특허 개요
본 특허는 페로브스카이트 광전소자의 빛 흡수층과 전극 사이에 산화맥신 복합막을 배치해 전하 추출과 보호 기능을 함께 수행하는 기술입니다. 복합막은 전도성 맥신 코어-금속 산화물 쉘 구조의 산화맥신과 페로브스카이트 화합물을 포함하며, 광활성층에 접하는 산화물 쉘은 전하 분리·수용을 돕고 맥신 코어는 분리된 전하의 수송 경로를 제공합니다. 산화 정도와 조성에 따라 일함수 및 전도도를 조절해 전자 전달체 또는 정공 전도체로 적용할 수 있습니다.
- 핵심 기능
광활성층과 전극의 계면에 산화맥신 복합층을 형성해 광활성층 표면을 패시베이션하고, 계면에서 전하가 재결합하기 전에 분리·추출되도록 합니다. 금속 산화물 쉘이 계면 전하 분리를 지원하고 맥신 코어가 전하를 수송하며, 스프레이 코팅으로 광활성층과 복합층을 형성할 수 있습니다.
- 차별 강점
기존 페로브스카이트 소자는 수분·열 안정성 확보를 위한 보호층이 전하 분리·전달을 저해할 수 있었고, 맥신을 광활성층에 직접 접촉하면 재결합 및 역방향 전하 차단 문제가 발생할 수 있었습니다. 본 기술은 산화맥신의 코어-쉘 구조를 통해 패시베이션, 선택적 전하 분리 및 전하 수송을 하나의 계면층에서 함께 구현하는 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 페로브스카이트 태양전지, 용액공정 광전소자, 전자·정공 수송 계면층, 페로브스카이트 발광소자 연구에 활용 가능하며, 계면 에너지 준위와 전하 수송을 설계하는 소재 개발로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 태양전지 셀·미니 모듈, 건물일체형 태양광, 탠덤 셀, 광전소자용 기능성 소재 및 코팅 공정 분야로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
산화맥신/CsPbI3 복합층을 포함한 p-i-n 페로브스카이트 광전소자를 제작해 산화맥신층이 없는 소자 및 맥신층 사용 소자와 비교했습니다. 전하 수명, 계면 전계·공핍영역, 미니 모듈 광전변환 특성과 습열·광조사 조건 안정성을 평가했으며, 대면적 모듈의 공정 재현성과 실제 운용 환경 수명은 추가 확인이 필요합니다.
- 소자 구조: ITO/PTAA/CsPbI3/OMXene/CPTA/BCP/Ag p-i-n 페로브스카이트 광전소자
- 비교 조건: 산화맥신층이 없는 소자 및 맥신층을 사용한 소자
- 안정성 조건: 85℃·상대습도 85%·1태양 조명에서 1000시간 평가
현재 성과
산화맥신 복합층을 포함한 직렬 연결 3개 소자 미니 모듈에서 광전변환 특성을 확인했습니다. 해당 미니 모듈은 개방전압, 단락전류, 충전인자를 포함한 전기적 출력 특성으로 평가됐습니다.
산화맥신 복합층 적용 소자는 광발광 수명, 시간 분해 광발광, 계면 전위·전계 분포 측정으로 전하 추출 특성을 평가했습니다. 85℃, 상대습도 85%, 1태양 조명 조건에서 1000시간 안정성 평가도 수행했습니다.
기존 보호 중심의 패시베이션과 달리, 금속 산화물 쉘은 광활성층 계면의 전하 분리·수용을 지원하고 맥신 코어는 전하 수송 경로를 제공합니다. 맥신을 직접 접촉할 때 발생할 수 있는 재결합 및 역방향 전하 차단 문제를 코어-쉘 산화맥신 구조로 완화하도록 설계한 점이 핵심입니다.
상용화까지 남은 부분
25cm²보다 큰 면적의 모듈에서 스프레이 코팅 공정 재현성 및 막 균일도 검증
장기 수명과 실제 옥외 운용 환경에서의 수분·열·광 내구성 검증
모듈 구조와 적용 용도에 따른 산화맥신 조성, 계면층 형성 조건 및 전극 조합 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
산화맥신 복합막, 이를 포함하는 고내구성 페로브스카이트 광전소자 및 이의 제조방법
10-2021-0112790 (2021.08.26)
1020230030747 (2023.03.07)
1025826350000 (2023.09.20)
임상혁, 허진혁
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단