KR102121756B1 - Perovskite solar cell, polymer for perovskite solar cell and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체와 이의 제조방법, 이를 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서,
상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 할로겐 또는 C1-C10알킬기이고, R1 및 R2 중 하나 이상은 할로겐이다.The present invention relates to a polymer comprising a repeating unit represented by the following Chemical Formula 1 and a manufacturing method thereof, and a perovskite solar cell comprising the same.
[Formula 1]
In Chemical Formula 1,
R 1 and R 2 are each independently halogen or a C 1 -C 10 alkyl group, and at least one of R 1 and R 2 is halogen.
Description
본 발명은 우수한 광전변환효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지, 페로브스카이트 태양전지용 중합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a perovskite solar cell having excellent photoelectric conversion efficiency, a polymer for a perovskite solar cell, and a method for manufacturing the same.
화석연료의 고갈 우려와 이의 남용에 따른 온난화 및 기후 변화, 그리고 원자력 에너지에 상존하는 안전 우려 등으로 인해, 지속 가능한 에너지인 태양광 발전의 필요성은 그 어느 때보다 높이 요구되고 있다. Due to the fear of depletion of fossil fuels, warming and climate change due to its abuse, and safety concerns that exist in nuclear energy, the need for sustainable energy, photovoltaic power generation, is higher than ever.
태양전지 기술은 빛을 전기에너지로 직접 바꿔주는 기술로서, 실용화되고 있는 태양전지의 대부분은 실리콘과 같은 무기물을 이용한 무기 태양전지이다. 그러나 무기태양전지는 복잡한 제조 공정으로 인하여 제조비용이 증가하고 재료가 고가이기 때문에, 비교적 간단한 제조 공정을 통해 제조비용이 적게 들고, 소재 비용이 저가인 유기 태양전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 유기 태양전지는 BHJ의 구조가 공기 중의 수분이나, 산소에 의해 열화 되어 그 효율이 빠르게 저하되는 즉 태양전지의 안정성에 큰 문제성이 있으며, 이를 해결하기 위한 방법으로 완전한 실링 기술을 도입하면 안정성이 증가하나 가격이 올라가는 문제점이 있다.Solar cell technology is a technology that directly converts light into electrical energy, and most of the solar cells that are in practical use are inorganic solar cells using inorganic materials such as silicon. However, since the manufacturing cost of the inorganic solar cell is increased due to the complicated manufacturing process and the material is expensive, research on organic solar cells having a low manufacturing cost and a low material cost through a relatively simple manufacturing process has been actively conducted. However, in organic solar cells, the structure of BHJ is deteriorated by moisture or oxygen in the air, and its efficiency rapidly decreases. That is, there is a big problem in the stability of the solar cell. There is a problem of an increase but a price increase.
이에 현재 페로브스카이트 태양전지는 염료감응 및 유기 태양전지를 비롯한 차세대 태양전지 중에서 뛰어난 광전지 특성, 비용 절감과 쉬운 공정을 바탕으로 가장 상용화에 근접해 있으며 안정성 및 대면적화에 대한 본격적인 연구가 요구되고 있다. 이 중 정공전달물질이 없는 페로브스카이트 태양전지는 정공전달물질이 포함된 페로브스카이트 태양전지보다 낮은 전하 추출과 계면에서의 전하 재결합을 보임으로써, 개방전압 및 충전률의 하락을 나타냈다. Therefore, currently perovskite solar cells are closest to commercialization among the next generation solar cells including dye-sensitized and organic solar cells, based on excellent photovoltaic properties, cost reduction and easy process, and full-scale studies on stability and large-area are required. . Among these, the perovskite solar cell without a hole transport material showed lower charge extraction and charge recombination at the interface than a perovskite solar cell containing a hole transport material, thereby showing a decrease in open voltage and charge rate.
따라서, 더 높은 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)을 보이기 위해서는 전하 추출의 상승과 계면에서의 원하지 않는 전하 재결합을 완화시켜야 하고, 이를 위해서는 페로브스카이트 태양전지에서 정공전달물질(Hole Transporting Materials, HTM)의 역할이 중요하다.Therefore, in order to show a higher power conversion efficiency (PCE), it is necessary to mitigate an increase in charge extraction and undesired charge recombination at the interface, and for this, hole transporting materials in a perovskite solar cell (Hole Transporting Materials) , HTM).
이러한 페로브스카이트 태양전지의 주요한 특성 중 하나인 광전변환효율을 더욱 향상시키기 위하여 최근에는 spiro-OMeTAD를 정공전달재료로 사용한 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율이 15%를 달성하였다. 그러나, spiro-OMeTAD는 합성이 복잡하고 고가이며 약한 열안정성을 보이고 전하의 캐리어 이동성이 낮기 때문에, 페로브스카이트 태양전지의 보편화가 제한될 수 있다.In order to further improve the photoelectric conversion efficiency, which is one of the main characteristics of the perovskite solar cell, the photoelectric conversion efficiency of the perovskite solar cell using spiro-OMeTAD as a hole transport material has recently achieved 15%. However, spiro-OMeTAD is complex, expensive to synthesize, has weak thermal stability, and has low carrier mobility of charges, and thus, the generalization of perovskite solar cells may be limited.
따라서, 장치의 고효율화를 촉진시키기 위해서는 이에 대체할 만한 효율적인 정공전달물질을 설계하고 발전시키는 것이 필수적이다.Therefore, in order to promote the high efficiency of the device, it is essential to design and develop an efficient hole transport material that can replace it.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 본 발명의 중합체를 정공전달물질로 사용할 수 있는 페로브스카이트 태양전지를 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, the present invention is to provide a perovskite solar cell that can be used as a hole transport material polymer of the present invention.
또한, 본 발명은 종래의 페로브스카이트 태양전지와 대비하여 높은 안정성을 갖는 동시에 광전변환효율이 우수한 페로브스카이트 태양전지를 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a perovskite solar cell having high stability and excellent photoelectric conversion efficiency as compared to a conventional perovskite solar cell.
또한, 본 발명은 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질로 제공되는 본 발명의 중합체의 제조방법을 제공하고자 한다. In addition, the present invention is to provide a method for producing a polymer of the present invention provided as a hole transport material of a perovskite solar cell.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 페로브스카이트 태양전지는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, the perovskite solar cell of the present invention may include a polymer comprising a repeating unit represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에 있어서,In Chemical Formula 1,
상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 할로겐 또는 C1-C10알킬기이고, R1 및 R2 중 하나 이상은 할로겐이다.R 1 and R 2 are each independently halogen or a C 1 -C 10 alkyl group, and at least one of R 1 and R 2 is halogen.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지는 상기 화학식 1의 상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 할로겐 또는 C1-C3알킬기고, R1 및 R2 중 하나 이상은 할로겐일 수 있다.According to an aspect of the present invention, the perovskite solar cell is R 1 and R 2 of Formula 1 are each independently halogen or a C 1 -C 3 alkyl group, and at least one of R 1 and R 2 is halogen Can be.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 화학식 1의 R1은 할로겐이고, R2는 할로겐 또는 C1-C3알킬기일 수 있다.According to an aspect of the present invention, R 1 in Formula 1 is halogen, and R 2 may be halogen or a C 1 -C 3 alkyl group.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지는 상기 화학식 1은 하기 구조식으로 표시되는 반복단위에서 선택되는 어느 하나의 반복단위를 포함하는 중합체일 수 있다.According to an aspect of the present invention, the perovskite solar cell may be a polymer including any one repeating unit selected from repeating units represented by the following structural formula:
[구조식][constitutional formula]
, ,
본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체는 정공전달물질로 사용되는 것일 수 있다.According to an aspect of the present invention, the perovskite solar cell may include a polymer containing a repeating unit represented by Chemical Formula 1 as a hole transport material.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지 광전변환효율의 증가율(%)이 하기 식 1을 만족하는 것일 수 있다.According to an aspect of the present invention, an increase rate (%) of the photoelectric conversion efficiency of the perovskite solar cell may satisfy Equation 1 below.
[식 1][Equation 1]
상기 식 1에 있어서,In the above formula 1,
상기 PCEa는 상기 화학식 1의 R1 및 R2이 -CH3인 정공전달물질을 포함하는 페로브스카이트 태양전지로 측정된 광전변환효율이고,The PCE a is a photoelectric conversion efficiency measured by a perovskite solar cell including a hole transport material in which R 1 and R 2 in Chemical Formula 1 are -CH 3 ,
상기 PCEb는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 정공전달물질로 포함하는 페로브스카이트 태양전지로 측정된 광전변환효율이다.The PCE b is a photoelectric conversion efficiency measured by a perovskite solar cell comprising a polymer containing a repeating unit represented by Formula 1 as a hole transport material.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체의 에너지 밴드갭(Eg opt)이 2.96 내지 3.50eV일 수 있다.According to an aspect of the present invention, the energy band gap (E g opt ) of the polymer including the repeating unit represented by Chemical Formula 1 may be 2.96 to 3.50 eV.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체의 수평균분자량 10,000 내지 500,000 g/mol일 수 있다.According to an aspect of the present invention, the number average molecular weight of the polymer containing the repeating unit represented by Chemical Formula 1 may be 10,000 to 500,000 g/mol.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체와 페로브스카이트 화합물의 이온화전위의 차이는 0.02 내지 0.4eV일 수 있다.According to an aspect of the present invention, the difference between the ionization potential of the polymer comprising the repeating unit represented by Chemical Formula 1 and the perovskite compound may be 0.02 to 0.4 eV.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지는 According to an aspect of the present invention, the perovskite solar cell
제 1전극, The first electrode,
상기 제 1전극 상에 형성된 전자전달층, An electron transport layer formed on the first electrode,
상기 전자전달층 상에 형성된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층, Light absorbing layer comprising a perovskite structure compound formed on the electron transport layer,
상기 광흡수층상에 형성되며, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 포함하는 정공전달층 및 It is formed on the light absorbing layer, a hole transport layer comprising a polymer containing a repeating unit represented by the formula (1) and
상기 정공전달층 상에 형성된 제 2전극을 포함하는 것일 수 있다.It may be to include a second electrode formed on the hole transport layer.
본 발명은 상기 페로브스카이트 태양전지의 정공전잘물질인 중합체를 제조하기 위한 방법으로 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 니켈계 촉매와 리간드 존재하에 수행할 수 있다.The present invention can be carried out in the presence of a nickel-based catalyst and a ligand represented by the following formula (2) as a method for preparing a polymer that is a hole-electron material of the perovskite solar cell.
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에 있어서,In Chemical Formula 2,
상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 할로겐 또는 C1-C10알킬기이고, R1 및 R2 중 하나 이상은 할로겐이며, 상기 X는 할로겐으로 상기 R1 및 R2의 할로겐과 상이하다.R 1 and R 2 are each independently halogen or a C 1 -C 10 alkyl group, at least one of R 1 and R 2 is halogen, and X is halogen, which is different from the halogen of R 1 and R 2 .
본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질 제조방법은 상기 니켈계 촉매는 비스(1,5-시클로옥타디엔) 니켈(0) [Ni(COD)2], 1,3-디페닐포스피노프로판 니켈(II) 클로라이드 [Ni(dppp)Cl2], 1,2-비스(디페닐포스피노)에탄 니켈(II) 클로라이드[Ni(dppe)Cl2]에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.According to an aspect of the present invention, a method for manufacturing a hole transport material of the perovskite solar cell includes the bis(1,5-cyclooctadiene) nickel(0) [Ni(COD) 2 ], 1, 1, 3-diphenylphosphinopropane nickel(II) chloride [Ni(dppp)Cl 2 ], 1,2-bis(diphenylphosphino)ethane nickel(II) chloride [Ni(dppe)Cl 2 ] It may be a mixture of one or two or more.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질 제조방법은 상기 리간드는 2,2-비피리딘, 트리페닐포스판, 알킬-2,2-비피리딘, 4,4-디-(5-노닐)-2,2-비피리딘, 4,4-디-(5-헵틸)-2,2-비피리딘, 트리스 (2-아미노에틸)아민(TREN), N,N,N',N',N"-펜타메틸디에틸렌트리아민, 1,1,4,7,10,10-헥사메틸트리에틸렌테트라아민 및 테트라메틸에틸렌디아민에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.According to an aspect of the present invention, the method for manufacturing a hole transport material of the perovskite solar cell includes: 2,2-bipyridine, triphenylphosphan, alkyl-2,2-bipyridine, 4,4-di -(5-nonyl)-2,2-bipyridine, 4,4-di-(5-heptyl)-2,2-bipyridine, tris(2-aminoethyl)amine (TREN), N,N,N ',N',N"-pentamethyldiethylenetriamine, 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetraamine and tetramethylethylenediamine. .
본 발명의 페로브스카이트 태양전지는 본 발명의 중합체를 포함함으로써 기존의 정공전달물질로 사용되는 물질에 대비하여 높은 안정성을 갖는 동시에 높은 개방전압과 우수한 광전변환효율을 가질 수 있다는 장점이 있다.The perovskite solar cell of the present invention has the advantage of being able to have a high open voltage and excellent photoelectric conversion efficiency while having high stability compared to a material used as a conventional hole transport material by including the polymer of the present invention.
본 발명의 제조방법으로 제조된 페로브스카이트 태양전지의 정공수송물질로 제공되는 중합체는 정공전달 구동력이 우수하여 광전변환효율을 더욱 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.The polymer provided as the hole transport material of the perovskite solar cell manufactured by the manufacturing method of the present invention has the advantage of being able to further improve the photoelectric conversion efficiency by providing excellent hole transport driving power.
도 1은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교실시예에 따른 중합체의 광학 특성 및 열적특성 결과이다. 도 1의 (a)는 UV-vis흡광 스펙트럼이고, (b)는 시차주사열량계이며, (c)는 열중량분석법 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교실시예에 따른 중합체의 광전자 분석 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교실시예에 따른 중합체의 광전변환효율 측정 결과이다. 도 3의 (a)는 광 전류밀도 - 전압 특성 결과이고, (b)는 외부 양자 효율 스펙트럼 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교실시예에 따른 중합체의 광전변환효율 측정 결과이다. 도 4의 (a)는 광 전류밀도 - 전압 특성 결과이고, (b)는 외부 양자 효율 스펙트럼 결과이다.1 is a result of the optical and thermal properties of the polymer according to an embodiment of the present invention and a comparative example. 1(a) is a UV-vis absorption spectrum, (b) is a differential scanning calorimeter, and (c) is a thermogravimetric analysis result.
2 is a photoelectron analysis result of the polymer according to an embodiment of the present invention and a comparative example.
3 is a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of a polymer according to an embodiment of the present invention and a comparative example. 3(a) is a photocurrent density-voltage characteristic result, and (b) is an external quantum efficiency spectrum result.
4 is a result of measuring the photoelectric conversion efficiency of the polymer according to an embodiment and a comparative example of the present invention. 4(a) is a photocurrent density-voltage characteristic result, and (b) is an external quantum efficiency spectrum result.
이하 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지, 페로브스카이트 태양전지용 중합체 및 이의 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, a perovskite solar cell according to the present invention, a polymer for a perovskite solar cell and a method for manufacturing the same will be described in more detail. However, the following examples are only one reference for explaining the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.
또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. Also, unless defined otherwise, all technical and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terms used in the description of the present invention are only for effectively describing a specific embodiment and are not intended to limit the present invention.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Also, the singular form used in the specification and the appended claims may be intended to include the plural form unless otherwise indicated in the context.
본 발명에 기재된「알킬」, 「알콕시」 및 그 외 「알킬」부분을 포함하는 치환체는 직쇄 또는 분쇄 형태를 모두 포함하며, 본 발명의 중합체내에서는 1 내지 10개의 탄소원자 바람직하게는 1 내지 5, 알킬의 경우 보다 바람직하게는 1 내지 3의 탄소원자를 갖는다.Substituents containing the "alkyl", "alkoxy" and other "alkyl" moieties described in the present invention include both straight-chain or pulverized forms, and preferably 1 to 5 carbon atoms in the polymer of the present invention. , More preferably, it has 1 to 3 carbon atoms in the case of alkyl.
또한 본 발명에 기재된 「아릴」은 하나의 수소 제거에 의해서 방향족 탄화수소로부터 유도된 유기 라디칼로, 각 고리에 적절하게는 4 내지 7개, 바람직하게는 5 또는 6개의 고리원자를 포함하는 단일 또는 융합고리계를 포함하며, 다수개의 아릴이 단일결합으로 연결되어 있는 형태까지 포함한다. 구체적인 예로 페닐, 나프틸, 비페닐, 안트릴, 인데닐(indenyl), 플루오레닐 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. In addition, the "aryl" described in the present invention is an organic radical derived from an aromatic hydrocarbon by removal of one hydrogen, single or fused, preferably containing 4 to 7, preferably 5 or 6 ring atoms in each ring. It includes a ring system, and includes a form in which a plurality of aryls are connected by a single bond. Specific examples include, but are not limited to, phenyl, naphthyl, biphenyl, anthryl, indenyl, fluorenyl, and the like.
본 발명에 기재된 「시클로알킬」은 3 내지 20개 탄소원자를 갖는 비방향족 일환식(monocyclic) 또는 다환식(multicyclic)고리 계를 의미하는 것으로, 일환식 고리는, 비제한적으로, 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸 및 시클로헥실을 포함한다. 다환식 시클로알킬기의 일례는 퍼히드로나프틸, 퍼히드로인데닐 등을 포함하고; 브리지화된 다환식 시클로알킬기는 아다만틸 및 노르보르닐 등을 포함한다.The term "cycloalkyl" described in the present invention means a non-aromatic monocyclic or multicyclic ring system having 3 to 20 carbon atoms, and the monocyclic ring is, but is not limited to, cyclopropyl, cyclobutyl , Cyclopentyl and cyclohexyl. Examples of the polycyclic cycloalkyl group include perhydronaphthyl, perhydroindenyl, and the like; Bridged polycyclic cycloalkyl groups include adamantyl and norbornyl and the like.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.The present invention provides a perovskite solar cell comprising a polymer comprising a repeating unit represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에 있어서,In Chemical Formula 1,
상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 할로겐 또는 C1-C10알킬기이고, R1 및 R2 중 하나 이상은 할로겐이다.R 1 and R 2 are each independently halogen or a C 1 -C 10 alkyl group, and at least one of R 1 and R 2 is halogen.
본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체는 태양전지, 특히 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질로 사용되었을 때, 이를 채용한 페로브스카이트 태양전지의 효율이 현저히 향상된다.When the polymer comprising the repeating unit represented by Formula 1 of the present invention is used as a hole transport material of a solar cell, particularly a perovskite solar cell, the efficiency of the perovskite solar cell employing the same is remarkably improved. .
본 발명의 일 양태에 따라 상기 화학식 1의 R1은 할로겐이고, R2는 할로겐 또는 C1-C3알킬기일 수 있다.According to an aspect of the present invention, R 1 in Formula 1 is halogen, and R 2 may be halogen or a C 1 -C 3 alkyl group.
구체적으로는 본 발명의 일 양태에 따라 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체는 트리아릴아민 골격 중 페닐 그룹의 4번 또는 2번, 4번 위치에 할로겐 원소기 치환됨으로써 이를 채용한 페로브스카이트 태양전지의 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.Specifically, in accordance with an aspect of the present invention, the polymer comprising the repeating unit represented by Chemical Formula 1 is substituted by halogen element groups at
나아가 본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 정공전달물질로 채용한 페로브스카이트 태양전지는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위에서 R1 및 R2가 메틸기(-CH3)인 중합체를 정공전달물질로 채용한 페로브스카이트 태양전지와 대비하여 놀랍게도 개방전압 및 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.Furthermore, in the perovskite solar cell employing a polymer containing a repeating unit represented by Formula 1 of the present invention as a hole transport material, in the repeating unit represented by Formula 1, R 1 and R 2 are methyl groups (-CH 3 Compared to a perovskite solar cell employing a phosphorous polymer as a hole transport material, it can surprisingly improve the open voltage and photoelectric conversion efficiency.
즉, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위에서 R1 및 R2가 메틸기(-CH3)인 중합체를 정공전달물질로 채용하지 않고, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질로 채용함으로써 안정성이 우수하면서도 현저하게 향상된 광전변환효율을 가질 수 있다.That is, the perovskite solar cell of the present invention does not employ a polymer in which R 1 and R 2 are methyl groups (-CH 3 ) in the repeating unit represented by Chemical Formula 1 as a hole transport material, and is represented by Chemical Formula 1 By employing a polymer containing a repeating unit as a hole transport material of a perovskite solar cell, it is possible to have excellent stability and significantly improved photoelectric conversion efficiency.
페로브스카이트 태양전지의 고온 안정성 및 광전 변환 효율을 높이기 위한 측면에서 본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체의 상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 할로겐 또는 C1-C3알킬기고, R1 및 R2 중 하나 이상은 할로겐일 수 있다. 상기 할로겐은 불소(-F), 염소(-Cl), 브롬(-Br) 또는 요오드(-I)일 수 있다.In accordance with an aspect of the present invention in terms of increasing the high temperature stability and photoelectric conversion efficiency of the perovskite solar cell, the perovskite solar cell comprises R 1 of the polymer containing a repeating unit represented by Formula 1 and R 2 is each independently halogen or a C 1 -C 3 alkyl group, and one or more of R 1 and R 2 may be halogen. The halogen may be fluorine (-F), chlorine (-Cl), bromine (-Br) or iodine (-I).
바람직한 일 양태로는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체의 상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 불소(-F) 또는 C1-C3알킬기고, R1 및 R2 중 하나 이상은 불소(-F)일 수 있다. 상기 화학식 1과 같이 불소로 치환된 반복단위를 포함하는 중합체를 채용함으로써 보다 향상된 안성을 가지며, 우수한 광전변환효율을 나타낼 수 있다. In a preferred embodiment, R 1 and R 2 of the polymer containing the repeating unit represented by Formula 1 are each independently a fluorine (-F) or C 1 -C 3 alkyl group, and at least one of R 1 and R 2 is May be fluorine (-F). By adopting a polymer containing a repeating unit substituted with fluorine as in Chemical Formula 1, it has more improved stability and can exhibit excellent photoelectric conversion efficiency.
바람직하게는 본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지는 상기 화학식 1은 하기 구조식으로 표시되는 반복단위에서 선택되는 어느 하나의 반복단위를 포함하는 중합체일 수 있다.Preferably, according to one aspect of the present invention, the perovskite solar cell may be a polymer including any one repeating unit selected from the repeating unit represented by the following structural formula:
[구조식][constitutional formula]
, ,
본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체는 정공전달물질로 사용되는 것일 수 있다. 이와 같이 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질로 본 발명의 중합체를 채용한 페로브스카이트 태양전지는 놀랍게도 우수한 개방전압 및 광전변환효율을 나타낼 수 있다.According to an aspect of the present invention, the perovskite solar cell may include a polymer containing a repeating unit represented by Chemical Formula 1 as a hole transport material. As described above, the perovskite solar cell employing the polymer of the present invention as the hole transport material of the perovskite solar cell can surprisingly exhibit excellent open voltage and photoelectric conversion efficiency.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체의 광학 밴드갭(Eg opt)이 2.96 내지 3.50eV일 수 있고, 바람직하게는 2.97 내지 3.50eV일 수 있다. 상기와 같은 밴드갭을 가질 경우 빛 흡수에 의한 손실을 감소시키며 낮은 이온화 포텐셜 (Ionization potential)을 확보할 수 있어 향상된 개방전압을 바탕으로 보다 우수한 광전변환효율을 가질 수 있어 바람직하다.According to an aspect of the present invention, the optical band gap (E g opt ) of the polymer containing the repeating unit represented by Chemical Formula 1 may be 2.96 to 3.50 eV, and preferably 2.97 to 3.50 eV. In the case of having the above-described band gap, loss due to light absorption is reduced and a low ionization potential can be secured, so it is preferable to have better photoelectric conversion efficiency based on an improved open voltage.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체의 수평균분자량은 10,000 내지 500,000 g/mol일 수 있고, 바람직하게는 수평균분자량 10,000 내지 100,000g/mol일 수 있고, 더 바람직하게는 10,000 내지 60,000g/mol일 수 있다. 상기와 같은 분자량을 가질 경우 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질로 본 발명의 중합체를 채용한 페로브스카이트 태양전지는 놀랍게도 우수한 광전변환효율을 발현할 수 있어 바람직하다.According to an aspect of the present invention, the number average molecular weight of the polymer comprising the repeating unit represented by Chemical Formula 1 may be 10,000 to 500,000 g/mol, preferably the number average molecular weight 10,000 to 100,000 g/mol, More preferably, it may be 10,000 to 60,000 g/mol. When having the above molecular weight, the perovskite solar cell employing the polymer of the present invention as the hole transport material of the perovskite solar cell is preferable because it can express surprisingly excellent photoelectric conversion efficiency.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체의 유리전이온도(Tg)는 80 내지 120℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an aspect of the present invention, the glass transition temperature (T g ) of the polymer containing the repeating unit represented by Chemical Formula 1 may be 80 to 120° C., but is not limited thereto.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체와 페로브스카이트 화합물의 이온화전위의 차이는 0.02 내지 0.4eV이상일 수 있다. 구체적인 일 양태에 따르면, 0.02 내지 0.2eV 일 수 있고, 바람직한 일 양태에 따르면, 0.05 내지 0.2eV이상일 수 있다. 상기와 같은 이온화 전위 차이를 가질 경우 정공 전달 구동력이 향상되어 광전변환효율 및 태양전지의 안정성이 향상되어 바람직하다.According to an aspect of the present invention, the difference between the ionization potential of the polymer comprising the repeating unit represented by Chemical Formula 1 and the perovskite compound may be 0.02 to 0.4 eV or more. According to one specific aspect, it may be 0.02 to 0.2 eV, and according to one preferred aspect, it may be 0.05 to 0.2 eV or more. When the ionization potential difference is as described above, the hole transport driving force is improved, which improves the photoelectric conversion efficiency and the stability of the solar cell.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지는 According to an aspect of the present invention, the perovskite solar cell
제 1전극, The first electrode,
상기 제 1전극 상에 형성된 전자전달층, An electron transport layer formed on the first electrode,
상기 전자전달층 상에 형성된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층, Light absorbing layer comprising a perovskite structure compound formed on the electron transport layer,
상기 광흡수층상에 형성되며, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 포함하는 정공전달층 및 It is formed on the light absorbing layer, a hole transport layer comprising a polymer containing a repeating unit represented by the formula (1) and
상기 정공전달층 상에 형성된 제 2전극을 포함하는 것일 수 있다.It may be to include a second electrode formed on the hole transport layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 각 구성성분에 해당하는 부분은 상기 화학식 1로 표시되는 프탈로시아닌 유도체를 반드시 포함하는 정공전달층을 제외하고는 국제특허 PCT-KR2014-012727호에 기재된 내용을 포함할 수 있다.Part corresponding to each component of the perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention, except for the hole transport layer necessarily includes a phthalocyanine derivative represented by the formula (1) International Patent PCT-KR2014-012727 It may include the contents described in.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1전극은 전자전달층과 오믹 접합되는 전도성 전극이면 모두 가능하며, 제 2전극은 정공전달층과 오믹 접합되는 전도성 전극이면 모두 가능하다.Specifically, the first electrode according to an embodiment of the present invention may be any conductive electrode that is ohmic bonded to the electron transport layer, and the second electrode may be any conductive electrode that is ohmic bonded to the hole transport layer.
또한 제 1전극 및 제 2전극은 태양전지에서 전면전극 또는 후면전극의 전극물질로 통상적으로 사용되는 물질이면 사용 가능하다. 상기 제 1전극 및 제 2전극의 물질은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 본 발명의 일 양태에 따라 상기 제 1전극 및 제 2전극이 후면전극의 전극물질인 경우, 제 1전극 및 제 2전극은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 탄소, 황화코발트, 황화구리, 산화니켈 및 이들의 복합물에서 하나 이상에서 선택되는 물질일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 양태에 따라 상기 제 1전극 및 제 2전극이 투명전극일 경우, 제 1전극 및 제 2전극은 불소 함유 산화주석(FTO; Fouorine doped Tin Oxide), 인듐 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide), ZnO, CNT(카본 나노튜브) 및 그래핀(Graphene)등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 무기계 전도성 전극일 수 있으며, PEDOT:PSS등 과 같은 유기계 전도성 전극일 수 있다. 본 발명의 일 양태에 따라 투명 태양전지를 제공하고자 하는 경우, 제 1전극 및 제 2전극이 투명전극인 것이 좋고, 제 1전극 및 제 2전극이 유기계 전도성 전극인 경우, 플렉시블 태양전지나 투명 태양전지를 제공하고자 할 때 보다 바람직하다.In addition, the first electrode and the second electrode may be used as long as they are commonly used as electrode materials for the front electrode or the back electrode in a solar cell. Materials of the first electrode and the second electrode are not particularly limited, but according to an aspect of the present invention, when the first electrode and the second electrode are electrode materials of the back electrode, the first electrode and the second electrode are gold. , Silver, platinum, palladium, copper, aluminum, carbon, cobalt sulfide, copper sulfide, nickel oxide, and combinations thereof. Further, according to an aspect of the present invention, when the first electrode and the second electrode are transparent electrodes, the first electrode and the second electrode are fluorine-containing tin oxide (FTO), indium-containing tin oxide (ITO) ; Indium doped Tin Oxide), ZnO, CNT (carbon nanotube), and may be any one or more inorganic conductive electrodes selected from graphene, etc., and may be organic conductive electrodes such as PEDOT:PSS. In order to provide a transparent solar cell according to an aspect of the present invention, it is preferable that the first electrode and the second electrode are transparent electrodes, and when the first electrode and the second electrode are organic conductive electrodes, a flexible solar cell or a transparent solar cell It is more preferable when you want to provide.
제 1전극은 딱딱한(rigid) 기판 또는 유연성(flexible) 기판에 증착 또는 도포를 이용하여 형성될 수 있다. 증착은 물리적 증착(physical vapor deposition) 또는 화학적 증착(chemical vapor deposition)을 이용하여 형성될 수 있으며, 열 증착(thermal evaporation)에 의해 형성될 수 있다. 도포는 전극 물질의 용해액 또는 전극 물질의 분산액을 기판에 도포한 후 건조하거나, 선택적으로 건조된 막을 열처리함으로써 수행될 수 있다. 그러나, 제 1전극 및 제 2전극이 통상의 태양전지에서 전면전극 또는 후면 전극을 형성하는데 사용하는 방법을 이용하여 형성될 수 있음은 물론이다.The first electrode may be formed by depositing or applying to a rigid or flexible substrate. Deposition may be formed using physical vapor deposition or chemical vapor deposition, and may be formed by thermal evaporation. The coating may be performed by applying a solution of the electrode material or a dispersion of the electrode material to the substrate and then drying, or optionally heat-treating the dried film. However, it goes without saying that the first electrode and the second electrode can be formed using a method used to form a front electrode or a rear electrode in a conventional solar cell.
본 발명의 제 1전극의 상부에 형성된 전자전달층은 전자 전도성 유기물 층 또는 무기물 층일 수 있다. 전자 전도성 유기물은 통상의 유기 태양전지에서, n형 반도체로 사용되는 유기물일 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일례로, 전자 전도성 유기물은 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)) 및 C71-PCBM, C84-PCBM, PC70BM([6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester)을 포함하는 풀러렌-유도체(Fulleren-derivative), PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 전자전도성 무기물은 통상의 양자점 기반 태양전지 또는 염료 감응형 태양전지에서, 전자 전달을 위해 사용되는 전자전도성 금속산화물일 수 있다. 구체적인 일례로, 전자전도성 금속산화물은 n-형 금속산화물 반도체일 수 있다. n-형 금속산화물 반도체의 비한정적인 일례로, Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Ba 산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물 및 SrTi산화물에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 물질일 수 있으며, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체(composite)를 들 수 있다.The electron transport layer formed on the first electrode of the present invention may be an electron conductive organic material layer or an inorganic material layer. The electron-conducting organic material may be an organic material used as an n-type semiconductor in a conventional organic solar cell. As a specific and non-limiting example, the electron conductive organic material is fullerene (C 60 , C 70 , C 74 , C 76 , C 78 , C 82 , C 95 ), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester )) and fullerene-derivatives including C 71 -PCBM, C 84 -PCBM, PC 70 BM ([6,6]-phenyl C 70 -butyric acid methyl ester), polybenzimidazole (PBI), PTCBI (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ (tetra uorotetracyanoquinodimethane), or mixtures thereof. The electron-conducting inorganic material may be an electron-conducting metal oxide used for electron transfer in a conventional quantum dot-based solar cell or a dye-sensitized solar cell. As a specific example, the electron conductive metal oxide may be an n-type metal oxide semiconductor. Non-limiting examples of the n-type metal oxide semiconductor, Ti oxide, Zn oxide, In oxide, Sn oxide, W oxide, Nb oxide, Mo oxide, Mg oxide, Ba oxide, Zr oxide, Sr oxide, Yr oxide, La Oxide, V oxide, Al oxide, Y oxide, Sc oxide, Sm oxide, Ga oxide, In oxide and SrTi oxide may be one or two or more selected materials, mixtures thereof or composites thereof. have.
본 발명의 페로브스카이트 태양전지의 일 실시예에 따른 전자전달층상에 형성된 광흡수층은 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하며, 페로브스카이트 구조의 화합물은 본 발명의 기술분야의 당업자가 인식하는 범위내에 포함된 모든 화합물이 가능하다. The light absorbing layer formed on the electron transport layer according to an embodiment of the perovskite solar cell of the present invention includes a compound of perovskite structure, and the compound of perovskite structure is one of ordinary skill in the art of the present invention. Any compound included within the recognized range is possible.
본 발명의 일 양태에 따라 예를 들어, 1가의 유기 양이온, 2가의 금속 양이온 및 할로겐 음이온을 함유하며, 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물을 의미한다.According to an aspect of the present invention, for example, a compound containing a monovalent organic cation, a divalent metal cation, and a halogen anion, and having a perovskite structure.
구체적인 일례로 본 발명의 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물은 페로브스카이트 화합물은 하기 화학식 3, 화학식 4 또는 화학식 5를 만족할 수 있다.As a specific example, the compound having the perovskite structure of the present invention may satisfy the following formula (3), formula (4) or formula (5).
(화학식 3)(Formula 3)
AMX3 AMX 3
화학식 3에서, A는 1가의 양이온으로, A는 유기 암모늄 이온, 아미디니움계(amidinium group) 이온 또는 유기 암모늄 이온과 아미디니움계 이온이며, M은 2가의 금속 이온이고, X는 할로겐 이온이다. 이때, 할로겐 이온은 I-, Br-, F- 및 Cl-에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.In formula (3), A is a monovalent cation, A is an organic ammonium ion, amidinium group ion or organic ammonium ion and amidinium ion, M is a divalent metal ion, and X is a halogen ion to be. In this case, the halogen ion is I - may be selected from at least one or both -, Br -, F - and Cl.
(화학식 4)(Formula 4)
A(M1- aNa)X3 A(M 1- a N a )X 3
화학식 4에서, A는 1가의 양이온으로, A는 유기 암모늄 이온, 아미디니움계(amidinium group) 이온 또는 유기 암모늄 이온과 아미디니움계 이온이며, M은 2가의 금속 이온이고, N은 1가의 금속 이온 및 3가의 금속 이온 중 하나 이상 선택되는 도핑 금속 이온이며, a는 0<a≤0.1인 실수이며, X는 할로겐 이온이다. 이때, 할로겐 이온은 I-, Br-, F- 및 Cl-에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.In the formula (4), A is a monovalent cation, A is an organic ammonium ion, an amidinium group ion or an organic ammonium ion and an amidinium ion, M is a divalent metal ion, and N is a monovalent A doped metal ion selected from one or more of metal ions and trivalent metal ions, a is a real number with 0<a≤0.1, and X is a halogen ion. In this case, the halogen ion is I - may be selected from at least one or both -, Br -, F - and Cl.
화학식 4에서, 도핑 금속 이온인 1가의 금속 이온은 알칼리 금속 이온을 포함한다. 알칼리 금속 이온은 Li+, Na+, K+, Rb+ 및 Cs+ 이온에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다. In the formula (4), the monovalent metal ion, which is a doped metal ion, includes an alkali metal ion. Alkali metal ions may be selected from one or more of Li + , Na + , K + , Rb + and Cs + ions.
화학식 4에서, 도핑 금속 이온인 3가의 금속 이온은 Al3 +, Ga3 +, In3 +, Tl3 +, Sc3+, Y3+, La3 +, Ce3 +, Fe3 +, Ru3 +, Cr3 +, V3+ 및 Ti3 + 이온에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다. In Chemical Formula 4, the doped metal ion, a trivalent metal ion, is Al 3 + , Ga 3 + , In 3 + , Tl 3 + , Sc 3+ , Y 3+ , La 3 + , Ce 3 + , Fe 3 + , Ru One or more than 3 + , Cr 3 + , V 3+ and Ti 3 + ions may be selected.
화학식 4와 같이, 1가의 금속 이온 및/또는 3가의 금속 이온이 도핑된 경우, 페로브스카이트 화합물의 전기적 특성이 n형 또는 p형으로 조절될 수 있다. 상세하게, 1가의 금속 이온으로 도핑되어 페로브스카이트 화합물이 p형을 가질 수 있다. 또한, 3가의 금속 이온으로 도핑되어 페로브스카이트 화합물이 n형을 가질 수 있다. 즉, 1가의 금속 이온은 통상의 실리콘 반도체에서 어셉터가 도핑된 것과 유사하며, 3가의 금속 이온은 통상의 실리콘 반도체에서 도너가 도핑된 것과 유사하다. 이때, 1가의 금속 이온과 3가의 금속 이온 모두가 도핑될 수 있으며, 보다 다량으로 함유된 종류의 금속 이온에 의해 전체적인 페로브스카이트 화합물의 전기적 특성이 조절될 수 있음은 물론이다. As shown in Chemical Formula 4, when the monovalent metal ion and/or the trivalent metal ion are doped, the electrical properties of the perovskite compound may be adjusted to n-type or p-type. In detail, the perovskite compound may have a p-type by doping with a monovalent metal ion. In addition, the perovskite compound may be n-type by doping with a trivalent metal ion. That is, the monovalent metal ion is similar to that of an acceptor doped in a conventional silicon semiconductor, and the trivalent metal ion is similar to that of a donor doped in a conventional silicon semiconductor. At this time, both the monovalent metal ion and the trivalent metal ion may be doped, and of course, the electrical properties of the entire perovskite compound may be controlled by the metal ions of the kind contained in a larger amount.
(화학식 5)(Formula 5)
A(N1 1- bN2 b)X3 A(N 1 1- b N 2 b )X 3
화학식 5에서, A는 1가의 양이온으로, A는 유기 암모늄 이온, 아미디니움계(amidinium group) 이온 또는 유기 암모늄 이온과 아미디니움계 이온이며, N1은 1가의 금속 이온이고, N2는 3가의 금속 이온이며, b는 0.4≤b≤0.6인 실수이며, X는 할로겐 이온이다.In Formula 5, A is a monovalent cation, A is an organic ammonium ion, amidinium group ion or an organic ammonium ion and an amidinium ion, N 1 is a monovalent metal ion, and N 2 is It is a trivalent metal ion, b is a real number of 0.4≤b≤0.6, and X is a halogen ion.
화학식 5에서, 1가의 금속 이온은 알칼리 금속 이온을 포함한다. 알칼리 금속 이온은 Li+, Na+, K+, Rb+ 및 Cs+ 이온에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다. In Formula 5, the monovalent metal ion includes an alkali metal ion. Alkali metal ions may be selected from one or more of Li + , Na + , K + , Rb + and Cs + ions.
화학식 5에서, 3가의 금속 이온은 Al3 +, Ga3 +, In3 +, Tl3 +, Sc3 +, Y3+, La3 +, Ce3 +, Fe3 +, Ru3 +, Cr3 +, V3+ 및 Ti3 + 이온에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.In Formula 5, the trivalent metal ion is Al 3 + , Ga 3 + , In 3 + , Tl 3 + , Sc 3 + , Y 3+ , La 3 + , Ce 3 + , Fe 3 + , Ru 3 + , Cr One or more may be selected from 3 + , V 3+ and Ti 3 + ions.
화학식 5는 화학식 3에서의 2가 금속 이온(M)이 1가 및 3가의 금속 이온으로 대체된 것을 의미할 수 있다. Formula 5 may mean that the divalent metal ion (M) in Formula 3 is replaced by monovalent and trivalent metal ions.
이때, 화학식 4에서 상술한 바와 유사하게, 1가 금속 이온과 3가 금속 이온의 상대적 원소비를 0.4≤b≤0.6의 범위로 조절함으로써, 화학식 3에 따른 페로브스카이트 화합물의 전기적 특성이 n형, 중성(intrinsic), p형으로 조절될 수 있다. At this time, similar to that described above in Formula 4, by adjusting the relative element ratio of the monovalent metal ion and the trivalent metal ion in the range of 0.4≦b≦0.6, the electrical properties of the perovskite compound according to Formula 3 are n It can be adjusted to type, intrinsic, or p-type.
화학식 3, 화학식 4 또는 화학식 5에서, 유기 암모늄 이온은 하기 화학식 6 내지 7을 만족할 수 있다.In Formula 3, Formula 4 or Formula 5, the organic ammonium ion may satisfy the following Formulas 6 to 7.
(화학식 6)(Formula 6)
R1-NH3 + R 1 -NH 3 +
화학식 6에서 R1은 C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이다. In Formula 6, R 1 is C 1 -C 24 alkyl, C 3 -C 20 cycloalkyl or C 6 -C 20 aryl.
(화학식 7)(Formula 7)
R2-C3H3N2 +-R3 R 2 -C 3 H 3 N 2 + -R 3
화학식 7에서 R2는 C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이며, R3은 수소 또는 C1-C24의 알킬이다. In Formula 7, R 2 is C 1 -C 24 alkyl, C 3 -C 20 cycloalkyl or C 6 -C 20 aryl, and R 3 is hydrogen or C 1 -C 24 alkyl.
화학식 3, 화학식 4 또는 화학식 5에서, 아미디니움계 이온은 하기 화학식 8을 만족할 수 있다.In Chemical Formula 3, Chemical Formula 4 or Chemical Formula 5, the amidinium-based ion may satisfy Chemical Formula 8 below.
(화학식 8)(Formula 8)
화학식 8에서, R4 내지 R8은 서로 독립적으로, 수소, C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이다. In the formula (8), R 4 to R 8 are, independently of each other, hydrogen, C 1 -C 24 alkyl, C 3 -C 20 cycloalkyl or C 6 -C 20 aryl.
화학식 3, 화학식 4 또는 화학식 5에서, A는 유기 암모늄 이온, 아미디니움계(amidinium group) 이온 또는 유기 암모늄 이온과 아미디니움계 이온일 수 있다. 유기 암모늄 이온과 아미디니움계 이온을 모두 함유하는 경우, 페로브스카이트 화합물의 전하 이동도를 현저하게 향상시킬 수 있다. In Chemical Formula 3, Chemical Formula 4 or Chemical Formula 5, A may be an organic ammonium ion, an amidinium group ion, or an organic ammonium ion and an amidinium ion. When both organic ammonium ions and amidinium ions are contained, charge mobility of the perovskite compound can be remarkably improved.
A가 유기 암모늄 이온과 아미디니움계 이온을 모두 함유하는 경우, 1가 유기 양이온의 총 몰수를 1로 하여, 0.7 내지 0.95의 아미디니움계 이온 및 0.3 내지 0.05의 유기암모늄 이온을 함유할 수 있다. 즉, 화학식 3, 화학식 4 또는 화학식 5에서, A는 Aa (1-x)Ab x일 수 있으며, 이때, Aa는 아미디니움계 이온이고, Ab는 유기 암모늄 이온이며, x는 0.3 내지 0.05의 실수일 수 있다. 아미디니움계 이온과 유기암모늄 이온간의 몰비 즉, 0.7 내지 0.95몰의 아미디니움계 이온 : 0.3 내지 0.05몰의 유기암모늄 이온의 몰비는 매우 넓은 파장 대역의 광을 흡수할 수 있으면서도 보다 빠른 엑시톤(exciton)의 이동 및 분리, 보다 빠른 광전자 및 광정공의 이동이 이루어질 수 있는 범위이다. When A contains both organic ammonium ions and amidinium ions, the total number of moles of monovalent organic cations is 1, and it may contain 0.7 to 0.95 amidinium ions and 0.3 to 0.05 organic ammonium ions. have. That is, in Chemical Formula 3, Chemical Formula 4 or Chemical Formula 5, A may be A a (1-x) A b x , wherein A a is an amidinium-based ion, A b is an organic ammonium ion, and x is It may be a real number from 0.3 to 0.05. The molar ratio between the amidinium ions and the organic ammonium ions, i.e., 0.7 to 0.95 moles of the amidinium ions: 0.3 to 0.05 moles of the organic ammonium ions, is capable of absorbing light in a very wide wavelength band, but is faster exciton exciton), and a range in which faster photoelectron and photo hole movement can be achieved.
화학식 6의 R1, 화학식 7의 R2~R3 또는 화학식 8의 R4~R8은 페로브스카이트 화합물의 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. R 1 of Formula 6, R 2 to R 3 of Formula 7 or R 4 to R 8 of Formula 8 may be appropriately selected according to the use of the perovskite compound.
상세하게, 페로브스카이트 화합물의 단위셀의 크기는 페로브스카이트 화합물의 밴드갭에 영향을 미친다. 이에 따라, 발광층, 반도체층, 광흡수층, 전하저장층과 같은 페로브스카이트 화합물 막의 용도를 고려하여, 해당 용도가 적합한 밴드갭을 가질 수 있도록 화학식 6의 R1, 화학식 7의 R2~R3 또는 화학식 8의 R4~R8이 적절히 조절될 수 있으며, 이는 반도체 소자나 광 소자 관련 종사자에게는 주지의 사실이다. In detail, the size of the unit cell of the perovskite compound affects the band gap of the perovskite compound. Accordingly, considering the use of a perovskite compound film such as a light emitting layer, a semiconductor layer, a light absorbing layer, and a charge storage layer, R 1 of Formula 6 and R 2 to R of Formula 7 so that the application has a suitable band gap. 3 or R 4 to R 8 in Chemical Formula 8 may be appropriately adjusted, which is a well-known fact for semiconductor device or optical device related workers.
구체 예로, 작은 단위셀 크기에서 태양광을 흡수하는 태양전지로 활용하기에 적절한 1.5~1.1 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 이에 따라, 태양전지로 활용하기에 적절한 1.5~1.1 eV의 밴드갭 에너지를 고려하는 경우, 화학식 6에서, R1은 C1-C24의 알킬, 구체적으로 C1-C7 알킬, 보다 구체적으로 메틸일 수 있다. 또한, 화학식 7에서 R2는 C1-C24의 알킬일 수 있고 R3는 수소 또는 C1-C24의 알킬일 수 있으며, 구체적으로 R2는 C1-C7 알킬일 수 있고 R3는 수소 또는 C1-C7 알킬일 수 있으며, 보다 구체적으로 R2는 메틸일 수 있고 R3는 수소일 수 있다. 또한, 화학식 8에서 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 있으며, 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 +)등을 들 수 있다. As a specific example, it may have a band gap energy of 1.5 to 1.1 eV suitable for use as a solar cell that absorbs sunlight in a small unit cell size. Accordingly, when considering a band gap energy of 1.5 to 1.1 eV suitable for use as a solar cell, in Formula 6, R 1 is C1-C24 alkyl, specifically C 1 -C 7 alkyl, more specifically methylyl Can be. Further, in the formula (7), R 2 may be C 1 -C 24 alkyl, R 3 may be hydrogen or C 1 -C 24 alkyl, specifically R 2 may be C 1 -C 7 alkyl and R 3 Can be hydrogen or C 1 -C 7 alkyl, more specifically R 2 can be methyl and R 3 can be hydrogen. Further, in the formula (8), R 4 to R 8 are independently of each other, hydrogen, amino or C 1 -C 24 alkyl, specifically hydrogen, amino or C 1 -C 7 alkyl, more specifically hydrogen, amino or methylyl R 4 is hydrogen, amino or methyl, and more specifically R 5 to R 8 may be hydrogen. As a specific and non-limiting example, the amidinium-based ion is formamidinium (NH 2 CH=NH 2 + ) ion, acetamidinium (NH 2 C(CH 3 )=NH 2 + ) Or Guamidinium (NH 2 C(NH 2 )=NH 2 + ).
상술한 바와 같이, 유기 양이온(A)의 구체적인 예들은, 페로브스카이트 화합물 막의 용도, 즉, 태양광의 광흡수층으로의 용도를 고려한 일 예이며, 흡수하고자 하는 광의 파장 대역의 설계, 발광소자의 발광층으로 사용하는 경우 발광 파장 대역의 설계, 트랜지스터의 반도체 소자로 사용하는 경우 에너지 밴드갭과 문턱 전압(threshold voltage)등을 고려하여 화학식 4의 R1, 화학식 5의 R2~R3 또는 화학식 6의 R4~R8이 적절히 선택될 수 있다. As described above, specific examples of the organic cation (A) are examples in consideration of the use of the perovskite compound film, that is, the use of sunlight as a light absorbing layer, design of a wavelength band of light to be absorbed, and light emitting device. When used as a light emitting layer, considering the design of the emission wavelength band, and when using as a semiconductor device of a transistor, considering energy band gap and threshold voltage, R 1 of Formula 4, R 2 to R 3 of Formula 5, or Formula 6 R 4 ~ R 8 of can be appropriately selected.
화학식 3 또는 화학식 4에서, M은 2가의 금속 이온일 수 있다. 구체적인 일 예로, M은 M은 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2 +, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Pb2 + 및 Yb2 +에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속 이온일 수 있다.In Formula 3 or Formula 4, M may be a divalent metal ion. As a specific example, M is M is Cu 2 + , Ni 2 + , Co 2 + , Fe 2 + , Mn 2 + , Cr 2 + , Pd 2 + , Cd 2 + , Ge 2 + , Sn 2 + , Pb 2 It may be one or more metal ions selected from + and Yb 2 + .
화학식 3, 화학식 4 또는 화학식 5에서, X는 할로겐 음이온이다. 할로겐 음이온은 I-, Br-, F- 및 Cl-에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다. 구체적으로, 할로겐 음이온은 요오드 이온(I-), 클로린 이온(Cl-) 및 브롬 이온(Br-)에서 하나 또는 둘 이상 선택된 이온을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 할로겐 음이온은 요오드 이온 및 브롬 이온을 함유할 수 있다. 할로겐 음이온이 요오드 이온 및 브롬 이온을 모두 함유하는 경우, 페로브스카이트 화합물의 결정성 및 내습성을 향상시킬 수 있다. In Formula 3, Formula 4 or Formula 5, X is a halogen anion. Halogen anion is I - may be selected from at least one or both -, Br -, F - and Cl. Specifically, the halogen anion is iodide ion (I -) may include a selected one or more, or both the ion, chlorine ion (Cl - -) and bromide (Br). More specifically, the halogen anion may contain iodine ion and bromine ion. When the halogen anion contains both iodine ion and bromine ion, the crystallinity and moisture resistance of the perovskite compound can be improved.
구체 예로, 화학식 3, 화학식 4 또는 화학식 5에서, X는 Xa (1-y)Xb y 일 수 있고, Xa 및 Xb는 서로 상이한 할로겐 이온(요오드 이온(I-), 클로린 이온(Cl-) 및 브롬 이온(Br-)에서 선택되는 서로 상이한 할로겐 이온)이고, y는 0<y<1인 실수일 수 있다. 보다 구체적으로, 화학식 3에서, X는 Xa (1-y)Xb y 일 수 있고, Xa 요오드 이온이고, Xb는 브롬 이온이며, y는 0.05≤y≤0.3인 실수, 구체적으로 0.1≤y≤0.15인 실수일 수 있다. 즉, 수분에 의한 열화가 현저히 방지되고 100℃ 이하의 저온 공정에서도 우수한 결정성을 갖기 위해, 할로겐 음이온이 요오드 이온 및 브롬 이온을 모두 함유하는 경우, 음이온의 총 몰수를 1로 하여, 0.7 내지 0.95의 요오드 이온 및 0.3 내지 0.05의 브롬 이온을 함유할 수 있다. In a specific embodiment, in Formula 3, Formula 4 or Formula 5, X may be X a (1-y) X b y , X a And X b are different from each other halogen ions (iodide ion (I -), chlorine ion (Cl -) and bromide (Br -) are different from each other a halogen ion selected from), y is 0 <y be <1 mistakes have. More specifically, in Chemical Formula 3, X may be X a (1-y) X b y , X a iodine ion, X b is bromine ion, and y is a real number of 0.05≤y≤0.3, specifically 0.1 ≤y≤0.15. That is, in order to significantly prevent deterioration due to moisture and to have excellent crystallinity even at a low temperature process of 100° C. or less, when the halogen anion contains both iodine ion and bromine ion, the total number of moles of the anion is 1, and 0.7 to 0.95. It may contain an iodine ion and a bromine ion of 0.3 to 0.05.
상술한 바를 기반으로, M을 Pb2 +로 한, 구체적이며 비 한정적인 페로브스카이트 화합물의 일 예를 들면, 페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbIxCly(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), CH3NH3PbIxBry(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), CH3NH3PbClxBry(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), CH3NH3PbIxFy(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2CH=NH2PbIxCly(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3),NH2CH=NH2PbIxBry(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2CH=NH2PbClxBry(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2CH=NH2PbIxFy(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2CH=NH2(1-x)CH3NH3xPb(I(1-y)Bry)3(x는 0<x<1인 실수이며, y는 0<y<1인 실수), NH2CH=NH2(1-x)CH3NH3xPb(I(1-y)Bry)3(x는 0.05≤x≤0.3인 실수이며, y는 0.05≤y≤0.3인 실수), NH2CH=CH2(1-x)CH3NH3xPb(I(1-x)Brx)3(x는 0.05≤x≤0.3인 실수), NH2C(CH3)=NH2PbIxCly(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3),NH2C(CH3)=NH2PbIxBry(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2C(CH3)=NH2PbClxBry(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2C(CH3)=NH2PbIxFy(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2C(CH3)=NH2(1-x)CH3NH3xPb(I(1-y)Bry)3(x는 0<x<1인 실수이며, y는 0<y<1인 실수), NH2C(CH3)=NH2(1-x)CH3NH3xPb(I(1-y)Bry)3(x는 0.05≤x≤0.3인 실수이며, y는 0.05≤y≤0.3인 실수), NH2C(CH3)=CH2(1-x)CH3NH3xPb(I(1-x)Brx)3(x는 0.05≤x≤0.3인 실수), NH2C(NH2)=NH2PbIxCly(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3),NH2C(NH2)=NH2PbIxBry(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2C(NH2)=NH2PbClxBry(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2C(NH2)=NH2PbIxFy(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2C(NH2)=NH2(1- x)CH3NH3xPb(I(1-y)Bry)3(x는 0<x<1인 실수이며, y는 0<y<1인 실수), NH2C(NH2)=NH2(1-x)CH3NH3xPb(I(1-y)Bry)3(x는 0.05≤x≤0.3인 실수이며, y는 0.05≤y≤0.3인 실수) 또는 NH2C(NH2)=CH2(1-x)CH3NH3xPb(I(1-x)Brx)3(x는 0.05≤x≤0.3인 실수)를 들 수 있다. Based on the aforementioned bar, a M by Pb + 2, and specifically, for example of a non-limiting perovskite compounds, the perovskite compound is CH 3 NH 3 PbI x Cl y (0≤x≤3 Is real, 0≤y≤3 is real and x+y=3), CH 3 NH 3 PbI x Br y (real is 0≤x≤3, real is 0≤y≤3 and x+y=3), CH 3 NH 3 PbCl x Br y (real number with 0≤x≤3, real number with 0≤y≤3 and x+y=3), CH 3 NH 3 PbI x F y (real number with 0≤x≤3, 0 ≤y≤3 real and x+y=3), NH 2 CH=NH 2 PbI x Cl y (0≤x≤3 real, 0≤y≤3 real and x+y=3),NH 2 CH=NH 2 PbI x Br y (real number with 0≤x≤3, real number with 0≤y≤3 and x+y=3), NH 2 CH=NH 2 PbCl x Br y (real number with 0≤x≤3 , Real number of 0≤y≤3 and x+y=3), NH 2 CH=NH 2 PbI x F y (real number of 0≤x≤3, real number of 0≤y≤3 and x+y=3), NH 2 CH=NH 2(1-x) CH 3 NH 3x Pb(I (1-y) Br y ) 3 (x is a real number with 0<x<1, y is a real number with 0<y<1), NH 2 CH=NH 2(1-x) CH 3 NH 3x Pb(I (1-y) Br y ) 3 (x is a real number with 0.05≤x≤0.3, y is a real number with 0.05≤y≤0.3), NH 2 CH=CH 2(1-x) CH 3 NH 3x Pb(I (1-x) Br x ) 3 (x is a real number with 0.05≤x≤0.3), NH 2 C(CH 3 )=NH 2 PbI x Cl y (real number with 0≤x≤3, real number with 0≤y≤3 and x+y=3), NH 2 C(CH 3 )=NH 2 PbI x Br y (real number with 0≤x≤3, 0≤y≤3 real number and x+y=3), NH 2 C(CH 3 )=NH 2 PbCl x Br y (0≤x≤3 real number, 0≤y≤3 real number and x+y= 3), NH 2 C(CH 3 )=NH 2 PbI x F y (real number with 0≤x≤3, real number with 0≤y≤3 and x+y=3), NH 2 C(CH 3 )=NH 2(1-x) CH 3 NH 3x Pb(I (1-y) Br y ) 3 (x is a real number with 0<x<1, y is 0<y<1 Phosphorus real number), NH 2 C(CH 3 )=NH 2(1-x) CH 3 NH 3x Pb(I (1-y) Br y ) 3 (x is a real number with 0.05≤x≤0.3, y is 0.05 ≤y≤0.3 real number), NH 2 C(CH 3 )=CH 2(1-x) CH 3 NH 3x Pb(I (1-x) Br x ) 3 (x is a real number with 0.05≤x≤0.3) , NH 2 C(NH 2 )=NH 2 PbI x Cl y (real number with 0≤x≤3, real number with 0≤y≤3 and x+y=3),NH 2 C(NH 2 )=NH 2 PbI x Br y (real number with 0≤x≤3, real number with 0≤y≤3 and x+y=3), NH 2 C(NH 2 )=NH 2 PbCl x Br y (real number with 0≤x≤3, Real number of 0≤y≤3 and x+y=3), NH 2 C(NH 2 )=NH 2 PbI x F y (real number of 0≤x≤3, real number of 0≤y≤3 and x+y= 3), NH 2 C(NH 2 )=NH 2(1- x) CH 3 NH 3x Pb(I (1-y) Br y ) 3 (x is a real number with 0<x<1, y is 0<y<1 real number), NH 2 C(NH 2 )=NH 2(1-x) CH 3 NH 3x Pb(I (1-y) Br y ) 3 (x is a real number with 0.05≤x≤0.3, y is a real number with 0.05≤y≤0.3) or NH 2 C(NH 2 )=CH 2(1-x) CH 3 NH 3x Pb(I (1-x) Br x ) 3 (x is 0.05≤x≤0.3 Mistakes).
바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 광흡수층은 납을 포함하는 페로브스카이트 구조의 화합물일 수 있다.Preferably, the light absorbing layer according to an embodiment of the present invention may be a compound of perovskite structure containing lead.
특히 바람직한 일 양태로 페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbI3(methylammonium lead iodide, MAPbI3) 및 CH(NH2)2PbI3(formamidinium lead iodide, FAPbI3) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 이를 만족하는 페로브스카이트 구조의 화합물을 광흡수체로 사용하고, 본 발명의 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 정공전달물질로 사용함으로써 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율이 더욱 향상될 수 있어 바람직하다.In one particularly preferred embodiment, the perovskite compound is any one or two or more selected from CH 3 NH 3 PbI 3 (methylammonium lead iodide, MAPbI 3 ) and CH(NH 2 ) 2 PbI 3 (formamidinium lead iodide, FAPbI 3 ). It can be a mixture. The photoelectric conversion efficiency of the perovskite solar cell is further improved by using a compound having a perovskite structure satisfying this as a light absorber and using a polymer containing a repeating unit represented by Chemical Formula 1 of the present invention as a hole transport material. It can be improved, which is desirable.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지의 정공전달층은 본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 반드시 포함한다.According to an aspect of the present invention, the hole transport layer of the perovskite solar cell necessarily includes a polymer including a repeating unit represented by Formula 1 of the present invention.
구체적으로, 본 발명의 정공전달층은 정공전달물질로 본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 반드시 포함하며, 이를 단독으로 포함할 수 있으며, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체외에 유기 정공전달물질, 무기 정공전달물질 또는 이들의 혼합물을 더 포함할 수 있다. 정공전달물질이 무기 정공전달물질인 경우, 무기 정공전달물질은 정공 전도도를 갖는, 즉, p형 반도체인, 산화물 반도체, 황화물 반도체, 할로겐화물 반도체 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 산화물 반도체의 예로는 NiO, CuO, CuAlO2, CuGaO2 등을 들 수 있으며, 황화물 반도체의 예로는 PbS, 할로겐화물 반도체의 예로는 PbI2 등을 들 수 있으나, 이에 한정이 있는 것은 아니다.Specifically, the hole transport layer of the present invention must include a polymer comprising a repeating unit represented by Formula 1 of the present invention as a hole transporting material, and may include it alone, and a repeating unit represented by Formula 1 In addition to the polymer containing the organic hole transport material, it may further include an inorganic hole transport material or a mixture thereof. When the hole transport material is an inorganic hole transport material, the inorganic hole transport material may be an oxide semiconductor, a sulfide semiconductor, a halide semiconductor, or a mixture thereof having a hole conductivity, that is, a p-type semiconductor. Examples of the oxide semiconductor include NiO, CuO, CuAlO 2 , and CuGaO 2 , and examples of the sulfide semiconductor include PbS, and examples of the halide semiconductor include PbI 2 and the like, but are not limited thereto.
정공전달물질이 유기 정공전달물질인 경우, 단분자 내지 고분자 유기 정공전달물질(정공전도성 유기물)을 포함할 수 있다. 유기 정공전달물질은 무기 반도체 양자점을 염료로 사용하는 통상의 무기 반도체 기반 태양전지에서 사용되는 유기 정공전달물질이면 사용 가능하다. 단분자 내지 저분자 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',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene), 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) 및 N3(cis-di(thiocyanato)-bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)-ruthenium(II))중에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 물질을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 물질에 의해 한정되는 것은 아니다.When the hole transport material is an organic hole transport material, it may include a single molecule to a high molecular organic hole transport material (hole conducting organic material). The organic hole transport material may be used as long as it is an organic hole transport material used in a conventional inorganic semiconductor-based solar cell using an inorganic semiconductor quantum dot as a dye. Non-limiting examples of single- or low-molecular organic hole transporters, pentacene, coumarin 6, 3-(2-benzothiazolyl)-7-(diethylamino)coumarin), ZnPC (zinc phthalocyanine), CuPC (copper phthalocyanine), TiOPC (titanium oxide phthalocyanine), Spiro-MeOTAD(2,2',7,7'-tetrakis(N,Np-dimethoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene), 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) and N3 (cis Substances selected from one or more of -di(thiocyanato)-bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)-ruthenium(II)) may be mentioned, but are not limited thereto. It is not limited by materials.
이와 같은 페로브스카이트 태양전지의 조합에 의하여 광전변환효율이 현저히 상되면서, 광안정성이 우수하여 장시간 후에도 오랫동안 광전변환효율을 유지할 수 있다.The photoelectric conversion efficiency is significantly improved by the combination of such perovskite solar cells, and the light stability is excellent, so that the photoelectric conversion efficiency can be maintained for a long time even after a long time.
구체적으로, 본 발명의 일 양태에 따라 상기 페로브스카이트 태양전지 광전변환효율의 증가율(%)이 하기 식 1을 만족하는 것일 수 있다.Specifically, according to an aspect of the present invention, the rate of increase (%) of the photoelectric conversion efficiency of the perovskite solar cell may satisfy Equation 1 below.
[식 1][Equation 1]
상기 식 1에 있어서,In the above formula 1,
상기 PCEa는 상기 화학식 1의 R1 및 R2이 -CH3인 정공전달물질을 포함하는 페로브스카이트 태양전지로 측정된 광전변환효율이고,The PCE a is a photoelectric conversion efficiency measured by a perovskite solar cell including a hole transport material in which R 1 and R 2 in Chemical Formula 1 are -CH 3 ,
상기 PCEb는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 정공전달물질로 포함하는 페로브스카이트 태양전지로 측정된 광전변환효율이다.The PCE b is a photoelectric conversion efficiency measured by a perovskite solar cell comprising a polymer containing a repeating unit represented by Formula 1 as a hole transport material.
본 발명의 일 양태에 따라 본 발명의 중합체를 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질로 채용하면, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위에서 R1 및 R2가 메틸기(CH3)인 중합체를 정공전달물질로 채용한 것 대비 광전변환효율이 현저히 향상되어 바람직하다.According to an aspect of the present invention, when the polymer of the present invention is employed as a hole transport material of a perovskite solar cell, a polymer in which R 1 and R 2 are methyl groups (CH 3 ) in the repeating unit represented by Formula 1 It is preferable that the photoelectric conversion efficiency is significantly improved compared to that used as a transfer material.
본 발명의 일 양태에 따라 본 발명의 중합체는 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질로 채용되었을 때, 광전변환효율이 21.5%이상일 수 있다. 이 때, 종래의 상기 화학식 1로 표시되는 반복탄위에서 R1 및 R2가 메틸기(CH3) 중합체를 정공전달물질을 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질로 제공되었을 때, 광전변환효율은 21.5%미만으로 본 발명의 중합체 대비 광전변환효율이 낮은 값을 가진다.According to an aspect of the present invention, when the polymer of the present invention is employed as a hole transport material of a perovskite solar cell, the photoelectric conversion efficiency may be 21.5% or more. At this time, when R 1 and R 2 are provided as a hole transporting material for a methyl group (CH 3 ) polymer as a hole transporting material of a perovskite solar cell on a conventional repeating carbon represented by Formula 1, the photoelectric conversion efficiency is Less than 21.5%, it has a low photoelectric conversion efficiency compared to the polymer of the present invention.
즉, 페로브스카이트 태양전지는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위에서 R1 및 R2가 메틸기(CH3) 중합체를 정공전달물질로 채용하지 않고, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질로 채용함으로써 안정성이 우수하면서도 현저하게 향상된 광전변환효율을 가질 수 있다.That is, in the perovskite solar cell, R 1 and R 2 in the repeating unit represented by Chemical Formula 1 do not employ a methyl group (CH 3 ) polymer as a hole transport material, and include a repeating unit represented by Chemical Formula 1 By employing the polymer as the hole transport material of the perovskite solar cell, it is possible to have excellent stability and significantly improved photoelectric conversion efficiency.
이때, 광전변환효율은 1,000 W/㎡의 일조 강도와 온도 30℃ 및 습도 25%의 항온항습 조건에서 측정된 것을 기준으로 한다.At this time, the photoelectric conversion efficiency is based on the one measured at a constant temperature and humidity condition with a sunlight intensity of 1,000 W/
본 발명은 상기 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질인 중합체를 제조하기 위한 방법으로 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 니켈계 촉매와 리간드 존재하에 수행될 수 있다.The present invention can be carried out in the presence of a nickel-based catalyst and a ligand for the compound represented by the following formula (2) as a method for preparing a polymer that is a hole transport material of the perovskite solar cell.
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에 있어서,In
상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 할로겐 또는 C1-C10알킬기이고, R1 및 R2 중 하나 이상은 할로겐이며, 상기 X는 할로겐으로 상기 R1 및 R2의 할로겐과 상이하다.R 1 and R 2 are each independently halogen or a C 1 -C 10 alkyl group, at least one of R 1 and R 2 is halogen, and X is halogen, which is different from the halogen of R 1 and R 2 .
구체적으로 설명하면, Specifically,
본 발명의 일 양태에 따라 먼저, 니켈 촉매와 리간드를 유기용매하에 촉매복합체를 제조한 후, 상기 촉매복합체 반응물에 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 투입하여 중합을 수행할 수 있다. According to an aspect of the present invention, first, a catalyst complex is prepared by using a nickel catalyst and a ligand under an organic solvent, and then a polymerization compound can be added to the catalyst complex reactant to perform polymerization.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 니켈계 촉매는 비스(1,5-시클로옥타디엔) 니켈(0) [Ni(COD)2], 1,3-디페닐포스피노프로판 니켈(II) 클로라이드 [Ni(dppp)Cl2], 1,2-비스(디페닐포스피노)에탄 니켈(II) 클로라이드[Ni(dppe)Cl2]에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.According to an aspect of the present invention, the nickel-based catalyst comprises bis(1,5-cyclooctadiene) nickel(0) [Ni(COD) 2 ], 1,3-diphenylphosphinopropane nickel(II) chloride [Ni (dppp)Cl 2 ], 1,2-bis(diphenylphosphino)ethane nickel(II) chloride [Ni(dppe)Cl 2 ].
본 발명의 일 양태에 따라 상기 리간드는 2,2-비피리딘, 트리페닐포스판, 알킬-2,2-비피리딘, 4,4-디-(5-노닐)-2,2-비피리딘, 4,4-디-(5-헵틸)-2,2-비피리딘, 트리스 (2-아미노에틸)아민(TREN), N,N,N',N',N"-펜타메틸디에틸렌트리아민, 1,1,4,7,10,10-헥사메틸트리에틸렌테트라아민 및 테트라메틸에틸렌디아민에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.According to an aspect of the present invention, the ligand is 2,2-bipyridine, triphenylphosphan, alkyl-2,2-bipyridine, 4,4-di-(5-nonyl)-2,2-bipyridine, 4,4-di-(5-heptyl)-2,2-bipyridine, tris (2-aminoethyl)amine (TREN), N,N,N',N',N"-pentamethyldiethylenetriamine , 1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetraamine and tetramethylethylenediamine.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 유기 용매는 다이클로로메탄, 트라이클로로메탄, 테트라클로로메탄, 클로로벤젠, o-다이클로로벤젠, 1,2,4-트라이클로로벤젠, 1,2-다이클로로에탄, 1,1,1-트라이클로로에탄, 1,1,2,2-테트라클로로에탄, 1,8-다이요오도옥탄, 1-클로로나프탈렌, 1,8-옥탄-다이티올, 아니솔, 2,5-다이-메틸아니솔, 2,4-다이메틸아니솔, 톨루엔, o-자일렌, m-자일렌, p-자일렌, 자일렌 o-, m-, 및 p-이성질체의 혼합물, 1,2,4-트라이메틸벤젠, 메시틸렌 사이클로헥산, 1-메틸나프탈렌, 2-메틸나프탈렌, 1,2-다이메틸나프탈렌, 테트랄린, 데칼린, 인단, 1-메틸-4-(1-메틸에텐일)-사이클로헥센(d-리모넨), 6,6-다이메틸-2-메틸렌바이사이클로[3.1.1]헵탄(β-피넨), 메틸 벤조에이트, 에틸 벤조에이트, 니트로벤젠, 벤즈알데하이드, 테트라하이드로퓨란, 1,4-다이옥산, 1,3-다이옥산, 모폴린, 아세톤, 메틸에틸케톤, 에틸 아세테이트, n-부틸 아세테이트, N,N-다이메틸포름아마이드, 다이메틸아세트아마이드 및 다이메틸설폭사이드 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합용매일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an aspect of the present invention, the organic solvent is dichloromethane, trichloromethane, tetrachloromethane, chlorobenzene, o-dichlorobenzene, 1,2,4-trichlorobenzene, 1,2-dichloroethane, 1,1,1-trichloroethane, 1,1,2,2-tetrachloroethane, 1,8-diiodooctane, 1-chloronaphthalene, 1,8-octane-dithiol, anisole, 2,5 -Di-methylanisole, 2,4-dimethylanisole, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene, xylene mixture of o-, m-, and p-isomers, 1, 2,4-trimethylbenzene, mesitylene cyclohexane, 1-methylnaphthalene, 2-methylnaphthalene, 1,2-dimethylnaphthalene, tetralin, decalin, indane, 1-methyl-4-(1-methyl to Tenyl)-cyclohexene (d-limonene), 6,6-dimethyl-2-methylenebicyclo[3.1.1]heptane (β-pinene), methyl benzoate, ethyl benzoate, nitrobenzene, benzaldehyde, tetra Hydrofuran, 1,4-dioxane, 1,3-dioxane, morpholine, acetone, methylethylketone, ethyl acetate, n-butyl acetate, N,N-dimethylformamide, dimethylacetamide and dimethylsulfoxide It may be any one or more mixed solvents selected from the like, but is not limited thereto.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 중합 수행 후, 중합체를 침전, 정제 및 세척하여 최종 중합체를 수득할 수 있으며, 통상적으로 사용되는 방법으로 침전, 정제 및 세척 방법은 특별히 제한되는 것은 아니지만 바람직하게는 속실렛 추출법(soxhlet extraction)을 통하여 수득할 수 있다.After performing the polymerization according to an aspect of the present invention, the polymer may be precipitated, purified, and washed to obtain a final polymer, and the precipitation, purification, and washing methods in a conventionally used method are not particularly limited, but preferably fast-release. It can be obtained through soxhlet extraction.
본 발명의 제조방법으로 중합체가 제조될 경우 상기 중합체가 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질로 채용되면 전지안정성이 우수하면서도 현저하게 향상된 광전변환효율을 가질 수 있다.When the polymer is produced by the manufacturing method of the present invention, if the polymer is employed as a hole transport material of a perovskite solar cell, it may have excellent photovoltaic stability and significantly improved photoelectric conversion efficiency.
이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples and Comparative Examples. However, the following examples and comparative examples are only examples for explaining the present invention in more detail, and the present invention is not limited by the following examples and comparative examples.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.Also, unless otherwise defined, all technical and scientific terms have the same meanings as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The terms used in the description herein are for the purpose of effectively describing specific embodiments and are not intended to limit the present invention.
또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.In addition, the unit of the additive not specifically described in the specification may be weight%.
[제조예 1][Production Example 1]
1F-PTAA 중합체 합성.1F-PTAA polymer synthesis.
질소 치환된 둥근 플라스크에 Ni(COD)2 413 mg, 2,2-비피리딘 234 mg와 1,5-사이클로옥타디엔 180 ㎕를 THF 10 mL에 녹인 후, 상온에서 30분 동안 교반하여 활성화 촉매복합체를 제조하였다. 상기 반응물에 4-브로모-N-(4-브로모페닐)-N-(4-플루오르-2-메틸페닐)벤젠아민(4-bromo-N-(4-bromophenyl)-N-(4-fluoro-2-methylphenyl)benzenamine, 435 mg, 1 mmol을 THF 5 mL에 녹여 첨가한 후 60℃에서 24 시간 중합시켰다. 반응 완료 후, 컬럼 크로마토그래피를 통해 촉매를 제거하고 THF를 사용 재침전을 하여 중합체를 얻었다. 얻어낸 고분자를 속실렛(Soxhelt)장치를 통하여 불순물을 제거한 후, 진공오븐에서 24시간동안 건조하였다. 수득한 중합체의 수평균분자량은 25,000g/mol이고, 다분산지수가 1.90이었다.In a nitrogen-substituted round flask, 413 mg of Ni(COD) 2 , 234 mg of 2,2-bipyridine and 180 μl of 1,5-cyclooctadiene were dissolved in 10 mL of THF, and stirred at room temperature for 30 minutes to activate the catalyst complex. Was prepared. 4-Bromo-N-(4-bromophenyl)-N-(4-fluoro-2-methylphenyl)benzeneamine (4-bromo-N-(4-bromophenyl)-N-(4-fluoro) -2-methylphenyl)benzenamine, 435 mg, 1 mmol was dissolved in 5 mL of THF and then polymerized for 24 hours at 60° C. After completion of the reaction, the catalyst was removed by column chromatography and reprecipitated using THF to polymer. After removing impurities through a Soxhelt device, the obtained polymer was dried in a vacuum oven for 24 hours The number average molecular weight of the obtained polymer was 25,000 g/mol, and the polydispersity index was 1.90.
[화학식 9][Formula 9]
[제조예 2][Production Example 2]
2F-PTAA 중합체 합성.2F-PTAA polymer synthesis.
상기 제조예 1에서 4-브로모-N-(4-브로모페닐)-N-(4-플루오르-2-메틸페닐)벤젠아민을 대신하여 4-브로모-N-(4-브로모페닐)-N-(2,4-디플루오르페닐)벤젠아민(4-bromo-N-(4-bromophenyl)-N-(2,4-difluorophenyl)benzenamine)를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 수득한 중합체의 수평균분자량은 29,700g/mol이고, 다분산지수가 2.00이었다.4-bromo-N-(4-bromophenyl) in place of 4-bromo-N-(4-bromophenyl)-N-(4-fluoro-2-methylphenyl)benzeneamine in Preparation Example 1 It was prepared in the same manner except for using -N-(2,4-difluorophenyl)benzeneamine (4-bromo-N-(4-bromophenyl)-N-(2,4-difluorophenyl)benzenamine). The number average molecular weight of the obtained polymer was 29,700 g/mol, and the polydispersity index was 2.00.
[화학식 10][Formula 10]
[비교제조예 1][Comparative Production Example 1]
PTAA 중합체 합성.PTAA polymer synthesis.
상기 제조예 1에서 4-브로모-N-(4-브로모페닐)-N-(4-플루오르-2-메틸페닐)벤젠아민을 대신하여 4-브로모-N-(4-브로모페닐)-N-(2,4-디메틸페닐)벤젠아민(4-bromo-N-(4-bromophenyl)-N-(2,4-dimethylphenyl)benzenamine)를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 제조하였다. 수득한 중합체의 수평균분자량은 17,600g/mol이고, 다분산지수가 1.94이었다.4-bromo-N-(4-bromophenyl) in place of 4-bromo-N-(4-bromophenyl)-N-(4-fluoro-2-methylphenyl)benzeneamine in Preparation Example 1 It was prepared in the same manner except that -N-(2,4-dimethylphenyl)benzeneamine (4-bromo-N-(4-bromophenyl)-N-(2,4-dimethylphenyl)benzenamine) was used. The obtained polymer had a number average molecular weight of 17,600 g/mol and a polydispersity index of 1.94.
[화학식 11][Formula 11]
[실험예 1][Experimental Example 1]
제조예 1 및 2와 하기 화학식 11로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체(PTAA)의 광학적, 열적 특성을 측정하여 하기 표 1 및 도 1에 나타내었다.The optical and thermal properties of the polymers (PTAA) containing repeating units represented by Preparation Examples 1 and 2 and the following Chemical Formula 11 were measured and are shown in Table 1 and FIG. 1 below.
(㎠/Vs)μ h
(㎠/Vs)
도 1에 도시된 바와 같이 비교예인 PTAA 대비 1F-PTAA는 0.2eV 광학밴드갭이 증가하였으며, 2F-PTAA는 0.12eV 광학밴드갭이 증가한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 광학밴드갭이 크게 증가한 2F-PTAA는 도 1의 (a)에서 광흡수 스펙트럼에서도 피크가 20㎚정도 블루 쉬프트(blue-shift)된 것을 확인할 수 있었다. 도 1의 (b)를 통하여 본 발명의 1F-PTAA와 2F-PTAA의 유리전이온도가 불소가 도입됨에 따라 감소됨을 확인할 수 있었고, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이 열중량 분석법을 통하여 초기 무게 대비 5% 분해 온도를 비교하였을 때, 본 발명의 중합체가 열적안정성이 더욱 우수한 것을 확인하였으며, 특히, 2F-PTAA의 경우 더욱 열적안정성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 1, 1F-PTAA of the comparative example PTAA increased 0.2eV optical band gap, and 2F-PTAA increased 0.12eV optical band gap. In addition, it was confirmed that the peak of the 2F-PTAA in which the optical band gap was significantly increased is a blue-shift of about 20 nm in the light absorption spectrum in FIG. 1(a). It was confirmed through FIG. 1(b) that the glass transition temperature of 1F-PTAA and 2F-PTAA of the present invention was decreased as fluorine was introduced, and as shown in FIG. 1(c), When the 5% decomposition temperature was compared to the initial weight, it was confirmed that the polymer of the present invention was more excellent in thermal stability, and in particular, 2F-PTAA was more excellent in thermal stability.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 중합체와 PTAA의 이온화 전위를 광전자 분석법을 통하여 확인하였다. PTAA, 1F-PTAA와 2F-PTAA의 이온화전위는 사용된 페로브스카이트 화합물인 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15 과의 이온화 전화의 차이를 가지면서 정공전달력이 용이한 것으로 보이며, 더욱이 1F-PTAA의 경우 페로브스카이트 화합물과의 에너지 관계에서 밴드갭 차이가 정공전달 구동력이 더욱 우수한 것으로 확인할 수 있었다.As shown in Figure 2, the ionization potential of the polymer of the present invention and PTAA was confirmed by photoelectron analysis. The ionization potentials of PTAA, 1F-PTAA and 2F-PTAA appear to be easy with hole-transmitting power, with a difference in ionization conversion from the perovskite compound (FAPbI 3 ) 0.85 (MAPbBr 3 ) 0.15 used. In the case of 1F-PTAA, it was confirmed that the difference in the band gap in the energy relationship with the perovskite compound was more excellent in hole transport driving force.
[실시예 1-2] 페로브스카이트 태양전지의 제조[Example 1-2] Preparation of perovskite solar cell
- 다공성 TiO2 박막 기판 제조-Preparation of porous TiO 2 thin film substrate
불소 함유 산화주석이 코팅된 유리 기판(FTO; F-doped SnO2, 8 ohms/㎠, Pilkington, 이하 FTO 기판(제1전극))을 25 x 25 mm 크기로 절단한 후, 끝 부분을 에칭하여 부분적으로 FTO를 제거하였다.After cutting a fluorine-containing tin oxide coated glass substrate (FTO; F-doped SnO 2 , 8 ohms/㎠, Pilkington, hereinafter FTO substrate (first electrode)) to a size of 25 x 25 mm, the end part is etched The FTO was partially removed.
절단 및 부분 에칭된 FTO 기판 위에 금속산화물 박막으로서 50 nm 두께의 TiO2 치밀막을 분무 열분해법으로 제조하였다. 분무 열분해는 20 mM titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) 용액(Aldrich)을 이용하여 수행되었으며, 450 ℃로 유지된 열판위에 올려진 FTO 기판위에 3초간 분무하고 10초간 정지하는 방법을 되풀이하는 방법으로 두께를 조절하였다.On the cut and partially etched FTO substrate, a 50 nm thick TiO 2 dense film as a metal oxide thin film was prepared by spray pyrolysis. Spray pyrolysis was performed using a 20 mM titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate) solution (Aldrich), and the thickness was controlled by repeating the method of spraying for 3 seconds on a FTO substrate placed on a hot plate maintained at 450° C. and stopping for 10 seconds. Did.
평균 입자크기(직경) 50 nm의 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 에틸알콜에 용해된 에틸 셀룰로오스 용액을, TiO2 분말 1g당 5 ml 첨가하고, 테르피놀(terpinol)을 TiO2 분말 1 g당 5 g 첨가하여 혼합한 후, 에틸 알콜을 감압 증류법으로 제거하여 TiO2 페이스트를 제조하였다.TiO 2 powder with an average particle size (diameter) of 50 nm (prepared by hydrothermal treatment of a titanium peroxocomplex aqueous solution in which 1% by weight of TiO 2 is dissolved at 250° C. for 12 hours), ethyl cellulose at 10% by weight Ethyl cellulose solution dissolved in ethyl alcohol, TiO 2 After adding 5 ml per 1 g of powder and adding 5 g per 1 g of TiO 2 powder and mixing, ethyl alcohol was removed by distillation under reduced pressure to prepare a TiO 2 paste.
제조된 TiO2 분말 페이스트에 2-메톡시에탄올을 첨가하여 스핀 코팅용 TiO2 슬러리를 제조하였다. FTO 기판의 TiO2 박막 위에, 스핀 코팅용 TiO2 슬러리를 이용하여 스핀 코팅 방법으로 코팅하고 500 ℃에서 60 분 동안 열처 리한 후, 60 ℃의 30 mM TiCl4 수용액에 열처리된 기판을 담그고, 30 분 동안 방치한 후, 탈이온수와 에탄올로 세척 및 건조하고 다시 500 ℃에서 30분 동안 열처리하여 다공성 TiO2 박막(다공성 전자전달체, 두께; 100 nm)을 제조하였다.2-Methoxyethanol was added to the prepared TiO 2 powder paste to prepare a TiO 2 slurry for spin coating. TiO 2 on FTO substrate On the thin film, coated with a spin coating method using a TiO 2 slurry for spin coating, heat treated at 500° C. for 60 minutes, immersed in a 30 mM TiCl 4 aqueous solution at 60° C., and left to stand for 30 minutes, Washed and dried with deionized water and ethanol, and then heat-treated at 500°C for 30 minutes to prepare a porous TiO 2 thin film (porous electron transporter, thickness; 100 nm).
- 광흡수체 용액 제조-Preparation of light absorber solution
250 mL 2구 둥근 플라스크에 NH2CH=NH2I (=FAI)과 CH3NH3Br(=MABr)을 DMF:DMSO(8:1, v/v) 혼합용액에 용해된 PbI2 과 PbBr2에 혼합하여, 1.05 M 농도의 (FAPbI3) x (MAPbBr3) 1-x (x=0.02~0.20) 페로브스카이트 용액을 제조하였다.PbI 2 and PbBr dissolved in a mixed solution of NH 2 CH=NH 2 I (=FAI) and CH 3 NH 3 Br(=MABr) in DMF:DMSO(8:1, v/v) in a 250 mL 2-neck round flask By mixing in 2 , a (FAPbI 3 ) x (MAPbBr 3 ) 1-x ( x =0.02 to 0.20) perovskite solution at a concentration of 1.05 M was prepared.
- 페로브스카이트 광흡수체 제조-Manufacture of perovskite light absorbers
상기에서 제조된 다공성 TiO2 박막 기판(mp-TiO2/bl-TiO2/FTO)상에 상기에서 제조된 광흡수체 용액((FAPbI3) x (MAPbBr3) 1-x 페로브스카이트 용액)을 1000 rpm으로 5초 동안 코팅하고 다시 5,000 rpm으로 1초동안코팅하여 150℃에서 10분동안 건조하여 광흡수체를 제조하였다. 여기서 두 번째 스핀코팅단계에서 기재상에 1mL의 디에틸에테르를 dropwise하였다.Light absorber solution prepared above ((FAPbI 3 ) x (MAPbBr 3 ) 1-x perovskite solution) on the porous TiO 2 thin film substrate (mp-TiO 2 /bl-TiO 2 /FTO) prepared above Was coated at 1000 rpm for 5 seconds, and then coated at 5,000 rpm for 1 second, dried at 150° C. for 10 minutes to prepare a light absorber. Here, in the second spin coating step, 1 mL of diethyl ether was droppedwise onto the substrate.
- 정공전달층 형성을 위한 정공전달층 용액제조-Preparation of a hole transport layer solution for forming a hole transport layer
정공전달층을 형성하기위해 정공전달물질로 상기 제조예 1 또는 제조예 2로 제조된 중합체를 톨루엔에 녹여 농도가 10 g/L인 정공전달층 용액을 제조하고 여기에 첨가제로 2 μl Li-bis(trifluoromethanesulfonyl) imide (Li-TFSI)/acetonitrile (340 mg/1 ml)과 2 μl TBP(4-tert-Butylpyridine)를 첨가하여 정공전달층 용액을 제조하였다. To form a hole transport layer, a polymer prepared in Preparation Example 1 or Preparation Example 2 was dissolved in toluene as a hole transport material to prepare a hole transport layer solution having a concentration of 10 g/L, and 2 μl Li-bis as an additive thereto. (trifluoromethanesulfonyl) imide (Li-TFSI)/acetonitrile (340 mg/1 ml) and 2 μl TBP (4-tert-Butylpyridine) were added to prepare a hole transport layer solution.
- 페로브스카이트 태양전지제조-Perovskite solar cell manufacturing
상기에서 제조된 다공성 전극에 상기에서 제조된 광흡수 구조체가 형성된 복합층상에 상기에서 제조된 정공전달층 용액을 3000rpm으로 30초 동안 스핀코팅하여 정공전달층을 형성하였다. The hole transport layer solution prepared above was spin coated at 3000 rpm for 30 seconds on a composite layer formed with the light absorbing structure prepared above on the porous electrode prepared above to form a hole transport layer.
이후, 정공전달층의 상부에 고진공(5x10-6 torr 이하)의 열 증착기(thermal evaporator)로 Au를 진공 증착하여, 두께가 70 nm인 Au 전극(제2전극)을 형성하여 Au/1F-PTAA 또는 2F-PTAA/(FAPbI3) x (MAPbBr3) 1-x /mp-TiO2/bl-TiO2/FTO 형태의 태양전지를 제조하였다. Subsequently, Au was vacuum-deposited on a high-vacuum (5x10 -6 torr or less) thermal evaporator on the top of the hole transport layer to form an Au electrode (second electrode) having a thickness of 70 nm to form Au/1F-PTAA Alternatively, a 2F-PTAA/(FAPbI 3 ) x (MAPbBr 3 ) 1-x /mp-TiO 2 /bl-TiO 2 /FTO type solar cell was manufactured.
이러한 전극의 활성면적은 0.092 cm2이었다.The active area of this electrode was 0.092 cm 2 .
제조된 태양전지의 특성을 도 1 내지 4에 나타내었다.The characteristics of the manufactured solar cell are shown in FIGS. 1 to 4.
[비교예 1][Comparative Example 1]
상기 실시예 1에서 정공전달물질을 상기 비교제조예 1로 제조된 중합체(PTAA)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.A perovskite solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the polymer (PTAA) prepared in Comparative Example 1 was used as the hole transport material in Example 1.
하기 표 2는 광활성층의 페로브스카이트 화합물을 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15을 적용하여 페로브스카이트 태양전지의 소자 측정 방향 (-0.2 V --> 1.5 V 와 1.5 V--> -0.2 V)에 따른 평균값을 측정하여 나타낸 것이다. Table 2 below shows the device measurement direction of the perovskite solar cell by applying the perovskite compound (FAPbI 3 ) 0.85 (MAPbBr 3 ) 0.15 of the photoactive layer (-0.2 V --> 1.5 V and 1.5 V-- > -0.2 V).
(mA/cm2)J sc
(mA/cm 2 )
(V)Voc
(V)
(%)FF
(%)
(%)PCE
(%)
상기 표 2에 나타낸 바와 같이 본 발명의 불소가 치환된 제조예 1로 제조된 중합체를 채용한 실시예 1의 페로브스카이트 태양전지가 불소를 포함하지 않는 종래의 PTAA를 채용한 비교예에 대비하여 광전변환효율이 현저하게 높아진 것을 알 수 있었다. 즉, 본 발명의 실시예 1의 페로브스카이트 태양전지가 비교예 1의 페로브스카이트 태양전지보다 당업자가 용이하게 도출해낼 수 있는 수준이 아닌 약 2.3%이상 높은 광전 변환 효율을 가짐을 알 수 있었다.As shown in Table 2, the perovskite solar cell of Example 1 employing the polymer prepared in Preparation Example 1 in which the present invention is substituted with fluorine, compared to the comparative example using conventional PTAA that does not contain fluorine As a result, it was found that the photoelectric conversion efficiency was significantly increased. That is, it is understood that the perovskite solar cell of Example 1 of the present invention has a photoelectric conversion efficiency of about 2.3% or higher that is not a level that can be easily derived by those skilled in the art than the perovskite solar cell of Comparative Example 1 Could.
이를 더욱 명확히 하기 위하여 페로브스카이트 화합물을 (FAPbI3)0.95(MAPbBr3)0.05로 광활성층으로 적용하여 광전변환효율을 측정하였을 때에도, 도 4에 도시된 바와 같이 우수한 광전변환효율을 나타내는 것을 확인하였다. 이에 반해, PTAA를 적용할 경우는 본 발명 대비 낮은 광전변환효율을 갖는 것을 확인할 수 있었다.To further clarify this, even when the photoelectric conversion efficiency was measured by applying the perovskite compound as (FAPbI 3 ) 0.95 (MAPbBr 3 ) 0.05 as a photoactive layer, it was confirmed that it shows excellent photoelectric conversion efficiency as shown in FIG. 4. Did. On the other hand, when applying PTAA, it was confirmed that it has a lower photoelectric conversion efficiency than the present invention.
또한, 본 발명의 2F-PTAA의 경우 에너지 전위 차이가 더욱 큰 페로브스카이트 화합물을 광활성층으로 적용하였을 때, PTAA보다 더욱 높고 우수한 광전변환효율을 갖는 것을 확인하였다.In addition, in the case of 2F-PTAA of the present invention, when the perovskite compound having a larger energy potential difference was applied as a photoactive layer, it was confirmed that it has a higher photoelectric conversion efficiency than PTAA.
즉, 다른 에너지준위를 갖는 페로브스카이트 화합물을 광활성층으로 적용하였을 때에도, 높은 개방회로 전압을 갖고, 광전변환효율이 우수한 것을 확인할 수 있었다. That is, it was confirmed that even when a perovskite compound having a different energy level is applied as a photoactive layer, it has a high open circuit voltage and excellent photoelectric conversion efficiency.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 페로브스카이트 태양전지, 페로브스카이트 태양전지용 중합체 및 이의 제조방법이 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. As described above, in the present invention, the perovskite solar cell, the polymer for perovskite solar cell, and a method for manufacturing the same have been described through specific matters and limited examples, but this is provided to help the overall understanding of the present invention. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications and variations from these descriptions.
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.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and it will be said that not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims are included in the scope of the spirit of the present invention.
Claims (13)
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서,
상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 할로겐 또는 C1-C10알킬기이고, R1 및 R2 중 하나 이상은 할로겐이다.A perovskite solar cell comprising a polymer comprising a repeating unit represented by Formula 1, wherein the number average molecular weight of the polymer is 10,000 to 500,000 g/mol.
[Formula 1]
In Chemical Formula 1,
R 1 and R 2 are each independently halogen or a C 1 -C 10 alkyl group, and at least one of R 1 and R 2 is halogen.
상기 화학식 1의 상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 할로겐 또는 C1-C3알킬기고, R1 및 R2 중 하나 이상은 할로겐인 페로브스카이트 태양전지.According to claim 1,
The R 1 and R 2 of Formula 1 are each independently halogen or a C 1 -C 3 alkyl group, and one or more of R 1 and R 2 are halogen perovskite solar cells.
상기 화학식 1의 R1은 할로겐이고, R2는 할로겐 또는 C1-C3알킬기인 페로브스카이트 태양전지.According to claim 1,
R 1 of Formula 1 is halogen, R 2 is a halogen or a C 1 -C 3 alkyl group perovskite solar cell.
상기 화학식 1은 하기 구조식으로 표시되는 반복단위에서 선택되는 어느 하나의 반복단위를 포함하는 중합체인 페로브스카이트 태양전지.
[구조식]
, According to claim 1,
The formula 1 is a perovskite solar cell is a polymer containing any one repeating unit selected from the repeating unit represented by the following structural formula.
[constitutional formula]
,
상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체는 정공전달물질로 사용되는 것인 페로브스카이트 태양전지.According to claim 1,
The polymer comprising the repeating unit represented by Chemical Formula 1 is a perovskite solar cell used as a hole transport material.
상기 페로브스카이트 태양전지는 광전변환효율의 증가율(%)이 하기 식 1을 만족하는 것인 페로브스카이트 태양전지.
[식 1]
상기 식 1에 있어서,
상기 PCEa는 상기 화학식 1의 R1 및 R2이 -CH3인 정공전달물질을 포함하는 페로브스카이트 태양전지로 측정된 광전변환효율이고,
상기 PCEb는 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 정공전달물질로 포함하는 페로브스카이트 태양전지로 측정된 광전변환효율이다.According to claim 1,
The perovskite solar cell is a perovskite solar cell that the increase rate (%) of the photoelectric conversion efficiency satisfies the following equation 1.
[Equation 1]
In the above formula 1,
The PCE a is a photoelectric conversion efficiency measured by a perovskite solar cell including a hole transport material in which R 1 and R 2 in Chemical Formula 1 are -CH 3 ,
The PCE b is a photoelectric conversion efficiency measured by a perovskite solar cell comprising a polymer containing a repeating unit represented by Chemical Formula 1 as a hole transport material.
상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체의 에너지 밴드갭(Eg opt)이 2.96 내지 3.50eV인 페로브스카이트 태양전지.According to claim 1,
The perovskite solar cell having an energy band gap (E g opt ) of a polymer comprising a repeating unit represented by Chemical Formula 1 is 2.96 to 3.50 eV.
상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체와 페로브스카이트 화합물의 이온화 전위의 차이는 0.02 내지 0.4eV인 페로브스카이트 태양전지.According to claim 1,
The difference between the ionization potential of the polymer containing the repeating unit represented by Chemical Formula 1 and the perovskite compound is 0.02 to 0.4 eV.
상기 페로브스카이트 태양전지는
제 1전극,
상기 제 1전극 상에 형성된 전자전달층,
상기 전자전달층 상에 형성된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층,
상기 광흡수층상에 형성되며, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 중합체를 포함하는 정공전달층 및
상기 정공전달층 상에 형성된 제 2전극을 포함하는 것인 페로브스카이트 태양전지.According to claim 1,
The perovskite solar cell
The first electrode,
An electron transport layer formed on the first electrode,
Light absorbing layer comprising a perovskite structure compound formed on the electron transport layer,
It is formed on the light absorbing layer, a hole transport layer comprising a polymer containing a repeating unit represented by the formula (1) and
A perovskite solar cell comprising a second electrode formed on the hole transport layer.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 2에 있어서,
상기 R1 및 R2는 각각 독립적으로 할로겐 또는 C1-C10알킬기이고, R1 및 R2 중 하나 이상은 할로겐이며, 상기 X는 할로겐으로 상기 R1 및 R2의 할로겐과 상이하다.Preparation of a hole transporting material for a perovskite solar cell by performing a compound represented by the following formula (2) in the presence of a nickel-based catalyst and a ligand to prepare a polymer hole transporting material comprising a repeating unit represented by the following formula (1) Way.
[Formula 1]
[Formula 2]
In Chemical Formula 2,
R 1 and R 2 are each independently halogen or a C 1 -C 10 alkyl group, at least one of R 1 and R 2 is halogen, and X is halogen, which is different from the halogen of R 1 and R 2 .
상기 니켈계 촉매는 비스(1,5-시클로옥타디엔) 니켈(0) [Ni(COD)2], 1,3-디페닐포스피노프로판 니켈(II) 클로라이드 [Ni(dppp)Cl2], 1,2-비스(디페닐포스피노)에탄 니켈(II) 클로라이드[Ni(dppe)Cl2]에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질 제조방법.The method of claim 11,
The nickel-based catalyst is bis(1,5-cyclooctadiene) nickel(0) [Ni(COD) 2 ], 1,3-diphenylphosphinopropane nickel(II) chloride [Ni(dppp)Cl 2 ], Method for manufacturing a hole transport material of a perovskite solar cell which is a mixture of any one or two or more selected from 1,2-bis(diphenylphosphino)ethane nickel(II) chloride [Ni(dppe)Cl 2 ].
상기 리간드는 2,2-비피리딘, 트리페닐포스판, 알킬-2,2-비피리딘, 4,4-디-(5-노닐)-2,2-비피리딘, 4,4-디-(5-헵틸)-2,2-비피리딘, 트리스 (2-아미노에틸)아민(TREN), N,N,N',N',N"-펜타메틸디에틸렌트리아민, 1,1,4,7,10,10-헥사메틸트리에틸렌테트라아민 및 테트라메틸에틸렌디아민에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 페로브스카이트 태양전지의 정공전달물질 제조방법.The method of claim 11,
The ligand is 2,2-bipyridine, triphenylphosphine, alkyl-2,2-bipyridine, 4,4-di-(5-nonyl)-2,2-bipyridine, 4,4-di-( 5-heptyl)-2,2-bipyridine, tris(2-aminoethyl)amine (TREN), N,N,N',N',N"-pentamethyldiethylenetriamine, 1,1,4, Method for manufacturing a hole transport material of a perovskite solar cell which is a mixture of any one or two or more selected from 7,10,10-hexamethyltriethylenetetraamine and tetramethylethylenediamine.
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