KR101767968B1 - 나노와이어 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
나노와이어 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101767968B1 KR101767968B1 KR1020160015775A KR20160015775A KR101767968B1 KR 101767968 B1 KR101767968 B1 KR 101767968B1 KR 1020160015775 A KR1020160015775 A KR 1020160015775A KR 20160015775 A KR20160015775 A KR 20160015775A KR 101767968 B1 KR101767968 B1 KR 101767968B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- perovskite
- group
- solar cell
- nanowire
- perovskite solar
- Prior art date
Links
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 title claims abstract description 138
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 23
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 53
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 50
- -1 alkali metal cation Chemical group 0.000 claims description 48
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 claims description 32
- 239000003880 polar aprotic solvent Substances 0.000 claims description 25
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 claims description 21
- 230000005525 hole transport Effects 0.000 claims description 21
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 21
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 150000002892 organic cations Chemical group 0.000 claims description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 17
- 230000006798 recombination Effects 0.000 claims description 15
- 238000005215 recombination Methods 0.000 claims description 15
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 13
- 150000001450 anions Chemical group 0.000 claims description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 11
- 230000002768 anti-recombination Effects 0.000 claims description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 8
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 claims description 8
- 125000000753 cycloalkyl group Chemical group 0.000 claims description 7
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 claims description 7
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 claims description 6
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical group CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 121
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 69
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 50
- 239000010408 film Substances 0.000 description 42
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 26
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 23
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 23
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 19
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 16
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 description 16
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 13
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 12
- 229910008449 SnF 2 Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 11
- 125000003107 substituted aryl group Chemical group 0.000 description 11
- XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 207739-72-8 Chemical compound C1=CC(OC)=CC=C1N(C=1C=C2C3(C4=CC(=CC=C4C2=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC(=CC=C1C1=CC=C(C=C13)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC=C(OC)C=C1 XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 9
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 9
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 9
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 description 8
- 125000000547 substituted alkyl group Chemical group 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 7
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 239000000010 aprotic solvent Substances 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 6
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 4-tert-butylpyridine Chemical compound CC(C)(C)C1=CC=NC=C1 YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 125000005843 halogen group Chemical group 0.000 description 5
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 5
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 description 5
- 150000003254 radicals Chemical class 0.000 description 5
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 5
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 5
- 125000003396 thiol group Chemical class [H]S* 0.000 description 5
- BAVYZALUXZFZLV-UHFFFAOYSA-O Methylammonium ion Chemical compound [NH3+]C BAVYZALUXZFZLV-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 4
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 4
- 125000003282 alkyl amino group Chemical group 0.000 description 4
- 125000004414 alkyl thio group Chemical group 0.000 description 4
- 125000001769 aryl amino group Chemical group 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 4
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 4
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 4
- 125000001188 haloalkyl group Chemical group 0.000 description 4
- 125000001072 heteroaryl group Chemical group 0.000 description 4
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 4
- 125000003003 spiro group Chemical group 0.000 description 4
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 125000004423 acyloxy group Chemical group 0.000 description 3
- 125000003545 alkoxy group Chemical group 0.000 description 3
- 125000002947 alkylene group Chemical group 0.000 description 3
- 125000000484 butyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 3
- 125000004051 hexyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 125000001147 pentyl group Chemical group C(CCCC)* 0.000 description 3
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 125000001436 propyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 3
- 229920002284 Cellulose triacetate Polymers 0.000 description 2
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 description 2
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical group OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NNLVGZFZQQXQNW-ADJNRHBOSA-N [(2r,3r,4s,5r,6s)-4,5-diacetyloxy-3-[(2s,3r,4s,5r,6r)-3,4,5-triacetyloxy-6-(acetyloxymethyl)oxan-2-yl]oxy-6-[(2r,3r,4s,5r,6s)-4,5,6-triacetyloxy-2-(acetyloxymethyl)oxan-3-yl]oxyoxan-2-yl]methyl acetate Chemical compound O([C@@H]1O[C@@H]([C@H]([C@H](OC(C)=O)[C@H]1OC(C)=O)O[C@H]1[C@@H]([C@@H](OC(C)=O)[C@H](OC(C)=O)[C@@H](COC(C)=O)O1)OC(C)=O)COC(=O)C)[C@@H]1[C@@H](COC(C)=O)O[C@@H](OC(C)=O)[C@H](OC(C)=O)[C@H]1OC(C)=O NNLVGZFZQQXQNW-ADJNRHBOSA-N 0.000 description 2
- NPNMHHNXCILFEF-UHFFFAOYSA-N [F].[Sn]=O Chemical compound [F].[Sn]=O NPNMHHNXCILFEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000002252 acyl group Chemical group 0.000 description 2
- 125000002877 alkyl aryl group Chemical group 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000003368 amide group Chemical group 0.000 description 2
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 2
- 125000001691 aryl alkyl amino group Chemical group 0.000 description 2
- 125000005110 aryl thio group Chemical group 0.000 description 2
- 125000004104 aryloxy group Chemical group 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000001797 benzyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(C([H])=C1[H])C([H])([H])* 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 2
- MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1 MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 125000004093 cyano group Chemical group *C#N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000000445 field-emission scanning electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000003187 heptyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 2
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 2
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- NKNMIHKFACHDJZ-UHFFFAOYSA-N lead;methylazanium;iodide Chemical compound [I-].[Pb].[NH3+]C NKNMIHKFACHDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 125000002950 monocyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000001400 nonyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 2
- 125000002347 octyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 2
- ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N phosphonic acid group Chemical group P(O)(O)=O ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000301 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920003207 poly(ethylene-2,6-naphthalate) Polymers 0.000 description 2
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 2
- 239000011112 polyethylene naphthalate Substances 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 239000011970 polystyrene sulfonate Substances 0.000 description 2
- 229960002796 polystyrene sulfonate Drugs 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 2
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 2
- 125000000472 sulfonyl group Chemical group *S(*)(=O)=O 0.000 description 2
- 125000000335 thiazolyl group Chemical group 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 125000002221 trityl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C([H])C([H])=C1C([*])(C1=C(C(=C(C(=C1[H])[H])[H])[H])[H])C1=C([H])C([H])=C([H])C([H])=C1[H] 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 2
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OLRBYEHWZZSYQQ-VVDZMTNVSA-N (e)-4-hydroxypent-3-en-2-one;propan-2-ol;titanium Chemical compound [Ti].CC(C)O.CC(C)O.C\C(O)=C/C(C)=O.C\C(O)=C/C(C)=O OLRBYEHWZZSYQQ-VVDZMTNVSA-N 0.000 description 1
- ZXMGHDIOOHOAAE-UHFFFAOYSA-N 1,1,1-trifluoro-n-(trifluoromethylsulfonyl)methanesulfonamide Chemical compound FC(F)(F)S(=O)(=O)NS(=O)(=O)C(F)(F)F ZXMGHDIOOHOAAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GVNVAWHJIKLAGL-UHFFFAOYSA-N 2-(cyclohexen-1-yl)cyclohexan-1-one Chemical compound O=C1CCCCC1C1=CCCCC1 GVNVAWHJIKLAGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000000094 2-phenylethyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(C([H])=C1[H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N Bromine atom Chemical compound [Br] WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101150065749 Churc1 gene Proteins 0.000 description 1
- SNRUBQQJIBEYMU-UHFFFAOYSA-N Dodecane Natural products CCCCCCCCCCCC SNRUBQQJIBEYMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000272186 Falco columbarius Species 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102100038239 Protein Churchill Human genes 0.000 description 1
- 238000003991 Rietveld refinement Methods 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007983 Tris buffer Substances 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 125000004183 alkoxy alkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004453 alkoxycarbonyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000005196 alkyl carbonyloxy group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004103 aminoalkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 125000001204 arachidyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Substances BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 1
- 125000003917 carbamoyl group Chemical group [H]N([H])C(*)=O 0.000 description 1
- 125000002915 carbonyl group Chemical group [*:2]C([*:1])=O 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004138 cluster model Methods 0.000 description 1
- JAWGVVJVYSANRY-UHFFFAOYSA-N cobalt(3+) Chemical compound [Co+3] JAWGVVJVYSANRY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 125000002704 decyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 125000004986 diarylamino group Chemical group 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 125000003438 dodecyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011067 equilibration Methods 0.000 description 1
- 125000004185 ester group Chemical group 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 description 1
- RMBPEFMHABBEKP-UHFFFAOYSA-N fluorene Chemical compound C1=CC=C2C3=C[CH]C=CC3=CC2=C1 RMBPEFMHABBEKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical class 0.000 description 1
- 125000002541 furyl group Chemical group 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 125000000623 heterocyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 125000002768 hydroxyalkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 125000002883 imidazolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000003392 indanyl group Chemical group C1(CCC2=CC=CC=C12)* 0.000 description 1
- 125000003454 indenyl group Chemical group C1(C=CC2=CC=CC=C12)* 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000011900 installation process Methods 0.000 description 1
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000001449 isopropyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])(*)C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 125000005956 isoquinolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000001786 isothiazolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000000842 isoxazolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 1
- 229910003473 lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005923 long-lasting effect Effects 0.000 description 1
- 125000002960 margaryl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- LLWRXQXPJMPHLR-UHFFFAOYSA-N methylazanium;iodide Chemical compound [I-].[NH3+]C LLWRXQXPJMPHLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 125000001421 myristyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 125000004108 n-butyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 125000004123 n-propyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 125000001624 naphthyl group Chemical group 0.000 description 1
- NIHNNTQXNPWCJQ-UHFFFAOYSA-N o-biphenylenemethane Natural products C1=CC=C2CC3=CC=CC=C3C2=C1 NIHNNTQXNPWCJQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 125000001715 oxadiazolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000002971 oxazolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004043 oxo group Chemical group O=* 0.000 description 1
- 125000000913 palmityl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 125000002958 pentadecyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 1
- 125000000286 phenylethyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(C([H])=C1[H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 239000003504 photosensitizing agent Substances 0.000 description 1
- 125000002924 primary amino group Chemical group [H]N([H])* 0.000 description 1
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000003373 pyrazinyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000003072 pyrazolidinyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000003226 pyrazolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000002098 pyridazinyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004076 pyridyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000000714 pyrimidinyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000000168 pyrrolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000005493 quinolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005295 random walk Methods 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005316 response function Methods 0.000 description 1
- 229930195734 saturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 125000002914 sec-butyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])(*)C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 125000004079 stearyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 125000005504 styryl group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000000999 tert-butyl group Chemical group [H]C([H])([H])C(*)(C([H])([H])[H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 125000001113 thiadiazolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000001544 thienyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004149 thio group Chemical group *S* 0.000 description 1
- 125000002889 tridecyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 125000002948 undecyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0216—Coatings
- H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
- H01L31/02167—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
- H01L31/02168—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells the coatings being antireflective or having enhancing optical properties for the solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
- H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
나노와이어 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 상기 페로브스카이트 태양전지 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본원은 나노와이어 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 상기 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.
2012년, 액체 정션(junction) 광전자화학적 태양전지 내에서 감광제로서 채택되는 유기 할로겐화 납 페로브스카이트에 관하여 연구되고 장기간 내구성을 가지는 페로브스카이트 태양전지에 관하여 보고된 이래로, 낮은 단가 및 최상의 광전지 성능 때문에 페로브스카이트 태양전지에 관한 연구는 수년 동안 급격히 증가하여 왔다. 예를 들어, "상부 광활성 층의 형상 및 다공성이 제어된 무/유기 하이브리드 태양전지 제조방법"(대한민국등록특허 제10-1531545호)에 관한 연구 및 보고가 있었다.
종래의 페로브스카이트 태양전지에 포함된 페로브스카이트의 2 가지 전형적인 형태는 3 차원 형태로서, 다공성 산화물 층 및 페로브스카이트 캡핑 층을 보유하는 메조스코픽 필라(pillar) 형태 및 다공성 산화물 층을 보유하지 않는 평면 형태인데, 상기 2 가지 형태 모두에서 정공전달층(HTM; Hole Transport Material Layer)은 페로브스카이트 표면과 접촉된다. 페로브스카이트 층 내의 전하 수송은 n-형 산화물/페로브스카이트 및 페로브스카이트/HTM 계면들에서의 전하 분리를 동반한다. 입자 경계가 있는 나노결정성 시스템에서의 랜덤 워크 모델(random walk model)을 고려할 때, 3 차원 페로브스카이트 형태 내에서의 전하 캐리어 수송은 캐리어 확산 거리가 1 μm 이상임에도 불구하고 충분히 신속하지 못한데, 이는 n-형 산화물/페로브스카이트 및 페로브스카이트/HTM의 계면들에서의 전하 분리에 영향을 미칠 수 있으며, 이에 따라 전하 캐리어 재결합 확률이 증가된다. 이와 같은 전하 캐리어 수송 및 재결합은 태양전지 성능에 영향을 미치는 중요한 요소로서, 종래의 3 차원 메조스코픽 필라 형태의 페로브스카이트 화합물 또는 적층(layer-by-layer) 구조의 페로브스카이트 화합물을 포함하는 태양전지에서는 캐리어 수송 속도는 동일하나 재결합 속도는 빨라졌는바, 페로브스카이트 태양전지의 성능을 향상시키기 위해서는 페로브스카이트로부터 HTM으로의 정공전달 및 페로브스카이트/HTM 계면의 분리 문제가 개선될 필요가 있었다.
이에, 본원은 나노와이어 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 상기 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 하기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트 화합물의 나노와이어를 포함하는 광흡수층을 포함하는, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다:
[화학식 1]
RMX3
상기 화학식 1 중, R은 유기 양이온 또는 알칼리 금속 양이온, 또는 상기 유기 양이온과 상기 알칼리 금속 양이온의 혼합 양이온을 포함하는 것이고, M은 Cu2 +, Ni2+, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Yb2 +, Pb2 +, Sn2 +, Ge2 +, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이고, X는 음이온이다.
본원의 제 2 측면은, MX2-함유 용액을 도포한 후 RX-함유 용액을 도포하는 것을 포함하는 공정을 이용하여, 하기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트 화합물의 나노와이어를 포함하는 광흡수층을 형성하는 것을 포함하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 제공한다:
[화학식 1]
RMX3
상기 화학식 1, 상기 MX2-함유 용액, 및 상기 RX-함유 용액 각각에서, R은 유기 양이온 또는 알칼리 금속 양이온, 또는 상기 유기 양이온과 상기 알칼리 금속 양이온의 혼합 양이온을 포함하는 것이고, M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2+, Cd2 +, Yb2 +, Pb2 +, Sn2 +, Ge2 +, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이고, X는 음이온이다.
본원의 구현예들에 따르면, MX2-함유 용액을 도포한 후 RX-함유 용액을 도포하는 것을 포함하는 공정을 통해 나노와이어 형태의 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광흡수층을 형성하는 것을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 종래의 3 차원 형태의 페로브스카이트 화합물 대신 1 차원의 나노와이어 웹 형태의 페로브스카이트 화합물을 태양전지에 광흡수층으로서 포함시킴으로써 태양전지의 성능을 향상시킨 것이다. 구체적으로, 본원에 따라 1 차원의 나노와이어 웹 형태의 페로브스카이트 화합물을 태양전지에 광흡수층으로서 포함시킬 경우, 페로브스카이트로부터 정공전달층(hole transport material layer; 이하, "HTM"이라고 함)으로의 정공전달 및 페로브스카이트/HTM 계면의 분리 문제가 개선되도록 할 수 있고, 이에 따라 광전변환효율(Power Conversion Efficiency; 이하, "PCE"라고 함) 등 태양전지의 성능이 향상되는 효과가 달성될 수 있다. 이와 관련하여, 본원의 구현예들에 따라 제조된 평균 직경이 약 100 nm인 1차원 나노와이어 형태의 페로브스카이트는, 종래의 3 차원 페로브스카이트와 비교할 때 HTM의 존재 하에서 상대적으로 빠른 캐리어 분리를 나타내고 상대적으로 높은 수평 전도도를 나타낸다는 점이 확인되었으며, 페로브스카이트/HTM에서의 전하 분리 또한 본원의 1 차원 나노와이어에서 상대적으로 빠르게 나타난다는 것이 확인되었다. 이처럼 본원에 따른 1 차원 나노와이어 형태의 페로브스카이트에서 전하 분리 및 전도도가 개선된다는 점은, 본원에 따라 1 차원 웹 형태의 페로브스카이트 나노와이어 필름을 제조하여 태양전지에 적용할 경우 높은 광전지 성능을 기대할 수 있다는 점에서 의미가 있다. 본원의 일 실시예에서는 MAPbI3(메틸암모늄 요오드화 납; CH3NH3PbI3) 나노와이어를 디바이스에 적용함으로써 표준 AM 1.5G 태양 조도에서 약 14.71%의 PCE를 달성하였다.
본원의 구현예들에 따르면, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법에 포함된 상기 MX2-함유 용액을 도포한 후 RX-함유 용액을 도포하는 것을 포함하는 공정은 2 단계 스핀 코팅 공정을 통해 수행될 수 있는 것으로서, 본원의 구현예들에 따르면, 전자-스피닝과 같은 특별한 기술을 사용하지 않고도 효율적으로 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있다. 또한, 본원의 구현예들에 따르면, 페로브스카이트 태양전지에 포함되는 페로브스카이트 화합물의 나노와이어 형태, 즉, 나노와이어의 직경 및 길이 등은, 상기 RX-함유 용액에 포함된 용매의 종류 및 함량을 조절함으로써 용이하게 조절될 수 있는바, 본원의 구현예들에 따르면, 페로브스카이트 태양전지의 성능을 보다 용이하게 최적화할 수 있다.
도 1은, 본원의 일 실시예에 따라 형성된 MAPbI3 나노와이어의 3 차원-뷰 주사전자현미경(3D-view SEM) 이미지, 상기 MAPbI3 나노와이어를 적용한 태양전지 적층 구조, 및 상기 태양전지에서 측정된 광전류 밀도(약 19.12 mA/cm2), 전압(약 1.052 V), 충전율(약 0.721), 및 PCE(약 14.71%)를 동시에 나타낸 것이다.
도 2a 내지 도 2d는, 본원의 일 실시예에 따라 IPA 및 선택적으로 극성 비양자성 용매인 DMF를 포함하는 용매에 MAI를 용해시킨 용액을 이용하여 형성된 MAPbI3의 평면-뷰 주사전자현미경 이미지들로서, 상기 극성 비양자성 용매인 DMF의 함량은 도 2a에서 약 10 μL, 도 2b에서 약 50 μL, 및 도 2c에서 약 100 μL이고, 도 2d는 DMF가 포함되지 않은 경우이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 따라 형성된 MAPbI3 나노와이어의 평면-뷰 주사전자현미경(plane-view SEM) 이미지로서, 상기 MAPbI3 나노와이어의 직경 범위를 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4f는, 본원의 일 실시예에 따라 IPA 및 DMF에 용해된 MAI 용액을 이용하여 형성된 MAPbI3의 평면-뷰 주사전자현미경 이미지로서, 상기 MAI 용액의 농도는 도 4a에서 약 0.019 M, 도 4b에서 약 0.038 M, 도 4c에서 약 0.057 M, 도 4d에서 약 0.076 M, 도 4e에서 약 0.095 M, 및 도 4f에서 약 0.114 M이다.
도 5a 내지 도 5c는, 본원의 일 실시예에 따라 IPA 및 극성 비양자성 용매에 용해된 MAI 용액을 이용하여 형성된 MAPbI3의 평면-뷰 주사전자현미경 이미지로서, 상기 극성 비양자성 용매는 도 5a에서 DMF, 도 5b에서 DMSO, 및 도 5c에서 GBL이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 따른 MAPbI3의 XRD 패턴으로서, (a)는 IPA 및 DMF에 용해된 MAI 용액을 이용하여 형성된 MAPbI3 나노와이어의 XRD 패턴이고, (b) DMF 없이 IPA에 용해된 MAI 용액을 이용하여 형성된 MAPbI3 큐보이드(cuboid)의 XRD 패턴이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 따라 형성된 서로 다른 형태의 페로브스카이트 필름(FTO/TiO2/MAPbI3/HTM)의 흡광도 및 정규화된(normalized) 형광(FL) 스펙트럼으로서, 흑색 그래프는 대조군인 나노큐브 형태인 경우이고, 적색 그래프는 나노와이어 형태인 경우이다.
도 8a 및 도 8b는, 본원의 일 실시예에 따라 형성된 서로 다른 형태의 페로브스카이트 필름의 약 406 nm 파장에서의 여기(excitation)에 따른 정규화된 형광 감소 동역학을 나타낸 것으로서, 도 8a는 MAPbI3 벌크(큐보이드) 형태인 경우이고, 도 8b는 MAPbI3 나노와이어 형태인 경우이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 따른 평면 내 페로브스카이트의 DC-전도도를 나타낸 것이다.
도 10a 및 도 10b는, 본원의 일 실시예에 따른 MAPbI3 나노와이어가 적용된 전체 전지의 주사전자현미경 이미지로서, 도 10a는 횡단면 주사전자현미경 이미지이고, 도 10b는 평면-뷰 주사전자현미경 이미지이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 따라 IPA 및 DMF에 용해된 MAI 용액을 이용하여 형성된 MAPbI3의 3차원-뷰 주사전자현미경 이미지이다.
도 12a 및 도 12b는, 본원의 일 실시예에 따라 형성된 MAPbI3 나노와이어에 기반한 페로브스카이트 태양전지의 광전지 성능을 나타낸 것으로서, 도 12a는 상기 태양전지의 전류-전압 그래프이고, 도 12b는 상기 태양전지의 외부양자효율(EQE)을 나타낸 것이다.
도 13은, 본원의 일 실시예에 따라 형성된 나노와이어 페로브스카이트 태양전지의 스캔 방향에 따른 J-V 그래프로서, 흑색 점은 역방향 스캔을 나타내고, 백색 점은 정방향 스캔을 나타낸 것이다.
도 2a 내지 도 2d는, 본원의 일 실시예에 따라 IPA 및 선택적으로 극성 비양자성 용매인 DMF를 포함하는 용매에 MAI를 용해시킨 용액을 이용하여 형성된 MAPbI3의 평면-뷰 주사전자현미경 이미지들로서, 상기 극성 비양자성 용매인 DMF의 함량은 도 2a에서 약 10 μL, 도 2b에서 약 50 μL, 및 도 2c에서 약 100 μL이고, 도 2d는 DMF가 포함되지 않은 경우이다.
도 3은, 본원의 일 실시예에 따라 형성된 MAPbI3 나노와이어의 평면-뷰 주사전자현미경(plane-view SEM) 이미지로서, 상기 MAPbI3 나노와이어의 직경 범위를 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4f는, 본원의 일 실시예에 따라 IPA 및 DMF에 용해된 MAI 용액을 이용하여 형성된 MAPbI3의 평면-뷰 주사전자현미경 이미지로서, 상기 MAI 용액의 농도는 도 4a에서 약 0.019 M, 도 4b에서 약 0.038 M, 도 4c에서 약 0.057 M, 도 4d에서 약 0.076 M, 도 4e에서 약 0.095 M, 및 도 4f에서 약 0.114 M이다.
도 5a 내지 도 5c는, 본원의 일 실시예에 따라 IPA 및 극성 비양자성 용매에 용해된 MAI 용액을 이용하여 형성된 MAPbI3의 평면-뷰 주사전자현미경 이미지로서, 상기 극성 비양자성 용매는 도 5a에서 DMF, 도 5b에서 DMSO, 및 도 5c에서 GBL이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 따른 MAPbI3의 XRD 패턴으로서, (a)는 IPA 및 DMF에 용해된 MAI 용액을 이용하여 형성된 MAPbI3 나노와이어의 XRD 패턴이고, (b) DMF 없이 IPA에 용해된 MAI 용액을 이용하여 형성된 MAPbI3 큐보이드(cuboid)의 XRD 패턴이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 따라 형성된 서로 다른 형태의 페로브스카이트 필름(FTO/TiO2/MAPbI3/HTM)의 흡광도 및 정규화된(normalized) 형광(FL) 스펙트럼으로서, 흑색 그래프는 대조군인 나노큐브 형태인 경우이고, 적색 그래프는 나노와이어 형태인 경우이다.
도 8a 및 도 8b는, 본원의 일 실시예에 따라 형성된 서로 다른 형태의 페로브스카이트 필름의 약 406 nm 파장에서의 여기(excitation)에 따른 정규화된 형광 감소 동역학을 나타낸 것으로서, 도 8a는 MAPbI3 벌크(큐보이드) 형태인 경우이고, 도 8b는 MAPbI3 나노와이어 형태인 경우이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 따른 평면 내 페로브스카이트의 DC-전도도를 나타낸 것이다.
도 10a 및 도 10b는, 본원의 일 실시예에 따른 MAPbI3 나노와이어가 적용된 전체 전지의 주사전자현미경 이미지로서, 도 10a는 횡단면 주사전자현미경 이미지이고, 도 10b는 평면-뷰 주사전자현미경 이미지이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 따라 IPA 및 DMF에 용해된 MAI 용액을 이용하여 형성된 MAPbI3의 3차원-뷰 주사전자현미경 이미지이다.
도 12a 및 도 12b는, 본원의 일 실시예에 따라 형성된 MAPbI3 나노와이어에 기반한 페로브스카이트 태양전지의 광전지 성능을 나타낸 것으로서, 도 12a는 상기 태양전지의 전류-전압 그래프이고, 도 12b는 상기 태양전지의 외부양자효율(EQE)을 나타낸 것이다.
도 13은, 본원의 일 실시예에 따라 형성된 나노와이어 페로브스카이트 태양전지의 스캔 방향에 따른 J-V 그래프로서, 흑색 점은 역방향 스캔을 나타내고, 백색 점은 정방향 스캔을 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "알킬기"는 통상적으로, 1 내지 24 개의 탄소 원자, 1 내지 20 개의 탄소 원자, 1 내지 10 개의 탄소 원자, 1 내지 8 개의 탄소 원자, 1 내지 5 개의 탄소 원자, 또는 1 내지 3 개의 탄소 원자를 갖는, 선형 또는 분지형의 알킬기를 나타낸다. 상기 알킬기가 알킬기로 치환되는 경우, 이는 "분지형의 알킬기"로도 상호 교환하여 사용된다. 상기 알킬기에 치환될 수 있는 치환기로는, 할로(예를 들어, F, Cl, Br, I), 할로알킬(예를 들어, CC13 또는 CF3), 알콕시, 알킬티오, 히드록시, 카르복시(-C(O)-OH), 알킬옥시카르보닐(-C(O)-O-R), 알킬카르보닐옥시(-O-C(O)-R), 아미노(-NH2), 카르바모일(-NHC(O)OR- 또는 -O-C(O)NHR-), 우레아(-NH-C(O)-NHR-) 및 티올(-SH)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 들 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 아울러, 앞서 기술된 상기 알킬기 중 탄소수 2 이상의 알킬기는 적어도 하나의 탄소 대 탄소 이중 결합 또는 적어도 하나의 탄소 대 탄소 삼중 결합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵실, 옥틸, 노닐, 데실, 운데실, 도데실, 트리데실, 테트라데실, 펜타데실, 헥사데실, 헵타데실, 옥타데실, 노나데실, 에이코사닐, 또는 이들의 가능한 모든 이성질체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "할로겐" 또는 "할로"는 주기율표의 17 족에 속하는 할로겐 원자가 작용기의 형태로서 화합물에 포함되어 있는 것을 의미하는 것으로서, 예를 들어, 염소, 브롬, 불소 또는 요오드일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 하기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트 화합물의 나노와이어를 포함하는 광흡수층을 포함하는, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다:
[화학식 1]
RMX3
상기 화학식 1 중, R은 유기 양이온 또는 알칼리 금속 양이온, 또는 상기 유기 양이온과 상기 알칼리 금속 양이온의 혼합 양이온을 포함하는 것이고, M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2+, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Yb2 +, Pb2 +, Sn2 +, Ge2 +, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이고, X는 음이온이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1 중 R은 (R1R2R3R4N)+로서 표시되는 1 가의 유기 암모늄 이온으로서, R1 내지 R4 각각은 독립적으로 탄소수가 1 내지 24인 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수가 3 내지 20인 시클로알킬기, 탄소수가 6 내지 20인 아릴기, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1 중 R은 (R5-NH3)+로서 표시되는 1 가의 유기 암모늄 이온으로서, R5는 탄소수가 1 내지 24인 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수가 3 내지 20인 시클로알킬기, 탄소수가 6 내지 20인 아릴기, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1 중 R이 (R5-NH3)+인 경우, R5는 메틸기 또는 에틸기일 수 있다. 예를 들어, R5가 메틸기인 경우, 상기 화학식 1 중 R은 (CH3NH3)+로서 표시되는 메틸암모늄(MA) 이온일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1 중 R은 화학식 (R6R7N=CH-NR8R9)+로서 표시되는 것일 수 있으며, 여기에서 R6는 수소, 치환되지 않거나 치환된 탄소수가 1 내지 20인 알킬(alkyl)기, 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴(aryl)기일 수 있고; R7은 수소, 치환되지 않거나 치환된 탄소수가 1 내지 20인 알킬기, 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴기일 수 있으며; R8은 수소, 치환되지 않거나 치환된 탄소수가 1 내지 20인 알킬기, 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴기일 수 있고; R9은 수소, 치환되지 않거나 치환된 탄소수가 1 내지 20인 알킬기, 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴기일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 양이온 (R6R7N=CH-NR8R9)+에서 R6는 수소, 메틸기, 또는 에틸기일 수 있고, R7은 수소, 메틸기, 또는 에틸기일 수 있으며, R8은 수소, 메틸기, 또는 에틸기일 수 있고, R9은 수소, 메틸기, 또는 에틸기일 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 예를 들면, R6는 수소나 메틸기일 수 있고, R7은 수소나 메틸기일 수 있으며, R8은 수소나 메틸기일 수 있고, R9은 수소나 메틸기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 화학식 1 중 R은 화학식 (R6R7N=CH-NR8R9)+로서 표시되는 유기 양이온으로서, 구체적으로 (H2N=CH-NH2)+의 화학식을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에서 사용된 알킬기는 치환되거나 치환되지 않으며, 선형이거나 또는 분기된 체인 포화 라디칼(branched chain saturated radical)일 수 있으며, 그것은 종종 치환되거나 치환되지 않은 선형 체인 포화 라디칼일 수 있으며, 예를 들어, 치환되지 않은 선형 체인 포화 라디칼일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본원에서 사용된 탄소수가 1 내지 20인 알킬기는, 치환되거나 치환되지 않은, 직선의 또는 분기된 체인 포화 탄화수소 라디칼일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본원에서 사용된 알킬기는, 탄소수가 1 내지 10인 알킬기, 즉, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 헥실기, 헵틸기, 옥틸기, 노닐기, 또는 데실(decyl)기일 수 있고, 또는 탄소수가 1 내지 6인 알킬기, 즉, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 부틸기, 펜틸기, 또는 헥실기일 수 있으며, 또는 탄소수가 1 내지 4인 알킬기, 즉, 메틸기, 에틸기, i-프로필기, n-프로필기, t-부틸기, s-부틸기, 또는 n-부틸기일 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다.
상기 알킬기가 치환되는 경우, 치환기(substituent)는 다음으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 치환기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다: 치환되거나 치환되지 않은 탄소수가 1 내지 20인 알킬기, 치환되거나 치환되지 않은 아릴기, 시아노(cyano)기, 아미노기, 탄소수가 1 내지 10인 알킬아미노(alkylamino)기, 탄소수가 1 내지 10인 디(di)알킬아미노기, 아릴아미노(arylamino)기, 디아릴아미노(diarylamino)기, 아릴알킬아미노(arylalkylamino)기, 아미드(amido)기, 아실아미드(acylamido)기, 하이드록시(hydroxy)기, 옥소(oxo)기, 할로(halo)기, 카르복시(carboxy)기, 에스테르(ester)기, 아실(acyl)기, 아실록시(acyloxy)기, 탄소수가 1 내지 20인 알콕시(alkoxy)기, 아릴옥시(aryloxy)기, 할로알킬(haloalkyl)기, 슬폰산(sulfonic acid)기, 슬폰(sulfhydryl)기 (즉, 티올(thiol), -SH), 탄소수가 1 내지 10인 알킬티오(alkylthio)기, 아릴티오(arylthio)기, 슬포닐(sulfonyl)기, 인산(phosphoric acid)기, 인산염 에스테르(phosphate ester)기, 포스폰산(phosphonic acid)기, 및 포스포네이트 에스테르 (phosphonate ester)기. 예를 들어, 치환된 알킬기는, 할로겐알킬기, 수산알킬(hydroxyalkyl)기, 아미노알킬(aminoalkyl)기, 알콕시알킬(alkoxyalkyl)기, 또는 알카릴(alkaryl)기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 알카릴기는 치환된 탄소수가 1 내지 20인 알킬기에 속하는 것으로서, 적어도 하나의 수소 원자가 아릴기로 치환된 경우를 의미하는 것이다. 예를 들어, 상기 적어도 하나의 수소 원자를 치환하는 아릴기는, 벤질(benzyl)기 [페닐메틸(phenylmethyl), PhCH2-], 벤즈히드릴(benzhydryl)기 (Ph2CH-), 트리틸(trityl)기 [트리페닐메틸(triphenylmethyl), Ph3C-], 펜에틸(phenethyl)기 [페닐에틸(phenylethyl), Ph-CH2CH2-], 스티릴(styryl)기 (PhCH=CH-), 또는 신나밀(cinnamyl)기 (PhCH=CHCH2-)를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 알킬기가 치환되는 경우, 알킬기를 치환하는 치환기는 1 개, 2 개, 또는 3 개일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에서 사용된 아릴기는, 치환되거나 치환되지 않은, 단일 고리(monocyclic) 또는 이중 고리(bicylic)의 방향성(aromatic) 그룹으로서, 이 그룹은 6 내지 14의 탄소 원자들, 바람직하게는 링 부분에 6 내지 10의 탄소 원자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본원에서 사용된 아릴기에는 페닐(phenyl)기, 나프틸(naphthyl)기, 인데닐(indenyl)기, 및 인다닐(indanyl)기가 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 아릴기는 치환되거나 치환되지 않을 수 있는데, 상기 정의된 아릴기가 치환되는 경우, 치환기는 다음으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 치환기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다: 치환되지 않은 탄소수가 1 내지 6인 알킬기 (아랄킬(aralkyl) 그룹을 형성함), 치환되지 않은 아릴기, 시아노(cyano)기, 아미노기, 탄소수가 1 내지 10인 알킬아미노기, 탄소수가 1 내지 10인 디(di)알킬아미노기, 아릴아미노(arylamino)기, 디아릴아미노(diarylamino)기, 아릴알킬아미노(arylalkylamino)기, 아미드(amido)기, 아실아미드(acylamido)기, 하이드록시기, 할로기, 카르복시기, 에스테르기, 아실(acyl)기, 아실록시(acyloxy)기, 탄소수가 1 내지 20인 알콕시(alkoxy)기, 아릴록시(aryloxy)기, 할로알킬(haloalkyl)기, 설프하이드릴(sulfhydryl)기 (즉, 티올 (thiol), -SH), 탄소수가 1 내지 10인 알킬티오(alkylthio)기, 아릴티오(arylthio)기, 슬폰산(sulfonic acid)기, 인산(phosphoric acid)기, 인산염 에스테르(phosphate ester)기, 포스폰산(phosphonic acid)기, 및 술포닐(sulfonyl)기. 예를 들어, 치환된 아릴기는 1 개, 2 개, 또는 3 개의 치환기를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 치환된 아릴기는 단일의 탄소수가 1 내지 6인 알킬렌(alkylene)기와 함께, 또는 화학식 [-X-(C1-C6)알킬렌], 또는 화학식 [-X-(C1-C6)알킬렌-X-]로서 표현되는 2 배위자(bidentate) 그룹과 함께 두 개의 위치들에서 치환될 수 있으며, 여기에서 X는 O, S, 및 NR로부터 선택되는 것일 수 있고, R은 H, 아릴기, 또는 탄소수가 1 내지 6인 알킬기일 수 있다. 예를 들어, 치환된 아릴기는 사이클로알킬(cycloalkyl)기 또는 헤테로사이크릴(heterocyclyl)기와 융해된 아릴기일 수 있다. 예를 들어, 아릴기의 링형 원자들은 하나 또는 그 이상의 헤테로원자들을 헤테로아릴기로서 포함할 수 있다. 이와 같은 아릴기 또는 헤테로아릴기는 치환된 또는 치환되지 않은 단일(mono)- 또는 이중사이클릭(bicyclic) 복소고리 방향족(heteroaromatic) 그룹이며, 상기 방향족 그룹은 하나 또는 그 이상의 헤테로원자들을 포함하는 링형 부분에 6 내지 10의 원자들을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어 5- 또는 6-부분으로 갈라진 링으로서, O, S, N, P, Se 및 Si로부터 선택된 적어도 하나의 헤테로원자(heteroatom)를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 헤테로원자는 1 개, 2 개, 또는 3 개 포함될 수 있다. 예를 들어, 헤테로아릴기는 피리딜(pyridyl)기, 피라진일(pyrazinyl)기, 피리미딘일(pyrimidinyl)기, 피리다지닐(pyridazinyl)기, 후라닐(furanyl)기, 티에닐(thienyl)기, 피라졸리디닐(pyrazolidinyl)기, 피롤릴(pyrrolyl)기, 옥사졸릴(oxazolyl)기, 옥사디아졸릴(oxadiazolyl)기, 이소옥사졸릴(isoxazolyl)기, 티아디아졸릴(thiadiazolyl)기, 티아졸릴(thiazolyl)기, 이소티아졸릴(isothiazolyl)기, 이미다졸릴(imidazolyl)기, 피라졸릴(pyrazolyl)기, 퀴놀릴(quinolyl)기, 및 이소퀴놀릴(isoquinolyl)기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 헤테로아릴기는 치환되지 않을 수도 있고, 앞서 아릴기에 대해서 설명한 것과 같이 치환될 수도 있으며, 치환되는 경우 치환기는 예를 들어 1 개, 2 개, 또는 3 개일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1 중 R은 상기 유기 양이온에 추가로 알칼리 금속 양이온을 포함하는 것, 즉, 상기 유기 양이온과 상기 알칼리 금속 양이온의 혼합 양이온을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 경우, 상기 화학식 1 중 R의 전체 양이온 중 상기 알칼리 금속 양이온의 몰 비율이 0 초과 내지 0.2일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 알칼리 금속 양이온은 Cs, K, Rb, Mg, Ca, Sr, Ba, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속의 양이온을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1 중 X는 할라이드 음이온 또는 칼코게나이드 음이온을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1 중 X는 한 가지 또는 두 가지 이상의 음이온을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 1 종 이상의 할라이드 음이온 또는 1 종 이상의 칼코게나이드 음이온, 또는 이들의 혼합 음이온을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1 중 X는 F-, Cl-, Br-, I-, S2-, Se2 -. Te2 -, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1 중 X는 1 가의 할라이드 음이온으로서, F-, Cl-, Br-, I-, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 음이온을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1 중 X는 2 가의 칼코게나이드 음이온으로서, S2-, Se2 -. Te2 -, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1의 페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbIxCly(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수, 및 x+y=3), CH3NH3PbIxBry(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수, 및 x+y=3), CH3NH3PbClxBry(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수, 및 x+y=3), 및 CH3NH3PbIxFy(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수, 및 x+y=3)에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있으며, 또한, (CH3NH3)2PbIxCly(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수, 및 x+y=4), (CH3NH3)2PbIxBry(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수, 및 x+y=4), (CH3NH3)2PbClxBry(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수, 및 x+y=4), 및 (CH3NH3)2PbIxFy(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수, 및 x+y=4)에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1의 페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbCl3, CH3NH3PbF3, CH3NH3PbBrI2, CH3NH3PbBrCl2, CH3NH3PbIBr2, CH3NH3PbICl2, CH3NH3PbClBr2, CH3NH3PbI2Cl, CH3NH3SnBrI2, CH3NH3SnBrCl2, CH3NH3SnF2Br, CH3NH3SnIBr2, CH3NH3SnICl2, CH3NH3SnF2I, CH3NH3SnClBr2, CH3NH3SnI2Cl, 및 CH3NH3SnF2Cl로부터 하나 또는 둘 이상 선택된 페로브스카이트 화합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들면, 상기 화학식 1의 페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbBrI2, CH3NH3PbBrCl2, CH3NH3PbIBr2, CH3NH3PbICl2, CH3NH3PbClBr2, CH3NH3PbI2Cl, CH3NH3SnBrI2, CH3NH3SnBrCl2, CH3NH3SnF2Br, CH3NH3SnIBr2, CH3NH3SnICl2, CH3NH3SnF2I, CH3NH3SnClBr2, CH3NH3SnI2Cl, 및 CH3NH3SnF2Cl로부터 하나 또는 둘 이상 선택된 페로브스카이트 화합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들면, 상기 화학식 1의 페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbBrI2, CH3NH3PbBrCl2, CH3NH3PbIBr2, CH3NH3PbICl2, CH3NH3PbClBr2, CH3NH3PbI2Cl, CH3NH3SnF2Br, CH3NH3SnICl2, CH3NH3SnF2I, CH3NH3SnI2Cl, 및 CH3NH3SnF2Cl로부터 하나 또는 둘 이상 선택된 페로브스카이트 화합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들면, 상기 화학식 1의 페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbBrI2, CH3NH3PbBrCl2, CH3NH3PbIBr2, CH3NH3PbICl2, CH3NH3PbClBr2, CH3NH3PbI2Cl, CH3NH3SnF2Br, CH3NH3SnF2I, 및 CH3NH3SnF2Cl로부터 하나 또는 둘 이상 선택된 페로브스카이트 화합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들면, 상기 화학식 1의 페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbBrI2, CH3NH3PbBrCl2, CH3NH3PbIBr2, CH3NH3PbICl2, CH3NH3SnF2Br, 및 CH3NH3SnF2I로부터 하나 또는 둘 이상 선택된 페로브스카이트 화합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 본원의 일 구현예에 따른 페로브스카이트 태양전지에 포함되는 상기 페로브스카이트 화합물은 메틸암모늄 요오드화 납(CH3NH3PbI3; 이하, "MAPbI3"라고 함)일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 페로브스카이트 화합물로서 MAPbI3를 적용할 경우, 이의 균형 잡힌 전하 수송 능력, 및 이에 따른 마이크론 스케일의 확산 거리로 인하여 박막 p-i-n 또는 p-n 정션 구조에 적용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 직경은 약 30 nm 내지 약 200 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 직경은 약 30 nm 내지 약 50 nm, 약 30 nm 내지 약 80 nm, 약 30 nm 내지 약 100 nm, 약 30 nm 내지 약 130 nm, 약 30 nm 내지 약 150 nm, 약 30 nm 내지 약 180 nm, 약 30 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 80 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 130 nm, 약 50 nm 내지 약 150 nm, 약 50 nm 내지 약 180 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 80 nm 내지 약 100 nm, 약 80 nm 내지 약 130 nm, 약 80 nm 내지 약 150 nm, 약 80 nm 내지 약 180 nm, 약 80 nm 내지 약 200 nm, 약 100 nm 내지 약 130 nm, 약 100 nm 내지 약 150 nm, 약 100 nm 내지 약 180 nm, 약 100 nm 내지 약 200 nm, 약 130 nm 내지 약 150 nm, 약 130 nm 내지 약 180 nm, 약 130 nm 내지 약 200 nm, 약 150 nm 내지 약 180 nm, 약 150 nm 내지 약 200 nm, 또는 약 180 nm 내지 약 200 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 종횡비는 약 1 내지 약 100일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 종횡비는 약 1 내지 약 100, 또는 약 10 내지 약 100일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트 태양전지는, 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 형성된 재결합 방지층; 상기 재결합 방지층에 형성된 상기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트 화합물의 나노와이어를 포함하는 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성된 정공전달층(HTM); 및, 상기 정공전달층(HTM) 상에 형성된 제 2 전극을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 페로브스카이트 태양전지는 두 개의 전극, 즉, 제 1 전극과 제 2 전극이 서로 면 접합된 샌드위치 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 전극은 작업 전극(working electrode) 또는 반도체 전극 또는 광전극으로서 표현될 수 있으며, 상기 제 2 전극은 상대 전극(counter electrode)으로서 표현될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 전도성 투명기재는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 산화아연, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 함유하는 유리 기재 또는 플라스틱 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 전도성 투명 기재는 전도성 및 투명성을 가지는 물질이라면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 플라스틱 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 트리아세틸셀룰로오스, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 투명 기재는 3 족 금속, 예를 들어, Al, Ga, In, Ti, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 도핑되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 재결합 방지층은 다공성 금속 산화물 입자층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 유기 반도체, 무기 반도체, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 재결합 방지층은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광흡수층은 상기 페로브스카이트의 1 차원 나노와이어 웹 구조를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 광흡수층이 상기 페로브스카이트의 1 차원 나노와이어 웹 구조를 가지는 경우, 3 차원 벌크 구조를 가지는 경우에 비해 전하 분리 및 전도도 특성 등이 개선되어, 결과적으로 페로브스카이트 태양전지의 광전지 성능을 향상시키는 효과를 달성할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 정공전달층(HTM)은 단분자 정공전달물질 또는 고분자 정공전달물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 단분자 정공전달물질로서 스피로-MeOTAD [2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxy-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene]를 사용할 수 있고, 상기 고분자 정공전달물질로서 P3HT[poly(3-hexylthiophene)], PTAA(polytriarylamine), poly(3,4-ethylenedioxythiophene), 또는 polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 정공전달층(HTM)은 도핑 물질로서 Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 도펀트를 사용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 정공전달물질로서, 스피로-MeOTAD, Li-TFSI[Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt], 및 tBP(4-tert-Butylpyridine)의 혼합 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 정공전달층(HTM)과 관련하여, 상기 페로브스카이트 나노와이어들 사이의 빈 공간을 채우며 상기 정공전달층(HTM)이 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 안정성인 높은 금속인 금(Au)을 상기 제 2 전극으로서 사용함으로써, 본원의 페로브스카이트 태양전지의 장기안정성을 향상시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, MX2-함유 용액을 도포한 후 RX-함유 용액을 도포하는 것을 포함하는 공정을 이용하여, 하기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트 화합물의 나노와이어를 포함하는 광흡수층을 형성하는 것을 포함하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 제공한다:
[화학식 1]
RMX3
상기 화학식 1, 상기 MX2-함유 용액, 및 상기 RX-함유 용액 각각에서, R은 유기 양이온 또는 알칼리 금속 양이온, 또는 상기 유기 양이온과 상기 알칼리 금속 양이온의 혼합 양이온을 포함하는 것이고, M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2+, Yb2 +, Pb2 +, Sn2 +, Ge2 +, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이고, X는 음이온이다.
본원의 제 2 측면을 상세하게 설명함에 있어서, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1 및 상기 RX-함유 용액 각각에서의 R은 (R1R2R3R4N)+로서 표시되는 1 가의 유기 암모늄 이온으로서, R1 내지 R4 각각은 독립적으로 탄소수가 1 내지 24인 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수가 3 내지 20인 시클로알킬기, 탄소수가 6 내지 20인 아릴기, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1 및 상기 RX-함유 용액 각각에서의 R은 (R5-NH3)+로서 표시되는 1 가의 유기 암모늄 이온으로서, R5는 탄소수가 1 내지 24인 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수가 3 내지 20인 시클로알킬기, 탄소수가 6 내지 20인 아릴기, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1 및 상기 RX-함유 용액 각각에서의 R이 (R5-NH3)+인 경우, R5는 메틸기 또는 에틸기일 수 있다. 예를 들어, R5가 메틸기인 경우, 상기 화학식 1 및 상기 RX-함유 용액 각각에서의 R은 (CH3NH3)+로서 표시되는 메틸암모늄(MA) 이온일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1 및 상기 RX-함유 용액 각각에서의 R은 화학식 (R6R7N=CH-NR8R9)+로서 표시되는 것일 수 있으며, 여기에서 R6는 수소, 치환되지 않거나 치환된 탄소수가 1 내지 20인 알킬(alkyl)기, 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴(aryl)기일 수 있고; R7은 수소, 치환되지 않거나 치환된 탄소수가 1 내지 20인 알킬기, 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴기일 수 있으며; R8은 수소, 치환되지 않거나 치환된 탄소수가 1 내지 20인 알킬기, 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴기일 수 있고; R9은 수소, 치환되지 않거나 치환된 탄소수가 1 내지 20인 알킬기, 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴기일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 양이온 (R6R7N=CH-NR8R9)+에서 R6는 수소, 메틸기, 또는 에틸기일 수 있고, R7은 수소, 메틸기, 또는 에틸기일 수 있으며, R8은 수소, 메틸기, 또는 에틸기일 수 있고, R9은 수소, 메틸기, 또는 에틸기일 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. 예를 들면, R6는 수소나 메틸기일 수 있고, R7은 수소나 메틸기일 수 있으며, R8은 수소나 메틸기일 수 있고, R9은 수소나 메틸기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 화학식 1 및 상기 RX-함유 용액 각각에서의 R은 화학식 (R6R7N=CH-NR8R9)+로서 표시되는 유기 양이온으로서, 구체적으로 (H2N=CH-NH2)+의 화학식을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1 및 상기 RX-함유 용액 각각에서의 R은 상기 유기 양이온에 추가로 알칼리 금속 양이온을 포함하는 것, 즉, 상기 유기 양이온과 상기 알칼리 금속 양이온의 혼합 양이온을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 경우, 상기 화학식 1 및 상기 RX-함유 용액 각각에서의 R의 전체 양이온 중 상기 알칼리 금속 양이온의 몰 비율이 0 초과 내지 0.2일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 알칼리 금속 양이온은 Cs, K, Rb, Mg, Ca, Sr, Ba, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속의 양이온을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1 중 X는 할라이드 음이온 또는 칼코게나이드 음이온을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1 중 X는 F-, Cl-, Br-, I-, S2-, Se2 -. Te2 -, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 음이온을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1 중 X는 1 가의 할라이드 음이온으로서, F-, Cl-, Br-, I-, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1 중 X는 2 가의 칼코게나이드 음이온으로서, S2-, Se2 -. Te2 -, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 본원의 페로브스카이트 태양전지에 포함되는 상기 페로브스카이트 화합물은 MAPbI3(메틸암모늄 요오드화 납; CH3NH3PbI3)일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 페로브스카이트 화합물로서 MAPbI3를 적용할 경우, 이의 균형 잡힌 전하 수송 능력, 및 이에 따른 마이크론 스케일의 확산 거리로 인하여 박막 p-i-n 또는 p-n 정션 구조에 적용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 MX2-함유 용액은 PbI2-함유 용액일 수 있고, 상기 MX2-함유 용액을 도포하는 것은 스핀 코팅을 통해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 상기 RX-함유 용액은 MAI(CH3NH3I)-함유 용액일 수 있고, 상기 RX-함유 용액을 도포하는 것은 스핀 코팅을 통해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 직경은 약 30 nm 내지 약 200 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 직경은 약 30 nm 내지 약 50 nm, 약 30 nm 내지 약 80 nm, 약 30 nm 내지 약 100 nm, 약 30 nm 내지 약 130 nm, 약 30 nm 내지 약 150 nm, 약 30 nm 내지 약 180 nm, 약 30 nm 내지 약 200 nm, 약 50 nm 내지 약 80 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 130 nm, 약 50 nm 내지 약 150 nm, 약 50 nm 내지 약 180 nm, 약 50 nm 내지 약 200 nm, 약 80 nm 내지 약 100 nm, 약 80 nm 내지 약 130 nm, 약 80 nm 내지 약 150 nm, 약 80 nm 내지 약 180 nm, 약 80 nm 내지 약 200 nm, 약 100 nm 내지 약 130 nm, 약 100 nm 내지 약 150 nm, 약 100 nm 내지 약 180 nm, 약 100 nm 내지 약 200 nm, 약 130 nm 내지 약 150 nm, 약 130 nm 내지 약 180 nm, 약 130 nm 내지 약 200 nm, 약 150 nm 내지 약 180 nm, 약 150 nm 내지 약 200 nm, 또는 약 180 nm 내지 약 200 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서 상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 종횡비는 약 1 내지 약 100일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 종횡비는 약 1 내지 약 100, 또는 약 10 내지 약 100일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 MX2-함유 용액을 도포하는 것 및 상기 RX-함유 용액을 도포하는 것은 각각 스핀 코팅을 통해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 본원의 페로브스카이트 태양전지는, 스핀 코팅을 통해 상기 MX2-함유 용액을 도포한 후 스핀 코팅을 통해 상기 RX-함유 용액을 도포하는, 2 단계 스핀 코팅 공정을 통해 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 MX2-함유 용액을 도포하는 것 및 상기 RX-함유 용액을 도포하는 것은 각각 닥터 블레이드, 스크린 프린트, 진공 증착, 또는 스프레이 코팅에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 RX-함유 용액은 극성 용매 및 극성 비양자성 용매의 혼합 용매를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 극성 용매는 탄소수가 1 내지 6인 알코올류를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 극성 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 또는 이소프로판올(IPA)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, RX-함유 용액이 상기 극성 용매뿐만 아니라 상기 극성 비양자성 용매를 포함함으로써 상기 페로브스카이트 화합물이 3 차원의 벌크 형태가 아닌 1 차원의 나노와이어 형태로서 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 극성 비양자성 용매는 DMF (dimethylformamide; 디메틸포름아마이드; 이하 "DMF"라고 함), DMA (dimethylacetamide; 디메틸아세트아마이드; 이하 "DMA"라고 함), NMP (N-methyl-2-pyrrolidone; N-메틸-2-피롤리돈; 이하 "NMP"라고 함), DMSO (dimethyl sulfoxide; 디메틸 설폭사이드; 이하 "DMSO"라고 함), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 극성 비양자성 용매의 종류에 따라 페로브스카이트 나노와이어의 용해도가 상이하므로, 상기 극성 비양자성 용매의 종류에 따라 그의 사용 부피를조절함으로써 페로브스카이트 나노와이어를 형성할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 혼합 용매는 상기 극성 용매 대 상기 극성 비양자성 용매의 부피 비율이 약 100 : 약 0.1 내지 1인 것일 수 있으며, 사용되는 상기 극성 비양자성 용매의 종류에 따라 페로브스카이트 나노와이어의 용해도를 확인하여 그 사용량을 적절히 조절할 수 있다. 예를 들어, 사용되는 상기 극성 비양자성 용매의 종류에 따라, 상기 혼합 용매는 상기 극성 용매 대 상기 극성 비양자성 용매의 부피 비율이 약 100 : 약 0.1 내지 1, 약 100 : 약 0.1 내지 0.9, 약 100 : 약 0.1 내지 0.8, 약 100 : 약 0.1 내지 0.7, 약 100 : 약 0.1 내지 0.6, 약 100 : 약 0.1 내지 0.5, 약 100 : 약 0.1 내지 0.4, 약 100 : 약 0.1 내지 0.3, 또는 약 100 : 약 0.1 내지 0.2일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 RX-함유 용액의 몰농도는 약 0.01 M 내지 약 0.1 M일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 RX-함유 용액의 몰농도는 약 0.01M 내지 약 0.1 M, 약 0.01 M 내지 약 0.08 M, 약 0.01 M 내지 약 0.06 M, 약 0.02 M 내지 약 0.1 M, 약 0.02 M 내지 약 0.08 M, 약 0.02 M 내지 약 0.06 M, 약 0.03 M 내지 약 0.1 M, 약 0.03 M 내지 약 0.08 M, 또는 약 0.03 M 내지 약 0.06 M일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 RX-함유 용액의 몰농도와 상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 밀도는 비례하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 RX-함유 용액의 몰농도 값이 약 0.03 M 미만으로 작은 경우 상기 페로브스카이트 화합물이 저밀도의 나노와이어 형태일 수 있고, 상기 RX-함유 용액의 몰농도 값이 약 0.06 M 초과로 큰 경우 상기 페로브스카이트 화합물이 고밀도의 나노와이어 웹 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법은 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극에 재결합 방지층을 형성하는 단계; 상기 재결합 방지층에 상기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트 화합물의 나노와이어를 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층에 정공전달층(HTM)을 형성하는 단계; 및, 상기 정공전달층(HTM)에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 페로브스카이트 태양전지는 두 개의 전극, 즉, 제 1 전극과 제 2 전극이 서로 면 접합된 샌드위치 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 전극은 작업 전극(working electrode) 또는 반도체 전극으로서 표현될 수 있으며, 상기 제 2 전극은 상대 전극(counter electrode)으로서 표현될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 전도성 투명기재는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 산화아연, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 함유하는 유리 기재 또는 플라스틱 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 전도성 투명 기재는 전도성 및 투명성을 가지는 물질이라면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 플라스틱 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 트리아세틸셀룰로오스, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 투명 기재는 3족 금속, 예를 들어, Al, Ga, In, Ti, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속으로 도핑되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 재결합 방지층은 다공성 금속 산화물 입자층을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 유기 반도체, 무기 반도체, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 재결합 방지층은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 광흡수층은 상기 페로브스카이트의 1 차원 나노와이어 웹 구조를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 광흡수층이 상기 페로브스카이트의 1 차원 나노와이어 웹 구조를 가지는 경우, 3 차원 벌크 구조를 가지는 경우에 비해 전하 분리 및 전도도 특성 등이 개선되어, 결과적으로 페로브스카이트 태양전지의 광전지 성능을 향상시키는 효과를 달성할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 정공전달층(HTM)은 단분자 정공전달물질 또는 고분자 정공전달물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 단분자 정공전달물질로서, 스피로-MeOTAD [2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxy-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene]를 사용할 수 있고, 상기 고분자 정공전달물질로서 P3HT[poly(3-hexylthiophene)], PTAA(polytriarylamine), poly(3,4-ethylenedioxythiophene), 또는 polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 정공전달층(HTM)은 도핑 물질로서 Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 도펀트를 사용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 정공전달물질로서, 스피로-MeOTAD, Li-TFSI[Bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt], 및 tBP(4-tert-Butylpyridine)의 혼합 물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 안정성인 높은 금속인 금(Au)을 상기 제 2 전극으로서 사용함으로써, 본원의 페로브스카이트 태양전지의 장기안정성을 향상시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀 더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[
실시예
]
1.
나노와이어
페로브스카이트
태양전지의 제조 방법
FTO 글라스(Nippon Sheet Glass)는 에탄올을 함유하는 초음파 세척기에서 약 30 분 동안 세정되었다. 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)(이소프로판올 내 약 75 중량%, Aldrich)를 1-부탄올(약 99.8%, Aldrich)에 용해시킨 약 0.15 M 농도의 용액을 이용하여, 조밀한 TiO2 블록킹 층이 약 2,000 rpm으로 약 30 초 동안 FTO 글라스 상에 스핀 코팅되었으며, 약 125℃에서 약 5 분 동안 가열되었다. 실온으로 냉각한 후, TiO2 페이스트(직경 약 40 nm의 TiO2 입자들)가 약 2,000 rpm으로 약 10 초 동안 스핀 코팅되었는데, 이때 원료 페이스트는 에탄올에 희석되었다(약 0.1 g/ml). 약 100℃에서 약 5 분 동안 건조한 후, 필름은 약 550℃에서 약 30 분 동안 어닐링되었고, 이에 따라 약 100 nm 두께가 되었다. 다공성 TiO2 필름은 약 0.02 M 농도의 TiCl4 수용액(약 98% 이상, Aldrich)에 약 70℃에서 약 30 분 동안 침지되었다. 탈이온수로 세척하고 건조한 후, 필름은 약 500℃에서 약 30 분 동안 다시 가열되었다. MAPbI3 나노와이어가 2 단계 스핀 코팅 공정을 통해 제조되었다. PbI2 층을 침적하기 위하여, 약 70℃에서 DMF(약 99.8%, Sigma-Aldrich) 약 1 mL 내에 PbI2(약 99%, Aldrich) 약 462 mg을 용해시킴으로써 약 1 M 농도의 PbI2 용액을 제조하였다. PbI2 용액 약 20 μL가 기재 상에 약 10 초 동안 로딩되었고, 이때 약 3,000 rpm으로 약 5 초 동안 및 약 6,000 rpm으로 약 5 초 동안 회전되었다. MAI 약 35 mg을 IPA 약 5 mL 및 DMF 약 50 μL에 용해시킨 용액 약 200 μL가 PbI2-코팅된 기재 상에 약 40 초 동안 로딩되었는데, 이때 약 4,000 rpm으로 약 20 초 동안 회전되었고 약 100℃에서 약 5 분 동안 건조되었다. 스피로-MeOTAD[2,2',7,7'-테트라키스(N,N-di-p-메톡시페닐아민)-9,9-스피로비플루오렌] 용액 약 30 μL가 MAPbI3 나노와이어 필름 상에 약 2,000 rpm으로 약 10 초 동안 스핀 코팅되었다. 스피로-MeOTAD 용액은 스피로-MeOTAD 약 122.5 mg을 클로로벤젠 약 1 mL에 용해시킴으로써 제조되는데, 여기에 4-터트-부틸피리딘 약 28.8 μL, 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(Li-TFSI) 용액(Sigma-Aldrich 약 99.8% 아세토니트릴 약 1 mL에 Li-TFSI가 약 520 mg 용해된 용액) 약 17.5 μL, 트리스(2-(1H-피라졸-1-일)-4-터트-부틸피리딘)코발트(III) 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 용액(아세토니트릴 약 1 mL 내에 약 400 mg) 약 21.9 μL가 첨가되었다. 최종적으로, 금(Au) 약 80 nm가 스피로-MeOTAD 코팅된 필름 상에 열적으로 증발되었다.
2. 분석 방법
(1)
디바이스
특성 분석 방법
태양전지는 약 100 mW/cm2의 방사 조도를 가지는 450 W 제논 광원(Oriel)을 이용하여 측정되었다. 스콧 K113 템팩스 필터(Prazisions Glas & Optik GmbH)는, 약 350 nm 내지 약 750 nm 파장에서 AM 1.5G 및 모사 광원 간의 스펙트럼 부조화를 약 4%까지 감소시키는데 사용되었다. 디바이스의 광전류 밀도(J) 및 전압(V) 특성은 외부 전압 바이어스를 적용함으로써 얻어졌고, 전류 반응은 소스 미터(Keithley 2400)를 이용하여 측정되었다. 전압 단계 및 평형 시간은 각각 약 10 mV 및 약 200 밀리 초였다. 조리개 면적이 약 0.159 cm2인 검정 마스크로 전지를 커버하였다. 백색광 방출 다이오드의 정렬로부터 제공된 약 10 mW/cm2의 지속적인 백색광 바이어스 하에, 교류(AC) 모드에서 파장의 기능으로 EQE 스펙트럼이 기록되었다. 300 W 제논 램프(ILC Technology)로부터 나온 여기(excitation) 빔은 제미니-180 더블 모노크로메이터(Jobin Yvon)를 통해 포커스가 맞춰졌고, 약 2 Hz에서 갈라졌다. 시그널은 모델 SR830 DSP 로크인 앰프(Stanford Research Systems)를 이용하여 기록되었다. 가장자리를 통한 빛의 산란을 막고 디바이스의 활성 면적을 정의하기 위하여, 약 0.159 cm2의 무반사 금속 조리개를 이용하여 모든 측정이 수행되었다.
(2) 구조 및 형태 특성 분석 방법
페로브스카이트 태양전지의 평면-뷰 및 횡단면의 형태는 고해상도 스캐닝 전자 현미경(ZEISS Merlin)을 이용하여 특정되었다. TiO2 필름 상의 페로브스카이트 층은 2 단계 스핀 코팅 공정을 이용하여 침적되었다. X선 분말 다이어그램은, 세라믹 튜브(Cu 애노드, λ = 1.54060 Å)가 장착된 X'Pert MPD PRO(Panalytical), 2차 그라파이트(002) 모노크로메이터, 및 RTMS X'Celerator(Panalytical) 상에 기록되었다. Bragg-Brentano 기하학에 따른 측정이 수행되었다. 샘플들은 추가적인 수정 없이 축적되었고, 자동적 확산 슬릿 및 빔 마스크는 필름의 차원에 따라 조정되었다. 약 7.5 min/degree의 획득 시간을 위해 약 0.008˚의 스텝 크기가 선택되었다.
(3) 광-전자 특성 분석 방법
페로브스카이트 필름의 광학적 흡수 스펙트럼은 CARY-5UV-Vis-Nir 스펙트로포토미터의 전송 모드에서 기록되었고, 흡광도 및 형광 양자 수율의 측정을 위해서는 직경이 약 102 mm인 적분구(Horaba F-3018)가 장착된 스펙트로플루오로미터 Fluorolog 322(Horiba Jobin Yvon Ltd)가 사용되었다. 샘플들의 흡수 스펙트럼은 투과율 및 산란 반사율 기하학, 즉, 0 내지 90 도에서 450 W 제논 램프의 샘플 조도로 각각 측정되었으며, 이후 1(unity)로부터 전체 투과율을 뺌으로써 평가되었다. 광 발광(photoluminescence) 양자 수율은, 샘플 조도를 따르거나 샘플 조도 없이, 광원 방출 및 페로브스카이트 필름 광 발광을 측정함으로써 평가되었다. 페로브스카이트 필름의 광 발광 양자 수율은 타처에서 보고된 방법론에 따라 계산되었다.
형광 스펙트럼 및 형광 감소 동역학은 단일-광자 카운팅 모드에서 작동하는 스펙트로플루오로미터 Fluorolog 322를 이용하여 기록되었다. 샘플들의 여기를 위해, 약 1 MHz의 반복 속도를 가지며 약 406 nm에서 약 200 피코 초 지속 펄스를 방출하는 피코 초로 펄스 되는 다이오드 레이저 헤드 NanoLED-405LH(Horiba)를 이용하였다. 이용된 여기 에너지는 약 11 pJ/펄스였다. 형광 스펙트럼은 디바이스 반응 기능에 따라 교정되었다. 디바이스 기능 디콘볼루션을 적용함으로써 설치 과정에서 최고로 도달된 시간 분해능은 대략 몇 백 피코 초였다.
(4) 전도도 측정 방법
샘플들의 평면 내 직류 전도도를 측정하기 위하여, 발명자들은 현미경 슬라이드 글라스 상에 2 단계 스핀 코팅 방법으로 페로브스카이트를 침적하였다. 금(Au) 접점들은 서로 약 140 μm 이격되어 증발되었다. 전도도는, 4-와이어 측정 모드의 Keithley SMU 2612B 소스미터를 이용하여 -1 V 내지 1 V 사이의 J-V 스캔을 기록함으로써 측정되었다. 저항 값은 J-V 그래프의 경사도로부터 확인되었다. 샘플들은 10 x 10 정렬된 Luxeonstar Cool White 5650K LED를 이용하여 조사되었다. 상기 LED는 상업적인 실리콘 광다이오드를 이용하여 보정되었다. 태양 스펙트럼 부조화 교정은 적용되지 않았다.
3. 분석 결과
(1)
MAPbI
3
나노와이어의
형성 시
비양자성
용매인
DMF의
효과
본 실시예에서는 약 100 nm 두께의 다공성 TiO2 층 상에 침적된 MAPbI3의 다양한 형태가 전계방사형 주사전자현미경(FESEM)을 이용하여 분석되었다.
이와 관련하여, 도 2a 내지 도 2d는, IPA 5 mL 및 선택적으로 비양자성 용매인 DMF를 포함하는 용매에 MAI 약 35 mg를 용해시킨 용액을 이용하여 2 단계 스핀 코팅 방법을 통해 형성된 MAPbI3의 평면-뷰 주사전자현미경 이미지들로서, 상기 비양자성 용매인 DMF의 함량은 도 2a는 약 10 μL, 도 2b는 약 50 μL, 및 도 2c는 약 100 μL였고, 도 2d는 DMF가 포함되지 않은 경우였다 (본 도면의 스케일 바 = 1 μm, 삽입된 도면의 스케일 바 = 200 nm). 이때, MAPbI3는 약 100 nm 두께의 다공성 TiO2 (직경 약 40 nm) 층에 침적되었다.
도 2a 내지 도 2d에서 확인되는 바와 같이, DMF 없이 MAI의 IPA 용액을 이용하여 2 단계 스핀 코팅을 통해 형성된 나노큐빅 형태와 비교할 때 (도 2d의 경우), 소량의 DMF를 IPA 용액에 포함시켜 개질된 MAI 용액을 이용함으로써 페로브스카이트의 형태를 변화시킬 수 있었다 (도 2a 내지 도 2c). 구체적으로, MAI의 IPA 용액 내에 약 10 μL의 DMF를 첨가함으로써 융합된 나노입자들이 형성되었고 (도 2a), DMF 함량을 약 50 μL로 증가시킴에 따라 나노와이어 형태로 변화되었다 (도 2b). 또한, DMF 함량을 약 100 μL로 추가적으로 증가시킴에 따라 나노와이어는 두꺼워지고 짧아졌다 (도 2c).
또한, 도 3은, 약 100 nm 두께의 다공성 TiO2 (직경 약 40 nm) 층 상에 침적된 MAPbI3 나노와이어로서, IPA 약 5 mL 및 DMF 약 50 μL 내의 MAI 용액을 이용하여 2 단계 스핀 코팅 방법을 통해 형성된 MAPbI3 나노와이어의 평면-뷰 주사전자현미경 이미지이다. 도 3의 나노와이어들의 웹에서, 나노와이어들의 직경 범위는 약 30 nm 내지 약 200 nm였다.
이와 같이, 도 2a 내지 도 2d 및 도 3을 통해, 용매에 포함된 소량의 DMF는 MAPbI3의 형태를 3 차원에서 1 차원의 나노와이어 형태로 변화시키는데 중요한 역할을 하며, 용매에 포함된 DMF의 함량이 나노와이어의 직경 및 길이 등의 구체적인 형태를 결정하는 데에도 중요한 역할을 한다는 것을 확인할 수 있었다.
(2)
MAPbI
3
나노와이어의
형성 시 MAI 농도의 효과
본 실시예에서는 MAPbI3 나노와이어의 형성에 영향을 미치는 요인들을 확인하기 위하여, 용매 중의 DMF 함량을 약 50 μL로 고정한 채 다양한 농도의 MAI 용액을 이용하여 스핀 코팅을 수행하였다.
이와 관련하여, 도 4a 내지 도 4f는, IPA 약 5 mL 및 DMF 약 50 μL 내의 MAI 용액을 이용하여 2 단계 스핀 코팅 방법을 통해 형성된 MAPbI3의 평면-뷰 주사전자현미경 이미지로서, 상기 MAI 용액의 농도는 도 4a에서 약 0.019 M(MAI 함량은 약 15 mg), 도 4b에서 약 0.038 M(MAI 함량은 약 30 mg), 도 4c에서 약 0.057 M(MAI 함량은 약 45 mg), 도 4d에서 약 0.076 M(MAI 함량은 약 60 mg), 도 4e에서 약 0.095 M(MAI 함량은 약 75mg), 및 도 4f에서 약 0.114 M(MAI 함량은 약 90 mg)였다(스케일 바 = 1 μm). 이때, MAPbI3는 약 100 nm 두께의 다공성 TiO2(직경 약 40 nm) 층에 침적되었다.
도 4a에서 확인되는 바와 같이, 약 0.019 M의 낮은 농도의 MAI 용액을 이용한 경우 저밀도의 나노와이어 필름이 형성되었으나, 이때 나노와이어의 형태는 바늘 모양이었다. 도 4b 및 도 4c에서 확인되는 바와 같이, 나노와이어가 밀집된 웹은 MAI 용액의 농도가 약 0.038 M (도 4b) 내지 약 0.057 M (도 4c)인 경우에 형성되었다. 또한, 도 4d 내지 도 4f에서 확인되는 바와 같이, MAI 농도가 약 0.076 M 이상으로 높아짐에 따라 나노와이어 웹의 빈 공간들이 채워지기 시작하였다.
본 실시예를 통해, DMF와 같은 극성 비양자성 용매는 1 차원의 나노와이어를 형성하는데 중요한 역할을 하며, DMF의 함량이 주어진 상태에서 MAI 용액의 농도는 나노와이어의 동공(pore) 구조를 결정하는데 중요한 역할을 한다는 것을 확인할 수 있었다. HTM이 동공들 내에 포함되어 있기 때문에, 나노와이어 웹에서의 다공성 구조는 중요하게 고려되어야 한다. 본 실시예에 따르면, 다공성 나노와이어 필름을 형성하기 위하여, DMF 약 50 μL 및 IPA 약 5 mL에 용해된 MAI 용액으로서 농도가 약 0.038 M(IPA 약 5 mL에 MAI 약 30 mg을 용해시킴) 내지 약 0.057 M(IPA 약 5 mL에 MAI 약 45 mg을 용해시킴)인 것이 최적의 조건인 것으로 확인되었다.
(3)
MAPbI
3
나노와이어의
형성 시 극성
비양자성
용매의 종류의 효과
본 실시예에서는 MAPbI3 나노와이어의 형성 시 극성 비양자성 용매의 종류가 미치는 영향을 확인하기 위하여, DMF 이외의 극성 비양자성 용매들을 적용한 MAPbI3 나노와이어 또한 형성되었다.
이와 관련하여, 도 5a 내지 도 5c는, 다양한 극성 비양자성 용매들이 포함된 혼합 용매로 제조한 MAI 용액을 이용하여 2 단계 스핀 코팅 방법을 통해 형성된 MAPbI3의 평면-뷰 주사전자현미경 이미지를 나타낸 것으로서(스케일 바 = 1 μm), 이때 상기 MAI 용액 내의 IPA 함량은 약 5 mL였고, MAI 함량은 약 35 mg였으며, 비양자성 용매의 함량은 약 50 μL였다. 상기 비양자성 용매는, 도 5a에서 DMF(N,N-디메틸 포름아미드), 도 5b에서 DMSO(디메틸 설폭사이드), 및 도 5c에서 GBL(감마 부틸로락톤)이었다.
도 5a 내지 도 5c에서 확인되는 바와 같이, IPA 약 5 mL 및 MAI 약 35 mg을 함유하는 용액에 DMF 약 50 μL가 포함된 경우 나노와이어가 수득된 반면 (도 5a), DMF 대신 약 50μL의 DMSO 또는 GBL이 포함된 경우에는 윤곽이 분명한 나노와이어가 수득되지 않았다 (도 5b 및 도 5c). 이와 같은 결과를 통해, 나노와이어 형태의 성형성은 극성 비양자성 용매의 종류에 강한 영향을 받아 결정되고, IPA에 소량의 DMF가 포함되는 것이 이방성 또는 1 차원의 MAPbI3 성장을 유도하는데 영향을 미침을 확인하였다.
이방성 또는 1 차원의 MAPbI3 성장 메커니즘과 관련하여, 본원의 발명자들은 2 단계 스핀 코팅 중 1 단계의 스핀 코팅을 통해 우선 침적된 PbI2 고체 필름 내의 국지적인 PbI2가, 2 단계의 스핀 코팅 중 소량의 DMF에 의해 용해되는 것을 상정하였다. 액체 촉매 클러스터 모델에서와 같이, 국지적으로 용해된 PbI2는 이방성 또는 1 차원의 MAPbI3를 성장시키기 위해 MAI와 반응하는 우선적인 장소로서 제공될 수 있다. 이 모델에 따르면, 극성 비양자성 용매로서 DMF가 포함된 경우에는 MAPbI3 나노와이어가 성장되는 반면(도 5a), 비양자성 용매로서 GBL이 포함된 경우에는 윤곽이 분명한 MAPbI3 나노와이어가 성장되지 않는 현상(도 5c)의 원인이 설명될 수 있는데, 이는 DMF에 비해 GBL에 대한 PbI2의 용해성이 낮기 때문인 것으로 보여진다. DMF에 비해 GBL에 대한 PbI2의 용해성이 낮다는 점은, GBL에 PbI2 분말을 용해시킴으로써 확인되었다.
한편, DMSO는 PbI2를 용해시킬 수 있기 때문에 MAPbI3 나노와이어를 성장시킬 수 있을 것으로 예상되었으나, 예상과는 달리 비양자성 용매로서 DMSO가 포함된 경우에는 윤곽이 분명한 MAPbI3 나노와이어가 성장되지 않았는데(도 5b), 이는 DMF의 PbI2 용해성과 DMSO의 PbI2 용해성이 상이하기 때문인 것으로 판단된다.
이와 관련하여, DMSO 또는 GBL과 같은 용매의 경우 페로브스카이트(MAPbI3) 의 용해도가 DMF에서보다 훨씬 크기 ??문에 IPA에 첨가되는 DMSO 또는 GBL의 양을 50μL보다 적은 양으로 조절하면 페로브스카이트 나노와이어를 형성할 수 있었다. 즉, 상기 극성 비양자성 용매의 종류에 따라 페로브스카이트 나노와이어의 용해도가 상이하므로, 상기 극성 비양자성 용매의 종류에 따라 그의 사용 부피를 조절함으로써 페로브스카이트 나노와이어를 형성할 수 있다.
(4)
MAPbI
3
나노와이어의
XRD
분석 결과
본 실시예에서는 MAPbI3 나노와이어의 XRD 패턴을 분석함으로써 MAPbI3 나노와이어의 결정 형성 메커니즘을 확인하였다.
이와 관련하여, 도 6의 (a)는 IPA 약 5 mL 및 DMF 약 50 μL 내의 MAI(약 35 mg) 용액으로부터 형성된 MAPbI3 나노와이어의 XRD 패턴이다.
한편, 도 6의 (b)는 DMF 없이 MAI를 IPA에 용해시킨 용액으로 2 단계 스핀 코팅 절차를 수행함으로써 형성된 MAPbI3 큐보이드 필름, 즉, 대조군 필름의 XRD 패턴으로써, 이는 종래에 알려져 있는 사각형 MAPbI3 페로브스카이트의 XRD 다이어그램(공간군 I4/mcm; a = 8.8866(3) Å, 및 c = 12.685(2) Å; α = β = γ = 90˚)과 유사하며 잘 매치되었다. 또한, 도 6의 (b)에 상응하는 SEM 이미지인 도 2d는 입자 크기가 약 800 nm인 다결정성 MAPbI3의 큐보이드 형태를 보여주었다. MAPbI3 나노와이어의 회절 패턴 분석 결과는 공간군(I4/mcm)을 가지는 큐보이드 형태 필름과 오히려 유사한 결정 구조를 보여주었으며, 격자 파라미터는 a = 8.8586 Å 및 c = 12.628 Å였다. 예비 리트벨트-정제(Rietveld-refinement)는 공간군(I4/mcm)에 대해 추가적인 의문점들을 가지게 하는데, 정확히 일치하는 강도를 얻는 것이 어렵다는 점, 및 I-중심적 브라베이 격자가 원시 입방 셀에 일반적으로 나타나는 것이 아니라는 점이 그것이다.
주목할 점은, 큐보이드 페로브스카이트 나노결정의 XRD 패턴인 도 6의 (b)와 나노와이어 페로브스카이트 나노결정의 XRD 패턴인 도 6의 (a)를 대비하여 볼 때, 피크 강도가 다소 상이하다는 점이 발견되었다는 점이다. 예를 들어, 큐보이드에 관한 XRD 패턴인 도 6의 (b)에서의 최고 피크(220)는 나노와이어에 관한 XRD 패턴인 도 6의 (a)에서는 약하게 나타난 반면, 나노와이어에 관한 XRD 패턴인 도 6의 (a)에서만 (310) 피크가 강하게 나타났는데, 이는 큐보이드 필름과 나노와이어 필름이 상당히 상이한 입자 분포를 가진다는 것을 나타내는 결과였다. 본원의 실시예에서 대조군으로 사용된 큐보이드 형태의 MAPbI3는 종래에 알려진 것이었으나, 본원의 나노와이어 형태의 MAPbI3 및 이를 태양전지의 광흡수층으로서 사용하는 것은 본원에서 최초로 개시되는 것이다. 특히, 본원에 따른 용매 조절에 의한 페로브스카이트 나노와이어의 형성 방법은, 페로브스카이트를 태양전지 등 광전자적으로 적용하기 위해 페로브스카이트 화합물의 광전자 특성을 조절할 수 있도록 하는데 새로운 접근 방식을 제공하는 것으로 볼 수 있다.
(5)
MAPbI
3
나노와이어의
광전자 특성
본 실시예에서는 MAPbI3 나노와이어의 광전자 특성을 확인하였으며, 그 결과들은 본원의 도 7 내지 도 9에 나타내었다.
이와 관련하여, 도 7은, 서로 다른 형태로 형성되고 어닐링된 페로브스카이트 필름(FTO/TiO2/MAPbI3/HTM)의 흡수 스펙트럼 및 정규화된 형광 스펙트럼으로서, 흑색 그래프는 페로브스카이트가 나노큐브 형태인 대조군의 경우이고, 적색 그래프는 페로브스카이트가 나노와이어 형태인 경우이다.
도 7을 통해, 페로브스카이트 형태에 따른 몇몇 작은 편차들이 측정된 흡수 스펙트럼에 나타난다는 점을 관찰할 수 있었다. 그 중에서도 가장 분명한 차이는 밴드 갭에 관련된 것이었다. 나노와이어 형태의 페로브스카이트 필름의 흡수 스펙트럼은, 큐보이드 형태의 페로브스카이트 필름의 흡수 스펙트럼의 시작점과 대비하여, 높은 에너지 쪽으로 약 20 meV 이동되었다. 나노와이어 형태의 페로브스카이트 필름에서 더 높은 밴드 갭이 나타나는 것은, 이의 결정 크기 변화와 일관된 것일 수 있다. 구체적으로, 나노와이어 형태의 페로브스카이트의 결정들의 평균 직경이 약 100 nm이 되고 길이가 약 1 μm에 도달함에 따라, 표면적 대 체적비 또한 증가되어 큐보이드 형태인 경우의 값보다 훨씬 커졌다. 이와 같은 표면적 대 체적비의 증가는, 새로운 전자 상태의 외형에 영향력을 가질 수 있는 결함 상태의 증가를 야기할 수 있으며, 이것이 밴드 갭 값에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 도 7을 살펴보면, 약 600 nm 이하의 파장에서의 흡수 스펙트럼의 형태가 페로브스카이트 형태에 약간 영향을 받는 것으로 보여질 수 있다. 구체적으로, 나노와이어 형태의 페로브스카이트 필름의 단파장 흡수 강도는 큐보이드의 경우에 비해 약간 낮은데, 이는 낮은 흡광 계수에 따른 결과라고 여겨질 수도 있다. 그러나, 페로브스카이트 필름의 약 600 nm 이하의 파장에서의 흡광도는 그 값이 2를 넘을 정도로 매우 높다는 점을 고려한다면, 단파장에서의 흡수 스펙트럼의 형태의 차이는 페로브스카이트 필름의 형태 차이 때문이라기보다는 흡광도 포화에 따른 결과인 것으로 판단되었다. 또한, 도 7로부터, 서로 상이한 형태의 페로브스카이트 필름들의 광루미네센스 스펙트럼은 유사한 약 10 nm 스토크스 이동을 나타낸다는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 큐보이드 형태의 페로브스카이트 필름의 방출 최대값은 약 775 nm 정도에서 나타나는 반면, 나노와이어 형태의 페로브스카이트 필름의 방출 최대값은 약 765 nm 정도에서 나타났다. 이처럼 흡수 스펙트럼 및 형광 스펙트럼 모두에서 청색 이동이 나타나는 것은, 나노와이어 형태에서의 한층 더 국지적인 엑시톤 상태 때문일 수 있는데, 이는 페로브스카이트의 형광이 일반적으로 국지적인 엑시톤의 재결합에 의해 발생되는 것이기 때문이다. 나노와이어 형태에서의 결함들의 존재는, 나노와이어 형태에서의 한층 더 국지적인 엑시톤의 본질 및 밴드 갭 에너지에 관한 설명을 제공할 수 있고, 결정 내의 포획 밀도의 증가를 유발할 수 있다. 나노와이어 페로브스카이트의 광루미네센스 양자 수율(Φnw = 약 1.2 x 10- 4)이 벌크 페로브스카이트의 광루미네센스 양자 수율(Φbulk = 약 3.6 x 10- 4)에 비해 약간 낮은데, 이 또한 표면 결함들의 차이 때문인 것으로 볼 수 있다.
TiO2 및 HTM이 페로브스카이트로부터 전하 캐리어들을 추출할 수 있기 때문에, 본 실시예에서는 큐보이드 페로브스카이트 및 나노와이어 페로브스카이트의 전자 및 정공 주입률을 비교하기 위한 형광 ??칭 연구 또한 수행하였다.
이와 관련하여, 도 8a 및 도 8b는, 페로브스카이트 필름의 약 406 nm 파장에서의 여기에 따른 정규화된 형광 감소 동역학을 나타낸 것으로서, 도 8a는 MAPbI3가 벌크(큐보이드) 형태인 경우이고, 도 8b는 MAPbI3가 나노와이어 형태인 경우이다. 도 8a 및 도 8b에서, 흑색 그래프는 Al2O3 상에 침적된 페로브스카이트 필름의 형광 감소 동역학을 나타낸 것이고, 적색 그래프는 HTM이 없는 TiO2(스피로-MeOTAD) 상에 침적된 페로브스카이트 필름의 형광 감소 동역학을 나타낸 것이며, 녹색 그래프는 HTM을 포함하는 Al2O3 상에 침적된 페로브스카이트 필름의 형광 감소 동역학을 나타낸 것이다. 광루미네센스 감소는, 추출되고 재결합된 전하 캐리어들의 상대적인 농도 및 이들의 수명을 확인하기 위하여 이중-지수 감소 모델에 맞춰졌다. 페로브스카이트에서 자유 전하 캐리어 회절 길이는 약 100 nm 내지 약 1 μm라는 점, 및 이는 순수한 페로브스카이트 필름에서 오래 지속되는 전하-정공 재결합 때문이라는 점은 잘 알려져 있다. Al2O3 상에 침적된 페로브스카이트 필름의 광루미네센스 수명은 자연스러운 재결합 현상들을 반영하는 것으로서, 재결합된 전하들의 대략적인 양을 평가하기 위한 증거로서도 사용될 수 있다. 도 8a 및 도 8b의 흑색 그래프에서 확인되는 바와 같이, Al2O3 상에 침적된 벌크 페로브스카이트 필름의 경우 약 30 나노 초의 캐리어 수명 동안 전하의 거의 90%가 재결합을 수행하는 것으로 나타난 반면, 나노와이어 페로브스카이트 필름의 경우 약 45 나노 초의 캐리어 수명 동안 오직 약 78%의 전하만이 재결합을 수행하는 것으로 나타났다. 앞서 검토되었던 바와 같이, 나노와이어 페로브스카이트의 표면 결함들의 존재가 전하들의 재결합이 일어나기 전에 전하 ??칭을 유발하는 주 원인일 수 있다. 이처럼 나노와이어 페로브스카이트에서의 전하 ??칭이 벌크인 경우에 비해 더욱 현저하게 나타남에도 불구하고, 나노와이어 페로브스카이트에서의 전하 재결합이 벌크인 경우에 비해 약간 더 오래 수행되었다. 한편, 페로브스카이트 층이 TiO2에 침적되어 만들어진 경우, 효율적인 전자 추출을 기대할 수 있다는 점에 주목해야 한다. TiO2 층 상에 벌크 페로브스카이트 필름이 침적된 경우, 전하의 약 65%는 추출되었고, 나머지는 재결합을 수행하였다. TiO2는 벌크 페로브스카이트 필름의 적층 용도로 사용될 경우 조차 전자 주입을 위한 완벽한 물질이 아님이 분명한데, TiO2가 나노와이어 페로브스카이트 필름의 적층 용도로 사용될 경우에는 약 51%의 전하가 TiO2 내부로 주입되지 못하였다. 즉, 도 8a 및 도 8b의 적색 그래프에서 확인되는 바와 같이, TiO2 층 상에 침적된 나노와이어 페로브스카이트의 전자 주입은, 벌크 페로브스카이트의 경우에 비해 더 효율적이지 못한 것이다. 이는 TiO2 층과의 불량한 접촉으로부터 기인한 계면에서의 나쁜 전자 추출 때문일 수 있다. 한편, 전자 블록킹 층 상에 침적되고 HTM으로 코팅된 페로브스카이트에서는 몇몇 흥미로운 특징이 나타났으며, 이는 도 8a 및 도 8b의 녹색 그래프에서 확인할 수 있다. 벌크 페로브스카이트의 경우에 비해, 나노와이어 페로브스카이트의 형광 ??칭은 약간 더 빠르고 보다 더 효율적인 것으로 관찰되었다. 나노와이어 페로브스카이트의 경우, 정공의 약 79%는 수명이 약 700 피코 초인 나노와이어 페로브스카이트의 HTM 내부로 주입되었다. 벌크 페로브스카이트의 경우, 정공 추출은 그다지 효율적이지 못한 것으로 나타났는데, 이는 광 생성된 정공 전체 중 약 68%가 HTM 내부로 주입되기 때문이며, 형광 ??칭 수명은 약 2.9 나노 초였다. 벌크 페로브스카이트의 경우에 비해, 나노와이어 페로브스카이트로부터의 정공 추출이 더 효율적일 것으로 예측되는데, 이는 나노와이어 페로브스카이트의 증가된 표면적이 HTM과 더 양호한 접촉을 가능케하기 때문이다.
한편, 도 9는 평면 내 페로브스카이트의 DC-전도도를 나타낸 것이다. 평면 내 나노와이어 페로브스카이트의 직류 전도도는, DMF 존재 하에 2 단계 스핀 코팅 공정을 통해 현미경 슬라이드글라스 상에 침적된 페로브스카이트 필름 상에 약 0.14 μm 이격되어 접촉되어 있는 2 개의 금을 증발시킴으로써 측정되었다. 저항은 가역적인 J-V 스캔을 통해 다양한 빛의 세기 하에서 측정되었다. 낮은 광 바이어스 하에서의 샘플의 높은 저항 때문에, 일렬로 배치된 4-점 프로브 측정은 성공적이지 못했으며, 이에 따라 오직 상대적인 전도도만이 고려되어야 했다. 도 9에서 확인되는 바와 같이, 빛의 세기가 강한 경우에는 벌크 페로브스카이트에 비해 나노와이어 페로브스카이트의 수평 전도도가 인자(factor) 약 1.3 내지 약 1.6까지 향상되었는데, 이는 나노와이어 페로브스카이트에서 연결 경로가 개선됨에 따라 이동성이 증가되었음을 분명히 보여주는 것이다. 한편, 빛의 세기가 약한 경우에는 나노와이어 페로브스카이트의 수평 전도도가 대조군인 벌크 페로브스카이트의 수평 전도도에 근접해지는 것이 관찰되었는데, 이는 결정 경계의 저항성이 낮아졌음을 나타내는 것이며 전하 트래핑 같은 현상이 행해지는 상태가 되었음을 나타내는 것이다.
(6) 광전지 성능
본 실시예예서는 나노와이어 형태의 MAPbI3를 광흡수층으로서 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
이와 관련하여, 도 10a 및 도 10b는, [FTO/조밀한 TiO2/다공성(mp)-TiO2 + MAPbI3/MAPbI3 나노와이어(NW)+스피로-MeOTAD/Au]로 구성된 전체 태양전지의 SEM 이미지를 나타낸 것으로서, 도 10a는 횡단면 주사전자현미경 이미지이고, 도 10b는 평면-뷰 주사전자현미경 이미지이다(스케일 바 = 1 μm). 도 10a 에 나타낸 바와 같이, 상기 페로브스카이트 나노와이어들 사이의 빈 공간을 채우며 상기 정공전달층(HTM)이 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.
한편, 도 11은, IPA 약 5 mL 및 DMF 약 50 μL의 혼합 용매에 용해된 MAI(약 35mg) 용액을 이용하여 2 단계 스핀 코팅 방법을 통해 형성된 MAPbI3 나노와이어의 3차원-뷰 주사전자현미경 이미지이다. 도 11에서도 관찰되는 나노와이어의 부분적인 수직 방향성 때문에, 이와 같은 막대형 나노와이어의 말단이 스피로-MeOTAD와 접촉되도록 하는데 어려움이 있었다. 본 실시예에서는 MAPbI3 나노와이어의 스피로-MeOTAD에 의한 도포율(커버리지)을 개선하기 위하여, 스피로-MeOTAD의 농도를 증가시키고 스피닝 속도는 감소시킴으로써 스피로-MeOTAD의 층 두께를 증가시켰다. 이와 같은 방법을 이용함으로써, 태양전지의 PCE 값이 평균 12.62%가 되도록 할 수 있었으며, 이때 단락-회로(short-circuit) 광전류 밀도(Jsc)는 약 18.91 mA/cm2, 개방-회로(open-circuit) 전압(Voc)은 약 1.011 V, 충전율(FF)은 약 0.647이었다.
또한, 도 12a 및 도 12b는 MAPbI3 나노와이어에 기반한 페로브스카이트 태양전지의 광전지 성능을 나타낸 것으로서, 도 12a는 상기 태양전지에 빛의 세기가 약 98.6 mW/cm2인 AM 1.5G의 광원을 조사함으로써 측정된 전류-전압 그래프이고, 도 12b는 상기 태양전지의 외부양자효율(EQE)을 나타낸 것이다. 도 12a에서 확인되는 바와 같이, 활성 면적이 약 0.159 cm2인 최고 성능의 나노와이어 페로브스카이트 태양전지 디바이스는 AM 1.5G의 전체 태양 조도 하에서 약 14.71%의 PCE를 달성하였으며, 이때 Jsc는 약 19.12 mA/cm2, Voc는 약 1.052 V, 및 FF는 약 0.721이었다. 한편, 도 12b의 EQE 스펙트럼에서 나노와이어 MAPbI3 태양전지의 시작 파장은 약 790 nm으로서 벌크 MAPbI3 태양전지에 비해 약 10 nm 낮은 값이었고, 이는 도 7의 스펙트럼의 결과와 일치하는 것이었다. 또한, I-V 이력 곡선과 관련하여, 나노와이어 MAPbI3 태양전지는 적은 I-V 이력(hysteresis)을 나타내었다.
한편, 도 13은, 나노와이어 페로브스카이트 태양전지의 스캔 방향에 따른 J-V 그래프로서, 흑색 점은 역방향 스캔을 나타낸 것이고, 백색 점은 정방향 스캔을 나타낸 것이다. AM 1.5G의 모의 태양 관원 하에서, 전압 결정 시간은 약 200 밀리 초였다. 빛의 세기가 약 98.4 mW/cm2일 때, Jsc(mA/cm2), Voc(V), FF, 및 PCE(%)는 각각 역방향 스캔에서 약 17.77, 약 0.972, 약 0.618, 및 약 10.85였고, 정방향 스캔에서 약 17.78, 약 0.956, 약 0.533, 및 약 9.20이었다. 이처럼 정방향 스캔(단락-회로 및 개방-회로로부터 스캐닝 됨)에서 관찰된 PCE는 역방향 스캔의 PCE의 약 85%였으나, 이는 3 차원의 큐보이드 페로브스카이트 태양전지의 경우에 비해서는 현저한 것이 아니었다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (20)
- 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극;
상기 제 1 전극에 형성된 재결합 방지층;
상기 재결합 방지층에 형성된 하기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트 화합물의 나노와이어를 포함하는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성된 정공전달층; 및,
상기 정공전달층 상에 형성된 제 2 전극
을 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 있어서,
상기 광흡수층은 하기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트 화합물의 1차원 나노와이어 웹구조를 포함하고,
상기 페로브스카이트 나노와이어 웹구조 사이의 빈 공간에 상기 정공전달층이 채워져 형성된 것인, 페로브스카이트 태양전지:
[화학식 1]
RMX3
상기 화학식 1 중,
R은 유기 양이온 또는 알칼리 금속 양이온, 또는 상기 유기 양이온과 상기 알칼리 금속 양이온의 혼합 양이온을 포함하는 것이고,
M은 Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Yb2+, Pb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이고,
X는 음이온임.
- 제 1 항에 있어서,
상기 화학식 1 중 R은 (R1R2R3R4N)+로서 표시되는 1 가의 유기 암모늄 이온으로서, R1 내지 R4 각각은 독립적으로 탄소수가 1 내지 24인 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수가 3 내지 20인 시클로알킬기, 탄소수가 6 내지 20인 아릴기, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인,
페로브스카이트 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 화학식 1 중 X는 할라이드 음이온 또는 칼코게나이드 음이온을 포함하는 것인,
페로브스카이트 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 직경은 30 nm 내지 200 nm인,
페로브스카이트 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 종횡비는 1 내지 100인,
페로브스카이트 태양전지.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 재결합 방지층은 다공성 금속 산화물 입자층을 포함하는 것인,
페로브스카이트 태양전지.
- 삭제
- 제 1 항에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법에 있어서,
MX2-함유 용액을 도포한 후 RX-함유 용액을 도포하는 것을 포함하는 공정을 이용하여, 하기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트 화합물의 나노와이어를 포함하는 광흡수층을 형성하는 것을 포함하는,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법:
[화학식 1]
RMX3
상기 화학식 1, 상기 MX2-함유 용액, 및 상기 RX-함유 용액 각각에서,
R은 유기 양이온 또는 알칼리 금속 양이온, 또는 상기 유기 양이온과 상기 알칼리 금속 양이온의 혼합 양이온을 포함하는 것이고,
M은 Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Yb2+, Pb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것이고,
X는 음이온임.
- 제 9 항에 있어서,
상기 화학식 1 및 상기 RX-함유 용액 각각에서, R은 (R1R2R3R4N)+로서 표시되는 1 가의 유기 암모늄 이온으로서, R1 내지 R4 각각은 독립적으로 탄소수가 1 내지 24인 선형 또는 분지형 알킬기, 탄소수가 3 내지 20인 시클로알킬기, 탄소수가 6 내지 20인 아릴기, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 화학식 1 중 X는 할라이드 음이온 또는 칼코게나이드 음이온을 포함하는 것인,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 직경은 30 nm 내지 200 nm인,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 화합물의 나노와이어의 종횡비는 1 내지 100인,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 MX2-함유 용액을 도포하는 것 및 상기 RX-함유 용액을 도포하는 것은 각각 스핀 코팅을 통해 수행되는 것인,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 RX-함유 용액은 극성 용매 및 극성 비양자성 용매의 혼합 용매를 포함하는 것인,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 혼합 용매는 상기 극성 용매 대 상기 극성 비양자성 용매의 부피 비율이 100 : 0.1 내지 1인 것인,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 극성 비양자성 용매는 DMF, DMA, NMP, DMSO, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 RX-함유 용액의 몰농도는 0.01 M 내지 0.1 M인,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서,
전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극에 재결합 방지층을 형성하는 단계;
상기 재결합 방지층에 상기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트 화합물의 나노와이어를 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계;
상기 광흡수층에 정공전달층을 형성하는 단계; 및,
상기 정공전달층에 제 2 전극을 형성하는 단계
를 포함하는,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
- 제 19 항에 있어서,
상기 재결합 방지층은 다공성 금속 산화물 입자층을 포함하는 것인,
페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150019210 | 2015-02-09 | ||
| KR20150019210 | 2015-02-09 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160098093A KR20160098093A (ko) | 2016-08-18 |
| KR101767968B1 true KR101767968B1 (ko) | 2017-08-23 |
Family
ID=56874484
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160015775A KR101767968B1 (ko) | 2015-02-09 | 2016-02-11 | 나노와이어 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101767968B1 (ko) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102030001B1 (ko) * | 2017-04-20 | 2019-10-08 | 서울대학교산학협력단 | 정공 전달 화합물, 및 이를 포함하는 태양전지 |
| KR102345781B1 (ko) * | 2017-04-28 | 2021-12-30 | 재단법인 멀티스케일 에너지시스템 연구단 | 대면적 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법 |
| US20190237267A1 (en) * | 2018-02-01 | 2019-08-01 | Panasonic Corporation | Solar cell |
| JP7254591B2 (ja) * | 2019-03-29 | 2023-04-10 | シャープ株式会社 | 光電変換素子及びその製造方法 |
| KR102348967B1 (ko) * | 2019-12-10 | 2022-01-10 | 고려대학교 산학협력단 | 페로브스카이트 광검출 소자 및 이의 제조방법 |
| JP2021132108A (ja) * | 2020-02-19 | 2021-09-09 | シャープ株式会社 | 光電変換素子、及び光電変換素子の製造方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014056962A (ja) | 2012-09-13 | 2014-03-27 | Peccell Technologies Inc | ペロブスカイト化合物を用いた光電変換素子およびその製造方法 |
-
2016
- 2016-02-11 KR KR1020160015775A patent/KR101767968B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014056962A (ja) | 2012-09-13 | 2014-03-27 | Peccell Technologies Inc | ペロブスカイト化合物を用いた光電変換素子およびその製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20160098093A (ko) | 2016-08-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101767968B1 (ko) | 나노와이어 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법 | |
| Ran et al. | Defects in metal triiodide perovskite materials towards high-performance solar cells: origin, impact, characterization, and engineering | |
| Shariatinia | Recent progress in development of diverse kinds of hole transport materials for the perovskite solar cells: A review | |
| KR101991369B1 (ko) | 준-2 차원 페로브스카이트 필름, 이를 포함하는 발광 디바이스 및 태양 전지, 및 이의 제조 방법 | |
| AU2016204753B2 (en) | Optoelectronic device | |
| Zheng et al. | Iodine-doped ZnO nanopillar arrays for perovskite solar cells with high efficiency up to 18.24% | |
| KR101666563B1 (ko) | 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조 방법 | |
| US20160086739A1 (en) | High performance perovskite-sensitized mesoscopic solar cells | |
| EP3051600A1 (en) | Heterojunction device | |
| US20220310929A1 (en) | Optoelectronic device | |
| Jung et al. | Efficient composition tuning via cation exchange and improved reproducibility of photovoltaic performance in FAxMA1-xPbI3 planar heterojunction solar cells fabricated by a two-step dynamic spin-coating process | |
| Verma et al. | State of the art metallopolymer based functional nanomaterial for photodetector and solar cell application | |
| Manjunath et al. | Understanding the role of inorganic carrier transport layer materials and interfaces in emerging perovskite solar cells | |
| ES2910838T3 (es) | Dispositivo semiconductor que comprende halometalato | |
| Zhou et al. | Understanding the passivation mechanisms and opto-electronic spectral response in methylammonium lead halide perovskite single crystals | |
| KR101689161B1 (ko) | 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법 | |
| Pydzińska-Białek et al. | Insights into the femtosecond to nanosecond charge carrier kinetics in perovskite materials for solar cells | |
| KR101941192B1 (ko) | 유-무기 하이브리드 페로브스카이트-기반 광검출기 | |
| KR101715253B1 (ko) | 수분 및 광 안정성이 향상된 페로브스카이트 및 이를 이용한 태양전지 | |
| Wang et al. | Perovskite solar cells: promises and challenges | |
| Coskun | Ion Diffusion and Interlayers in Perovskite Solar Cells | |
| Shivarudraiah | Materials Chemistry and Device Design: Improving the Functionality of Perovskite Optoelectronic Devices | |
| Ojanperä | Mesoscopic Perovskite Solar Cells: Efficiency Enhancement via Optimization of the Titania Anode | |
| Rahimi | Selective Sensing in Hybrid Imagers with Vertically Integrated Perovskite Pixels | |
| Huang | Interface Regulation for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |