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Manuscript Received October 25, 2019, Revised March 20, 2020, Accepted May 15, 2020, Published online June 30, 2020
The authors are with KEPCO Research Institute, Korea Electric Power Corporation, 105 Munji-ro Yuseong-gu, Daejeon 34056, Republic of Korea.
Correspondence Author: Do-hyung Kim ([email protected])
This paper is an open access article licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International Public License.
To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
Abstract
Regarding greenhouse gas reduction, BIPV (Building Integrated Photovoltaics) is an important technology that can generate its own power in urban buildings based on clean energy resources. In particular, the perovskite material is attracting attention as a BIPV solar cell because it can have various colors and transparency. However, it is not easy to increase both transparency and efficiency factors because solar cell transparency and efficiency are inversely related to each other. Therefore, in this paper, we propose a semi-transparent perovskite solar cell structure that can improve both transparency and efficiency, and evaluate the stability according to international standard.
온실 가스 감축과 관련하여 BIPV (Building Integrated Photovoltaics)는 청정 에너지 자원을 바탕으로 도심의 빌딩에서 자체적으로 전력을 생산할 수 있는 중요한 기술이다. 특히, 페로브스카이트 물질은 투명성을 지니고 있으며, 다양한 색상 구현이 가능하여 BIPV용 태양전지로 주목받고 있다. 그러나 태양전지의 투과도와 효율은 서로 반비례 관계에 있어 두 인자를 모두 높이는 것은 쉽지 않은 과제이다. 따라서 본 논문에서는 투과도와 효율을 모두 높일 수 있는 반투명 페로브스카이트 태양전지 구조를 제안하고, 이를 평가하였으며, 안정성 평가를 위해 국제표준에 따른 내구성 평가를 수행하였다.
Keywords: Perovskite Solar Cell, Semi-Transparent, Building Integrated Photovoltaics, Damp Heat Test, Stability Test, Hole Transport Layer
I. Introduction
2015년 12월, “파리협약”을 통해 온실 가스 감축을 위한 일환 으로 대두된 신기후 변화 대응체제와 관련하여 재생에너지 기술 확보를 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 이 중 태양전지 기술은 지속가능한 태양 자원을 활용한 무한 청정에너지로 저탄소경제로 의 이행 및 지속적 경제 성장을 위한 궁극적인 해결책이 될 수 있 다 [1]. 특히 대부분의 에너지를 소비하는 도심의 빌딩에서 자체적 으로 전력을 생산할 수 있는 BIPV 기술 개발은 저탄소경제로의 이 행에 있어 중요한 기술이다. BIPV는 청정 에너지 자원인 태양 에너 지를 이용하고, 건물을 에너지 소비자에서 에너지 생산자로의 전환 을 가져올 수 있다는 점에서 많은 장점을 가지고 있다 [2][3].
최근 주목받고 있는 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카 이트 결정 구조를 갖는 유-무기 하이브리드 할로겐화물이 광활성 층 소재로 사용되고 있는 태양전지를 말한다. 페로브스카이트의 결 정구조는 ABX3 이며, A와 B는 양이온, X는 이들과 결합하고 있는 음이온이다. A 양이온은 메틸암모늄 이온 (CH3NH3+), 포름아미디늄 이온(HC(NH2)2+), 세슘 이온(Cs+), 루비듐 이온(Rb+), 그리고 칼륨
이온(K+) 등의 물질로 구성되며, B 양이온으로 납 이온(Pb2+) 및 주 석 이온(Sn2+), X 음이온으로 할로겐 음이온(Cl-, Br-, I-)의 물질로 구 성된다.
페로브스카이트 물질은 조성에 따라 밴드갭을 1.5 ~ 2.3 eV 범 위에서 자유롭게 조절 가능하여 [4] 의도적으로 가시광선을 투과 시킬 수 있어 투명성을 지니고 있고, 다양한 색상이 가능하여 BIPV용으로 활용도가 매우 높다. 기존의 BIPV용 태양전지로 고려 되었던 염료감응형 태양전지나 유기 태양전지와 같은 차세대 태양 전지는 그 효율이 10% 수준에 머물러 있기 때문에 상용화에 진전 이 어려웠으나, 페로브스카이트 태양전지는 그 2배 이상의 효율을 구현할 수 있어서 시장 진입의 가능성이 매우 높다.
페로브스카이트 태양전지를 BIPV용 유리창호로 사용하기 위 해서는 태양전지를 구성하는 모든 층들이 투과도가 높아야 한다.
Oxford 대학의 Snaith 교수 연구팀은 페로브스카이트 광활성층을 island 형태로 형성하여 3.5% 효율, 투과도 30%의 태양전지를 제 작하였다 [5]. 난양공대의 Mhaisalkar 교수 연구팀에서는 후면전극 으로 반투명 탄소나노튜브 전극을 사용하여 9.9%의 반투명 페로 브스카이트 태양전지를 발표하였다 [6]. 그 외에도 반투명 페로브
스카이트 태양전지에 관한 다수의 연구가 진행되고 있다 [7][8].
페로브스카이트 태양전지가 상용화 되기 위해서는 투과도 외 에도 안정성 확보가 무엇보다 중요하다. 페로브스카이트 소재는 산 소 및 수분에 의해 분해가 일어날 수 있는 문제점이 있어 [9][10]
안정성을 높이고, 다양한 환경에서의 내구성 평가가 필요하다.
따라서 본 논문에서는 BIPV에 적용 가능한 반투명 페로브스 카이트 태양전지 소자의 구조를 제시하고, 이를 제작하여 그 효율 을 평가하고 분석하였다. 또한 국제표준에 따라 반투명 페로브스카 이트 태양전지 소자의 내구성 평가를 수행하였다.
II. 반투명 페로브스카이트 태양전지 제작
A. 태양전지 소자 제작
반투명 페로브스카이트 태양전지 소자를 제작하는 과정은 Fig. 1과 같다. 기판은 유리 기판(2.5×2.5 cm2)을 사용하였으며, 그 상부에 투명 전극으로 ITO (Indium tin oxide)를 스퍼터링 방식으로 증착하였다. ITO의 상부에 정공 수송층으로 NiO (Nickel oxide)가 증 착되는데, NiO 나노입자를 스핀코팅으로 증착한 소자와 스퍼터링 방식으로 증착한 소자를 각각 제작하여 정공 수송층으로서의 특성 을 비교하였다. 정공 수송층 위에는 페로브스카이트 전구체 용액의 젖음성이 좋지 않기 때문에, 페로브스카이트 광활성층을 용액공정 으로 증착하기 위해서는 약 280 ~ 300°C 구간에서의 후속 열처리 공정이 필요하다. 그 후, (CsFAMA)Pb(IBr)3 구조의 페로브스카이트 광활성층을 스핀코팅으로 증착하고, 100°C에서 10분간 열처리를 수행하였으며, 페로브스카이트 광활성층의 패시베이션을 위해 LiF (Lithium fluoride)를 진공열증착 방식으로 얇게 증착하였다. 이 후 전자 수송층의 버퍼로 C60 (Buckminsterfullerene)를 진공열증착 방식으로 증착하였으며, 그 상부에 전자 수송층인 SnO2 (Tin oxide) 를 ALD (Atomic layer deposition) 방식으로 증착하였다. 상부 전극 으로는 ITO를 스퍼터링 방식으로 증착하였으며, 그 위에 은을 진
공열증착 방식으로 증착하였다. 위의 과정을 통하여 제작된 반투명 페로브스카이트 태양전지 소자는 Fig. 2와 같은 구조를 가지며, 활 성 면적은 약 1.05 cm2이다.
B. 봉지화(Encapsulation) 공정
태양전지의 열화와 관련하여, 페로브스카이트 태양전지의 정 공 또는 전자 수송층의 흡습성 및 친수성으로 인해 대기중의 수분 이 흡착되어 태양전지 내부로 침투되고, 이로 인해 페로브스카이트 광활성층의 분해가 가속될 수 있다. 이에 따라 수분을 차단하기 위 한 페로브스카이트 태양전지 봉지화 공정에 대한 연구가 진행되고 있다. 봉지화 공정은 유리 봉지화 공정을 적용하였는데, 태양전지 소자의 양 면에 유리판을 두어 수분을 차단하고, 옆 면의 수분침투 를 막기 위해 부틸(butyl) 재질의 테이프를 사용하여 밀봉한다. 수 분의 침투를 더 확실하게 제거하기 위해 소자와 유리판 사이에 봉 합재(encapsulant)를 삽입한다. 이후 100°C의 열을 가하고, 유리판 양쪽으로 1 bar의 압력을 가하여 봉지화 공정을 완료한다. 봉지화 공정을 완료한 태양전지 소자 사진은 Fig. 3와 같다.
III. 반투명 페로브스카이트 태양전지 소자 평가
A. 페로브스카이트 태양전지 효율 및 투과도 평가
상기 기재한 방식으로 제작한 반투명 페로브스카이트 태양전 지 소자의 효율 및 투과도를 평가하였다. 반투명 페로브스카이트 태양전지 소자의 J-V 곡선은 Fig. 4와 같으며, 효율 인자 및 투과율 의 값은 TABLE 1과 같다.
스퍼터링으로 NiO를 증착한 태양전지 소자의 경우, TABLE 1 과 같이 15.7%의 효율과 함께 21.58%의 투과도를 기록하였으며, 나노입자를 용액공정으로 증착한 태양전지 소자의 경우 7.46%의 효율과 함께 18.12%의 투과도를 기록하였다. 스퍼터링으로 증착한 NiO와 용액공정으로 증착한 NiO의 두께는 15 ~ 20 nm로 큰 차이 가 없었다.
Fig. 1. Manufacturing process of perovskite solar cell.
Fig. 2. Schematic representation of the device architecture of the semi- transparent perovskite solar cells.
정공 수송층이 같은 NiO 물질로 구성되었다 할지라도, 그 증 착 방식에 따라 특성은 크게 달라지는 것을 Fig. 4와 TABLE 1를 통 하여 확인할 수 있다. 특히, 나노입자를 용액공정으로 증착한 소자 의 경우, 스퍼터링 방식에 비해 series 저항(Rs) 값이 크게 증가하 였다. Series 저항은 태양전지의 직렬저항으로, 그 값이 작을수록 좋은 태양전지 특성을 나타낸다. Series 저항은 전면 및 후면 전극 의 저항, 또는 계면에서의 접촉저항에 의해 발생하며, 일반적으로 FF (Fill factor)의 값에 큰 영향을 미친다. Series 저항을 구하는 방 법은 여러 가지가 있으나, 일반적으로 VOC 영역에서 J-V 곡선의 기울기를 가지고 계산하며, 그 내용은 Eq. (1)과 같다. 수식에서 n 은 이상계수, q는 전하량, k는 볼츠만 상수, T는 온도, J0는 이상전류 밀도상수이다.
𝑅 = −𝑑𝑉
𝑑𝐽+ 𝑛𝑘𝑇
𝑞 𝐽 + 𝐽 (1)
Fig. 4를 보면 스퍼터링 방식으로 NiO를 증착한 소자와 달리, 나노입자로 NiO를 증착한 소자의 J-V 곡선이 VOC 부근에서 S자 형태로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이를 토대로 NiO 증착 방 법에 따라 계면의 상태가 달라져 series 저항에 영향을 미쳤음을 짐작할 수 있다.
TABLE 1을 보면 shunt 저항(Rsh)의 값도 차이가 있으나 이는 큰 문제가 되지 않는다. Shunt 저항은 태양전지의 병렬 저항으로서 낮은 shunt 저항은 누설전류를 발생시켜 JSC를 감소시킬 수 있다.
Shunt 저항은 태양전지 제조 과정 중의 결함에 의하여 주로 발생 하며, Eq. (2)와 같이 J-V 곡선의 JSC부근의 기울기를 통하여 구할 수 있다.
𝑑𝐽 𝑑𝑉= − 1
𝑅 (2)
그러나 shunt 저항은 그 값이 1 kΩ보다 큰 경우, 태양전지에 미치는 영향은 거의 없으므로, TABLE 1에 기재된 shunt 저항의 값 은 태양전지 효율에 미치는 영향이 거의 없다. 따라서 정공 수송층 의 증착 방식과 상관없이 태양전지의 결함은 크게 발생하지 않은 것으로 판단된다.
투과도의 경우 NiO를 나노입자로 증착한 소자가 더 낮게 나 타났는데, 이는 NiO를 스퍼터링으로 증착한 경우보다 나노입자로 증착한 경우가 더 밀도가 낮아 기공 등에 의해 빛의 산란이 발생 하여 나타난 결과로 볼 수 있다.
태양전지는 빛을 흡수하여 전자-정공쌍을 형성하고 이로 인 해 전력을 발생시키는 장치이므로, 빛의 흡수가 많을수록 다수의 전자-정공쌍을 형성하게 되어 소자의 효율이 높아진다. 투과도가 증가하게 되면 셀의 효율은 그에 비례하여 감소하게 되므로 투명 도를 유지하며 높은 효율을 가지는 것에 어려움이 있다. BIPV에 적 용 가능한 태양전지 개발을 위하여 향후 투명도를 더 높이면서 효 율을 유지 및 상승시킬 수 있는 연구를 계속 진행할 예정이다.
B. 페로브스카이트 태양전지 내구성 평가
반투명 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위해서는 박막 형 태양전지 테스트 기준인 IEC-61646의 시험을 통과해야 한다.
반투명 페로브스카이트 태양전지 소자의 내구성 평가를 위해 IEC- 61646 시험 중 damp heat test를 수행하고 있다. Damp heat test는 85°C의 온도와 85%의 습도의 환경을 1,000 시간동안 유지하여 시험 전/후의 태양전지 소자의 효율편차가 10% 이하일 때 시험을 통과했다고 판단한다. Fig. 5는 damp heat test를 수행하는 시험 장 비를 나타낸다. 이 시험 장비는 일정 온도와 습도를 편차 없이 장 시간 유지할 수 있는 장비이며, 챔버 내부에 소자를 위치하여 시험 을 수행한다. Damp heat test를 수행하기 위하여 본 장비를 사용하 여 수행하여야 하는 것은 아니지만, 온도를 2°C 오차 이내에서 85°C의 고온상태를 유지할 수 있어야 하며, 5% 오차 이내에서 85%의 고습도 상태를 1,000 시간 동안 유지할 수 있는 장비여야 한다. Fig. 6는 1,000 시간까지 damp heat test를 수행했을 때의 반 투명 태양전지(스퍼터링 증착 NiO)의 효율 변화 그래프이다. 100 시간 수행 후 측정한 효율은 이전보다 약 1%정도 증가하였다. 이 Fig. 4. J-V scans for the performing perovskite solar cells.
TABLE 1
J-V Curve Data for Semi-Transparent Perovskite Solar Cell Sample VOC
(V) JSC (mA/cm2) FF
(%) PCE (%) Rs
(Ω) Rsh
(Ω) AVT (%) Sputter
NiO 1.05 18.71 80.56 15.78 4.12 20,749.41 21.58 Nanoparticle
NiO 1.02 16.15 45.28 7.46 91.91 3,548.21 18.12
는 damp heat test 초기에 Voc가 증가하는 현상으로 인한 것이다.
500 시간 이후 효율 측정 결과 약 6%의 효율이 감소하여 94%의 효율을 유지하였으며, 1,000 시간 이후 최종 효율은 93%의 효율을 유지하여 IEC 61646의 조건을 만족하였다. Damp heat test 0 시간부 터 1,000 시간까지 Voc는 계속하여 증가하였으나, JSC와 FF의 감소 로 인하여 효율이 감소하였다. 1000시간 이후 효율 평가에서 Rs는 10 Ω 이하를 유지하였으며, Rsh는 1,000 Ω 이상을 유지하여 계면 및 내부의 결함이 크게 발생하지 않은 것을 유추할 수 있었다. 차후 IEC 61646의 thermal cycling test 및 UV preconditioning test 등을 수행하여 내구성을 평가할 계획이다.
IV. Conclusion
본 논문에서는 BIPV에 적용 가능한 반투명 태양전지 소자를 제작하고, 정공 수송층의 공정 조건에 따른 소자의 효율 및 투과도 에 대한 분석을 실시하였다. 또한 소자의 안정성 평가를 위해 국제 표준 IEC-61646에 따른 내구성 평가를 수행하였다. 주요 연구결과 를 요약하면 다음과 같다.
(1) 본 논문에서 제안한 태양전지 소자 구조를 통해 15.7%
의 효율과 21.58%의 투과도를 동시에 만족하는 반투명 태양전지 소자를 제작하였다.
(2) 정공 수송층을 증착하는 공정에 따라 태양전지의 series 저항 및 투과도가 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 같은 소재라 하더라도 적합한 공정을 설계하는 것이 효율 및 투과도 향 상에 중요한 요소임을 알 수 있다
(3) 본 논문에서 제안한 태양전지 구조를 통해 제작된 소자 가 damp heat test 1,000 시간까지 효율을 90% 이상 유지하는 것 을 확인하였다
Acknowledgment
This work was supported by Korea Electric Power Corporation under Grant R17EA01.
본 연구는 한국전력공사의 2017년 선정 연구개발과제 연구 비에 의해 지원되었음(과제번호: R17EA01)
References
[1] Joonhong Noh, Minjae Ko, “Convergence technology of organic- inorganic hybrid perovskite solar cell,” Convergence research review, 3(5), 2017.
[2] Oliver Morton, “A new day dawning?:Silicon Valley sunrise,” Nature, 443, 19-22, 2006.
Fig. 5. Equipment for damp heat test of perovskite solar cell.
Fig. 6. Efficiency change of perovskite solar cell over time of damp heat test.
