KR101543438B1

KR101543438B1 - 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR101543438B1
Application number: KR1020150028607A
Authority: KR
Inventors: 백승현; 몰 메남파라맙스 미니; 이지용; 황재열
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2015-08-11
Anticipated expiration: 2035-02-27

Abstract

페로브스카이트 태양전지, 및 상기 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법 {PEROVSKITE SOLAR CELL AND PREPARING METHOD THEREOF}

본원은 페로브스카이트 태양전지, 및 상기 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.

글로벌 에너지 위기 및 화석 연료의 가능한 고갈은 태양광을 전기로 직접 변환시키는 광전지 디바이스 중에서 활발한 연구 활동을 일으켰다. 그러나, 실리콘-기반 태양전지는 여전히 저비용 화석 연료-기반 전기와 비교하여 와트당 높은 비용이 요구된다. 염료감응형 태양전지가 활발히 연구됨에 따라, 더 낮은 효율에도 불구하고 원료 비용이 감소되었다. 최근, 에너지 전환 효율(power conversion efficiency, PCE)은, 에너지 하베스터(energy harvester)로서 메틸암모늄 납 요오드화물을 사용하는 페로브스카이트 태양전지에 의해 상당히 개선될 수 있었다[J. H. Heo, S. H. Im, J. H. Noh, T. N. Mandi, C. Lim, J. A. Chang, Y. H. Lee, H. Kim, A.Sarkar, M. K. Nazeeruddin, M. Gratzel, S. I. Seok, Nature Photon. 2013, 7, 486-491.; H. Kim, C. Lee, J. Im, K. Lee, T. Moehl, A. Marchioro, S. Moon, R. Humphry-Baker, J.Yum, M. Gratzel, N. Park, Sci Rep. 2012, 2, 591.; J. Im, I. Jang, N. Pellet, M. Gratzel, N. Park, Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 927-932.; J. Burschka, N. Pellet, S. Moon, R. Humphry-Baker, P. Gao, M. K. Nazeeruddin, M.Gratzel, Nature. 2013, 499, 316-320]. 페로브스카이트 태양 전지는 높은 에너지 전환 효율(PCE) 및 와트당 낮은 비용으로 인하여 최근에 상당한 관심을 받았다. 그러나, 스피로(spiro)-OMeTAD 홀 전도층의 낮은 전기 전도도는 PCE의 향상에 방해 요소로서 간주되었다.

상기 페로브스카이트 태양 전지에서, 반도체 페로브스카이트 층은 선택적인 전자 및 정공 추출층 사이에 게재되어 있다. 무기 TiO₂ 차단층 (bl-TiO₂) 및 유기 고분자 스피로-OMeTAD (2,2′,7,7′-테트라키스(N,N-디-p-메톡시페닐아민)9,9′-스피로비플루오렌) 층은 전형적으로 전자 및 정공 전달층으로서 사용되었다. 그러나, 상기 스피로-OMeTAD의 낮은 전기 전도도는 PCE를 추가 향상시키는 것에 대해 방해 요소로서 간주되었다. 더 높은 전도도를 가지는 정공 전달 물질(hole transport material, HTM)은 페로브스카이트 태양전지의 직렬 저항(Rs)을 감소시키고, PCE를 향상시키는 충전 인자를 증가시켜야만 한다.

이에, 본원은 페로브스카이트 태양전지, 및 상기 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은, 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 형성된 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성된 중간층; 상기 중간층 상에 형성된 정공 전달층; 및 상기 정공 전달층 상에 형성된 제 2 전극을 포함하며, 상기 광흡수층은 반도체층 및 하기 화학식 1로서 표시되는 염료를 포함하고, 상기 중간층은 p-형 반도체 물질을 포함하고, 상기 정공 전달층은 p-형 반도체 물질 및 탄소나노튜브를 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다:

[화학식 1]

C_nH_2n ₊₁NH₃MX₃

상기 화학식 1 중, n은 1 내지 9의 정수이고, M은 Pb, Sn, Ge, Ti, Nb, Zr, Ce, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하고, X는 할로겐임.

본원의 제 2 측면은, 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극 상에 광흡수층을 형성하고; 상기 광흡수층 상에 중간층을 형성하고; 상기 중간층 상에 정공 전달층을 형성하고; 및 상기 정공 전달층 상에 제 2 전극을 형성하는 것을 포함하며, 상기 광흡수층은 반도체층 및 하기 화학식 1로서 표시되는 염료를 포함하고, 상기 중간층은 p-형 반도체 물질을 포함하고, 상기 정공 전달층은 p-형 반도체 물질 및 탄소나노튜브를 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 제공한다:

[화학식 1]

C_nH_2n ₊₁NH₃MX₃

전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 전도도 필러로서 사용되는 탄소나노튜브는 p-형 반도체 물질, 예를 들어, 스피로-OMeTAD 내에 소량으로 첨가하여 태양전지의 정공 전달층의 전도성을 향상시키고, 캐리어 농도 및 이동도를 향상시킬 수 있다.

전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, p-형 반도체 물질을 포함하는 중간층, 및 상기 중간층 상에 형성된 탄소나노튜브 및 p-형 반도체 물질을 포함하는 정공 전달층의 계층적 구조는 역-전자 전달을 방지할 수 있다. 상기 정공 전달층에 포함되어 있는 탄소나노튜브는 역-전자 전달을 유발할 수 있기 때문에 탄소나노튜브가 포함되어 있지 않는 p-형 반도체 물질을 중간층으로 활용하는 계층적 구조를 이용하여 역-전자 전달을 방지할 수 있다.

전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 향상된 전도성을 가지는 중간층 및 정공 전달층의 계층적 구조를 이용하여 페로브스카이트 기반 태양전지의 에너지 전환 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서 페로브스카이트 태양 전지의 개략도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서 용액법에 의해 제조된 판형 페로브스카이트 태양 전지의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.
도 3a 내지 도 3d는, 본원의 일 실시예에 있어서 각각 TiO₂ 차단층, 페로브스카이트 층, 순수 스피로-OMeTAD 층, 및 스피로-OMeTAD/MWNT(다중벽 탄소나노튜브) 층의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 4의 a)는, 본원의 일 실시예에 있어서 페로브스카이트 태양 전지의 광학 이미지이고, 도 4의 b)는, 본원의 일 실시예에 있어서 페로브스카이트 태양 전지의 횡단면 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서 스피로-OMeTAD/MWNT의 MWNT에 대한 캐리어 농도, 이동도, 및 전기 전도도를 나타내는 그래프이다.
도 6의 a)는, 본원의 일 실시예에 있어서 페로브스카이트 태양 전지의 J-V 특성분석 그래프이고, 도 6의 b) 내지 e)는, 본원의 일 실시예에 있어서 각각 MWNT농도에 대한 직렬 저항, 충전 인자, 단락 전류 밀도, 개방 전류 전압, 및 에너지 전환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서 균일한 정공 전달층을 가지는 페로브스카이트 태양 전지의 회피 저항을 나노튜브 농도의 함수로써 나타낸 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서 균일한 정공 전달층을 가지는 페로브스카이트 태양 전지의 입사 광자 대 전류 효율을 MWNT 농도의 함수로써 특성분석된 그래프이다.
도 9의 a)는, 본원의 일 구현예에 있어서 CH₃NH₃PbI₃ 및 균일한 스피로-OMeTAD/MWNT 층 사이의 경계면의 개략도이고, 도 9의 b)는, 본원의 일 구현예에 있어서 CH₃NH₃PbI₃ 및 MWNT 사이의 직접적인 전기적 결합의 에너지 밴드 다이어그램이고, 도 9의 c)는, 본원의 일 구현예에 있어서 CH₃NH₃PbI₃ 및 계층 정공 전달층(순수 스피로-OMeTAD 및 스피로-OMeTAD/MWNT 이중층) 사이의 경계면의 개략도이고, 도 9의 d)는, 본원의 일 구현예에 있어서 계층 전기적 결합(CH₃NH₃PbI₃:순수 스피로-OMeTAD:MWNT)의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 10의 a)는, 본원의 일 실시예에 있어서 페로브스카이트 태양 전지의 J-V 특성분석 그래프이고, 도 10의 b) 내지 f)는, 본원의 일 실시예에 있어서 각각 직렬 저항, 충전 인자, 단락 전류 밀도, 입사 광자 대 전류 효율, 개방전류 전압, 및 에너지 전환 효율을 나타내는 그래프이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서 계층적 정공 전달층 구조를 가지는 페로브스카이트 태양 전지의 회피 저항을 나노튜브 농도의 함수로서 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 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.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.

이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.

[화학식 1]

C_nH_2n ₊₁NH₃MX₃ ;

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 n은 1 내지 9의 정수일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 n은 1 내지 9, 1 내지 6, 1 내지 3, 3 내지 9, 또는 6 내지 9의 정수일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 할로겐은 F, Br, Cl, 또는 I일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

태양전지의 작동원리를 예시적으로 간략하게 설명하면, 태양전지 내로 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 광흡수층으로 흡수되어 전자를 여기 상태로 전이시키고, 전이된 전자는 반도체 미립자 계면의 전도띠(conduction band)로 주입될 수 있다. 상기 주입된 전자는 계면을 통해 제 1 전극으로 전달되고, 이후 외부 회로를 통해 대향하고 있는 상대 전극인 제 2 전극으로 이동할 수 있다. 한편, 전자 전이 결과로서 산화된 염료는 정공 전달층 내의 산화-환원 커플의 이온에 의해 환원되고, 산화된 상기 이온은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 제 2 전극의 계면에 도달한 전자와 환원 반응함으로써 상기 태양전지가 작동할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

도 1은, 본원의 페로브스카이트 태양전지(100)의 구조를 나타낸다. 도 1의 두 개의 전극, 즉, 제 1 전극(110)과 제 2 전극(150)이 서로 면 접합된 샌드위치 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 1 전극(110)은 작업 전극(working electrode)으로서 표현될 수 있으며, 상기 제 2 전극(150)은 상대 전극(counter electrode)으로서 표현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제 1 전극(110) 상에는 광흡수층(120)이 형성되어 있으며, 상기 광흡수층(120)은 반도체층 또는 염료를 포함할 수 있다. 상기 광흡수층(120) 상에는 중간층(130)이 형성되어 있다. 상기 중간층(130)은 광흡수층(120)과 정공 전달층(140)의 사이에 위치하며, 광흡수층(120)으로부터 정공 전달층(140)으로의 전자 전달을 차단한다. 상기 중간층(130) 상에는 정공 전달층(140)이 형성되어 있으며, 상기 정공 전달층(140)은 p-형 반도체 물질 및 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 상기 정공 전달층(140) 상에는 제 2 전극(150)이 형성되어 있을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광흡수층 및 상기 중간층의 p-형 반도체 물질이 서로 접촉하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 따른 페로브스카이트 태양전지는, 광흡수층과 정공 전달층의 직접적인 전기적 접촉을 방지하기 위해 광흡수층 상에 p-형 반도체 물질을 포함하는 중간층을 먼저 형성하고, 상기 형성된 중간층에 p-형 반도체 물질 및 탄소나노튜브를 포함하는 정공 전달층을 직접 접촉시키는 ‘계층적’ 정공 전달층 구조를 가지는 태양전지를 제공한다. 본원의 일 구현예에 따른 페로브스카이트 태양전지는, 전기 전도성이 향상될 뿐만 아니라, 정공의 선택적 이동 특성을 유지할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 중간층은 광흡수층으로부터 정공 전달층 사이에서 전자의 전달을 방지하는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 중간층은 페로브스카이트 태양전지의 정공 전달층의 역할을 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

상기 p-형 반도체 물질은 근적외선 흡수 염료들이 흡수하지 못하는 가시광선 영역의 빛을 활용할 수 있으며, 태양전지에서 정공 전달층으로 사용될 수 있다. 상기 p-형 반도체 물질은 구리화합물, 단분자 p-형 반도체 물질, 고분자 p-형 반도체 물질 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 p-형 반도체 물질은 스피로-OMeTAD [(2,2′,7,7′-테트라키스(N,N-디-p-메톡시페닐아민)9,9′-스피로비플루오렌)], 폴리(3-헥실티오펜) (P3HT), (폴리[2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일[4,4-비스(2-에틸헥실-4H-사이클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜-2,6-디일]] (PCPDTBT), (폴리[[9-(1-옥틸노닐)-9H-카바졸-2,7-디일] -2,5-티오펜디일-2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일-2,5-티오펜디일]) (PCDTBT), 또는 폴리(트리아릴아민) (PTAA)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 또는 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 농도는 상기 정공 전달층의 상기 p-형 반도체 물질의 총 중량 대비 약 2 wt% 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소나노튜브의 농도는 상기 정공 전달층의 상기 p-형 반도체 물질의 총 중량 대비 약 2 wt% 이하, 약 1.5 wt% 이하, 약 1.0 wt% 이하, 약 0.5 wt% 이하, 약 0.1 wt% 이하, 또는 약 0.01 wt% 이하일 수 있으나. 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 투명 기재는 인듐 틴 옥사이드 (ITO), 플루오린 틴 옥사이드 (FTO), ZnO-Ga₂O₃, ZnO-Al₂O₃, 주석계 산화물, 산화아연, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 함유하는 유리 기재, 또는 플라스틱 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 플라스틱 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트[poly(ethylene terephthalate): PET], 폴리에틸렌나프탈레이트[poly (ethylene naphthalate): PEN], 폴리카보네이트(poly Carbonate: PC), 폴리프로필렌(polypropylene: PP), 폴리이미드(polyimide: PI), 트리아세틸셀룰로오스(tri-acetyl cellulose: TAC), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 반도체층은 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 반도체층은 전이 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체층은 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈, 바나듐, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으며, TiO₂, SnO₂, ZnO, WO₃, Nb₂O₅, TiSrO₃, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 반도체층은 전자추출층으로서 사용할 수 있다.

본원의 제 1 측면의 태양전지는 종래의 태양전지와는 달리 루테늄 금속 착체가 아닌 페로브스카이트 구조를 가지는 염료를 감광제로서 사용할 수 있다.

본원의 제 1 측면의 염료감응 태양전지에 포함되는 염료는 하기 화학식 1로서 표시되는 것일 수 있다:

[화학식 1]

C_nH_2n ₊₁NH₃MX₃

상기 화학식 1로서 표시되는 염료는 C_nH_2n ₊₁NH₃MX₃ 구조의 유무기 복합 물질로서, 상기 n은 1 내지 9의 정수이고, 상기 M에 Pb, Sn, Ge, Ti, Nb, Zr, Ce, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하고, 상기 X에 할로겐을 대입한 것이 상기 화학식 1에 해당한다. 상기 할로겐은 F, Br, Cl, 또는 I일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 화학식 1로서 표시되는 염료는, 예를 들어, CH₃NH₃PbI₃, CH₃NH₃PbBr₃, CH₃NH₃PbI₂Cl, 또는 CH₃NH₃PbI₂Br의 페로브스카이트일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 전극은 Au, Pt, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 안정성이 높은 금속인 Au를 상기 제 2 전극으로서 이용함으로써, 본원의 페로브스카이트 태양전지의 장기안정성을 향상시킬 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 정공 전달층 및 상기 중간층의 합의 두께는 약 1 nm 내지 약 150 nm의 범위인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 정공 전달층 및 상기 중간층의 합의 두께는 약 1 nm 내지 약 150 nm, 약 5 nm 내지 약 150 nm, 약 10 nm 내지 약 150 nm, 약 30 nm 내지 약 150 nm, 약 50 nm 내지 약 150 nm, 약 70 nm 내지 약 150 nm, 약 90 nm 내지 약 150 nm, 약 110 nm 내지 약 150 nm, 약 130 nm 내지 약 150 nm, 약 1 nm 내지 약 130 nm, 약 1 nm 내지 약 110 nm, 약 1 nm 내지 약 90 nm, 약 1 nm 내지 약 70 nm, 약 1 nm 내지 약 50 nm, 약 1 nm 내지 약 30 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 또는 약 1 nm 내지 약 5 nm의 범위인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광흡수층의 염료의 두께는 약 50 nm 내지 약 1 μm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 광흡수층의 염료의 두께는 약 50 nm 내지 약 1 μm, 약 50 nm 내지 약 900 nm, 약 50 nm 내지 약 800 nm, 약 50 nm 내지 약 700 nm, 약 50 nm 내지 약 600 nm, 약 50 nm 내지 약 500 nm, 약 50 nm 내지 약 400 nm, 약 50 nm 내지 약 300 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 100 nm 내지 약 1 μm, 약 200 nm 내지 약 1 μm, 약 300 nm 내지 약 1 μm, 약 400 nm 내지 약 1 μm, 약 500 nm 내지 약 1 μm, 약 600 nm 내지 약 1 μm, 약 700 nm 내지 약 1 μm, 약 800 nm 내지 약 1 μm, 또는 약 900 nm 내지 약 1 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 전도성 투명 기재를 제외한 페로브스카이트 태양전지의 두께는 약 500 nm 내지 약 3 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 투명 기재를 제외한 페로브스카이트 태양전지의 두께는 약 500 nm 내지 약 3 μm, 약 1 μm 내지 약 3 μm, 약 1.5 μm 내지 약 3 μm, 약 2 μm 내지 약 3 μm, 약 2.5 μm 내지 약 3 μm, 약 500 nm 내지 약 2.5 μm, 약 500 nm 내지 약 2 μm, 약 500 nm 내지 약 1.5 μm, 또는 약 500 nm 내지 약 1 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

[화학식 1]

C_nH_2n ₊₁NH₃MX₃

본원의 제 2 측면은 본원의 제 1 측면에 따른 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본원의 제1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 p-형 반도체 물질은 스피로-OMeTAD, 폴리(3-헥실티오펜) (P3HT), (폴리[2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일[4,4-비스(2-에틸헥실-4H-사이클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜-2,6-디일]] (PCPDTBT), (폴리[[9-(1-옥틸노닐)-9H-카바졸-2,7-디일] -2,5-티오펜디일-2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일-2,5-티오펜디일]) (PCDTBT), 또는 폴리(트리아릴아민) (PTAA)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광흡수층은 스핀 코팅, 또는 기상 증착법에 의해 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 기상 증착법은 화학적 기상 증착법, 물리적 기상 증착법, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[ 실시예 ]

<물질 제조>

모든 화합물은 분석 등급의 것을 구매하여 추가 정제 없이 사용하였다. 0.2 M 티타늄 테트라클로라이드(TiCl₄) 수용액은 TiCl₄ 스톡 수용액(2 M)을 희석시켜 제조하였다. 메틸암모늄 납 요오드화물(CH₃NH₃PbI₃) 용액은 이미 공개된 프로토콜에 따라 제조하였다. 먼저, 메틸 아민(27.8 mL, 메탄올 중의 40%, TCI), 및 요오드화 수소산(30 mL, 물 중의 57 wt%, Aldrich)은 0℃에서 2 시간 동안 둥근바닥 플라스크(250 mL) 내에서 교반하였다. 메틸암모늄 요오드화물 침전물(CH₃NH₃I)을 1 시간 동안 50℃에서의 증발시켜 회수하였다. 상기 CH₃NH₃I 파우더는 24 시간 동안 60℃에서 진공 하에 추가 건조한 후, 디에틸 에테르를 이용하여 세척하였다(30 분 교반). 두 번째로, 상기 CH₃NH₃I 파우더 및 PbI₂ (Aldrich)를 12 시간 동안 70℃에서 λ-부티로락톤 및 디메틸 설폭사이드(GBL:DMSO, 7:3 v/v)의 혼합물 중에서 1:1 몰비에 의해 교반하였다. 클로로벤젠(1 mL, Aldrich) 중의 스피로-OMeTAD(72.3 mg, Merck)의 용액을 4-tert-부틸피리딘(28.8 μL, Aldrich), 및 Li-TFSI 용액(1 mL 아세토니트릴 중 520 mg)의 17.5 μL를 이용하여 혼합하여, 순수 스피로-OMeTAD 용액을 제조하였다. MWNT(Nanosolution, 외부 직경: 약 5 nm)를 추가적으로 첨가하였고, 4 시간 동안 교반하였으며, 스피로-OMeTAD/MWNT 용액을 제조하였다.

<태양전지 제조>

TiO₂ 층을 오븐(60℃, 1 시간) 중에서 0.2 M TiCl₄ 수용액을 이용하여 화학적 용액 성장법에 의해 불소-도핑 SnO₂(FTO)-코팅 유리 기재(Pilkington, TEC 8) 상에 증착하였다. TiO₂/FTO/유리 기재를 탈이온수를 사용하여 세척하였고, 핫 플레이트에서 건조(100℃, 1 시간)시켰다. 상기 페로브스카이트 및 정공 전달층을 질소-충전 글로브 박스에서 증착하였다. 상기 CH₃NH₃PbI₃ 층은 2-단계 스핀 코팅을 적용하였다. 상기 CH₃NH₃PbI₃ 용액을 먼저 스핀 증착(1,000 rpm, 30 초)한 후, 톨루엔 드롭 캐스팅(5,000 rpm, 20 초)하였다. CH₃NH₃PbI₃/TiO₂/FTO/유리 기재를 대기 조건 온도(100℃, 30 분)에서 건조하였다.

다음 단계에서, 균일한(순수 스피로-OMeTAD) 또는 계층(순수 스피로-OMeTAD 및 스피로-OMeTAD/MWNT) 정공 전달층을 제조하였다. 초기 스피로-OMeTAD 용액은 먼저 스핀 코팅(4,000 rpm, 1 분)하였고, 진공 하에서 건조(상온, 2 시간)시켰다. 다음으로 상기 스피로-OMeTAD/MWNT 용액을 계층적 배열을 위해 스핀-증착(4,000 rpm, 30 초)하였다. 상기 정공 전달층의 동일한 두께(약 150 nm)를 가지기 위해, 순수 스피로-OMeTAD 용액 또한 균일한 정공 전달층을 위해 두 번 스핀-코팅하였다. 마지막으로, 금 전극(약 100 nm)을 열적 증발에 의해 증착하였고, 진공에서 태양 전지를 건조시켰다(12 시간). 태양전지의 조사 면적은 0.15 cm² 내지 0.18 cm²였다.

<특성분석>

상기 스피로-OMeTAD/MWNT 용액을 전기 전달 측정을 위해 SiO₂/Si 웨이퍼(1 cm × 1 cm) 상에 드롭-캐스팅하였다. 상기 종(speciment)들의 두께는 용매의 증발 후 약 50 μm였다. 4 개의 금 전극(2 mm × 2 mm × 100 nm)들을 열적 증발에 의해 각 코너 상에 증착하였고, 전기적 전달 특성은 0.556 T 자기장 하에 반 데르 파우-홀(Van der Pauw-Hall) 효과 측정 시스템(ECOPiA, HMS-3500)을 이용하여 특성분석하였다. 표면 모폴로지를 주사 전자 현미경(SEM, JEOL, JEM2100F)에 의해 조사하였다. J-V 특성분석은 AM 1.5 simulated sunlight (Oriel, Sol3ATM) 하에 디지털 소스 미터(digital source meter) (Keithley 2400)를 이용하여 측정하였다. 입사 광자 대 전류 효율 또한 측정하였다(Oriel, IQE 200).

본 실시예에 있어서, 탄소나노튜브는 전도도 필러로서 사용되어, 고분자 복합재료의 전도도를 향상시켰다. 탄소나노튜브는 높은 종횡비를 가지는 1 차원 기하학 구조로 인하여, 저농도에서 여과를 달성하는 것이 바람직하다. 상기 탄소나노튜브는 1 차원 기하학적 구조를 통해 저농도에서도 복합재료의 전도도를 향상시키는 전도도 필러로서 사용되어 왔다. 본 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 정공 전달 물질 (hole transport material, HTM)의 전도도를 향상시키기 위해 사용하였다.

본 실시예에서는 계층적 정공 전달층 구조를 제조하여, 페로브스카이트 태양전지의 PCE를 향상시켰다. 상기 페로브스카이트 태양전지는 저온 용액 공정(100℃ 이하)에 의해 제조하였다. 상기 페로브스카이트 층(광흡수층)은 톨루엔 드롭-캐스팅 방법에 의해 형성하였고, bl-TiO₂는 전자 추출층(반도체층)으로서 사용하였다. 두 개의 상이한 디자인이 정공 전달층을 위해 사용되었다. 스피로-OMeTAD 내의 소량의 다중벽 탄소나노튜브(스피로-OMeTAD/MWNT)의 첨가는 정공 전달층의 캐리어 농도 및 이동도 모두 향상시킬 수 있었다. 그러나, MWNT의 큰 일함수(약 4.6 eV)는 스피로-OMeTAD/MWNT 중의 바람직하지 못한 역-전자 통로를 제공하여, 정공 선택성이 감소되었다. 상기와 같은 현상은 단락 전류 밀도(Jsc) 및 개방 전압(Voc)에 있어 감소를 초래한다. 상기 문제를 해결하기 위해, 본 실시예에서는 페로브스카이트 및 스피로-OMeTAD/MWNT 층 사이에 수 스피로-OMeTAD의 중간층을 도입하였다. 상기 중간층은 CH₃NH₃PbI₃로부터 스피로-OMeTAD/MWNT로의 전자 전달을 차단한다. 계층 정공 전달층을 가지는 상기 페로브스카이트 태양전지는 충전 인자, J_sc, 및 V_oc 를 증가시켰다. 결과적으로, 페로브스카이트 태양전지의 PCE는 12%에서 15%로 증가하였다.

판-구조의 페로브스카이트 태양전지의 개략도는 도 2에 나타내었다. 상기 전지를 저-비용 용액 공정(100℃ 이하)에 의해 제조하였다. 첫째, 상기 bl-TiO₂ 층은 화학적 용액 성장법(chemical bath deposition)에 의해 불소-도핑된 SnO₂ (FTO)-코팅 유리 상에 적용하였다. 상기 FTO/유리는 오븐(60℃, 1 시간) 중에서 0.2 M TiCl₄ 수용액에 침지되어 TiO₂ 차단층을 형성한 후, 핫 플레이트에서 건조(100℃, 1 시간)하였다. 도 3a는, bl-TiO₂ 층의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타낸다. TiO₂ 나노입자(직경: 5 nm 내지 10 nm)가 상기 FTO 층을 완전히 덮은 것을 확인할 수 있었다. 다음으로 상기 CH₃NH₃PbI₃ 용액을 30 초 동안 1,000 rpm에서 bl-TiO₂/FTO/유리 상에 스핀-코팅하였다. 상기 속도는 5,000 rpm으로 증가하였고(20 초), 톨루엔을 추가적으로 적용하였다(톨루엔 드롭 캐스팅 방법). 핫 플레이트에서 건조(100℃, 30 분)한 후의 상기 CH₃NH₃PbI₃ 층의 SEM 이미지를 도 3b에 나타내었다. 다음 단계에서, 순수 스피로-OMeTAD 용액 또는 MWNT 및 스피로-OMeTAD 용액의 혼합물(스피로-OMeTAD/MWNT)을 정공 전달층으로서 CH₃NH₃PbI₃/bl-TiO₂/FTO/유리 상에 스핀-증착하였다(도 3c 및 도 3d). 마지막으로, 제 2 전극을 Au 열적 증발에 의해 형성하였다. 각각의 층 두께를 가지는 태양전지의 광학 및 횡단면 SEM 이미지는 도 4의 a) 및 b)에 제공되었다. 도 4의 a)의 5 개의 금 전극은 마스크로서 폴리이미드 필름을 사용하는 하나의 FTO-코팅된 유리 상에 형성되었음을 나타내었다. 도 4의 b)는, 각 층의 평균 두께를 나타내었다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 순수 스피로-OMeTAD 및 스피로-OMeTAD/MWNT을 전기 전달 특성분석을 위해 SiO₂/Si 기재 상에 증착하였다. 상기 MWNT 농도가 증가할 때, 캐리어 농도, 이동도, 및 전기 전도도는 증가하였다. 상기와 같은 결과는 순수 스피로-OMeTAD의 캐리어 농도(7.13×10¹⁵ cm^-3) 및 이동도(7.79×10^-1 cm² V^-1 S^-1)와 비교하여, MWNT의 더 높은 캐리어 농도(1.94×10¹⁹ cm^-3) 및 이동도(약 220 cm² V^-1 S^-1) 때문이었다. 스피로-OMeTAD 중의 나노튜브는 전기적 전하 전달을 향상시킬 수 있다.

도 6의 a,는 정공 전달층으로서 균일한 스피로-OMeTAD/MWNT 필름을 가지는 페로브스카이트 태양전지의 전류 밀도-전압(J-V) 특성을 나타낸다. 평균 필름 두께는 150 nm였고, 나노튜브 농도는 0 에서 2 wt%로 다양했다. 상기 J-V 특성은 AM 1.5 글로벌 1-태양광 조명 조건 하에서 측정하였다. 도 6의 b에 나타낸 바와 같이, 상기 나노튜브 농도가 0 에서 1 wt%로 증가할 때, R_s가 감소하였고 충전 인자는 증가하였다. 상기와 같은 결과는 정공 전달층의 전도도 증가 때문이다(도 5). 그러나, 스피로-OMeTAD/MWNT의 전도도가 추가 증가하였음에도 불구하고, R_s가 2 wt%에서 증가되었음을 나타냈다. 상기 증가된 R_s는 충전 인자를 감소시켰다. R_s 는 하기 집중(lumped) 등가 회로 모델(식 1)을 이용하여 계산하였다.

(식 1)

상기 식 1에서 I_ph는 일정한 전류 소스에 의해 전달된 광-발생된 전류이고, I₀는 등가 다이오드의 포화 전류이고, q는 기본 전하이고, k는 볼츠만 상수(Boltzmann’s constant)이고, T는 켈빈 전지 온도이고, n은 다이오드 이상 계수이고, I는 측정된 전지 전류이고, V는 측정된 전지 전압이며, 및 R_sh는 회피 저항(shunt resistance)이다. 하기 식 2는 무시할 수 있는 I₀, 및 R_s와 비교하여 충분히 더 큰 R_sh를 가정하여 식 1을 미분함으로써 수득할 수 있다. Rs는 n=1, 및 T=300 K로 가정하여 계산하였다. 상기 측정된 R_sh는 또한 도 7에 나타내었다. 도 7은 균일한 정공 전달층을 가지는 페로브스카이트 태양 전지의 회피 저항을 나노튜브 농도의 함수로서 나타내었다.

(식 2)

스피로-OMeTAD 중에 MWNT(0.5 wt%)의 첨가는 향상된 전기 전도도로 인하여 J_sc를 증가시켰다(도 6의 c). 그러나, 나노튜브의 추가 첨가는 J_sc를 감소시켰다. 입자 광자 대 전류 효율의 최대치는 또한 0.5 wt% 나노튜브 농도에서 수득하였다(도 8). 도 8은, 균일한 정공 전달층을 가지는 페로브스카이트 태양 전지의 입사 광자 대 전류 효율을 MWNT 농도의 함수로써 특성분석하였다. 상기 효율은 0 내지 0.5 wt%까지 증가된 나노튜브의 농도로서 증가시켰다. 나노튜브의 추가 첨가는 상기 효율을 감소시켰다. 정공 전달층 중의 나노튜브의 첨가는 V_oc를 단순 감소시켰고(도 6의 d), PCE의 최대치(14%)는 0.5 wt%의 나노튜브 농도에서 수득하였다(도 6의 e).

도 9의 a)는, CH₃NH₃PbI₃ 및 균일한 스피로-OMeTAD/MWNT 층 사이 경계면의 개략도를 나타낸다. 일부 탄소나노튜브는 CH₃NH₃PbI₃와 직접적인 전기적 접촉을 가능하게 한다. 도 9의 b)는, CH₃NH₃PbI₃ 및 MWNT 사이의 직접적인 접합의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다. MWNT의 일함수(-4.6 eV)가 CH₃NH₃PbI₃의 최대 점유 분자 오비탈(HOMO) 레벨(-5.4 eV)보다 더 높으면, 효율적인 정공 추출 통로를 제공한다. 그러나, MWNT의 일함수가 CH₃NH₃PbI₃의 최저 비점유 분자 오비탈(LUMO) 레벨(-3.9 eV)보다 더 낮으면, 동시에 바람직하지 못한 역-전자 전달 통로를 제공한다. 상기와 같은 현상은 스피로-OMeTAD의 선택적인 정공-회수 함수에 따른 것이다. 나노튜브 농도와 함께 스피로-OMeTAD/MWNT의 이동도 및 전도도가 단순 증가함에도 불구하고(도 5), 이것은 더 높은 나노튜브 농도에서 직렬 저항의 증가, 및 J_sc 및 V_oc의 감소 결과의 원인이 될 수 있다(도 6). 스피로-OMeTAD 중에 내포된 CH₃NH₃PbI₃ 및 MWNT 사이의 직접적인 전기적 접촉의 형성 가능성은 나노튜브 농도 증가와 함께 증가한다.

CH₃NH₃PbI₃ 및 MWNT 사이의 직접적인 전기적 접촉을 방지하기 위해, 도 9의 c)에 나타낸 바와 같이, 본원은 계층적 정공 전달층 구조체(순수 스피로-OMeTAD 및 스피로-OMeTAD/MWNT)를 설계했다. 순수 스피로-OMeTAD 층을 CH₃NH₃PbI₃의 상부에 최초 스핀-증착한 후, 스피로-OMeTAD/MWNT을 스핀-코팅하였다. 밴드 다이어그램 [도 9의 d)]에 나타낸 바와 같이, 초기 스피로-OMeTAD의 상기 LUMO 레벨(-2.3 eV)은 CH₃NH₃PbI₃의 LUMO 레벨(-3.9 eV)보다 더 높아 전자 전달을 차단하였다. 초기 스피로-OMeTAD의 상기 HOMO 레벨(-5.2 eV)은 CH₃NH₃PbI₃의 HOMO 레벨(-5.4 eV)보다 더 높아, 선택적으로 정공을 추출하였다. 상기 추출된 정공은 제 2 층(스피로-OMeTAD/MWNT)에 의해 효과적으로 전달될 수 있고, 상기 정공 또한 스피로-OMeTAD 내에 내포된 MWNT와 직접 접촉할 수 있었으며, 이는 MWNT가 -4.6 eV의 일함수, 더 큰 이동도, 및 더 큰 전기 전도도를 보유하기 때문이다.

도 10의 a)는, 계층적 정공 전달층 구조체(순수 스피로-OMeTAD 및 스피로-OMeTAD/MWNT)를 가지는 페로브스카이트 태양전지의 J-V 특성을 나타낸다. 스피로-OMeTAD/MWNT 층 중의 나노튜브 농도가 증가할 때, 상기 식 2에 의해 계산된 R_s는 단순 감소하였다(도 3a). 상기와 같은 결과는 나노튜브의 첨가와 함께 스피로-OMeTAD/MWNT의 전도도의 증가 때문이다(도 5). 또한, 상기 역-전자 전달은 순수 스피로-OMeTAD 중간층에 의해 효과적으로 방지되었다. R_s 보다 훨씬 더 큰 상기 측정된 R_sh는 도 11에 나타냈다. 계층적 정공 전달층 구조를 가지는 페로브스카이트 태양 전지의 회피 저항은 나노튜브 농도의 함수로써 나타내었다. 상기 회피 저항은 집중 등가 회로 모델을 이용하여 계산하였다. 충전 인자 및 J_sc가 나노튜브의 첨가와 함께 단순 증가하여, 2 wt%의 나노튜브 농도에서 0.7 mA/cm² 및 22.1 mA/cm²로 확인하였다[도 10의 c)]. 도 10의 d)는 동일한 나노튜브 농도(2 wt%)에서 균일하고 계층적인 정공 전달층의 입사 광자 대 전류 효율을 비교한다. 상기 계층 구조체에서 수득된 더 큰 효율은 뚜렷하게 나타났다. V_oc는 경미한 증가가 있었다. 결과적으로, 상기 나노튜브 농도가 0 에서 2 wt%로 증가할 때, PCE가 12%에서 15%로 증가하였다. HTM으로서 MWNT-함유 P3HT를 포함하는 페로브스카이트 태양전지는 향상된 충전 인자로 인하여 PCE를 4.12%에서 6.45%로 개선하였다. 화학적으로 도핑된 MWNT를 포함하는 P3HT는 향상된 캐리어 이동도로 인하여 유기 광전지의 PCE 또한 3%에서 4.1%로 증가시킬 수 있었다. 상기와 같은 결과는 효과적인 정공 전달층이 증가된 전기 전도도 및 전자-차단 함수를 가지는 계층적 디자인에 의해 제조되었음을 나타낸다.

결론적으로, MWNT는 스피로-OMeTAD/MWNT의 캐리어 농도, 이동도, 및 전기 전도도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 스피로-OMeTAD 내에 내포된 페로브스카이트 및 MWNT 사이의 직접적인 전기적 접촉은 바람직하지 못한 역-전자 통로를 만들며, MWNT의 일함수는 CH₃NH₃PbI₃의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨보다 더 낮았다. 상기와 같은 현상은 충전 인자, J_sc, 및 PCE의 증가를 제한하였다. 본원은 역-전자 전달을 방지하고, 스피로-OMeTAD/MWNT의 향상된 전달 특성을 완전히 이용하기 위해 순수 스피로-OMeTAD 및 스피로-OMeTAD/MWNT의 계층 구조를 제공한다. 상기 계층 정공 전달층에서 상기 탄소나노튜브 농도가 증가할 때, 충전 인자, J_sc, V_oc, 및 PCE는 단순 증가하였다. 상기 탄소나노튜브 농도가 0 에서 2 wt%로 증가함에 따라, PCE는 12%에서 15%로 증가하였다. 상기 페로브스카이트 전지는 저온 용액 공정에 의해 제조되어 와트당 비용이 더욱 절감된다.

본 실시예는 스피로-OMeTAD 내에 다중벽 탄소나노튜브(MWNT)를 내포시켜(스피로-OMeTAD/MWNT), 캐리어 이동도 및 전도도를 향상시켰다. MWNT의 큰 일함수(work function)로 인하여, 페로브스카이트(CH₃NH₃PbI₃) 및 MWNT 사이의 직접적인 전기적 접촉은 바람직하지 못한 역-전자 전달 통로를 만들며, 충전 인자, 단락 전류 밀도, 및 PCE의 향상을 제한한다. 순수 스피로-OMeTAD 및 스피로-OMeTAD/MWNT의 계층적 구조는 역-전자 전달을 막고, 스피로-OMeTAD/MWNT의 향상된 전하 전달을 전면적으로 개발하기 위해 고안하였다. 상기 충전 인자, 단락 전류 밀도, 개방 전압, 및 PCE는 계층적 정공 전달층에 의해 MWNT의 첨가와 함께 증가하였다. 상기 탄소나노튜브 농도가 0에서 2 wt%로 증가함에 따라, 상기 PCE는 12%에서 15%로 증가하였다. 상기 페로브스카이트 태양 전지는 저온 용액 공정에 의해 제조되어, 와트당 비용이 더욱 감소하였다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.

100: 페로브스카이트 태양전지
110: 제 1 전극
120: 광흡수층
130: 중간층
140: 정공 전달층
150: 제 2 전극

Claims

전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 형성된 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성된 중간층;
상기 중간층 상에 형성된 정공 전달층; 및
상기 정공 전달층 상에 형성된 제 2 전극을 포함하며,
상기 광흡수층은 반도체층 및 하기 화학식 1로서 표시되는 염료를 포함하고,
상기 중간층 및 상기 전공 전달층은 계층적 구조를 형성하는 것으로서,
상기 중간층은 p-형 반도체 물질을 포함하고,
상기 정공 전달층은 p-형 반도체 물질 및 탄소나노튜브를 포함하는 것이며,
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 또는 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 것이며,
상기 광흡수층 및 상기 중간층의 p-형 반도체 물질이 서로 접촉하여 형성되는 것인,
페로브스카이트 태양전지:
[화학식 1]
C_nH_2n+1NH₃MX₃
상기 화학식 1 중,
n은 1 내지 9의 정수이고,
M은 Pb, Sn, Ge, Ti, Nb, Zr, Ce, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하고,
X는 할로겐임.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 p-형 반도체 물질은 스피로-OMeTAD, 폴리(3-헥실티오펜) (P3HT), (폴리[2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일[4,4-비스(2-에틸헥실-4H-사이클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜-2,6-디일]] (PCPDTBT), (폴리[[9-(1-옥틸노닐)-9H-카바졸-2,7-디일] -2,5-티오펜디일-2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일-2,5-티오펜디일]) (PCDTBT), 또는 폴리(트리아릴아민) (PTAA)을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 탄소나노튜브의 농도는 상기 정공 전달층의 상기 p-형 반도체 물질의 총 중량 대비 2 wt% 이하인 것인, 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 전도성 투명 기재는 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), ZnO-Ga₂O₃, ZnO-Al₂O₃, 주석계 산화물, 산화아연, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 함유하는 유리 기재, 또는 플라스틱 기재를 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은 금속 산화물을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈, 바나듐, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 산화물을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 반도체층은 TiO₂, SnO₂, ZnO, WO₃, Nb₂O₅, TiSrO₃, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 Au, Pt, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
제 1 항에 있어서,
상기 정공 전달층 및 상기 중간층의 합의 두께는 1 nm 내지 150 nm의 범위인 것인, 페로브스카이트 태양전지.
전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극 상에 광흡수층을 형성하고;
상기 광흡수층 상에 중간층을 형성하고;
상기 중간층 상에 정공 전달층을 형성하고; 및
상기 정공 전달층 상에 제 2 전극을 형성하는 것
을 포함하며,
상기 광흡수층은 반도체층 및 하기 화학식 1로서 표시되는 염료를 포함하고,
상기 중간층 및 상기 전공 전달층은 계층적 구조를 형성하는 것으로서,
상기 중간층은 p-형 반도체 물질을 포함하고,
상기 정공 전달층은 p-형 반도체 물질 및 탄소나노튜브를 포함하는 것이며,
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 또는 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 것이며,
상기 광흡수층 및 상기 중간층의 p-형 반도체 물질이 서로 접촉하여 형성되는 것인,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법:
[화학식 1]
C_nH_2n+1NH₃MX₃
상기 화학식 1 중,
n은 1 내지 9의 정수이고,
M은 Pb, Sn, Ge, Ti, Nb, Zr, Ce, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하고,
X는 할로겐임.
삭제
삭제
제 12 항에 있어서,
상기 탄소나노튜브의 농도는 상기 정공 전달층의 상기 p-형 반도체 물질의 총 중량 대비 2 wt% 이하인 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 광흡수층은 스핀 코팅, 또는 기상 증착법에 의해 형성되는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.