KR101991665B1 - 페로브스카이트 태양전지용 구조체, 향상된 광안정성을 보이는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

페로브스카이트 태양전지용 구조체, 향상된 광안정성을 보이는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로 상세하게, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은 금속산화물계 전자전달체; 및 상기 전자전달체의 상부에 위치하며 염소공급원 및 페로브스카이트 화합물을 포함하는 활성층;을 포함하는 페로브스카이트 태양전지용 구조체를 열처리하여 염소공급원을 열분해시키는 단계;를 포함한다.

Description

페로브스카이트 태양전지용 구조체, 향상된 광안정성을 보이는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법{Assembled Structure for Perovskite Solar Cell, Perovskite Solar Cell Having Improved Photo-stability and the Fabrication Method thereof}
본 발명은 향상된 광안정성을 보이는 페로브스카이트 태양전지용 구조체, 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 증가된 광전변환효율을 가지면서도 극히 우수한 광안정성을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 제조를 가능하게 하는 페로브스카이트 태양전지용 구조체, 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
오가노메탈 할라이드, 유기금속할로겐화물(Organometal halide perovskite compound) 또는 유기금속할로겐화물로도 지칭되는 페로브스카이트 구조의 유기금속할로겐화물은 유기 양이온(A), 금속 양이온(M) 및 할로겐 음이온(X)으로 이루어지며, AMX3의 화학식으로 대표되는 물질이다.
현재 유무기 유기금속할로겐화물을 광흡수체로 이용하는 페로브스카이트 태양전지는 염료감응 및 유기 태양전지를 비롯한 차세대 태양전지 중에서 가장 상용화에 근접해 있으며, 20%에 이르는 효율이 보고(대한민국 공개특허 제2014-0035284호)되며, 더욱더 유무기 유기금속할로겐화물에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지에 버금가는 효율을 가지면서도, 소재 가격이 매우 낮고, 저온 공정이나 저가의 용액 공정이 가능하여 상업성이 우수하다. 그러나, 페로브스카이트 태양전지의 우수한 초기 광전변환효율에도 불구하고, 장시간 광에 노출될 경우 전자전달층의 재료로써 주로 사용되는 금속산화물의 광촉매 작용에 의해 페로브스카이트층이 분해됨으로써, 400 내지 1000 ㎚ 파장의 LED에 300시간 노출되었을 때, 광전변환효율이 초기 광전변환효율 대비 약 43% 가량으로 크게 저하되는 것이 보고된 바 있다(J. Phys. Chem. C, 2016, 120 (49), pp 27840-27848). 따라서 페로브스카이트 태양전지의 실 상업화를 위해서는, 전지의 안정성 및 수명을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제2014-0035284호
J. Phys. Chem. C, 2016, 120 (49), pp 27840-27848
본 발명은 향상된 광전변환효율을 가지며 장시간 광에 노출된 후에도 우수한 광전변환효율을 유지하는 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있는 페로브스카이트 태양전지용 구조체, 향상된 광전변환효율을 가지며 장시간 광에 노출된 후에도 우수한 광전변환효율을 유지하는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지용 구조체는 금속산화물계 전자전달체; 및 전자전달체의 상부에 위치하며 염소공급원 및 페로브스카이트 화합물을 포함하는 활성층;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지용 구조체에 있어, 활성층에 함유된 염소공급원은 열분해에 의해 적어도 전자전달체에 염소를 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지용 구조체에 있어, 활성층은 페로브스카이트 화합물 1.00 몰 대비 0.20몰 내지 1.00몰의 염소공급원을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지용 구조체에 있어, 염소공급원은 200 ℃이하의 열분해온도를 갖는 유기염화물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지용 구조체에 있어, 염소공급원은 C1 내지 C3 알킬암모늄 염화물일 수 있다.
본 발명은 상술한 태양전지용 구조체를 이용한 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은 열처리하여 염소공급원을 열분해시키는 열분해 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어, 열분해 단계 후, 염소공급원이 열분해된 후 잔류하는 활성층인 광흡수층 상부로 정공전달체를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 있어, 열처리 온도는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
(관계식 1)
Tdc ≤ Theat ≤ 200℃
Theat는 열처리 온도(℃)이며, Tdc는 염소공급원의 열분해 온도(℃)이다.
본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 페로브스카이트 태양전지를 포함한다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지는 금속산화물 및 염소를 함유하는 전자전달체; 및 전자전달체의 상부에 위치하며 염소를 함유하는 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광흡수층; 및 광흡수층 상부에 위치하는 정공전달체;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 하기 관계식 2를 만족하는 광안정성을 가질 수 있다.
(식 1)
98 ≤ (η1/η0) X 100
η0는 광에 노출된 직후 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율(%)인 초기 광전변환효율이며, η1은 동일 페로브스카이트 태양전지를 1000시간 동안 연속적으로 광에 노출한 후의 광전변환효율(%)이며, 광 노출 조건은 1,000 W/㎡의 일조 강도, 30℃의 온도, 25%의 습도 및 280 내지 2500 ㎚ 파장의 광원이다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지용 구조체는 전자전달체 및 전자전달체 상부에 위치하며, 페로브스카이트 화합물과 염소공급원을 함유하는 활성층을 포함함에 따라, 활성층의 염소공급원이 열분해되며 공급되는 염소에 의해 염소를 함유하는 페로브스카이트 화합물층인 광흡수층 및 염소를 함유하는 전자전달층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지가 제조될 수 있다. 이러한 염소공급원에 의한 염소 첨가에 의해, 우수한 광전변환효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있으며, 나아가, 극히 장시간 동작 시에도 초기 우수한 광전변환효율이 안정적으로 유지되는, 현저하게 뛰어난 광안정성을 갖는 태양전지를 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은 금속산화물계 전자전달체에 페로브스카이트 화합물과 염소공급원을 함유하는 용액을 도포한 후, 염소공급원이 열분해되는 온도 이상으로 열처리하는, 상업적이며 단순한 공정에 의해 우수한 초기 광전변환효율을 가지며, 현저하게 뛰어난 광안정성을 갖는 태양전지를 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지는, 내부 염소공급원의 열분해에 의해 공급된 염소가 광흡수층과 전자전달체에 첨가됨으로써, 우수한 초기 광전변환효율을 가지며, 현저하게 뛰어난 광안정성을 갖는 장점이 있다.
도 1 실시예 및 비교예에서 제조된 광흡수층의 X선 회절분석 결과를 도시한 도면이며,
도 2는 실시예에서 제조된 태양전지의 깊이에 따른 원소분석결과를 도시한 도면이며,
도 3은 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지의 성능평가를 측정 도시한 도면이며,
도 4는 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지의 광안정성을 측정 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 페로브스카이트 태양전지용 구조체, 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법을 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에 있어, 페로브스카이트 태양전지는, 페로브스카이트 구조의 유기금속할로겐화물을 광흡수체로 함유하는 태양전지를 의미한다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지용 구조체는 페로브스카이트 태양전지 제조를 위한 구조체로, 금속산화물계 전자전달체; 및 전자전달체의 상부에 위치하며 염소공급원 및 페로브스카이트 화합물을 포함하는 활성층;을 포함한다.
상세하게, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지용 구조체는 금속산화물계 전자전달체; 및 전자전달체의 상부에 위치하며 염소공급원과 페로브스카이트 화합물을 함유하는 활성 용액이 도포 및 건조(활성층 용액의 용매가 휘발 제거됨을 의미)되어 수득되는 활성층을 포함한다.
활성층에 함유된 염소공급원은 열분해에 의해 적어도 전자전달체에 염소를 공급하는 역할을 수행할 수 있다. 상세하게, 활성층의 염소공급원은 하부에 위치하는 전자전달체 및 활성층 내 공존하는 페로브스카이트 화합물에 염소를 공급하는 역할을 수행할 수 있다.
구체적으로, 활성층의 염소공급원은 열분해됨으로써, 염소를 생성하여 전자전달체 및 페로브스카이트 화합물에 염소를 공급함으로써, 염소를 함유하는 전자전달체 및 염소공급원이 열분해되어 제거되고 염소를 함유하는 페로브스카이트 화합물층인 광흡수층의 제조를 가능하게 한다.
열분해되는 염소공급원에 의해 전자전달체의 금속산화물과 광흡수층의 페로브스카이트 화합물이 염소화됨으로써, 우수한 광전변환효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지가 제조될 수 있으며, 나아가, 극히 장시간 동작 시에도 초기 우수한 광전변환효율이 안정적으로 유지되는, 현저하게 뛰어난 광안정성을 갖는 페로브스카이트 태양전지가 제조될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지용 구조체는, 전자전달체와 광흡수층으로 전환되는 활성층이 모두 형성된 상태에서 구조체 내부에서 염소공급원을 열분해시킴으로써, 구조체 내부에서 페로브스카이트 화합물과 전자전달체의 금속산화물 모두를 염소화시킬 수 있다.
금속산화물계 전자전달체만을 형성한 후 금속염화물등으로 전자전달체를 후처리하여 염소를 잔류시킴(외부 공급)으로써 전자전달체를 독립적으로 염소화시킬 수도 있다. 그러나, 전자전달체와 염소공급원과 페로브스카이트 화합물을 포함하는 활성층을 형성한 후, 구조체 내부로부터 염소를 공급하여 페로브스카이트 화합물과 전자전달체 모두를 염소화(내부 공급)시키는 경우 외부 공급에 의한 염소화 대비 광안정성이 놀랍도록 현저하게 향상될 수 있다.
페로브스카이트 화합물이 열적으로 손상되는 것을 방지하면서, 안정적이며 효과적으로 염소를 공급하기 위해, 염소공급원은 200 ℃ 이하의 열분해온도를 갖는 유기염화물인 것이 유리하다. 유기염화물은 열분해시 유기물이 용이하게 제거 가능하여, 목적하는 염소 이외 원치 않는 불순물 잔류를 방지할 수 있어 유리하다. 또한, 염소공급원인 유기염화물은 200 ℃ 이하의 열분해온도, 구체적으로는 100 내지 200 ℃의 열분해 온도를 갖는 것이 좋다. 이러한 유기염화물의 열분해온도는 염소를 공급하기 위한 열분해(열처리)시 페로브스카이트 화합물이 열적으로 손상되는 것을 방지할 수 있어 유리하며, 구조체가 목적하는 시점에서 의도된 열처리에 의해 염소를 공급할 수 있는 열 안정성을 확보할 수 있어 유리하다.
보다 유리하게 염소공급원은 C1 내지 C3 알킬암모늄 염화물(C1-C3 알킬암모늄 클로라이드)인 것이 좋고, 보다 더 유리하게 염소공급원은 메틸암모늄 염화물(메틸암모늄클로라이드)인 것이 보다 좋다. C1 내지 C3의 저탄소 알킬암모늄 염화물은 상술한 열 안정성을 담보할 수 있고, 용이하게 열분해 가능하여 유리하며, 특히 메틸암모늄 염화물은 페로브스카이트 화합물이 열손상되지 않는 저온에서 안정적으로 열분해되며 염소 이외의 잔류 불순물을 남기지 않을 수 있어 보다 유리하다.
활성층은 페로브스카이트 화합물 1.00 몰 대비 0.20몰 내지 1.00몰의 염소공급원을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 페로브스카이트 화합물 1.00몰 대비 0.25몰 내지 0.50몰의 염소공급원을 함유할 수 있다.
활성층이 페로브스카이트 화합물 1.00몰 대비 0.20몰 미만의 염소공급원을 함유하는 경우, 열분해에 의해 생성되는 염소에 의해 페로브스카이트 화합물의 염소화는 일정부분 발생할 수 있으나, 전자전달체의 염소화가 발생하지 않거나 극히 미미한 염소화가 이루어져 목적하는 광안정성 효과가 나타나지 않거나 현저하게 그 효과가 떨어질 위험이 있다. 또한, 활성층이 페로브스카이트 화합물 1.00몰 대비 1.00몰을 초과하는 염소공급원을 함유하는 경우, 다량의 염소는 공급할 수 있으나, 분해되는 염소공급원 또한 많아져 광흡수층의 막질이 떨어질 위험이 있다.
제조방법적 측면에서 염소공급원과 페로브스카이트 화합물을 함유하되, 페로브스카이트 화합물 1.00몰 당 0.20몰 내지 1.00몰, 구체적으로는 0.25몰 내지 0.50몰의 염소공급원을 함유하는 활성 용액을 전자전달체 상부에 도포 및 건조함으로써, 페로브스카이트 화합물 1.00몰 당 0.20몰 내지 1.00몰, 구체적으로 0.25몰 내지 0.50몰의 염소공급원을 함유하는 활성층을 제조할 수 있다.
활성층의 페로브스카이트 화합물은 화학식 1을 만족하는 유기금속할로겐화물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 광을 흡수하여 광전자와 광정공을 생성하는 광흡수체로 사용되는 것으로 알려진 페로브스카이트 구조의 오가노메탈 할라이드이면 어떠한 물질이든 무방하다.
(화학식 1)
AMX3
화학식 1에서, A는 1가의 유기 양이온이며, M는 2가의 금속 이온이며, X는 I-, Br-, F- 및 Cl-에서 선택되는 1종 또는 2종 이상, 실질적으로 X는 I-, Br- 및 F-에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다. 2가의 금속 이온인 M의 예로, Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Ge2+, Sn2+, Pb2+ 및 Yb2+에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. A는 아미디니움계(amidinium group) 이온, 유기 암모늄 이온 또는 아미디니움계 이온과 유기 암모늄 이온일 수 있다. 유기 암모늄 이온은 (R1-NH3 +)X(R1은 C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이며, X는 Cl-, Br-, F- 및 I-에서 하나 또는 둘 이상 선택된 할로겐 이온)의 화학식 또는 (R2-C3H3N2 +-R3)X(R2는 C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이며, R3은 수소 또는 C1-C24의 알킬이며, X는 Cl-, Br-, F- 및 I-에서 하나 또는 둘 이상 선택된 할로겐 이온)의 화학식을 만족할 수 있다. 비 한정적이며 구체적인 일 예로, R1은 C1-C24의 알킬, 좋게는 C1-C7 알킬, 보다 좋게는 메틸일 수 있다. R2는 C1-C24의 알킬일 수 있고 R3는 수소 또는 C1-C24의 알킬일 수 있으며, 좋게는 R2는 C1-C7 알킬일 수 있고 R3는 수소 또는 C1-C7 알킬일 수 있으며, 보다 좋게는 R2는 메틸일 수 있고 R3는 수소일 수 있다.
아미디니움계 이온은 하기 화학식 2를 만족할 수 있다.
(화학식 2)
Figure 112017095688761-pat00001
이때, 화학식 2에서 R4 내지 R8은 서로 독립적으로, 수소, C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이다. 태양광의 흡수를 고려한, 비 한정적이며 구체적인 일 예로, R4 내지 R8은 서로 독립적으로, 수소, 아미노 또는 C1-C24의 알킬, 구체적으로, 수소, 아미노 또는 C1-C7 알킬, 보다 구체적으로 수소, 아미노 또는 메틸일 수 있다. 보다 더 구체적으로 R4가 수소, 아미노 또는 메틸이고 R5 내지 R8가 수소일 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 아미디니움계 이온은 포름아미디니움(formamidinium, NH2CH=NH2 +) 이온, 아세트아미디니움(acetamidinium, NH2C(CH3)=NH2 +) 또는 구아미디니움(Guamidinium, NH2C(NH2)=NH2 +)을 들 수 있다.
상술한 바와 같이, 유기할로겐화물의 1가의 유기이온(A)은 상술한 R1-NH3 + 또는 R2-C3H3N2 +-R3인 1가의 유기 암모늄 이온, 화학식를 기반으로 상술한 아미디니움계 이온, 또는 유기 암모늄 이온과 아미디니움계 이온일 수 있다.
1가의 유기이온이 유기 암모늄 이온과 아미디니움계 이온을 모두 포함하는 경우, 유기할로겐화물은 A' 1-xAxX(A는 상술한 1가의 유기 암모늄 이온이며, A'는 상술한 아미디니움계 이온이고, X는 I-, Br-, F- 및 Cl-에서 하나 또는 둘 이상, 실질적으로 I-, Br- 및 F-에서 선택되는 하나 또는 둘 이상 선택되는 할로겐 이온이며, x는 0<x<1인 실수, 좋게는 0.05≤x≤의0.3인 실수)화학식을 만족할 수 있다. 1가 유기 양이온의 총 몰수를 1로 하여, 0.7 내지 0.95의 아미디니움계 이온 및 0.3 내지 0.05의 유기암모늄 이온을 함유하는 경우, 매우 넓은 파장 대역의 광을 흡수할 수 있으면서도 보다 빠른 엑시톤(exciton)의 이동 및 분리, 보다 빠른 광전자 및 광정공의 이동이 가능하여 유리하다.
활성층은 전자전달체를 덮은 층 형상일 수 있다. 구체적으로, 전자전달체가 치밀막의 층 형상인 경우 치밀막의 상부 표면을 덮는 층 형태일 수 있다. 또한, 전자전달체가 다공막등을 포함하는 다공 구조인 경우, 전자전달체의 열린 기공을 채우며 전자전달체를 덮은 층 형태일 수 있다.
전자전달체는 금속산화물 구조체일 수 있으며, 금속산화물 구조체의 금속산화물은 통상의 양자점 기반 태양전지, 염료 감응형 태양전지 또는 페로브스카이트 태양전지에서, 전자 전달을 위해 사용되는 전자전도성 금속산화물의 구조체일 수 있다. 구체적인 일 예로, 금속산화물은 n-형 금속산화물 반도체일 수 있다. n-형 금속산화물 반도체의 비한정적인 일 예로, 타이타늄 산화물, 아연 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 텅스텐 산화물, 니오븀 산화물, 몰리브데넘 산화물, 마그네슘 산화물, 바륨 산화물, 지르코늄 산화물, 스트론튬 산화물, 란타늄 산화물, 바나듐 산화물, 알루미늄 산화물, 이트륨 산화물, 스칸듐 산화물, 사마륨 산화물, 갈륨 산화물 및 스트론튬-타이타늄 산화물에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 들 수 있으며, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체(고용체를 포함함)를 들 수 있다. 다만, 유리하게, 본 발명에 따라, 우수한 전자전달특성을 가짐에도 페로브스카이트 화합물을 광분해시켜 태양전지의 수명에 악영향을 미치는 금속산화물을 사용하는 경우에도 극히 우수한 광안정성 특성을 가질 수 있음에 따라, 본 발명에 따른 효과를 효과적으로 얻으며 태양전지의 효율 극대화 측면에서, 금속산화물은 광촉매능을 갖는 금속산화물일 수 있다. 당업자에게 광촉매능을 갖는 금속산화물은 익히 알려진 물질들이며, 구체적인 일 예로, 타이타늄 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물, 텅스텐 산화물, 이들의 혼합물, 또는 이들의 복합체(고용체를 포함함)를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그 구조에 있어, 금속산화물 구조체는 다공성 층(다공막)이거나 치밀층(치밀막) 또는 치밀층과 다공성 층이 적층된 적층체일 수 있다. 즉, 금속산화물 구조체는 금속산화물 치밀막, 금속산화물 다공막, 또는 금속산화물 치밀막 상 금속산화물 다공막이 적층된 적층체일 수 있다. 다공막은 상술한 전자 전도성 금속산화물의 입자들의 입자간 공간에 의해 다공 구조를 갖는 다공막을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 열린 기공을 갖는 금속산화물 막이면 족하다. 다공막의 금속산화물과 치밀막의 금속산화물은 동종 또는 이종의 물질일 수 있다.
금속산화물 다공막 또는 치밀막의 두께는 50nm 내지 10μm, 구체적으로는 50nm 내지 1000nm일 수 있다. 다공막인 경우 그 비표면적은 10 내지 100 m2/g일 수 있으며, 다공막의 금속산화물 입자의 평균 입경(diameter)은 5 내지 500 nm일 수 있다. 다공막의 기공률(겉보기 기공률)은 30% 내지 65%, 구체적으로 40% 내지 60%일 수 있다.
구조체는 전자전달체 및 활성층과 함께, 전자전달체 하부에 위치하는 제1전극을 더 포함할 수 있으며, 나아가, 제1전극 하부에 위치하는 제1기판을 더 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 상술한 페로브스카이트 태양전지용 구조체의 제조방법을 포함한다.
상세하게, 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지용 구조체의 제조방법은 금속산화물계 전자전달체 상부에 염소공급원과 페로브스카이트 화합물을 함유하는 활성 용액을 도포 및 건조하여 활성층을 제조하는 단계;를 포함한다.
염소공급원, 전자전달체의 금속산화물, 페로브스카이트 화합물의 물질 및 활성층의 구조나 조성은 앞서 페로브스카이트 태양전지용 구조체에서 상술한 바와 동일 내지 유사하다.
앞서 상술한 바와 같이, 활성 용액은 페로브스카이트 화합물 1.00 몰 대비 0.20몰 내지 1.00몰의 염소공급원을 함유할 수 있으며, 구체적으로, 페로브스카이트 화합물 1.00몰 대비 0.25몰 내지 0.50몰의 염소공급원을 함유할 수 있다. 활성 용액내 페로브스카이트 화합물 및 염소공급원의 몰농도는 용매의 용해 한계 내이면 무방하다. 실질적이며 비한정적인 일 예로, 활성 용액내 페로브스카이트 화합물 몰농도는 0.1M 내지 0.8M일 수 있다.
활성 용액의 용매는 염소공급원과 페로브스카이트 화합물을 용해하며, 용이하게 휘발 제거 가능한 용매이면 사용 가능하다. 염소공급원이 유기염화물인 경우의 구체적인 일 예로, 활성 용액의 용매는 비수계 극성 유기용매일 수 있으며, 일 구체예로 비수계 극성 유기용매는 감마-부티로락톤, 포름아마이드, N,N-다이메틸포름아마이드, 다이포름아마이드, 아세토나이트릴, 테트라하이드로퓨란, 다이메틸설폭사이드, 다이에틸렌글리콜, 1-메틸-2-피롤리돈, N,N-다이메틸아세트아미드, 아세톤, α-터피네올, β-터피네올, 다이하이드로 터피네올, 2-메톡시 에탄올, 아세틸아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 케톤, 메틸 이소부틸 케톤 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
활성 용액의 도포는, 액상이나 분산상의 도포에 통상적으로 사용되는 방법이면 무방하다. 구체적인 일 예로, 코팅은 딥코팅, 스핀 코팅 또는 캐스팅등을 들 수 있으며, 인쇄는 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 정전수력학 프린팅, 마이크로 컨택 프린팅, 임프린팅, 그라비아 프린팅, 리버스옵셋 프린팅 또는 그라비옵셋 프린팅등을 들 수 있으나, 본 발명이 구체적인 도포 방법에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.
도포 후 도포된 활성 용액의 용매를 휘발제거하기 위한 건조가 수행될 수 있으나, 용매의 휘발성이 강한 경우 도포 과정에서 자연건조될 수 있음에 따라, 이러한 건조 단계는 선택적으로 수행될 수 있다. 건조가 더 수행되는 경우 건조 온도는 활성 용액의 용매가 용이하게 휘발 제거되며 염소공급원이 열분해되지 않도록 염소공급원의 열분해 온도 미만의 온도일이면 무방하다. 구체적인 일 예로, 상온 내지 50℃의 온도를 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지용 구조체의 제조방법은 제1전극 상 금속산화물계 전자전달체를 형성하는 단계; 및 전자전달체 상부에 염소공급원과 페로브스카이트 화합물을 함유하는 활성 용액을 도포 및 건조하여 활성층을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
전자전달체 제조 단계는 제1전극 상 금속산화물 치밀막, 금속산화물 다공막 또는 금속산화물 치밀막상 금속산화물 다공막이 적층된 적층체인 금속산화물 구조체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적인 제조방법을 상술하면, 금속산화물 치밀막은 물리적 증착 또는 화학적 증착 등의 증착 공정을 통해 금속산화물의 치밀성 막을 형성하여 제조될 수 있으며, 금속산화물 다공막은 금속산화물 입자를 함유한 슬러리를 도포하고, 도포된 슬러리층을 건조 및 열처리하여 제조될 수 있다. 슬러리의 도포는 스크린 프린팅(screen printing), 스핀코팅 (spin coating), 바-코팅(bar coating), 그라비아-코팅(gravure coating), 블레이드 코팅(blade coating) 및 롤-코팅(roll coating) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속산화물 입자의 평균 입자 크기는 5 내지 500 ㎚일 수 있으며, 열처리는 공기 중에서 200 내지 600 ℃로 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속산화물 다공막 형성시, 도포된 슬러리가 건조된 후 열처리되어 제조되는 금속산화물 다공막의 두께는 예를 들어, 50 ㎚ 내지 10 ㎛, 보다 좋게는 50 ㎚ 내지 5 ㎛, 보다 더 좋게는 50 ㎚ 내지 1 ㎛일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
금속산화물 치밀막상 금속산화물 다공막이 적층된 적층체는 금속산화물 치밀막을 형성한 후, 금속산화물 치밀막 상 금속산화물 다공막을 형성함으로써 제조될 수 있으며, 금속산화물 치밀막의 제조방법 및 금속산화물 다공막의 제조방법은 상술한 바와 동일 내지 유사하다.
전자전달체 제조단계가 수행된 후, 상술한 활성 용액을 전자전달체에 직접적으로 도포 및 건조하여 전자전달체와 접하도록 활성층이 형성될 수 있음은 물론이며, 전자전달체와 활성층간의 직접적인 접합에 의해 활성층의 염소공급원이 분해되며 생성되는 염소가 전자전달체로 용이하게 공급될 수 있다.
본 발명은 상술한 페로브스카이트 태양전지용 구조체의 제조방법으로 제조된 페로브스카이트 태양전지용 구조체를 포함한다.
본 발명은 상술한 페로브스카이트 태양전지용 구조체를 이용한 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 포함한다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은 태양전지용 구조체를 열처리하여 염소공급원을 열분해시키는 단계;를 포함한다.
염소공급원, 유리하게는 유기염화물, 보다 유리하게는 C1-C3 알킬암모늄염화물을 열분해시키기 위한 열처리 온도는 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
(관계식 1)
Tdc ≤ Theat ≤ 200℃
Theat는 열처리 온도(℃)이며, Tdc는 염소공급원의 열분해 온도(℃)이다.
보다 유리한 C1-C3 알킬암모늄염화물을 기준으로, Tdc는 100 내지 200℃일 수 있으며, 보다 구체적으로 100 내지 150℃일 수 있다. 이에, 구체적으로 Theat는 100 내지 200℃일 수 있으며, 보다 더 구체적으로 130 내지 180℃일 수 있다. 이때, 열분해를 위한 열처리 분위기는 공기중일 수 있으며, 열분해 시간은 5 내지 15분일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구조체의 열처리에 의해 염소공급원이 열분해되며 염소가 생성되고, 열분해에 의해 생성된 염소는 페로브스카이트 화합물 및 전자전달체에 공급됨으로써, 염소가 첨가된 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광흡수층 및 염소가 첨가된 전자전달체가 제조될 수 있다. 즉, 열분해 단계는 태양전지용 구조체를 열처리하여 염소공급원을 열분해시켜, 염소공급원이 열분해된 후 잔류하는 활성층인 광흡수층을 제조하는 단계일 수 있으며, 열분해 단계는 태양전지용 구조체를 열처리하여 염소공급원을 열분해시켜, 염소 및 페로브스카이트 화합물을 함유하는 광흡수층 및 금속산화물 및 염소를 함유하는 전자전달체를 제조하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지 제조방법은, 상술한 열분해 단계 전, 제1전극 상부에 금속산화물계 전자전달체를 형성하는 단계;가 더 수행될 수 있으며, 열분해 단계 후, 염소공급원이 열분해된 후 잔류하는 활성층인 광흡수층 상부로 정공전달체를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 또한, 정공전달체 형성 단계 후, 정공전달체 상에 제1전극의 대전극인 제2전극을 형성하는 단계;가 더 수행될 수 있음은 물론이다.
전자전달체 형성 단계는 앞서 페로브스카이트 태양전지용 구조체의 제조방법에서 상술한 바와 유사 내지 동일하다.
정공전달체는 유기 정공전달체, 무기 정공전달체 또는 이들의 적층체일 수 있으나, 용액 공정으로 제조 가능하며, 정공 이동 특성이 우수한 유기 정공전달체일 수 있다.
유기 정공 전달체는 유기 정공전달물질, 구체적으로 단분자 내지 고분자 유기 정공전달물질(정공전도성 유기물)을 포함할 수 있다. 유기 정공전달물질은 무기 반도체 양자점을 염료로 사용하는 통상의 무기 반도체 기반 태양전지 또는 페로브스카이트 태양전지에서 사용되는 유기 정공전달물질이면 사용 가능하다.
유기 정공전달물질의 비 한정적인 일 예로, 펜타센(pentacene), 쿠마린 6(coumarin 6, 3-(2-benzothiazolyl)-7-(diethylamino)coumarin), ZnPC(zinc phthalocyanine), CuPC(copper phthalocyanine), TiOPC(titanium oxide phthalocyanine), Spiro-MeOTAD(2,2,2',7,7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenyl amine)-9,9,9'-spirobi fluorene), F16CuPC(copper(II) 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro-29H,31H-phthalocyanine), SubPc(boron subphthalocyanine chloride), N3(cis-di(thiocyanato)-bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)-ruthenium(II)),P3HT(poly[3-hexylthiophene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3',7'- dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH-PPV(poly[2-methoxy -5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), POT( poly(octyl thiophene)), P3DT(poly(3-decyl thiophene)), P3DDT(poly(3-dodecyl thiophene), PPV(poly(p-phenylene vinylene)), TFB(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenyl amine), Polyaniline, Spiro-MeOTAD ([2,22′,7,77′-tetrkis (N,N-di-p-methoxyphenyl amine)-9,9,9′-spirobi fluorine]), PCPDTBT(Poly[2,1,3-benzothiadiazole- 4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl-4H- cyclopenta [2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl]], Si-PCPDTBT(poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PBDTTPD(poly((4,8-diethylhexyloxyl) benzo([1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl)-alt-((5-octylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione)-1,3-diyl)), PFDTBT(poly[2,7-(9-(2-ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4', 7, -di-2-thienyl-2',1', 3'-benzothiadiazole)]), PFO-DBT(poly[2,7-.9,9-(dioctyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-.thienyl-2', 1', 3'-benzothiadiazole)]), PSiFDTBT(poly[(2,7-dioctylsilafluorene)-2,7-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5′-diyl]), PSBTBT(poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PCDTBT(Poly [[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl] -2,5-thiophenediyl -2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]), PFB(poly(9,9′-dioctylfluorene-co-bis(N,N′-(4,butylphenyl))bis(N,N′-phenyl-1,4-phenylene)diamine), F8BT(poly(9,9′-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole), PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)), PTAA (poly(triarylamine)), Poly(4-butylphenyl-diphenyl-amine) 및 이들의 공중합체에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유기물 기반 정공전달체는 전도도 향상과 같은 특성 향상을 위해 통상적으로 사용되는, TBP(tertiary butyl pyridine), LiTFSI(Lithium Bis(Trifluoro methanesulfonyl)Imide) 및 Tris(2-(1H-pyrazol-1-yl)pyridine)cobalt(III)등과 같은 첨가제를 함유할 수 있다.
정공전달체 형성 단계는 광흡수층 상부를 덮도록 유기 정공전달물질을 함유하는 용액(이하, 유기 정공전달 용액)을 도포 및 건조하여 수행될 수 있다. 정공전달체 형성을 위해 사용되는 용매는 유기 정공전달물질이 용해되며, 페로브스카이트 화합물 및 전자전달체의 물질과 화학적으로 반응하지 않는 용매이면 무방하다. 일 예로, 정공전달체 형성을 위해 사용되는 용매는 무극성 용매일 수 있으며, 실질적인 일 예로, 톨루엔(toluene), 클로로폼(chloroform), 클로로벤젠(chlorobenzene), 다이클로로벤젠(dichlorobenzene), 아니솔(anisole), 자일렌(xylene) 및 6 내지 14의 탄소수를 가지는 탄화수소계 용매등로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
유기 정공전달 용액 도포에 의해 제조되는 정공전달체는 유기 정공전달물질의 박막일 수 있으며, 박막의 두께는 10 nm 내지 500 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전극(제1전극 또는 제2전극)은 인접하는 전하전달체(전자전달체 또는 정공전달체)와 오믹 접합되는 전도성 전극이면 무방하며, 태양전지에서 전면전극 또는 후면전극의 전극물질로 통상적으로 사용되는 물질이면 사용 가능하다. 비 한정적인 일 예로, 전극이 후면전극의 전극물질인 경우, 전극은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 탄소, 황화코발트, 황화구리, 산화니켈 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된 물질일 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 제2전극이 투명전극일 경우, 전극은 불소 함유 산화주석(FTO; Fouorine doped Tin Oxide), 인듐 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide), ZnO, CNT(카본 나노튜브), 그래핀(Graphene)과 같은 무기계 전도성 전극일 수 있으며, PEDOT:PSS와 같은 유기계 전도성 전극일 수 있다.
전극(제1전극 또는 제2전극)은 반도체 공정에서 사용되는 통상의 금속 증착 방법을 통해 형성되면 족하다. 일 예로, 전극(제1전극 또는 제2전극)은 물리적 증착 또는 화학적 증착 등의 증착 공정을 통해 형성될 수 있으며, 구체적으로 열 증착에 의해 형성될 수 있다.
본 발명은 상술한 태양전지 제조방법으로 제조된 페로브스카이트 태양전지를 포함한다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지는 금속산화물 및 염소를 함유하는 전자전달체; 및 전자전달체의 상부에 위치하며 염소를 함유하는 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광흡수층; 및 광흡수층 상부에 위치하는 정공전달체;를 포함한다.
전자전달체는 광흡수층 대비 상대적으로 다량의 염소를 함유할 수 있으며, 전자전달체와 광흡수층의 계면 또한 광흡수층 대비 상대적으로 다량의 염소를 함유할 수 있다. 태양전지 내부로부터 발생된 염소에 의해 염소화된 광흡수층과 전자전달체, 특히 상대적으로 다량의 염소를 함유하는 전자전달체에 의해, 태양전지는 우수한 초기 광전변환효율을 가지면서도, 놀랍도록 우수한 광안정성을 나타낼 수 있다.
제조방법적 측면에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 화합물과 혼재하는 염소공급원의 열분해에 의해 생성된 염소로 염소화(첨가)된 금속산화물을 포함하는 전자전달체; 전자전달체의 상부에 위치하며 동일한 염소공급원의 열분해에 의해 생성된 염소로 염소화(첨가)된 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광흡수층; 및 광흡수층 상부에 위치하는 정공전달체를 포함할 수 있다.
광흡수층과 전자전달체 내 염소 함량은, 페로브스카이트 화합물 1.00 몰 대비 0.20몰 내지 1.00몰의 염소공급원을 포함하는 활성층이 100 내지 200℃의 온도, 구체적으로 130 내지 180℃의 온도로 열처리됨으로써, 활성층의 염소공급원이 열분해되고, 활성층이 열분해에 의해 제공되는 염소로 광흡수층의 페로브스카이트 화합물이 염소화되며, 동시에, 전자전달체가 열분해에 의해 제공되는 염소로 염소화되는 함량일 수 있다.
광흡수층은 전자전달체를 덮은 층 형상일 수 있으며, 구체적으로, 전자전달체가 치밀막의 층 형상인 경우 금속산화물 치밀막 상에 위치하는 페로브스카이트 화합물 층일 수 있다. 또한, 전자전달체가 다공막등을 포함하는 다공 구조인 경우, 전자전달체의 열린 기공을 채우며 전자전달체를 덮은 페로브스카이트 화합물 층일 수 있다. 광흡수층의 두께는 100nm 내지 1000nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 전자전달체 하부에 위치하는 제1전극 및 정공전달체 상부에 위치하는 제2전극을 더 포함할 수 있음은 물론이다.
페로브스카이트 태양전지의 전자전달체, 정공전달체, 페로브스카이트 화합물, 염소공급원, 제1전극, 제2전극의 물질은 앞서 태양전지의 제조방법, 페로브스카이트 태양전지용 구조체, 및 구조체의 제조방법에서 상술한 바와 유사 내지 동일하다.
이하, 유리한 염소공급원인 메틸암모늄염화물을 사용하여 태양전지를 제조하고, 그 광전변환특성 및 광 안정성을 테스트함으로써, 본 발명의 기술적 우수함을 실험적으로 보인다.
(실시예 1)
불소 함유 산화주석이 코팅된 유리 기판(FTO; F-doped SnO2, 8 ohms/㎠, Pilkington, 이하 FTO 기판)을 25 x 25 ㎜ 크기로 절단한 후, 끝부분을 에칭하여 부분적으로 FTO를 제거하였다.
절단 및 부분 에칭된 FTO 기판 위에 금속산화물 박막으로서 50 ㎚ 두께의 TiO2 치밀막을 분무 열분해법으로 제조하였다. 분무 열분해는 TAA (Titanium acetylacetonate):에탄올(1:9 v/v%) 용액을 이용하여 수행되었으며, 450℃로 유지된 열판 위에 올려진 FTO 기판 위에 3초간 분무하고 10초간 정지하는 방법을 되풀이하는 방법으로 두께를 조절하였다.
평균 입자크기(직경) 50 ㎚의 TiO2 분말 (TiO2 기준으로 1 중량%가 용해된 titanium peroxocomplex 수용액을 250℃에서 12시간 수열처리하여 제조)에, 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)가 10 중량%로 에탄올에 용해된 에틸 셀룰로오스 용액을, TiO2 분말 1g당 5 ㎖ 첨가하고, 테르피놀(terpinol)을 TiO2 분말 1 g당 5 g 첨가하여 혼합한 후, 에탄올을 감압 증류법으로 제거하여 TiO2 페이스트를 제조하였다.
제조된 TiO2 분말 페이스트에 중량비가 1(분말 페이스트):5(에탄올)이 되도록 에탄올을 첨가하여 스핀 코팅용 TiO2 슬러리를 제조하였다. FTO 기판의 TiO2 박막 위에, 스핀 코팅용 TiO2 슬러리를 스핀 코팅(2500rpm)하고 500℃에서 60분 동안 열처리하여 1000nm 두께의 다공성 TiO2 박막을 제조하였다. 제조된 다공성 TiO2 박막의 비표면적은 33 ㎡/g이며, 기공률(겉보기 기공률)은 50%이었다.
활성 용액을 제조하기 위해, FAPbI3(FA=formamidinium)와 MAPbBr3(MA=methylammonium)를 0.85:0.15 몰비로 N,N-다이메틸포름아마이드 0.8 ㎖와 다이메틸설폭사이드 0.1 ㎖에 녹여 1.4M 농도로 페로브스카이트 화합물이 용해된 용액을 제조하였으며, 이 용액에 페로브스카이트 화합물 : 메틸암모늄염화물(CH3NH3Cl, 이하, MACl)의 몰비가 1: 0.25가 되도록 메틸암모늄염화물을 투입하여 활성 용액을 제조하였다.
제조된 활성 용액을 다공성 TiO2 박막 상에 도포하고, 5000 rpm으로 스핀 코팅하여 활성층을 제조한 후, 150℃에서 10분 동안 열처리하여 염소공급원을 열분해시키고 전자전달체 및 페로브스카이트 화합물을 염소화시켜 염소화된 전자전달체 및 염소화된 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광흡수층을 제조하였다. 광흡수층의 제조 시 주변 환경은 25℃의 온도 및 25%의 상대습도를 유지하였다.
이후, 페로브스카이트 화합물 층 상에 PTAA(poly(triarylamine))가 용해된 용액[10 ㎎(PTAA)/1 ㎖ (톨루엔)]을 3000 rpm으로 60초 동안 스핀 코팅하여 정공전달층을 형성하였다.
이후, 정공전달층의 상부에 고진공(5x10-6 torr 이하)의 열 증착기(thermal evaporator)로 Au를 진공 증착하여, 두께가 70 ㎚인 Au 전극(제2전극)을 형성하여 태양전지를 제조하였다.
(비교예 1)
활성 용액 대신, FAPbI3(FA = formamidinium)와 MAPbBr3(MA = methylammonium)를 0.85:0.15 몰비로 N,N-다이메틸포름아마이드 0.8 ㎖와 다이메틸설폭사이드 0.1 ㎖에 녹여, 1.4M 농도로 페로브스카이트 화합물이 용해된 용액을 전자전달체에 도포하여 페로브스카이트 화합물층인 광흡수층을 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 태양전지를 제조하였다.
도 1은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 광흡수층의 Cu Kα X선 회절 분석 결과를 도시한 도면이다. 도 1에서 알 수 있듯이 내부 염소 공급원을 이용하여 열처리하면 페로브스카이트의 특징적인 피크가 14˚(=2θ)와 28˚ 부근에서 관찰이 되고 다른 이차상들이 거의 존재하지 않음을 알 수 있다. 그러나, 내부 염소공급원 없이 열처리한 비교예의 경우에는 페로브스카이트 피크 세기도 매우 작고 다른 이차상이 다량 존재함을 알 수 있다. 도 1로부터, 염소공급원에 의해, 유사 단결정에 이르는 극히 고배향의 페로브스카이트 화합물 층인 광흡수층이 형성됨을 알 수 있다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 태양전지를 TOF-SIMS로 분석하여, 깊이에 따른 조성분석결과를 측정 도시한 도면이다. 실시예 1에서 페로브스카이트 화합물의 할로겐 원소가 I 및 Br인 점에 주목하여야 하며, 도 2의 조성분석결과를 통해 염소공급원에 의해 제공되는 염소(즉, 염소공급원에 의해 야기된 염소)가 광흡수층과 전자전달체에 첨가됨을 확인할 수 있다. 또한, 도 2에서 알 수 있듯이, 내부 염소공급원이 열분해되며 생성된 Cl 성분이 다공성 TiO2 박막에 상대적으로 다량 존재하는 것을 확인할 수 있고, 광흡수층 또한 Cl 성분을 소량 함유하는 것을 알 수 있었다.
(성능 평가)
실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 페로브스카이트 태양전지를 이용하여 하기 방법을 통해 태양전지의 성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1 및 도 3에 도시하였으며, 도 4에 시간에 따른 광안정성 평가 결과(y축 η1/η0, x축 1,000 W/㎡의 일조 강도와 온도 30℃ 및 습도 25%의 항온항습 조건에서 태양전지를 280 내지 2500 ㎚ 파장의 광원에 노출시킨 시간)를 도시하였다.
1) 전류-전압 특성: 인공태양장치(ORIEL class A solar simulator, Newport, model 91195A)와 소스-미터(source-meter, Kethley, model 2420)를 사용하여, 개방전압(VOC), 단락전류 밀도(JSC) 및 필 팩터(fill factor, FF)를 측정하였다.
2) 광전변환효율(power conversion efficiency, PCE): 1,000 W/㎡의 일조 강도와 온도 30℃ 및 습도 25%의 항온항습 조건에서 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 페로브스카이트 태양전지를 280 내지 2500 ㎚ 파장의 광원에 노출시켜 PCE 값을 측정하였다.
3) 광안정성 : 광전변환효율에 따라 측정된 PCE 값을 하기 계산식에 대입하여 광안정성을 평가하였다.
계산식 = (η1/η0) X 100
계산식에서 η0는 광에 노출된 직후 페로브스카이트 태양전지 광전변환효율(%)인 초기 광전변환효율이며, η1은 동일 페로브스카이트 태양전지를 일정 시간 동안 광에 노출한 후의 광전변환효율(%)이다. η1의 측정시 광 노출 조건은 광전변환효율 측정 조건과 동일하다.
(표 1)
Figure 112017095688761-pat00002
표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 내부 염소공급원에 의해 페로브스카이트 화합물 및 전자전달체가 염소화된 태양전지의 경우, 종래의 페로브스카이트 태양전지보다 더 우수한 성능을 가짐을 확인할 수 있다. 또한, 도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 태양전지의 경우, 1,000 W/㎡의 일조 강도로 1000시간에 이르는 연속적 광조사에도 실질적인 광전변환효율의 저하가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (11)

  1. 금속산화물계 전자전달체; 및
    상기 전자전달체의 상부에 위치하며 페로브스카이트 화합물 및 200 ℃이하의 열분해 온도를 갖는 유기염화물인 염소공급원을 포함하는 활성층;을 포함하되,
    상기 활성층의 염소공급원은 열분해에 의해 제거되며 페로브스카이트 화합물과 전자전달체에 염소를 공급하여, 전자전달체를 염소화된 전자전달체로 전환시키고 활성층을 염소화된 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광흡수층으로 전환시키는 페로브스카이트 태양전지용 구조체.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층은 페로브스카이트 화합물 1.00 몰 대비 0.20몰 내지 1.00몰의 염소공급원을 포함하는 페로브스카이트 태양전지용 구조체.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 염소공급원은 C1 내지 C3 알킬암모늄 염화물인 페로브스카이트 태양전지용 구조체.
  6. 제 1항, 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 따른 태양전지용 구조체를 열처리하여 염소공급원을 열분해시켜 염소화된 전자전달체 및 염소화된 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계;를 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 열분해 단계 후,
    염소공급원이 열분해된 후 잔류하는 활성층인 광흡수층 상부로 정공전달체를 형성하는 단계;를 더 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 열처리 온도는 하기 관계식 1을 만족하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
    (관계식 1)
    Tdc ≤ Theat ≤ 200℃
    (Theat는 열처리 온도(℃)이며, Tdc는 염소공급원의 열분해 온도(℃)이다)
  9. 제 6항에 따른 제조방법으로 제조된 페로브스카이트 태양전지.
  10. 삭제
  11. 제 9항에 있어서,
    하기 관계식 2를 만족하는 광안정성을 갖는 페로브스카이트 태양전지.
    (식 1)
    98 ≤ (η1/η0) X 100
    (η0는 광에 노출된 직후 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율(%)인 초기 광전변환효율이며, η1은 동일 페로브스카이트 태양전지를 1000시간 동안 연속적으로 광에 노출한 후의 광전변환효율(%)이며, 광 노출 조건은 1,000 W/㎡의 일조 강도, 25℃의 온도, 25%의 습도 및 280 내지 2500 ㎚ 파장의 광원이다)
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