 수 있다.A hole transport layer may be introduced onto the pre-treated photoactive layer through spin coating, dip coating, inkjet printing, gravure printing, spray coating, doctor blade, bar coating, gravure coating, brush painting, thermal evaporation or the like. In this case, poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (4-styrenesulfonate) [PEDOT: PSS] is mainly used as a conductive polymer solution, and hole-extracting metal oxides Molybdenum oxide (MoO x ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), nickel oxide (NiO), tungsten oxide (WO x ), and the like can be used. According to an embodiment of the present invention, the hole transport layer may be formed to a thickness of 5 nm to 10 nm through a thermal deposition system of MoO 3 .
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 태양전지는 권취된 구조일 수 있다. 구체적으로, 상기 태양전지는 유연한 필름 형태로 제조가 가능하며, 이를 원통형으로 말아 속이 비어 있는 권취된 구조의 태양전지로 만들 수 있다. 상기 태양전지가 권취된 구조인 경우, 이를 지면에 세워 놓는 방식으로 설치할 수 있다. 이 경우, 상기 태양전지를 설치한 위치의 태양이 동쪽에서 서쪽으로 이동하는 동안, 빛의 입사각이 최대가 되는 부분을 확보할 수 있다. 따라서, 태양이 떠 있는 동안 최대한 많은 빛을 흡수하여 효율을 높일 수 있는 이점이 있다. According to one embodiment of the present disclosure, the solar cell may be a wound structure. Specifically, the solar cell can be manufactured in the form of a flexible film, and the solar cell can be made into a cylindrical solar cell having a winding structure that is hollow. When the solar cell is a structure in which the solar cell is wound, it can be installed in a manner of standing on a ground. In this case, a portion where the incidence angle of light is maximized can be secured while the sun at the position where the solar cell is installed moves from east to west. Therefore, there is an advantage that the efficiency can be increased by absorbing as much light as possible while the sun is floating.
본 명세서의 일 실시상태는 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 상에 금속 입자를 1 이상 포함하는 제1 전극의 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제1 전극의 버퍼층 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 상기 태양전지의 제조방법을 제공한다. One embodiment of the present disclosure includes forming a first electrode; Forming a buffer layer of a first electrode including at least one metal particle on the first electrode; Forming a photoactive layer comprising a compound of perovskite structure on the buffer layer of the first electrode; And forming a second electrode on the photoactive layer.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전극의 버퍼층을 형성하는 단계는 용매; 무기 산화물 전구체; 및 1 이상의 금속 입자를 포함하는 용액을 도포한 후 열처리하는 것일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the step of forming the buffer layer of the first electrode comprises: Inorganic oxide precursors; And applying a solution containing at least one metal particle, followed by heat treatment.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 열처리는 50 ℃ 이상 400 ℃ 이하의 온도에서 수행하는 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed at a temperature of 50 ° C or more and 400 ° C or less.
101: 제1 전극
201: 제2 전극
301: 광활성층
401: 제1 전극의 버퍼층
501: 제2 전극의 버퍼층101: first electrode
201: second electrode
301: photoactive layer
401: buffer layer of the first electrode
501: buffer layer of the second electrode
Claims (15)
상기 제1 전극에 대향하여 구비된 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층; 및
상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 구비된 제1 전극의 버퍼층을 포함하고,
상기 제1 전극의 버퍼층은 금속으로 이루어진 금속 입자를 1 이상 포함하고,
상기 금속 입자의 형태는 판상형인 것인 태양전지.A first electrode;
A second electrode facing the first electrode;
A photoactive layer comprising a compound of perovskite structure provided between the first electrode and the second electrode; And
And a buffer layer of a first electrode provided between the first electrode and the photoactive layer,
Wherein the buffer layer of the first electrode comprises at least one metal particle made of a metal,
Wherein the shape of the metal particles is a plate-like shape.
상기 제1 전극은 투명 전극이고, 상기 태양전지는 상기 제1 전극을 경유하여 빛을 흡수하는 것인 태양전지. The method according to claim 1,
Wherein the first electrode is a transparent electrode, and the solar cell absorbs light via the first electrode.
상기 금속 입자의 평균 입경은 1 ㎚ 이상 1,000 ㎚ 이하인 것인 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the average particle diameter of the metal particles is 1 nm or more and 1,000 nm or less.
상기 금속 입자의 함량은 상기 제1 전극의 버퍼층 전체 부피에 대하여 0.005 부피% 이상 50 부피% 이하인 것인 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the content of the metal particles is 0.005 volume% or more and 50 volume% or less with respect to the total volume of the buffer layer of the first electrode.
상기 제1 전극의 버퍼층은 무기 산화물 내에 1 이상의 상기 금속입자를 포함하는 구조인 것인 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the buffer layer of the first electrode comprises at least one of the metal particles in the inorganic oxide.
상기 제1 전극의 버퍼층의 두께는 1 ㎚ 이상 10 ㎛ 이하인 것인 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein a thickness of the buffer layer of the first electrode is 1 nm or more and 10 占 퐉 or less.
상기 금속 입자의 최대 집광 파장은 상기 광활성층의 광흡수 파장대에 포함되는 것인 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the maximum condensation wavelength of the metal particles is included in a light absorption wavelength band of the photoactive layer.
상기 버퍼층의 최대 집광 파장은 400 ㎚ 이상 2,000 ㎚ 이하인 것인 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the maximum condensing wavelength of the buffer layer is 400 nm or more and 2,000 nm or less.
상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 구조식 1-1을 만족하는 것인 태양전지:
[구조식 1-1]
A B(1-y)B'y X(3-Z)X'z
상기 A는 1가의 유기 암모늄이온이고, 상기 B 및 상기 B'는 각각 독립적으로 전이금속의 양이온이며, 상기 X 및 상기 X'는 각각 독립적으로 16족 및 17족으로 선택되는 군에서 선택되는 원소의 음이온이고, 0≤y≤1이며, 0≤z≤1이다.The method according to claim 1,
Wherein the perovskite structure compound satisfies the following structural formula 1-1:
[Structural formula 1-1]
AB (1-y) B ' y X (3-Z) X' z
Wherein A is a monovalent organic ammonium ion, B and B 'are each independently a cation of a transition metal, X and X' are each independently an element selected from the group consisting of Group 16 and Group 17 An anion, 0? Y? 1, and 0? Z?
상기 A는 (R'-NR''3)+이고,
R'는 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 20의 치환 또는 비치환된 아릴기이고,
R''는 각각 독립적으로, 수소, 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 시클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 20의 치환 또는 비치환된 아릴기인 것인 태양전지.The method of claim 10,
Wherein A is (R'-NR " 3 ) + ,
R 'is a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms,
Each R " is independently hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms.
상기 태양전지는 기판을 더 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 기판 상에 구비되며, 상기 제1 전극은 캐소드인 것인 태양전지. The method according to claim 1,
Wherein the solar cell further comprises a substrate, the first electrode is provided on the substrate, and the first electrode is a cathode.
상기 제1 전극 상에 금속 입자를 1 이상 포함하는 제1 전극의 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 제1 전극의 버퍼층 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계;
상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는
청구항 1, 2 및 4 내지 12 중 어느 한 항에 따른 태양전지의 제조방법.Forming a first electrode;
Forming a buffer layer of a first electrode including at least one metal particle on the first electrode;
Forming a photoactive layer comprising a compound of perovskite structure on the buffer layer of the first electrode;
And forming a second electrode on the photoactive layer
A manufacturing method of a solar cell according to any one of claims 1, 2, and 4 to 12.
상기 제1 전극의 버퍼층을 형성하는 단계는 용매; 무기 산화물 전구체; 및 1 이상의 금속 입자를 포함하는 용액을 도포한 후 열처리하는 것인 태양전지의 제조방법.14. The method of claim 13,
Wherein forming the buffer layer of the first electrode comprises: Inorganic oxide precursors; And a solution containing at least one metal particle is applied and then heat-treated.
상기 열처리는 50 ℃ 이상 400 ℃ 이하의 온도에서 수행하는 것인 태양전지의 제조방법.15. The method of claim 14,
Wherein the heat treatment is performed at a temperature of 50 ° C or higher and 400 ° C or lower.
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