KR101578875B1 - Solar cell comprising self-organized dielectric substance and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 자기조직(self-organized)된 유전체를 포함하는 정공차단층을 포함하여, 상온에서 공정이 가능하고, 동시에 높은 효율을 갖는 태양전지와 그의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로 태양전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 소자이다. 태양전지는 무한한 에너지원인 태양광을 이용해 전기를 생산하는 도구로서, 이미 우리 생활에 널리 이용되고 있는 실리콘 태양전지가 대표적이며, 최근 차세대 태양전지로서 염료감응 태양전지가 연구되고 있다. 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 효율이 높고 제조 단가가 현저히 낮아 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있는 광 전기화학적인 태양전지이다.Generally, a solar cell is a device that converts solar light energy into electric energy. A solar cell is a tool for producing electricity using sunlight, which is an infinite energy source, and is a silicon solar cell already widely used in our life. Recently, a dye-sensitized solar cell has been studied as a next generation solar cell. The dye-sensitized solar cell is a photoelectrochemical solar cell that has the potential to replace conventional silicon solar cells because it has higher efficiency and lower manufacturing cost than conventional silicon solar cells.
염료감응 태양전지는, 1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의하여 발표된 것이 대표적이다(미국등록특허 제 5,350,644 호 "Photovoltaic cells" 참조). 구조적인 측면에서, 염료감응 태양전지의 두 전극 중 하나의 전극은 감광성 염료가 흡착되어 있는 반도체층이 형성된 전도성 투명 기재를 포함하는 광전극이며, 두 전극 사이의 공간에는 전해질이 채워져 있다. Dye-sensitized solar cells have been reported by Michael Gratzel of the Swiss National Lozanne Institute for Advanced Technology (EPFL) in 1991 (see US Pat. No. 5,350,644 "Photovoltaic cells"). In terms of structure, one of the two electrodes of the dye-sensitized solar cell is a photoelectrode including a conductive transparent substrate having a semiconductor layer on which a photosensitive dye is adsorbed, and the space between the two electrodes is filled with an electrolyte.
염료감응 태양전지의 작동 원리를 살펴보면, 태양에너지가 전극의 반도체층에 흡착된 감광성 염료에 흡수됨으로써 광전자가 발생하며, 상기 광전자는 반도체층을 통해 전도되어 투명 전극이 형성된 전도성 투명 기재에 전달되고, 전자를 잃어 산화된 염료는 전해질에 포함된 산화·환원 쌍에 의해 환원된다. 한편, 외부 전선을 통하여 반대편 전극인 상대 전극에 도달한 전자는 산화된 전해질의 산화·환원 쌍을 다시 환원시킴으로써 태양전지의 작동 과정을 완성한다.The operation principle of the dye-sensitized solar cell is as follows. The solar energy is absorbed by the photosensitive dye adsorbed on the semiconductor layer of the electrode to generate photoelectrons. The photoelectrons are conducted through the semiconductor layer and transferred to the transparent conductive substrate, The oxidized dyes that lose electrons are reduced by oxidation / reduction pairs contained in the electrolyte. On the other hand, the electrons reaching the counter electrode, which is the opposite electrode through the external electric wire, complete the operation of the solar cell by reducing the redox pair of the oxidized electrolyte again.
또한, 일반적으로 염료 감응형 태양전지는 투명전기 전도성 ITO 또는 FTO 등이 코팅된 유리 기판 위에 TiO2 박막을 코팅하고 500℃ 소성 공정을 통해 TiO2를 활성화 시킨 후 N3 또는 다양한 종류의 염료를 흡착시키는 장시간의 흡착공정을 통해 염료를 TiO2박막 미세기공에 흡착시킨 후 I/I3를 유기용매에 용해하여 액상의 전해질로 사용하고 전해질 상부를 최종 백금 코팅된 유리 기판으로 접합하여 태양전지 셀을 완료하는 방식이 지금까지 일반적으로 알려진 방법이며, 이와 같은 방법을 이용하여 효율 11%까지 보이는 염료 감응형 태양전지를 실험실 단위에서 생산할 수 있다. In general, a dye-sensitized solar cell is formed by coating a TiO 2 thin film on a glass substrate coated with transparent electrically conductive ITO or FTO, activating TiO 2 through a calcination process at 500 ° C., and then adsorbing
그러나 염료감응형 태양전지의 최대 이점인 초저가의 태양전지의 생산을 현실화시키기 위해서는 투명전극 코팅된 플라스틱 기판을 이용하여 롤투롤 인쇄공정 적용이 필수적이다. 실제로 이를 위해 많은 연구들이 전 세계적으로 행하여 지고 있다. 따라서, 롤투롤 인쇄공정으로 열에 약한 PET와 같은 플라스틱 기판에 염료감응형 태양전지를 생산할 수 있어야 초저가의 태양전지를 실현하게 된다. 이를 위해서는 최우선적으로 고온의 소성 공정을 필요로 하는 TiO2 박막 열처리공정과 염료를 TiO2 박막 위에 흡착시키는 장시간의 흡착 공정을 150℃ 이하의 소성 공정을 통해 단 10초 미만의 건조 공정만으로 염료흡착된 TiO2 층을 제조할 수 있는 기술이 필수적이다. 이를 위해 TiO2 대신 밴드갭이 TiO2와 유사한 ZnO 나노결정을 이용하기도 하였으나, TiO2 박막을 대체할 수 있으며, 상온 공정이 가능한 고분자를 이용한 기술은 아직 보고된 바가 없다.However, in order to realize the production of ultra low cost solar cell which is the most advantage of the dye-sensitized solar cell, it is essential to apply a roll-to-roll printing process using a plastic substrate coated with a transparent electrode. In fact, many studies have been conducted worldwide for this purpose. Therefore, a dye-sensitized solar cell can be produced on a plastic substrate such as PET, which is weak in heat, in a roll-to-roll printing process, so that an ultra-low-cost solar cell can be realized. For this purpose, the TiO 2 thin film heat treatment process, which requires a high-temperature calcination process, and the long-term adsorption process in which the dye is adsorbed on the TiO 2 thin film, A technique capable of producing a TiO 2 layer is indispensable. For this purpose, ZnO nanocrystals similar to TiO 2 have been used instead of TiO 2 , but TiO 2 thin films can be substituted, and techniques using polymers capable of room temperature processing have not been reported yet.
본 발명의 목적 중 하나는 페로브스카이트계 염료를 사용하고, 정공차단층이 자기조직(self-organized)된 유전체를 포함함으로써 상온에서 공정이 가능하고, 동시에 높은 효율을 갖는 태양전지를 제공하는 것이다.One of the objects of the present invention is to provide a solar cell which uses perovskite-based dyes and which includes a self-organized dielectric material to process at room temperature and at the same time has high efficiency .
본 발명의 일 측면에 따르면, According to an aspect of the present invention,
제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 정공차단층; 상기 정공차단층 상에 형성된 광흡수층; 및 상기 광흡수층 상에 형성되는 제2 전극;을 포함하고, 상기 정공차단층은 자기조직(self-organized)된 유전체를 포함하는 것인 태양전지가 제공된다.A first electrode; A hole blocking layer formed on the first electrode; A light absorption layer formed on the hole blocking layer; And a second electrode formed on the light absorption layer, wherein the hole blocking layer includes a self-organized dielectric material.
상기 정공차단층은 상기 제1 전극에 대향하는 방향의 표면이 δ-로 편극되고, 상기 제1 전극에 대향하는 방향의 반대 방향의 표면이 δ+으로 편극될 수 있다. The surface of the hole blocking layer in the direction opposite to the first electrode is polarized at? - and the surface in the direction opposite to the direction opposite to the first electrode is polarized at? +.
상기 정공차단층은 두께가 4 내지 12nm일 수 있다. The hole blocking layer may have a thickness of 4 to 12 nm.
상기 정공차단층이 아래 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다. The hole blocking layer may include a compound represented by the following structural formula (1).
[구조식 1][Structural formula 1]
상기 구조식 1에서In the
x+y+z≠0 이고,x + y + z? 0,
0≤x≤5000인 정수 중 어느 하나이고,X < / = 5000,
0≤y≤5000인 정수 중 어느 하나이고,0 < / = y < / = 5000,
0≤z≤5000인 정수 중 어느 하나이다.
0 < / = z < / = 5,000.
상기 정공차단층이 에톡실화 폴리에틸렌이민(ethoxylated polyethylenimine), 폴리에틸렌이민(polyethylenimine) 및 폴리알릴아민(Polyallylamine) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The hole blocking layer may include at least one selected from the group consisting of ethoxylated polyethylenimine, polyethyleneimine, and polyallylamine.
상기 정공차단층이 에톡실화 폴리에틸렌이민을 포함할 수 있다. The hole blocking layer may comprise ethoxylated polyethyleneimine.
상기 광흡수층은 쌍극자 모멘트가 상기 정공차단층에 대향하는 방향으로 유도될 수 있다. The light absorption layer can be induced in a direction in which a dipole moment is opposite to the hole blocking layer.
상기 제1 전극이 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 및 산화아연 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The first electrode may include at least one selected from the group consisting of fluorine tin oxide (FTO), indium tin oxide (ITO), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , tin oxide, have.
상기 광흡수층이 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물을 포함할 수 있다. The light absorbing layer may include a compound having a perovskite structure.
상기 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물은 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3 - xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbCl3-xBrx(0≤x≤3인 실수) 및 CH3NH3PbI3 - xFx(0≤x≤3인 실수) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The perovskite structure compound may be CH 3 NH 3 PbI 3 - x Cl x (
상기 광흡수층이 알루미늄, 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈 및 바나듐 중에서 선택된 1종 이상의 금속의 산화물을 포함할 수 있다. The light absorption layer may include an oxide of at least one metal selected from aluminum, titanium, tin, zinc, tungsten, zirconium, gallium, indium, yttrium, niobium, tantalum and vanadium.
상기 태양전지가 광흡수층과 제2 전극 사이에 정공전달층을 추가로 포함할 수 있다. The solar cell may further include a hole transporting layer between the light absorbing layer and the second electrode.
상기 정공전달층이 Spiro-OMeTAD, P3HT, P3AT, P3OT, PEDOT:PSS, PTAA, 전도성 고분자 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The hole transport layer may include at least one selected from Spiro-OMeTAD, P3HT, P3AT, P3OT, PEDOT: PSS, PTAA, and conductive polymer.
상기 태양전지가 상기 정공차단층에 대향하는 방향의 반대 방향으로 제1 전극상에 기재를 추가로 포함할 수 있다. The solar cell may further include a substrate on the first electrode in a direction opposite to the direction in which the solar cell opposes the hole blocking layer.
상기 기재가 전도성 투명기재 또는 플라스틱 기재를 포함할 수 있다. The substrate may comprise a conductive transparent substrate or a plastic substrate.
상기 제2 전극은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C 및 전도성 고분자 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The second electrode may include at least one selected from Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, and a conductive polymer.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,
제1 전극을 형성하는 단계(단계 a); 상기 제1 전극 상에 자기조직(self-organized)된 유전체를 포함하는 정공차단층을 형성하는 단계(단계 b); 상기 정공차단층 상에 광흡수층을 형성하는 단계(단계 c); 및 상기 광흡수층 상에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 d);를 포함하는 태양전지의 제조방법이 제공된다.Forming a first electrode (step a); Forming a hole blocking layer including a dielectric self-organized on the first electrode (step b); Forming a light absorption layer on the hole blocking layer (step c); And forming a second electrode on the light absorption layer (step d).
단계 b가 아래 구조식1로 표시되는 화합물의 용해액을 상기 제1 전극 상에 코팅한 후 0 내지 30℃에서 건조하여 자기조직된 유전체를 포함하는 정공차단층을 형성하는 단계일 수 있다. Step b may be a step of coating a solution of a compound represented by the following
[구조식 1][Structural formula 1]
상기 구조식 1에서In the
x+y+z≠0 이고,x + y + z? 0,
0≤x≤5000인 정수 중 어느 하나이고,X < / = 5000,
0≤y≤5000인 정수 중 어느 하나이고,0 < / = y < / = 5000,
0≤z≤5000인 정수 중 어느 하나이다.
0 < / = z < / = 5,000.
단계 b의 코팅이 닥터 브레이드, 스크린 프린트, 스핀 코팅, 및 스프레이 코팅 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다.The coating of step b may be carried out in any one of the following methods: doctor blade, screen printing, spin coating, and spray coating.
본 발명의 태양전지는 종래기술과는 다르게 정공차단층이 자기조직(self-organized)된 유전체를 포함하여 효율적으로 전자를 이동시키고 정공을 차단할 수 있는 효과가 있다. Unlike the prior art, the solar cell of the present invention has a self-organizing dielectric layer, so that the hole blocking layer efficiently transfers electrons and blocks holes.
또한, 상온에서 공정이 가능하고, 동시에 높은 효율을 갖기 때문에 유연전자기기, 웨어러블 디바이스(wearable device) 등에 응용할 수 있는 효과가 있다. In addition, since the process can be performed at room temperature and at the same time has a high efficiency, it can be applied to flexible electronic devices, wearable devices, and the like.
도 1은 본 발명의 태양전지의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 태양전지의 제조방법의 흐름도이다.
도 3은 FTO 기판 상에 형성된 에톡실화 폴리에틸렌이민(PEIE) 및 광흡수층의 이미지이다.
도 4는 PEIE 농도에 따른 두께와 일함수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1 내지 8에 따른 태양전지의 PEIE의 농도에 따른 광전류-광전압 그래프이다.
도 6은 실시예 4, 5, 6 및 8에 따른 태양전지의 다이오드 특성을 측정하여 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 3, 4, 6 및 8에 따른 태양전지의 IPCE(incident photon-to-current efficiency) 및 JSC 값을 나타낸 것이다.
도 8은 PEIE 층을 포함하는 태양전지와 d-TiO2를 포함하는 태양전지의 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.1 is a schematic view of a solar cell of the present invention.
2 is a flowchart of a method for manufacturing a solar cell according to the present invention.
3 is an image of ethoxylated polyethyleneimine (PEIE) and a light absorbing layer formed on an FTO substrate.
4 is a graph showing a change in thickness and work function according to PEIE concentration.
5 is a photocurrent-light voltage graph according to the concentration of PEIE of the solar cell according to Examples 1 to 8.
6 is a graph illustrating the diode characteristics of the solar cell according to Examples 4, 5, 6, and 8.
7 shows the incident photon-to-current efficiency (IPCE) and J SC values of the solar cells according to Examples 3, 4, 6 and 8.
FIG. 8 is a graph comparing the characteristics of a solar cell including a PEIE layer and a solar cell including d-TiO 2 .
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.
그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description does not limit the present invention to specific embodiments. In the following description of the present invention, detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the present invention may be blurred .
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises ", or" having ", and the like, specify that the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, or combinations thereof.
이하, 본 발명의 태양전지에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
Hereinafter, the solar cell of the present invention will be described in detail. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.
도 1은 본 발명의 태양전지의 개략도이다. 1 is a schematic view of a solar cell of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 태양전지는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성된 정공차단층, 상기 정공차단층 상에 형성된 광흡수층 및 상기 광흡수층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고, 상기 정공차단층은 자기조직(self-organized)된 유전체를 포함할 수 있다.1, the solar cell of the present invention includes a first electrode, a hole blocking layer formed on the first electrode, a light absorbing layer formed on the hole blocking layer, and a second electrode formed on the light absorbing layer , And the hole blocking layer may include a self-organized dielectric.
유전체(dielectric)는 전기는 통하지 않는 절연체이나 편극(polarization)되는 물질을 의미한다. A dielectric refers to an insulator or polarization that does not conduct electricity.
상기 정공차단층은 상기 제1 전극에 대향하는 방향의 표면이 δ-로 편극되고, 상기 제1 전극에 대향하는 방향의 반대 방향의 표면이 δ+으로 편극될 수 있다. The surface of the hole blocking layer in the direction opposite to the first electrode is polarized at? - and the surface in the direction opposite to the direction opposite to the first electrode is polarized at? +.
상기 편극된 정공차단층에 의해 상기 광흡수층의 쌍극자 모멘트가 상기 정공차단층에 대향하는 방향으로 유도될 수 있다. The polarized moment of the light absorbing layer can be induced in the direction opposite to the hole blocking layer by the polarized hole blocking layer.
상기 정공차단층의 두께가 4 내지 12 nm일 수 있으며, 바람직하게는 6 내지 11 nm, 더욱 바람직하게는 8 내지 10 nm일 수 있다.The thickness of the hole blocking layer may be 4 to 12 nm, preferably 6 to 11 nm, more preferably 8 to 10 nm.
상기 정공차단층이 아래 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다. The hole blocking layer may include a compound represented by the following structural formula (1).
[구조식 1][Structural formula 1]
상기 구조식 1에서In the
x+y+z≠0 이고,x + y + z? 0,
0≤x≤5000인 정수 중 어느 하나이고,X < / = 5000,
0≤y≤5000인 정수 중 어느 하나이고,0 < / = y < / = 5000,
0≤z≤5000인 정수 중 어느 하나이다.
0 < / = z < / = 5,000.
상기 정공차단층이 에톡실화 폴리에틸렌이민(ethoxylated polyethylenimine), 폴리에틸렌이민(polyethylenimine) 및 폴리알릴아민(Polyallylamine) 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 에톡실화 폴리에틸렌이민을 포함할 수 있다. The hole blocking layer may include ethoxylated polyethyleneimine, polyethylenimine, and polyallylamine. The hole blocking layer may include an ethoxylated polyethyleneimine.
상기 제 1 전극은 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물 및 산화아연 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 플루오린 틴 옥사이드일 수 있다.The first electrode may include fluorine tin oxide (FTO), indium tin oxide (ITO), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , tin oxide and zinc oxide, Fluorine tin oxide.
상기 광흡수층은 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 종래의 루테늄 금속 착제와 같은 광흡수층 물질을 이용할 수도 있다.The light absorbing layer may include, but is not limited to, a compound having a perovskite structure. A light absorbing layer material such as a conventional ruthenium metal complex can be used.
상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수), H3NH3PbI3-xClx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3 - xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbCl3 - xBrx(0≤x≤3인 실수) 및 CH3NH3PbI3 - xFx(0≤x≤3인 실수) 등이 가능하나 바람직하게는 CH3NH3PbI3-xClx(0≤x≤3인 실수)일 수 있다.The perovskite-structured compound may be CH 3 NH 3 PbI 3 - x Cl x (
상기 광흡수층은 알루미늄, 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈 및 바나듐 등의 금속의 산화물을 포함할 수 있으나, 바람직하게는 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. The light absorption layer may include oxides of metals such as aluminum, titanium, tin, zinc, tungsten, zirconium, gallium, indium, yttrium, niobium, tantalum, and vanadium, but may preferably include aluminum oxide.
또한, 상기 광흡수층은 먼저 나노구조(nanostructure)를 갖는 금속 산화물층을 형성한 후, 상기 금속 산화물층 상에 페로브스카이트 구조의 화합물을 코팅하여 형성될 수 있다.The light absorption layer may be formed by first forming a metal oxide layer having a nanostructure, and then coating a perovskite structure compound on the metal oxide layer.
상기 광흡수층 상에 정공전달층을 추가로 포함할 수 있다.A hole transporting layer may further be included on the light absorption layer.
상기 정공전달층은 Spiro-OMeTAD, P3HT, P3AT, P3OT, PEDOT:PSS, PTAA 및 전도성 고분자 등을 포함할 수 있으나, 바람직하게는 Spiro-OMeTAD를 포함할 수 있다. The hole transport layer may include Spiro-OMeTAD, P3HT, P3AT, P3OT, PEDOT: PSS, PTAA, and conductive polymer, but may preferably include Spiro-OMeTAD.
상기 태양전지는 상기 정공차단층에 대향하는 방향의 반대 방향으로 제1 전극상에 기재를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 기재는 전도성 투명기재 또는 플라스틱 기재를 포함할 수 있다. The solar cell may further include a substrate on the first electrode in a direction opposite to the direction opposite to the hole blocking layer, and the substrate may include a conductive transparent substrate or a plastic substrate.
상기 태양전지는 자기조직(self-organized)된 유전체를 포함하는 정공차단층을 포함하므로 상온에서 제조할 수 있어, 플라스틱 기재를 포함할 수 있다.Since the solar cell includes a hole blocking layer including a self-organized dielectric material, the solar cell can be manufactured at room temperature and may include a plastic substrate.
상기 제2 전극은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C 및 전도성 고분자 등이 가능하나, 바람직하게는 Ag 또는 Au일 수 있다.
The second electrode may be Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C and a conductive polymer.
도 2는 본 발명의 태양전지의 제조방법의 흐름도이다. 2 is a flowchart of a method for manufacturing a solar cell according to the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 태양전지의 제조방법은 먼저 제1 전극을 형성한다(단계 a). Referring to FIG. 2, the method of manufacturing a solar cell of the present invention first forms a first electrode (step a).
상기 제1 전극은 기재 상에 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 기재 없이 제1 전극만 형성될 수 있다. The first electrode may be formed on a substrate, but is not limited thereto. Only the first electrode without the description can be formed.
상기 제1 전극은 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물 및 산화아연 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 플루오린 틴 옥사이드를 포함할 수 있다.The first electrode may include fluorine tin oxide (FTO), indium tin oxide (ITO), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , tin oxide and zinc oxide, Fluorine tin oxide.
상기 제1 전극은 다음 단계(단계 b) 전에 세척 또는/및 에칭될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The first electrode may be cleaned and / or etched prior to the next step (step b), but is not limited thereto.
다음으로, 제1 전극 상에 자기조직(self-organized)된 유전체를 포함하는 정공차단층을 형성한다(단계 b).Next, a hole blocking layer including a dielectric self-organized on the first electrode is formed (step b).
단계 b는 아래 구조식1로 표시되는 화합물의 용해액을 상기 제1 전극 상에 코팅한 후 0 내지 30℃에서 건조하여 자기조직된 유전체를 포함하는 정공차단층을 형성하는 단계일 수 있다. Step b may be a step of coating a solution of the compound represented by the following
[구조식 1][Structural formula 1]
상기 구조식 1에서In the
x+y+z≠0 이고,x + y + z? 0,
0≤x≤5000인 정수 중 어느 하나이고,X < / = 5000,
0≤y≤5000인 정수 중 어느 하나이고,0 < / = y < / = 5000,
0≤z≤5000인 정수 중 어느 하나이다.
0 < / = z < / = 5,000.
단계 b의 건조과정에서 상기 정공차단층은 상기 제1 전극에 대향하는 방향의 표면이 δ-로 편극되고, 상기 제1 전극에 대향하는 방향의 반대 방향의 표면이 δ+으로 편극될 수 있다. In the drying process of step (b), the surface of the hole blocking layer in the direction opposite to the first electrode is polarized at? - and the surface in the direction opposite to the direction opposite to the first electrode is polarized at? +.
상기 편극된 정공차단층에 의해 상기 광흡수층의 쌍극자 모멘트가 상기 정공차단층에 대향하는 방향으로 유도될 수 있다. The polarized moment of the light absorbing layer can be induced in the direction opposite to the hole blocking layer by the polarized hole blocking layer.
상기 구조식1로 표시되는 화합물의 용해액은 0.4 내지 1.2 중량%의 농도를 가질 수 있으며, 바람직하게는 0.6 내지 1.1 중량%, 더욱 바람직하게는 0.7 내지 1.0 중량%의 농도를 가질 수 있다.The solution of the compound represented by the
상기 정공차단층이 에톡실화 폴리에틸렌이민(ethoxylated polyethylenimine), 폴리에틸렌이민(polyethylenimine) 및 폴리알릴아민(Polyallylamine) 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 에톡실화 폴리에틸렌이민을 포함할 수 있다. The hole blocking layer may include ethoxylated polyethyleneimine, polyethylenimine, and polyallylamine. The hole blocking layer may include an ethoxylated polyethyleneimine.
단계 b의 코팅은 닥터 브레이드, 스크린 프린트, 스핀 코팅, 스프레이 코팅 등의 방법으로 수행될 수 있으나, 바람직하게는 스핀 코팅 방법으로 수행될 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니다.The coating of step b may be performed by a method such as doctor blade, screen printing, spin coating, spray coating and the like, but may preferably be performed by a spin coating method. However, the present invention is not limited thereto.
다음으로, 상기 정공차단층 상에 광흡수층을 형성한다(단계 c).Next, a light absorption layer is formed on the hole blocking layer (step c).
상기 광흡수층은 금속 산화물과 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 종래의 루테늄 금속 착제와 같은 광흡수층 물질을 이용할 수도 있다.The light absorbing layer may include, but not limited to, a compound of a metal oxide and a perovskite structure. A light absorbing layer material such as a conventional ruthenium metal complex can be used.
또한, 단계 c는 하기의 단계들을 포함할 수 있다. Step c may also comprise the following steps.
먼저, 알루미늄, 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈 및 바나듐 등의 금속의 산화물의 용해액을 상기 정공차단층 상에 코팅한다(단계 c-1). First, a solution of an oxide of a metal such as aluminum, titanium, tin, zinc, tungsten, zirconium, gallium, indium, yttrium, niobium, tantalum and vanadium is coated on the hole blocking layer (step c-1).
상기 코팅된 금속의 산화물 용해액을 열처리한다(단계 c-2).The oxide solution of the coated metal is heat-treated (step c-2).
단계 c-2는 100 내지 200℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 130 내지 170℃에서 수행될 수 있다. 또한 단계 c-2는 30분 내지 1시간 30분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 45분 내지 1시간 15분 동안 수행될 수 있다. 그러나 상기 수행 시간은 상기 온도의 변화에 따라 달라질 수 있다.Step c-2 can be carried out at 100-200 占 폚, preferably 130-170 占 폚. Step c-2 can also be carried out for 30 minutes to 1
다음으로, 상기 금속의 산화물 상에 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물 전구용액을 코팅한다(단계 c-3).Next, a compound precursor solution of perovskite structure is coated on the oxide of the metal (step c-3).
마지막으로, 상기 코팅된 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물 용해액을 열처리한다(단계 c-4).Finally, the coated solution of the compound of perovskite structure is heat-treated (step c-4).
단계 c-4는 50 내지 150℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 80 내지 120℃에서 수행될 수 있다. 또한, 단계 c-4는 1시간 내지 3시간 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 1시간 30분 내지 2시간 동안 수행될 수 있다. 그러나 상기 수행 시간은 상기 온도의 변화에 따라 달라질 수 있다.Step c-4 can be carried out at 50 to 150 ° C, preferably at 80 to 120 ° C. In addition, step c-4 can be carried out for 1 hour to 3 hours, preferably for 1 hour and 30 minutes to 2 hours. However, the execution time may vary depending on the temperature.
단계 c 다음으로, 상기 광흡수층 상에 정공전달층을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다(단계 c’).Step c Next, a step of forming a hole transport layer on the light absorption layer may be further included (step c ').
상기 정공전달층은 Spiro-OMeTAD, P3HT, P3AT, P3OT, PEDOT:PSS, PTAA, 전도성고분자 등의 용해액을 코팅하여 형성할 수 있다.The hole transport layer may be formed by coating a solution of Spiro-OMeTAD, P3HT, P3AT, P3OT, PEDOT: PSS, PTAA, conductive polymer or the like.
마지막으로, 제2 전극을 형성한다(단계 d).Finally, a second electrode is formed (step d).
상기 제 2전극은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C 등을 증착하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전도성 고분자 등을 이용하여 제2 전극을 형성할 수 있다.
The second electrode may be formed by depositing Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, or the like. The second electrode may be formed using a conductive polymer or the like.
[실시예][Example]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, this is for illustrative purposes only, and thus the scope of the present invention is not limited thereto.
제조예Manufacturing example 1: One: 에톡실화Ethoxylation 폴리에틸렌이민 용해액의 제조 Preparation of polyethyleneimine dissolution liquid
에탄올 9.995g에 에톡실화 폴리에틸렌이민(polyethylenimine ethoxylated) 0.005g을 녹여 0.05 중량%의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 제조하였다.
0.005 g of ethoxylated polyethyleneimine ethoxylated was dissolved in 9.995 g of ethanol to prepare a 0.05 wt% ethoxylated polyethyleneimine solution.
제조예Manufacturing example 2 2
에탄올 9.995g 대신 9.99g, 에톡실화 폴리에틸렌이민 0.005g 대신 0.01g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 0.1 중량%의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 제조하였다.
A 0.1 wt% ethoxylated polyethyleneimine solution was prepared in the same manner as in Preparation Example 1 except that 9.99 g instead of 9.995 g of ethanol and 0.01 g of 0.005 g of ethoxylated polyethyleneimine were used.
제조예Manufacturing example 3 3
에탄올 9.995g 대신 9.96g, 에톡실화 폴리에틸렌이민 0.005g 대신 0.04g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 0.4 중량%의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 제조하였다.
A 0.4 wt% ethoxylated polyethyleneimine solution was prepared in the same manner as in Production Example 1, except that 9.96 g instead of 9.995 g of ethanol and 0.04 g instead of 0.005 g of ethoxylated polyethyleneimine were used.
제조예Manufacturing example 4 4
에탄올 9.995g 대신 9.94g 에톡실화 폴리에틸렌이민 0.005g 대신 0.06g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 0.6 중량%의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 제조하였다.
A 0.6 wt% ethoxylated polyethyleneimine solution was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that 9.94 g of ethoxylated polyethyleneimine was used instead of 0.005 g of ethoxylated polyethyleneimine in place of 9.995 g of ethanol.
제조예Manufacturing example 5 5
에탄올 9.995g 대신 9.93g 에톡실화 폴리에틸렌이민 0.005g 대신 0.07g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 0.7 중량%의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 제조하였다.
A 0.7 wt% ethoxylated polyethyleneimine solution was prepared in the same manner as in Production Example 1, except that 9.93 g of ethoxylated polyethyleneimine was used instead of 0.0099 g of ethoxylated polyethyleneimine in place of 9.995 g of ethanol.
제조예Manufacturing example 6 6
에탄올 9.995g 대신 9.92g 에톡실화 폴리에틸렌이민 0.005g 대신 0.08g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 0.8 중량%의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 제조하였다.
A 0.8 wt% ethoxylated polyethyleneimine solution was prepared in the same manner as in Preparation Example 1 except that 9.92 g of ethoxylated polyethyleneimine was used instead of 0.005 g of ethoxylated polyethyleneimine in place of 9.995 g of ethanol.
제조예Manufacturing example 7 7
에탄올 9.995g 대신 9.91g 에톡실화 폴리에틸렌이민 0.005g 대신 0.09g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 0.9 중량%의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 제조하였다.
A 0.9 wt% ethoxylated polyethyleneimine solution was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that 9.91 g of ethoxylated polyethyleneimine was used instead of 0.0099 g of ethoxylated polyethyleneimine in place of 9.995 g of ethanol.
제조예Manufacturing example 8 8
에탄올 9.995g 대신 9.9g 에톡실화 폴리에틸렌이민 0.005g 대신 0.1g을 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 1.0 중량%의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 제조하였다.
A 1.0 wt% ethoxylated polyethyleneimine solution was prepared in the same manner as in Production Example 1 except that 9.9 g of ethoxylated polyethyleneimine was used instead of 0.005 g of ethoxylated polyethyleneimine in place of 9.995 g of ethanol.
실시예Example 1: 태양전지의 제조 1: Manufacture of solar cell
FTO 기판을 Zn 2M HCl용액을 이용하여 에칭하고 detergent, acetone, ethanol, IPA를 이용하여 세척하였다. 이후, 제조예 1의 0.05 중량%의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 5000rpm으로 60초 동안 스핀코팅 한 후 15분 동안 상온에서 건조하여 정공차단층을 형성하였다. 상기 코팅된 에톡실화 폴리에틸렌이민 상에 알루미늄 산화물(Al2O3)을 IPA에 분산시켜 제조한 용해액을 2000rpm으로 60초 동안 스핀코팅 한 후 150℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 이후, Methylammonium Iodide와 PbCl2를 DMF에 3:1의 몰랄 비율로 섞어 40wt%의 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수) 전구용액을 제조하였다. 상기 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수) 전구용액을 상기 알루미늄 산화물 상에 2000rpm으로 60초동안 스핀코팅 한 후 100℃에서 2시간 동안 결정화하여 페로브스카이트 구조를 갖는 광흡수층을 형성하였다. 상기 결정화된 CH3NH3PbI3-xClx(0≤x≤3인 실수) 상에 spiro-MeOTAD를 2000rpm으로 60초 동안 스핀코팅 하여 정공전달층을 형성하였다. 상기 spiro-MeOTAD 상에 은(Ag)을 증착하여 제2 전극을 형성, 태양전지를 제조하였다.
FTO substrate was etched with Zn 2M HCl solution and washed with detergent, acetone, ethanol, IPA. Thereafter, a 0.05 wt% ethoxylated polyethyleneimine solution of Production Example 1 was spin-coated at 5000 rpm for 60 seconds and then dried at room temperature for 15 minutes to form a hole blocking layer. The solution prepared by dispersing aluminum oxide (Al 2 O 3 ) on the coated ethoxylated polyethyleneimine in IPA was spin-coated at 2000 rpm for 60 seconds and then heat-treated at 150 ° C for 1 hour. Subsequently, Methylammonium Iodide and PbCl 2 were mixed in DMF at a molar ratio of 3: 1 to prepare a 40 wt% CH 3 NH 3 PbI 3 - x Cl x (0 ≦ x ≦ 3 real) precursor solution. The precursor solution of CH 3 NH 3 PbI 3 - x Clx (0 ≦ x ≦ 3 ) precursor solution was spin-coated on the aluminum oxide at 2000 rpm for 60 seconds and then crystallized at 100 ° C. for 2 hours to obtain a perovskite structure Was formed. A hole transport layer by spin coating for 60 seconds with a spiro-MeOTAD 2000rpm on the CH 3 NH 3 PbI 3-x Cl x (0≤x≤3 a real number) of the crystallized form. Silver (Ag) was deposited on the spiro-MeOTAD to form a second electrode to produce a solar cell.
실시예Example 2 2
제조예 1의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액 대신에 제조예 2의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
A solar cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 2 was used instead of the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 1.
실시예Example 3 3
제조예 1의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액 대신에 제조예 3의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
A solar cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 3 was used instead of the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 1.
실시예Example 4 4
제조예 1의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액 대신에 제조예 4의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
A solar cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 4 was used instead of the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 1.
실시예Example 5 5
제조예 1의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액 대신에 제조예 5의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
A solar cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 5 was used instead of the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 1.
실시예Example 6 6
제조예 1의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액 대신에 제조예 6의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
A solar cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 6 was used instead of the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 1.
실시예Example 7 7
제조예 1의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액 대신에 제조예 7의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
A solar cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 7 was used instead of the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 1.
실시예Example 8 8
제조예 1의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액 대신에 제조예 8의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
A solar cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 8 was used instead of the ethoxylated polyethyleneimine solution of Preparation Example 1.
비교예Comparative Example 1 One
제조예 1의 에톡실화 폴리에틸렌이민 용해액 대신에 티타늄(IV) 이소프로폭사이드(isopropoxide)를 에탄올에 0.24mM의 몰농도로 녹인 용해액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
Except that a solution prepared by dissolving titanium (IV) isopropoxide in ethanol at a molar concentration of 0.24 mM instead of the ethoxylated polyethyleneimine dissolution solution of Preparation Example 1 was used, .
[시험예]
[Test Example]
시험예Test Example 1: 코팅된 1: Coated 에톡실화Ethoxylation 폴리에틸렌이민( Polyethyleneimine ( PEIEPEIE ) 및 ) And 광흡수층The light absorbing layer 확인 Confirm
도 3의 (a)는 FTO 기판 상에 코팅된 에톡실화 폴리에틸렌이민(polyethylenimine ethoxylated, PEIE)의 EDS(energy-dispersive X-ray spectroscopy) 이미지이고, 도 3의 (b)는 코팅된 PEIE 상에 형성된 산화알루미늄(Al2O3)과 d-TiO2 상에 형성된 산화알루미늄(Al2O3)의 SEM(scanning electron microscopy) 이미지이고, 도 3의 (c)는 PEIE/산화알루미늄(Al2O3) 상에 형성된 페로브스카이트 구조의 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수)와 d-TiO2/산화알루미늄(Al2O3) 상에 형성된 페로브스카이트 구조 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수)의 SEM 이미지이다.3 (a) is an energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) image of polyethylenimine ethoxylated (PEIE) coated on an FTO substrate and FIG. 3 (b) Aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and d-TiO 2 And SEM (scanning electron microscopy) image of the aluminum oxide (Al 2 O 3) formed on, (c) of Figure 3 PEIE / aluminum oxide (Al 2 O 3) formed on the Fe lobe of the Sky bit structure CH 3 NH 3 PbI 3 - x Cl x ( 0≤x≤3 a real number) and d-TiO 2 / aluminum oxide (Al 2 O 3) formed on a perovskite structure CH 3 NH 3 PbI 3 - x Cl x (0 ≪ / = x < / = 3).
도 3의 (a)를 참조하면, 파란 점은 PEIE의 질소 원자를 나타내므로, FTO 기판 상에 PEIE가 잘 코팅된 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 3 (a), the blue dot indicates the nitrogen atom of the PEIE, so that it was confirmed that the FTO substrate was well coated with PEIE.
도 3의 (b)를 참조하면, PEIE 상에 형성된 산화알루미늄(Al2O3)과 d-TiO2 상에 형성된 산화알루미늄(Al2O3)을 비교하였을 때 거의 동일한 SEM 이미지를 나타내었다. 따라서, PEIE상에 나노구조의 산화알루미늄(Al2O3)이 잘 형성되는 것을 알 수 있었다.Referring to FIG. 3 (b), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and d-TiO 2 (Al 2 O 3 ) formed on the substrate was almost the same SEM image. Therefore, it was found that the nano-structured aluminum oxide (Al 2 O 3 ) was well formed on the PEIE.
도 3의 (c)를 참조하면, PEIE/산화알루미늄(Al2O3) 상에 형성된 페로브스카이트 구조의 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수)와 d-TiO2/산화알루미늄(Al2O3) 상에 형성된 페로브스카이트 구조 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수)를 비교하였을 때 거의 동일한 SEM 이미지를 나타내었다. 따라서, PEIE/산화알루미늄(Al2O3) 상에 페로브스카이트 구조의 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수)가 잘 형성되는 것을 알 수 있었다.
Referring to FIG. 3 (c), CH 3 NH 3 PbI 3 - x Cl x (a real number of 0 ? X? 3 ) of a perovskite structure formed on PEIE / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) The SEM image was almost the same when the perovskite structure CH 3 NH 3 PbI 3 - x Cl x (real number of 0 ? X? 3 ) formed on TiO 2 / aluminum oxide (Al 2 O 3 ) . Therefore, it was found that CH 3 NH 3 PbI 3 - x Cl x (real number of 0 ? X? 3 ) having a perovskite structure was well formed on PEIE / aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
시험예Test Example 2: 2: PEIEPEIE 농도에 따른 두께와 The thickness according to concentration 일함수Work function 변화 change
도 4의 (a)는 제조예 1 내지 8에 따른 PEIE 용해액을 FTO 기판 상에 스핀코팅하고 건조한 뒤 타원편광 반사법(ellipsometry)를 통해 측정한 PEIE의 두께와 일함수를 나타낸 그래프이고, 도 4의 (b)는 제조예 1, 2, 3 및 제조예 8에 따른 PEIE 용해액을 FTO 기판 상에 스핀코팅하고 건조한 뒤 UPS(ultraviolet photoelectron spectroscopy)를 통해 측정한 일함수를 나타낸 그래프이다.4 (a) is a graph showing the thickness and work function of PEIE measured by ellipsometry after spin-coating and drying the PEIE solution according to Production Examples 1 to 8 on the FTO substrate, and Fig. 4 (B) is a graph showing a work function measured by UPS (ultraviolet photoelectron spectroscopy) after spin-coating and drying the PEIE solution according to Production Examples 1, 2, 3 and Production Example 8 on an FTO substrate.
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, PEIE 용해액의 농도가 증가함에 따라 PEIE의 두께도 비례하여 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한, PEIE의 일함수는 PEIE의 두께가 4.7 nm까지 증가하는 동안 진공 레벨(vacuum level)인 3.93 eV까지 선형적으로 감소하며, 그 이상의 두께에서는 3.93 eV로 거의 일정한 것으로 나타났다. 또한, 4.7 nm 이상의 두께에서 10.8 nm로 증가할 때까지 결합에너지의 변화 또한 거의 없는 것으로 나타났다. Referring to FIGS. 4 (a) and 4 (b), it can be seen that as the concentration of the PEIE solution increases, the thickness of the PEIE increases proportionally. In addition, the work function of the PEIE decreased linearly to 3.93 eV, the vacuum level, while the thickness of the PEIE increased to 4.7 nm, and was almost constant at 3.93 eV above that. Also, there was little change in binding energy until it increased from 4.7 nm thick to 10.8 nm.
따라서, 4.7 nm 두께 이상의 PEIE 층이 자기조직화(self-organize)되고, 유전체층(dielectric interlayer)을 형성하는 것을 알 수 있었다.
Therefore, it was found that the PEIE layer of 4.7 nm or thicker was self-organized and formed a dielectric interlayer.
시험예Test Example 3: 3: PEIEPEIE 농도에 따른 Depending on concentration 광기전력의Photovoltaic 매개변수 변화 Parameter change
PEIE 농도에 따른 광기전력의 매개변수 변화를 알아보기 위해 셀 사이즈(cell size) 0.09 cm2, AM 1.5G 태양광 조사(solar illumination)하에서 실시예 1 내지 8에 따른 태양전지의 광기전성 파라미터(photovoltaic parameter) 변화를 하기 표 1에 나타내었고, 이를 바탕으로 실시예 1 내지 8에 따른 태양전지의 PEIE의 농도에 따른 광전류-광전압 그래프를 도 5에 나타내었다.The photovoltaic parameters of photovoltaic cells according to Examples 1 to 8 under solar illumination of 0.09 cm < 2 > cell size, AM 1.5G, parameter are shown in Table 1. Based on this, graphs of photocurrent-light voltage according to the concentration of PEIE of the solar cells according to Examples 1 to 8 are shown in FIG.
표 1 및 도 5를 참조하면, PEIE의 두께가 0.46 nm, 1.2 nm 일 경우(case 1), 단락전류밀도(JSC, short circuit current density), FF(fill factor) 및 개방전압(open-circuit voltage)의 값이 낮게 나타났다(JSC: 14.9-15.5 mA/cm2, FF: 40.7-41.5%, VOC: 0.52-0.81 V). 따라서, PEIE 층이 약한 유전체층을 형성하여 페로브스카이트 구조를 갖는 광흡수층으로 쌍극자 모멘트가 약하게 유도된다. Referring to Table 1 and FIG. 5, when the thicknesses of the PEIE are 0.46 nm and 1.2 nm (case 1), short circuit current density (J SC ), fill factor (FF) (J SC : 14.9-15.5 mA / cm 2 , FF: 40.7-41.5%, V OC : 0.52-0.81 V), respectively. Therefore, the PEIE layer forms a weak dielectric layer, and the dipole moment is weakly induced in the light absorbing layer having the perovskite structure.
PEIE의 두께가 4.7 nm, 7.0 nm 일 경우(case 2), VOC와 함께 JSC는 19.0-20.4 mA/cm2로 증가하였고, FF 또한 52.4-49.9 %로 증가하였다. 그러나, FF 값이 여전히 낮아 전자 추출(electron extraction) 능력이 향상되었음에도 전자 손실(electron loss) 메커니즘이 작용하여 JSC 값이 적게 상승 되었다.When the thickness of the PEIE was 4.7 nm and 7.0 nm (case 2), J SC increased to 19.0-20.4 mA / cm 2 with V OC, and FF increased to 52.4-49.9%. However, even though the FF value was still low, the electron extraction ability was improved, but the electron loss mechanism was operated and the J SC value was lowered.
PEIE의 두께가 8.1 nm, 9.1 nm 일 경우(case 3), FF 값이 64.7%, JSC는 21.1 mA/cm2, VOC 값이 1.10 V까지 증가하였고, 전력변환효율(power conversion efficiency, η) 또한 15.0 %까지 증가하였다. 따라서, 두께가 8.1 nm, 9.1 nm 일 경우 전자 추출 능력을 유지하면서 동시에 절연 특성이 향상되는 것을 알 수 있었다. When the thickness of the PEIE was 8.1 nm and 9.1 nm (case 3), FF value was 64.7%, J SC was 21.1 mA / cm 2 , V OC The value increased to 1.10 V and the power conversion efficiency (η) also increased to 15.0%. Therefore, it was found that when the thickness was 8.1 nm and 9.1 nm, the insulation characteristics were improved while maintaining the electron extraction capability.
PEIE의 두께가 9.9 nm, 10.8 nm 일 경우(case 4), JSC 값이 21.1 mA/cm2에서 16.3 mA/cm2으로 감소함에 따라 광흡수층에서 FTO 기판으로의 전자 터널링(electron tunneling)의 방해로 광기전성 성능이 감소되었다. FF 값의 경우 64.7%로 유지될 것으로 예상하였으나 실제로는 53.4%로 감소하였다. 이는 예상치 못한 광유도 전자와 광흡수층의 홀의 재결합에 의한 것으로 판단된다.
When the thickness of the PEIE is 9.9 nm and 10.8 nm (case 4), J SC As the value decreased from 21.1 mA / cm 2 to 16.3 mA / cm 2 , the photovoltaic performance decreased due to the interference of electron tunneling from the light absorption layer to the FTO substrate. FF value was expected to remain at 64.7%, but it actually decreased to 53.4%. It is considered that this is due to the unexpected recombination of the holes in the light absorbing layer and the photoinduced electron.
(wt%)PEIE
(wt%)
(nm)thickness
(nm)
[V]V OC
[V]
[mA/cm2]J SC
[mA / cm 2 ]
[%]FF
[%]
[%]η
[%]
시험예Test Example 4: 4: PEIEPEIE 층의 Layer FillFill FactorFactor 값이 클 경우의 다이오드 특성 Diode characteristics when the value is large
실시예 4, 5, 6 및 8에 따른 태양전지의 다이오드 특성을 측정하여 도 6에 나타내었다. Diode characteristics of the solar cells according to Examples 4, 5, 6 and 8 were measured and shown in Fig.
도 6을 참조하여 FF 값의 높은 경우 PEIE 두께의 작은 변화에 따라 태양전지의 다이오드 특성을 살펴보면, 전자 차단 특성은 두께가 7.0 nm에서 8.1 nm로 증가함에 따라 조금 증가하였지만, 9.1 nm 이상의 두께에서는 더 이상 증가하지 않는 것으로 나타났다. 이는 9.1 nm 이상의 두께를 갖는 PEIE 유전체절연층이 충분히 재결합 반응을 차단하는 것을 나타낸다. 그러나, 9.9 nm 및 10.8 nm 두께에서 JSC 값이 감소하는 것으로 보아 절연 특성은 광흡수층에서 FTO 기판으로의 전자 터널링(electron tunneling)을 방해하는 것으로 나타나므로 PEIE 층의 두께는 9.1 nm 정도의 두께를 갖는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
Referring to FIG. 6, when the FF value is high, the diode characteristics of the solar cell according to the small change in the thickness of the PEIE are slightly increased as the thickness is increased from 7.0 nm to 8.1 nm. However, . This indicates that the PEIE dielectric insulating layer having a thickness of 9.1 nm or more sufficiently blocks the recombination reaction. However, the decrease in J SC value at 9.9 nm and 10.8 nm indicates that the insulating property interferes with electron tunneling from the light absorption layer to the FTO substrate. Therefore, the thickness of the PEIE layer is about 9.1 nm .
시험예Test Example 5: 5: PEIEPEIE 층의 두께에 따른 IPCE( IPCE according to layer thickness ( incidentincident photonphoton -- toto -- currentcurrent efficiency) 측정 efficiency measurement
실시예 3, 4, 6 및 8에 따른 태양전지의 IPCE를 측정하여 도 7의 (a)에 나타내었고, JSC 값을 도 7의 (b)에 나타내었다.The IPCE of the solar cell according to Examples 3, 4, 6 and 8 was measured and shown in FIG. 7 (a), and the J SC value is shown in FIG. 7 (b).
도 7의 (a) 및 (b)를 참조하면, 이론적인 JSC 값은 하기 식 1에 의해 계산하였다.
Referring to Figs. 7 (a) and 7 (b), the theoretical J SC value was calculated by the following equation (1).
[식 1][Formula 1]
JSC = e∫{Φ(λ)ⅹIPCE(λ)}dλ
J SC = e? {? (?) XIPCE (?)} D?
e는 전하량이고, IPCE(λ)와 Φ(λ)는 IPCE 값과 파장 범위 λmin - λmax로 장치에 입사하는 광자 플럭스(photon flux)이다.
e is the charge quantity, and IPCE (λ) and Φ (λ) are the photon flux incident on the device at the IPCE value and the wavelength range λ min - λ max .
상기 식 1에 의해 계산된 JSC 값은 실제 측정된 값과 잘 일치하여 상기 시험예 에서 측정된 값들이 모두 신뢰할 수 있는 값이라는 것을 알 수 있었다.
The J SC value calculated by Equation (1) is in good agreement with the actually measured value, so that it can be seen that all of the values measured in the test example are reliable values.
시험예Test Example 6: 6: PEIEPEIE 층을 포함하는 태양전지와 d- Lt; RTI ID = 0.0 > d- TiOTiO 22 를 포함하는 태양전지의 비교≪ / RTI >
PEIE 층을 포함하는 태양전지와 d-TiO2 층(두께 50nm)을 포함하는 태양전지의 특성을 비교하기 위해 셀 사이즈(cell size) 0.09 cm2, AM 1.5G 태양광 조사(solar illumination)하에서 실시예 6에 따른 태양전지와 비교예 1에 따른 태양전지의 특성을 비교하여 도 8 및 하기 표 2에 나타내었다. A solar cell including a PEIE layer and a d-TiO 2 In order to compare the characteristics of the solar cell including the layer (thickness: 50 nm), a solar cell according to Example 6 and a solar cell according to Comparative Example 1 under a cell size of 0.09 cm 2 , AM 1.5G solar illumination The characteristics of the solar cell are compared in FIG. 8 and Table 2 below.
도 8 및 표 2를 참조하면, 비교예 1에 따른 태양전지의 전력변환효율 η가 12.0 %로 실시예 6에 따른 태양전지(η = 15.0 %)에 비해 25.0 % 낮은 것으로 나타났다. 주된 이유는 VOC 값의 차이(비교예 1의 VOC = 0.97 V, 실시예 6 의 VOC = 1.10 V) 때문으로 판단된다. Referring to FIG. 8 and Table 2, the power conversion efficiency? Of the solar cell according to Comparative Example 1 was 12.0%, which was 25.0% lower than that of the solar cell according to Example 6 (? = 15.0%). The main reason is that the difference in V OC values (V OC of Comparative Example 1 = 0.97 V, V OC of Example 6 = 1.10 V).
따라서, 자기조직된 PEIE 층은 페로브스카이트 구조를 갖는 광흡수층에 강한 쌍극자 모멘트를 유도하는 유전체 특성뿐만 아니라 FTO 투명전극의 일함수를 감소시키는 효과도 있다. 이러한 효과는 계면 저항을 감소시켜 이론적인 VOC인 1.4 V에 가까운 1.1 V를 달성할 수 있다. 또한, 매우 작은 직렬 저항(series resistance, Rseries)과 큰 션트 저항(shunt resistance, Rshunt)을 나타낸다. 즉, 본 발명의 태양전지가 종래의 d-TiO2 층을 포함하는 태양전지에 비해 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
Therefore, the self-organized PEIE layer has a dielectric property that induces a strong dipole moment in the light absorption layer having a perovskite structure, and also has an effect of reducing the work function of the FTO transparent electrode. This effect can reduce the interfacial resistance to achieve 1.1 V, which is close to 1.4 V, the theoretical V OC . It also exhibits very small series resistance (R series ) and large shunt resistance (R shunt ). That is, when the solar cell of the present invention is a conventional d-TiO 2 Layer of the solar cell.
[V]V OC
[V]
[mA/cm2]J SC
[mA / cm 2 ]
[%]FF
[%]
[%]η
[%]
[Ω]R shunt
[Ω]
[Ω]R series
[Ω]
Claims (20)
상기 제1 전극 상에 형성된 정공차단층;
상기 정공차단층 상에 형성된 광흡수층; 및
상기 광흡수층 상에 형성되는 제2 전극;을 포함하고,
상기 정공차단층은 자기조직(self-organized)된 유전체를 포함하고,
상기 정공차단층은 상기 제1 전극에 대향하는 방향의 표면이 δ-로 편극되고, 상기 제1 전극에 대향하는 방향의 반대 방향의 표면이 δ+으로 편극된 것인 태양전지.A first electrode;
A hole blocking layer formed on the first electrode;
A light absorption layer formed on the hole blocking layer; And
And a second electrode formed on the light absorption layer,
Wherein the hole blocking layer comprises a self-organized dielectric,
The surface of the hole blocking layer in the direction opposite to the first electrode is polarized at? - and the surface in the direction opposite to the direction opposite to the first electrode is polarized at? +.
상기 정공차단층은 두께가 4 내지 12nm인 것을 특징으로 하는 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the hole blocking layer has a thickness of 4 to 12 nm.
상기 정공차단층이 아래 구조식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
[구조식 1]
상기 구조식 1에서
x+y+z≠0 이고,
0≤x≤5000인 정수 중 어느 하나이고,
0≤y≤5000인 정수 중 어느 하나이고,
0≤z≤5000인 정수 중 어느 하나이다.The method according to claim 1,
Wherein the hole blocking layer comprises a compound represented by the following structural formula (1).
[Structural formula 1]
In the above formula 1
x + y + z? 0,
X < / = 5000,
0 < / = y < / = 5000,
0 < / = z < / = 5,000.
상기 정공차단층이 에톡실화 폴리에틸렌이민(ethoxylated polyethylenimine), 폴리에틸렌이민(polyethylenimine) 및 폴리알릴아민(Polyallylamine) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the hole blocking layer comprises at least one selected from the group consisting of ethoxylated polyethylenimine, polyethyleneimine, and polyallylamine.
상기 정공차단층이 에톡실화 폴리에틸렌이민을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.6. The method of claim 5,
Wherein the hole blocking layer comprises an ethoxylated polyethyleneimine.
상기 광흡수층은 쌍극자 모멘트가 상기 정공차단층에 대향하는 방향으로 유도되는 것을 특징으로 하는 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the light absorption layer has a dipole moment induced in a direction opposite to the hole blocking layer.
상기 제1 전극이 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물 및 산화아연 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the first electrode comprises at least one selected from the group consisting of fluorine tin oxide (FTO), indium tin oxide (ITO), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , tin oxide and zinc oxide .
상기 광흡수층이 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the light absorbing layer comprises a compound having a perovskite structure.
상기 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물은 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수), H3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3 - xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbCl3-xBrx(0≤x≤3인 실수) 및 CH3NH3PbI3 - xFx(0≤x≤3인 실수) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.10. The method of claim 9,
The perovskite structure compound may be CH 3 NH 3 PbI 3 - x Cl x (real number 0 ≤ x ≤ 3 ), H 3 NH 3 PbI 3 - x Cl x (0 ≤ x ≤ 3 real number ), CH 3 NH 3 PbI 3 - x Br x (0≤x≤3 mistakes), CH 3 NH 3 PbCl 3 -x Br x (0≤x≤3 a real number), and CH 3 NH 3 PbI 3 - x And F x (real number of 0? X ? 3).
상기 광흡수층이 알루미늄, 티탄, 주석, 아연, 텅스텐, 지르코늄, 갈륨, 인듐, 이트륨, 니오브, 탄탈 및 바나듐 중에서 선택된 1종 이상의 금속의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the light absorption layer comprises an oxide of at least one metal selected from aluminum, titanium, tin, zinc, tungsten, zirconium, gallium, indium, yttrium, niobium, tantalum, and vanadium.
상기 태양전지가 광흡수층과 제2 전극 사이에 정공전달층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the solar cell further comprises a hole transporting layer between the light absorbing layer and the second electrode.
상기 정공전달층이 Spiro-OMeTAD, P3HT, P3AT, P3OT, PEDOT:PSS, PTAA 및 전도성고분자 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.The method of claim 12, wherein
Wherein the hole transporting layer comprises at least one selected from the group consisting of Spiro-OMeTAD, P3HT, P3AT, P3OT, PEDOT: PSS, PTAA and conductive polymer.
상기 태양전지가 상기 정공차단층에 대향하는 방향의 반대 방향으로 제1 전극상에 기재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the solar cell further comprises a substrate on the first electrode in a direction opposite to the direction in which the solar cell faces the hole blocking layer.
상기 기재가 전도성 투명기재 또는 플라스틱 기재를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.15. The method of claim 14,
Wherein the substrate comprises a conductive transparent substrate or a plastic substrate.
상기 제2 전극은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C 및 전도성 고분자 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.The method according to claim 1,
Wherein the second electrode comprises at least one selected from Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C and a conductive polymer.
상기 제1 전극 상에 자기조직(self-organized)된 유전체를 포함하는 정공차단층을 형성하는 단계(단계 b);
상기 정공차단층 상에 광흡수층을 형성하는 단계(단계 c); 및
상기 광흡수층 상에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 d);를 포함하고,
상기 정공차단층은 상기 제1 전극에 대향하는 방향의 표면이 δ-로 편극되고, 상기 제1 전극에 대향하는 방향의 반대 방향의 표면이 δ+으로 편극된 것인 태양전지의 제조방법.Forming a first electrode (step a);
Forming a hole blocking layer including a dielectric self-organized on the first electrode (step b);
Forming a light absorption layer on the hole blocking layer (step c); And
And forming a second electrode on the light absorbing layer (step d)
Wherein the hole blocking layer is polarized at a surface of the hole in the direction facing the first electrode by? - and the surface in the direction opposite to the direction facing the first electrode is polarized at? +.
단계 b가 아래 구조식1로 표시되는 화합물의 용해액을 상기 제1 전극 상에 코팅한 후 0 내지 30℃에서 건조하여 자기조직된 유전체를 포함하는 정공차단층을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
[구조식 1]
상기 구조식 1에서
x+y+z≠0 이고,
0≤x≤5000인 정수 중 어느 하나이고,
0≤y≤5000인 정수 중 어느 하나이고,
0≤z≤5000인 정수 중 어느 하나이다.18. The method of claim 17,
Step b is a step of coating a solution of the compound represented by the following structural formula 1 on the first electrode and drying at 0 to 30 DEG C to form a hole blocking layer containing a self-organized dielectric Gt;
[Structural formula 1]
In the above formula 1
x + y + z? 0,
X < / = 5000,
0 < / = y < / = 5000,
0 < / = z < / = 5,000.
단계 b의 코팅이 닥터 브레이드, 스크린 프린트, 스핀 코팅 및 스프레이 코팅 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.18. The method of claim 17,
Wherein the coating of step (b) is carried out by any one method selected from the group consisting of doctor blade, screen printing, spin coating and spray coating.
단계 b의 코팅이 스핀 코팅의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.20. The method of claim 19,
Wherein the coating of step (b) is carried out by a method of spin coating.
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