KR102065554B1 - 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지 - Google Patents

박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지 Download PDF

Info

Publication number
KR102065554B1
KR102065554B1 KR1020180099091A KR20180099091A KR102065554B1 KR 102065554 B1 KR102065554 B1 KR 102065554B1 KR 1020180099091 A KR1020180099091 A KR 1020180099091A KR 20180099091 A KR20180099091 A KR 20180099091A KR 102065554 B1 KR102065554 B1 KR 102065554B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thin film
type
forming
organic semiconductor
semiconductor material
Prior art date
Application number
KR1020180099091A
Other languages
English (en)
Inventor
염준호
양리앙
김도형
김수경
소준영
케빈 시불라
이유선
최동혁
Original Assignee
한국전력공사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사 filed Critical 한국전력공사
Priority to KR1020180099091A priority Critical patent/KR102065554B1/ko
Priority to PCT/KR2018/016019 priority patent/WO2020040361A1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102065554B1 publication Critical patent/KR102065554B1/ko

Links

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
    • 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
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • 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
    • H01L51/0036—
    • H01L51/0046—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10—Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/20—Carbon compounds, e.g. carbon nanotubes or fullerenes
    • H10K85/211—Fullerenes, e.g. C60
    • 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
    • Y02E10/549—Organic PV cells
    • 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)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 박막의 형성방법은, 소정의 기판 상에 전자 또는 홀 수송층을 형성하기 위한 용액을 코팅하는 단계; 및 상기 용액의 가교반응을 통해 박막을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 용액은, 유기 반도체 물질과 함께, 아지드계(azid group) 작용기와 페릴렌 디이미드(Perylene Diimide, PDI) 작용기로 구성된 반도체형 가교제(crosslinker)가 포함되되, 상기 유기 반도체 물질은 알킬기를 가진 n형으로 플러렌 유도체 또는 알킬기를 가진 p형으로 P3HT(poly(3-hexylthiophene))이고, 상기 플러렌 유도체는 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이며, 상기 가교반응은 상기 아지드계 작용기가 상기 PCBM 또는 상기 P3HT와 일어나는 것을 알 수 있다.

Description

박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지{THIN FILM, METHOD OF FORMING THIN FILM, PEROVSKITE SOLARCELL INCLUDING THIN FILM}
본 발명은 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소정의 기판 상에 전자 수송층 또는 홀 수송층을 형성하기 위한 용액을 코팅하여 가교반응을 통해 박막으로 형성함으로써, 유기 반도체의 솔벤트 저항성을 높일 뿐만 아니라, 전자이동도를 유지하기 위한, 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다.
페로브스카이트(perovskite) 구조 물질을 이용한 태양전지는 기존 실리콘 재질의 태양전지에 비해 고효율 특성을 나타내는 차세대 태양전지로 각광을 받고 있다. 이러한 태양전지는 전자(electron) 혹은 정공(hole)을 전달할 수 있는 물질이 중요하다.
여기서, 전자 수송층은 전자 수송 물질인 경우에 전자를 수송할 수 있는 전자이동도가 높아야 하고, 홀 수송층은 정공을 수송할 수 있는 정공이동도가 높아야 한다. 이러한 소재에는 유기 반도체 물질(예를 들어, n형; 플러렌계 유도체[fullerene derivatives] 등, p형; PEDOT:PSS 등) 또는 무기 반도체 물질(예를 들어, n형; TiO2, SnO2, ZnO 등, p형; NiOx 등)이 이용될 수 있다.
그리고, 이러한 소재는 물질에 따라 용액 기반 공정(solution based processes) 예를 들어, 스핀 코팅(spin coating), 슬롯 코팅(slot coating), 바 코팅(bar coating), 졸-겔 코팅(sol-gel coating), 하이드로써멀법(hydrothermal method) 등으로 제조되거나, 증착법 예를 들어, 스퍼터링(sputtering), 진공증착(evaporation), 원자층 증착(atomic layer deposition) 등으로 제조된다. 일반적으로, 유기 소재는 용액 기반 공정으로 증착된다.
한편, n형 반도체 물질의 경우에는 무기 소재로서 용액 처리된 이산화티타늄(TiO2)을 대표적으로 사용하였다.
그런데, 고결정성 기반 이산화티타늄 필름(high crystalline based TiO2 film)을 제조하는 과정에서는 500℃의 고온 기반 공정이 필요하므로 디바이스에서 히스테리시스(hysteresis)를 일으킬 수 있다. 이와 같은 이산화티타늄 기반의 디바이스는 신뢰성이 높지 않다고 알려져 있다.
이로 인해, 최근에는 이산화티타늄 대신에 n형 유기 소재를 이용하여 저온 기반 공정, 고효율, 고신뢰성 디바이스 제조 기술 개발에 관한 연구가 진행되고 있다.
대표적인 n형 유기 소재는 플러렌 계열의 물질로서 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이 있다. 이러한 PCBM은 전자이동도가 높고 유기 용매에서 용해도가 높기 때문에 용액 기반 공정을 활용하기 용이한 물질로서, 하이브리드 페로브스카이트 태양전지에 이용되고 있다.
하지만, PCBM은 하이브리드 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 용액 예를 들어, DMF(DiMethylFormamide), DMSO(DiMethyl SulfOxide) 등에 용해도가 높다. 즉, n형 플러렌 계열의 PCBM 상에 페로브스카이트를 코팅하는 경우에는 PCBM 필름이 용해되어 나올 수 있기 때문에 박막 제조를 바탕으로 한 응용 분야에 제한적이다.
이와 관련하여, 가교반응(crosslinking)을 이용하여 PCBM의 솔벤트 저항성(solvent resistance)를 향상시키는 논문(Highly Efficient Perovskite Solar Cells with Crosslinked PCBM Interlayers, W Qiu et al, J Mater Chem A, 2017, 5, 2466)이 제안된 바 있다.
해당 논문에서는 16-diazidohexane(DAZH)에 포함된 아마이드 그룹(amide group)이 자외선 조건에서 반응성 질소(reactive N)로 바뀌며, PCBM과 가교반응을 일으킨다.
그런데, 해당 논문의 경우에는 절연체인 가교제(crosslinker)로 인해 가교된 PCBM의 우수한 전자이동도를 떨어뜨린다. 이로 인해, 이 경우에는 가교제의 양을 제한적으로 사용할 수 밖에 없으며, 솔벤트 저항성을 향상시키는데 한계가 있다. 실제로, 해당 논문에서는 보여진 자외선 가시광선 분광법(UV-vis spectroscopy)을 통해 80% 가량의 PCBM이 손실되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 기존에는 플러렌 계열 혹은 다른 종류의 유기 반도체의 솔벤트 저항성을 향상시키면서 전자이동도를 유지할 수 있는 방법이 제안될 필요가 있다.
Highly Efficient Perovskite Solar Cells with Crosslinked PCBM Interlayers (W Qiu et al, J Mater Chem A, 2017, 5, 2466)
본 발명의 목적은 소정의 기판 상에 전자 수송층 또는 홀 수송층을 형성하기 위한 용액을 코팅하여 가교반응을 통해 박막으로 형성함으로써, 유기 반도체의 솔벤트 저항성을 높일 뿐만 아니라, 전자이동도를 유지하기 위한, 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 박막의 형성방법은, 소정의 기판 상에 전자 또는 홀 수송층을 형성하기 위한 용액을 코팅하는 단계; 및 상기 용액의 가교반응을 통해 박막을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 용액은, 유기 반도체 물질과 함께, 아지드계(azid group) 작용기와 페릴렌 디이미드(Perylene Diimide, PDI) 작용기로 구성된 반도체형 가교제(crosslinker)가 포함되되, 상기 유기 반도체 물질은 알킬기를 가진 n형으로 플러렌 유도체 또는 알킬기를 가진 p형으로 P3HT(poly(3-hexylthiophene))이고, 상기 플러렌 유도체는 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이며, 상기 가교반응은 상기 아지드계 작용기가 상기 PCBM 또는 상기 P3HT와 일어나는 것일 수 있다.
상기 유기 반도체 물질과 상기 반도체형 가교제는, 70%와 30%의 비율로 구성되는 것일 수 있다.
상기 용액의 용매는, 극성 지양자성 유기 용매인 것일 수 있다.
상기 용매는, DMF(N,N-dimethylformamide), DMSO(DiMethyl SulfOxide), 아세톤(Acetone), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 디클로로메탄(Dichloromethane), THF(Tetrahydrofuran) 중 어느 하나의 것 또는 둘 이상의 혼합된 것일 수 있다.
상기 용매는, 최종 농도가 3mg/mL일 수 있다.
상기 반도체형 가교제는, 상기 유기 반도체 물질이 n형일 경우에 파이 콘쥬게이션(pi conjugation)이 구비된 n형 크로모포어(chromophore)가 포함되는 것일 수 있다.
상기 반도체형 가교제는, 상기 유기 반도체 물질이 p형일 경우에 파이 콘쥬게이션이 구비된 p형 크로모포어가 포함되는 것일 수 있다.
삭제
삭제
삭제
상기 코팅 단계는, 스핀 코팅, 그라비아 오프셋 코팅, 바 코팅, 슬롯-다이 코팅, 롤 코팅 중 어느 하나의 방식을 이용하는 것일 수 있다.
상기 형성 단계는, 열처리 또는 자외선처리를 통해 가교반응을 유도하고, 상기 열처리를 진행할 경우에, 180℃에서 1분간 진행하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 박막은, 제 1 항에 기재된 박막 형성방법으로 형성된 박막일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는, 하부층부터 기판, 투명전극층, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층, 금속전극이 적층되는 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 상기 전자수송층 또는 상기 정공수송층은, 유기 반도체 물질과 반도체형 가교제를 용매에 혼합하여 구성된 용액을 코팅하고, 상기 용액의 가교반응을 통해 박막으로 형성하되, 상기 반도체형 가교제는 아지드계 작용기와 페릴렌 디이미드 작용기로 구성되고, 상기 유기 반도체 물질은 알킬기를 가진 n형으로 플러렌 유도체 또는 알킬기를 가진 p형으로 P3HT(poly(3-hexylthiophene))이고, 상기 플러렌 유도체는 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이며, 상기 가교반응은 상기 아지드계 작용기가 상기 PCBM 또는 상기 P3HT와 일어나는 것일 수 있다.
상기 전자수송층은, 상기 유기 반도체 물질이 알킬기를 가진 n형이고, 상기 반도체형 가교제에 파이 콘쥬게이션이 구비된 n형 크로모포어가 포함되는 것일 수 있다.
상기 정공수송층은, 상기 유기 반도체 물질이 알킬기를 가진 p형이고, 상기 반도체형 가교제에 파이 콘쥬게이션이 구비된 p형 크로모포어가 포함되는 것일 수 있다.
상기 결과를 통해 본 발명을 통한 반도체형 crosslinker를 도입한 전자 수송층을 이용한 안정성이 뛰어난 박막 제조 방법을 제시하고, 고온의 공정이 필요한 기존의 무기물 전자 수송층 혹은 hole blocking layer가 없는 페로브스카이트 태양전지를 구현하였고, 더 나아가 반도체물질을 p-type을 바꿀 경우 정공 수송층으로도 적용될 수 있어 다양한 유기물 반도체 기반 소자에 응용될 수 있다
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성방법을 설명하는 도면,
도 2는 반도체형 가교제의 분자 구조를 나타낸 도면,
도 3은 반도체형 가교제가 포함되지 않은 상태에서 PCBM의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면,
도 4는 상기 도 1에서 형성된 박막의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면,
도 5는 전자이동도의 변화를 나타내는 도면,
도 6은 상기 도 1의 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 단면을 나타낸 도면,
도 7은 실시예와 비교예의 광전류 밀도 및 전압 특성을 비교한 그래프이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 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.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 형성방법을 설명하는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 소정의 기판(10) 상에 전자 수송층 또는 홀 수송층을 형성하기 위한 용액(20)을 코팅하여 가교반응을 통해 박막(21)을 형성할 수 있다.
여기서, 기판(10)은 유리 기판일 수 있지만, 그 밖에 다른 기판, 예컨대 플라스틱 기판이나 실리콘 기판 등 통상의 반도체소자 공정에서 사용되는 다양한 기판 중 어느 하나일 수 있다. 특히, 기판(10)은 태양전지를 제조하는 경우에, 투명전극층이 미리 형성될 수 있다.
그리고, 용액(20)은 전자 수송층 혹은 홀 수송층을 형성하기 위해 알킬기를 가진 n형 또는 p형 유기 반도체 물질(n형; 플러렌 유도체 등, p형; P3HT[poly(3-hexylthiophene)] 등)과 함께, 아지드계 작용기와 페릴렌 디이미드(Perylene Diimide, PDI) 작용기로 구성된 PDI-DA 반도체형 가교제(crosslinker)가 포함된다.
반도체형 가교제의 분자 구조는 도 2와 같이 나타낼 수 있다. 도 2는 반도체형 가교제의 분자 구조를 나타낸 도면이다. 이때, 반도체형 가교제는 n형 유기 반도체 물질을 적용할 경우에 파이 콘쥬게이션(pi conjugation)이 구비된 n형 크로모포어(chromophore)가 포함되며, p형 유기 반도체 물질을 적용할 경우에 파이 콘쥬게이션이 구비된 p형 크로모포어가 포함된다.
여기서, 전자수송층을 형성하기 위한 용액(20)은 플러렌 유도체가 포함되며, 대표적으로 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)일 수 있다. 그리고, 유기 반도체 물질과 반도체형 가교제는 70%와 30%의 비율로 구성된다.
여기서, PCBM의 양이 늘면 전도도가 증가하고, 반도체형 가교제의 양을 늘리면 가교 반응을 더 잘 일으켜 솔벤트 저항성이 올라간다.
또한, 용매(solvent)는 최종 농도가 3mg/mL의 극성 비양자성 유기 용매로서, 예컨대, DMF(N,N-dimethylformamide), DMSO(DiMethyl SulfOxide), 아세톤(Acetone), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 디클로로메탄(Dichloromethane), THF(Tetrahydrofuran) 중 어느 하나의 것 또는 둘 이상의 혼합된 것일 수 있다. 용매의 농도는 원하는 두께에 따라 달라질 수 있다.
한편, 용액(20)은 기판(10) 상에 코팅할 때 다양한 방식 예를 들어, 스핀 코팅, 그라비아 오프셋 코팅, 바 코팅, 슬롯-다이 코팅, 롤 코팅 등을 이용할 수 있다. 이러한 용액(20)은 용액 기반 공정(solution based process)을 통해 박막(21)으로 제조된다.
이때, 용액(20)은 기판(10) 상에 소정 두께(약 10㎚)로 코팅된 다음, 가교반응을 위한 열처리 또는 자외선처리를 통해 박막(21)으로 형성된다. 이 경우, 열처리는 100∼200℃에서, 10초에서 수십분까지 진행할 수 있으며, 바람직하게는 180℃에서 1분간 진행할 수 있다.
한편, 가교 반응은 아지드 그룹이 PCBM 또는 어떤 다른 형태의 유기물질의 알킬 그룹과 일어난다. PDI-DA 구조는 가교 반응과 무관하다.
도 3은 반도체형 가교제가 포함되지 않은 상태에서 PCBM의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면이고, 도 4는 상기 도 1에서 형성된 박막의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 3은 PCBM 박막을 DMF 용액에 2분간 담기 전과 담근 후의 자외선 가시광선 분광법(UV-vis spectroscopy)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, PCBM 박막의 흡수 스펙트럼은 PCBM 박막을 DMF 용액에 담근 후에 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다.
다음, 도 4는 반도체형 가교제와 PCBM이 가교반응을 통해 형성된 박막(21)을 DMF 용액에 2분간 담기 전과 담근 후의 자외선 가시광선 분광법(UV-vis spectroscopy)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 반도체형 가교제와 PCBM이 가교반응을 통해 형성된 박막(21)의 흡수 스펙트럼은 전혀 줄어들지 않는 것을 알 수 있다. 이는 PCBM이 DMF와 같은 용매에서의 솔벤트 저항성(solvent resistance)이 급격하게 향상되었음을 의미한다.
도 5는 전자이동도의 변화를 나타내는 도면이다.
전자이동도는 PCBM의 비율(ratio) 또는 가교반응 조건에 따라 변화될 수 있다.
도 5를 참조하면, 전자이동도는 가교반응이 일어난 후에도 10-5 (㎝·V-1·s-1 ) 이상을 유지하고, PCBM의 비율을 늘리는 경우에 10-4 (㎝·V-1·s-1 ) 이상을 유지할 수 있다.
도 6은 상기 도 1의 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 단면을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 페로브스카이트 태양전지(100)는 기판(110), 투명전극층(120), 전자수송층(130), 광활성층(140), 정공수송층(150), 금속전극(160)을 포함한다. 즉, 페로브스카이트 태양전지(100)는 하부층부터 기판(110), 투명전극층(120), 전자수송층(130), 광활성층(140), 정공수송층(150), 금속전극(160)이 적층되는 구조를 갖는다.
상기 도 1의 박막(21)은 전자수송층(130) 또는 정공수송층(150)에 해당될 수 있으나, 여기서는 설명의 편의상 전자수송층(130)에 형성되는 경우에 대해 설명하기로 한다.
기판(110)은 유리 기판, 플라스틱 기판(PET 기판, PES 기판 등), 실리콘 기판 등일 수 있다.
투명전극층(120)은 기판(110) 상에 투명전극 물질을 얇게 증착시켜 형성한다. 여기서, 투명전극은 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO), 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxide, TCO), 은나노와이어(silver nanowier), 탄소나노튜브(Carbon NanoTube, CNT), 그래핀(graphene), 전도성 고분자(conducting polymer) 등이 적용될 수도 있다.
그런데, 투명전극층(120)은 전자수송층(130)을 형성하기에 앞서, 아세톤, 초순수 및 2-프로판올(2-propanol, IPA)의 혼합 용액으로 30분간 세정한 후, 자외선/오존(UV/Ozone)으로 30분간 처리한다.
전자수송층(130)은 투명전극층(120) 상에 PCBM과 반도체형 가교제를 용매에 혼합하여 구성된 용액으로 코팅한 후, 가교반응을 위한 열처리 또는 자외선처리를 통해 형성된다. 여기서, PCBM과 반도체형 가교제는 70:30의 비율로 구성하고, 용매는 3mg/mL의 농도이다. 용액은 투명전극층(120)에 약 10nm 두께로 스핀 코팅된다. 열처리는 180℃에서 1분 동안 진행된다.
광활성층(140)은 요오드화메틸암모늄(CH3NH3I)과 요오드화납(PbI2)이 1:1 비율의 35중량%로 N,N-다이메틸폼아마이드(N,N-dimethylformamide, DMF)에 분산된 용액을 스핀 코팅을 통해 전자수송층(130) 상에 페로브스카이트층으로 형성된다. 이때, 광활성층(140)은 100℃로 열처리가 진행된다.
정공수송층(150)은 유기 스피로자 분자(Spiro-OMeTAD), 클로로벤젠(chlorobenzene), 4-tert-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine), 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드(lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)가 혼합된 용액을 스핀 코팅을 통해 광활성층(140) 상에 박막으로 형성된다.
여기서, 유기 스피로자 분자(Spiro-OMeTAD)는 2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobi-fluorene이다. 클로로벤젠은 723mg/mL, 4-tert-부틸피리딘은 288μL/mL, 리튬 비스(트리플루오로메틸술포닐)아미드는 520 mg/mL일 수 있다.
금속전극(160)은 금(Au) 재질로 80㎚의 두께로 형성될 수 있다.
도 7은 실시예와 비교예의 광전류 밀도 및 전압 특성을 비교한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 실시예는 도 6의 페로브스카이트 태양전지이다. 비교예는 PCBM을 3mg/mL의 클로로포름(chloroform)에 용해한 용액을 스핀 코팅을 통해 코팅하여 PCBM 박막 즉, 전자수송층을 형성한다. 전자수송층 이외의 다른 층은 도 6에 기재된 방식과 동일하게 형성된다.
즉, 실시예는 반도체형 가교제가 포함된 PCBM 전자수송체를 사용한 페로브스카이트 태양전지를 나타내고, 비교예는 반도체형 가교제 없이 PCBM만 전자수송체를 사용한 페로브스카이트 태양전지를 나타낸다.
실시예와 비교예에 대한 태양전지 성능 평가는 실리콘 다이오드(si diode)로 캘리브레이션(calibration)된 AM 15 조건에서 100 mW/cm2 세기의 빛을 조사할 수 있는 크세논 램프(Xe lamp)를 이용한 솔라 시뮬레이터로 광원을 형성하였다. 또한, 광조사에 따른 소자 내부 광전류 밀도-전압 특성 변화는 키슬리 2400 소스미터(Keithley 2400 source meter)를 이용하여 기록하였다. 아울러, 태양전지의 에너지 변환 효율(Power Conversion Efficiency, PCE)은 아래 수학식 1을 통해 계산하였다.
Figure 112018084013605-pat00001
비교예는 개방전압이 0.92V, 단락전류밀도가 16.7mA/cm2, 곡선인자가 44.8%로서, 결과적으로 에너지 변환 효율(PCE)이 6.90%를 나타낸다. 반면에, 실시예는 개방전압이 0.97V, 단락전류밀도가 17.7mA/cm2, 곡선인자가 62.0%로서, 결과적으로 에너지 변환 효율(PCE)이 10.60%를 나타낸다
이와 같이, 실시예는 비교예 보다 에너지 변환 효율(PCE) 특성이 더 향상된 소자 성능을 나타낸다.
비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.
10, 110 : 기판 20 : 용액
21 : 박막 120 : 투명전극층
130 : 전자수송층 140 : 광활성층
150 : 홀수송층 160 : 금속전극

Claims (22)

  1. 소정의 기판 상에 전자 또는 홀 수송층을 형성하기 위한 용액을 코팅하는 단계; 및
    상기 용액의 가교반응을 통해 박막을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 용액은, 유기 반도체 물질과 함께, 아지드계(azid group) 작용기와 페릴렌 디이미드(Perylene Diimide, PDI) 작용기로 구성된 반도체형 가교제(crosslinker)가 포함되되,
    상기 유기 반도체 물질은 알킬기를 가진 n형으로 플러렌 유도체 또는 알킬기를 가진 p형으로 P3HT(poly(3-hexylthiophene))이고, 상기 플러렌 유도체는 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이며,
    상기 가교반응은 상기 아지드계 작용기가 상기 PCBM 또는 상기 P3HT와 일어나는 것인 박막의 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 반도체 물질과 상기 반도체형 가교제는, 70%와 30%의 비율로 구성되는 것인 박막의 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 용액의 용매는, 극성 지양자성 유기 용매인 것인 박막의 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 용매는, DMF(N,N-dimethylformamide), DMSO(DiMethyl SulfOxide), 아세톤(Acetone), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 디클로로메탄(Dichloromethane), THF(Tetrahydrofuran) 중 어느 하나의 것 또는 둘 이상의 혼합된 것인 박막의 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 용매는, 최종 농도가 3mg/mL인 박막의 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체형 가교제는,
    상기 유기 반도체 물질이 n형일 경우에 파이 콘쥬게이션(pi conjugation)이 구비된 n형 크로모포어(chromophore)가 포함되는 것인 박막의 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체형 가교제는,
    상기 유기 반도체 물질이 p형일 경우에 파이 콘쥬게이션이 구비된 p형 크로모포어가 포함되는 것인 박막의 형성 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅 단계는,
    스핀 코팅, 그라비아 오프셋 코팅, 바 코팅, 슬롯-다이 코팅, 롤 코팅 중 어느 하나의 방식을 이용하는 것인 박막의 형성 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 형성 단계는, 열처리 또는 자외선처리를 통해 가교반응을 유도하고,
    상기 열처리를 진행할 경우에, 180℃에서 1분간 진행하는 것인 박막의 형성 방법.
  13. 제 1 항에 기재된 박막 형성방법으로 형성된 박막.
  14. 하부층부터 기판, 투명전극층, 전자수송층, 광활성층, 정공수송층, 금속전극이 적층되는 페로브스카이트 태양전지에 있어서,
    상기 전자수송층 또는 상기 정공수송층은,
    유기 반도체 물질과 반도체형 가교제를 용매에 혼합하여 구성된 용액을 코팅하고, 상기 용액의 가교반응을 통해 박막으로 형성하되,
    상기 반도체형 가교제는 아지드계 작용기와 페릴렌 디이미드 작용기로 구성되고,
    상기 유기 반도체 물질은 알킬기를 가진 n형으로 플러렌 유도체 또는 알킬기를 가진 p형으로 P3HT(poly(3-hexylthiophene))이고, 상기 플러렌 유도체는 PCBM(Phenyl-C61-Butyric acid Methyl ester)이며,
    상기 가교반응은 상기 아지드계 작용기가 상기 PCBM 또는 상기 P3HT와 일어나는 것인 페로브스카이트 태양전지.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 유기 반도체 물질과 상기 반도체형 가교제는, 70%와 30%의 비율로 구성되는 것인 페로브스카이트 태양전지.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 전자수송층은,
    상기 유기 반도체 물질이 알킬기를 가진 n형이고, 상기 반도체형 가교제에 파이 콘쥬게이션이 구비된 n형 크로모포어가 포함되는 것인 페로브스카이트 태양전지.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 정공수송층은,
    상기 유기 반도체 물질이 알킬기를 가진 p형이고, 상기 반도체형 가교제에 파이 콘쥬게이션이 구비된 p형 크로모포어가 포함되는 것인 페로브스카이트 태양전지.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 용액의 용매는, 극성 지양자성 유기 용매인 것인 페로브스카이트 태양전지.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 용매는, DMF(N,N-dimethylformamide), DMSO(DiMethyl SulfOxide), 아세톤(Acetone), 아세토나이트릴(Acetonitrile), 디클로로메탄(Dichloromethane), THF(Tetrahydrofuran) 중 어느 하나의 것 또는 둘 이상의 혼합된 것인 페로브스카이트 태양전지.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 용매는, 최종 농도가 3mg/mL인 페로브스카이트 태양전지.
KR1020180099091A 2018-08-24 2018-08-24 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지 KR102065554B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180099091A KR102065554B1 (ko) 2018-08-24 2018-08-24 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지
PCT/KR2018/016019 WO2020040361A1 (ko) 2018-08-24 2018-12-17 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180099091A KR102065554B1 (ko) 2018-08-24 2018-08-24 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102065554B1 true KR102065554B1 (ko) 2020-01-13

Family

ID=69153261

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180099091A KR102065554B1 (ko) 2018-08-24 2018-08-24 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102065554B1 (ko)
WO (1) WO2020040361A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113285035B (zh) * 2021-05-19 2022-12-13 华能新能源股份有限公司 基于共轭聚合物掺杂的复合功能薄膜及其制备方法和应用
CN117858530A (zh) * 2022-09-28 2024-04-09 Tcl科技集团股份有限公司 光电器件及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070028592A (ko) * 2004-07-29 2007-03-12 세이코 엡슨 가부시키가이샤 가교성 아릴아민 화합물을 포함하는 도전성 재료용 조성물및 전자 디바이스 및 전자 기기에서의 그 용도
JP2010005864A (ja) * 2008-06-25 2010-01-14 Nagano Jeco Co Ltd ホッパードライヤー及びホッパードライヤーに装着されるタンク、並びに、ホッパードライヤーの使用方法
KR20150054900A (ko) * 2012-09-07 2015-05-20 노발레드 게엠베하 전하 수송 반도전성 물질 및 반도체 장치
KR20170106500A (ko) * 2010-05-03 2017-09-20 메르크 파텐트 게엠베하 제형물 및 전자 소자

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070215864A1 (en) * 2006-03-17 2007-09-20 Luebben Silvia D Use of pi-conjugated organoboron polymers in thin-film organic polymer electronic devices
JP2010283316A (ja) * 2009-06-08 2010-12-16 Keiichi Uno 太陽電池用保護シート及びそれを用いた太陽電池モジュール

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070028592A (ko) * 2004-07-29 2007-03-12 세이코 엡슨 가부시키가이샤 가교성 아릴아민 화합물을 포함하는 도전성 재료용 조성물및 전자 디바이스 및 전자 기기에서의 그 용도
JP2010005864A (ja) * 2008-06-25 2010-01-14 Nagano Jeco Co Ltd ホッパードライヤー及びホッパードライヤーに装着されるタンク、並びに、ホッパードライヤーの使用方法
KR20170106500A (ko) * 2010-05-03 2017-09-20 메르크 파텐트 게엠베하 제형물 및 전자 소자
KR20150054900A (ko) * 2012-09-07 2015-05-20 노발레드 게엠베하 전하 수송 반도전성 물질 및 반도체 장치

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Highly Efficient Perovskite Solar Cells with Crosslinked PCBM Interlayers (W Qiu et al, J Mater Chem A, 2017, 5, 2466)
LIANG YAO 등,"Catalyst-Free, Fast, and Tunable Synthesis for Robust Covalent Polymer Network Semiconducting Thin Films", ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS, 2018년 2월 22일, vol 28, issue 17, 페이지 1-8 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020040361A1 (ko) 2020-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6564001B2 (ja) 光吸収構造体が備えられた太陽電池
Huang et al. Understanding and countering illumination-sensitive dark current: toward organic photodetectors with reliable high detectivity
Chen et al. Efficiency enhancement of hybrid perovskite solar cells with MEH-PPV hole-transporting layers
KR101312269B1 (ko) 고분자 태양전지 및 그의 제조방법
CN109148687B (zh) 包含宽带隙的钙钛矿系太阳能电池及其制造方法
EP3451399B1 (en) Organic electronic element and method for manufacturing same
CN106256029B (zh) 有机太阳能电池及其制造方法
KR20190043316A (ko) 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조 방법
Kumar et al. Accelerated thermal-aging-induced degradation of organometal triiodide perovskite on ZnO nanostructures and its effect on hybrid photovoltaic devices
TWI514609B (zh) 太陽能電池之製造方法
Chaudhary et al. Enhanced performance of perovskite photodetectors fabricated by two-step spin coating approach
KR20180022734A (ko) 그래핀을 전도성 투명전극으로 사용하는 페로브스카이트 기반 태양전지
KR102065554B1 (ko) 박막 및 그 형성 방법과 박막을 포함하는 페로브스카이트 태양전지
KR20170092471A (ko) 유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양 전지
KR20130027725A (ko) 유기 전자 소자 및 그 제조방법
KR101065798B1 (ko) 태양 전지 및 그 제조 방법
Byeon et al. Flexible organic photodetectors with mechanically robust zinc oxide nanoparticle thin films
Radu et al. Study of a new composite based on SnO2 nanoparticles—P3HT: PC71BM co-polymer blend, used as potential absorber in bulk heterojunction photovoltaic cells
KR101112676B1 (ko) 나노입자 및 고전도성 유무기 복합 버퍼층을 도입한 대면적 고효율 유기태양전지 및 그 제조방법
Jha et al. Solution processable polypyrrole nanotubes as an alternative hole transporting material in perovskite solar cells
KR102146326B1 (ko) 페로브스카이트 태양전지, 이의 제조방법 및 이를 이용한 플렉시블 디바이스
EP2544256A1 (en) Two-component electron-selective buffer layer and photovoltaic cells using the same
KR102141152B1 (ko) 광전 소자
KR101743865B1 (ko) 유기태양전지용 정공수송재료 및 이를 위한 전도성 고분자의 일함수 조절방법
KR102201894B1 (ko) 아미디니움계 페로브스카이트 화합물 막의 상 안정화 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant