KR102106643B1 - Method for the fabrication of perovskite solar cell and perovskite solar cell using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법 및 이를 이용한 페로브스카이트 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메조포러스 구조의 전자수송층을 형성한 다음, 후처리 과정으로 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 수용액에 의한 표면 처리 과정을 거침으로써, 페로브스카이트 태양전지 효율을 향상시키기 위한, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법 및 이를 이용한 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a perovskite solar cell and a perovskite solar cell using the same, and more specifically, to form an electron transport layer having a mesoporous structure, followed by titanium tetrachloride (TiCl 4 as a post-treatment process) ) To improve the efficiency of the perovskite solar cell by going through a surface treatment process with an aqueous solution, the present invention relates to a method of manufacturing a perovskite solar cell and a perovskite solar cell using the same.
태양전지(solar cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 것으로서, 태양에너지를 흡수하여 전자와 전공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전기에너지를 생성한다.A solar cell converts solar energy into electrical energy, and absorbs solar energy to generate electric energy using photovoltaic effects that generate electrons and electrons.
이러한 태양전지는 다양한 방식이 제안되고 있으며, 그 중 칼슘 티타늄 옥사이트(CaTiO3)와 동일한 결정구조를 갖는 물질을 일컫는 페로브스카이트(perovskite) 물질을 갖는 태양전지가 각광을 받고 있다. 이러한 페르브스카이트 태양전지는 유기금속 할로겐화합물(CH3NH3PbX3[X는 Cl, Br, I])을 사용할 수 있다.Various types of such solar cells have been proposed, and among them, solar cells having a perovskite material, which refers to a material having the same crystal structure as calcium titanium oxide (CaTiO 3 ), are in the spotlight. The perovskite solar cell may use an organometallic halogen compound (CH 3 NH 3 PbX 3 [X is Cl, Br, I]).
페로브스카이트 태양전지는 실리콘 웨이퍼 기반 기술과 박막 기술이 결합된 3세대 태양전지로서, 다른 방식의 태양전지와 비교할 때 높은 흡수 계수, 가변 대역 갭, 빠른 속도로 증가하는 특성 등을 갖는다.The perovskite solar cell is a 3rd generation solar cell that combines silicon wafer-based technology and thin film technology, and has high absorption coefficient, variable band gap, and fast-growing characteristics compared to other solar cells.
페로브 스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지에 비하여 가격, 강성, 무게 및 효율의 상승면에서 뛰어나지만, 상업화를 위해서 해결되어야 할 문제가 여전히 존재한다. 즉, 상업화를 진행하기에는 습기, 열, 햇빛에 대한 장기 안정성 저항문제, 형태학, 결정립 크기, 결정립계 및 태양 전지의 결함 문제 등을 고려하여 해결할 과제들이 남아 있는 상황이다.The perovskite solar cell is superior to the silicon solar cell in terms of price, rigidity, weight, and efficiency, but there are still problems to be solved for commercialization. That is, there are still problems to be solved in consideration of moisture, heat, and long-term stability resistance to sunlight, morphology, grain size, defects of grain boundaries, and solar cells.
최근 들어, 페로브스카이트 태양전지는 전자수송층(Electron Transfer Layer, ETL)으로 TiO2를 사용하고 있다. 그런데, TiO2는 전자들을 수송하는데 양호하나, 매우 낮은 전자 이동도(10-3㎠/Vs 이하)를 나타내고, UV광에 의해 깊은 트랩을 형성하여 전하 누적, 심각한 전류-전압 히스테리시스와 재조합을 유발할 수 있다. Recently, a perovskite solar cell uses TiO 2 as an electron transfer layer (ETL). However, TiO 2 is good for transporting electrons, but exhibits very low electron mobility (10 -3
따라서, 페로브스카이트 태양전지는 전자수송층(TiO2)과 페로브스카이트 계면 사이에서 전하 분리와 전자 수송을 향상시키는 연구개발이 더욱 필요한 실정이다.Therefore, the perovskite solar cell is in need of research and development to improve charge separation and electron transport between the electron transport layer (TiO 2 ) and the perovskite interface.
본 발명의 목적은 메조포러스 구조의 전자수송층을 형성한 다음, 후처리 과정으로 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 수용액에 의한 표면 처리 과정을 거침으로써, 페로브스카이트 태양전지 효율을 향상시키기 위한, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법 및 이를 이용한 페로브스카이트 태양전지를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to improve the perovskite solar cell efficiency by forming an electron transport layer having a mesoporous structure, followed by a surface treatment process with an aqueous solution of titanium tetrachloride (TiCl 4 ) as a post-treatment process. It is to provide a method of manufacturing a lobsky solar cell and a perovskite solar cell using the same.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법은, 기판 상에 TiO2 박막이 포함된 정공차단층을 형성하는 단계; 상기 정공차단층 상에 메조포러스(mesoporous) TiO2 박막이 포함된 전자수송층을 형성하는 단계; 상기 기판, 정공차단층 및 전자수송층이 순서로 형성된 중간 구조물에 대해 TiCl4 수용액에 침지시켜 후처리 과정을 진행하는 단계; 상기 TiCl4 수용액으로 후처리된 전자수송층 상에 광흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광흡수층 상에 정공수송층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 정공차단층은 상기 기판 상에 제1 TiO2 용액을 스핀코팅(spin-coating)한 다음 어닐링(annealing)을 통해 형성하되, 상기 제1 TiO2 용액은 0.55㎕ 티타늄 다이이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)[titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)]를 1㎖ 부탄올 용액에 희석시켜 제조하며, 상기 전자수송층은 상기 정공차단층 상에 제2 TiO2 용액을 스핀코팅한 다음 어닐링을 통해 형성하되, 상기 제2 TiO2 용액은 0.4g TiO2 페이스트를 4.6g 무수 에탄올(99.5%)에 희석시켜 제조하고, 상기 TiO2 페이스트는 졸-겔 반응법을 이용하여 제조하되, 6g TiO2 아나타스 파우더(anatase powder)와 1㎖ 아세트산(acetic acid)이 24시간 동안 200rpm으로 볼 밀링(ball milling)을 진행한 후, 60% 진폭(amplitude)으로 2초 on, 2초 off 동작을 30분간 4차례 진행하는 제1 초음파 처리를 진행하고, 25.8㎖ 알파-테르피네올(α-terpineol)을 혼합하여 동일 조건으로 제2 초음파 처리를 진행하며, 7.5g 에틸 셀룰로스(ethyl cellulose)와 121㎖ 에탄올(ethanol)을 혼합하여 동일 조건으로 제3 초음파 처리를 진행하고. 100℃에서 30분 동안 200rpm으로 에탄올을 증발시킨 후 30분간 3개 롤러 밀(three-roller mill)을 진행하여 생성하는 것일 수 있다.A method of manufacturing a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention includes forming a hole blocking layer containing a TiO 2 thin film on a substrate; Forming an electron transport layer including a mesoporous TiO 2 thin film on the hole blocking layer; Performing a post-treatment process by immersing the substrate, the hole blocking layer and the electron transport layer in a TiCl 4 aqueous solution in an ordered intermediate structure; Forming a light absorbing layer on the electron transport layer post-treated with the TiCl 4 aqueous solution; And forming a hole transport layer on the light absorbing layer, wherein the hole blocking layer is formed through spin-coating a first TiO 2 solution on the substrate and then annealing. The first TiO 2 solution is prepared by diluting 0.55 µl titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate) in a 1 ml butanol solution, and the electron transport layer is formed on the hole blocking layer. The second TiO 2 solution is spin coated and then formed through annealing. The second TiO 2 solution is prepared by diluting 0.4 g TiO 2 paste in 4.6 g absolute ethanol (99.5%), and the TiO 2 paste is sol- Prepared using a gel reaction method, 6 g TiO 2 anatase powder and 1 ml acetic acid were subjected to ball milling at 200 rpm for 24 hours, followed by 60% amplitude. 2 seconds on, 2 seconds off for 30
상기 TiCl4 수용액은, 티타늄(Ⅳ) 콜로라이드(TiCl4, 98%)를 물에 섞어 형성하는 것일 수 있다.The TiCl 4 aqueous solution may be formed by mixing titanium (IV) colloid (TiCl 4 , 98%) in water.
상기 후처리 과정은, 상기 중간 구조물을 70℃로 30분간 상기 TiCl4 수용액에 침지하고 탈이온수로 세척하는 단계; 및 상기 세척된 중간 구조물을 450℃로 40분간 열처리한 후 상온에서 냉각시키는 단계;를 포함할 수 있다.The post-treatment process includes: immersing the intermediate structure in the TiCl 4 aqueous solution at 70 ° C. for 30 minutes and washing with deionized water; And heat-treating the washed intermediate structure at 450 ° C for 40 minutes, and then cooling at room temperature.
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상기 광흡수층은, 유기금속 할로겐화합물을 스핀코팅 과정을 통해 형성하는 것일 수 있다.The light absorbing layer may be to form an organometallic halogen compound through a spin coating process.
상기 광흡수층을 형성하는 단계는, 상기 TiCl4 수용액으로 후처리된 전자수송층 상에 PbI2 용액을 스핀코팅하여 제1층을 형성하는 단계; 및 상기 제1층 상에 메틸암모니움 아오다이드(MAI) 혼합용액을 스핀코팅하여 제2층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.The forming of the light absorbing layer may include: forming a first layer by spin-coating a PbI 2 solution on the electron transport layer post-treated with the TiCl 4 aqueous solution; And forming a second layer by spin-coating a mixed solution of methylammonium iodide (MAI) on the first layer.
상기 PbI2 용액은, 647㎎ PbI2(99%)를 100㎕ 디메틸술폭시드(Dimethylsulfoxide)와 1㎖ N,N-디메틸포름아미드(N,N dimethylformamide)에 섞어서 형성하는 것일 수 있다.The PbI 2 solution may be formed by mixing 647 mg PbI 2 (99%) in 100 μl dimethylsulfoxide and 1 mL N, N-dimethylformamide.
상기 메틸암모니움 아오다이드(MAI) 혼합용액은, 12㎎ CH3NH3I를 1㎖ 2-프로판올(propanol)에 섞어서 형성하는 것일 수 있다.The methyl ammonium aodide (MAI) mixed solution may be formed by mixing 12 mg CH 3 NH 3 I in 1 ml 2-propanol.
상기 정공수송층은, Spiro-MeOTA 용액을 코팅하여 형성하는 것일 수 있다.The hole transport layer may be formed by coating a Spiro-MeOTA solution.
상기 Spiro-MeOTA 용액은, 72.3㎎ Spiro-MeOTA가 1㎖ 클로로벤젠(chlorobenzene), 28.8㎕ 4-터트-부틸피리딘(4-tert-butyl pyridine), 및 17.5㎕ 리튬비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드[lithium bis(tri fluoro methane sulphonyl)imid](Li-TFSI) 용액에 섞어서 제조하는 것일 수 있다.As for the Spiro-MeOTA solution, 72.3 mg Spiro-MeOTA contains 1 mL chlorobenzene, 28.8 μL 4-tert-butyl pyridine, and 17.5 μL lithium bis (trifluoromethanesulfonyl). ) Imide [lithium bis (tri fluoro methane sulphonyl) imid] (Li-TFSI) may be prepared by mixing in a solution.
상기 Li-TFSI 용액은, 520㎎ Li-TFSI가 1㎖ 아세토니트릴(acetonitrile, 99.8%)에 섞어서 형성하는 것일 수 있다.The Li-TFSI solution may be formed by mixing 520 mg Li-TFSI in 1 mL acetonitrile (acetonitrile, 99.8%).
상기 기판 및 상기 정공차단층 사이에는, 투명 전도성 물질을 형성하는 것일 수 있다.Between the substrate and the hole blocking layer, it may be to form a transparent conductive material.
상기 정공수송층을 형성한 이후에, 상기 투명 전도성 물질과 전기적 연결을 위한 제1 전극과, 상기 정공수송층과 전기적 연결을 위한 제2 전극을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.After forming the hole transport layer, forming a first electrode for electrical connection with the transparent conductive material, and forming a second electrode for electrical connection with the hole transport layer; may further include a.
본 발명은 메조포러스 구조의 전자수송층을 형성한 다음, 후처리 과정으로 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 수용액에 의한 표면 처리 과정을 거침으로써, 페로브스카이트 태양전지 효율을 향상시킬 수 있다.The present invention can improve the efficiency of the perovskite solar cell by forming an electron transport layer having a mesoporous structure, followed by surface treatment with an aqueous solution of titanium tetrachloride (TiCl 4 ) as a post-treatment process.
또한, 본 발명은 80mM 농도의 TiCl4로 TiO2 표면을 처리한 경우, TiO2 박막 및 페로브스카이트 박막 표면 거칠기를 감소시킬 수 있다.In addition, the present invention can reduce the surface roughness of the TiO 2 thin film and the perovskite thin film when the TiO 2 surface is treated with 80 mM TiCl 4 .
또한, 본 발명은 페로브스카이트 박막의 광흡수 및 전자이동도를 개선할 수 있다.In addition, the present invention can improve the light absorption and electron mobility of the perovskite thin film.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 TiO2 페이스트의 제조 과정을 설명하는 도면,
도 4a 내지 도 4b는 TiCl4 처리된 TiO2 표면에 대한 AFM 이미지를 나타낸 사진,
도 5a는 TiCl4 수용액의 처리 결과에 따른 태양전지에서 전류밀도 및 전압 특성을 나타낸 도면,
도 5b는 TiCl4 수용액의 처리 결과에 따른 태양전지에서 외부광자효율 특성을 나타낸 도면,
도 6은 광 성능 인자의 결과를 나타낸 도면,
도 7a는 상기 도 6에서 단락 전류 밀도를 나타낸 도면,
도 7b는 상기 도 6에서 개방 전압을 나타낸 도면,
도 7c는 상기 도 6에서 태양 전지 충전률을 나타낸 도면,
도 7d는 상기 도 6에서 에너지 변환 효율을 나타낸 도면,
도 8은 XRD 패턴을 나타낸 도면,
도 9a는 비처리된 TiO2의 SEM 이미지를 나타낸 사진,
도 9b는 후처리된 TiO2의 SEM 이미지를 나타낸 사진,
도 10은 UV-VIS 스펙트럼을 나타낸 도면,
도 11a는 비처리된 TiO2 박막에서 성장한 페로브스카이트 박막의 AFM 이미지를 나타낸 사진,
도 11b는 후처리된 TiO2 박막에서 성장한 페로브스카이트 박막의 AFM 이미지를 나타낸 사진이다.1 is a view showing a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention,
2 is a view showing a method of manufacturing a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention,
3 is a view for explaining a manufacturing process of a TiO 2 paste according to an embodiment of the present invention,
4a to 4b is a photograph showing an AFM image of the TiCl 4 treated TiO 2 surface,
Figure 5a is a view showing the current density and voltage characteristics in the solar cell according to the treatment result of the TiCl 4 aqueous solution,
Figure 5b is a diagram showing the external photon efficiency characteristics in the solar cell according to the treatment result of TiCl 4 aqueous solution,
6 is a view showing the results of optical performance factors,
Figure 7a is a diagram showing the short-circuit current density in Figure 6,
Figure 7b is a view showing the open voltage in Figure 6,
Figure 7c is a view showing the solar cell charge rate in Figure 6,
Figure 7d is a view showing the energy conversion efficiency in Figure 6,
8 is a view showing an XRD pattern,
9a is a photograph showing an SEM image of untreated TiO 2 ,
Figure 9b is a photo showing the SEM image of the post-treated TiO 2 ,
10 is a view showing the UV-VIS spectrum,
11A is a photograph showing an AFM image of a perovskite thin film grown on an untreated TiO 2 thin film,
11B is a photograph showing an AFM image of a perovskite thin film grown on a post-treated TiO 2 thin film.
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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in the following description and accompanying drawings, detailed descriptions of well-known functions or configurations that may obscure the subject matter of the present invention are omitted. In addition, it should be noted that the same components throughout the drawings are denoted by the same reference numerals as much as possible.
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.The terms or words used in the present specification and claims described below should not be interpreted as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor appropriately defines terms as terms for explaining his or her invention in the best way. Based on the principle that it can be done, it should be interpreted as a meaning and a concept consistent with the technical idea of the present invention.
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.Therefore, the configuration shown in the embodiments and drawings described in this specification is only one of the most preferred embodiments of the present invention, and does not represent all of the technical spirit of the present invention, and can replace them at the time of this application. It should be understood that there may be equivalents and variations.
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.In the accompanying drawings, some components are exaggerated, omitted, or schematically illustrated, and the size of each component does not entirely reflect the actual size. The present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.
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.When a part of the specification "includes" a certain component, this means that other components may be further included instead of excluding other components unless specifically stated otherwise. In addition, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with other elements in between.
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.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. The terms "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described in the specification, one or more other features or numbers or steps. It should be understood that it does not preclude the existence or addition possibility of the operation, components, parts or combinations thereof.
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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains may easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.The spatially relative terms “below”, “beneath”, “lower”, “above”, “upper”, etc., are as shown in the figure. It can be used to easily describe a correlation between a component and other components. The spatially relative terms should be understood as terms including different directions of components in use or operation in addition to the directions shown in the drawings. For example, when a component shown in the drawing is turned over, a component described as "below" or "beneath" of another component will be placed "above" another component. You can. Thus, the exemplary term “below” can include both the directions below and above. Components can also be oriented in different directions, and thus spatially relative terms can be interpreted according to orientation.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지(100)는, 티타늄 테트라클로라이드(titanium tetrachloride, TiCl4)를 이용한 표면 처리를 통해 전자수송층(Electron Transport Layre, ETL)의 전하 수송 효율을 향상시킬 수 있다.As shown in Figure 1, the perovskite
이러한 페로브스카이트 태양전지(100)는 기판(10), 제1 전극(20), 정공차단층(Hole Blocking Layer, HBL)(30), 전자수송층(40), 광흡수층(50), 정공수송층(Hole Transport Layre, HTL)(60), 제2 전극(70)을 포함한다.The perovskite
먼저, 기판(10)은 무기질 기판 또는 유기질 기판일 수 있다. 즉, 무기질 기판은 예를 들어, 유리, 석영(quartz), Al2O3, SiC, Si, GaAs 또는 InP로 이루어지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 그리고, 유기물 기판은 예를 들어, 켑톤 호일, 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate, PAR), 폴리에테르 이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide, PPS), 폴리아릴레이트(polyarylate), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate, CTA) 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate, CAP)로부터 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 기판(10)은 광이 투과되는 투명한 소재로 이루어지는 것이 더욱 바람직하고, 통상의 태양전지에서 전면 전극 상에 위치할 수 있는 기판이면 사용 가능하다. 유기물 기판을 도입하는 경우에는 전극의 유연성을 높일 수 있다. First, the
그리고, 기판(10) 상에는 전도성 물질, 특히 광의 투과를 향상시키기 위해 투명 전도성 물질을 얇게 형성할 수 있다. 여기서, 투명 전도성 물질은 광의 수광측에 구비되는 전극에 해당하며, 예를 들어, FTO(Fluorine doped Tin Oxide), ITO(Indium doped Tin Oxide), AZO(Al-doped Zinc Oxide), IZO(Indium doped Zinc Oxide, IZO), TCO(Transparent Conducting Oxide), CNT(Carbon Nanowire), 은나노와이어(silver nanowire), 그래핀(graphene), 전도성 고분자(conducting polymer) 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 투명 전도성 물질을 기판(10) 상에 형성하는 방법은 열기상증착(thermal evaporation), 전자빔증착(e-beam evaporation), RF 스퍼터링(Radio Frequency sputtering), 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 진공증착(vacuum deposition) 또는 화학적 증착(chemical vapor deposition) 등일 수 있다.In addition, a transparent conductive material may be thinly formed on the
다음, 제1 전극(20)은 투명 전도성 물질과 전기적인 연결을 위한 전극에 해당하고. 후술할 제2 전극(70) 또한 정공수송층(60)과 전기적인 연결을 위한 전극에 해당한다. 여기서, 제1 전극(20)과 제2 전극(70)은 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 탄소(C), 황화코발트(CoS), 황화구리(CuS), 산화니켈(NiO) 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. Next, the
다음, 정공차단층(30)은 기판(10)의 투명 전도성 물질 상에 형성된다. 이러한 정공차단층(30)은 깊은 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 준위(deep HOMO level)를 가지므로, 정공(hole)의 이동을 저지하여 재결합(recombination)을 방지할 수 있다. 그리고, 정공차단층(30)은 TiO2, ZnO, SrTi03, WO3 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 금속산화물을 포함하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 TiO2를 포함하되 조밀한(compact) 구조를 가질 수 있다.Next, the
다음, 전자수송층(40)은 정공차단층(30) 상에 형성된다. 이때, 전자수송층(40)은 제1 전극(20)과 광흡수층(50) 사이에 위치하여 광흡수층(50)에서 생성된 전자가 투명 전도성 물질을 통해 제1 전극(20)으로 용이하게 전달되게 한다.Next, the
이러한 전자수송층(40)은 메조포러스(mesoporous)층으로 이루어진 메조스코픽(mesoscopic) 구조를 갖는다. 이러한 전자수송층(40)은 예를 들어, TiO2 계열이나 Al2O3 계열의 다공성 물질이 주로 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The
실시예로서, TiO2 계열을 이용할 경우에는 졸-겔 반응법을 통해 제작된 TiO2 페이스트(paste)를 적용한다. 이 경우, 전자수송층(40)은 TiO2를 이용하여 메조스코픽 구조를 형성한 다음, 후처리 과정으로서 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 수용액에 의한 표면 처리 과정을 거치게 된다. 이에 대한 자세한 설명은 후술할 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.As an example, when using the TiO 2 series, a TiO 2 paste prepared through a sol-gel reaction method is applied. In this case, the
다음, 광흡수층(50)은 전자수송층(40) 상에 유기금속 할로겐화합물을 이용한 페로브스카이트(perovskite) 구조가 형성된다. 여기서, 유기금속 할로겐화합물은 CH3NH3PbX3(X는 Cl, Br, I)일 수 있으며, 바람직하게는 CH3NH3PbI3일 수 있다.Next, the
이러한 광흡수층(50)은 제1 전극(20)과 제2 전극(70) 사이에 위치하며, 전자(electron)와 정공(hole)을 분리시켜 전류를 만들어내는 광전변환층으로의 역활을 수행하게 된다.The
이처럼 광흡수층(50)에 페로브스카이트 구조를 도입한 경우, 정공수송층(60)의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 준위와 전자수송층(40)의 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 준위는 각각 페로브스카이트의 가전자대(valence band) 및 전도대(conduction band)와 잘 매칭되어, 전자는 전자수송층(40) 쪽으로, 정공은 정공수송층(60) 쪽으로 잘 전달된다.When a perovskite structure is introduced in the
이러한 메커니즘을 통하여 전자-정공 쌍들이 효과적으로 전자와 정공으로 분리될 수 있으며, 분리된 전자 및 정공은 제1 전극(20)과 제2 전극(70)의 일함수 차이로 형성된 내부 전기장과 축적된 전하의 농도차에 의해 각각의 전극으로 이동하여 수집되며, 최종적으로 외부회로를 통해 전류의 형태로 흐르게 된다.Through this mechanism, electron-hole pairs can be effectively separated into electrons and holes, and the separated electrons and holes are formed by an internal electric field formed by a difference in work function between the
다음, 정공수송층(60)은 광흡수층(50) 상에 형성된다. 이때, 정공수송층은 제2 전극(70)과 광흡수층(50) 사이에 위치하여 광흡수층(50)에서 생성된 정공이 제2 전극(70)으로 용이하게 전달되게 한다.Next, the
이러한 정공수송층(60)은 예를 들어, 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-dipmethoxyphenylamine)-9,9,9'-spirobi fluorine]), CuSCN, CuI, 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-cobenzothiadiazole), PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)), PTAA(poly(triarylamine)), poly(4-butylphenyldiphenyl-amine) 및 이들의 공중합체에서 적어도 하나 이상 선택될 수 있다.The hole transport layer 60 is, for example, 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-dipmethoxyphenylamine) -9,9,9'-spirobi fluorine]), CuSCN, CuI, 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-cobenzothiadiazole), PEDOT (poly (3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene) poly (styrenesulfonate)), PTAA (poly (triarylamine)), poly (4-butylphenyldiphenyl- amine) and copolymers thereof.
이하, 도 2를 참조하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 방법에 대해 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a perovskite solar cell will be described in detail with reference to FIG. 2.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 나타낸 도면이다.2 is a view showing a method of manufacturing a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 기판(10)은 초음파파쇄기(ultrasonicator)를 이용하여 세척한다(S101).Referring to Figure 2, the
다음, 정공차단층(30)은 세척된 기판(10) 상에 형성한다(S102). 이때, 정공차단층(30)은 조밀한 구조의 TiO2 박막(compact TiO2)으로 형성되는 경우에, 기판(10) 상에 TiO2 용액을 스핀코팅(spin-coating)한 다음 어닐링(annealing)을 통해 형성한다. 여기서, TiO2 용액은 0.55㎕ 티타늄 다이이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)[titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)]를 1㎖ 부탄올 용액에 희석시켜 제조한다. 그리고, 스핀코팅은 3000rpm으로 30초간 진행하고, 어닐링은 퍼니스(furnace) 장비 내에서 120℃로 10분간 진행한다.Next, the
다음, 전자수송층(40)은 정공차단층(30) 상에 형성한다(S103). 이때, 전자수송층(40)은 메조스코픽 구조를 갖는 메조포러스 TiO2 박막으로 형성하는 경우에, 정공차단층(30) 상에 TiO2 용액을 스핀코팅한 다음 어닐링을 통해 형성한다. 여기서, TiO2 용액은 0.4g TiO2 페이스트를 4.6g 무수 에탄올(99.5%)에 희석시켜 제조한다. 그리고, 스핀코팅은 3000rpm으로 30초간 진행하고, 어닐링은 퍼니스 장비 내에서 450℃로 30분간 진행한다.Next, the
아울러, TiO2 페이스트는 도 3과 같이 졸-겔 반응법을 이용하여 제조한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 TiO2 페이스트의 제조 과정을 설명하는 도면이다. 도 3의 실시예에 따르면, 먼저 6g TiO2 아나타스 파우더(anatase powder)와 1㎖ 아세트산(acetic acid)이 24시간 동안 200rpm으로 볼 밀링(ball milling)을 진행한다(S1). 이후, 60% 진폭(amplitude)으로 2초 on, 2초 off 동작을 30분간 4차례 진행하는 제1 초음파 처리를 진행한 후(S2), 25.8㎖ 알파-테르피네올(α-terpineol)을 혼합하여 동일 조건으로 제2 초음파 처리를 진행하고(S3), 7.5g 에틸 셀룰로스(ethyl cellulose)와 121㎖ 에탄올(ethanol)을 혼합하여 동일 조건으로 제3 초음파 처리를 진행한다(S4). 그리고, 100℃에서 30분 동안 200rpm으로 에탄올을 증발시킨 후(S5), 30분간 3개 롤러 밀(three-roller mill)을 진행하면(S6), TiO2 페이스트를 생성하게 된다.In addition, TiO 2 paste is prepared using a sol-gel reaction method as shown in FIG. 3. 3 is a view illustrating a manufacturing process of a TiO 2 paste according to an embodiment of the present invention. According to the embodiment of FIG. 3, first, 6 g TiO 2 anatase powder and 1 ml acetic acid are subjected to ball milling at 200 rpm for 24 hours (S1). Subsequently, after performing the first ultrasonic treatment that proceeds 4 times for 30 minutes for 2 seconds on and 2 seconds off at 60% amplitude (S2), 25.8 ml alpha-terpineol is mixed. Then, the second ultrasonic treatment is performed under the same conditions (S3), and 7.5 g ethyl cellulose and 121 ml ethanol are mixed to perform the third ultrasonic treatment under the same conditions (S4). Then, after evaporating ethanol at 200 rpm for 30 minutes at 100 ° C (S5), and then proceeding with a three-roller mill for 30 minutes (S6), a TiO2 paste is produced.
특히, 전자수송층(40)을 형성한 다음, 기판(10)-정공차단층(30)-전자수송층(40) 순서로 형성된 중간 구조물에 대해 TiCl4 수용액에 침지시켜 후처리 과정을 진행한다(S104). 여기서, TiCl4 수용액은 티타늄(Ⅳ) 콜로라이드(TiCl4, 98%)를 물에 섞어 형성한다. TiCl4 수용액은 80mM일 때 가장 높은 처리 효과를 나타낸다.In particular, after the
구체적으로, TiCl4 수용액으로 후처리 과정을 진행할 경우, 기판(10)-정공차단층(30)-전자수송층(40) 순서로 형성된 중간 구조물을 70℃로 30분간 TiCl4 수용액에 침지하고 탈이온수로 세척한다. 이후, 세척된 중간 구조물은 450℃로 40분간 열처리한 후 상온에서 냉각시킨다.Specifically, when the post-treatment process is performed with a TiCl 4 aqueous solution, the intermediate structure formed in the order of substrate 10-hole blocking layer 30-
다음, 광흡수층(50)은 TiCl4 수용액으로 후처리된 전자수송층(40) 상에 형성한다(S105). 이러한 광흡수층(50)은 글로브 박스(globe box) 내에서 페로브스카이트 물질로 형성한다.Next, the
이때, 광흡수층(50)은 유기금속 할로겐화합물로서 CH3NH3PbI3로 형성하는 경우에, 2단계 스핀코팅 과정을 통해 제조한다. 먼저, 광흡수층(50)의 첫번째 층은 TiCl4 수용액으로 후처리된 전자수송층(40) 상에 PbI2 용액을 3000rpm으로 35초간 스핀코팅한다. 여기서, PbI2 용액은 647㎎ PbI2(99%)를 100㎕ 디메틸술폭시드(Dimethylsulfoxide)와 1㎖ N,N-디메틸포름아미드(N,N dimethylformamide)에 섞어서 형성한다. 이는 70℃, 300rpm으로 60분간 진행한다. 다음, 광흡수층(50)의 두번째 층은 첫번째 층 상에 메틸암모니움 아오다이드(Methylammonium Iodide, MAI)(즉, CH3NH3I) 혼합용액을 4000rpm으로 60초간 스핀코팅한다. 여기서, MAI 혼합용액은 12㎎ CH3NH3I를 1㎖ 2-프로판올(propanol)에 섞어서 형성한다. 이는 300rpm으로 20분간 진행한다. 이와 같이, 광흡수층(50)은 2단계 스핀코팅 과정을 거친 후, 150℃에서 10분간 건조하고, 다시 120℃에서 40분간 건조한다.At this time, when the
다음, 정공수송층(60)은 광흡수층(50) 상에 형성한다(S106). 이때, 정공수송층(60)은 Spiro-MeOTA를 형성하는 경우에, Spiro-MeOTA 용액이 제조되어 광흡수층(50) 상에 코팅한다. 여기서, Spiro-MeOTA 용액은 72.3㎎ Spiro-MeOTA가 1㎖ 클로로벤젠(chlorobenzene), 28.8㎕ 4-터트-부틸피리딘(4-tert-butyl pyridine), 및 17.5㎕ 리튬비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드[lithium bis(tri fluoro methane sulphonyl)imid](Li-TFSI) 용액에 섞어서 제조한다. 그리고, Li-TFSI 용액은 520㎎ Li-TFSI가 1㎖ 아세토니트릴(acetonitrile, 99.8%)에 섞어서 형성한다.Next, the
다음, 제1 전극(20)은 기판(10) 상에 형성하고, 제2 전극(70)은 광흡수층(50) 상에 형성한다(S107). 이때, 제1 전극(20) 및 제2 전극(70)은 100㎚ 두께의 금속을 열증착으로 형성할 수 있다. 제1 전극(20) 및 제2 전극(70)은 금(Au) 재질일 수 있다.Next, the
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지(100)는 TiCl4 수용액으로 후처리 과정을 거친 메조포러스 TiO2 박막 즉, 전자수송층(40)을 포함한다.As described above, the perovskite
이하, 후술할 도면들을 참조하여 TiCl4 수용액의 후처리 과정에 대한 효과에 대해 살펴보기로 한다.Hereinafter, the effect on the post-treatment process of the TiCl 4 aqueous solution will be described with reference to the drawings to be described later.
이에, TiCl4 수용액의 처리 과정(선처리, 선처리 및 후처리, 비처리)에 따른 페로브스카이트 태양전지에 대한 실험 결과를 비교하여 설명하기로 한다.Accordingly, the experimental results of the perovskite solar cell according to the treatment process (pre-treatment, pre-treatment and post-treatment, non-treatment) of the TiCl 4 aqueous solution will be compared and described.
TiCl4 수용액의 선처리 과정은 정공차단층(30)이 형성되기 이전의 기판(10)이 TiCl4 수용액에 70℃로 30분간 담갔다가 탈이온수로 세척된 후, 기판(10)이 450℃에서 40분간 열처리되는 과정이다.In the pre-treatment process of the TiCl 4 aqueous solution, the
도 4a 내지 도 4b는 TiCl4 처리된 TiO2 표면에 대한 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지를 나타낸 사진이다. 도 4a는 TiCl4 비처리된(untreated) TiO2 표면에 대한 AFM 이미지를 나타내고, 도 4b는 TiCl4 선처리된(pre-treated) TiO2 표면에 대한 AFM 이미지를 나타내며, 도 4c는 TiCl4 후처리된(post-treated) TiO2 표면에 대한 AFM 이미지를 나타내고, 도 4d는 TiCl4 선/후처리된(pre and post-treated) TiO2 표면에 대한 AFM 이미지를 나타낸다.4A to 4B are photographs showing atomic force microscopy (AFM) images of TiCl 4 treated TiO 2 surfaces. FIG. 4A shows the AFM image of the TiCl 4 untreated TiO 2 surface, FIG. 4B shows the AFM image of the TiCl 4 pre-treated TiO 2 surface, and FIG. 4C shows the TiCl 4 post treatment The AFM image for the post-treated TiO 2 surface is shown, and FIG. 4D shows the AFM image for the TiCl 4 pre and post-treated TiO 2 surface.
TiCl4 처리된 TiO2 표면의 거칠기는 AFM 이미지를 통해 보여진다. RMS(Root-Mean Square) 거칠기는 AFM 이미지에서의 매개 변수 중 하나이다. The roughness of the TiCl 4 treated TiO 2 surface is shown through the AFM image. RMS (Root-Mean Square) roughness is one of the parameters in the AFM image.
도 4c의 TiCl4 후처리된 TiO2 표면은 도 4a, 도 4b 및 도 4의 다른 TiO2 표면에 비해 RMS 거칠기가 낮게 나타난다. 즉, 도 4c의 TiCl4 후처리된 TiO2 표면의 RMS 거칠기는 57.9㎚이고, 도 4a의 TiCl4 비처리된 TiO2 표면의 RMS 거칠기 72.9㎚, 도 4b의 TiCl4 선처리된 TiO2 표면의 RMS 거칠기 64.2㎚, 도 4d의 TiCl4 선/후처리된 TiO2 표면의 RMS 거칠기 64.3㎚이다. 전자 수송은 RMS 거칠기가 낮을수록 더욱 용이하다.The TiCl 4 post-treated TiO 2 surface of FIG. 4C exhibits a lower RMS roughness than other TiO 2 surfaces of FIGS. 4A, 4B, and 4. That is, of the TiO 2 surface treatment 4c of TiCl 4 and then RMS roughness 57.9㎚, and Figure 4a of TiCl 4 in the untreated TiO 2 surface RMS roughness 72.9㎚, the TiCl 4 the TiO 2 pre-processing the surface of Fig. 4b RMS The roughness is 64.2 nm, and the RMS roughness of the TiCl 4 pre / post-treated TiO 2 surface in FIG. 4D is 64.3 nm. Electron transport is easier as the RMS roughness is lower.
도 5a는 TiCl4 수용액의 처리 결과에 따른 태양전지에서 전류밀도 및 전압 특성(J-V 특성)을 나타낸 도면이고, 도 5b는 TiCl4 수용액의 처리 결과에 따른 태양전지에서 외부광자효율(External Quantum Efficiency, EQE) 특성을 나타낸 도면이다.Figure 5a is TiCl current density and voltage characteristics of the solar cell according to the processing result of the fourth solution is a diagram showing a (JV characteristics), Figure 5b is a TiCl 4 aqueous solution external photon efficiency (External Quantum Efficiency in the solar cell according to the result of processing, EQE) This is a diagram showing the characteristics.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, TiCl4 수용액으로 후처리된 TiO2를 포함하는 태양전지(post-treated TiO2)는 비처리된 TiO2를 포함하는 태양전지(untreated TiO2) 보다 J-V 특성과 EQE 특성 모두 향상된 결과를 나타낸다.When FIG. 5a and FIG 5b, TiCl 4 aqueous solution of solar cells (post-treated TiO 2) including a treatment TiO 2 and then to the JV characteristics than a solar cell (untreated TiO 2) containing the untreated TiO 2 and Both EQE properties show improved results.
한편, TiCl4 수용액으로 후처리된 TiO2를 포함하는 태양전지(post-treated TiO2)와 비처리된 TiO2를 포함하는 태양전지(untreated TiO2)에 대한 광 성능을 알 있는 인자(즉, JSC, VOC, FF, PCE)는 도 6의 표와 같이 나타낼 수 있다. 더욱이, 도 6은 광 성능 인자의 결과를 나타낸 도면이고, 도 7a 내지 도 7d와 같이 구체적으로 나타낼 수 있다. On the other hand, factors that tell the optical performance of the solar cells (untreated TiO 2) including a containing the treated TiO 2 solar cells (post-treated TiO 2) and the untreated TiO 2 after the TiCl 4 aqueous solution (i.e., J SC , V OC, FF, PCE) can be represented as shown in the table of FIG. 6. Moreover, FIG. 6 is a diagram showing the results of optical performance factors, and may be specifically shown as in FIGS. 7A to 7D.
여기서, 단락 전류 밀도(Short Circuit Current density, JSC)는 회로가 단락된 상태, 즉 외부저항이 없는 상태에서 빛을 받을 때 나타내는 역방향(음의값)]의 전류밀도를 나타낸다. 그리고, 개방 전압(Open Circuit Voltage, VOC)은 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차를 나타낸다. 또한, 태양 전지 충전률(Fill factor, FF)은 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱을 VOC와 JSC의 곱으로 나눈 값이다. 아울러, 에너지 변환 효율(Power Conversion Efficiency, PCE)은 태양전지에 입사되는 태양광에너지를 전기에너지로 변환시키는 효율을 나타내며, VOC, JSC 및 FF의 곱을 입사된 태양에너지로 나눈 값이다.Here, the short circuit current density (J SC ) represents the current density in the reverse direction (negative value when light is received in a state in which the circuit is short-circuited, that is, without external resistance). In addition, the open voltage (Open Circuit Voltage, V OC ) represents a potential difference formed at both ends of the solar cell when light is received while the circuit is open, that is, infinite impedance is applied. In addition, the solar cell charge factor (Fill factor, FF) is a value obtained by dividing the product of the current density and the voltage value at the maximum power point by the product of V OC and J SC . In addition, Energy Conversion Efficiency (PCE) represents the efficiency of converting solar energy incident on a solar cell into electrical energy, and is a value obtained by dividing the product of V OC , J SC and FF by the incident solar energy.
도 7a는 상기 도 6에서 단락 전류 밀도를 나타낸 도면이고, 도 7b는 상기 도 6에서 개방 전압을 나타낸 도면이며, 도 7c는 상기 도 6에서 태양 전지 충전률을 나타낸 도면이고, 도 7d는 상기 도 6에서 에너지 변환 효율을 나타낸 도면이다.7A is a diagram showing the short-circuit current density in FIG. 6, FIG. 7B is a diagram showing the open voltage in FIG. 6, FIG. 7C is a diagram showing the solar cell charge rate in FIG. 6, and FIG. 7D is the diagram 6 is a diagram showing the energy conversion efficiency.
도 6을 참조하면, 후처리된 TiO2를 포함하는 태양전지(post-treated TiO2)는 비처리된 TiO2를 포함하는 태양전지(untreated TiO2) 보다 높은 단락 전류 밀도(JSC)와 개방 전압(VOC)을 나타내며, 결과적으로 에너지 변환 효율(PCE)이 향상된 결과를 나타낸다.6, the solar cell (post-treated TiO 2) including a treatment TiO 2 after a high short circuit current density than the solar cells (untreated TiO 2) containing the untreated TiO 2 (J SC) and the open Voltage (V OC ), and as a result, energy conversion efficiency (PCE) is improved.
단락 전류 밀도(JSC)는 전자 추출, 수집 및 제한된 전자 재조합과 관련된 것이다. 이를 통해, 단락 전류 밀도(JSC)의 향상은 TiCl4 수용액 처리에 따라 서브 밴드갭 흡수를 감소시켜 계면에서 트랩 상태의 패시베이션(passivation)을 유도할 뿐 아니라, 금속 산화물의 전자 수송을 증가시키는 것을 의미한다.Short circuit current density (J SC ) relates to electron extraction, collection and limited electron recombination. Through this, the improvement of the short-circuit current density (J SC ) decreases the sub-band gap absorption according to the TiCl 4 aqueous solution treatment, which not only induces trap state passivation at the interface, but also increases the electron transport of the metal oxide. it means.
도 8은 XRD(X Ray Diffraction) 패턴을 나타낸 도면이다.8 is a view showing an XRD (X Ray Diffraction) pattern.
도 8에 도시된 바와 같이, XRT 패턴은 X선 회절 패턴을 나타내며, 샘플들의 피크를 관찰할 수 있다.8, the XRT pattern represents an X-ray diffraction pattern, and the peaks of the samples can be observed.
XRD 패턴의 면지수 101에서 관찰되는 피크(peak)는 TiO2의 나노 다공성 구조를 나타낸다. 이는 비처리된 TiO2/FTO(untreat TiO2/FTO)와 후처리된 TiO2/FTO(post treat TiO2/FTO)에서 나타난다.The peak observed at the surface index 101 of the XRD pattern indicates a nanoporous structure of TiO 2 . This is seen in untreated TiO 2 / FTO (untreat TiO 2 / FTO) and post-treated TiO 2 / FTO (post treat TiO 2 / FTO).
후처리된 TiO2/FTO(post treat TiO2/FTO)는 비처리된 TiO2/FTO(untreat TiO2/FTO)에 비해 더 높은 회절강도를 나타낸다. 이는 후처리된 TiO2/FTO(post treat TiO2/FTO)가 비처리된 TiO2/FTO(untreat TiO2/FTO)에 비해 전자 수송 성능이 강화된다는 것을 알려준다.After the treated TiO 2 / FTO (post treat TiO 2 / FTO) represents the diffraction intensity higher than the TiO 2 / FTO (untreat TiO 2 / FTO) untreated. This indicates that the after-treated TiO 2 / FTO (post treat TiO 2 / FTO) is the electron transport enhanced compared to the untreated TiO 2 / FTO (untreat TiO 2 / FTO).
도 9a는 비처리된 TiO2의 SEM 이미지를 나타낸 사진이고, 도 9b는 후처리된 TiO2의 SEM 이미지를 나타낸 사진이다.9A is a photograph showing an SEM image of untreated TiO 2 , and FIG. 9B is a photograph showing an SEM image of post-treated TiO 2 .
도 9a 및 도 9b를 참조하면, SEM 이미지는 TiO2 박막의 결정구조를 나타낸다. 후처리된 TiO2 박막은 비처리된 TiO2 막에 비해 더욱 향상된 표면 커버리지를 나타낸다. 이는 전자의 이동에 더욱 효율적인 결과를 나타내며, 도 8을 통해 확인된 XRD 패턴의 결과와 일치한다.9A and 9B, the SEM image shows the crystal structure of the TiO2 thin film. The post-treated TiO 2 thin film exhibits improved surface coverage compared to the untreated TiO 2 film. This shows a more efficient result for electron movement, and is consistent with the result of the XRD pattern confirmed through FIG. 8.
도 10은 UV-VIS 스펙트럼을 나타낸 도면이다.10 is a view showing the UV-VIS spectrum.
도 10은 UV-VIS 스펙트럼을 통해 비처리된 TiO2 기반의 광흡수층(즉, 페로브스카이트 박막)과 후처리된 TiO2 기반의 광흡수층을 광흡수 결과를 나타낸다. 10 shows light absorption results of an untreated TiO 2 based light absorbing layer (ie, a perovskite thin film) and a post-treated TiO 2 based light absorbing layer through a UV-VIS spectrum.
TiO2 박막은 전자수송층 역할을 하는 동안, 페로브스카이트 박막은 광흡수층 역할을 하게 되며, 이는 전체 태양전지 구조에서 중요한 역할을 담당한다.While the TiO 2 thin film acts as an electron transport layer, the perovskite thin film acts as a light absorbing layer, which plays an important role in the overall solar cell structure.
도 10에 도시된 바와 같이, 후처리된 TiO2 박막을 포함하는 페로브스카이트 박막은 400㎚∼800㎚ 사이의 모든 범위에서 비처리된 TiO2 박막을 포함하는 페로브스카이트 박막에 비해 향상된 광흡수 결과를 나타낸다.Perovskite thin film containing TiO 2 thin film and then processed, as shown in Figure 10 is better than the perovskite thin film containing the untreated TiO 2 thin film in all the range between 400㎚~800㎚ The light absorption results are shown.
이는 TiCl4 수용액 처리 결과가 광흡수층의 성능에 유기적인 관련성이 존재하고, 후처리된 TiO2 박막을 포함한 태양전지의 효율이 비처리된 TiO2 박막을 포함한 태양전지의 효율보다 좋다는 것을 의미한다. This means that the result of the TiCl 4 aqueous solution treatment has an organic relationship to the performance of the light absorbing layer, and the efficiency of the solar cell including the post-treated TiO 2 thin film is better than that of the solar cell including the untreated TiO 2 thin film.
도 11a는 비처리된 TiO2 박막에서 성장한 페로브스카이트 박막의 AFM 이미지를 나타낸 사진이고, 도 11b는 후처리된 TiO2 박막에서 성장한 페로브스카이트 박막의 AFM 이미지를 나타낸 사진이다.11A is a photograph showing an AFM image of a perovskite film grown on an untreated TiO 2 thin film, and FIG. 11B is a photograph showing an AFM image of a perovskite film grown on a post-treated TiO 2 thin film.
도 11a의 비처리된 TiO2 박막에서 성장한 페로브스카이트 박막의 RMS 거칠기는 15.054㎚이고, 도 11b의 후처리된 TiO2 박막에서 성장한 페로브스카이트 박막의 RMS 거칠기는 14.584㎚이다.The RMS roughness of the perovskite film grown on the untreated TiO 2 thin film of FIG. 11A is 15.054 nm, and the RMS roughness of the perovskite film grown on the post-treated TiO 2 thin film of FIG. 11B is 14.584 nm.
즉, TiCl4 수용액 처리 결과에 따라 페로브스카이트 박막의 RMS 거칠기는 15.054㎚에서 14.584㎚로 감소했다.That is, the RMS roughness of the perovskite thin film decreased from 15.054 nm to 14.584 nm according to the result of the TiCl 4 aqueous solution treatment.
AFO 이미지를 살펴보면, TiCl4 수용액 처리는 TiO2 박막의 표면을 매끄럽게 처리할 수 있게 하는 것을 나타내고, 페로브스카이트 박막 특성은 TiO2 박막의 표면 특성과 관련성이 있음을 알 수 있다.Looking at the AFO image, the TiCl 4 aqueous solution treatment shows that the TiO 2 thin film can be smoothly treated, and it can be seen that the perovskite thin film properties are related to the surface properties of the TiO 2 thin film.
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.Although the above description has been described with a focus on the novel features of the present invention applied to various embodiments, a person skilled in the art does not depart from the scope of the present invention and the apparatus and method described above It will be understood that various deletions, substitutions, and changes are possible in the form and details of the. Accordingly, the scope of the invention is defined by the appended claims rather than in the above description. All modifications within the equivalent scope of the claims are covered by the scope of the present invention.
10 ; 기판 20 ; 제1 전극
30 ; 정공차단층 40 ; 전자수송층
50 ; 광흡수층 60 ; 정공수송층
70 ; 제2 전극10;
30;
50;
70; Second electrode
Claims (16)
상기 정공차단층 상에 메조포러스(mesoporous) TiO2 박막이 포함된 전자수송층을 형성하는 단계;
상기 기판, 정공차단층 및 전자수송층이 순서로 형성된 중간 구조물에 대해 TiCl4 수용액에 침지시켜 후처리 과정을 진행하는 단계;
상기 TiCl4 수용액으로 후처리된 전자수송층 상에 광흡수층을 형성하는 단계; 및
상기 광흡수층 상에 정공수송층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 정공차단층은 상기 기판 상에 제1 TiO2 용액을 스핀코팅(spin-coating)한 다음 어닐링(annealing)을 통해 형성하되, 상기 제1 TiO2 용액은 0.55㎕ 티타늄 다이이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)[titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)]를 1㎖ 부탄올 용액에 희석시켜 제조하며,
상기 전자수송층은 상기 정공차단층 상에 제2 TiO2 용액을 스핀코팅한 다음 어닐링을 통해 형성하되, 상기 제2 TiO2 용액은 0.4g TiO2 페이스트를 4.6g 무수 에탄올(99.5%)에 희석시켜 제조하고,
상기 TiO2 페이스트는 졸-겔 반응법을 이용하여 제조하되, 6g TiO2 아나타스 파우더(anatase powder)와 1㎖ 아세트산(acetic acid)이 24시간 동안 200rpm으로 볼 밀링(ball milling)을 진행한 후, 60% 진폭(amplitude)으로 2초 on, 2초 off 동작을 30분간 4차례 진행하는 제1 초음파 처리를 진행하고, 25.8㎖ 알파-테르피네올(α-terpineol)을 혼합하여 동일 조건으로 제2 초음파 처리를 진행하며, 7.5g 에틸 셀룰로스(ethyl cellulose)와 121㎖ 에탄올(ethanol)을 혼합하여 동일 조건으로 제3 초음파 처리를 진행하고. 100℃에서 30분 동안 200rpm으로 에탄올을 증발시킨 후 30분간 3개 롤러 밀(three-roller mill)을 진행하여 생성하는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
Forming a hole blocking layer including a TiO 2 thin film on a substrate;
Forming an electron transport layer including a mesoporous TiO 2 thin film on the hole blocking layer;
Performing a post-treatment process by immersing the substrate, the hole blocking layer and the electron transport layer in a TiCl 4 aqueous solution in an ordered intermediate structure;
Forming a light absorbing layer on the electron transport layer post-treated with the TiCl 4 aqueous solution; And
Including; forming a hole transport layer on the light absorbing layer;
The hole blocking layer is formed by spin-coating a first TiO 2 solution on the substrate and then annealing, but the first TiO 2 solution is 0.55 μl titanium diisopropoxide bis ( It is prepared by diluting acetylacetonate (titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate)) in 1 ml butanol solution.
The electron transport layer is formed by spin coating a second TiO 2 solution on the hole blocking layer, followed by annealing, wherein the second TiO 2 solution is diluted with 0.4 g TiO 2 paste in 4.6 g absolute ethanol (99.5%). Manufacturing,
The TiO 2 paste was prepared using a sol-gel reaction method, after 6 g TiO 2 anatase powder and 1 ml acetic acid were subjected to ball milling at 200 rpm for 24 hours. , 2 seconds on, 2 seconds off at 60% amplitude (amplitude), the first ultrasonic treatment proceeds four times for 30 minutes, 25.8 ml alpha-terpineol (α-terpineol) is mixed to remove the same conditions. 2 The ultrasonic treatment is performed, and 7.5 g ethyl cellulose and 121 ml ethanol are mixed to perform the third ultrasonic treatment under the same conditions. A method of manufacturing a perovskite solar cell that is produced by evaporating ethanol at 200 rpm for 30 minutes at 100 ° C. and then proceeding through a three-roller mill for 30 minutes.
상기 TiCl4 수용액은,
티타늄(Ⅳ) 콜로라이드(TiCl4, 98%)를 물에 섞어 형성하는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
According to claim 1,
The TiCl 4 aqueous solution,
A method of manufacturing a perovskite solar cell, which is formed by mixing titanium (IV) colloid (TiCl 4 , 98%) in water.
상기 후처리 과정은,
상기 중간 구조물을 70℃로 30분간 상기 TiCl4 수용액에 침지하고 탈이온수로 세척하는 단계; 및
상기 세척된 중간 구조물을 450℃로 40분간 열처리한 후 상온에서 냉각시키는 단계;
를 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
According to claim 1,
The post-treatment process,
Immersing the intermediate structure in the TiCl 4 aqueous solution at 70 ° C. for 30 minutes and washing with deionized water; And
Heat-treating the washed intermediate structure at 450 ° C for 40 minutes and then cooling at room temperature;
Method of manufacturing a perovskite solar cell comprising a.
상기 광흡수층은,
유기금속 할로겐화합물을 스핀코팅 과정을 통해 형성하는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
According to claim 1,
The light absorbing layer,
A method of manufacturing a perovskite solar cell, wherein the organometallic halogen compound is formed through a spin coating process.
상기 광흡수층을 형성하는 단계는,
상기 TiCl4 수용액으로 후처리된 전자수송층 상에 PbI2 용액을 스핀코팅하여 제1층을 형성하는 단계; 및
상기 제1층 상에 메틸암모니움 아오다이드(MAI) 혼합용액을 스핀코팅하여 제2층을 형성하는 단계;
를 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
The method of claim 7,
The step of forming the light absorbing layer,
Forming a first layer by spin-coating a PbI 2 solution on the electron transport layer post-treated with the TiCl 4 aqueous solution; And
Forming a second layer on the first layer by spin-coating a mixed solution of methylammonium iodide (MAI);
Method of manufacturing a perovskite solar cell comprising a.
상기 PbI2 용액은,
647㎎ PbI2(99%)를 100㎕ 디메틸술폭시드(Dimethylsulfoxide)와 1㎖ N,N-디메틸포름아미드(N,N dimethylformamide)에 섞어서 형성하는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
The method of claim 8,
The PbI 2 solution,
A method of manufacturing a perovskite solar cell that is formed by mixing 647 mg PbI 2 (99%) in 100 µl dimethylsulfoxide and 1 ml N, N-dimethylformamide.
상기 메틸암모니움 아오다이드(MAI) 혼합용액은,
12㎎ CH3NH3I를 1㎖ 2-프로판올(propanol)에 섞어서 형성하는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
The method of claim 8,
The methyl ammonium iodide (MAI) mixed solution,
A method of manufacturing a perovskite solar cell, which is formed by mixing 12 mg CH 3 NH 3 I in 1 ml 2-propanol.
상기 정공수송층은,
Spiro-MeOTA 용액을 코팅하여 형성하는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
According to claim 1,
The hole transport layer,
A method of manufacturing a perovskite solar cell formed by coating a Spiro-MeOTA solution.
상기 Spiro-MeOTA 용액은,
72.3㎎ Spiro-MeOTA가 1㎖ 클로로벤젠(chlorobenzene), 28.8㎕ 4-터트-부틸피리딘(4-tert-butyl pyridine), 및 17.5㎕ 리튬비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드[lithium bis(tri fluoro methane sulphonyl)imid](Li-TFSI) 용액에 섞어서 제조하는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
The method of claim 11,
The Spiro-MeOTA solution,
72.3mg Spiro-MeOTA contains 1ml chlorobenzene, 28.8µl 4-tert-butyl pyridine, and 17.5µl lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide [lithium bis ( tri fluoro methane sulphonyl) imid] (Li-TFSI) is a method of manufacturing a perovskite solar cell prepared by mixing in a solution.
상기 Li-TFSI 용액은,
520㎎ Li-TFSI가 1㎖ 아세토니트릴(acetonitrile, 99.8%)에 섞어서 형성하는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
The method of claim 12,
The Li-TFSI solution,
A method of manufacturing a perovskite solar cell in which 520 mg Li-TFSI is formed by mixing with 1 ml acetonitrile (99.8%).
상기 기판 및 상기 정공차단층 사이에는,
투명 전도성 물질을 형성하는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
According to claim 1,
Between the substrate and the hole blocking layer,
A method of manufacturing a perovskite solar cell that forms a transparent conductive material.
상기 정공수송층을 형성한 이후에, 상기 투명 전도성 물질과 전기적 연결을 위한 제1 전극과, 상기 정공수송층과 전기적 연결을 위한 제2 전극을 형성하는 단계;
를 더 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
The method of claim 14,
After forming the hole transport layer, forming a first electrode for electrical connection with the transparent conductive material and a second electrode for electrical connection with the hole transport layer;
Method of manufacturing a perovskite solar cell further comprising a.
A perovskite solar cell manufactured by the method of manufacturing the perovskite solar cell of claim 1.
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