[보고서]나노구조 무/유기 하이브리드 소재를 이용한 고효율 태양전지 기술개발

석상일

보고서 정보

주관연구기관

울산과학기술원
Ulsan National Institute of Science and Technology

연구책임자

석상일

참여연구자

노준홍 , 서장원 , 전남중 , 최용찬 , 김영찬 , 유승찬 , 이선주 , 신성식 , 양운석 , Michael Gratzel

보고서유형

3단계보고서

발행국가

대한민국

언어

한국어

발행년월

2016-07

과제시작연도

2015

주관부처

미래창조과학부
Ministry of Science, ICT and Future Planning

등록번호

TRKO201700008994

과제고유번호

1711033118

사업명

글로벌연구실사업

DB 구축일자

2017-10-21

키워드

태양전지.무/유기하이브리드.무기반도체나노입자.양자점.고효율.저가.Solar cells.Inorganic/organic hybrid.Inorganic semiconductor nanoparticles.Quantum dots.high efficiency.Low cost.

DOI

https://doi.org/10.23000/TRKO201700008994

표 The classification of solar cell
표 The schematic configuration of ternary organic solar cells
표 The operation principle of DSSC
표 Architectures adopted for high-efficient inorganic-organic hybrid solar cells
표 The perovskite structure
표 The structure of hybrid perovskite.
표 Conceptual scheme for research scope
표 Best Research-cell efficiencies [1]
표 Schematic illustration of a semiconductor-nanostructure-based next-generation solar cells. [4]
표 (A) IPCE action spectrum of an Al2O3-based and perovskite-sensitized TiO2 solid-state heterojunction solar cell, with the device structure as follows: FTO/compact TiO2/mesoporous Al2O3 (red trace with crosses) or mesoporous TiO2 (black trace with circles)/CH3NH3PbI2Cl/spiro-OMeTAD/Ag. (B) Current density-voltage characteristics under simulated AM1.5 100 mW cm􎂡2 illumination for Al2O3-based cells, one cell exhibiting high efficiency (red solid trace with crosses) and one exhibiting VOC > 1.1 V (red dashed line with crosses), for a perovskite-sensitized TiO2 solar cell (black trace with circles), and for a planar-junction diode with the structure FTO/compact TiO2/CH3NH3PbI2Cl/spiro- OMeTAD/Ag (purple trace with squares).
표 ZSO 나노입자 합성을 위한 개략도
표 다양한 실험 조건에서의 XRD 패턴 과 IR스펙트라
표 (a) 제안된 합성 메커니즘, (b) 조건별 합성 map
표 (a) ZSO의 TEM 이미지, (b) ZSO의 SAED 패턴, (c) ZSO 박막의 SEM 이미지, (d) ZSO 박막의 투과 도, (e) ZSO 박막의 굴절률 및 흡광계수
표 전체 공정 절차 (ZSO 합성 => 디바이스 제작)
표 (a) 완성된 디바이스의 단면 이미지와 사진, (b) 사용된 물질들의 에너지 레벨, (c) ZSO기반의 플렉서블 페로브 스카이트 태양 전지의 J-V curve, (d) ZSO 기반의 플렉서블 페로브 스카이트 태양전 지의 EQE, (e) 각 종류별 플렉서블 기판 위에서의 필름의 투과도
표 (a) ZSO 기반의 플렉서블 페로브스카이트 태양전지의 J-V 히스테리시스 특성 (b) 최고파워 전압에서의 효율
표 태양전지 파라미터에 대한 히스토그램
표 (a) FTO/PEI/PCBM/CH3NH3PbI3/PTAA/Au로 구성 된 소자 구조. (b) 소자의 각 층의 해당하는 에너지 준위
표 표면 SEM 이미지 (a) FTO/PEI, (b) FTO/PEI/PCBM, (c) FTO/PEI/PCBM/MAPbI3.(d)PCBM-CH3NH3PbI3이층 헤테로정션 태양 전지의 소자 구조 를 보여주는 SEM 단면도
표 (a) PCBM 층 두께를 45 (검정), 55 (빨강), 80 (초록), 100 nm (파랑) 로 하여, 제작한 PCBM􍾢CH3NH3PbI3 헤테로정션 태양전지의 광전류 밀도-전압 (J-V) 특성.
표 1.5 100 mWcm-2에서 측정한 PCBM 농도에 따른 PCBM􍾢CH3NH3PbI3 헤 테로정션 태양전지의 소자 결과 값
표 (a) 두 가지의 ETL (dense-TiO2와 PCBM)-CH3NH3PbI3헤테로정션 태양 전지의 구조를 보여주는 SEM 단면 이미지
표 (a) NiO를 hole transporting layer (HTL)로 사용한 MAPbI3 기반의 태양전지 소자의 구조, (b) 구성 물질들의 energy level, (3) 단면 전자현미경 사진
표 다양한 산소 분압 하에서 합성된 PLD-NiO 막들의 구조에 따른 특 성. PLD로 합성된 다양한 구조를 갖는 NiO 막들의 (a) 단면 및 평면 FESEM 이미 지, (b) HR-XRD 패턴, 그리고 (c) 투과도 그래프
표 산소 분압에 따른 NiO 막의 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석.
표 PLD-NiO의 구조 및 성장 방향에 따른 PLD-NiO HTL 기반의 태양전 지 소자 특성.
표 다양한 산소 분압에서 합성한 PLD-NiO를 기반으로 한 페로브스카이트 태양전지의 소자 특성
표 (a) 10 mTorr에서 합성한 NiO 박막의 증착 시간 (두께)에 따른 태 양전지 소자의 J-V 그래프. (b) 10 mTorr NiO 박막의 증착 시간 (두께)에 따른 투과도 그래프.
표 10 mTorr에서 합성한 NiO 박막의 증착 시간 (두께)에 따른 태양전지의 소자 특성.
표 PLD-NiO 나노구조체의 두께에 따른 (a) 단면 FESEM 이미지, (b) J-V 그래프, (c) 투과도, (d) normalized EQE 그래프.
표 150 nm 두께의 PLD-NiO 나노구조체를 기반으로 하여 최고 효율을 보인 소자의 (a) J-V 그래프와 (b) EQE 그래프
표 최고 효율 소자의 steady-state photocurrent density 및 steady-state efficiency
표 최고 효율 소자의 보관 일수에 따른 normalized 에너지변 환효율 그래프. 소자는 encapsulation 되었으며 dark condition에서 보관 되었다.
표 (a)스파이로 오엠이타드의 구조. (b) 파이 렌 아릴 아민 유도체의 합성과정
표 (a) Py-A,Py-B, Py-C 그리고 스파이로 오엠이타드의 UV-vis 흡수 스펙트럼 (b) Py-A,Py-B, Py-C 그리고 스파이로 오엠이타드의 CV
표 광전기적 특성의 요약
표 (a) 우리의 소자에 사용된 물질에 상응하는 에너지 준위 그림. (b) 대표적인 소자의 단면 구조. 스캐일 바=500nm
표 (a)HTM으로 사용된 Py-A, Py-B, Py-C Sp-A, Sp-B의 TiO2/MAPbI3/ HTMs/Au 태양전지에 대한 전류-전압 곡선. (b) Py-C와 스파이로 오엠이타드의 오버레이어 두께에 의존한 효율: 내부 그림은 Py-C와 스파이로 오엠이타드에 대한 다크 전압-전류 곡선
표 스파이로 오엠이타드 유도체의 합성 과정.
표 (a)클로로 벤젠 용매하에서 오쏘파라 메타파라 파라파라 스파이로의 UV-vis 흡수 스펙트럼 (b) 오쏘파라 메타파라 파라파라 스파이로의 CV (c)우리의 소자에서 각각 물질에 상응하는 에너지 다이아그램 (d)대표적인 소자의 단면 구조.
표 TiO2/MAPbI3/HTMs/Au소자에 대한 전류-전압 밀도 곡선
표 HTM으로오쏘파라, 메타파라, 파라파라 스파이로 오엠이타드를 사용하여 페로브스카이트 태양전지를 제작하여 얻은 태양전지 파라미터
표 a) tert-butyl-CuPC(CuPC)와 po-spiro-OMeTAD(po-spiro)의 분자 구조와 에너지 준위. b) 스핀 코팅으로 만들어진 CuPC, po-spiro,CuPC(4.8wt%)가 도핑 된 po-spiro박막의 정규화한 UV-visible 스펙트럼.
표 a) 페로브스카이트 층의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지 b) 페 로브스카이트 위의 HTM 층의 SEM 이미지 (scale bar = 1 μm) c) 본 연구에 서 사용한 이층 구조 소자의 대표적인 단면 SEM 이미지.
표 FTO/bl-TiO2/mp-TiO2/perovskite/HTM/Au로 제작 된 소자 의 평균 전류 밀도-전압 (J-V) 곡선.
표 소자 성능 요약
표 a) po-spiro와 CuPC (4.8 wt%)가 도핑 된 po-spiro의 Voc에 따른 전이 광전압 분해 (TPD) 측정으로 구한 소자의 재결합 라이프타임
표 Sb2Se3 감응형 무/유기 태양전지 제작 과정에 대한 도식도
표 0.05 g/mL (a) 와 0.2 g/mL 농도의 Se-SSP 용액을 이용해 증 착한 mp-TiO2 표면 이미지(c) 디바이스의 측면 이미지와 (d) EDX line scan profile 분석 그래프.
표 열처리 온도에 따른 Se-SSP/mp-TiO2/TiO2-BL/FTO 의 XRD 패 턴. 모든 샘플은 0.05 g/mL SSP 용액 스핀코팅과 열분해 과정을 15번 반복하여 서 제작하였다.
표 열처리 온도에 따른 (a) J-V 곡선과 (b) IPCE spectra (c) HTM 의 흡수 band 와 IPCE spectrum (d) 흡수 band.
표 그림 3.2.1.1.3a 로부터 얻은 태양전지 성능 변수.
표 열처리 온도에 따른 C, H, N 원소 분석
표 최고 효율을 갖는 태양전지의 (a) J-V 곡선과 (b) IPCE spectrum, (c) 효율 막대 그래프.
표 Se-SSP 의 (a) thermos gravimetric analysis 와 (b) differential scanning calorimeter 데이터
표 Se-SSP 와 Sb2Se3 의 분자량
표 Glass 위에 증착된 Se-SSP 의 XRD pattern.
표 다양한 열분해 온도에 따른 표면 이미지
표 다양한 열분해 온도에 따른 태양전지 성능평가 데이터.
표 다양한 열분해 온도에 따른 표면 이미지 및 태양전지 성능평가 데 이터.
표 열처리 시간에 따른 태양전지 성능 평가 데이터.
표 (a) Sb2S3 감응형 무/유기 태양전지에서 TA 표면 sulfurization 과정에 대한 도식도. TA 표면 sulfurization 에 의한 (a) 100 mW/cm2 빛 세기에서의 J-V 곡 선 변화와 (d) dark 조건에서의 J-V 곡선 변화.
표 그림 3.2.1.2.1c에 나타난 J-V 곡선으로부터 얻은 태양전지 변수.
표 TA 처리 효과에 따른 Sb2S3 샘플의 XRD 패턴. 단, F: FTO, T: TiO2, S: Sb2S3.
표 TA 표면 처리에 따른 고해상도 (a) Sb 3d5/2 와 (b) S 2p XPS spectra 변화 그래프.
표 TA 처리 효과에 따른 Sb2S3 샘플의 DLTS spectra.
표 (a) 최적화를 위해 사용된 태양전지의 효율에 관한 막대 그래프. (b) 빛의 세기에 따른 최고 효율을 지닌 디바이스의 J-V 곡선과 (c) 최고 효율 디바이 스의 IPCE 스펙트럼.
표 그림 3.2.1.2.5b 에 나타낸 빛의 세기에 따른 최고 효율 태양전지의 성 능 변수.
표 TA 농도와 TA 처리 횟수에 따른 J􍾢V 곡선 변화.
표 열처리 여부에 따른 J􍾢V 곡선 변화.
표 그림 3.2.1.2.S2 에서 얻은 태양전지 성능 변수
표 TA 처리 효과에 따른 라만 스 펙트럼 변화 그래프.
표 TA 처리 효과에 따른 고해상도 Ti 2p XPS 스펙트라 변화 그래프
표 T/Se/S 와 T/S/Se 를 기반으로 하는 무/유기 이종접합 태양전지의 제작 과정에 대한 도식도
표 T/Se/S 와 T/S/Se 기반 태양전지의 (a) J-V 곡선과 (b) IPCE spectra.
표 그림 3.2.1.3.2a 에서 얻은 태양전지 변수들
표 T/Se, T/Se/S, T/S 구조에 대한 XRD 패턴.
표 T/Se/S-기반 태양전지와 두 개의 참고 태양전지의 태양전지 성능 요 약.
표 (a) TiO2, Sb2Se3, Sb2S3 의 상대적인 에너지 밴드 도식도와 (b) 본 논문에서 제안된 cascaded band 정렬에 대한 도식도
표 (a) 태양빛 세기에 따른 최고효율 태양전지의 J-V 곡선, (b) 태양전지 효율에 대한 막대 그래프와 (c) 최고 효율 태양전지의 IPCE spectrum
표 빛 세기에 따른 최고 효율 태양전지에 대한 성능 요약.
표 Sb2Se3 와 Sb2S3 양에 따른 T/Se/S 기반 태양전지의 성능 의 변화.
표 그림 3.2.1.3.S1 (a)에 나타난 태양전지의 성능에 대한 요약.
표 그림 3.2.1.3.S1(c)에 나타난 태양전지의 성능에 대한 요약.
표 T/Se 의 XRD 패턴.
표 BL 두께에 따른 태양전지 성능 변화.
표 (a) SbCl3-TU complex 용액 공정을 이용한 Sb2S3 감응형 무/유기 태양 전지 제작 과정에 대한 도식도. 3번 과정과 4번 과정이 끝난 후 샘플에 대한 (b) UV/Vis absorption spectra 와 (c) XRD 패턴
표 (a) (HTM/HTL+Sb2S3)/mp-TiO2/TiO2-BL/FTO 샘플의 측면 FESEM 이미 지와 (b) L1 층에 대한 EDX line scan profile. (c) GIXRD 측정에 관한 도식도, (d) Sb2S3/mp-TiO2/TiO2-BL/FTO 샘플의 입사각에 따른 GIXRD 패턴과 일반 XRD 패턴, (e) GIXRD 측정 입사각에 따른 Sb2S3 (120) peak 의 2 theta 값과 FWHM 값 변화 그래프.
표 SbCl3:TU 양에 따른 (a) 최종적으로 제작된 Sb2S3의 정상화된 S 의 양 과 (b) 태양전지 성능 변화 그래프
표 그림 3.2.1.4.3b에 나타낸 태양전지 성능의 요약.
표 SbCl3:TU 비율에 따른 (a) UV/Vis absorption, (b) 고해상도 Sb 3d3/2 core-level XPS spectra, (c) 고해상도 S 2p core-level XPS spectra
표 HTM 농도에 따른 (a) J-V 곡선과 (b) IPCE spectra 변화 그래프.
표 그림 3.2.1.4.5a 에 나타난 태양전지 성능 변수 요약.
표 최고 효율을 갖는 태양전지의 (a) J-V 곡선과 (b) IPCE spectrum 그 래프.
표 TD 과정 후에 측정한 glass 기판 위에 올려진 샘플의 XRD 패턴
표 SbCl3:TU=1:2 는 고정한 채, SbCl3 농도 변화에 따른 UV/Vis absorption spectra 와 관련 샘플 사진.
표 SbCl3:TU=1:2 는 고정한 채, SbCl3 농도 변화에 따른 태양 전지 성 능.
표 (a) mp-TiO2/TiO2-BL/FTO 와 (b) HTL/HTM/Sb2S3/mp-TiO2/TiO2-BL/FTO 의 고해상도 측면 FESEM 이미지.
표 P3HT 농도에 따른 태양전지 성능 변화 그래프.
표 그림 3.2.1.4.S5에 나타난 태양전지 성능 요약 표.
표 측정 scanning (a) 방향과 (b) 지연 시간에 따른 J-V 곡선 변화 그래 프.
표 P3HT HTM 을 사용했을 때, 얻어진 최고 효율의 태양 전지 성능 그 래프.
표 (a) 다양한 온도에서 열처리한 용액 파우더의 XRD 패턴과 (b) 500 ℃에서 열처리한 파우더의 EDX 스펙트럼
표 (a) mp-TiO2/TiO2-BL/FTO 기판 위에 CuSbS2 증착을 위한 실 험에 대한 도식도. (b) 증착 반복 횟수에 따른 UV/Vis absorption 변화 및 샘플 사진.
표 (a) CuSbS2/mp-TiO2/TiO2-BL/FTO 의 표면, 측면 FESEM 이미지와 (b) mp-TiO2 깊이에 따른EDX line scan profile 데이터 및 (c) 노란 점선으로 표기된 사 각형 영역에 대한 EDX 원소 mapping 이미지
표 HTM 존재 여부에 따른 (a) J-V 곡선과 (b) IPCE spectra 그래프. HTM 농도에 따른 FESEM 표면 이미지는 그림 (b) 의 내부 이미 지로 삽입되었다.
표 그림 3.2.2.1.4에 나타난 태양전지 성능 변수 요약.
표 최고 효율 태양전지의 (a) J-V 곡선과 (b) IPCE spectrum
표 mp-TiO2, CuSbS2, HTM, Au 의 에너지 밴드 도식도.
표 열처리 온도에 따른 용액 파우더의 XRD 패턴과 파우더 사진.
표 열처리 온도에 따른 용액 파우더의 EDX 조 성 분석.
표 Air 와 Ar 분위기 하에서 열 분해된 샘플에 대한 비교 사진
표 Air, Ar 분위기에 따른 흡수 특성 변화 (a 와 b) 와 태양 전지 성능 (c 와 d).
표 그림 3.2.2.1.S4c 에 나타낸 태양전지 성능 변수 요약.
표 스핀코팅과 열분해 반복 횟수에 따른 (a) J-V 곡선과 (b) IPCE spectra.
표 (a) 용액 농도와 (b) mp-TiO2 두께에 따른 태양전지 성능 변화.
표 방사형으로 전하 수송이 가능한 1D TiO2 nanorod기반의 PbS CQD-SSC.
표 1D TiO2 nanorod전극과 다층의 PbS CQD/TiO2전극의 표면.
표 a) PbS CQD 용액의 가시광선-적외선 (NIR) 흡수 스펙트럼과 1D TiO2 nanorod전극 기반의 PbS CQD SSC의 EQE 스 펙트럼. b) 1D TiO2 nanorod전극 기반의 PbS CQD SSC와 일반적인 메조스코픽 TiO2 nanoparticle전극 기반의 J-V 곡선.
표 소자 성능
표 mp-TiO2박막 안의 PbS와 MAP의 구조적 형성을 나타내는 제작 도 식, SEM TEM 이미지
표 PbS가 증착 된 FTO/bl-TiO2/mp-TiO2의 얇은 MAP 층의 형성 전/후의 XRD 스펙트럼
표 (a) 얇은 MAP층을 포함한 PbS QD SSC의 spin-SILAR를 이용 한 PbS QD 합성 증착 횟수에 따른 J􎂡V 특성. (b) 1 sun 광 조사 조건 (AM 1.5G) 하에서 얇은 CH3NH3PbI3 층의 유/무에 따른 SSC의 태양전지 특성 비 교. (c) mp-TiO2, MAP, 20PbS, 20PbS/MAP의 UV􎂡vis 스펙트럼. (d) PbS와 PbS/MAP 코어 셸 QDSSC의 EQE 스펙트럼.
표 소자 거동의 요약.
표 (a) 임피던스 분광학로 측정 한 20PbS와 20PbS/MAP의 전기 용량 및 재 결합 저항. (b) TiO2박막 위의 PbS와 MAP층 으로 페시베이션 한 PbS의 정규화 한 시분 해 PL 분해 데이터. (c) 아르곤 분위기, 상 온에서 45일간 보관한 후의 20PbS와 20PbS/MAP 소자의 PCE 변화.
표 SEM 이미지, 소자의 일반적 도식과 에너지 준위 다이어그램.
표 J-V, 확산 반사, IPCE 특성
표 소자 성능 요약
표 소자 성능 요약
표 가장 좋은 거동을 보인 소자의 J-V, IPCE 특성과 재현성.
표 (a) HTM의 분자 구조 (PTAA, PF8-TAA, and PIF8-TAA); (b) 퓨즈드 실리카 기판 위의 페로브스카이트 박막 (MAPbI3와 MAPbBr3)과 HTM 박막의 PESA 스펙트럼; (c) TiO2와 페로브스카이드 물질 (MAPbI3와 MAPbBr3),HTM의 에너지 밴드 다이어그램.
표 (a) FTO/bl-TiO2/mp-TiO2:MAPbBr3/Auspecimen시편의 확산 반사 스펙트럼 (b) FTO/bl-TiO2/mp-TiO2:MAPbBr3/HTM/Au,HTM은 PTAA, PF8-TAA, and PIF8-TAA의 J-V 특성; (c) EQE 스펙트럼; (d) 같은 HTM을 사 용한 FTO/bl-TiO2/mp-TiO2:MAPbI3/HTM/Au의 J- V 특성
표 PTAA, PF8-TAA, PIF8-TAA를 HTM으로 사용한 MAPbI3 와 MAPbBr3페로브스카이트 태양전지의 결과 값.
표 (a) MAPbI3-PTAA와 MAPbBr3-PTAA소자의 J- V 특성.
표 (a) (FAPbI3)1-x(MAPbBr3)x 물질을 사용한 소자의 광전변환효율
표 소자 성능 지수 요약
표 (a) FAPbI3 분말 (빨강)과 x=0.15(녹색) 분말의 DSC와 TG curves.
표 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15 물질을 이용한 최고 효율 소자의 J-V curve와 EQE 스펙트럼.
표 Schematic for modification of mp-TiO2 electrode with ZnO nanoparticles.
표 (a) SEM images of unmodified mp-TiO2 film.
$X-ray diffraction patterns of each film$ 표 X-ray diffraction patterns of each film
표 SEM images after PbI2 coating on unmodified mp-TiO2 film (a) and on 30 wt.% ZnO modified mp-TiO2 film (b).
표 J-V curve (a) and IPCE (b) of the cells with unmodified and 30 wt.% ZnO modified mp-TiO2 electrodes
표 Summarized photovoltaic characteristics.
표 heating curves of individual precursor powders expressed as weight % as a function of applied temperature and the corresponding 1st derivatives.
표 (a) Isothermal mass loss of CH3NH3Cl (blue) and CH3NH3I (red) determined from TGA
표 Δsub and Tsub of CH3NH3Cl and CH3NH3I determined from a linear least-squares fitting of the TGA data
표 Chemical structure and absorption spectra of DX3 and DX1.
표 IPCE spectra and J-V characteristics of DSSCs and PSCs
표 Device structure, IPCE spectra and J-V characteristics of the dual-junction cell
표 Structures of the investigated fluorene-based hole transporting materials V852, V859, V862.
표 Survey of the estimated chemical synthesis cost for different HTMs
표 Thermogravimetric heating curve (a) and differential scanning calorimetry heating and cooling curves (b) of V862 (heating and cooling rate 10 K min-1, N2 atmosphere).
표 UV-vis absorption spectra of V852, V859, V862, spiro-OMeTAD (a) and oxidized spiro(TFSI)2, V859(TFSI)2 (b) in THF (c = 10-4 M).
표 Thermal and optical properties of spiro-OMeTAD, V852, V859, V862
표 Electric-field dependencies of the hole drift mobilities in charge-transport layers of fluorene derivatives V852, V859, V862
표 Best performing current density-voltage characteristics of V852, V859, V862 and spiro-OMeTAD as hole transporting material

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