KR101574658B1 - 페로브스카이트 기반의 3차원 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 전극; 상기 제1 전극 상부에 형성된 3차원 다공성 구조의 p형 정공 전달층;상기 p형 정공 전달층 상부에 형성된 페로브스카이트를 포함하는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상부에 형성된 n형 투명전극;을 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 제공한다. 또한 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지를 제공함으로써, 페로브스카이트 광 흡수층에서 형성된 정공이 손쉽게 정공 전달체를 통해 전극으로 전달되도록 하여 효율적인 광전변환 특성을 구현할 수 있고, 무기물 화합물 반도체를 사용하기 때문에 기존의 유기물 정공 전달체 대비 안정성 측면에서 유리한 효과가 있다.

Description

페로브스카이트 기반의 3차원 태양전지 및 이의 제조 방법{3-dimentional solar cell based on Perovskite, and the preparation method thereof}

본 발명은 페로브스카이트 기반의 3차원 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.

현재 광전변환효율이 20 %가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 광전변환효율이 우수한 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 있다. 그러나 이러한 무기 반도체 기반의 태양전지는 고효율화를 위하여 매우 고순도로 정제한 소재가 필요하므로 원소재의 정제에 많은 에너지가 소비되고, 또한 원소재를 이용하여 단결정 혹은 박막화 하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조비용을 낮게 하는 데에는 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어왔다.

이에 따라 태양전지를 저가로 제조하기 위해서는 태양전지에 핵심으로 사용되는 소재 혹은 제조 공정의 비용을 대폭 감소시킬 필요가 있으며, 무기 반도체 기반 태양전지의 대안으로 저가의 소재와 공정으로 제조가 가능한 염료감응형 태양전지와 유기 태양전지가 활발히 연구되고 있다. 한편, 염료감응형 태양전지 또는 유기 태양전지로 페로브스카이트를 사용하여 고효율을 나타내는 연구가 진행되고 있으나 여전히 부족한 효율을 나타내고 있는 실정이다.

페로브스카이트 박막 태양전지는 얇은 광흡수층 두께에서도 고효율의 광전변환 특성 구현이 가능하며, 종래의 염료감응 태양전지와는 달리 고체 전도층을 이용하므로 경제적으로 태양전지 제조가 가능하여 액체 전해질 사용 시의 단점을 해결할 수 있는 기술로 많은 관심을 받고 있다. 한편, 기존의 페로브스카이트 태양전지는 다공성 전자전달체 상에 페로브스카이트 광흡수층을 형성한 후, 유기물 정공전달층을 그 위에 형성함으로써 태양전지를 제작한다.

그러나 페로브스카이트 박막 태양전지에 있어서, 다공성 전자전달체를 이용하지 않을 경우, 전자 전달이 취약하여 태양전지 특성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한 종래의 유기물 정공전달층의 경우, 페로브스카이트 상에 균일하게 도포하는 데 있어 어려움이 있을 수 있으며, 유기물이기 때문에 장기 안정성 측면에서 불리한 점이 있다.

이에, 본 발명자들은 페로브스카이트 태양전지에 대하여 연구하던 중, 기존의 페로브스카이트 태양전지와 달리 다공성 정공전달체를 우선 형성한 후 상기 정공전달층상에 페로브스카이트 광흡수층 및 전자전달체를 포함하는 태양전지를 개발하여, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 페로브스카이트 기반의 3차원 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해,

본 발명은,

제1 전극;

상기 제1 전극 상부에 형성된 3차원 다공성 구조의 p형 정공 전달층;

상기 p형 정공 전달층 상부에 형성된 페로브스카이트를 포함하는 광 흡수층; 및

상기 광 흡수층 상부에 형성된 n형 투명전극;을 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.

또한 본 발명은,

제1 전극 상부에 다공성 p형 정공 전달층을 형성하는 단계(단계 1);

상기 단계 1에서 형성된 정공 전달층 상부에 페로브스카이트를 포함하는 광 흡수층을 형성하는 단계(단계 2); 및

상기 단계 2에서 형성된 광 흡수층 상부에 n형 투명전극을 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서는 화합물 반도체 기반의 3차원 구조를 갖는 다공성 무기물 정공전달층을 형성하고, 상기 정공 전달층 상부에 페로브스카이트를 형성함으로써, 페로브스카이트 광흡수층에서 형성된 정공이 손쉽게 정공전달층을 통해 전극으로 전달되도록 하여 효율적인 광전변환 특성을 구현할 수 있다.

또한, 무기물 화합물 반도체를 이용하기 때문에 기존의 유기물 정공 전달체 대비 안정성 측면에서 유리하다.

도 1은 종래의 페로브스카이트 태양전지의 구조를 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 구조를 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 또 다른 구조를 나타낸 모식도이고;
도 4는 본 발명에 따른 다공성 p형 CZTS 박막의 단면을 주사전자현미경(Scanning electron microscopy)으로 관찰한 사진이고;
도 5는 실시예 1에서 제조된 페로브스카이트 태양전지의 단면을 주사전자현미경을 통해 관찰한 사진이다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명은,

제1 전극;

상기 제1 전극 상부에 형성된 3차원 다공성 구조의 p형 정공 전달층;

상기 p형 정공 전달층 상부에 형성된 페로브스카이트를 포함하는 광 흡수층; 및

상기 광 흡수체 상부에 형성된 n형 투명전극;을 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.

기존의 페로브스카이트 태양전지에서는 다공성 전자전달체를 이용하지 않을 경우, 전자 전달이 취약하여 태양전지 특성이 저하되는 문제가 있다. 또한 유기물 정공전달층의 경우에는 페로브스카이트 상에 균일하게 도포하는 데 있어 어려움이 있으며, 유기물이기 때문에 장기 안정성 측면에서 불리한 점이 있다.

이를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 기존의 페로브스카이트 태양전지와 달리 다공성 정공전달층을 우선 형성한 후 그 위에 페로브스카이트 광흡수층 및 전자전달층을 형성하여 태양전지를 제작하였다. 보다 자세하게는, 나노 크기의 다공을 갖는 다양한 p형 무기 화합물 반도체를 전극 상에 여러 가지 공정을 이용하여 형성하고, 상기 정공 전달층상에 페로브스카이트 광 흡수층을 형성하고, 그 위에 n형 반도체 투명전극을 형성함으로써 3차원 구조를 갖는 박막 태양전지를 제조하였다.

상술한 바와 같이, 화합물 반도체 기반의 3차원 구조를 갖는 다공성 무기물 정공전달체 상면에 페로브스카이트를 형성함으로써, 페로브스카이트 광흡수층에서 형성된 정공이 손쉽게 정공전달체를 통해 전극으로 전달되도록 함으로써 효율적인 광전변환 특성을 구현할 수 있다. 또한, 무기물 화합물 반도체를 이용하기 때문에 기존의 유기물 정공전달체 대비 안정성 측면에서 유리한 효과가 있다.

도 1은 기존의 페로브스카이트 태양전지의 구조를 나타낸 것으로, 종래의 페로브스카이트 태양전지는 기판(미도시)상에 제1 전극(10); 제1 전극 상부에 다공성 전자전달층(21); 상기 전자전달층상부에 페로브스카이트 광흡수층(30); 상기 광흡수층 상부에 유기물 p형 정공전달층(50); 상기 정공전달층 상부에 제 2전극을 포함한다.

한편, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지를 도 2의 모식도를 통해 개략적으로 나타내었으며, 이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 그림으로, 제1 전극(10); 상기 제1 전극 상부에 3차원 다공성 구조의 p형 정공 전달층(20); 상기 p형 정공 전달층 상부에 형성된 페로브스카이트를 포함하는 광 흡수층(30); 상기 광 흡수층 상부에 형성된 n형 투명전극(40)을 포함한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기존의 페로브스카이트 태양전지와 달리 화합물 반도체 기반의 3차원 구조를 갖는 다공성 무기물 정공 전달층(20)을 우선 형성한다. 형성된 상기 정공 전달층 상부에 페로브스카이트를 포함한 광 흡수층(30)을 형성함으로써, 페로브스카이트 광흡수층에서 형성된 정공이 손쉽게 정공전달체를 통해 전극으로 전달되어 효율적인 광전변환 특성을 구현할 수 있는 특징이 있으며, 무기물 화합물 반도체를 사용하기 때문에 기존의 유기물 정공전달체 대비 안정성 측면에서 유리한 장점이 있다.

본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 제1 전극(10)은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 은(Ag), 아연(Zn), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 및 크롬(Cr) 등의 금속 전극을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

또한 상기 제1 전극은 하부에 기판(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 기판은 제1 전극의 지지체 역할을 수행할 수 있으며, 통상의 태양전지에서 전면전극 상에 위치할 수 있는 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 유리 기판을 포함하는 딱딱한(rigid) 기판 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 폴리에테르술폰(PES) 등을 포함하는 유연한(flexible) 기판일 수 있다.

본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 3차원 구조의 p형 정공 전달층(20)은 상기 제1 전극(10) 상부에 적층된다.

상기 p형 정공 전달층(20)은 CuGaS₂(CGS), CuInSe₂(CISe), CuGaSe₂(CGSe), CuAlSe₂(CASe), CuInTe₂(CITe), CuGaTe₂(CGTe), Cu(In,Ga)S₂(CIGS), Cu(In,Ga)Se₂(CIGSe), Cu₂ZnSnS₄(CZTS), Cu₂ZnSnSe₄(CZTSe), Cu₂ZnSn(S,Se)₄(CZTSSe), CuSbS₂, AgSbS_{2 ,} CdTe등과 같은 무기 정공전달물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 예를 들어, Cu₂ZnSnS₄(CZTS)을 사용할 수 있으며 20 내지 80% 의 다공도를 나타내도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 제 1전극(10)과 상기 p형 정공 전달층(30)사이에 차단층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 차단층(blocking layer)은 TiO₂, ZnO 및 Al₂O₃ 등의 금속 산화물로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 광 흡수층(30)은 상기 p형 정공 전달층(20) 상부에 형성된다.

이때, 상기 광 흡수층(30)은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 페로브스카이트 구조의 유기-금속할로겐 화합물을 사용할 수 있다.

<화학식 1>

AMX₃

(상기 화학식 1에서,

상기 A는 C_{1 -20}의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C_{1 -20}의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,

상기 M은 Cu^{2 +}, Ni^{2 +}, Co^{2 +}, Fe^{2 +}, Mn^{2 +}, Cr^{2 +}, Pd^{2 +}, Cd^{2 +}, Ge^{2 +}, Sn^{2 +}, Pb^{2 +} 또는 Yb²⁺이고, 상기 X는 할로겐 이온이다.)

<화학식 2>

A₂MX₄

(상기 화학식 2에서,

상기 A는 C_{1 -20}의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C_{1 -20}의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,

상기 M은 Cu^{2 +}, Ni^{2 +}, Co^{2 +}, Fe^{2 +}, Mn^{2 +}, Cr^{2 +}, Pd^{2 +}, Cd^{2 +}, Ge^{2 +}, Sn^{2 +}, Pb^{2 +} 또는 Yb²⁺이고, 상기 X는 할로겐 이온이다.)

본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 n형 투명전극(40)은 상기 광흡수층(30) 상부에 적층될 수 있다.

상기 투명전극(40)은 광의 투과를 향상시키기 위해 투명 전도성 전극일 수 있다. 상기 투명전극은 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al;), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 황화아연(ZnS), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO₂:Al), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 및 PEDOT:PSS 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

또한 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 광흡수층(30)상부에 n형 버퍼층(31)(bufferlayer)을 더 포함할 수 있다.

상기 n형 버퍼층은 CdS, TiO₂, ZnO₂, Zn(O,S), ZnMgO 및 CdSe을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종을 포함하거나, 또는 [6,6]- phenyl-C85 butyric acid methyl ester (PCBM), polyacetylene, polythiophene 및 polyaniline (PANI)과 같은 전도성 고분자등의 n형 반도체 물질로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, n형 반도체 특성을 나타낼 수 있는 적절한 물질들을 선택하여 사용할 수 있다.

또한 본 발명은,

제1 전극 상부에 다공성 p형 정공전달층을 형성하는 단계(단계 1);

상기 단계 1에서 형성된 정공전달층 상부에 페로브스카이트를 포함하는 광 흡수층을 형성하는 단계(단계 2); 및

상기 단계 2에서 형성된 광 흡수층 상부에 n형 투명전극을 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 제1 전극 상부에 다공성 p형 정공 전달층을 형성하는 단계이다.

우선, 상기 단계 1의 제1 전극은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 은(Ag), 아연(Zn), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 및 크롬(Cr) 등의 금속 전극을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한 상기 제1 전극은 기판상에 도포법, 증착법 등을 사용할 수 있으나, 금속 전극을 형성할 수 있는 방법이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.

이때, 상기 기판은 제1 전극을 지지하기 위한 지지체의 역할을 수행할 수 있으며, 통상의 태양전지에서 전면전극 상에 위치할 수 있는 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 유리 기판을 포함하는 딱딱한(rigid) 기판 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 폴리에테르술폰(PES) 등을 포함하는 유연한(flexible) 기판일 수 있다.

그 다음에, 상기 제1 전극 상부에 다공성 p형 정공 전달층을 형성시키는 것으로서, 상기 p형 전공 전달층은 CuGaS₂(CGS), CuInSe₂(CISe), CuGaSe₂(CGSe), CuAlSe₂(CASe), CuInTe₂(CITe), CuGaTe₂(CGTe), Cu(In,Ga)S₂(CIGS), Cu(In,Ga)Se₂(CIGSe), Cu₂ZnSnS₄(CZTS), Cu₂ZnSnSe₄(CZTSe), Cu₂ZnSn(S,Se)₄(CZTSSe), CuSbS₂, AgSbS_{2 ,} CdTe등과 같은 무기 정공전달물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이때, 상기 다공성 P형 정공 전달층은 스핀 코팅 등의 방법으로 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, Cu₂ZnSnS₄(CZTS)을 상기 무기 정공전달물질로 사용하여 3차원 구조의 p형 정공전달층을 형성할 수 있다.

상세하게는, 구리 전구체, 아연 전구체, 주석 전구체 및 황 또는 셀레늄 전구체로 이루어진 원료물질과 용매를 혼합하여 CZTS계 전구체 용액을 제조하여 제1 전극 상에 코팅하는 단계; 상기 코팅된 박막을 200 내지 400 ℃의 온도에서 전열처리하는 단계; 및 상기 전열처리된 박막을 500 내지 600 ℃의 온도로 황 또는 셀레늄을 포함하는 가스분위기에서 열처리하는 단계;를 포함하는 공정을 통해 형성될 수 있다.

상기 CZTS층의 제조공정에서는, 구리, 아연, 주석 및 황 또는 셀레늄의 전구체들과 용매만을 혼합하고 유기물 바인더를 첨가하지 않기 때문에, 기존의 탄소 잔유물이 존재하는 문제점이 없고, 또한 유기물 바인더가 없으므로 정공 전달층의 모폴로지(morphology) 및 두께 등을 제어할 수 있어 태양전지의 성능을 조절할 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 단계 1에서는, 상기 제1 전극 상부에 형성되는 p형 정공 전달층과의 접착성을 높이기 위하여 제1 전극 상부에 차단층(blocking layer)을 더 포함할 수 있다. 상기 차단층을 형성하는 방법은, 스핀 코팅 등의 방법으로 금속 산화물 전구체를 도포하여 가열하는 방법을 사용할 수 있으나, TiO₂, ZnO 및 Al₂O₃ 등의 금속 산화물을 도포하여 차단층을 형성할 수 있는 방법이면 제한되지 않고 사용할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 형성된 정공 전달층 상부에 페로브스카이트를 포함하는 광 흡수층을 형성하는 단계이다. 이때, 광흡수층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 페로브스카이트 구조의 유기-금속할로겐 화합물을 사용할 수 있다.

<화학식 1>

AMX₃

(상기 화학식 1에서,

상기 A는 C_{1 -20}의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C_{1 -20}의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,

상기 M은 Cu^{2 +}, Ni^{2 +}, Co^{2 +}, Fe^{2 +}, Mn^{2 +}, Cr^{2 +}, Pd^{2 +}, Cd^{2 +}, Ge^{2 +}, Sn^{2 +}, Pb^{2 +} 또는 Yb²⁺이고, 상기 X는 할로겐 이온이다.)

<화학식 2>

A₂MX₄

(상기 화학식 2에서,

상기 A는 C_{1 -20}의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C_{1 -20}의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,

상기 M은 Cu^{2 +}, Ni^{2 +}, Co^{2 +}, Fe^{2 +}, Mn^{2 +}, Cr^{2 +}, Pd^{2 +}, Cd^{2 +}, Ge^{2 +}, Sn^{2 +}, Pb^{2 +} 또는 Yb²⁺이고, 상기 X는 할로겐 이온이다.)

그 다음으로, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서 단계 3은, 상기 단계 2에서 형성된 광 흡수층 상부에 n형 투명전극을 형성시키는 단계이다. 상기 n형 투명전극은 ZnO, ZnS, Indium tin oxide (ITO) 및 SnO₂ 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 상기 n형 투명전극은 스퍼터(sputter), 원자층 증착법, 화학적용액 성장법, 스프레이 코팅법 등을 통해 형성될 수 있다.

이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 페로브스카이트 태양전지의 제조

단계 1: 유리 기판 상에 몰리브덴(Mo)을 증착하여 제1 전극을 형성하였다. 상기 제1 전극 상에 티타늄비스에틸아세토아세타토디이소프로폭사이드(titanium bis(ethylacetoacetato)diisopropoxide) 용액을 스핀 코팅하여 도포한 후, 500 ℃의 온도에서 30 분 동안 열처리하여 차단층(blocking layer)을 형성시켰다.

단계 2: p형 정공전달층으로 CZTS층을 형성하기 위하여, 구리 전구체 CuCl₂ 0.9M, 아연 전구체 ZnCl₂ 0.7M, 주석 전구체 SnCl₂ 0.5M 및 황 전구체 CH₄N₂S(thiourea) 4M을 초순수 및 에탄올을 7:3 의 비율로 혼합한 용매에 용해시켜 CZTS 전구체 용액을 제조한 후, 상기 단계 1에서 형성된 차단층 상에 스핀코팅하였다.

상기 코팅된 박막을 350 ℃의 온도에서 전열처리한 후, H₂S 증기를 포함하는 황분위기에서 570 ℃에서 20분 동안 열처리하여 3차원 다공성 구조의 CZTS층인 p형 정공 전달층을 형성시켰다.

단계 3: 상기 단계 3에서 형성된 정공 전달층 상부에 페로브스카이트 전구체 용액을 도포한 후, 건조시켜 페로브스카이트를 포함하는 광 흡수층을 형성하였다.

단계 4: 상기 단계 3에서 형성된 광 흡수층 상부로 투명전극 ZnO을 증착하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.

<실험예 1>

상기 실시예 1에서 제조된 다공성 CZTS 박막 및 태양전지의 단면을 관찰하기 위해, 주사전자현미경으로 관찰한 후, 그 결과를 도 4 및 5에 나타내었다.

도 4는 제 1전극 상에 다공성 p형 CZTS 박막의 단면을 나타낸 것이고, 도 5는 실시예 1에서 제조된 태양전지의 단면을 주사전자현미경을 통해 관찰한 사진으로써, 단면의 구조를 확인할 수 있다. 이와 같이, 도 4 및 5를 통해, 약 2㎛ 두께의 CZTS박막인 다공성 구조의 정공 전달층이 형성된 것을 알 수 있다.

10 : 제1 전극
20 : 다공성 p형 정공전달층
21 : 다공성 전자전달층
30 : 광 흡수층
31 : n형 버퍼층
40 : n형 투명전극
41 : 제2 전극
50 : p형 정공전달층

Claims (9)

1. 제1 전극;
   상기 제1 전극 상부에 형성된 3차원 다공성 구조의 p형 정공 전달층;
   상기 p형 정공 전달층 상부에 형성된 페로브스카이트를 포함하는 광 흡수층; 및
   상기 광 흡수층 상부에 형성된 n형 투명전극;을 포함하는 페로브스카이트 태양전지.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 P형 정공 전달층은 CuGaS₂(CGS), CuInSe₂(CISe), CuGaSe₂(CGSe), CuAlSe₂(CASe), CuInTe₂(CITe), CuGaTe₂(CGTe), Cu(In,Ga)S₂(CIGS), Cu(In,Ga)Se₂(CIGSe), Cu₂ZnSnS₄(CZTS), Cu₂ZnSnSe₄(CZTSe), Cu₂ZnSn(S,Se)₄(CZTSSe), CuSbS₂, AgSbS₂ 및 CdTe로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 무기 정공전달물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 P형 정공 전달층은 20 내지 80% 의 다공도를 나타내도록 형성되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 페로브스카이트 광 흡수체는 하기 화학식 1 또는 2로 표시되는 페로브스카이트 구조의 유기-금속할로겐 화합물 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
   
   <화학식 1>
   AMX₃
   (상기 화학식 1에서,
   상기 A는 C_1-20의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C_1-20의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,
   상기 M은 Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Cr²⁺, Pd²⁺, Cd²⁺, Ge²⁺, Sn²⁺, Pb²⁺ 또는 Yb²⁺이고, 상기 X는 할로겐 이온이다.)
   
   <화학식 2>
   A₂MX₄
   (상기 화학식 2에서,
   상기 A는 C_1-20의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C_1-20의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,
   상기 M은 Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Cr²⁺, Pd²⁺, Cd²⁺, Ge²⁺, Sn²⁺, Pb²⁺ 또는 Yb²⁺이고, 상기 X는 할로겐 이온이다.)
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 제1 전극과 p형 정공 전달층 사이에 차단층(blocking layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
   
6. 제 5항에 있어서, 상기 차단층은 NiO₂, Cu₂O, SnO_x, TiO_{2 ,} ZnO, 및 Al₂O₃을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종의 금속 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
   
7. 제 1항에 있어서, 상기 n형 투명전극은 ZnO, ZnS, Indium tin oxide (ITO) 및 SnO₂ 을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
   
8. 제1 전극 상부에 다공성 p형 정공 전달층을 형성하는 단계(단계 1);
   상기 단계 1에서 형성된 정공 전달층 상부에 페로브스카이트를 포함하는 광 흡수층을 형성하는 단계(단계 2); 및
   상기 단계 2에서 형성된 광 흡수층 상부에 n형 투명전극을 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
   
9. 제 8항에 있어서, 상기 단계 2에서 광 흡수층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 페로브스카이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
   
   <화학식 1>
   AMX₃
   (상기 화학식 1에서,
   상기 A는 C_{1 -20}의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C_{1 -20}의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,
   상기 M은 Cu^{2 +}, Ni^{2 +}, Co^{2 +}, Fe^{2 +}, Mn^{2 +}, Cr^{2 +}, Pd^{2 +}, Cd^{2 +}, Ge^{2 +}, Sn^{2 +}, Pb^{2 +} 또는 Yb²⁺이고, 상기 X는 할로겐 이온이다.)
   
   <화학식 2>
   A₂MX₄
   (상기 화학식 2에서,
   상기 A는 C_{1 -20}의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C_{1 -20}의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,
   상기 M은 Cu^{2 +}, Ni^{2 +}, Co^{2 +}, Fe^{2 +}, Mn^{2 +}, Cr^{2 +}, Pd^{2 +}, Cd^{2 +}, Ge^{2 +}, Sn^{2 +}, Pb^{2 +} 또는 Yb²⁺이고, 상기 X는 할로겐 이온이다.)
   

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