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전단코팅 공정으로 제조하는 금속-할라이드계 페로브스카이트의 박막성장에 미치는 공정변수의 영향 고찰
The Influence of Process Variables on the Thin Film Growth of Metal-Halide Perovskites by the Solution Shear Coating 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.52 no.1, 2019년, pp.6 - 15  

최지혜 (한밭대학교 신소재공학과) ,  송지호 (한밭대학교 신소재공학과) ,  정지영 (한밭대학교 신소재공학과) ,  정중희 (한밭대학교 신소재공학과) ,  김재균 (한양대학교 나노광전자학과) ,  홍기하 (한밭대학교 신소재공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Metal-halide perovskite (MHP) solar cell is a promising candidate for next-generation flexible devices and the BIPV (Building-integrated photovoltaics) because it can exhibit high power conversion efficiencies over 23%, good bendability and low processing cost. However, MHP solar cells are commonly ...

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문제 정의

  • 그 중에서도 이번 실험에 선택된 용매는 DMF 그리고 GBL과 DMSO를 7:3의 비율로 섞은 용액이다. 두 용매는 물질의 특성이 확연한 차이를 보이기 때문에 용매의 어떤 특성이 페로브스카이트 박막 제작에 결정적인 영향을 끼치는지 확인할 수 있다. 두 용매를 비교하기 위해 용액의 농도, 기판 온도, 유리기판과 블레이드의 사이 간격, 블레이드의 이동속도를 각각 35wt%, 140℃, 10 µm, 5 mm/s로 동일하게 설정하였다.
  • 예를 들어, 공정변수에는 기판 온도, 페로브스카이트 전구체 용액의 농도, 페로브스카이트 전구체 용액의 용매, 블레이드의 종류, 블레이드와 유리기판의 사이 간격, 블레이드의 각도, 블레이드의 이동속도 등이 있다. 본 연구에서는 박막증착에 가장 큰 영향을 주는 인자로 알려진 페로브스카이트 전구체 용액의 용매, 기판 온도, 페로브스카이트 전구체 용액의 농도, 블레이드의 이동속도(shear rate)가 박막성장에 미치는 영향을 분석한다. 이에 그치지 않고 태양전지의 성능 확인과 동시에 페로브스카이트 박막 제작 방법으로서의 적절성을 확인하고자 한다.
  • 사용된 재료의 양을 현저히 줄이면서도 공정 효율을 증가시킬 수 있는 전단 코팅을 페로브스카이트 태양전지의 제작 방안으로 제안하였다. 본 연구에서는 페로브스카이트 흡수층 제작에 도입하여 10% 이상의 효율을 보이는 태양전지를 제작하였고 페로브스카이트 박막의 제작 방식으로 전단 코팅이 매우 유망함을 확인하였다. 특히, 전단 코팅을 적용한다면 특별한 추가 공정없이 스핀 코팅을 적용하였을 때보다 300배 큰 크기의 결정립을 성장시킬 수 있다는 점이 주목할 만하다.
  • 본 연구에서는 박막증착에 가장 큰 영향을 주는 인자로 알려진 페로브스카이트 전구체 용액의 용매, 기판 온도, 페로브스카이트 전구체 용액의 농도, 블레이드의 이동속도(shear rate)가 박막성장에 미치는 영향을 분석한다. 이에 그치지 않고 태양전지의 성능 확인과 동시에 페로브스카이트 박막 제작 방법으로서의 적절성을 확인하고자 한다.
  • 이러한 장점들을 기반으로 본 실험에서는 페로브스카이트 광흡수층의 증착 방법으로 전단 코팅법을 적용하였다. 특히, 태양전지의 광흡수층은 전자, 정공의 손실을 막기 위해 결정립계를 최소화하는 것이 중요하고 이는 결정립의 크기를 크게 키우는 것을 의미하므로 본 연구에서는 실험 조건에 따라 결정립의 크기가 어떻게 변화하는지, 그 경향성에 대한 연구에 집중한다. 전단 코팅법은 다양한 공정변수들이 존재하므로 각각의 변수에 대한 결정립의 크기 변화를 관찰하기 위해서는 상당히 많은 수의실험이 요구된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유무기 복합 페로브스카이트 태양전지의 특징은? 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 간단하고 저렴한 용액 공정만으로도 20% 이상의 고효율[1,2]을 달성하였으므로 현재 전도유망한 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 지금까지 보고된 괄목할만한 효율은 작은 크기의 활성면적에서 얻어졌으며[1-4], 작은 면적에서 얻어진 효율은 상용화 단계에 적용되는 대면적 활성영역에서 얻어진 효율보다 높게 측정되는 경향[2]이 있어 신뢰하기 어렵다.
용액공정에는 어떤 종류가 있는가? 페로브스카이트 박막을 제작하는 방식 중 용액공정은 효과적으로 공정 원가를 낮추면서도 고효율의 태양전지를 제작할 수 있다는 점에서 매우 유용한 증착 방식이다. 다양한 용액공정이 존재하는데 스핀 코팅(spin coating), 블레이드 코팅(blade coating) 그리고 스프레이 코팅(spray coating)이 일반적으로 페로브스카이트 박막 제작에 적용되고 있다. 대부분의 페로브스카이트 태양전지 연구는 연구실 단위로 진행되어서 스핀 코팅을 통해 흡수층이나 전자정공수송층을 적층한다[1-3,5,6].
스핀 코팅이 태양전지 제작에 적합하지 않은 이유는? 대부분의 페로브스카이트 태양전지 연구는 연구실 단위로 진행되어서 스핀 코팅을 통해 흡수층이나 전자정공수송층을 적층한다[1-3,5,6]. 그러나 이 코팅법을 대면적화에 적용한다면 넓은 면적에 걸친 일정하고 균일한 품질의 박막을 제작할 수 없으며 그로 인해 소자의 성능이 저하되어 대면적 태양전지 제작에 적합하지 않다. 뿐만 아니라 연속공정에 도입할 수 없어 전체적인 공정 효율을 저하시키며 공정 초기에 사용되는 용액에 비해 실제 증착되는 양은 10%에 불과해 용액 손실이 크다. 반면 블레이드 코팅과 스프레이 코팅은 대면적 페로브스카이트 태양전지 제작에 매우 적합한 방식이며 롤투롤 (Rollto-Roll, R2R) 및 연속공정에 적절하다.
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