특허 개요
본 특허는 빛을 전기로 변환하는 페로브스카이트 소자에 조성 경사형 전자 수송층을 적용해 전하 이동과 내구성을 함께 개선하는 고내구성 광전소자입니다. 3차원 PEA0.15FA0.85SnI3 광활성층 위에 2차원 페로브스카이트인 Cs2SnI6을 스프레이 코팅하면, 계면에는 2차원·3차원 물질이 혼재되고 표면에는 2차원 물질이 형성됩니다. 이 조성 경사층은 캐스케이드(type II) 밴드 구조를 통해 엑시톤 분리와 전자 수송을 지원하는 동시에 산소 침투 및 할라이드·양이온 이동을 억제합니다.
- 핵심 기능
광활성층에서 빛을 흡수해 생성된 엑시톤은 조성 경사형 제1 전자 수송층의 연속적 에너지 준위를 따라 분리되고, 전자는 제2 전자 수송층과 상부 전극으로 전달됩니다. Cs2SnI6 기반 표면층과 혼합층은 광활성층을 보호하며, 스프레이 코팅 공정은 하부 광활성층 손상을 줄이면서 상부층을 수직 증착합니다.
- 차별 강점
기존 Sn계 3차원 페로브스카이트는 공기 중 산화와 이온 이동으로 내구성이 저하될 수 있고, 상부층을 스핀공정으로 형성할 때 하부 광활성층이 용매에 의해 손상될 수 있습니다. 본 기술은 2차원·3차원 페로브스카이트 혼재층으로 산화 억제와 캐스케이드형 전하 분리를 결합하고, 스프레이 코팅으로 상부층을 형성하는 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 비납계 페로브스카이트 태양전지, 실내광 에너지 하베스팅, 저조도 광전변환 및 대면적 용액공정 연구에 활용 가능하며, 광전소자 계면·봉지 구조 설계로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 IoT 센서 전원, 웨어러블 소자 전원, Wi-Fi·블루투스 저전력 기기, 건물창호 및 자동차 선루프용 광전소자로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
PEA0.15FA0.85SnI3 광활성층과 Cs2SnI6 제1 전자 수송층을 적용한 소자를 제작하고, Cs2SnI6 층이 없는 비교 소자와 광전변환·전하 이동·안정성을 비교했습니다. 단기 및 1000시간 조건의 안정성, 저조도 특성은 제시됐으나 대면적 모듈 수율·재현성과 장기 옥외 환경 내구성은 추가 검증이 필요합니다.
- 시료: PEA0.15FA0.85SnI3 광활성층 및 Cs2SnI6 제1 전자 수송층을 포함한 실시예 3～5 소자
- 비교 소자: Cs2SnI6 제1 전자 수송층이 없는 비교예 1
- 평가 조건: 30초 스프레이 코팅, 25℃·상대습도 20%·1 태양광 조사 최대출력점추적, 1000시간
현재 성과
30초 스프레이 코팅 조건의 실시예 4는 역방향 측정에서 12.94%의 광전소자 효율을 나타냈습니다. 이는 Cs2SnI6 층이 없는 비교예 1의 역방향 효율 10.26%와 비교된 결과이며, 조성 경사형 전자 수송층이 전하 분리와 추출에 기여한 결과로 제시됩니다.
25℃, 상대습도 20%, 1 태양광 조사 및 최대출력점추적 조건에서 캡슐화한 실시예 4의 안정성을 평가했습니다. 실시예 4는 초기 효율 12.33%에서 1000시간 후 10.26%를 유지했으며, 비교예 1은 130시간 후 0.03%로 제시됐습니다.
광활성층 측의 2차원·3차원 페로브스카이트 혼합층과 표면 측 2차원 페로브스카이트 층을 연계해 연속적인 에너지 밴드 구조를 형성합니다. 단일 보호층 적용과 달리 산소 침투 및 이온 이동 억제와 캐스케이드형 엑시톤 분리·전자 수송을 하나의 계면 구조에서 구현하는 점이 핵심 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 모듈 제조 시 코팅 균일성, 수율 및 소자 성능 재현성 검증
장기 옥외 환경에서 온도·습도·광조사 변동을 포함한 내구성 실증
봉지 공정과 결합한 실사용 수명 및 모듈 수준 신뢰성 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
고내구성 페로브스카이트 광전소자 및 이의 제조방법
10-2021-0083415 (2021.06.25)
1020230000815 (2023.01.03)
1025858250000 (2023.09.27)
임상혁, 허진혁
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단