특허 개요
본 특허는 페로브스카이트 광활성층 위에 유무기 복합 정공 전달층을 형성한 페로브스카이트 광전소자 및 제조 방법입니다. MoO₂ 등 무기 정공 전달체 나노입자 사이를 PTAA 등 유기 바인더가 연결·패킹하는 구조로 빈공간과 핀홀을 줄이고 계면 접촉을 높입니다. 전자 전달층, 광활성층, 유무기 복합 정공 전달층 및 상부 전극은 스프레이 코팅으로 순차 형성할 수 있으며, 무기 정공 전달체와 유기 바인더의 조성으로 전도도 또는 모빌리티를 조절합니다.
- 핵심 기능
빛을 흡수한 페로브스카이트 광활성층에서 생성된 정공은 유무기 복합 정공 전달층을 거쳐 상부 전극으로 이동합니다. 유기 바인더가 무기 나노입자를 연결해 막의 커버리지와 계면 접착을 조절하고, 정공 추출 경로를 형성하도록 구성됩니다.
- 차별 강점
기존 유기 정공 전달체는 정공 수송 특성을 보완하기 위해 부식성·흡습성 도핑 첨가제에 의존할 수 있었고, 대면적 스프레이 공정에서는 상분리와 막 불균일 문제가 제기됐습니다. 본 기술은 무기 정공 전달체의 전도성과 유기 바인더의 결합·피복 기능을 결합해 나노입자 간 빈공간과 누설전류 문제를 줄이며, 조성 제어로 전하 추출과 막 모폴로지를 함께 조절하는 방식입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 페로브스카이트 태양전지, 대면적 광전소자, 플렉서블 광전소자, 페로브스카이트 발광소자 및 레이저 분야에 활용 가능하며, 용액공정 기반 전하수송층 설계로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 태양전지 제조, 광전소자 소재, 건물일체형 태양광, 대면적 태양광 모듈 및 탠덤 셀 개발 분야의 전하전달층·전극·도포공정 고도화에 활용할 수 있습니다.
연구 개발 단계
MoO₂-PTAA 유무기 복합 정공 전달층을 적용한 페로브스카이트 광전소자를 대상으로 광전변환, 전하 추출, 막 형상 및 습열 안정성을 평가했습니다. 단위 소자와 25cm² 모듈에서 성능을 확인했으며, 롤투롤 생산의 재현성·수율과 실제 모듈 환경의 장기 내구성은 추가 검증이 필요합니다.
- 평가 소자: FTO/c-TiO₂/CsPbI₂Br/MoO₂-PTAA/Au 또는 카본블랙 적층 페로브스카이트 광전소자
- 비교 조건: MoO₂ 단독 정공 전달층 및 금 상부 전극
- 광전변환 조건: 1태양 100mW cm⁻²에서 정·역방향 J-V, EQE, PL·TRPL, TPC·TPV 평가
- 안정성 조건: 25cm² 모듈을 대상으로 85℃·85% RH에서 1000시간 MPP 추적
현재 성과
PTAA 5.0중량%와 MoO₂를 적용한 실시예에서 역방향 측정 기준 VOC 1.21V, JSC 15.07mA cm⁻², FF 80.44%, PCE 14.67%를 확인했습니다. 해당 소자는 1초 이내 최대 출력의 90%에 도달했으며, 유기 바인더 첨가에 따른 전하 추출 향상과 히스테리시스 감소가 제시됐습니다.
25cm² 서브모듈에서 금 상부 전극 적용 소자는 PCE 13.88%, 카본블랙 상부 전극 적용 소자는 PCE 10.08%를 기록했습니다. 캡슐화 소자를 85℃·85% RH 조건에서 1000시간 MPP 추적했으며, 금 및 카본블랙 소자의 PCE 손실은 각각 14.77%, 15.97%로 제시됐습니다.
무기 정공 전달체 나노입자 사이를 유기 바인더로 연결해 막의 패킹, 커버리지 및 계면 접촉을 조절하는 구성이 핵심입니다. MoO₂ 단독 정공 전달층과 달리 바인더 함량 및 무기 전달체 농도로 전도도 또는 모빌리티를 조절하며, 도핑 첨가제 의존성과 대면적 도포 시 발생 가능한 막 불균일 문제를 완화하는 접근입니다.
상용화까지 남은 부분
롤투롤 기반 상용 대면적 생산에서의 공정 재현성 및 수율 검증
실제 모듈 운용 환경을 반영한 장기 수명과 내구성 실증
대면적 모듈 적용을 위한 전극·봉지 구조 및 제조공정 조건의 최적화
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
페로브스카이트 광전소자 및 이의 제조 방법
10-2022-0076862 (2022.06.23)
1020240000198 (2024.01.02)
1027362010000 (2024.11.26)
임상혁, 허진혁, 이성환, 기민정, 이형준, 박진경, 홍석영, 김봉우
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단