KR102749092B1 - Antireflective coating polymeric film for photoelectric device and photoelectric device comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 개시는 광전소자를 위한 고분자 반사방지막 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 고분자 반사방지막은 투명 고분자; 및 마이크로 형광체 입자 및 나노 산화물 입자;을 포함하고, 적어도 일면에 3차원 구조의 텍스처 표면을 포함하는 것일 수 있다. The present disclosure relates to a polymer antireflection film for a photovoltaic device and a method for manufacturing the same. More specifically, the polymer antireflection film includes a transparent polymer; and micro fluorescent particles and nano oxide particles; and may include a textured surface having a three-dimensional structure on at least one surface.
Description
본 개시의 실시 예들에 따른, 광전소자를 위한 고분자 반사방지막 및 이를 포함하는 광전소자에 관한 것이다. According to embodiments of the present disclosure, the present invention relates to a polymer antireflection film for a photovoltaic device and a photovoltaic device including the same.
다중 접합 태양 전지는 단일 접합 태양 전지를 능가하는 전력 변환 효율(PCE)을 달성할 수 있다. 여러 다중 접합 태양 전지 중에서 페로브스카이트/실리콘(Si) 탠덤 태양 전지는 경제적 이점으로 상업화 가능성이 있다. 페로브스카이트/Si 탠덤 태양 전지에서 탠덤 셀의 유효 광학 경로 설계는 중요한 요소이다. 광학 설계는 가시 영역에서 빛의 반사 손실을 최소화하고 특히 UV 영역에서 빛의 기생 흡수를 줄이는 것이다. 일반적으로 탠덤 구조의 상단 페로브스카이트 전지에 빛이 입사되면 굴절률 차이(예: nair 1 및 nperovskite 2.5)로 인해 공기-페로브스카이트 셀 경계면의 반사로 인해 입사광의 약 18.4%가 손실된다. Multi-junction solar cells can achieve power conversion efficiencies (PCEs) that surpass those of single-junction solar cells. Among various multi-junction solar cells, perovskite/silicon (Si) tandem solar cells have commercial potential due to their economic advantages. In perovskite/Si tandem solar cells, the effective optical path design of the tandem cell is a critical factor. The optical design is to minimize the reflection loss of light in the visible range and reduce parasitic absorption of light especially in the UV range. Typically, when light is incident on the top perovskite cell of a tandem structure, the difference in refractive index (e.g., n air) 1 and n perovskite 2.5) About 18.4% of the incident light is lost due to reflection at the air-perovskite cell interface.
표면 반사를 줄이기 위해서 고분자 반사방지막, 즉 텍스쳐링된 폴리(디메틸실록산)(PDMS)(nPDMS 1.39) 필름을 종종 TCO(top transparent conductive oxide) 상단에 배치한다. 텍스처화된 PDMS 필름의 문제는 다중 내부 산란만 이용하고 PDMS의 굴절률이 공기와 TCO 사이에 있지 않다는 것이다. 또한, 표면 반사율 손실 외에도 300 nm ~ 1200 nm 파장 범위의 기생 흡수는 탠덤 셀에서 발생한다. 특히, TCO와 버퍼층에 의한 단파장 광(λ< 500 nm)의 기생 흡수는 페로브스카이트 층의 UV 광 흡수를 크게 제한하여 직렬 소자의 PCE를 낮출 수 있다.To reduce surface reflection, a polymeric antireflection coating, i.e., textured poly(dimethylsiloxane) (PDMS) (n PDMS) 1.39) The film is often placed on top of a top transparent conductive oxide (TCO). The problem with textured PDMS films is that they only utilize multiple internal scattering and the refractive index of PDMS is not between that of air and TCO. In addition, in addition to the surface reflectivity loss, parasitic absorption in the wavelength range of 300 nm to 1200 nm occurs in tandem cells. In particular, parasitic absorption of short-wavelength light (λ<500 nm) by the TCO and buffer layers can significantly limit the UV light absorption of the perovskite layer, which can lower the PCE of the tandem device.
UV 영역에서 투과율을 증가시키기 위해 그래핀 및 환원된 그래핀 산화물과 같은 대체 투명 전극이 제시되었지만 문제를 완전히 해결하지 못하였다. 게다가, UV 광이 페로브스카이트 층으로 투과되면 고에너지 UV 광자는 페로브스카이트 층의 PbI2 및 부산물로의 해리를 가속화시켜 PCE에서 급속한 열화를 초래할 수 있다. Alternative transparent electrodes such as graphene and reduced graphene oxide have been proposed to increase the transmittance in the UV region, but they do not completely solve the problem. In addition, when UV light is transmitted into the perovskite layer, high-energy UV photons can accelerate the dissociation of the perovskite layer into PbI 2 and by-products, resulting in rapid degradation in the PCE.
상기 언급한 문제점을 해결하기 위해서, 본 개시는 광전소자에서 PCE 향상 및 UV 조명 하에서 장치 안정성 향상을 위한 광학 설계에 관련될 수 있다. To solve the above-mentioned problems, the present disclosure may relate to optical design for improving PCE in photovoltaic devices and enhancing device stability under UV illumination.
일 실시 예에 따라, 본 개시는 형광체 및 나노 산화물 입자를 이용하여 광운용 설계 및 미 스캐터링 메커니즘을 이용한 광학 설계를 통해 광전소자에서 UV 광안정성을 향상시키고, 반사 방지 효과를 더욱더 극대화하여 광손실을 최소화할 수 있는 고분자 반사방지막을 제공하는 것이다. According to one embodiment, the present disclosure provides a polymer anti-reflection film that can improve UV light stability in a photovoltaic device and further maximize the anti-reflection effect to minimize light loss through an optical design utilizing a photo-operational design and a mis-scattering mechanism using a fluorescent substance and nano-oxide particles.
일 실시 예에 따라, 본 개시는 본 개시의 실시 예들에 따른 고분자 반사방지막을 적용하고, 광학 성능 및 효율(예: 전력변환 효율)이 향상된 광전소자를 제공하는 것이다. According to one embodiment, the present disclosure provides a photovoltaic device having improved optical performance and efficiency (e.g., power conversion efficiency) by applying a polymer antireflection film according to embodiments of the present disclosure.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 개시의 실시 예들에 따른 고분자 반사방지막은 투명 고분자; 및 마이크로 형광체 입자 및 나노 산화물 입자;를 포함하고, 적어도 일면에 3차원 구조의 텍스처 표면을 포함하는 것일 수 있다. A polymer antireflection film according to embodiments of the present disclosure may include a transparent polymer; and micro fluorescent particles and nano oxide particles; and may include a textured surface having a three-dimensional structure on at least one surface.
일 실시 예에 따라, 상기 투명 고분자는 PDMS(polydimethylsiloxane), PDPhS(polydiphenylsiloxane), PMPS(polymethylphenylsiloxane), EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer), POE(poly olefin elastomer), PMMA(polymethyl metacrylate), TAC(트리아세테이트셀룰로오즈), PET(polyethylene terephthalate), PEK(poly(ether ketone), 폴리머 유리 (polymer glass), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 폴리올레핀 중 적어도 하나 이상 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment, the transparent polymer may include at least one or more of polydimethylsiloxane (PDMS), polydiphenylsiloxane (PDPhS), polymethylphenylsiloxane (PMPS), ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), poly olefin elastomer (POE), polymethyl metacrylate (PMMA), triacetate cellulose (TAC), polyethylene terephthalate (PET), poly(ether ketone) (PEK), polymer glass, polycarbonate (PC), and polyolefin, or a combination thereof.
일 실시 예에 따라, 상기 3차원 구조는 규칙적 또는 불규칙적으로 배열되고, 상기 3차원 구조는 구형, 타원형, 원뿔, 다각뿔, 다각기둥, 다각형 및 다각별뿔 중 적어도 하나 이상 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment, the three-dimensional structure may be arranged regularly or irregularly, and the three-dimensional structure may include at least one or more of a sphere, an ellipse, a cone, a polypyramid, a polyprism, a polygon, and a polyhedron, or a combination thereof.
일 실시 예에 따라, 상기 고분자 반사방지막의 적어도 일면에 3차원 구조에 의한 돌출부, 오목부 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment, at least one surface of the polymer anti-reflection film may include a protrusion, a recess, or both having a three-dimensional structure.
일 실시 예에 따라, 상기 돌출부 높이 및 상기 오목부의 깊이는 각각 약 1 um(마이크로미터) 내지 약 10 um(마이크로미터)인 것일 수 있다. According to one embodiment, the height of the protrusion and the depth of the recess may each be from about 1 um (micrometer) to about 10 um (micrometer).
일 실시 예에 따라, 상기 마이크로 형광체 입자 및 상기 나노 산화물 입자는 상기 고분자 반사방지막 중 약 0 중량% (초과) 내지 6 중량%인 것일 수 있다. According to one embodiment, the micro fluorescent particles and the nano oxide particles may be present in an amount of about 0 wt % (exceeding) to 6 wt % of the polymer anti-reflection film.
일 실시 예에 따라, 상기 마이크로 형광체 입자 대 나노 산화물 입자;의 질량비는 약 1 : 약 10 내지 약 1 : 약 1인 것일 수 있다. According to one embodiment, the mass ratio of the micro fluorescent particles to the nano oxide particles may be from about 1: about 10 to about 1: about 1.
일 실시 예에 따라, 상기 마이크로 형광체 입자의 크기는 약 1 um(마이크로미터) 내지 약 5 um(마이크로미터)인 것일 수 있다. According to one embodiment, the size of the micro fluorescent particles may be from about 1 um (micrometer) to about 5 um (micrometer).
일 실시 예에 따라, 상기 마이크로 형광체 입자는 적색 형광체, 녹색 형광체 및 청색 형광체 중 적어도 하나 이상; 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment, the micro fluorescent particles may include at least one of a red fluorescent substance, a green fluorescent substance and a blue fluorescent substance; or a combination thereof.
일 실시 예에 따라, 상기 마이크로 형광체 입자는 실리콘계 형광체, 질화물계 형광체 및 산화물계 형광체 중 적어도 하나 이상 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment, the micro phosphor particles may include at least one or more of a silicon-based phosphor, a nitride-based phosphor, and an oxide-based phosphor, or a combination thereof.
일 실시 예에 따라, 상기 형광체는 적색 형광체, 녹색 형광체 및 청색 형광체 중 적어도 하나 이상; 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment, the phosphor may include at least one of a red phosphor, a green phosphor, and a blue phosphor; or a combination thereof.
일 실시 예에 따라, 상기 나노 산화물 입자의 크기는 약 30 nm(나노미터) 내지 약 400 nm(나노미터)인 것일 수 있다. According to one embodiment, the size of the nano oxide particles may be from about 30 nm (nanometers) to about 400 nm (nanometers).
일 실시 예에 따라, 상기 나노 산화물 입자는 광산란 기능을 갖는 산화물 입자를 포함하고, 상기 나노 산화물 입자는, 실리카, 산화티타늄, 산화마그네슘, 산화바륨, 산화알루미늄, 산화비스무트, 산화지르코늄, 산화주석, 산화텅스텐, 산화스트론튬, 산화니오븀, 산화지르코늄 및 산화아연 중 적어도 하나 이상을 포함하는 광산란성 입자 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment, the nano-oxide particles include oxide particles having a light-scattering function, and the nano-oxide particles may include light-scattering particles including at least one or more of silica, titanium oxide, magnesium oxide, barium oxide, aluminum oxide, bismuth oxide, zirconium oxide, tin oxide, tungsten oxide, strontium oxide, niobium oxide, zirconium oxide, and zinc oxide, or a combination thereof.
일 실시 예에 따라, 상기 고분자 반사방지막의 광투과도는 90 % 이상인 것일 수 있다. According to one embodiment, the light transmittance of the polymer anti-reflection film may be 90% or greater.
일 실시 예에 따라, 상기 고분자 반사방지막의 두께는 약 50 um(마이크로미터) 내지 약 300 um(마이크로미터)인 것일 수 있다. According to one embodiment, the thickness of the polymer anti-reflection film may be from about 50 um (micrometers) to about 300 um (micrometers).
본 개시의 실시 예들에 따른 광전소자는 본 개시의 실시 예들에 따른 고분자 반사방지막을 포함할 수 있다. 상기 고분자 반사방지막은 앞서 언급된 바와 같다. The photovoltaic device according to embodiments of the present disclosure may include a polymer anti-reflection film according to embodiments of the present disclosure. The polymer anti-reflection film is as described above.
일 실시 예에 따라, 상기 광전소자는 페로브스카이트 태양전지, 실리콘 태양전지 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment, the photovoltaic device may include a perovskite solar cell, a silicon solar cell, or both.
일 실시 예에 따라, 상기 광전소자는 모놀리딕 페로브스카이트 태양전지층; 및 실리콘 탠덤 태양전지층;을 포함하고, 상기 모놀리딕 페로브스카이트 태양전지층 상에 고분자 반사방지막을 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment, the photovoltaic device may include a monolithic perovskite solar cell layer; and a silicon tandem solar cell layer; and may include a polymer antireflection film on the monolithic perovskite solar cell layer.
일 실시 예에 따라, 본 개시는 광전소자에서 UV 광안정성을 향상시키고, 반사 방지 효과를 더욱더 극대화하여 광손실을 최소화할 수 있는 고분자 반사방지막을 제공하는 것이다. According to one embodiment, the present disclosure provides a polymer anti-reflection film that can improve UV light stability in a photovoltaic device and further maximize anti-reflection effect to minimize light loss.
일 실시 예에 따라, 본 개시는 본 개시의 실시 예들에 따른 반사방지막 필름을 적용하고, 광학 성능 및 효율(예: 전력변환 효율)이 향상된 광전소자를 제공하는 것이다. According to one embodiment, the present disclosure provides a photovoltaic device having improved optical performance and efficiency (e.g., power conversion efficiency) by applying an anti-reflection film according to embodiments of the present disclosure.
일 실시 예에 따라, 도 1a는 형광체(예: SGA 형광체) 및 산화물 나노입자(예: SiO2 나노입자)를 포함하는 고분자 반사방지막(ARC 필름)(예: PDMS 층)의 개략도이다. 도 1b는 주변광(ambient light) 및 UV 광(λ = 365 nm) 하에서 형광체(예: SGA 형광체) 및 산화물 나노입자(예: SiO2 나노입자)를 포함하는 고분자 반사방지막(예: PDMS 층)의 이미지이다. 도 1c는 SGA 형광체와 SiO2 나노입자를 포함하는 PDMS 층이 있는 페로브스카이트/Si 탠덤 태양 전지의 개략도이다. 도 1d는 페로브스카이트-Si 태양 전지의 단면 SEM 이미지이다.
일 실시 예에 따라, 도 2a는 SGA 형광체의 여기(λex: 380nm) 및 방출(λem: 530 nm)(삽입도: SGA 형광체의 SEM 이미지)이며, 도 2b는 전체 투과율이고, 도 2c는 확산 투과율(diffuse transmittance), 및 도 2d는 SGA 형광체의 부피%에 따라 유리 상의 ARC 필름의 반사율이다. 도 2e는 동일한 필름을 사용한 탠덤 태양 전지의 J-V이며, 도 2e는 IPCE 곡선이다.
일 실시 예에 따라, 도 3a는 SiO2 나노입자의 SEM 이미지이고, 도 3b는 전체 투과율이고, 도 3c는 확산 투과율이다. 도 3d는 유리 상에서 텍스처화된 ARC_S (0.8) 및 유리상에 텍스처화된 ARC 필름 및 유리의 반사율이다. 도 3e는 동일한 필름이 없는 경우와 동일한 필름이 있는 탠덤 태양 전지의 J-V 곡선 및 도 3f는 IPCE 곡선이다.
일 실시 예에 따라, 도 4a는 단일 입자(SiO2@Air) 산란 모델 및 다중 산란 모델에 대한 FDTD 시뮬레이션 설정의 개략도이다. 단일 산란 모델인 경우 10 nm 에어 갭(SiO2@Air)이 있는 100 nm 크기의 SiO2 입자가 PDMS 매트릭스(0.8 vol.%)에 산란체(scatter)로 추가된다. 다중 산란 모델의 경우 729개의 SiO2@Air 입자가 동일한 부피%로 PDMS에 무작위로 분포된다. PDMS와 SiO2의 굴절률은 각각 623 nm에서 1.39와 1.46이다. 도 4b는, PDMS 전용 정규화된 산란 단면, SiO2@Air의 단일 산란 및 SiO2@Air 시스템의 다중 산란이다. 도 4c는, 산란 단면 결과를 기반으로 한 150um 두께 필름에 대한 추정된 경면 투과율이다(단, 공기/PDMS 및 PDMS/기판 인터페이스 조건은 고려되지 않는다.).
일 실시 예에 따라, 도 5a는 SGA 형광체(ARC_S(0.8), ARC_S(0.8)SGA(0.4), ARC_S(0.8)SGA(0.8), ARC_S(0.8)SGA(1.2) 및 ARC_S(0.8)SGA(1.6))의 상이한 부피%(0.4, 0.8, 1.2, 1.6 %)를 갖는 ARC_S(0.8)의 총 투과율이고, 도 5b는 확산 투과율이다. 도 5c는 SGA 및 SiO2 나노입자의 반사방지막이 없거나 있는 탠덤 태양전지의 J-V 곡선이고, 도 5d는 IPCE이다. 도 5e는 ARC_S(0.8)SGA(0.8)를 갖는 탠덤 태양 전지의 450 nm 미만의 확대된 IPCE 스펙트럼이고, 도 5f는 히스테리시스이다.
일 실시 예에 따라, 도 6a는 300 nm 내지 450 nm 파장 범위 내에서 PC61BM/ZnO/IZO의 흡수율 및 집적 전류밀도(integrated current density)를 나타낸 것이다.
일 실시 예에 따라, 도 6b는 N2에서 연속 UV(365nm) 노출(15W/cm2)에서 ARC 및 형광체 내장 ARC가 없는 페로브스카이트(Au/Sprio-OMeTAD/Perovskite/TiO2/FTO)의 정규화된 PCE를 나타낸 것이다. In one embodiment, FIG. 1a is a schematic diagram of a polymeric anti-reflective film (ARC film) (e.g., a PDMS layer) including a phosphor (e.g., a SGA phosphor) and oxide nanoparticles (e.g., SiO 2 nanoparticles). FIG. 1b is an image of the polymeric anti-reflective film (e.g., a PDMS layer) including a phosphor (e.g., a SGA phosphor) and oxide nanoparticles (e.g., SiO 2 nanoparticles) under ambient light and UV light (λ = 365 nm). FIG. 1c is a schematic diagram of a perovskite/Si tandem solar cell with a PDMS layer including a SGA phosphor and SiO 2 nanoparticles. FIG. 1d is a cross-sectional SEM image of the perovskite-Si solar cell.
According to one embodiment, FIG. 2a is the excitation (λ ex : 380 nm) and emission (λ em : 530 nm) of the SGA phosphor (inset: SEM image of the SGA phosphor), FIG. 2b is the total transmittance, FIG. 2c is the diffuse transmittance, and FIG. 2d is the reflectance of the ARC film on glass as a function of the volume % of the SGA phosphor. FIG. 2e is the JV of a tandem solar cell using the same film, and FIG. 2e is the IPCE curve.
In one embodiment, FIG. 3a is a SEM image of SiO 2 nanoparticles, FIG. 3b is total transmittance, and FIG. 3c is diffuse transmittance. FIG. 3d is reflectance of textured ARC_S (0.8) on glass and textured ARC film on glass and glass. FIG. 3e is J-V curve of tandem solar cell without the same film and FIG. 3f is IPCE curve.
In one embodiment, FIG. 4a is a schematic diagram of the FDTD simulation setup for a single particle (SiO 2 @Air) scattering model and a multiple scattering model. For the single scattering model, 100 nm sized SiO 2 particles with a 10 nm air gap (SiO 2 @Air) are added as scatterers in the PDMS matrix (0.8 vol.%). For the multiple scattering model, 729 SiO 2 @Air particles are randomly distributed in the PDMS with the same vol.%. The refractive indices of PDMS and SiO 2 are 1.39 and 1.46 at 623 nm, respectively. FIG. 4b is the normalized scattering cross-sections for PDMS only, single scattering of SiO 2 @Air, and multiple scattering of the SiO2@Air system. Figure 4c is the estimated specular transmittance for a 150 μm thick film based on the scattering cross-section results (but the air/PDMS and PDMS/substrate interface conditions are not considered).
In one embodiment, FIG. 5a is the total transmittance and FIG. 5b is the diffuse transmittance of ARC_S(0.8) with different volume % (0.4, 0.8, 1.2, 1.6 %) of SGA phosphors (ARC_S(0.8), ARC_S(0.8)SGA(0.4), ARC_S(0.8)SGA(0.8), ARC_S(0.8)SGA(1.2), and ARC_S(0.8)SGA(1.6)). FIG. 5c is the J-V curve of the tandem solar cell without or with an antireflection coating of SGA and SiO 2 nanoparticles, and FIG. 5d is the IPCE. FIG. 5e is the expanded IPCE spectrum below 450 nm of the tandem solar cell with ARC_S(0.8)SGA(0.8), and FIG. 5f is the hysteresis.
According to one embodiment, FIG. 6a shows the absorption rate and integrated current density of PC61BM/ZnO/IZO within the wavelength range of 300 nm to 450 nm.
As an example, FIG . 6b shows the normalized PCE of perovskite (Au/Sprio-OMeTAD/Perovskite/TiO2/FTO) with and without ARC and phosphor-embedded ARC under continuous UV (365 nm) exposure (15 W/ cm2 ) in N2.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the terms used in this specification are terms used to appropriately express the preferred embodiments of the present invention, and this may vary depending on the intention of the user or operator, or the customs of the field to which the present invention belongs. Therefore, the definitions of these terms should be made based on the contents throughout this specification. The same reference numerals presented in each drawing represent the same members.
명세서 전체에서, 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.Throughout the specification, when it is said that an element is "on" another element, this includes not only cases where the element is in contact with the other element, but also cases where there is another element between the two elements.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when it is said that a part "includes" a component, this does not mean that it excludes other components, but rather that it may include other components.
이하, 본 개시의 고분자 반사방지막 및 이를 포함하는 광전소자에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the polymer antireflection film of the present disclosure and the photoelectric device including the same will be specifically described with reference to examples and drawings. However, the present invention is not limited to these examples and drawings.
일 실시 예에 따라, 상기 고분자 반사방지막은 투명 고분자; 및 형광체 및 나노 산화물 입자를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 상기 고분자 반사방지막 중 적어도 일면의 적어도 일부분 또는 대략 전체에 걸쳐 텍스처 표면을 포함할 수 있다. In one embodiment, the polymeric anti-reflective coating may include a transparent polymer; and a fluorescent substance and nano-oxide particles. In one embodiment, the polymeric anti-reflective coating may include a textured surface over at least a portion or substantially the entirety of at least one surface.
일 실시 예에 따라, 상기 고분자 반사방지막은 텍스처화된 고분자 반사방지막의 광학적 특성이 형광체 입자의 하향 변환 효과와 나노 산화물(예: SiO2) 입자의 다중 산란 효과를 결합한 광학적 설계에 관련된다. 즉, 자외선(UV) 광의 기생 흡수를 해결하기 위해 형광체를 투입하여 UV 광을 가시광선으로 변환시킬 수 있다. 더욱이, 고분자 반사방지막 내에 내장된 형광체의 마이크로 사이즈 크기(예: > 약 5 μm) 및 높은 굴절률(예: n 1.9)로 인해 고분자 반사방지막의 반사율을 증가시킬 수 있다. 또한, 이러한 형광체에 의한 후방 산란 문제(backward scattering problem)는 나노 산화물(예: SiO2) 입자(예: 구형)를 추가함으로써 보완될 수 있다. 즉, 고분자 반사방지막의 나노 산화물(예: SiO2) 입자가 확산 투과율을 증가시켜 반사율을 감소시킬 수 있다. 이러한 광학 설계에 따른 고분자 반사방지막은 광전소자(예: 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양 전지)의 광 흡수를 성공적으로 촉진하고, 탠덤 전지의 광학 성능 및 효율(예: 전력 변환 효율)을 향상시킬 수 있다. In one embodiment, the polymeric anti-reflective coating relates to an optical design that combines the optical properties of the textured polymeric anti-reflective coating with the down-conversion effect of the phosphor particles and the multiple scattering effect of the nano-oxide (e.g., SiO 2 ) particles. That is, the phosphor can be introduced to convert the UV light into visible light to address the parasitic absorption of the UV light. Furthermore, the micro-size (e.g., > about 5 μm) and high refractive index (e.g., n ) of the phosphor embedded in the polymeric anti-reflective coating 1.9) can increase the reflectance of the polymer anti-reflection coating. In addition, the backward scattering problem by such a phosphor can be supplemented by adding nano-oxide (e.g., SiO 2 ) particles (e.g., spherical). That is, the nano-oxide (e.g., SiO 2 ) particles of the polymer anti-reflection coating can increase the diffuse transmittance, thereby reducing the reflectance. The polymer anti-reflection coating according to such an optical design can successfully promote light absorption of photovoltaic devices (e.g., perovskite/silicon tandem solar cells) and improve the optical performance and efficiency (e.g., power conversion efficiency) of the tandem cell.
일 실시 예에 따라, 상기 투명 고분자는 고분자 반사방지막의 베이스 매트릭스를 형성하는 것으로, 광전소자를 위한 고분자 반사방지막에 필름에 적용 가능한 고분자라면 제한 없이 적용될 수 있다. 어떤 예에서 상기 투명 고분자는 열 경화성 또는 광경화성 고분자일 수 있다. 어떤 예에서 PDMS(polydimethylsiloxane), PDPhS(polydiphenylsiloxane), PMPS(polymethylphenylsiloxane), EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer), POE(poly olefin elastomer), PMMA(polymethyl metacrylate), TAC(트리아세테이트셀룰로오즈), PET(polyethylene terephthalate), PEK(poly(ether ketone), 폴리머 유리(polymer glass), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리올레핀(polyolefin)(예: 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 등), 사이클릭 올레핀 코폴리머(cyclic olefic copolymer, COC), 에틸렌비닐아세테이트, 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl Chloride; PVC), 폴리아마이드(polyamide; PA), 폴리우레탄(ployurethane) , 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리아릴레이트(polyarylate), 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌프탈레이트, 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에테르설폰(polyethersulfone, PES) 및 폴리부틸렌테레프탈레이트 중 적어도 하나 이상 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 어떤 예에서 PDMS(polydimethylsiloxane), PDPhS(polydiphenylsiloxane), PMPS(polymethylphenylsiloxane), EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer), POE(Poly Olefin Elastomer), PMMA(polymethyl metacrylate) 및 TAC(트리아세테이트셀룰로오즈) 및 PET(polyethylene terephthalate)에서 선택될 수 있다. According to one embodiment, the transparent polymer forms a base matrix of a polymer anti-reflection film, and any polymer applicable to a film for a polymer anti-reflection film for a photovoltaic device can be applied without limitation. In some examples, the transparent polymer can be a thermosetting or photocurable polymer. In some examples, PDMS (polydimethylsiloxane), PDPhS (polydiphenylsiloxane), PMPS (polymethylphenylsiloxane), EVA (ethylene-vinyl acetate copolymer), POE (poly olefin elastomer), PMMA (polymethyl metacrylate), TAC (triacetate cellulose), PET (polyethylene terephthalate), PEK (poly(ether ketone), polymer glass, polycarbonate (PC), polyolefin (e.g., polyethylene (PE), polypropylene (PP), etc.), cyclic olefin copolymer (COC), ethylene vinyl acetate, polyvinyl chloride (PVC), polyamide (PA), polyurethane, polymethylmethacrylate (PMMA), polyarylate, It may include at least one or more of polyvinyl acetate, polyethylene phthalate, polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET), polyethersulfone (PES), and polybutylene terephthalate, or a combination thereof. In some examples, it may be selected from polydimethylsiloxane (PDMS), polydiphenylsiloxane (PDPhS), polymethylphenylsiloxane (PMPS), ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), poly olefin elastomer (POE), polymethyl metacrylate (PMMA), and triacetate cellulose (TAC), and polyethylene terephthalate (PET).
일 실시 예에 따라, 상기 고분자 반사방지막의 텍스처 표면은 3차원 구조에 의한 기하학적 3차원 텍스처화된 표면일 수 있다. 일 실시 예에 따라, 상기 3차원 구조는 규칙적 또는 불규칙적으로 배열될 수 있다. 어떤 예에서 상기 3차원 구조는 구형, 타원형, 원뿔, 다각뿔(예: 삼각뿔, 사각뿔, 오각뿔, 육각뿔 등), 다각기둥(예: 삼각 기둥, 사각 기둥, 오각 기둥, 육각 기둥), 원기둥, 타원형 구조, 다각형(예: n각, n은 3 이상의 정수) 및 다각별뿔(예: 오각별, 육각별, 칠각벽, 팔각별 등) 중 적어도 하나 이상 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 3차원 텍스처화된 표면은 돌출부, 오목부 또는 이둘을 모두 포함할 수 있다. 어떤 예에서 돌출부는 상기 언급된 3차원 구조에 관련될 수 있다. 어떤 예에서 오목부는 상기 언급된 3차원 구조 형태(또는, 단면)을 갖는 홈(groove)일 수 있다. 상기 오목부의 바닥면은 라운드 또는 뾰족한 팁(tip)(예: v 형)일 수 있다. 어떤 예에서 돌출부의 높이(예: 3차원 구조의 높이) 및 오목부의 깊이는 각각 약 1 um(마이크로미터) 내지 약 10 um(마이크로미터); 약 2 um(마이크로미터) 내지 약 10 um(마이크로미터); 약 3 um(마이크로미터) 내지 약 10 um(마이크로미터); 약 5 um(마이크로미터) 내지 약 10 um(마이크로미터); 약 2 um(마이크로미터) 내지 약 8 um(마이크로미터); 약 2 um(마이크로미터) 내지 약 6 um(마이크로미터); 또는 바람직하게는 약 2 um(마이크로미터) 내지 약 5 um(마이크로미터)일 수 있다. 어떤 예에서 돌출부의 직경(또는, 길이) 및 오목부의 직경(또는, 길이)는 각각 약 1 um(마이크로미터) 내지 약 10 um(마이크로미터); 약 2 um(마이크로미터) 내지 약 10 um(마이크로미터); 약 3 um(마이크로미터) 내지 약 10 um(마이크로미터); 약 5 um(마이크로미터) 내지 약 10 um(마이크로미터); 약 2 um(마이크로미터) 내지 약 8 um(마이크로미터); 약 2 um(마이크로미터) 내지 약 6 um(마이크로미터); 또는 바람직하게는 약 2 um(마이크로미터) 내지 약 5 um(마이크로미터)일 수 있다. 어떤 예에서 언급된 범위 내에 포함되면 표면 반사를 줄일 수 있다. In one embodiment, the textured surface of the polymer anti-reflection film may be a geometrically three-dimensionally textured surface by a three-dimensional structure. In one embodiment, the three-dimensional structure may be arranged regularly or irregularly. In some examples, the three-dimensional structure may include at least one or more of a sphere, an ellipse, a cone, a polypyramid (e.g., a triangular pyramid, a square pyramid, a pentagonal pyramid, a hexagonal pyramid, etc.), a polyprism (e.g., a triangular prism, a square prism, a pentagonal prism, a hexagonal prism, a hexagonal prism), a cylinder, an elliptical structure, a polygon (e.g., an n-gon, where n is an integer greater than or equal to 3), and a polypyramid (e.g., a pentagonal star, a hexagonal star, a heptagonal wall, an octagonal star, etc.), or a combination thereof. In one embodiment, the three-dimensionally textured surface may include a protrusion, a recess, or both. In some examples, the protrusion may be related to the three-dimensional structure mentioned above. In some examples, the recess can be a groove having the three-dimensional structure shape (or, cross-section) mentioned above. The bottom surface of the recess can be a round or pointed tip (e.g., v-shaped). In some examples, the height of the protrusion (e.g., the height of the three-dimensional structure) and the depth of the recess can be about 1 um (micrometer) to about 10 um (micrometer); about 2 um (micrometer) to about 10 um (micrometer); about 3 um (micrometer) to about 10 um (micrometer); about 5 um (micrometer) to about 10 um (micrometer); about 2 um (micrometer) to about 8 um (micrometer); about 2 um (micrometer) to about 6 um (micrometer); or preferably about 2 um (micrometer) to about 5 um (micrometer), respectively. In some examples, the diameter (or length) of the protrusion and the diameter (or length) of the recess can be from about 1 um (micrometer) to about 10 um (micrometer); from about 2 um (micrometer) to about 10 um (micrometer); from about 3 um (micrometer) to about 10 um (micrometer); from about 5 um (micrometer) to about 10 um (micrometer); from about 2 um (micrometer) to about 8 um (micrometer); from about 2 um (micrometer) to about 6 um (micrometer); or preferably from about 2 um (micrometer) to about 5 um (micrometer). Being within the ranges mentioned in some examples can reduce surface reflection.
일 실시 예에 따라, 상기 형광체 및 나노 산화물 입자는 고분자 반사방지막 중 약 0 중량% (초과) 내지 약 6 중량%; 약 0 중량% (초과) 내지 약 5 중량%; 약 0 중량% (초과) 내지 약 4 중량%; 약 0 중량% (초과) 내지 약 3 중량%; 약 0 중량%(초과) 내지 약 2 중량%; 약 0 중량%(초과) 내지 약 1.5 중량%; 약 0 중량% (초과) 내지 약 1 중량%; 약 0.5 중량% 내지 약 4 중량%; 또는 약 0.5 중량% 내지 약 3.6 중량%;일 수 있다. 어떤 예에서서 상기 형광체는 고분자 반사방지막 중 약 0 중량% (초과) 내지 약 2 중량%; 약 0 중량% (초과) 내지 약 1.8 중량%; 약 0 중량% (초과) 내지 약 1.5 중량%; 약 0.1 중량% (초과) 내지 약 2 중량%; 약 0.3 중량% (초과) 내지 약 2 중량%; 또는 바람직하게는 약 0.4 중량% (초과) 내지 약 1.6 중량%;일 수 있다. 어떤 예에, 상기 나노 산화물 입자는 고분자 반사방지막 중 약 0 중량% (초과) 내지 약 4 중량%; 약 0 중량% (초과) 내지 약 3 중량%; 약 0 중량% (초과) 내지 약 2 중량%; 약 0.1 중량% 내지 약 3 중량%; 약 0.1 중량% 내지 약 2 중량%; 약 0.3 중량% 내지 약 2 중량%; 약 0.4 중량% 내지 약 2 중량%; 일 수 있다. 어떤 예에서 언급된 범위 내에 포함되면 형광체 입자(예: 마이크로크기의 입자)의 하향 변환 효과 및 산화물 나노입자의 다중 산란 효과의 결합을 통해 표면 반사를 낮추고 UV 광에 의한 안정성을 향상시킬 수 있다. In one embodiment, the phosphor and nano-oxide particles can be present in the polymer anti-reflective coating in an amount of from about 0 wt % (exceeding) to about 6 wt %; from about 0 wt % (exceeding) to about 5 wt %; from about 0 wt % (exceeding) to about 4 wt %; from about 0 wt % (exceeding) to about 3 wt %; from about 0 wt % (exceeding) to about 2 wt %; from about 0 wt % (exceeding) to about 1.5 wt %; from about 0 wt % (exceeding) to about 1 wt %; from about 0.5 wt % to about 4 wt %; or from about 0.5 wt % to about 3.6 wt %. In some examples, the phosphor can be present in the polymer anti-reflective coating in an amount of from about 0 wt % (exceeding) to about 2 wt %; from about 0 wt % (exceeding) to about 1.8 wt %; from about 0 wt % (exceeding) to about 1.5 wt %; About 0.1 wt % (exceeding) to about 2 wt %; about 0.3 wt % (exceeding) to about 2 wt %; or preferably about 0.4 wt % (exceeding) to about 1.6 wt %; In some examples, the nano-oxide particles may be present in the polymeric anti-reflection coating in an amount of about 0 wt % (exceeding) to about 4 wt %; about 0 wt % (exceeding) to about 3 wt %; about 0 wt % (exceeding) to about 2 wt %; about 0.1 wt % to about 3 wt %; about 0.1 wt % to about 2 wt %; about 0.3 wt % to about 2 wt %; about 0.4 wt % to about 2 wt %. When included within the ranges mentioned in some examples, the surface reflection can be lowered and the stability due to UV light can be improved through the combination of the down-conversion effect of the phosphor particles (e.g., micro-sized particles) and the multiple scattering effect of the oxide nanoparticles.
일 실시 예에 따라, 상기 형광체 대 나노 산화물 입자의 질량비는 약 1 : 약 10 내지 약 1 : 약 1; 바람직하게는 약 1 : 약 5 내지 약 1 : 약 1인 것일 수 있다. 어떤 예에서 언급된 범위 내에 포함되면 형광체 입자의 하향 변환 효과 및 산화물 나노입자의 다중 산란 효과의 결합을 통해 표면 반사를 낮추고 UV 광에 의한 안정성을 향상시킬 수 있다. According to one embodiment, the mass ratio of the phosphor to the nano oxide particles can be from about 1: about 10 to about 1: about 1; preferably from about 1: about 5 to about 1: about 1. When included within the range mentioned in any example, the surface reflection can be lowered and the stability by UV light can be improved through the combination of the down-conversion effect of the phosphor particles and the multiple scattering effect of the oxide nanoparticles.
일 실시 예에 따라, 상기 고분자 반사방지막은 형광체를 적용함으로써, 텍스처 처리된 반사 방지층은 표면 반사를 낮추고, 잠재적으로 품질을 저하시키는 UV 광을 유용한 가시광선으로 변환하기 위한 광학 설계를 설정할 수 있다. In one embodiment, the polymeric anti-reflection coating can be textured to reduce surface reflection and establish an optical design to convert potentially quality-degrading UV light into useful visible light by applying a phosphor.
일 실시 예에 따라, 상기 고분자 반사방지막은 UV 광안정성을 극복하기 위하여 UV 영역을 흡수하여 가시광선 영역대로 형광하는 마이크로 크기의 형광체 (예: 형광체 입자)를 적용할 수 있고, 그 결과 광 경로 개선을 통해 광안정성을 개선시킬 수 있다. 즉, 자외선(UV) 광의 기생 흡수를 해결하기 위해 형광체를 추가하여 UV 광을 가시광선으로 변환할 수 있다. According to one embodiment, the polymer anti-reflection film can apply micro-sized phosphors (e.g., phosphor particles) that absorb UV range and fluoresce in visible light range to overcome UV photostability, thereby improving photostability through light path improvement. That is, by adding phosphors to resolve parasitic absorption of ultraviolet (UV) light, UV light can be converted into visible light.
일 실시 예에 따라, 상기 고분자 반사방지막은 별도의 심미성을 위한 부가 기술 없이 반사방지막에 이용되는 형광체의 형광 영역을 조절하여 RGB 구현 가능할 수 있다. 어떤 예에서 상기 고분자 반사방지막은 광전소자뿐만 아니라 이러한 심미성을 활용하여 태양광 발전설비(예: BIPV(Building Integrated Photovoltaic System) 및 VIPV(Vehicle Integrated Photovoltaic) 등 다양한 분야에 이용될 수 있다. According to one embodiment, the polymer anti-reflection film can implement RGB by controlling the fluorescence area of the phosphor used in the anti-reflection film without additional technology for separate aesthetics. In some examples, the polymer anti-reflection film can be used in various fields such as not only photovoltaic devices but also solar power generation facilities (e.g., BIPV (Building Integrated Photovoltaic System) and VIPV (Vehicle Integrated Photovoltaic)) by utilizing such aesthetics.
일 실시 예에 따라, 상기 형광체의 크기는 약 1 um(마이크로미터) 내지 약 5 um(마이크로미터) 일 수 있다. 여기서 형광체의 크기는 스토크스-아인슈타인 방정식(Stokes-Einstein equation)으로 산출하는 동적 광산란법(Dynamic Light Scattering method, DLS법)에 의해 측정된 입자 직경을 의미할 수 있다. According to one embodiment, the size of the phosphor may be about 1 um (micrometer) to about 5 um (micrometer). Here, the size of the phosphor may mean a particle diameter measured by a dynamic light scattering method (DLS method) calculated by the Stokes-Einstein equation.
일 실시 예에 따라, 상기 형광체는 녹색 형광체, 적색 형광체, 청색 형광체, 황적색 형광체 및 녹황색 형광체 중 적어도 하나 이상 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 형광체는 가넷(garnets)형 형광체, 실리케이트계(silicates) 형광체, 시알론(sialon)계 형광체, 황화물계(sulfides) 형광체, 실리콘 산화질화물계 형광체, 산질화물계(oxynitrides) 형광체, 산화물계 형광체, 질화물계(nitrides)(예: 실리콘 질화물계) 형광체, 알루미네이트계(aluminates) 형광체 중 적어도 하나 이상 또는 둘 이상의 임의의 조합을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the phosphor may include at least one or more of a green phosphor, a red phosphor, a blue phosphor, a yellow-red phosphor, and a green-yellow phosphor, or a combination thereof. According to one embodiment, the phosphor may include a garnet-type phosphor, a silicate-type phosphor, Sialon-based fluorescent substance, Sulfide fluorescent substance, Silicon oxynitride phosphors, oxynitride phosphors, It may include at least one or any combination of two or more of oxide-based phosphors, nitride-based phosphors (e.g., silicon nitride-based phosphors), and aluminate-based phosphors.
일 실시 예에 따라, 상기 형광체는 여기광(예: UV 광 영역)의 조사에 의해 형광(여기광보다 장파장의 형광)을 발하는 분말형 형광체일 수 있다. 어떤 예에서 상기 형광체는 UV 광 영역을 가시광 영역으로 바꿔주는 형광체를 적용할 수 있다. According to one embodiment, the phosphor may be a powdered phosphor that emits fluorescence (fluorescence of a longer wavelength than the excitation light) upon irradiation with an excitation light (e.g., a UV light region). In some examples, the phosphor may be a phosphor that converts a UV light region into a visible light region.
어떤 예에서 약 350 nm 내지 약 480 nm의 파장 영역의 광을 여기원으로 하고, 약 510 nm 내지 약 560 nm; 또는 약 520 nm 내지 약 560 nm의 파장 영역에서 발광 피크 또는 중심 파장을 갖는 녹색 형광체; 약 600 nm 내지 약 660 nm; 또는 약 590 nm 내지 약 650 nm의 파장 영역에서 발광 피크 또는 중심 파장을 갖는 적색 형광체; 및 약 450 ㎚ 내지 약 480 nm; 및 약 460 ㎚ 내지 약 470 ㎚의 파장 영역에서 발광 피크 또는 중심 파장을 갖는 청색 형광체에서 선택될 수 있다. In some examples, light in a wavelength range of about 350 nm to about 480 nm is used as an excitation source, and the light may be selected from a green phosphor having an emission peak or center wavelength in a wavelength range of about 510 nm to about 560 nm; or about 520 nm to about 560 nm; a red phosphor having an emission peak or center wavelength in a wavelength range of about 600 nm to about 660 nm; or about 590 nm to about 650 nm; and a blue phosphor having an emission peak or center wavelength in a wavelength range of about 450 nm to about 480 nm; and about 460 nm to about 470 nm.
어떤 예에서 상기 황화계 형광체는 CaS:Eu(적색), SrS:Eu(적색), (Sr, Ca)S:Eu(적색), SrGa2S4:Eu(녹색), SrGa2S4:Eu, BaGa2S4:Eu, SrAl2S4:Eu(Ca, Sr, Ba)(Al, Ga, In)2S4:Eu(또는, Ce), (Ca,Sr)S:Eu2+(적색), (Sr,Ca)Ga2S4:Eu2+(녹색), SrSi2O2N2:Eu2+(녹색) 등에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In some examples, the sulfide phosphor may be selected from, but is not limited to, CaS:Eu (red), SrS:Eu (red), (Sr, Ca)S:Eu (red), SrGa 2 S 4 :Eu (green), SrGa 2 S 4 :Eu, BaGa 2 S 4 :Eu, SrAl 2 S 4 :Eu(Ca, Sr, Ba)(Al, Ga, In) 2 S 4 :Eu (or, Ce), (Ca,Sr)S:Eu 2+ ( red), (Sr,Ca)Ga 2 S 4 :Eu 2+ (green), SrSi 2 O 2 N 2 :Eu 2+ (green).
어떤 예에서 상기 실리케이트계 형광체는 Ba2SiO4:Eu, Ca2SiO4:Eu, Sr2SiO4:Eu, Ba2SrSiO4:Eu, (Ba, Ca, Eu, Sr)2SiO4, (BaSr)3SiO5:Eu, (BaSr)2SiO4:Eu, Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu, Ca2Sr2MgSi2O7:Eu, Ca3Sc2Si3O12:Ce, (Sr,Ba,Ca,Mg,Zn)2Si(OD)4:Eu2+(D=F,Cl,S,N 또는 Br)(녹황색), Ba2MgSi2O7:Eu2+, Ba2SiO4:Eu2+(녹색), Ca3(Sc,Mg)2Si3O12:Ce3+(녹색) 등에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In some examples, the silicate-based phosphors are Ba 2 SiO 4 :Eu, Ca 2 SiO 4 :Eu, Sr 2 SiO 4 :Eu, Ba 2 SrSiO 4 :Eu, (Ba, Ca, Eu, Sr) 2 SiO 4, (BaSr) 3 SiO 5 :Eu, (BaSr) 2 SiO 4 :Eu, Ca 8 Mg(SiO 4 ) 4 Cl 2 :Eu, Ca 2 Sr 2 MgSi 2 O 7 :Eu, Ca 3 Sc 2 Si 3 O 12 :Ce, (Sr,Ba,Ca,Mg,Zn) 2 Si(OD) 4 :Eu 2+ (D=F,Cl,S,N or Br)(green-yellow), Ba 2 MgSi 2 O 7 :Eu 2+ , Ba 2 SiO 4 :Eu 2+ (green), Ca 3 (Sc, Mg) 2 Si 3 O 12 :Ce 3+ (green), etc., but are not limited thereto.
어떤 예에서 상기 질화물계(또는, 규소 질화물계) 형광체는 BaSi2O2N2:Eu, SrSi2O2N2:Eu, CaSi2O2N2:Eu, Ba3Si6O12N2:Eu, CaAlSiN3:Eu2+(적색), (Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+(황적색), Sr2Si5N8:Eu2+(적색) 등에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In some examples, the nitride-based (or silicon nitride-based) phosphors may be selected from, but are not limited to, BaSi 2 O 2 N 2 :Eu, SrSi 2 O 2 N 2 :Eu, CaSi 2 O 2 N 2 :Eu, Ba 3 Si 6 O 12 N 2 :Eu, CaAlSiN 3 :Eu 2+ (red), (Sr,Ca)AlSiN 3 :Eu 2+ (yellow-red), Sr 2 Si5N8:Eu 2+ (red).
어떤 예에서 상기 시알론계 형광체는 β-SiAlON:Re 및β-SiAlON:Eu 등에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In some examples, the sialon-based phosphor may be selected from, but is not limited to, β-SiAlON:Re and β-SiAlON:Eu.
어떤 예에서 상기 산화물계 형광체는 Sr4Al14O25:Eu, CaSc2O4:Ce, SrAl2O4:Eu, SiAlON:Ce3+(청록색), β-SiAlON:Eu2+(녹황색), Ca-α-SiAlON:Eu2+(주황색), Ba3Si6O12N2:Eu2+(녹색) 등에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 어떤 예에서 상기 알루미네이트계형광체는 (Y, Gd)3(Al, Ga)5O12:Ce(청색), (Sr,Ba)Al2O4:Eu2+(청색), (Mg,Sr)Al2O4:Eu2+(청색), BaMg2Al16O27:Eu2+(청색) 등에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In some examples, the oxide phosphors may be selected from, but are not limited to, Sr 4 Al 14 O 25 :Eu, CaSc 2 O 4 :Ce, SrAl 2 O 4 :Eu, SiAlON:Ce 3+ (cyan), β-SiAlON:Eu 2+ (green-yellow), Ca-α-SiAlON:Eu 2+ (orange), Ba 3 Si 6 O 12 N 2 :Eu 2+ (green). In some examples, the aluminate phosphor may be selected from, but is not limited to, (Y, Gd) 3 (Al, Ga) 5 O 12 :Ce (blue), (Sr, Ba)Al 2 O 4 :Eu 2+ (blue), (Mg, Sr)Al 2 O 4 :Eu 2+ (blue), BaMg 2 Al 16 O 27 :Eu 2+ (blue).
일 실시 예에 따라, 상기 고분자 반사방지막은 마이크로급 크기의 형광체에 의한 후방 산란에 따른 광손실을 극복하기 위해 미 스캐터링(Mie scattering) 효과를 이용한 광 운용 설계를 시뮬레이션하여 나노 산화물 분말을 설정하고, 형광체와 함께 고분자 반사방지막에 도입할 수 있다.. 이는 광전소자의 광학 성능 및 효율 향상에 기여할 수 있다. 어떤 예에서 고분자 반사방지막의 나노 산화물 분말(예: SiO2 나노입자)이 확산 투과율을 증가시켜 반사율을 감소시킬 수 있다. 어떤 예에서 내장된 형광체는 큰 입자 크기(예: > 약 5 μm) 및 형광체의 높은 굴절률(예: n 1.9)로 인해 ARC 필름의 반사율을 증가시킬 수 있고, 이러한 형광체의 후방 산란 문제(backward scattering problem)는 나노 산화물 분말 (예: 구형의 SiO2 나노입자)을 추가하여 보완할 수 있다. 어떤 예에서 텍스처화된 고분자 반사방지코팅(ARC) 필름의 광학적 특성은 큰 형광체 입자의 하향 변환 효과와 나노 산화물 분말(예: SiO2 나노입자)의 다중 산란 효과를 결합하여 개선시킬 수 있다. According to one embodiment, the polymer anti-reflection film can be set by simulating an optical operation design using the Mie scattering effect to overcome light loss due to backscattering by a micro-sized fluorescent substance, and can be introduced into the polymer anti-reflection film together with the fluorescent substance. This can contribute to improving the optical performance and efficiency of the photovoltaic device. In some examples, the nano-oxide powder (e.g., SiO 2 nanoparticles) of the polymer anti-reflection film can increase the diffusion transmittance and reduce the reflectance. In some examples, the embedded fluorescent substance has a large particle size (e.g., > about 5 μm) and a high refractive index (e.g., n 1.9) can increase the reflectivity of the ARC film, and the backward scattering problem of these phosphors can be compensated by adding nano-oxide powders (e.g., spherical SiO 2 nanoparticles). In some examples, the optical properties of textured polymeric anti-reflective coating (ARC) films can be improved by combining the down-conversion effect of large phosphor particles and the multiple scattering effect of nano-oxide powders (e.g., SiO 2 nanoparticles).
일 실시 예에 따라, 상기 나노 산화물 입자는, 약 30 nm(나노미터) 내지 약 400 nm(나노미터); 약 30 nm(나노미터) 내지 약 340 nm (나노미터); 약 30 nm(나노미터) 내지 약 300 nm(나노미터); 약 30 nm(나노미터) 내지 약 250 nm(나노미터); 약 30 nm(나노미터) 내지 약 200 nm(나노미터); 약 40 nm(나노미터) 내지 약 150 nm(나노미터); 약 50 nm(나노미터) 내지 약 100 nm(나노미터); 또는 바람직하게는 약 30 nm(나노미터) 내지 약 100 nm(나노미터)크기를 갖는 것일 수 있다. 어떤 예에서 상기 크기는 입자의 형태에 따라 길이, 직경, 두께 등일 수 있다. 어떤 예에서 상기 나노 산화물 입자는 구형, 다면체, 비즈, 타원형 등일 수 있다. 어떤 예에서 언급된 크기의 범위를 포함하고 반사방지막 내에서 형광체의 후방 산란에 따른 요구되는 광학 특성 및 안정성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 나노 산화물 입자의 크기 증가에 따른 반사율을 증가시키거나 광 투과율이 낮아지는 것을 방지할 수 있다. According to one embodiment, the nano-oxide particles may have a size of about 30 nm (nanometers) to about 400 nm (nanometers); about 30 nm (nanometers) to about 340 nm (nanometers); about 30 nm (nanometers) to about 300 nm (nanometers); about 30 nm (nanometers) to about 250 nm (nanometers); about 30 nm (nanometers) to about 200 nm (nanometers); about 40 nm (nanometers) to about 150 nm (nanometers); about 50 nm (nanometers) to about 100 nm (nanometers); or preferably about 30 nm (nanometers) to about 100 nm (nanometers). In some examples, the size may be a length, a diameter, a thickness, or the like depending on the shape of the particle. In some examples, the nano-oxide particles may be spherical, polyhedral, beaded, oval, or the like. It is possible to prevent the required optical properties and stability from being deteriorated due to backscattering of a fluorescent substance within an antireflection film, including a range of sizes mentioned in some examples. In addition, it is possible to prevent the reflectivity from increasing or the light transmittance from decreasing due to an increase in the size of the nano oxide particles.
일 실시 예에 따라, 상기 나노 산화물 입자는, 광산란 기능을 갖는 산화물 입자를 포함할 수 있으며, 상기 나노 산화물 입자는, 실리카, 산화안티몬, 산화보론, 산화칼슘, 산화티타늄, 산화마그네슘, 산화바륨, 산화알루미늄, 산화비스무트, 산화지르코늄, 산화주석, 산화텅스텐, 산화스트론튬, 산화니오븀, 산화지르코늄 및 산화아연 중 적어도 하나 이상을 포함하는 광산랑성 입자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 어떤 예에서 상기 나노 산화물 입자는 스티렌, 아크릴 등의 유기 비드와 혼합되어 적용될 수 있다. According to one embodiment, the nano-oxide particles may include oxide particles having a light-scattering function, and the nano-oxide particles may include light-scattering particles including at least one or more of silica, antimony oxide, boron oxide, calcium oxide, titanium oxide, magnesium oxide, barium oxide, aluminum oxide, bismuth oxide, zirconium oxide, tin oxide, tungsten oxide, strontium oxide, niobium oxide, zirconium oxide, and zinc oxide, or a combination thereof. In some examples, the nano-oxide particles may be applied by being mixed with organic beads such as styrene and acrylic.
일 실시 예에 따라, 고분자 반사방지막의 두께는 약 50 um(마이크로미터) 내지 약 300 um(마이크로미터); 또는 바람직하게는 약 100 um(마이크로미터) 내지 약 200 um(마이크로미터) 일 수 있다. 일 실시 예에 따라, 상기 고분자 반사방지막의 광투과도는 약 90 % 이상; 약 95 % 이상; 또는 약 90 % 내지 약 97 %인 것일 수 있다. In one embodiment, the polymer anti-reflective film may have a thickness of from about 50 um (micrometers) to about 300 um (micrometers); or preferably from about 100 um (micrometers) to about 200 um (micrometers). In one embodiment, the polymer anti-reflective film may have a light transmittance of from about 90 % or greater; from about 95 % or greater; or from about 90 % to about 97 %.
일 실시 예에 따라, 본 개시의 실시 예들에 따른 고분자 반사방지막의 제조방법은, 고분자 레진 및 경화제를 포함하는 베이스 레진 조성물을 제조하는 단계; 상기 베이스 레진 조성물에 형광체 분산액을 투입하고 혼합하는 단계; 형광체 분산액 및 베이스 레진의 혼합 조성물에서 상기 분산액의 용매를 제거하는 단계; 산화물 입자를 투입하고 혼합하는 단계; 및 기재에 코팅한 이후에 경화하는 단계;를 포함할 수 있다. According to one embodiment, a method for manufacturing a polymer anti-reflection film according to embodiments of the present disclosure may include: preparing a base resin composition including a polymer resin and a curing agent; adding and mixing a fluorescent dispersion into the base resin composition; removing a solvent of the dispersion from the mixed composition of the fluorescent dispersion and the base resin; adding and mixing oxide particles; and curing after coating on a substrate.
일 실시 예에 따라, 고분자 레진, 형광체 및 산화물은 고분자 반사방지막에서 언급된 바와 같다. 일 실시 예에 따라, 경화제는 고분자의 종류 또는 경화 방식에 따라 적절하게 선택할 수 있으며, 필름 형성을 위한 경화 공정에 적용되는 것이라면 제한 없이 적용될 수 있다. 예를 들어, Sylgard 170, Sylgard 184 또는 Sylgard 186 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 경화제는 상기 고분자 레진에 대해 약 0.01 중량% 내지 약 2 중량%; 약 0.01 중량% 내지 약 1.5 중량%; 약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%; 또는 약 0.1 중량% 내지 약 1 중량%로 포함될 수 있다. In one embodiment, the polymer resin, the fluorescent substance, and the oxide are as mentioned in the polymer anti-reflection film. In one embodiment, the curing agent can be appropriately selected depending on the type of the polymer or the curing method, and can be applied without limitation as long as it is applicable to the curing process for forming the film. For example, it may be Sylgard 170, Sylgard 184, or Sylgard 186, but is not limited thereto. For example, the curing agent may be included in an amount of about 0.01 wt % to about 2 wt %; about 0.01 wt % to about 1.5 wt %; about 0.01 wt % to about 1 wt %; or about 0.1 wt % to about 1 wt % with respect to the polymer resin.
일 실시 예에 따라, 상기 형광체 분산액은 약 0.1 중량% 내지 약 2중량%; 더 바람직하게는 약 0.4중량% 내지 약 1.6중량%의 형광체 및 용매를 포함하는 것으로, 상기 용매는 형광체 분산이 가능한 것이라면 제한 없이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 메탄올, 에탄올 등일 수 있다. According to one embodiment, the phosphor dispersion comprises about 0.1 wt % to about 2 wt % of the phosphor and a solvent, more preferably about 0.4 wt % to about 1.6 wt %, wherein the solvent can be applied without limitation as long as it is capable of dispersing the phosphor, and may be, for example, methanol, ethanol, etc.
일 실시 예에 따라, 상기 용매를 제거하는 단계는 형광체 분산액에 적용된 용매를 진공 하에서 제거할 수 있다. 어떤 예에서 상기 용매는 끓는점이 약 100 ℃ 이하; 약 90 ℃ 이하; 약 80 ℃ 이하; 약 70 ℃ 이하; 또는 약 50 ℃ 이하의 용매일 수 있으며, 바람직하게는 에탄올일 수 있다. 어떤 예에서 상온 내지 약 100 ℃; 상온 내지 약 90 ℃; 상온 내지 약 80 ℃; 또는 약 30 ℃ 내지 약 50 ℃ 온도에서 용매를 제거할 수 있다. In one embodiment, the step of removing the solvent may remove the solvent applied to the phosphor dispersion under vacuum. In some examples, the solvent may be a solvent having a boiling point of about 100° C. or less; about 90° C. or less; about 80° C. or less; about 70° C. or less; or about 50° C. or less, and may preferably be ethanol. In some examples, the solvent may be removed at a temperature of room temperature to about 100° C.; room temperature to about 90° C.; room temperature to about 80° C.; or about 30° C. to about 50° C.
일 실시 예에 따라, 상기 코팅은 알려진 코팅 방법을 제한 없이 적용될 수 있으며, 예를 들어, 스핀 코팅, 분사 코팅, 바코팅, 인쇄 코팅 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. According to one embodiment, the coating may be applied by any known coating method without limitation, for example, but not limited to, spin coating, spray coating, bar coating, print coating, etc.
일 실시 예에 따라, 본 개시의 실시 예들에 고분자 반사방지박 필름을 포함하는 광전소자를 제공할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 상기 광전소자는 페로브스카이트 태양전지, 실리콘 태양전지 또는 이 둘을 포함할 수 있다. 어떤 예에서 상기 광전소자는 모놀리딕 페로브스카이트 태양전지층; 및 실리콘 탠덤 태양전지층;을 포함할 수 있다. 어떤 예에서 상기 광전소자에서 고분자 반사방지박 필름은 상기 모놀리딕 페로브스카이트 태양전지층 상에 위치될 수 있다. In one embodiment, a photovoltaic device comprising a polymer anti-reflective film according to embodiments of the present disclosure can be provided. In one embodiment, the photovoltaic device can include a perovskite solar cell, a silicon solar cell, or both. In some examples, the photovoltaic device can include a monolithic perovskite solar cell layer; and a silicon tandem solar cell layer. In some examples, in the photovoltaic device, the polymer anti-reflective film can be positioned on the monolithic perovskite solar cell layer.
일 실시 예에 따라, 페로브스카이트 태양 전지는 본 개시에 관련된 기술 분야에서 알려진 구성을 포함할 수 있으며, 본 문서에는 구체적으로 언급하지 않는다. 예를 들어, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 페로브스카이트 광흡수층을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 정공 수송층, 페로브스카이트 패시베이션층, 전자 수송층, 버퍼층 등과 같은 기능성층이 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the perovskite solar cell may include a configuration known in the art related to the present disclosure, which is not specifically mentioned in this document. For example, it may include a first electrode and a second electrode, and a perovskite light-absorbing layer between the first electrode and the second electrode. In one embodiment, it may further include functional layers, such as a hole transport layer, a perovskite passivation layer, an electron transport layer, a buffer layer, and the like.
일 실시 예에 따라, 상기 페로브스카이트는 무기금속할라이드 페로브스카이트, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 페로브스카이트는 ABX3, A2BX4, ABX4, APbX3, An-1PbnI3n+1(n은 2 내지 6사이의 정수) 등의 화학식으로 표시되는 구조일 수 있다. 어떤 예에서 상기 페로브스카이트는 1종, 2종 또는 3종 이상이 혼합된 혼합물일 수 있다. 어떤 예에서 상기 화학식에서 A는 알칼리금속, 유기 양이온(예를 들어, 유기암모늄) 및/또는 무기 양이온이며, B는 금속물질이고, X는 할로겐 음이온, 칼코게나이드 음이온 및 SCN-(thiocyanate)에서 선택될 수 있다. 예를 들어, A는 Na, K, Rb, Cs 또는 Fr의 알칼리금속; (CH3NH3)n, ((CxH2x+1)nNH3)2(CH3NH3)n, (RNH3)2, (CnH2n+1NH3)2, (CF3NH3), (CF3NH3)n, ((CxF2x+1)nNH3)2(CF3NH3)n, ((CxF2x+1)nNH3)2 또는 (CnF2n+1NH3)2(n은 1이상인 정수, x는 1이상인 정수)이고, B는 2가의 전이 금속, 희토류 금속, 알칼리토류 금속, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi, Po 등(예: (예: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, Mn, Ge, Eu 및 Zr 등에서 선택됨됨)이고, X는 P, Cl, Br, I 등일 수 있다. 어떤 예에서 상기 페로브스카이트는 CH3NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbI2Cl, CH3NH3PbI2Br 등일 수 있다. 어떤 예에서 상기 페로브스카이트 화합물 중 2종 이상을 포함할 경우에, 제1 페로브스카이트 화합물 대 제2 페로브스카이트 화합물의 비율은 5:5 내지 9:1일 수 있다. 어떤 예에서 또한, NaX', ZnX', KX' 및 CsX' (X'는 Cl, Br 및 I에서 선택된다.) 등의 화학식으로 표시되는 화합물을 더 포함하고, 전체 페로브스카이트 화합물 중 약 10 % 이하; 또는 약 5 % 이하로 포함될 수 있다. In one embodiment, the perovskite may be an inorganic metal halide perovskite, an organic-inorganic hybrid perovskite, or the like. For example, the perovskite may have a structure represented by a chemical formula such as ABX 3 , A 2 BX 4 , ABX 4 , APbX 3 , A n-1 Pb n I 3n+1 (wherein n is an integer from 2 to 6). In some examples, the perovskite may be a mixture of one kind, two kinds, or three or more kinds. In some examples, in the chemical formula, A is an alkali metal, an organic cation (e.g., organoammonium), and/or an inorganic cation, B is a metal material, and X may be selected from a halogen anion, a chalcogenide anion, and SCN-(thiocyanate). For example, A may be an alkali metal such as Na, K, Rb, Cs, or Fr; (CH 3 NH 3 ) n , ((C x H 2x+1 ) n NH 3 ) 2 (CH 3 NH 3 ) n , (RNH 3 ) 2 , (C n H 2n+1 NH 3 ) 2 , (CF 3 NH 3 ), (CF 3 NH 3 ) n , ((C x F 2x+1 ) n NH 3 ) 2 (CF 3 NH 3 ) n , ((C x F 2x+1 ) n NH 3 ) 2 or (C n F 2n+1 NH 3 ) 2 (n is an integer greater than or equal to 1, x is an integer greater than or equal to 1), and B is a divalent transition metal, rare earth metal, alkaline earth metal, Pb, Sn, Ge, Ga, In, Al, Sb, Bi, Po, etc. (e.g. (e.g. Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Fe, (selected from Cd, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Hg, Sn, Ge, Ga, Pb, In, Tl, Sb, Bi, Ti, Zn, Cd, Hg, Mn, Ge, Eu and Zr), and X is P, Cl, Br, I, etc. In some examples, the perovskite may be CH 3 NH 3 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbBr 3 , CH 3 NH 3 PbI 2 Cl, CH 3 NH 3 PbI 2 Br, etc. In some examples, when two or more of the perovskite compounds are included, the ratio of the first perovskite compound to the second perovskite compound may be 5:5 to 9:1. In some examples, further, a compound represented by chemical formulas such as NaX', ZnX', KX', and CsX'(X' is selected from Cl, Br, and I) may be included, and may be included in an amount of about 10% or less; or about 5% or less, of the total perovskite compound.
일 실시 예에 따라, 실리콘 태양전지는 본 개시의 기술 분야에서 알려진 구성을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 유리기판, 실리콘 웨이퍼, 투명전극층, p형 비정질 실리콘층, i형 비정질 실리콘층, n형 비정질 실리콘층, 정공수송층, 유기 광활성층 및 금속전극층을 순차적으로 적층된 형태로 포함하는 구조를 포함할 수 있다. 필요에 따라 알려진 구성을 더 포함할 수 있다. According to one embodiment, the silicon solar cell may include a configuration known in the art of the present disclosure, for example, a structure including a glass substrate, a silicon wafer, a transparent electrode layer, a p-type amorphous silicon layer, an i-type amorphous silicon layer, an n-type amorphous silicon layer, a hole transport layer, an organic photoactive layer, and a metal electrode layer, which are sequentially stacked. The known configuration may further be included as needed.
일 실시 예에 따라, 정공수송층 또는 전자수송층은 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 아연(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타늄(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브덴(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 주석(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트륨(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 스트론튬-타이타늄(Sr-Ti)산화물, 플루오르화리튬(LiF), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole) P3HT(poly[3-hexylthiophene]), Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine) 9,9'-spirobifluorene), PTB7(Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4- b]thiophenediyl]]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylenevinylene), MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), POT( poly(octyl thiophene)), P3DT(poly(3-decyl thiophene)), P3DDT(poly(3-dodecyl thiophene), PPV(poly(p-phenylene vinylene)), TFB(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenyl amine), 폴리아닐린(Polyaniline), F8BT(poly(9,9′-dioctylfluorene-cobenzothiadiazole), PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PTAA(poly(triarylamine)), poly-TPD(Poly(4-butylphenyldiphenyl-amine) 및 이들의 공중합 또는 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. According to one embodiment, the hole transport layer or the electron transport layer is selected from the group consisting of titanium (Ti) oxide, zirconium (Zr) oxide, strontium (Sr) oxide, zinc (Zn) oxide, indium (In) oxide, lanthanum (La) oxide, vanadium (V) oxide, molybdenum (Mo) oxide, tungsten (W) oxide, tin (Sn) oxide, niobium (Nb) oxide, magnesium (Mg) oxide, aluminum (Al) oxide, yttrium (Y) oxide, scandium (Sc) oxide, samarium (Sm) oxide, gallium (Ga) oxide, strontium-titanium (Sr-Ti) oxide, lithium fluoride (LiF), poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), polyaniline, polypyrrole P3HT (poly[3-hexylthiophene]), Spiro-OMeTAD (2,2',7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine) 9,9'-spirobifluorene), PTB7 (Poly[[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4- b]thiophenediyl]]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctylacyl)]-1,4-phenylenevinylene), It may include at least one or more of MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), POT( poly(octyl thiophene)), P3DT(poly(3-decyl thiophene)), P3DDT(poly(3-dodecyl thiophene), PPV(poly(p-phenylene vinylene)), TFB(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenyl amine), polyaniline, F8BT(poly(9,9′-dioctylfluorene-cobenzothiadiazole), PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PTAA(poly(triarylamine)), poly-TPD(poly(4-butylphenyldiphenyl-amine)), and copolymers thereof, or combinations thereof, but is not limited thereto.
일 실시 예에 따라, 제1 전극은, ITO, IZO, FTO 및 AZO 중 적어도 하나 이상을 포함하고, 제2 전극은, Ag, Au 및 Al로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하거나 금소 전극일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. According to one embodiment, the first electrode includes at least one of ITO, IZO, FTO and AZO, and the second electrode may include at least one metal selected from the group consisting of Ag, Au and Al or may be a gold electrode, but is not limited thereto.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by examples and comparative examples.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only intended to illustrate the present invention, and the content of the present invention is not limited to the following examples.
실시예Example
텍스쳐링된 Si 몰드(Textured Si Mold)의 제작: Fabrication of Textured Si Mold :
Si 기판을 먼저 절단(예: 정사각형 조각, 30mm Х 30mm)한 이후 초음파를 사용하여 아세톤, 탈이온수 및 에탄올로 각각 10 분 동안 세척하였다 습식 에칭 전에 Si 기판 표면의 자연 산화막을 제거하기 위해 Si 기판을 완충 에천트(buffered oxide etchant; BOE)에 담갔다. 그 후, Si 샘플을 DI 물로 헹구고 N2 가스 흐름을 사용하여 건조시켰다. 마이크로 피라미드 Si 몰드(micro-pyramidal Si mold)를 제작하기 위해 Si 기판을 95 ℃에서 10분 동안 수산화칼륨 용액(potassium hydroxide solution)에 담그고 KOH, IPA 및 DI water (8:5:100 v/v ) 혼합 용액에 70 ℃에서 40분 동안 담그고 화학 습식 에칭(chemically wet etched)하였다. 샘플을 탈이온수로 헹구고 N2 가스로 건조시켰다.The Si substrate was first cut (e.g., square pieces, 30 mm Х 30 mm), then ultrasonically cleaned with acetone, deionized water, and ethanol for 10 min each. The Si substrate was immersed in buffered oxide etchant (BOE) to remove the native oxide film on the Si substrate surface before wet etching. After that, the Si sample was rinsed with DI water and dried using N 2 gas flow. To fabricate the micro-pyramidal Si mold, the Si substrate was immersed in potassium hydroxide solution at 95 °C for 10 min, then chemically wet etched in a mixed solution of KOH, IPA, and DI water (8:5:100 v/v) at 70 °C for 40 min. The sample was rinsed with DI water and dried with N 2 gas.
30 nm SiO2 NP는 미국(Research Nanomaterials, Inc.)에서 구입하였다. 100 nm, 340 nm 및 1300 nm SiO2 NP는 방법으로 합성하였다. NH4OH(100 nm의 경우 3 mL 및 340 nm의 경우 4.5 mL)와 에탄올(50 mL)을 실온(room temperature)에서 밤새 자기 교반(약 500 rpm)으로 혼합하여 균일한 용액을 준비하였다. TEOS(Tetraethyl orthosilicate, 1.5 mL)를 교반하면서 용액에 한 방울씩 떨어뜨렸다.30 nm SiO 2 NPs were purchased from Research Nanomaterials, Inc., USA. 100 nm, 340 nm, and 1300 nm SiO 2 NPs were was synthesized by the method. NH4OH (3 mL for 100 nm and 4.5 mL for 340 nm) and ethanol (50 mL) were mixed with magnetic stirring (approximately 500 rpm) overnight at room temperature to prepare a homogeneous solution. Tetraethyl orthosilicate (TEOS, 1.5 mL) was added dropwise to the solution while stirring.
용액을 12시간 동안 계속 교반하여 투명한 실리카 졸을 형성하였다. 실리카 입자를 8000 rpm에서 20분 동안 원심분리하여 수집한 다음 에탄올에 3회 재분산시켰다. 1300 nm의 경우, TEOS(3.9 mL)를 NH4OH(10.75 mL) 및 에탄올(50 mL)의 용액에 천천히 첨가하여 시드 용액(500nm SiO2)을 준비하였다. 그 후, 시드 용액을 NH4OH(11.8 mL), 에탄올(50 mL) 및 TEOS(4.2 mL)와 혼합하여 1300 nm SiO2 NPs를 형성하였다. 용액을 자기 교반(500rpm)과 함께 실온에서 24시간 동안 유지하였다. The solution was stirred continuously for 12 h to form a transparent silica sol. The silica particles were collected by centrifugation at 8000 rpm for 20 min and then redispersed in ethanol three times. For 1300 nm, the seed solution (500 nm SiO 2 ) was prepared by slowly adding TEOS (3.9 mL) to a solution of NH 4 OH (10.75 mL) and ethanol (50 mL). The seed solution was then mixed with NH 4 OH (11.8 mL), ethanol (50 mL), and TEOS (4.2 mL) to form 1300 nm SiO 2 NPs. The solution was maintained at room temperature with magnetic stirring (500 rpm) for 24 h.
반사방지막의 제조(Antireflective Coating Film): Manufacturing of Antireflective Coating Film:
실리케이트계 녹색 형광체(Silicate-based green phosphors; SGA 550 100 isiphor)는,"Merck KgaA, Darmstadt, Germany"에서 구입하였다. 형광체의 응집을 방지하기 위해 먼저 초음파 처리를 사용하여 분말을 에탄올(에탄올 : 분말 비율= 15:1 내지 30:1)에 분산시키고 0.0 %, 0.4 %, 0.8 %, 1.2 % 및 1.6 %의 부피 백분율로 PDMS 용액에 첨가하였다. 베이스 레진과 경화제(10 : 1 중량%)의 혼합물(Sylgard 184, Dow Corning Co.)을 사용하여 PDMS 용액을 제조하였다. 2시간 동안 진공에 의해 에탄올을 완전히 제거한 이후, SiO2 입자를 용액에 첨가하고 조심스럽게 혼합하였다. 형광체와 SiO2 입자가 혼합된 PDMS 용액을 텍스처를 갖는 Si 몰드(textured Si mold)에 붓고 65 ℃에서 밤새 경화시켰다. 필름은 페로브스카이트/Si 탠덤 태양전지(perovskite/Si tandem solar cell)의 상부 표면으로 전사된다. Silicate-based green phosphors (SGA 550 100 isiphor) were purchased from "Merck KgaA, Darmstadt, Germany." To prevent agglomeration of the phosphor, the powder was first dispersed in ethanol (ethanol:powder ratio = 15:1 to 30:1) using ultrasonic treatment and added to the PDMS solution at volume percentages of 0.0%, 0.4%, 0.8%, 1.2%, and 1.6%. The PDMS solution was prepared using a mixture of base resin and curing agent (10:1 wt%) (Sylgard 184, Dow Corning Co.). After ethanol was completely removed by vacuum for 2 h, SiO 2 particles were added to the solution and mixed carefully. The PDMS solution containing the phosphor and SiO 2 particles was poured into a textured Si mold and cured at 65 °C overnight. The film is transferred to the top surface of a perovskite/Si tandem solar cell.
Si 태양 전지 제작: Si Solar Cell Fabrication:
Si 웨이퍼(monocrystalline Si wafers(1-5 Ω cm, p-type, CZ, 525 μm))를 RCA 세정 절차를 사용하여 세정하였다. 전자빔 증발기를 사용하여 2 마이크로미터 두께의 알루미늄을 Si 웨이퍼 후면에 증착하였다. 스핀 코팅을 이용하여 스핀 온 도펀트(Filmtronics SOD P507)를 Si 웨이퍼의 앞면(front side)에 코팅하였다. 급속 열처리(rapid thermal annealing; RTA) 시스템을 사용하여 도핑 수준을 제어하고 최적화하였다. 면저항이 100 ohms sq-q인 이미터를 앞면에 형성하고, 뒷면(back side)에 P+Al BSF(Al-back-surface-field)를 형성하였다. 잔류하는 인실리케이트 유리(phosphorous silicate glass)는 RTA 시스템을 사용하여 산화시키고 불산으로 제거하였다. 다른으로, 빔(예: e-beam evaporator)을 이용하여 후면에 1 ㎛ Ag 금속 전극을 증착하였다. 마지막으로 RF 마그네트론 스퍼터링 공정(RF magnetron sputtering process)을 통해 20 nm 두께의 ITO를 증착하여 재결합층(recombination layer)을 형성하였다. Monocrystalline Si wafers (1-5 Ω cm, p-type, CZ, 525 μm) were cleaned using the RCA cleaning procedure. 2 μm thick aluminum was deposited on the back side of the Si wafers using an e-beam evaporator. Spin-on dopant (Filmtronics SOD P507) was spin-coated on the front side of the Si wafers. The doping level was controlled and optimized using a rapid thermal annealing (RTA) system. An emitter with a sheet resistance of 100 ohms sq -q was formed on the front side, and a P+Al BSF (Al-back-surface-field) was formed on the back side. The residual phosphorous silicate glass was oxidized using the RTA system and removed with hydrofluoric acid. Alternatively, a 1 μm Ag metal electrode was deposited on the back side using an e-beam evaporator. Finally, a 20 nm thick ITO was deposited using an RF magnetron sputtering process to form a recombination layer.
페로브스타이트 태양 전지 및 탬덤 태양전지(Perovskite Solar Cell and Tandem Solar Cell)의 제작:Fabrication of Perovskite Solar Cell and Tandem Solar Cell:
PTAA 용액(클로로벤젠 중 2 mg mL-L)을 6000 rpm에서 30초 동안 기판에 스핀 코팅하고 100 ℃에서 10분 동안 어닐링하였다. 메탄올에 녹인 0.5 mg mL-1 PFN-Br 용액을 PTAA HEL에 5000 rpm에서 30초 동안 스핀 코팅하였다. Cs0.05(FA0.83 MA0.17)0.95Pb(I0.75Br0.25)3 혼합 페로브스카이트 용액을 준비하기 위해서, N,N-디메틸포름아미드(DMF)/디메틸 설폭사이드(DMSO)(4:1 v/v) 공용매 내에 각 1.35 M FAPbI3 with 10% excess PbI2 및 1.35 M MAPbBr3; 및 DMSO 내 1.5 M CsI 저장 용액을 별도로 준비하였다. 다음으로, FAPbI3, MAPbBr3 및 CsI 용액을 750:250:53.7 부피비로 혼합했습니다. 혼합 페로브스카이트 용액을 반용매 적하법으로 캐스트(cast)하였다. 스핀 코팅은 램핑 시간 동안 1.7초 동안 5000 rpm으로 회전하고 유지 단계에서 30초 동안 5000 rpm으로 회전하는 것으로 구성된다. 10초 후, 회전하는 기판을 반용매(anti-solvent)로서 300 μL 에틸 아세테이트로 세척하였다. A PTAA solution (2 mg mL -L in chlorobenzene) was spin-coated on the substrate at 6000 rpm for 30 s and annealed at 100 °C for 10 min. A 0.5 mg mL -1 PFN-Br solution in methanol was spin-coated on the PTAA HEL at 5000 rpm for 30 s. To prepare the Cs 0.05 (FA 0.83 MA 0.17 ) 0.95 Pb(I 0.75 Br 0.25) 3 mixed perovskite solution, 1.35 M FAPbI 3 with 10% excess PbI 2 and 1.35 M MAPbBr 3 were dissolved in N,N-dimethylformamide (DMF)/dimethyl sulfoxide (DMSO) (4:1 v/v) solvent; and 1.5 M CsI stock solution in DMSO were prepared separately. Next, FAPbI 3 , MAPbBr 3 , and CsI solutions were mixed in a volume ratio of 750:250:53.7. The mixed perovskite solution was cast by an antisolvent dropping method. The spin coating consisted of spinning at 5000 rpm for 1.7 s during the ramping time and spinning at 5000 rpm for 30 s during the holding step. After 10 s, the spinning substrate was washed with 300 μL ethyl acetate as an antisolvent.
다음으로, 페로브스카이트 필름을 100 ℃에서 1시간 동안 어닐링하였다. PCBM(OSM) 용액(20 mg mL-L in chlorobenzene)은 4000 rpm에서 30초 동안 스핀 코팅하였고, ZnO 용액(Avantama)도 동일한 조건에서 코팅 후 100 ℃에서 1분 동안 열처리하였다. 이후에 전자빔 증발기(e-beam evaporator)를 사용하여 100 nm 두께의 Ag 전극을 증착하였다. 모놀리식 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지(monolithic perovskite/Si tandem solar cell)는 탠덤형 하부 Si 태양전지(tandem-oriented bottom Si solar cell) 위에 반투명 페로브스카이트 태양전지 공정을 적용하여 제작하였다. Next, the perovskite films were annealed at 100 °C for 1 h. The PCBM (OSM) solution (20 mg mL -L in chlorobenzene) was spin-coated at 4000 rpm for 30 s, and the ZnO solution (Avantama) was also coated under the same conditions, followed by annealing at 100 °C for 1 min. After that, a 100 nm thick Ag electrode was deposited using an e-beam evaporator. The monolithic perovskite/Si tandem solar cell was fabricated by applying the semitransparent perovskite solar cell process on the tandem-oriented bottom Si solar cell.
특성 분석 방법Characteristic Analysis Method
쉐도우 마스크로 정의된 소자 면적은 0.25 cm2이다. 페로브스카이트/Si 탠덤 태양 전지의 J-V 특성은 조리개 마스크(0.25 cm2)가 있는 조명으로 AM 1.5G(100 mWcm-2) 조건에서 측정되었다. IPCE 스펙트럼은 주변 조건에서 Xenon 램프의 단색 조명을 적용하여 QE 측정 시스템(Newport)을 사용하여 측정되었다. 전체 투과율과 확산 투과율은 100 nm 직경의 적분구(LAMBDA 750, Perkin Elmer)가 있는 UV-vis-NIR 분광광도계를 사용하여 측정되었습니다. PL (Photoluminescence) 측정은 분광형광계(spectrofluorometer; QuantaMaster, PTI)를 사용하여 수행되었다. 여기 및 방출 스펙트럼은 각각 280 nm - 480 nm 및 400 nm - 680 nm에서 1 nm 단위로 기록되었습니다.The device area defined by the shadow mask is 0.25 cm 2 . The J-V characteristics of perovskite/Si tandem solar cells were measured under AM 1.5G (100 mWcm -2 ) conditions with an aperture mask (0.25 cm 2 ). The IPCE spectra were measured using a QE measurement system (Newport) under ambient conditions and monochromatic illumination from a Xenon lamp. The total transmittance and diffuse transmittance were measured using a UV-vis-NIR spectrophotometer with a 100 nm diameter integrating sphere (LAMBDA 750, Perkin Elmer). Photoluminescence (PL) measurements were performed using a spectrofluorometer (QuantaMaster, PTI). The excitation and emission spectra were recorded in the range of 280–480 nm and 400–680 nm, respectively, with a resolution of 1 nm.
도 1a는 SGA 형광체 및 SiO2 나노입자를 포함하는 PDMS계 반사방지막의 개략도이다. 도 1b는 주변광(ambient light) 및 UV 광(λ = 365 nm) 하에서 SGA 형광체 및 SiO2 나노입자를 포함하는 PDMS계 반사방지막의 이미지이다. 도 1c는 SGA 형광체와 SiO2 나노입자를 포함하는 PDMS계 반사방지층이 있는 페로브스카이트/Si 탠덤 태양 전지의 개략도이다. 도 1d는 페로브스카이트-Si 태양 전지의 단면 SEM 이미지이다. FIG. 1a is a schematic diagram of a PDMS-based anti-reflection film including SGA phosphor and SiO 2 nanoparticles. FIG. 1b is an image of the PDMS-based anti-reflection film including SGA phosphor and SiO 2 nanoparticles under ambient light and UV light (λ = 365 nm). FIG. 1c is a schematic diagram of a perovskite/Si tandem solar cell with a PDMS-based anti-reflection layer including SGA phosphor and SiO 2 nanoparticles. FIG. 1d is a cross-sectional SEM image of the perovskite-Si solar cell.
모놀리식 페로브스카이트/Si 탠덤 태양 전지로 구성된 장치는 가시광선의 반사율과 UV광의 기생 흡수를 제어하기 위해 반사방지코팅(ARC) 필름으로 사용되는 텍스처화된 PDMS 필름에 SGA 형광체와 SiO2 나노입자를 삽입하였다. The device comprised of monolithic perovskite/Si tandem solar cells embedded with SGA phosphors and SiO 2 nanoparticles in a textured PDMS film used as an anti-reflection coating (ARC) film to control the reflectance of visible light and parasitic absorption of UV light.
상업적으로 이용 가능한 SGA 형광체가 ARC 필름에 UV 다운 변환 기능을 제공하기 위해 발광단으로 선택되고, SGA 형광체와 SiO2 나노 입자가 내장된 ARC 필름과 ARC 필름이 있는 직렬 태양 전지의 개략도는 도 1a 및 도 1c에 나타내었다. 텍스처화된 PDMS 필름은 마이크로 피라미드 텍스처 형태(micro pyramid texture shape)로 너비와 높이가 3-5 μm로 설계된다. 큰 SGA 형광체와 작은 SiO2 나노 입자가 IZO 필름에 부착된 PDMS 필름에 혼합된다. 도 1b는 주변광과 UV 광(λ = 365 nm)에서 ARC 필름의 사진이며, UV 광 하에서 강한 황록색 발광(yellow-green light)은 형광체가 균일하게 분포된 것을 확인할 수 있다. A commercially available SGA phosphor is selected as a luminophore to provide UV down-conversion capability to the ARC film, and a schematic diagram of the ARC film embedded with SGA phosphor and SiO 2 nanoparticles and the tandem solar cell with the ARC film are shown in Fig. 1a and Fig. 1c. The textured PDMS film is designed to have a micro pyramid texture shape with a width and height of 3-5 μm. Large SGA phosphor and small SiO 2 nanoparticles are mixed into the PDMS film, which is attached to the IZO film. Fig. 1b is a photograph of the ARC film under ambient light and UV light (λ = 365 nm), and the strong yellow-green light under UV light confirms the uniform distribution of the phosphor.
도 1d는 페로브스카이트/Si 탠덤 셀의 단면 SEM 이미지이며, 상부 페로브스카이트 태양전지의 적층구조(poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimeth-ylphenyl)amine] (PTAA)/mixed perovskite/[6,6]-Phenyl-C61-bu-tyric acid methyl ester (PC61BM)/ZnO/indium zinc oxide(IZO))이다. 상단 셀에서 PC61BM/ZnO 레이어는 전자 선택 층(electron selective layer)로 사용되며 100 nm 두께의 IZO 레이어는 상단 조명을 위한 투명 전도성 전극(transparent conductive electrode)이다. 혼합된 할라이드 페로브스카이트 층(Cs0.05FA0.75MA0.20)Pb(I0.75Br0.25)3은 대부분의 가시광선을 흡수한다. 하단 셀은 알루미늄 BSF(back-surface field) 층이 있는 p형 Si 태양 전지이며 근적외선 광을 전기로 변환한다. 상단 셀과 하단 셀 간의 최적의 전류 정합을 위해 페로브스카이트 층의 두께는 340 nm로 제어된다. 도 6a를 참조하면, PC61BM/ZnO/IZO 레이어(즉, ETL)는 상단 조명에 투명도를 제공하지만 UV 영역의 기생 흡수로 인해 1.08의 전류 밀도(mA cm-2) 손실이 있다. 본 개시의 소자 구조는 PC61BM/ZnO/IZO의 기생 흡수에 의한 UV 광 손실을 최소화하고 확산 투과율을 최대화하도록 설계된 것이다. 즉, 본 개시의 소자 구조는 반사 방지막은 마이크로 형광체(또는, SiO2 나노입자와 혼합)도입으로 광전소자의 효율 상승을 제공할 수 있다. Figure 1d is a cross-sectional SEM image of the perovskite/Si tandem cell, with the stacked structure (poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimeth-ylphenyl)amine] (PTAA)/mixed perovskite/[6,6]-Phenyl-C61-bu-tyric acid methyl ester (PC61BM)/ZnO/indium zinc oxide (IZO)) of the upper perovskite solar cell. In the upper cell, the PC61BM/ZnO layer serves as an electron-selective layer, and the 100 nm thick IZO layer serves as a transparent conductive electrode for top illumination. The mixed halide perovskite layer (Cs0.05FA0.75MA0.20)Pb(I0.75Br0.25)3 absorbs most of the visible light. The bottom cell is a p-type Si solar cell with an aluminum back-surface field (BSF) layer to convert near-infrared light into electricity. The thickness of the perovskite layer is controlled to 340 nm for optimal current matching between the top and bottom cells. Referring to Fig. 6a, the PC61BM/ZnO/IZO layer (i.e., ETL) provides transparency to the top illumination, but has a current density (mA cm -2 ) loss of 1.08 due to parasitic absorption in the UV region. The device structure of the present disclosure is designed to minimize UV light loss due to parasitic absorption of the PC61BM/ZnO/IZO and maximize diffuse transmittance. That is, the device structure of the present disclosure can provide an increase in the efficiency of the photovoltaic device by introducing an antireflection film with micro-phosphors (or, mixed with SiO 2 nanoparticles).
도 2a는 SGA 형광체의 여기(λex: 380nm) 및 방출(λem: 530nm)(삽입도: SGA 형광체의 SEM 이미지)이이고, 도 2b는 전체 투과율이고, 도 2c는 확산 투과율(diffuse transmittance), 및 도 2d는 SGA 형광체의 부피%에 따라 유리 상의 ARC 필름의 반사율이다. 도 2e는 동일한 필름을 사용한 탠덤 태양 전지의 J-V 및 f)IPCE 곡선이다. Fig. 2a is the excitation (λ ex : 380 nm) and emission (λ em : 530 nm) of the SGA phosphor (inset: SEM image of the SGA phosphor), Fig. 2b is the total transmittance, Fig. 2c is the diffuse transmittance, and Fig. 2d is the reflectance of the ARC film on glass as a function of the volume % of the SGA phosphor. Fig. 2e is the JV and f)IPCE curves of the tandem solar cell using the same film.
도 2a는 SGA 형광체의 PL 여기(검은색 곡선) 및 PL 방출(빨간색 곡선) 스펙트럼을 보여준다. 도 2a에서 SGA 형광체의 SEM 이미지는 입자 크기가 3~8μm임을 나타낸다. SGA 형광체는 280 nm ~ 470 nm 범위의 빛을 흡수하며, 380 nm에서 피크 흡수가 나타나 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지의 기생 광흡수 스펙트럼과 중첩된다. SGA의 방출(Emission)은 450 nm ~ 660nm 범위에서 발생하며 페로브스카이트 층에 의해 활용될 수 있다. 따라서 이 상용 형광체는 페로브스카이트/Si 탠덤 태양 전지의 하향 변환 재료 역할을 한다. Figure 2a shows the PL excitation (black curve) and PL emission (red curve) spectra of the SGA phosphor. The SEM image of the SGA phosphor in Figure 2a shows that the particle size is 3–8 μm. The SGA phosphor absorbs light in the range of 280 nm to 470 nm, and the peak absorption appears at 380 nm, which overlaps with the parasitic absorption spectrum of perovskite/silicon tandem solar cells. The emission of SGA occurs in the range of 450 nm to 660 nm, which can be utilized by the perovskite layer. Therefore, this commercial phosphor serves as a downconversion material for perovskite/Si tandem solar cells.
ARC 필름의 광학 특성(optical property)에 대한 형광체의 영향을 체계적으로 조사하기 위해 5가지 부피 농도(0%, 0.4%, 0.8%, 1.2% 및 1.6%)로 SGA 형광체만 있는 일련의 복합 필름을 제작하였다. 해당 필름은 각각 ARC, ARC_SGA(0.4), ARC_SGA(0.8), ARC_SGA(1.2) 및 ARC_SGA(1.6)으로 표시된다. 도 2b 내지 도 2d는 유리 위의 ARC_SGA 필름의 총 투과율, 확산 투과율 및 반사율을 보여준다. 도 2e 및 도 2f는 부피 농도의 함수로서의 ARC 필름를 구비한 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양 전지 장치의 PCE 및 입사 광자 대 전류 변환 효율(photon to current conversion effi-ciency (IPCE))을 보여준다.To systematically investigate the effect of phosphor on the optical properties of ARC films, a series of composite films with only SGA phosphor were fabricated at five different volume concentrations (0%, 0.4%, 0.8%, 1.2%, and 1.6%). The films are denoted as ARC, ARC_SGA(0.4), ARC_SGA(0.8), ARC_SGA(1.2), and ARC_SGA(1.6), respectively. Figures 2b-2d show the total transmittance, diffuse transmittance, and reflectance of the ARC_SGA films on glass. Figures 2e-2f show the PCE and photon to current conversion efficiency (IPCE) of perovskite/silicon tandem solar cell devices with ARC films as a function of volume concentration.
ARC 필름이 있거나 없는 장치는 14.70 및 16.02mA cm-2의 Jsc, 1.75 및 1.75V의 Voc, 80.23% 및 80.18%의 FF를 나타낸다. Devices with and without ARC film exhibited Jsc of 14.70 and 16.02 mA cm -2 , Voc of 1.75 and 1.75 V, and FF of 80.23% and 80.18%.
그 결과 PCE가 20.64 %에서 22.48 %로 개선된다. 순수 PDMS 필름(ARC)의 텍스처 표면은 반사율을 줄이고 입사광을 가두는 데 기여한다. 소자에 ARC_SGA(0.4)를 적용하면 Jsc와 PCE는 각각 16.21mA cm-2와 22.75%로 증가한다. 도 2f의 IPCE 곡선은 SGA를 추가하면 기생 흡수 문제가 있는 UV 광을 활용하여 UV 영역에서 IPCE가 증가함을 분명히 보여준다. As a result, the PCE is improved from 20.64% to 22.48%. The textured surface of the pure PDMS film (ARC) contributes to reducing the reflectance and trapping the incident light. When ARC_SGA (0.4) is applied to the device, Jsc and PCE increase to 16.21 mA cm -2 and 22.75%, respectively. The IPCE curve in Fig. 2f clearly shows that the addition of SGA increases the IPCE in the UV region by utilizing UV light with parasitic absorption problem.
소량의 SGA는 가시 범위에서 IPCE를 증가시킨다. ARC_SGA(0.4)의 총 투과율은 ARC의 총 투과율보다 약간 낮지만 ARC_SGA(0.4)는 가시 범위에서 확산 투과율을 약간 높이고 IPCE를 향상시킨다. 그러나 SGA의 부피 농도가 증가함에 따라 장치의 PCE는 감소한다. 이는 SGA의 높은 굴절률(n 1.7-1.9)과 더 큰 크기(직경 5 μm)가 전체 투과율을 감소시키기 때문이다(도 2b). SGA 입자의 크기가 입사광의 파장보다 크기 때문에 SGA는 또한 SGA-PDMS 계면에서 후방 산란을 증가시키고 확산 투과율을 감소시키는 데 기여한다(도 2c). A small amount of SGA increases the IPCE in the visible range. The total transmittance of ARC_SGA(0.4) is slightly lower than that of ARC, but ARC_SGA(0.4) slightly increases the diffuse transmittance in the visible range and improves the IPCE. However, the PCE of the device decreases as the volume concentration of SGA increases. This is due to the high refractive index (n) of SGA. 1.7-1.9) and larger sizes (diameter 5 μm) reduces the overall transmittance (Fig. 2b). Since the size of the SGA particles is larger than the wavelength of the incident light, the SGA also contributes to increasing the backscattering at the SGA-PDMS interface and reducing the diffuse transmittance (Fig. 2c).
도 2a 내지 도 2f의 결과는 SGA가 기생 흡수 문제 없이 UV 광을 전기로 변환할 수 있음을 시사한다. 그러나 반사율을 증가시켜 태양 전지의 전체 전류를 감소시킨다. 고성능 태양 전지의 경우 가시광선 및 근적외선(NIR) 광의 후방 산란을 억제해야한다. The results in Fig. 2a to 2f suggest that SGA can convert UV light into electricity without parasitic absorption problems. However, it increases the reflectivity and reduces the overall current of the solar cell. For high-performance solar cells, the backscattering of visible and near-infrared (NIR) light should be suppressed.
도 3a 내지 도 3f는 SiO2 나노분말 도입으로 인한 광전소자의 효율 상승량 분석 결과를 나타낸 것이다.Figures 3a to 3f show the results of analyzing the increase in efficiency of a photovoltaic device due to the introduction of SiO 2 nanopowder.
도 3a는 SiO2 나노입자의 SEM 이미지이고, 도 3b는 전체 투과율이고, 도 3c는 확산 투과율이다. 도 3d는 유리 상에서 텍스처화된 ARC_S (0.8) 및 유리상에 텍스처화된 ARC 필름 및 유리의 반사율이다. 도 3e는 동일한 필름이 없는 경우와 동일한 필름이 있는 탠덤 태양 전지의 e) J-V 곡선 및 IPCE 곡선이다. Fig. 3a is a SEM image of SiO 2 nanoparticles, Fig. 3b is total transmittance, and Fig. 3c is diffuse transmittance. Fig. 3d is reflectance of textured ARC_S (0.8) on glass and textured ARC film on glass and glass. Fig. 3e is J-V curve and IPCE curve of the tandem solar cell without the same film and with the same film.
이 문제를 해결하기 위해 도 3a에 표시된 직경 100nm의 SiO2 구형 나노 입자를 ARC 필름에 추가하고 전방 산란력을 조사하였다. SiO2(n 1.46)와 PDMS(n 1.39) 사이의 굴절률 차이가 작고, 구형이며 크기가 작기 때문에 SiO2 나노입자를 첨가하면 광학적 손실 없이 입사광의 순방향 산란이 강화될 것으로 예상된다. To address this issue, SiO 2 spherical nanoparticles with a diameter of 100 nm, as shown in Fig. 3a, were added to the ARC film and the forward scattering power was investigated. SiO 2 (n 1.46) and PDMS(n 1.39) is small, and the addition of SiO2 nanoparticles is expected to enhance the forward scattering of incident light without optical loss because the difference in refractive index between the two is small, and the particles are spherical and small in size.
동일한 부피 농도(0.8 vol.%)에서 크기의 함수로 유리에 있는 SiO2 입자의 총 투과율을 보여줍니다. 유리에서 30 nm 크기의 SiO2 입자의 총 투과율은 유리보다 낮다. 나노 입자 크기가 100 nm로 증가함에 따라 전체 반사율도 증가합니다. 이는 나노입자 크기의 증가가 Mie 산란 방식에서 전방 산란력/후방 산란력의 비율을 증가시키기 때문이다. 그러나 입자의 크기가 입사광의 파장에 가까워질수록 입사광은 반사되기 시작한다. 이것은 직경이 340 nm 및 1300 nm인 SiO2 입자의 경우이다. 즉, 반사율로 인해 투과율이 다시 감소한다. 따라서 직경 100 nm의 SiO2 나노입자가 ARC 필름의 전방 산란을 증가시키기 위해 선택된다. 0.8 vol.%의 100 nm SiO2 나노입자를 포함하는 텍스처화된 PDMS 필름은 ARC_S(0.8)로 명명된다. 도 3b-도 3d는 ARC 및 ARC_S(0.8)의 총 투과율, 확산 투과율 및 반사율을 보여준다. SGA와 달리 SiO2 나노입자(0.8 vol.%)는 ARC의 투과율을 약간 증가시킨다. ARC_S(0.8)의 총 반사율은 NIR 영역에서 더 두드러지는 ARC의 총 반사율보다 낮다. Here, we show the total transmittance of SiO 2 particles in glass as a function of size at the same volume concentration (0.8 vol.%). The total transmittance of SiO 2 particles of 30 nm in glass is lower than that of glass. As the nanoparticle size increases to 100 nm, the total reflectance also increases. This is because the increase in nanoparticle size increases the ratio of forward scattering power/backward scattering power in the Mie scattering mode. However, as the particle size approaches the wavelength of the incident light, the incident light starts to be reflected. This is the case for SiO 2 particles of 340 nm and 1300 nm in diameter. That is, the transmittance decreases again due to reflectance. Therefore, SiO 2 nanoparticles of 100 nm in diameter are selected to increase the forward scattering of the ARC film. The textured PDMS film containing 100 nm SiO 2 nanoparticles at 0.8 vol.% is denoted as ARC_S(0.8). Figures 3b-3d show the total transmittance, diffuse transmittance, and reflectance of ARC and ARC_S(0.8). Unlike SGA, SiO 2 nanoparticles (0.8 vol.%) slightly increase the transmittance of ARC. The total reflectance of ARC_S(0.8) is lower than that of ARC, which is more prominent in the NIR region.
이는 SiO2 나노입자가 다중 산란을 통해 확산 투과율을 증가시키기 때문이다. 도 3c에서 볼 수 있듯이 ARC와 ARC_S(0.8) 사이의 확산 투과율 차이는 파장이 증가함에 따라 더욱 두드러진다. 따라서 ARC_S(0.8)의 반사율은 ARC의 반사율보다 낮다(도 3d). UV, vis 및 NIR 체제의 평균 반사율은 ARC의 경우 5.6%이고 ARC_S(0.8)의 경우 4.4%이다. 반사율(즉, 반사 손실)을 적분하여 얻은 전류는 2.48(ARC)에서 1.92mA cm-2(ARC_S(0.8))로 감소한다. This is because the SiO 2 nanoparticles increase the diffuse transmittance through multiple scattering. As can be seen in Fig. 3c, the difference in diffuse transmittance between ARC and ARC_S(0.8) becomes more pronounced as the wavelength increases. Therefore, the reflectance of ARC_S(0.8) is lower than that of ARC (Fig. 3d). The average reflectances in the UV, vis, and NIR regimes are 5.6% for ARC and 4.4% for ARC_S(0.8). The current obtained by integrating the reflectance (i.e., reflection loss) decreases from 2.48 (ARC) to 1.92 mA cm -2 (ARC_S(0.8)).
도 3e는 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양 전지의 성능에 대한 ARC 및 ARC_S(0.8)의 효과를 보여준다. ARC가 없는 대조군 샘플의 PCE(20.64%)와 비교하여 ARC 및 ARC_S(0.8)가 있는 장치의 PCE는 각각 22.48% 및 23.26%이다. 이는 Jsc가 0.56 mA cm-2 증가했기 때문이다. 도 3f는 100nm SiO2 나노입자를 추가하면 전체 범위에서 IPCE가 증가하고 확산 투과율이 총 투과율의 > 90 %를 차지하는 NIR 영역에서 개선이 더욱 두드러진다는 것을 나타낸다. 이것은 반사율의 감소 및 광 흡수체(페로브스카이트 층 및 Si 층)의 유효 두께의 증가는 입사 광자의 전기 변환을 촉진시킨다.Figure 3e shows the effect of ARC and ARC_S(0.8) on the performance of perovskite/silicon tandem solar cells. Compared with the PCE (20.64%) of the control sample without ARC, the PCE of the devices with ARC and ARC_S(0.8) are 22.48% and 23.26%, respectively. This is attributed to the increase of Jsc by 0.56 mA cm -2 . Figure 3f indicates that the addition of 100 nm SiO 2 nanoparticles increases the IPCE throughout the entire range, and the improvement is more prominent in the NIR region where the diffuse transmittance accounts for > 90% of the total transmittance. This is because the decrease in reflectance and the increase in the effective thickness of the light absorbers (perovskite layer and Si layer) facilitate the conversion of incident photons into electricity.
도 4a는 단일 입자(SiO2@Air) 산란 모델 및 다중 산란 모델에 대한 FDTD 시뮬레이션 설정의 개략도이다. 단일 산란 모델의 경우 10nm 에어 갭(SiO2@Air)이 있는 100 nm 크기의 SiO2 입자가 PDMS 매트릭스(0.8 vol.%)에 산란체(scatter)로 추가된다. 다중 산란 모델의 경우 729개의 SiO2@Air 입자가 동일한 부피%로 PDMS에 무작위로 분포된다. PDMS와 SiO2의 굴절률은 각각 623 nm에서 1.39와 1.46이다. 도 4b는 PDMS 전용 정규화된 산란 단면, SiO2@Air의 단일 산란 및 SiO2@Air 시스템의 다중 산란이다. 도 4c는 산란 단면 결과를 기반으로 한 150 um 두께 필름에 대한 추정된 경면 투과율이다. 공기/PDMS 및 PDMS/기판 인터페이스 조건은 고려되지 않는다. Figure 4a is a schematic diagram of the FDTD simulation setup for the single particle (SiO2@Air) scattering model and the multiple scattering model. For the single scattering model, 100 nm sized SiO 2 particles with a 10 nm air gap (SiO2@Air) are added as scatterers in the PDMS matrix (0.8 vol.%). For the multiple scattering model, 729 SiO 2 @Air particles are randomly distributed in the PDMS with the same vol.%. The refractive indices of PDMS and SiO 2 are 1.39 and 1.46 at 623 nm, respectively. Figure 4b is the normalized scattering cross sections for PDMS only, single scattering of SiO 2 @Air, and multiple scattering of SiO 2 @Air system. Figure 4c is the estimated specular transmittance for a 150 μm thick film based on the scattering cross sections results. The air/PDMS and PDMS/substrate interface conditions are not considered.
도 3c에서 관찰된 확산 산란을 더 잘 이해하기 위해 산란 효과에 대한 3D 유한 차분 시간 영역(3D finite-difference time domain; FDTD) 시뮬레이션을 수행하고 확산 투과율(diffuse transmittance)을 정반사 투과율(specular transmittance)과 분리하였다. 적색 및 근적외선 빛의 확산 투과율에 대한 다중 산란 효과를 추정하기 위해 두 가지 모델이 사용된다. 이 두 모델의 개략도는 도 4a에 나와 있다. 단일 산란 모델의 경우 100 nm 크기의 구형 SiO2 입자가 PDMS 매트릭스에 산란으로 추가된다. To better understand the diffuse scattering observed in Fig. 3c, 3D finite-difference time domain (FDTD) simulations for the scattering effect were performed and the diffuse transmittance was separated from the specular transmittance. Two models are used to estimate the multiple scattering effect on the diffuse transmittance of red and near-infrared light. A schematic of these two models is shown in Fig. 4a. For the single-scattering model, 100 nm-sized spherical SiO 2 particles are added as scatterers into the PDMS matrix.
PDMS와 SiO2의 굴절률은 각각 623 nm에서 1.39와 1.46이며 흡광계수는 시뮬레이션된 파장 영역에서 무시할 수 있다. 관찰된 산란 효과가 PDMS와 SiO2 사이의 굴절률 차이를 사용하여 계산된 것보다 상당히 크기 때문에 SiO2 인터페이스가 완벽하지 않다고 가정하였다. 따라서 PDMS-SiO2 인터페이스가 완벽하게 일치하지 않는다는 가정하에 PDMS와 SiO2 사이에 10 nm 두께의 얇은 공극(air gap)이 추가된다.The refractive indices of PDMS and SiO 2 are 1.39 and 1.46 at 623 nm, respectively, and the extinction coefficients are negligible in the simulated wavelength region. Since the observed scattering effect is significantly larger than that calculated using the refractive index difference between PDMS and SiO 2 , the SiO 2 interface is assumed to be imperfect. Therefore, a thin air gap of 10 nm thickness is added between the PDMS and SiO 2 assuming that the PDMS-SiO 2 interface is not perfectly matched.
다중 산란 모델의 경우, 시스템은 x, y, z 방향을 따라 9번 늘어나고 729개의 SiO2@Air 입자가 동일한 비율인 0.8vol.%로 PDMS에 무작위로 분포된다. 도 4b는 산란 전력을 소스 강도로 정규화하여 계산된 산란 단면을 보여준다. 다중 산란의 정규화된 단면은 계산 값을 시뮬레이션에 포함된 입자(729)의 수로 나누어 얻은 것이다. 이를 통해 단일 산란 효과와 비교하여 실제 다중 산란 효과를 비교할 수 있다. For the multiple scattering model, the system is stretched nine times along the x, y, and z directions, and 729 SiO 2 @Air particles are randomly distributed in the PDMS with the same ratio of 0.8 vol.%. Figure 4b shows the calculated scattering cross-section by normalizing the scattered power to the source intensity. The normalized cross-section of multiple scattering is obtained by dividing the calculated value by the number of particles (729) included in the simulation. This allows comparing the actual multiple scattering effect with the single scattering effect.
도 4b에서 볼 수 있듯이 계산된 단일 산란체의 효과는 Mie 산란 이론의 예측과 잘 일치한다. 산란체의 수가 증가함에 따라 산란 단면적은 급격하게 증가하며 이는 장파장 범위에서 더욱 두르러진다. 상대적 적분은 λ = 400 nm에서 113 % 증가하고, λ = 750 nm에서 213 % 증가하고 λ = 1100 nm에서 319 % 증가한다. 결과적으로, 다중 산란 시스템의 정반사 투과율은 적색 및 근적외선 영역에서 단일 산란 시스템보다 훨씬 작아진다. 도 4c는 다중 산란이 시뮬레이션 프로세스에서 고려될 때 적색 및 근적외선 광에 대해 정반사 투과율이 약 100 %(only PDMS)에서 약 70 %(PDMS + SiO2 NPs)로 감소함을 보여준다. 삽입된 SiO2 NP에 의한 경면 투과율(specular transmittance)의 30 % 감소는 도 3c에서 실험적으로 관찰된 확산 투과율에서 확인할 수 있다. As can be seen in Fig. 4b, the calculated single-scatterer effect agrees well with the prediction of the Mie scattering theory. As the number of scatterers increases, the scattering cross-section increases rapidly, which becomes more pronounced in the long wavelength range. The relative integral increases by 113% at λ = 400 nm, 213% at λ = 750 nm, and 319% at λ = 1100 nm. As a result, the specular transmittance of the multiple-scattering system becomes much smaller than that of the single-scattering system in the red and NIR region. Figure 4c shows that the specular transmittance decreases from about 100% (only PDMS) to about 70% (PDMS + SiO 2 NPs) for red and NIR light when multiple scattering is considered in the simulation process. A 30% reduction in specular transmittance due to the inserted SiO 2 NPs can be confirmed from the experimentally observed diffuse transmittance in Fig. 3c.
하향 변환 효과와 증가된 전방 산란을 결합하기 위해 SGA 입자와 100 nm SiO2 나노 입자가 ARC 필름에 함께 추가된다. 도 5a 및 도 5b는 SGA 형광체와 SiO2 나노입자를 모두 포함하는 ARC 필름의 전체 투과율과 확산 투과율을 보여준다. SGA의 4가지 부피 농도(0.4, 0.8, 1.2 및 1.6 부피%)가 선택되고 ARC_S(0.8)SGA(0.4), ARC_S(0.8)SGA(0.8), ARC_S(0.8)SGA(1.2) 및 ARC_S(0.8) SGA(1.6)로 명명된다. 도 2와 도 5를 비교하면, ARC_SGA에 SiO2 NP를 추가하면 전체 투과율과 확산 투과율이 모두 증가한다. To combine the downconversion effect and increased forward scattering, SGA particles and 100 nm SiO2 nanoparticles are co-added into the ARC films. Figures 5a and 5b show the total and diffuse transmittance of the ARC films containing both SGA phosphors and SiO2 nanoparticles. Four volume concentrations of SGA (0.4, 0.8, 1.2, and 1.6 vol %) are selected and are named as ARC_S(0.8)SGA(0.4), ARC_S(0.8)SGA(0.8), ARC_S(0.8)SGA(1.2), and ARC_S(0.8) SGA(1.6). Comparing Figures 2 and 5 , the addition of SiO2 NPs to ARC_SGA increases both the total and diffuse transmittance.
이것은 도 4a 및 도4b의 시뮬레이션 결과와 일치하며 SiO2 NP에 의해 향상된 확산 투과율을 보여준다. SiO2 나노입자에 의한 입사광의 다중 산란은 반사율을 억제하고 확산 투과율을 증가?煮求?. ARC와 비교하여 ARC_S(0.8) SGA(0.8)는 도 5b 및 도 S4(지원 정보)에서 NIR 영역에서 훨씬 더 큰 확산 투과율과 가시 영역에서 유사한 반사율을 나타낸다. This is consistent with the simulation results in Fig. 4a and 4b, demonstrating the enhanced diffuse transmittance by SiO 2 NPs. The multiple scattering of incident light by SiO 2 nanoparticles suppresses the reflectance and increases the diffuse transmittance. Compared with ARC, ARC_S(0.8) SGA(0.8) shows much larger diffuse transmittance in the NIR region and similar reflectance in the visible region in Fig. 5b and Fig. S4 (Supporting Information).
이는 SiO2 NP가 큰 SGA 입자의 후방 산란을 보상할 수 있음을 시사한다. 도 5c 및 도 5d는 상이한 반사 방지 필름를 갖는 탠덤 태양 전지의 J-V 곡선과 IPCE를 보여준다. ARC_S(0.8)SGA(0.8) 필름이 있는 페로브스카이트/Si 탠덤 태양 전지는 도 5f에서 히스테리시스 없이 16.74mA cm-2의 Jsc, 1.75V의 Voc 및 80.21%의 FF를 나타낸다.This suggests that SiO 2 NPs can compensate for the backscattering of large SGA particles. Figure 5c and 5d show the J-V curves and IPCE of tandem solar cells with different antireflection films. The perovskite/Si tandem solar cell with ARC_S(0.8)SGA(0.8) film exhibits a Jsc of 16.74 mA cm -2 , a Voc of 1.75 V, and a FF of 80.21% without hysteresis in Figure 5f.
ARC_S(0.8)SGA(0.8)가 있는 탠덤 태양 전지의 PCE는 23.50%인 반면 ARC_S(0.8)가 있는 탠덤 태양 전지의 PCE는 23.26%이다. PCE의 이러한 변화는 SGA에 의한 UV 광(280nm < λ < 430nm)의 하향 변환이 Jsc를 증가시키기 때문이다(도 5e). 또한, 형광체를 포함하는 ARC 필름에 의해 UV 안정성이 향상될 수 있다. The PCE of the tandem solar cell with ARC_S(0.8)SGA(0.8) is 23.50%, while that of the tandem solar cell with ARC_S(0.8) is 23.26%. This change in PCE is because the down-conversion of UV light (280 nm < λ < 430 nm) by SGA increases the Jsc (Fig. 5e). In addition, the UV stability can be enhanced by the ARC film including the phosphor.
도 6b는 15 W cm-2의 조사량의 UV(365 nm) 조사 하에서 형광체 임베딩된 ARC 및 ARC가 없는 Au/Spiro-OMeTAD/Perovskite/TiO2/FTO 구조의 페로브스카이트 태양 전지의 평중화된 PCE를 나타낸 것으로, UV 광안정성에 취약한 광전소자에 적용한 반사방지막 전후 UV 안정성 비교 분석한 것이다. Figure 6b shows the normalized PCE of perovskite solar cells with the structure of Au/Spiro-OMeTAD/Perovskite/TiO2/FTO with and without phosphor-embedded ARC under UV (365 nm) irradiation at a dose of 15 W cm -2 , which is a comparative analysis of UV stability before and after application of an antireflection film to a photovoltaic device vulnerable to UV photostability.
도 6b에서 태양전지 성능에 대한 UV 안정성 효과를 명확하게 보기 위해 Au/Spiro-OMeTAD/Perovskite/TiO2/FTO 구조의 페로브스카이트 태양 전지를 사용하였다. 장치의 UV 안정성은 형광체의 UV 하향 전환 효과로 15 W cm-2의 조사량에서 UV(365 nm) 조사에서 개선된다. ARC 필름이 있는 장치의 PCE는 초기 값의 91%를 유지하면서 120 시간 동안 유지될 수 있다. To clearly see the effect of UV stability on the solar cell performance in Fig. 6b, a perovskite solar cell with the structure of Au/Spiro-OMeTAD/Perovskite/TiO 2 /FTO was used. The UV stability of the device is improved under UV (365 nm) irradiation at an irradiance of 15 W cm -2 due to the UV downconversion effect of the phosphor. The PCE of the device with ARC film can be maintained for 120 h while maintaining 91% of the initial value.
UV 영역에서 IPCE의 개선에 대한 SGA 형광체의 효과는 도 5d에서 명확하게 관찰된다. 그러나 SGA 농도가 >0.8 vol.%인 경우 증가된 반사율에 의한 Jsc의 손실은 하향 변환 효과에 의한 Jsc의 이득을 상쇄시킨다. The effect of SGA phosphors on the improvement of IPCE in the UV region is clearly observed in Fig. 5d. However, for SGA concentrations >0.8 vol.%, the loss of Jsc due to increased reflectance offsets the gain of Jsc due to downconversion effect.
일 실시 예에 따라, 본 개시는 직경(diameter) 마이크로크기(예: 3 μm 내지 10 μm)의 (Ba, Ca, Eu, Sr)2SiO4(실리케이트 기반 녹색 형광체(silicate-based green phosphors); SGA로 표시) 형광체와 직경 100 nm의 SiO2 나노입자를 텍스처화된 PDMS에 삽입(embedded)하여 UV 광을 변환시키고, 입사광의 확산 투과율을 증가시킬 수 있다. SGA 형광체와 SiO2 나노입자의 혼합물은 UV 광의 기생 흡수(parasitic absorption)를 억제하면서 반사율(reflectance)을 상당히 감소시킬 수 있다. 이는 SGA 입자에 의한 하향 변환(down conversion)이 UV 흡수를 감소시키고 내장된 나노입자(nanoparticle; SiO2 나노입자)의 다중 산란이 전방 산란력(forward scattering power)을 최대화하기 때문이다. 따라서, 텍스처화된 형태(textured shape)의 PDMS-나노입자 복합체(PDMS-nanoparticle composite)는 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지(perovskite/Si tandem solar cell)의 성능을 성공적으로 향사이킬 수 있다. 순수한 PDMS 텍스처 필름(pure PDMS texture film)과 비교하여 텍스처화된 PDMS-형광체-SiO2 나노입자 복합체(textured PDMS-phosphor-SiO2 nanoparticle composite)는 페로브스카이트/Si 탠덤 셀의 PCE를 22.48 %에서 23.50 %로 증가시킬 수 있다. In one embodiment, the present disclosure can convert UV light and increase diffuse transmittance of incident light by embedding (Ba, Ca, Eu, Sr) 2 SiO 4 (silicate-based green phosphors; denoted as SGA) phosphors with a diameter of microsized (e.g., 3 μm to 10 μm) and SiO 2 nanoparticles with a diameter of 100 nm into textured PDMS. The mixture of SGA phosphors and SiO 2 nanoparticles can significantly reduce reflectance while suppressing parasitic absorption of UV light. This is because down conversion by the SGA particles reduces UV absorption and multiple scattering of the embedded nanoparticles (SiO 2 nanoparticles) maximizes forward scattering power. Therefore, the PDMS-nanoparticle composite with textured shape can successfully improve the performance of perovskite/Si tandem solar cells. Compared with the pure PDMS texture film, the textured PDMS-phosphor-SiO 2 nanoparticle composite can increase the PCE of the perovskite/Si tandem cell from 22.48% to 23.50%.
일 실시 예에 따라, 본 개시는, SiO2 나노입자와 마이크로 크기의 큰 형광체 입자의 조합이 UV를 가시광선으로 변환시키고, 반사방지막(ARC) 필름의 총 투과율을 증가시킬 수 있다. PDMS-ARC에 포함된 큰 형광체 입자는 UV 광의 하향 변환을 유발하고 확산 반사율을 증가시킬 수 있으나, 소량의 SiO2 나노입자를 추가하면 다중 산란을 통해 큰 형광체 입자의 후방 산란을 보상하고, 특히 장파장(예: 적색 및 NIR 영역)에서 확산 투과율을 향상시킬 수 있다. 임베디드 입자에 의한 PDMS-ARC의 이러한 광학 공학은 페로브스카이트/Si 탠덤 태양 전지의 PCE를 증가시킬 수 있다. PCE의 이러한 개선은 주로 반사율 억제 및 UV 광의 하향 변환에 의한 JSC의 증가에 기인한 것이다.In one embodiment, the present disclosure demonstrates that the combination of SiO 2 nanoparticles and large micron-sized phosphor particles can convert UV to visible light and increase the total transmittance of an anti-reflection coating (ARC) film. Large phosphor particles embedded in PDMS-ARC can induce downconversion of UV light and increase diffuse reflectance, whereas addition of a small amount of SiO 2 nanoparticles can compensate for the backscattering of large phosphor particles through multiple scattering, and enhance the diffuse transmittance especially in the long wavelength (e.g., red and NIR region). This optical engineering of PDMS-ARC by embedded particles can increase the PCE of perovskite/Si tandem solar cells. This improvement in PCE is mainly attributed to the increase in JSC due to suppression of reflectance and downconversion of UV light.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다. Although the embodiments have been described above by way of limited examples and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, appropriate results can be achieved even if the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or the described components are combined or combined in a different form from the described method, or are replaced or substituted by other components or equivalents. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims also fall within the scope of the following claims.
Claims (16)
마이크로 형광체 입자 및 나노 산화물 입자;
를 포함하는 혼합물을 포함하는 고분자 반사방지막으로서,
상기 고분자 반사방지막의 적어도 일면에 3차원 구조의 텍스처 표면을 포함하고,
상기 3차원 구조의 텍스처 표면은 상기 고분자 반사방지막과 연속된 것이고, 상기 텍스처 표면은 3차원 구조에 의한 돌출부, 오목부 또는 이 둘을 포함하는 것인,
고분자 반사방지막.
transparent polymer; and
Micro fluorescent particles and nano oxide particles;
A polymer anti-reflection film comprising a mixture comprising:
At least one surface of the above polymer anti-reflection film comprises a textured surface having a three-dimensional structure,
The texture surface of the three-dimensional structure is continuous with the polymer anti-reflection film, and the texture surface includes a protrusion, a concave portion, or both due to the three-dimensional structure.
Polymer antireflection film.
상기 투명 고분자는,
PDMS(polydimethylsiloxane), PDPhS(polydiphenylsiloxane), PMPS(polymethylphenylsiloxane), EVA(ethylene-vinyl acetate copolymer), POE(poly olefin elastomer), PMMA(polymethyl metacrylate), TAC(트리아세테이트셀룰로오즈), PET(polyethylene terephthalate), PEK(poly(ether ketone), 폴리머 유리 (polymer glass), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 폴리올레핀 중 적어도 하나 이상 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 고분자 반사방지막.
In the first paragraph,
The above transparent polymer is,
A polymer anti-reflection film comprising at least one or more of PDMS (polydimethylsiloxane), PDPhS (polydiphenylsiloxane), PMPS (polymethylphenylsiloxane), EVA (ethylene-vinyl acetate copolymer), POE (poly olefin elastomer), PMMA (polymethyl metacrylate), TAC (triacetate cellulose), PET (polyethylene terephthalate), PEK (poly(ether ketone), polymer glass, polycarbonate (PC), and polyolefin, or a combination thereof.
상기 3차원 구조는 규칙적 또는 불규칙적으로 배열되고,
상기 3차원 구조는 구형, 타원형, 원뿔, 다각뿔, 다각기둥, 다각형 및 다각별뿔 중 적어도 하나 이상 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 고분자 반사방지막.
In the first paragraph,
The above three-dimensional structures are arranged regularly or irregularly,
A polymer anti-reflection film, wherein the three-dimensional structure comprises at least one or more of a sphere, an ellipse, a cone, a polypyramid, a polygonal prism, a polygon, and a polyhedron, or a combination thereof.
상기 돌출부의 높이 및 상기 오목부의 깊이는 각각 1 um(마이크로미터) 내지 10 um(마이크로미터)인 것인, 고분자 반사방지막.
In the first paragraph,
A polymer anti-reflection film, wherein the height of the protrusion and the depth of the concave portion are each 1 um (micrometer) to 10 um (micrometer).
상기 마이크로 형광체 입자 및 나노 산화물 입자는 상기 고분자 반사방지막 중 0 중량% (초과) 내지 6 중량%인 것인, 고분자 반사방지막.
In the first paragraph,
A polymer anti-reflection film, wherein the micro fluorescent particles and nano oxide particles are present in an amount of 0 wt% (exceeding) to 6 wt% of the polymer anti-reflection film.
상기 마이크로 형광체 입자 대 나노 산화물 입자;의 질량비는 1 : 10 내지 1 : 1인 것인, 고분자 반사방지막.
In the first paragraph,
A polymer anti-reflection film, wherein the mass ratio of the micro fluorescent particles to the nano oxide particles is 1:10 to 1:1.
상기 마이크로 형광체 입자의 크기는 1 um(마이크로미터) 내지 5um(마이크로미터)인 것인, 고분자 반사방지막.
In the first paragraph,
A polymer anti-reflection film, wherein the size of the above micro fluorescent particles is 1 um (micrometer) to 5 um (micrometer).
상기 마이크로 형광체 입자는 적색 형광체, 녹색 형광체 및 청색 형광체 중 적어도 하나 이상; 또는 이들의 조합을 포함하는 것인,
고분자 반사방지막.
In the first paragraph,
The above micro fluorescent particles include at least one of a red fluorescent substance, a green fluorescent substance and a blue fluorescent substance; or a combination thereof.
Polymer antireflection film.
상기 마이크로 형광체 입자는 실리콘계 형광체, 질화물계 형광체 및 산화물계 형광체 중 적어도 하나 이상 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 고분자 반사방지막.
In the first paragraph,
A polymer anti-reflection film, wherein the micro fluorescent particles include at least one or more of a silicon-based fluorescent substance, a nitride-based fluorescent substance, and an oxide-based fluorescent substance, or a combination thereof.
상기 나노 산화물 입자의 크기는 30 nm(나노미터) 내지 400 nm(나노미터)인 것인, 고분자 반사방지막.
In the first paragraph,
A polymer anti-reflection film, wherein the size of the nano oxide particles is 30 nm (nanometers) to 400 nm (nanometers).
상기 나노 산화물 입자는 광산란 기능을 갖는 산화물 입자를 포함하고,
상기 나노 산화물 입자는, 실리카, 산화티타늄, 산화마그네슘, 산화바륨, 산화알루미늄, 산화비스무트, 산화지르코늄, 산화주석, 산화텅스텐, 산화스트론튬, 산화니오븀, 산화지르코늄 및 산화아연 중 적어도 하나 이상을 포함하는 광산란성 입자 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 고분자 반사방지막.
In the first paragraph,
The above nano oxide particles include oxide particles having a light scattering function,
A polymer anti-reflection film, wherein the nano oxide particles include light-scattering particles or a combination thereof, including at least one of silica, titanium oxide, magnesium oxide, barium oxide, aluminum oxide, bismuth oxide, zirconium oxide, tin oxide, tungsten oxide, strontium oxide, niobium oxide, zirconium oxide, and zinc oxide.
상기 고분자 반사방지막의 광투과도는 90 % 이상인 것인, 고분자 반사방지막.
In the first paragraph,
A polymer anti-reflection film having a light transmittance of 90% or more.
상기 고분자 반사방지막의 두께는 50 um(마이크로미터) 내지 300 um(마이크로미터)인 것인, 고분자 반사방지막.
In the first paragraph,
A polymer anti-reflection film having a thickness of 50 um (micrometers) to 300 um (micrometers).
상기 광전소자는
모놀리딕 페로브스카이트 태양전지층; 및
실리콘 탠덤 태양전지층;
을 포함하고,
상기 모놀리딕 페로브스카이트 태양전지층 상에 상기 고분자 반사방지막을 포함하는 것인, 광전소자.A photoelectric device comprising a polymer antireflection film according to claim 1,
The above photoelectric element
Monolithic perovskite solar cell layer; and
Silicon tandem solar cell layer;
Including,
A photovoltaic device comprising the polymer antireflection film on the monolithic perovskite solar cell layer.
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