특허 개요
본 특허는 빛으로 만든 전기를 효율적으로 수집하기 위한 자가 p-도핑 정공 고속층을 적용한 페로브스카이트 광전소자 및 제조 방법입니다. 제1 전극 위에 금속 할라이드가 도핑된 CsSnI3 등 제1 페로브스카이트의 선택 산화층을 형성하고, 그 위에 Pb-Sn 페로브스카이트 광활성층 전구체를 스프레이 코팅해 계면을 혼재시킵니다. 이 과정에서 Sn2+의 Sn4+ 전환에 따른 자가 p-도핑과 조성 구배가 형성되며, 계단식 에너지 밴드를 갖는 페로브스카이트-페로브스카이트 호모접합이 정공 분리와 수송을 촉진하도록 구성됩니다.
- 핵심 기능
금속 할라이드 도핑 페로브스카이트를 제어 산화해 전도도와 정공 농도가 향상된 선택 산화층을 만들고, 광활성층 전구체와 접하는 영역에 조성 구배형 정공 고속층을 형성합니다. 광활성층에서 생성된 정공은 이 층을 통해 제1 전극으로 선택적으로 이동하고, 전자는 전자 수송층을 거쳐 제2 전극으로 수집됩니다.
- 차별 강점
기존 페로브스카이트 소자는 면적이 커질수록 전극 전도도와 전하 수송 문제로 효율 저하가 발생할 수 있고, 유기 정공수송층은 계면 트랩과 안정성 측면의 과제가 있습니다. 본 기술은 선택 산화에 의한 자가 p-도핑과 광활성층 전구체 혼재를 결합해 정공 수송층과 광활성층 사이의 조성·에너지 밴드 구배를 형성함으로써 전하 재결합 억제와 대면적화 시 성능 손실 완화를 목표로 합니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈, 플렉서블 광전소자, 페로브스카이트 기반 레이저 및 발광전자소자 분야에 활용 가능하며, 초음파 스프레이 기반 박막 형성 공정에도 적용할 수 있습니다. 사업 측면에서는 건물일체형 태양광 모듈, 탠덤 셀, 유연 태양광 제품 및 대면적 광전변환 모듈 제조 분야로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
SnCl2 도핑 CsSnI3 선택 산화층과 정공 고속층을 적용한 Pb-Sn 페로브스카이트 광전소자 및 서브모듈을 실시예와 비교예로 평가했습니다. 소면적 소자, 최대 100 cm² 서브모듈, 1-태양 최대전력점 추적 및 습열 조건의 결과가 제시됐으나, 양산 롤투롤 라인의 수율·막 재현성과 장기 실외 내구성은 추가 검증이 필요합니다.
- 시료: SnCl2 도핑 CsSnI3 선택 산화층·정공 고속층을 적용한 Pb-Sn 페로브스카이트 광전소자 및 100 cm² 서브모듈
- 비교군: PTAA 기반 비교예 및 선택 산화층 정공 고속층을 적용하지 않은 비교예
- 증착 조건: 0.1 M CsSnI3 전구체, 1.0wt% SnCl2, 초음파 스프레이 코팅, 노즐 거리 5 cm, 공급속도 0.8 mL/min, 증착온도 170℃
- 안정성 조건: 1-태양 최대전력점 추적 1000시간, 85℃ 및 85% 상대습도
현재 성과
선택 산화층 정공 고속층을 적용한 최대 100 cm² 서브모듈에서 개구면적 기준 광전변환 효율이 제시됐습니다. 16 cm²까지는 20% 이상의 효율이 유지됐으며, 면적 확대 과정에서의 효율 저하를 완화하는 구조적 효과를 확인했습니다.
캡슐화된 100 cm² 서브모듈을 1-태양 조건에서 최대전력점 추적으로 1000시간 평가했습니다. 초기 광전변환 효율 19.02%에서 18.38%를 유지했으며, 85℃ 및 85% 상대습도 조건에서 초기 효율의 99.5% 유지 결과도 제시됐습니다.
금속 할라이드가 도핑된 페로브스카이트를 선택 산화해 Sn4+ 유래 자가 p-도핑을 유도하고, 광활성층 전구체와의 혼재로 조성 구배형 정공 고속층을 형성합니다. 일반적인 유기 정공수송층 중심 구조와 달리 페로브스카이트 계열 호모접합의 계단식 에너지 밴드를 이용해 정공 분리·추출과 재결합 억제를 함께 목표로 한 점이 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
양산 롤투롤 라인에서의 막 두께·조성 균일성, 공정 수율 및 배치 간 재현성 검증
100 cm²를 초과하는 모듈 규모에서의 직렬 연결 설계, 출력 손실 및 제조 공정 최적화
장기 실외 환경에서의 광·온도·수분 복합 내구성과 캡슐화 구조의 신뢰성 검증
스프레이 코팅 공정의 장비 조건, 소재 사용량 및 공정비용에 대한 상업성 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
페로브스카이트 광전소자 및 이의 제조 방법
10-2024-0032415 (2024.03.07)
1028530630000 (2025.08.27)
임상혁, 허진혁, 이형준
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단