[기술분석] 올 페로브스카이트 텐덤 태양전지 (All perovskite Tandem Solar Cell)

대상종목 : 신성이엔지, 한화솔루션, 대유플러스, 유니테스트, OCI, 메카로, 서남

 

 

검색방법

본 조사에서의 특허검색은 WIPSON 특허DB를 사용하여 2021년 1월 05일(검색일 기준)까지 공개 또는 등록된 국내외 각국(한국, 일본, 미국, 유럽, 중국, PCT 등)의 문헌을 대상으로 관련 기술을 조사하였음

본 조사에서의 비특허검색은 Google (Scholar), NDSL, RISS, KISS 등의 전문 DB와 Naver, Daum 등의 검색엔진을 사용하여 2021년 1월 06일(검색일 기준)까지 공개된 국내외 각국의 문헌을 대상으로 관련 기술을 조사하였음

 

1.정의

올 페로브스카이트 텐덤 태양전지 (All perovskite Tandem Solar Cell): 텐덤 페로브스카이트 태양전지 중에서 상부소자와 하부소자 모두 페로브스카이트 물질로 구성된 태양전지

 

2.기술 특징 및 이슈 1

-상부소자(perovskite)+하부소자(perovskite)

-상부소자 이슈: I-Br alloy perovskite, wide bandgap과 광안정성확보

-하부소자 이슈: Pb-Sn 치환 및 Bandgap bowing을 이용한 bandgap 축소시 Sn2+의 산화억제를 통한 안정성 확보, A site Alloy, 첨가제 공정 및 결정립계 조절

-저온솔루션(낮은공정온도), 밴드캡 조절 유연성, 상부 투명전극 불필요(투명전극이 증착된 유리기판 위에서 제작가능), 초경량 유연소자 가능성

 

3.기술 특징 및 이슈 2 (주요 키워드)

-narrow band gap Pb-Sn perovskite 하부소자 (stability)

-하부소자 Pb-Sn alloy Bandgap bowing

-전구체 용액에 SnF2 등 첨가제 공정

-결정립계 표면 및 박막 passivation

SMALL

4.주요연구기관

(영)Oxford: Henry Snaith, (미)NREL*: Giles & Thoma, (미+한)NREL: Kai & 세종대: 김동회, (미)Univ. of Northwestern: Kanatzidis, (미)Toledo: Yan, (미)Stanford: McGehee, (싱가포르)Nanyang Technological University: Nripan, (한)UNIST:석상일, (미)NREL: Kai & Toledo: Yan 등

5.조사결과

No	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
1	US	Science 364(6439), 2019	Carrier lifetimes of >1 ms in Sn-Pb perovskites enable efficient all-perovskite tandem solar cells	Zhu, Kai (NREL)
2	US	ACS Energy Letters 3(2), 2018	Four-Terminal All-Perovskite Tandem Solar Cells Achieving Power Conversion Efficiencies Exceeding 23%	Yan, Yanfa (Univ. of Toledo)
3	US	Nature Energy 2(4), 2017	Low-bandgap mixed tin-lead iodide perovskite absorbers with long carrier lifetimes for all-perovskite tandem solar cells	Yan, Yanfa (Univ. of Toledo)
4	CN	Nature Energy 4(10), 2019	Monolithic all-perovskite tandem solar cells with 24.8% efficiency exploiting comproportionation to suppress Sn(ii) oxidation in precursor ink	Tan, Hairen (Nanjing Univ.)
5	US	Joule 3(9), 2019	Enabling Flexible All-Perovskite Tandem Solar Cells	Moore, David T. (NREL)
6	ES	Energy and Environmental Science 11(11), 2018	High voltage vacuum-deposited CH3NH3PbI3-CH3NH3PbI3 tandem solar cells	Bolink, Henk Jan (Univ. of Valencia)
7	US	Sustainable Energy and Fuels 2(11), 2018	Tin-lead halide perovskites with improved thermal and air stability for efficient all-perovskite tandem solar cells	McGehee, Michael D. (NREL)
8	CN	2020-10846447	Structure of flexible substrate of flexible full perovskite laminated solar cell and preparation method thereof	Litian Optoelectronic Technology (Suzhou) Co.,Ltd.
9	EP	2018-306778	THREE TERMINAL TANDEM SOLAR GENERATION UNIT	Total SA
10	US	16/334540	SOLAR CELL COMPRISING A METAL-OXIDE BUFFER LAYER AND METHOD OF FABRICATION	UNIV. LELAND STANFORD JUNIOR
11	IN	201717046119	PHOTOVOLTAIC DEVICE	OXFORD PHOTOVOLTAICS LIMITED
12	US	15/611343	HIGH EFFICIENCY THIN FILM TANDEM SOLAR CELLS AND OTHER SEMICONDUCTOR DEVICES	Solar-Tectic, LLC

6. 주요내용

번호	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
1	US	Science 364(6439), 2019	Carrier lifetimes of >1 ms in Sn-Pb perovskites enable efficient all-perovskite tandem solar cells	Zhu, Kai (NREL)
	주요내용
	고효율의 낮은 밴드갭을 가진 Sn-Pb 혼합 페로브스카이트 태양 전지 (PSC) 확보 guanidinium thiocyanate (GuaSCN) 의 첨가를 통해 낮은 밴드갭의 Sn-Pb 혼합 페로브스카이트 필름의 구조적, 광전자적 특성을 크게 개선함
	기술관련성 및 검토의견
	본 기술로 4 terminal과 4 terminal의 All-perovskite 텐덤 태양전지 제조 시 전력변환효율(Power Conversion Effiiciency, 이하 PCE)이 증가됨
번호	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
2	US	ACS Energy Letters 3(2), 2018	Four-Terminal All-Perovskite Tandem Solar Cells Achieving Power Conversion Efficiencies Exceeding 23%	Yan, Yanfa (Univ. of Toledo)
	주요내용
	반투명(semitransparen)의 1.75 eV의 넓은 밴드갭을 가진 FA0.8Cs0.2Pb(I0.7Br0.3)3 페로브스카이트 상부 셀을 1.25 eV의 좁은 밴드갭을 가진 (FASnI3)0.6(MAPbI3)0.4 하부 셀과 기계적으로 적층
	기술관련성 및 검토의견
	PCE 23 %를 초과하는 4-terminal의 페로브스카이트 탠덤 태양 전지를 제조
번호	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
3	US	Nature Energy 2(4), 2017	Low-bandgap mixed tin-lead iodide perovskite absorbers with long carrier lifetimes for all-perovskite tandem solar cells	Yan, Yanfa (Univ. of Toledo)
	주요내용
	낮은 밴드 갭(~ 1.25eV)을 나타내는 혼합 주석-납 요오드 혼합물로 이루어진, 효율성이 높아진 페로브스카이트 태양 전지를 제시함 (개방 회로 전압 최대 0.85V, 700-900nm 적외선 파장 범위에서 외부 양자 효율 70 % 이상)
	기술관련성 및 검토의견
	4-terminal의 all-perovskite 탠덤 태양 전지를 제조하여 21%의 PCE를 안정적으로 보여줌
번호	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
4	CN	Nature Energy 4(10), 2019	Monolithic all-perovskite tandem solar cells with 24.8% efficiency exploiting comproportionation to suppress Sn(ii) oxidation in precursor ink	Tan, Hairen (Nanjing Univ.)
	주요내용
	금속 주석을 사용하고 균등화반응comproportionation)을 통해 Sn4+(Sn2+ 의 산화 생성물)을 Sn2+로 감소시키는, Pb-Sn 혼합물로 이루어진 낮은 밴드갭의 페로브스카이트에서 Sn 공백을 줄일 수 있는 방법을 제시
	기술관련성 및 검토의견
	all-perovskite 탠덤 태양 전지의 PCE 24.8% 확보, 대면적화(1.05 cm2) 시 PCE 22.1% 달성함
번호	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
5	US	Joule 3(9), 2019	Enabling Flexible All-Perovskite Tandem Solar Cells	Moore, David T. (NREL)
	주요내용
	원자층이 증착되어 전자 손실을 줄일 수 있는 재조합층의 고품질화를 위해 핵 형성 층(nucleation layer)이 사용됨 양이온 조정(cation tuning)을 통해 넓은 밴드갭의 페로브스카이트 태양전지 셀의 고전압과 전압의 안정성을 달성함
	기술관련성 및 검토의견
	본 기술을 단단한 재질과 유연화 재질의 기판 위에 사용하여 각각의 텐덤 페로브스카이트 태양전지들을 제작하였을 때, PCE를 증가시킴
번호	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
6	ES	Energy and Environmental Science 11(11), 2018	High voltage vacuum-deposited CH3NH3PbI3-CH3NH3PbI3 tandem solar cells	Bolink, Henk Jan (Univ. of Valencia)
	주요내용
	광학적으로 최적화된 CH3NH3PbI3-CH3NH3PbI3 이중 접합의 텐덤 태양전지 제시 단락 전류는 최대화되고, 기생 흡수는 최소화되는 효과
	기술관련성 및 검토의견
	2.30V의 높은 개방회로전압 제공, 페로브스카이트 텐덤 태양 전지 제작 시 PCE 증가, 효율적인 대면적 모듈화 가능
번호	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
7	US	Sustainable Energy and Fuels 2(11), 2018	Tin-lead halide perovskites with improved thermal and air stability for efficient all-perovskite tandem solar cells	McGehee, Michael D. (NREL)
	주요내용
	2 terminal 탠덤 태양전지에서 높은 정합 전류 밀도를 달성하기 위해서, 본 기술은 균일하면서도 두꺼운 주석-납 페 로브스카이트를 제조하는 경로를 개발함 (2 terminal 탠덤 태양전지가 근적외선에서 80 % 이상의 외부 양자 효율을 달성 가능) 비소 침전된(as-deposited)주석-납 페로브스카이트 필름을 염화메틸암모늄(methylammonium chloride) 증기로 후처리하여 입자 크기를 미크론 이상의 사이즈로 늘리고 태양 전지 개방 회로 전압과 충전율을 높임
	기술관련성 및 검토의견
	2 terminal all-perovskite 탠덤 태양 전지의 효율과 안정성 확보
번호	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
8	CN	2020-10846447	Structure of flexible substrate of flexible full perovskite laminated solar cell and preparation method thereof	Litian Optoelectronic Technology (Suzhou) Co.,Ltd.
	주요내용
	유연성을 가진 all-perovskite 텐덤 태양전지의 구조와 방법을 제시함 다중 물리적 필드 결합 기술을 동시에 이용하여, 적층 박막 태양 전지의 광전 속성을 조절하여 최적화를 달성
	기술관련성 및 검토의견
	all-perovskite 텐덤 태양전지의 적층 방법과 구조를 제시하고, 전도성 박막층의 태양 에너지에 대한 유효 흡수 면적을 증가시켜 박막 태양 전지의 PCE를 향상시킴
번호	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
9	EP	2018-306778	THREE TERMINAL TANDEM SOLAR GENERATION UNIT	Total SA
	주요내용
	3 termianl의 텐덤 페로브스카이트 태양 전지 구조를 제시함
	기술관련성 및 검토의견
	제 2 흡장층을 페로브스카이트 물질로 구성할 경우, 본 발명으로 all-perovskite 텐덤 태양전지를 제작할 수 있음
번호	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
10	US	16/334540	SOLAR CELL COMPRISING A METAL-OXIDE BUFFER LAYER AND METHOD OF FABRICATION	UNIV. LELAND STANFORD JUNIOR
	주요내용
	금속-산소 버퍼층을 포함시켜, 페로브스카이트 태양전지의 PCE를 증가시키는 기술임
	기술관련성 및 검토의견
	본 기술을 상부셀과 하부셀에 밴드갭이 다른 각각의 페로브스카이트로 물질로 구성하여 적용할 경우, 금속-산소 버퍼층 포함을 통해 PCE가 상승된 all-perovskite 텐덤 태양전지를 제조할 수 있음
번호	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
11	IN	201717046119	PHOTOVOLTAIC DEVICE	OXFORD PHOTOVOLTAICS LIMITED
	주요내용
	다중접합 태양전지의 안정성을 확보하기 위하여 아래와 같은 조건의 페로브스카이트 물질로 구성한 태양전지의 제조방법 본 발명의 페로스카이트 형성 : A is a formamidinium cation (HC(NH)2)2+), A' is a caesium cation (Cs+), B is at least one divalent inorganic cation, X is iodide and X' is bromide; and wherein 0 < x≤ 0.4 and 0 < y≤ 3.
	기술관련성 및 검토의견
	하부셀을 페로브스카이트 물질로 구성할 경우(Figure 5c 참조), 본 기술을 적용한 all-perovskite 텐덤 태양전지 제조 가능
번호	국가	특허/논문DOI	특허명/논문명	출원인/게재자
12	US	15/611343	HIGH EFFICIENCY THIN FILM TANDEM SOLAR CELLS AND OTHER SEMICONDUCTOR DEVICES	Solar-Tectic, LLC
	주요내용
	다양한 태양전지 구조와 고효율의 박막 기술을 제공함
	기술관련성 및 검토의견
	하부셀을 페로브스카이트 물질로 구성할 경우(Figure 6 참조), 본 기술을 적용한 all-perovskite 텐덤 태양전지 제조 가능