KR101694803B1 - Perovskite solar cells comprising metal nanowire as photoelectrode, and the preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 나노선을 광전극으로 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로써, 상세하게는 제1전극, 차단층, 광전극, 페로브스카이트 광활성층, 정공 전달층 및 제2전극을 포함하며, 상기 광전극은, 네트워크 구조의 금속 나노선 및 상기 금속 나노선을 50 내지 100 nm의 두께로 코팅하는 금속 산화물을 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조인, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다. 본 발명의 페로브스카이트 태양전지는, 기존의 나노입자 광전극 대신에 금속나노선 네트워크 및 금속 나노선 네트워크 표면에 형성된 금속 산화물 박막을 광전극으로써 포함하며, 이러한 금속 나노선과 금속산화물의 코어-쉘(core-shell) 구조인 광전극은 금속나노선을 통해 여기된 전하들이 이동할 수 있기 때문에, 기존의 수많은 계면을 가지는 나노입자 광전극보다 전하수집이 용이하여 광전변환효율이 향상되는 효과가 있다. 또한, 금속 나노선 네트워크의 빈 공극으로 인해 광흡수층의 코팅이 용이하여 계면접촉을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a perovskite solar cell including a metal nanowire as a photoelectrode and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a perovskite solar cell including a first electrode, a barrier layer, a photoelectrode, a perovskite photoactive layer, And a second electrode, wherein the photoelectrode is a core-shell structure including a metal nano wire having a network structure and a metal oxide coating the metal nanowire with a thickness of 50 to 100 nm, Provides a perovskite solar cell. The perovskite solar cell of the present invention includes a metal nanowire network and a metal oxide thin film formed on the surface of a metal nanowire network as a photoelectrode instead of the conventional nanoparticle photoelectrode, Since the photoelectrode, which is a core-shell structure, can transfer charges excited through the metal nanowire, charge collection is easier than that of the conventional nanoparticle photoelectrode, and the photoelectric conversion efficiency is improved . In addition, since the light absorbing layer can be easily coated due to voids in the metal nanowire network, the interface can be improved.
Description
본 발명은 금속 나노선을 광전극으로 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 네트워크 구조의 금속 나노선과, 상기 금속 나노선을 코팅하는 금속 산화물을 광전극으로써 포함하고 있는 페로브스카이 태양전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a perovskite solar cell including a metal nanowire as a photoelectrode and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a metal nanowire having a network structure and a metal oxide coating the metal nanowire as a photoelectrode Which is related to the Perovskaya solar cell.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.
Research on renewable and clean alternative energy sources such as solar energy, wind power, and hydro power is actively being conducted to solve the global environmental problems caused by depletion of fossil energy and its use. Among these, there is a great interest in solar cells that change electric energy directly from sunlight. Here, a solar cell refers to a cell that generates a current-voltage by utilizing a photovoltaic effect that absorbs light energy from sunlight to generate electrons and holes.
현재 광전변환효율이 20 %가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 광전변환효율이 우수한 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 있다. 그러나 이러한 무기 반도체 기반의 태양전지는 고효율화를 위하여 매우 고순도로 정제한 소재가 필요하므로 원소재의 정제에 많은 에너지가 소비되고, 또한 원소재를 이용하여 단결정 혹은 박막화 하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조비용을 낮게 하는 데에는 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어왔다.
Currently, np diode-type silicon (Si) single crystal based solar cells with a photoelectric conversion efficiency of more than 20% can be manufactured and used in actual solar power generation. Compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs) There is also solar cell using. However, since inorganic semiconductor-based solar cells require highly refined materials for high efficiency, a large amount of energy is consumed in the purification of raw materials, and expensive processes are required in the process of making single crystals or thin films using raw materials And the manufacturing cost of the solar cell can not be lowered, which has been a hindrance to a large-scale utilization.
이에 따라 태양전지를 저가로 제조하기 위해서는 태양전지에 핵심으로 사용되는 소재 혹은 제조 공정의 비용을 대폭 감소시킬 필요가 있으며, 무기 반도체 기반 태양전지의 대안으로 저가의 소재와 공정으로 제조가 가능한 염료감응형 태양전지와 유기 태양전지가 활발히 연구되고 있다. 한편, 염료감응형 태양전지 또는 유기 태양전지로 페로브스카이트를 사용하여 고효율을 나타내는 연구가 진행되고 있으나 여전히 부족한 효율을 나타내고 있는 실정이다.
Accordingly, in order to manufacture a solar cell at a low cost, it is necessary to drastically reduce the cost of the material or manufacturing process used as a core of the solar cell. As an alternative to the inorganic semiconductor-based solar cell, Type solar cells and organic solar cells have been actively studied. On the other hand, studies showing high efficiency using a perovskite as a dye-sensitized solar cell or an organic solar cell have been carried out, but the efficiency is still unsatisfactory.
특히, 기존의 페로브스카이트 태양전지에서 사용되는 광전극은 넓은 표면적을 얻기 위하여 나노 입자로 이루어진 금속 산화물을 사용하는데, 이와 같이 나노 입자로 이루어진 금속 산화물은 작은 크기로 인해 표면적은 증가하지만, 나노입자 사이의 기공율이 작고 나노입자들 간의 수많은 계면을 가지는 문제가 있다.In particular, the photoelectrode used in conventional perovskite solar cells uses a metal oxide composed of nanoparticles in order to obtain a large surface area. The surface area of the metal oxide made of nanoparticles is increased due to its small size, There is a problem that the porosity between particles is small and there are many interfaces between nanoparticles.
즉, 나노입자들 간의 수많은 계면에서는, 여기된 전하들의 수집시 재결합에 의해 전하가 소멸되어 전하수집효율이 감소하는 문제가 있다. 또한, 금속 산화물 광전극 자체의 전기전도도도 금속물질에 비해 현저히 떨어지는 단점이 있으며, 낮은 기공율로 인해 페로브스카이트 광흡수층의 코팅시 광흡수층의 침투가 어려워 광흡수층과의 접촉계면이 감소됨에 따른 효율감소의 문제가 있다.
That is, at many interfaces between the nanoparticles, there is a problem that charge collection efficiency is reduced by elimination of charges due to recombination when collecting excited charges. In addition, the metal oxide photoelectrode itself has a disadvantage in that the electrical conductivity thereof is significantly lower than that of the metal material. Due to the low porosity, it is difficult to penetrate the photoabsorption layer when coating the perovskite photoabsorption layer, There is a problem of reduction in efficiency.
이에, 본 발명자들은 페로브스카이트 태양전지의 효율을 향상시키기 위한 연구를 수행하던 중, 광전극으로써 금속 나노선을 적용하고, 상기 금속 나노선으로 금속 산화물 박막을 코팅함으로써, 광전변환효율이 향상된 페로브스카이트 태양전지를 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the inventors of the present invention conducted research to improve the efficiency of the perovskite solar cell by applying a metal nanowire as a photo electrode and coating the metal oxide thin film with the metal nanowire to improve the photoelectric conversion efficiency A perovskite solar cell was developed and the present invention was completed.
본 발명의 목적은, 금속 나노선을 광전극으로 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide a perovskite solar cell including a metal nanowire as an optical electrode and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,
제1전극, 차단층, 광전극, 페로브스카이트 광활성층, 정공 전달층 및 제2전극을 포함하며,A first electrode, a blocking layer, a photo electrode, a perovskite photoactive layer, a hole transport layer, and a second electrode,
상기 광전극은, 네트워크 구조의 금속 나노선 및 상기 금속 나노선을 50 내지 100 nm의 두께로 코팅하는 금속 산화물을 포함하는, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
The photoelectrode includes a metal nanowire having a network structure and a metal oxide coating the metal nanowire to a thickness of 50 to 100 nm.
또한, 본 발명은 In addition,
제1 전극 상부에 차단층을 형성하는 단계(단계 1);Forming a barrier layer on the first electrode (step 1);
상기 단계 1에서 형성된 차단층 상부에 네트워크 구조의 금속 나노선을 형성하는 단계(단계 2);Forming a metal nanowire having a network structure on the barrier layer formed in Step 1 (Step 2);
상기 단계 2에서 형성된 네트워크 구조의 금속 나노선으로 금속 산화물을 코팅하여 광전극을 제조하는 단계(단계 3);Forming a photoelectrode by coating a metal oxide on the metal nanowire having the network structure formed in step 2 (step 3);
단계 3에서 제조된 광전극 상부로 페로브스카이트 광 활성층을 형성하는 단계(단계 4);Forming a perovskite photoactive layer on the photoelectrode fabricated in step 3 (step 4);
상기 페로브스카이트 광 활성층 상부에 정공 전달층을 형성하는 단계(단계 5); 및Forming a hole transporting layer on the perovskite photoactive layer (step 5); And
상기 단계 5에서 형성된 정공 전달층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 6);를 포함하며, And forming a second electrode on the hole transport layer formed in step 5 (step 6)
상기 단계 3의 금속 산화물은 50 내지 100 nm의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공한다.
Wherein the metal oxide of step 3 is coated to a thickness of 50 to 100 nm.
본 발명의 페로브스카이트 태양전지는, 기존의 나노입자 광전극 대신에 금속나노선 네트워크 및 금속 나노선 네트워크 표면에 형성된 금속 산화물 박막을 광전극으로써 포함하며, 이러한 금속 나노선과 금속산화물의 코어-쉘(core-shell) 구조인 광전극은 금속나노선을 통해 여기된 전하들이 이동할 수 있기 때문에, 기존의 수많은 계면을 가지는 나노입자 광전극보다 전하수집이 용이하여 광전변환효율이 향상되는 효과가 있다. 또한, 금속 나노선 네트워크의 빈 공극으로 인해 광흡수층의 코팅이 용이하여 계면접촉을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
The perovskite solar cell of the present invention includes a metal nanowire network and a metal oxide thin film formed on the surface of a metal nanowire network as a photoelectrode instead of the conventional nanoparticle photoelectrode, Since the photoelectrode, which is a core-shell structure, can transfer charges excited through the metal nanowire, charge collection is easier than that of the conventional nanoparticle photoelectrode, and the photoelectric conversion efficiency is improved . In addition, since the light absorbing layer can be easily coated due to voids in the metal nanowire network, the interface can be improved.
도 1은 종래기술에서의 금속 산화물 광전극의 형상을 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명의 페로브스카이트 태양전지의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명의 페로브스카이트 태양전지에서 광전극이 제조되는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.1 is a schematic view schematically showing the shape of a metal oxide photoelectrode in the prior art;
2 is a schematic view schematically showing a structure of a perovskite solar cell of the present invention;
3 is a schematic view schematically illustrating a process of manufacturing a photo electrode in a perovskite solar cell according to the present invention.
본 발명은,According to the present invention,
제1전극, 차단층, 광전극, 페로브스카이트 광활성층, 정공 전달층 및 제2전극을 포함하며,A first electrode, a blocking layer, a photo electrode, a perovskite photoactive layer, a hole transport layer, and a second electrode,
상기 광전극은, 네트워크 구조의 금속 나노선 및 상기 금속 나노선을 50 내지 100 nm의 두께로 코팅하는 금속 산화물을 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조인, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
Wherein the photoelectrode comprises a perovskite solar cell having a core-shell structure including a metal oxide nanowire having a network structure and a metal oxide coating the metal nanowire with a thickness of 50 to 100 nm do.
이때, 본 발명의 상기 페로브스카이트 태양전지의 구조를 도 2의 모식도를 통해 개략적으로 나타내었으며, Here, the structure of the perovskite solar cell of the present invention is schematically shown in the schematic diagram of FIG. 2,
이하, 도면을 참조하며 본 발명의 페로브스카이트 태양전지를 상세히 설명한다.
Hereinafter, the perovskite solar cell of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 2의 모식도를 통해 나타낸 바와 같이, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지는 제1전극, 차단층, 광전극, 페로브스카이트 광활성층, 정공 전달층 및 제2전극을 포함한다.As shown in the schematic diagram of FIG. 2, the perovskite solar cell of the present invention includes a first electrode, a barrier layer, a photo electrode, a perovskite photoactive layer, a hole transport layer, and a second electrode.
이때, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지는 특히 네트워크 구조의 금속 나노선 및 상기 금속 나노선을 50 내지 100 nm의 두께로 코팅하는 금속 산화물을 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조의 광전극을 포함하며, 이를 통해 종래의 페로브스카이트 태양전지보다 더욱 우수한 효율을 나타낼 수 있다.At this time, the perovskite solar cell of the present invention is a core-shell structure including a metal-oxide nanowire having a network structure and a metal oxide coating the metal nanowire with a thickness of 50 to 100 nm Electrode, which can exhibit higher efficiency than conventional perovskite solar cells.
즉, 종래의 페로브스카이트 태양전지는 나노 입자로 이루어진 금속 산화물을 사용함에 따라, 나노입자들 간의 수많은 계면이 존재하였으며, 이러한 계면에서는 여기된 전하들의 수집시 재결합에 의해 전하가 소멸되어 전하수집효율이 감소하는 문제가 있었다. 또한, 금속 산화물 광전극 자체의 전기전도도도 금속물질에 비해 현저히 떨어지는 단점 및 낮은 기공율로 인한 페로브스카이트 광흡수층의 침투가 어려워 효율이 감소되는 문제가 있었다.
That is, in the conventional perovskite solar cell, there are many interfaces between the nanoparticles due to the use of metal oxide composed of nanoparticles. At this interface, charges are eliminated by recombination when excited charges are collected, There is a problem that the efficiency is reduced. In addition, there is a disadvantage that the electrical conductivity of the metal oxide photoelectrode itself is significantly lower than that of the metal material, and the penetration of the perovskite photoabsorption layer due to low porosity is difficult.
한편, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지는 도 2의 그림을 통해서 나타내었듯이, 네트워크 구조의 금속 나노선과, 상기 금속 나노선의 표면에 50 내지 100 nm의 두께로 코팅된 금속 산화물을 광전극으로써 포함한다. 즉, 본 발명에서의 광전극은 금속 나노선과 금속 산화물이 코어-쉘 구조를 형성하며, 이러한 금속 나노선과 금속산화물의 코어-쉘(core-shell) 구조인 광전극은, 금속나노선을 통해 여기된 전하들이 이동할 수 있기 때문에, 기존의 수많은 계면을 가지는 나노입자 광전극보다 전하수집이 용이하여 광전변환효율이 향상되는 효과가 있다. Meanwhile, as shown in FIG. 2, the perovskite solar cell according to the present invention includes a metal nano wire having a network structure and a metal oxide coated on the surface of the metal nano wire with a thickness of 50 to 100 nm as a photo electrode . That is, in the photoelectrode of the present invention, the metal nanowire and the metal oxide form a core-shell structure, and the photoelectrode, which is a core-shell structure of the metal nanowire and the metal oxide, It is possible to collect charges more easily than conventional nanoparticle photoelectrodes having many interfaces, thereby improving photoelectric conversion efficiency.
또한, 금속 나노선 네트워크의 빈 공극으로 인해 광흡수층의 코팅이 용이하여 계면접촉을 향상시킬 수 있는바, 종래의 금속 산화물 광전극이 낮은 기공율로 인하여 광흡수층의 침투가 어려웠던 문제 또한 해결하여 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
In addition, since the light absorbing layer can be easily coated due to vacancies in the metal nanowire network, it is possible to improve interfacial contact, and the problem that the conventional metal oxide photoelectrode has difficulty in penetrating the light absorbing layer due to low porosity, It is possible to improve the photoelectric conversion efficiency.
이때, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 금속 산화물은 50 내지 100 nm의 두께로 금속 나노선의 표면에 코팅되며, 이는 금속 산화물의 코팅두께에 따라 오히려 태양전지의 효율이 저하될 수 있기 때문이다.At this time, in the perovskite solar cell of the present invention, the metal oxide is coated on the surface of the metal nanowire with a thickness of 50 to 100 nm, which may result in a decrease in the efficiency of the solar cell depending on the thickness of the metal oxide coating It is because.
만약, 상기 금속 산화물의 두께가 50 nm 미만인 경우에는, 광전극을 구성하는 금속 산화물의 비표면적이 감소되어 태양전지의 효율이 감소되는 문제가 발생할 수 있으며, 상기 금속 산화물의 두께가 100 nm를 초과하는 경우에는, 금속나노선을 통한 전하들의 이동이 원활하지 않아 오히려 전하수집효율이 감소되는 문제가 발생할 수 있는바, 역시 태양전지의 효율이 감소되는 문제가 발생할 수 있다.
If the thickness of the metal oxide is less than 50 nm, the specific surface area of the metal oxide constituting the photoelectrode may be reduced to reduce the efficiency of the solar cell. If the thickness of the metal oxide exceeds 100 nm The charge collecting efficiency may be reduced due to the inadequate transfer of charges through the metal nanowire, and the efficiency of the solar cell may also be reduced.
본 발명의 태양전지 중 상기 광전극에 있어서, 상기 금속 나노선은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 전도성 금속으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 은(Ag)을 사용할 수 있으나, 상기 금속 나노선이 이에 제한되는 것은 아니다.In the photoelectrode of the solar cell of the present invention, the metal nanowire may be made of a conductive metal such as gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), copper (Cu) Ag) may be used, but the metal nanowires are not limited thereto.
또한, 상기 광전극의 금속 산화물로는 TiO2, ZnO, Al2O3 등의 금속산화물을 사용할 수 있으며, 통상적으로 널리 사용되는 TiO2가 사용될 수 있으나 상기 금속 산화물이 이에 제한되는 것은 아니며 광전극으로 적용될 수 있는 다양한 금속 산화물들이 적절히 적용될 수 있다.
As the metal oxide of the photo electrode, metal oxides such as TiO 2 , ZnO, and Al 2 O 3 can be used, and commonly used TiO 2 may be used. However, the metal oxide is not limited thereto, Can be suitably applied.
한편, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 제1 전극은 광의 투과를 향상시키기 위해 전도성의 투명전극이 적용될 수 있다. 상기 제1 전극은 일례로, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al;), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 및 PEDOT:PSS 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Meanwhile, in the perovskite solar cell according to the present invention, a conductive transparent electrode may be applied to the first electrode to improve light transmission. For example, the first electrode may include at least one of aluminum-doped zinc oxide (AZO), indium-tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO) ATO; Aluminium-tin oxide; SnO 2: Al), the fluorine-containing tin oxide (FTO: fluorine-doped tin oxide ), graphene (graphene), carbon nanotubes and PEDOT: PSS or the like, but is not limited thereto.
또한, 상기 제1 전극은 제1 전극 하부에 위치하는 기판을 더 포함할 수 있다. 상기 기판은 제1 전극을 지지하기 위한 지지체의 역할을 수행할 수 있으며, 광이 투과되는 투명 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 통상의 태양전지에서 전면전극 상에 위치할 수 있는 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 유리 기판을 포함하는 딱딱한(rigid) 기판 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 폴리에테르술폰(PES) 등을 포함하는 유연한(flexible) 기판일 수 있다.
The first electrode may further include a substrate located under the first electrode. The substrate can serve as a support for supporting the first electrode, and can be used without limitation as long as it is a transparent substrate through which light is transmitted. The substrate can be any substrate that can be placed on the front electrode in a conventional solar cell It can be used without. For example, the substrate may be a rigid substrate comprising a glass substrate or a rigid substrate comprising polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), polycarbonate (PC) (TAC), polyethersulfone (PES), and the like.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 차단층은 상기 제1 전극 상부에 형성되는 것으로써, 차단층의 형성을 통해 광전극의 접착성을 높일 수 있으며, 상기 차단층은 TiO2, ZnO, Al2O3 등의 금속 산화물로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
In the perovskite solar cell according to the present invention, the barrier layer is formed on the first electrode, thereby enhancing the adhesion of the photoelectrode through the formation of the barrier layer, and the barrier layer is formed of TiO 2 , ZnO, Al 2 O 3, and the like, but is not limited thereto.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 광활성층은 페로브스카이트 물질을 포함하는 것으로써, 예를 들어 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 페로브스카이트를 포함한다.
In the perovskite solar cell according to the present invention, the photoactive layer includes a perovskite material, for example, perovskite represented by the following Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2.
<화학식 1>≪ Formula 1 >
AMX3 AMX 3
(상기 화학식 1에서,(In the formula 1,
A는 C1 -20의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C1 -20의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,A is a straight or branched chain alkyl or an alkali metal ion of the C 1 -20 C 1 -20 straight or branched chain alkyl, an amine group is substituted for,
M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pb2 + 또는 Yb2 +이고,M is Cu 2 +, Ni 2 +, Co 2 +, Fe 2 +, Mn 2 +, Cr 2 +, Pd 2 +, Cd 2 +, Ge 2 +, Sn 2 +, Pb 2 + or Yb 2 + a ,
X는 할로겐 이온이다.)
X is a halogen ion.)
<화학식 2>(2)
A2MX4 A 2 MX 4
(상기 화학식 2에서,(In the formula (2)
A는 C1 -20의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C1 -20의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,A is a straight or branched chain alkyl or an alkali metal ion of the C 1 -20 C 1 -20 straight or branched chain alkyl, an amine group is substituted for,
M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pb2 + 또는 Yb2 +이고,M is Cu 2 +, Ni 2 +, Co 2 +, Fe 2 +, Mn 2 +, Cr 2 +, Pd 2 +, Cd 2 +, Ge 2 +, Sn 2 +, Pb 2 + or Yb 2 + a ,
X는 할로겐 이온이다.).
And X is a halogen ion).
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 정공 전달층은 단분자 또는 고분자 정공전달 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 단분자 정공전달 물질로서 spiro-MeOTAD(2,2',7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)9,9'spirobifluorene)를 사용할 수 있고, 상기 고분자 정공전달 물질로서 P3HT(poly(3-hexylthiophene))를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 또한, 상기 정공 전달층에는 도핑 물질, 예를 들어, Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트, 또는 Li 계열 도펀트 및 Co 계열 도펀트 모두가 더 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
In the perovskite solar cell according to the present invention, the hole transporting layer may include a single molecule or a polymer hole transporting material, but is not limited thereto. For example, spiro-MeOTAD (2,2 ', 7'-tetrakis- (N, N-di-p-methoxyphenyl-amine) 9,9'spirobifluorene) may be used as the monomolecular hole- P3HT (poly (3-hexylthiophene)) may be used as the polymer hole transporting material, but the present invention is not limited thereto. The hole transporting layer may further include a doping material such as a Li-based dopant, a Co-based dopant, or a Li-based dopant and a Co-based dopant.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 제2 전극은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 은(Ag), 아연(Zn), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 크롬(Cr) 등을 포함하는 금속 전극일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 바람직한 일례로써는 금(Au) 전극을 사용할 수 있다.
In the perovskite solar cell according to the present invention, the second electrode may be at least one selected from the group consisting of aluminum (Al), calcium (Ca), silver (Ag), zinc (Zn), gold (Au), platinum Cu), chromium (Cr), and the like, but not limited thereto, and a gold (Au) electrode can be used as a preferable example.
본 발명은, According to the present invention,
제1 전극 상부에 차단층을 형성하는 단계(단계 1);Forming a barrier layer on the first electrode (step 1);
상기 단계 1에서 형성된 차단층 상부에 네트워크 구조의 금속 나노선을 형성하는 단계(단계 2);Forming a metal nanowire having a network structure on the barrier layer formed in Step 1 (Step 2);
상기 단계 2에서 형성된 네트워크 구조의 금속 나노선으로 금속 산화물을 코팅하여 광전극을 제조하는 단계(단계 3);Forming a photoelectrode by coating a metal oxide on the metal nanowire having the network structure formed in step 2 (step 3);
단계 3에서 제조된 광전극 상부로 페로브스카이트 광 활성층을 형성하는 단계(단계 4);Forming a perovskite photoactive layer on the photoelectrode fabricated in step 3 (step 4);
상기 페로브스카이트 광 활성층 상부에 정공 전달층을 형성하는 단계(단계 5); 및Forming a hole transporting layer on the perovskite photoactive layer (step 5); And
상기 단계 5에서 형성된 정공 전달층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 6);를 포함하며, And forming a second electrode on the hole transport layer formed in step 5 (step 6)
상기 단계 3의 금속 산화물은 50 내지 100 nm의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공한다.
Wherein the metal oxide of step 3 is coated to a thickness of 50 to 100 nm.
이하, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a perovskite solar cell according to the present invention will be described in detail for each step.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 1은 제1 전극 상부에 차단층을 형성하는 단계이다. In the method of manufacturing a perovskite solar cell according to the present invention, step 1 is a step of forming a barrier layer on the first electrode.
상기 단계 1에서는, 이후 형성되는 광 활성층과의 접착성을 높이기 위하여 제1 전극 상부에 차단층을 형성한다.
In the step 1, a barrier layer is formed on the first electrode to improve adhesion with the photoactive layer to be formed later.
구체적으로, 상기 단계 1의 제1 전극은 광의 투과를 향상시키기 위해 투명 전도성 전극을 사용할 수 있다. 상기 제1 전극은 일례로, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al;), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 및 PEDOT:PSS 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Specifically, the first electrode of step 1 may use a transparent conductive electrode to improve the transmission of light. For example, the first electrode may include at least one of aluminum-doped zinc oxide (AZO), indium-tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO) ATO; Aluminium-tin oxide; SnO 2: Al), the fluorine-containing tin oxide (FTO: fluorine-doped tin oxide ), graphene (graphene), carbon nanotubes and PEDOT: but can use the PSS or the like, but are not limited to, .
또한, 상기 단계 1의 제1 전극은 제1 전극 하부에 위치하는 기판(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 기판은 제1 전극을 지지하기 위한 지지체의 역할을 수행할 수 있으며, 광이 투과되는 투명 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 통상의 태양전지에서 전면전극 상에 위치할 수 있는 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 유리 기판을 포함하는 딱딱한(rigid) 기판 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 폴리에테르술폰(PES) 등을 포함하는 유연한(flexible) 기판일 수 있다.
In addition, the first electrode of step 1 may further include a substrate (not shown) positioned under the first electrode. The substrate can serve as a support for supporting the first electrode, and can be used without limitation as long as it is a transparent substrate through which light is transmitted. The substrate can be any substrate that can be placed on the front electrode in a conventional solar cell It can be used without. For example, the substrate may be a rigid substrate comprising a glass substrate or a rigid substrate comprising polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), polycarbonate (PC) (TAC), polyethersulfone (PES), and the like.
나아가, 상기 단계 1의 차단층은 TiO2, ZnO 및 Al2O3 등의 금속 산화물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
Further, the barrier layer in the step 1 may be a metal oxide such as TiO 2 , ZnO, and Al 2 O 3 , but is not limited thereto.
또한, 상기 단계 1에서 제1 전극 상부에 차단층을 형성하는 방법은 스핀 코팅 등의 방법으로 금속 산화물 전구체를 도포하여 가열하는 방법을 사용할 수 있으나, TiO2, ZnO 및 Al2O3 등의 금속 산화물을 도포하여 차단층을 형성할 수 있는 방법이면 제한되지 않고 사용할 수 있다.
In addition, a method of forming a barrier layer on the first electrode upper portion in the above step 1, but can be used a method of heating by applying a metal oxide precursor, for example by spin coating, a metal such as TiO 2, ZnO, and Al 2 O 3 And any method capable of forming a barrier layer by applying an oxide can be used without limitation.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 형성된 차단층 상부에 네트워크 구조의 금속 나노선을 형성하는 단계이다. In the method of manufacturing a perovskite solar cell according to the present invention, step 2 is a step of forming a metal nanowire having a network structure on the barrier layer formed in step 1 above.
하기의 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래기술에서는 나노 입자로 이루어진 금속 산화물을 사용하여 광전극을 제조하였으며, 이에 따라 나노입자들 간의 수많은 계면이 존재하였고, 이러한 계면에서는 여기된 전하들의 수집시 재결합에 의해 전하가 소멸되어 전하수집효율이 감소하는 문제가 있었다. As shown in the following FIG. 1, in the prior art, a metal electrode made of nanoparticles was used to manufacture a photoelectrode, and thus, there were many interfaces between the nanoparticles. At this interface, There is a problem that the charge collection efficiency is reduced due to the disappearance of the charge.
이에, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지 제조방법에서는, 도 2의 그림을 통해서 나타내었듯이, 네트워크 구조의 금속 나노선을 광전극으로써 차단층 상부에 형성시킨다.
In the perovskite solar cell manufacturing method of the present invention, as shown in FIG. 2, a metal nanowire having a network structure is formed as an optical electrode on the barrier layer.
본 발명의 단계 2에서 형성하는 네트워크 구조의 금속 나노선을 통해서 여기된 전하들이 이동할 수 있기 때문에, 본 발명에 따라 제조되는 태양전지가 기존의 태양전지와 비교하여 전하수집이 더욱 용이하여 광전변환효율이 향상될 수 있다.Since the charges excited through the metal nanowire of the network structure formed in step 2 of the present invention can move, the solar cell manufactured according to the present invention is easier to collect the electric charge than the conventional solar cell, Can be improved.
또한, 단계 2에서 금속 나노선을 네트워크 구조로 형성시킴에 따라, 네트워크 구조의 빈 공극으로 광흡수층의 침투가 용이하여, 기존의 금속 산화물 광전극이 낮은 기공율로 인하여 광흡수층의 침투가 어려웠던 문제를 해결해낼 수 있다.
In addition, since the metal nanowire is formed into a network structure in step 2, the light absorbing layer can easily penetrate into the vacant voids of the network structure, and the problem that the conventional metal oxide photoelectrode has difficulty in penetrating the light absorbing layer due to low porosity I can solve it.
이때, 상기 단계 2의 금속 나노선은 스핀 코팅, 전기방사 등을 통해 차단층 상부에서 네트워크 구조로 형성될 수 있으며, At this time, the metal nanowire of step 2 may be formed in a network structure on the barrier layer through spin coating, electrospinning, etc.,
예를 들어 스핀 코팅을 통해 형성될 시에는, 금속 나노선을 용매에 균질하게 분산시킨 후, 이를 차단층 상부에 코팅하여 네트워크 구조의 금속 나노선을 형성시킬 수 있다.
For example, when formed through spin coating, metal nanowires can be uniformly dispersed in a solvent and then coated on the barrier layer to form a metal nanowire having a network structure.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 형성된 네트워크 구조의 금속 나노선으로 금속 산화물을 코팅하여 광전극을 제조하는 단계이다. In the method of manufacturing a perovskite solar cell according to the present invention, step 3 is a step of manufacturing a photoelectrode by coating a metal oxide on a metal nanowire having a network structure formed in step 2.
하기의 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는 특히 금속 나노선과, 상기 금속 나노선의 표면에 코팅된 금속 산화물을 광전극으로써 적용하며, 이에 상기 단계 3에서는 단계 2에서 형성된 네트워크 구조의 금속 나노선 표면을 금속 산화물로 코팅한다.As shown in FIG. 2, in the present invention, in particular, metal nanowires and metal oxide coated on the surface of the metal nanowires are applied as photoelectrodes. In step 3, metal nanowires Is coated with a metal oxide.
즉, 상기 단계 3에서는 금속 나노선과 금속 산화물이 코어-쉘 구조를 형성하도록 금속 나노선 표면을 금속 산화물로 코팅하여 광전극을 제조한다.
That is, in step 3, the metal nanowire surface and the metal oxide are coated with a metal oxide to form a core-shell structure.
이때, 상기 단계 3에 있어서, 금속 산화물은 50 내지 100 nm의 두께로 코팅될 수 있다. 이는 금속 산화물의 두께에 따라 제조된 태양전지의 효율이 영향을 받기 때문으로, 만약 상기 금속 산화물의 두께가 50 nm 미만인 경우에는, 광전극을 구성하는 금속 산화물의 비표면적이 감소되어 태양전지의 효율이 감소되는 문제가 발생할 수 있으며, 상기 금속 산화물의 두께가 100 nm를 초과하는 경우에는, 금속나노선을 통한 전하들의 이동이 원활하지 않아 오히려 전하수집효율이 감소되는 문제가 발생할 수 있는바, 역시 태양전지의 효율이 감소되는 문제가 발생할 수 있다.
At this time, in the step 3, the metal oxide may be coated to a thickness of 50 to 100 nm. This is because the efficiency of the solar cell manufactured depends on the thickness of the metal oxide. If the thickness of the metal oxide is less than 50 nm, the specific surface area of the metal oxide constituting the photo electrode is reduced, If the thickness of the metal oxide is more than 100 nm, there is a problem that the charges are not smoothly transferred through the metal nanowire and thus the charge collection efficiency is reduced. As a result, The efficiency of the solar cell may be reduced.
상기 단계 3의 금속 산화물은 예를 들어, 원자층증착(atomic layer deposition, ALD)을 통해 코팅될 수 있으며, 상기 원자층증착은 본 발명의 제조방법과 같이 박막의 두께를 제어하는 것이 비교적 용이하기 때문에, 상기한 바와 같이 50 내지 100 nm 두께로 금속 산화물을 코팅해낼 수 있다.The metal oxide of step 3 may be coated, for example, by atomic layer deposition (ALD), and the atomic layer deposition is relatively easy to control the thickness of the thin film as in the manufacturing method of the present invention Therefore, the metal oxide can be coated to a thickness of 50 to 100 nm as described above.
다만, 상기 단계 3의 코팅이 이에 제한되는 것은 아니며, 금속 산화물을 나노스케일로 코팅할 수 있는 적절한 코팅 장치 또는 방법을 적절히 적용할 수 있다.
However, the coating of step 3 is not limited thereto, and a suitable coating apparatus or method capable of coating metal oxide with nanoscale can be appropriately applied.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 4는 단계 3에서 제조된 광전극 상부로 페로브스카이트 광 활성층을 형성하는 단계이다. In the method of manufacturing a perovskite solar cell according to the present invention, step 4 is a step of forming a perovskite photoactive layer on the photoelectrode fabricated in step 3.
상기 단계 4의 광활성층은 페로브스카이트 물질을 포함하는 것으로써, 예를 들어 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 페로브스카이트를 포함한다.
The photoactive layer in step 4 includes a perovskite material, for example, perovskite represented by the following formula (1) or (2).
<화학식 1>≪ Formula 1 >
AMX3 AMX 3
(상기 화학식 1에서,(In the formula 1,
A는 C1 -20의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C1 -20의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,A is a straight or branched chain alkyl or an alkali metal ion of the C 1 -20 C 1 -20 straight or branched chain alkyl, an amine group is substituted for,
M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pb2 + 또는 Yb2 +이고,M is Cu 2 +, Ni 2 +, Co 2 +, Fe 2 +, Mn 2 +, Cr 2 +, Pd 2 +, Cd 2 +, Ge 2 +, Sn 2 +, Pb 2 + or Yb 2 + a ,
X는 할로겐 이온이다.)
X is a halogen ion.)
<화학식 2>(2)
A2MX4 A 2 MX 4
(상기 화학식 2에서,(In the formula (2)
A는 C1 -20의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기가 치환된 C1 -20의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 알칼리 금속 이온이고,A is a straight or branched chain alkyl or an alkali metal ion of the C 1 -20 C 1 -20 straight or branched chain alkyl, an amine group is substituted for,
M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pb2 + 또는 Yb2 +이고,M is Cu 2 +, Ni 2 +, Co 2 +, Fe 2 +, Mn 2 +, Cr 2 +, Pd 2 +, Cd 2 +, Ge 2 +, Sn 2 +, Pb 2 + or Yb 2 + a ,
X는 할로겐 이온이다.).
And X is a halogen ion).
이때, 상기 단계 4의 페로브스카이트 광 활성층은 광전극의 빈 공간으로 침투가 용이하도록, 바람직하게는 페로브스카이트 전구체 용액을 용액공정으로 도포한 후, 이를 건조시킴으로써 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
At this time, the perovskite photoactive layer in step 4 may be formed by applying a perovskite precursor solution by a solution process so as to facilitate penetration into a vacant space of the photoelectrode, and then drying it. However, It is not.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 5는 상기 페로브스카이트 광 활성층 상부에 정공 전달층을 형성하는 단계이다. In the method of manufacturing a perovskite solar cell according to the present invention, step 5 is a step of forming a hole transporting layer on the perovskite photoactive layer.
구체적으로, 상기 단계 5의 정공 전달층은 단분자 또는 고분자 정공전달 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 단계 3의 단분자 정공전달 물질로서 spiro-MeOTAD(2,2',7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)9,9'spirobifluorene)를 사용할 수 있고, 상기 고분자 정공전달 물질로서 P3HT(poly(3-hexylthiophene))를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 또한, 예를 들어, 상기 정공 전달층에는 도핑 물질로서 Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트, 또는 Li 계열 도펀트 및 Co 계열 도펀트 모두가 추가 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, the hole transport layer in the step 5 may be a single molecule or a polymer hole transport material, but is not limited thereto. For example, spiro-MeOTAD (2,2 ', 7'-tetrakis- (N, N-di-p-methoxyphenyl-amine) 9,9'spirobifluorene) can be used as the monomolecular hole- And poly (3-hexylthiophene) (P3HT) may be used as the polymer hole transporting material, but the present invention is not limited thereto. In addition, for example, the hole transport layer may additionally include a Li-based dopant, a Co-based dopant, a Li-based dopant, and a Co-based dopant as doping materials, but the present invention is not limited thereto.
또한, 상기 단계 5의 정공 전달층을 형성하는 방법은 스핀 코팅 등의 방법으로 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
The method of forming the hole transporting layer in step 5 may be performed by a method such as spin coating, but is not limited thereto.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어서, 단계 6은 상기 단계 5에서 형성된 정공 전달층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계이다. In the method of manufacturing a perovskite solar cell according to the present invention, step 6 is a step of forming a second electrode on the hole transport layer formed in step 5 above.
구체적으로, 상기 단계 6의 제2 전극은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 은(Ag), 아연(Zn), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 크롬(Cr) 등의 금속 전극을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 구체적인 일례로써 금 전극을 사용할 수 있다.Specifically, the second electrode of step 6 may be formed of a metal such as aluminum (Al), calcium (Ca), silver (Ag), zinc (Zn), gold (Au), platinum (Pt), copper (Cu) May be used. However, the present invention is not limited thereto, and a gold electrode can be used as a specific example.
또한, 상기 단계 6의 제2 전극은 도포법, 증착법 등을 사용할 수 있으나, 금속 전극을 형성할 수 있는 방법이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.
The second electrode in step 6 may be formed by a coating method, a vapor deposition method, or the like, but the method can be used without limitation as long as it can form a metal electrode.
이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples and experimental examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
It should be noted, however, that the following examples and experimental examples are illustrative of the present invention, but the scope of the invention is not limited by the examples and the experimental examples.
<실시예 1> 페로브스카이트 태양전지의 제조 1Example 1 Production of Perovskite Solar Cell 1
단계 1: 유리 기판 상에 제1 전극으로 투명 전극인 FTO를 500 nm의 두께로 진공 증착 공정을 통해 형성시켰으며, 상기 제1 전극 상에 티타늄비스에틸아세토아세타토디이소프로폭사이드(titanium bis(ethylacetoacetato)diisopropoxide) 용액을 스핀 코팅하여 도포한 후, 500 ℃의 온도에서 30 분 동안 열처리하여 차단층(blocking layer)를 형성시켰다.
Step 1: FTO, which is a transparent electrode, was formed as a first electrode on a glass substrate through a vacuum deposition process to a thickness of 500 nm, and titanium bis (acetylacetonato) thioacetate was formed on the first electrode. (ethylacetoacetato) diisopropoxide) was applied by spin coating and then heat-treated at 500 ° C for 30 minutes to form a blocking layer.
단계 2: 상기 단계 1에서 형성된 차단층 상부에 은(Ag) 나노선를 네트워크 구조로 코팅하였으며, 상세하게는,Step 2: The silver (Ag) nanowire was coated with a network structure on the barrier layer formed in the step 1,
이소프로필알콜(IPA)에 분산된 은(Ag) 나노선 용액을 스핀코팅하여 네트워크 구조로 은 나노선을 차단층 상부로 코팅하였다.
Silver nanowires were coated on top of the barrier layer by spin coating the silver (Ag) nanowire solution dispersed in isopropyl alcohol (IPA).
단계 3 : 상기 단계 2에서 네트워크 구조로 형성된 은 나노선 표면으로 TiO2를 약 50 nm의 두께로 코팅하여 코어-쉘 구조의 광전극을 제조하였다.Step 3: In step 2, a core-shell structure photoelectrode was prepared by coating TiO 2 with a thickness of about 50 nm on the silver nanowire surface formed in a network structure.
이때, 상기 TiO2의 코팅은 원자층 증착법을 통해 수행되었으며, 상세하게는 티타늄 테트라이소프로폭사이드(titanium tetraisopropoxide, TTIP)와 H2O를 포함하는 전구체 용액을 이용하여 300 사이클(cycles) 동안 증착함으로써 50 nm의 두께로 TiO2를 은 나노선 표면으로 코팅하였다.
At this time, the TiO 2 coating was performed by atomic layer deposition, specifically, using a precursor solution containing titanium tetraisopropoxide (TTIP) and H 2 O, for 300 cycles TiO 2 was coated on the silver nanowire surface to a thickness of 50 nm.
단계 4 : 상기 단계 3에서 형성된 코어-쉘 구조의 광전극 상부로 페로브스카이트 전구체 용액인 PbI2와 CH3NH3I의 혼합액을 도포한 후, 건조시켜 페로브스카이트를 포함하는 광 활성층을 형성하였다.
Step 4: A mixture of PbI 2 and CH 3 NH 3 I, which is a perovskite precursor solution, is applied onto the photoelectrode of the core-shell structure formed in step 3, and then dried to form a photoactive layer containing perovskite .
단계 5 : 상기 단계 4에서 형성된 광 활성층 상부에 정공전달 물질인 spiro-MeOTAD를 스핀 코팅하여 정공 전달층을 형성하였다.
Step 5: Spiro-MeOTAD, which is a hole transfer material, was spin-coated on the photoactive layer formed in step 4 to form a hole transport layer.
단계 6 : 상기 단계 5에서 형성된 정공 전달층 상부에 금(Au)을 약 60 nm의 두께로 증착하여 제2 전극을 형성함으로써 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
Step 6: A perovskite solar cell was fabricated by depositing gold (Au) to a thickness of about 60 nm on the hole transfer layer formed in step 5 to form a second electrode.
<실시예 2> 페로브스카이트 태양전지의 제조 2Example 2 Production of Perovskite Solar Cell 2
상기 실시예 1의 단계 3에서, TiO2 를 약 75 nm의 두께로 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
A perovskite solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1 except that TiO 2 was formed to a thickness of about 75 nm in the step 3 of Example 1.
<실시예 3> 페로브스카이트 태양전지의 제조 3Example 3 Production of Perovskite Solar Cell 3
상기 실시예 1의 단계 3에서, TiO2 를 약 100 nm의 두께로 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
A perovskite solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that TiO 2 was formed to a thickness of about 100 nm in the step 3 of Example 1 above.
<비교예 1> ≪ Comparative Example 1 &
단계 1: 유리 기판 상에 제1 전극으로 투명 전극인 FTO를 500 nm의 두께로 진공 증착 공정을 통해 형성시켰으며, 상기 제1 전극 상에 티타늄비스에틸아세토아세타토디이소프로폭사이드(titanium bis(ethylacetoacetato)diisopropoxide) 용액을 스핀 코팅하여 도포한 후, 500 ℃의 온도에서 30 분 동안 열처리하여 차단층(blocking layer)를 형성시켰다.
Step 1: FTO, which is a transparent electrode, was formed as a first electrode on a glass substrate through a vacuum deposition process to a thickness of 500 nm, and titanium bis (acetylacetonato) thioacetate was formed on the first electrode. (ethylacetoacetato) diisopropoxide) was applied by spin coating and then heat-treated at 500 ° C for 30 minutes to form a blocking layer.
단계 2: 상기 단계 1에서 형성된 차단층 상부에 산화티타늄 나노 입자(TiO2), 에틸셀룰로오스 및 용매를 포함하는 금속 산화물 나노 입자 페이스트 희석액을 스핀코팅하여 금속 산화물 나노 입자를 형성하고, 상기 금속 산화물 나노 입자 상부에 페로브스카이트 전구체 용액인 PbI2와 CH3NH3I의 혼합액을 도포한 후, 건조시켜 페로브스카이트를 포함하는 광 활성층을 형성하였다.
Step 2: A metal oxide nanoparticle paste dilution liquid containing titanium oxide nanoparticles (TiO 2 ), ethyl cellulose and a solvent is spin-coated on the barrier layer formed in step 1 to form metal oxide nanoparticles, A mixture of PbI 2 and CH 3 NH 3 I, which is a perovskite precursor solution, was applied to the upper part of the particles, followed by drying to form a photoactive layer containing perovskite.
단계 3: 상기 단계 2에서 형성된 광 활성층 상부에 정공전달 물질인 spiro-MeOTAD를 스핀 코팅하여 정공 전달층을 형성하였다.
Step 3: Spiro-MeOTAD, which is a hole transport material, was spin-coated on the photoactive layer formed in step 2 to form a hole transport layer.
단계 4: 상기 단계 3에서 형성된 정공 전달층 상부에 금(Au)을 약 60 nm의 두께로 증착하여 제2 전극을 형성하고, 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
Step 4: Gold (Au) was deposited to a thickness of about 60 nm on the hole transport layer formed in step 3 to form a second electrode, and a perovskite solar cell was manufactured.
<비교예 2> ≪ Comparative Example 2 &
상기 실시예 1의 단계 3에서, TiO2 를 약 30 nm의 두께로 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
A perovskite solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that TiO 2 was formed to a thickness of about 30 nm in the step 3 of Example 1 above.
<비교예 3> ≪ Comparative Example 3 &
상기 실시예 1의 단계 3에서, TiO2 를 약 150 nm의 두께로 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
A perovskite solar cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that TiO 2 was formed to a thickness of about 150 nm in the step 3 of Example 1.
<실험예 1> 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율 분석EXPERIMENTAL EXAMPLE 1 Analysis of Photoelectric Conversion Efficiency of Perovskite Solar Cell
본 발명에 따른 광전극의 성능을 확인하기 위하여, 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율을 솔라 시뮬레이터로 측정하였다. 측정 조건은 AM 1.5(1sun, 100 mW/cm2)였으며, 측정된 태양전지의 단락전류 밀도(JSC), 개방 전압(VOC), 채움인자(F.F.), 광전변환효율(η) 결과값을 하기 표 1에 나타내었다.
In order to confirm the performance of the photoelectrode according to the present invention, the photoelectric conversion efficiencies of the perovskite solar cells manufactured in the above Examples and Comparative Examples were measured with a solar simulator. The measurement conditions were AM 1.5 (1sun, 100 mW / cm 2 ) and the measured short circuit current density (J SC ), open circuit voltage (V OC ), fill factor (FF), photoelectric conversion efficiency Are shown in Table 1 below.
(V)Open-circuit voltage
(V)
(%)Fill factor
(%)
(%)Photoelectric conversion efficiency
(%)
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지는 비교예 1에서 제조된 태양전지보다 광전변환효율이 더욱 우수한 것을 알 수 있다.As shown in Table 1, it can be seen that the perovskite solar cell of the present invention is superior in photoelectric conversion efficiency to the solar cell produced in Comparative Example 1.
이는, 앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 태양전지가 금속 나노선과 금속산화물의 코어-쉘(core-shell) 구조인 광전극을 포함하고, 광전극의 금속나노선을 통해 여기된 전하들이 이동할 수 있기 때문으로써, 비교예 1과 같은 종래기술의 태양전지보다 전하수집이 용이하여 상기 표 1의 분석결과와 같이 광전변환효율이 향상되는 효과가 있다.This is because, as mentioned above, the solar cell of the present invention includes a photoelectrode having a core-shell structure of a metal nano-wire and a metal oxide, and charges excited through the metal nanowire of the photo- The charge collection is easier than that of the prior art solar cell as in Comparative Example 1, and the photoelectric conversion efficiency is improved as in the analysis result of Table 1 above.
또한, 금속 나노선을 코팅하고 있는 금속 산화물의 두께에 따라 광전변환효율의 차이가 발생하는 것을 알 수 있으며, 특히 금속 산화물의 두께가 50 내지 100nm인 실시예 1 내지 3의 경우, 광전변환효율이 약 7.92 ~8.44 %까지 나타내었으나, 금속 산화물의 두께가 각각 약 30 nm 및 150 nm 비교예 2 및 3의 경우 광전변환효율이 약 6.26 ~6.87 %에 불과한 것을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the difference in photoelectric conversion efficiency occurs depending on the thickness of the metal oxide coating the metal nanowire. In particular, in the case of Examples 1 to 3 in which the thickness of the metal oxide is 50 to 100 nm, To about 7.92 to 8.44%, respectively. However, it can be seen that the photoelectric conversion efficiency of the comparative examples 2 and 3 is about 6.26 to 6.87%, with the metal oxide thicknesses of about 30 nm and 150 nm, respectively.
따라서, 상기의 분석결과로부터, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지가 종래보다 더욱 우수한 광전변환효율을 나타낼 수 있을 뿐 아니라, 금속 산화물의 두께를 조절하여 광전변환효율을 현저히 향상시킬 수 있는 효과가 있음을 확인할 수 있다.Accordingly, from the above-described analysis results, the perovskite solar cell of the present invention not only exhibits better photoelectric conversion efficiency than conventional ones, but also has an effect of significantly improving the photoelectric conversion efficiency by controlling the thickness of the metal oxide .
Claims (6)
상기 광전극은, 네트워크 구조의 금속 나노선 및 상기 금속 나노선을 50 내지 100 nm의 두께로 코팅하는 금속 산화물을 포함하는 코어-쉘(core-shell) 구조인, 페로브스카이트 태양전지.
A first electrode, a blocking layer, a photo electrode, a perovskite photoactive layer, a hole transport layer, and a second electrode,
Wherein the photoelectrode is a core-shell structure including a metal oxide nanowire having a network structure and a metal oxide coating the metal nanowire with a thickness of 50 to 100 nm.
The metal nanowire of claim 1, wherein the metal nanowire is made of one metal selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), and copper (Cu) Skate solar cell.
The perovskite solar cell according to claim 1, wherein the metal oxide is one selected from the group consisting of TiO 2 , ZnO, and Al 2 O 3 .
상기 단계 1에서 형성된 차단층 상부에 네트워크 구조의 금속 나노선을 형성하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 형성된 네트워크 구조의 금속 나노선에 금속 산화물을 50 내지 100 nm 두께로 코팅하여 광전극을 제조하는 단계(단계 3);
단계 3에서 제조된 광전극 상부로 페로브스카이트 광 활성층을 형성하는 단계(단계 4);
상기 페로브스카이트 광 활성층 상부에 정공 전달층을 형성하는 단계(단계 5); 및
상기 단계 5에서 형성된 정공 전달층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 6);를 포함하는, 제1항의 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
Forming a barrier layer on the first electrode (step 1);
Forming a metal nanowire having a network structure on the barrier layer formed in Step 1 (Step 2);
A step (step 3) of forming a photoelectrode by coating a metal oxide with a thickness of 50 to 100 nm on the metal nanowire having the network structure formed in step 2;
Forming a perovskite photoactive layer on the photoelectrode fabricated in step 3 (step 4);
Forming a hole transporting layer on the perovskite photoactive layer (step 5); And
The method of manufacturing a perovskite type solar cell according to claim 1, wherein the second electrode is formed on the hole transport layer formed in step 5.
5. The method of manufacturing a perovskite solar cell according to claim 4, wherein the metal nanowire of step 2 is formed into a network structure through spin coating or electrospinning.
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