특허 개요
본 특허는 페로브스카이트 태양전지에서 빛으로 발생한 전자를 효율적으로 이동시키는 n형 금속 삼산화물 전자 전달층 제조 기술입니다. 과산화수소에 금속 삼산화물을 녹여 만든 금속-퍼옥소 전구체에 비양성자성 용매를 혼합한 뒤 기판에 코팅·어닐링하여 전자 전달층을 형성하며, MoO3와 SnO2를 적층하면 캐스케이드 밴드 정렬(cascade band alignment)을 통해 광활성층의 전자를 단계적으로 추출하도록 구성됩니다. 비양성자성 용매는 양성자 삽입에 따른 중간 갭 상태를 억제하고 습윤성과 박막 균일성 확보를 돕습니다.
- 핵심 기능
금속-퍼옥소 용액을 비양성자성 용매로 희석해 기판에 코팅하고 어닐링하면 전자 선택성을 갖는 n형 금속 삼산화물 전자 전달층이 형성됩니다. 이 층 위에 SnO2 등의 보조 전자 전달층을 배치하면 MoO3/SnO2 이중층의 에너지 레벨이 전자 추출 경로를 형성해 전하 수송과 재결합 억제를 지원합니다.
- 차별 강점
종래 MoO3는 진공증착이 필요하거나 양성자성 용액공정에서 산소결핍 및 양성자 삽입에 의해 정공 선택성 물질로 변화하기 쉬운 한계가 있었습니다. 본 기술은 비양성자성 용매 기반 금속-퍼옥소 용액공정으로 n형 MoO3 형성을 유도하고, SnO2와의 이중층 구조로 전하 추출 손실과 재결합을 줄이는 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 페로브스카이트 태양전지, 대면적 용액공정 태양광 모듈, 플렉서블 광전소자, 페로브스카이트 기반 레이저 및 발광전자소자 분야에 활용 가능합니다. 사업 측면에서는 태양전지 제조, 전자전달 소재, 건물일체형 태양광 및 탠덤 셀용 소자·모듈 개발로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
MP-ACN 기반 n형 MoO3 전자 전달층과 MoO3/SnO2 이중층 페로브스카이트 태양전지를 제작해 박막 화학 상태·형태, 전기전도도, 전하 추출 및 광전변환효율을 비교 검증했습니다. 검증은 ITO 기판의 스핀코팅 기반 소자에 한정되어 있으며, 대면적 공정과 모듈 수준의 장기 안정성은 아직 확인이 필요합니다.
- 시료: MP-ACN 기반 n형 MoO3 전자 전달층 및 MoO3/SnO2 이중층 페로브스카이트 태양전지
- 비교군: SnO2 단일 전자 전달층 및 이를 적용한 Control 소자
- 제조 조건: ITO 기판 스핀코팅 4000 rpm·20초, 100℃ 또는 300℃·10분 어닐링
현재 성과
n형 MoO3/SnO2 전자 전달 이중층을 적용한 실시예 소자에서 광전변환효율을 확인했습니다. SnO2 단일 전자 전달층 Control 소자의 22.27%와 비교한 결과로, 이중층 적용 시 전하 추출과 재결합 억제 효과가 나타났습니다.
MP-ACN 전구체를 어닐링해 MoO3 특성 및 중간 산화 상태가 억제된 화학 상태를 확인했으며, 치밀하고 균일한 박막 형성을 검증했습니다. 또한 SnO2 단일층과 이중층 소자를 비교하여 전하 추출, 재결합 수명 및 광전변환 특성을 평가했습니다.
종래 MoO3 용액공정은 양성자 삽입과 산소결핍으로 전자 선택성 확보가 어려울 수 있었습니다. 본 기술은 금속-퍼옥소 전구체와 비양성자성 용매를 이용해 n형 금속 삼산화물을 형성하고, SnO2 보조층과의 캐스케이드 밴드 정렬로 전자 추출 경로를 구성합니다.
상용화까지 남은 부분
슬롯다이·롤투롤 등 대면적 용액공정에서 전자 전달층의 막 균일성 및 공정 재현성 검증
모듈 수준 광전변환 성능과 소자 간 성능 편차 검증
열·수분·광 환경에서의 장기 안정성 및 내구성 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
전자 전달층 용액의 제조 방법, 이를 이용한 전자 전달층의 제조 방법, 이를 통하여 제조된 전자 전달층, 이를 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법 및 이를 통하여 제조된 페로브스카이트 태양전지
10-2023-0029182 (2023.03.06)
1020240136027 (2024.09.13)
1027662370000 (2025.02.06)
임상혁, 기민정, 이형준, 박진경, 허진혁
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단