KR102246103B1 - 열전도성 무기물 구조체를 포함하는 정공 전달층, 그를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

열전도성 무기물 구조체를 포함하는 정공 전달층, 그를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

열전도성 무기물 구조체를 포함하는 정공 전달층, 그를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조방법이 개시된다. 상기 정공 전달층은 복수의 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 열전도성 무기물 구조체; 및 상기 기공에 위치하는 정공전달 유기물질;을 포함하고, 상기 나노입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함함으로써 소자에 적용했을 때 소자 내부의 열을 효과적으로 방출시킬 뿐만 아니라 정공 이동을 방해하지 않아 태양전지의 고효율을 유지함과 동시에 열 및 장기 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

열전도성 무기물 구조체를 포함하는 정공 전달층, 그를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조방법{HOLE TRANSPORT LAYER COMPRISING THERMAL CONDUCTIVITY INORGANIC STRUCTURE, PEROVSKITE SOLAR CELL COMPRISING SAME, AND METHOD OF FABRICATING SAME}
본 발명은 열전도성 무기물 구조체를 포함하는 정공 전달층, 그를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 정공 전달층이 열전도성 무기물 구조체 및 정공전달 유기물질을 포함함으로써 소자에 적용했을 때 소자 내부의 열을 효과적으로 방출시킬 뿐만 아니라 정공 이동을 방해하지 않아 태양전지의 고효율을 유지함과 동시에 열 및 장기 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 정공 전달층, 그를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
유무기 복합 태양전지는 높은 광전변환효율을 보이며 차세대 태양전지로 각광을 받고 있다. 유무기 복합 태양전지의 광활성층은 페로브스카이트(perovskite)로 ABX3의 격자구조를 일컬으며 높은 흡광계수 및 우수한 전하 이동 특성 등 다양한 장점을 보인다. 특히, 고효율 소자를 달성하기 위해 최근에는 'A' 및 'B' 위치에 단일 물질을 사용하기보다 여러 종류의 물질을 섞어서 사용하고 있으며 이를 바탕으로 최근 페로브스카이트 태양전지는 25 %가 넘는 높은 광전변환효율을 달성하였다. 하지만, 수분, 열, 광과 같은 구동 환경에서 노출될 수 밖에 없는 외부 자극에 의해 분해가 진행되는 페로브스카이트 물질의 낮은 안정성 때문에 아직 상용화를 기대하기에는 어려움이 있다.
가장 일반적으로 사용하는 페로브스카이트 태양전지는 투명전극/전자 전달층/페로브스카이트/정공 전달층/금속전극의 구조로 이루어져 있으며, 정공 전달층으로는 주로 p형 유기물(단분자 또는 고분자) 및 무기물이 사용된다. 페로브스카이트 구동 중에는 투명전극으로 태양광이 조사되고 광활성층에서 빛을 흡수하여 전하를 생성하는데 이때 광활성층인 페로브스카이트층의 온도가 다른 층에 비해 가장 높아지기 때문에 소자의 열 안정성을 확보하기 위해서는 내부에서 생성되는 열을 효과적으로 방출할 필요가 있고, 대기와 접하고 있는 정공 전달층은 방열을 위해서 가장 중요한 층이라고 할 수 있다.
하지만, 기존 페로브스카이트 태양전지의 고효율 달성을 위해 사용하는 Spiro-OMeTAD 및 전도성 고분자 물질은 소재 특성상 열전도도가 낮아 효과적인 방열이 불가능하다. 따라서, 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 고안정성을 동시에 달성하기 위해 방열 및 우수한 전하 이동을 동시에 확보하는 소재의 개발이 요구된다.
본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 향상된 열적 특성 및 내구성을 갖는 정공 전달층을 제공하는데 있다.
또한, 페로브스카이트 태양전지의 성능저하를 일으키는 문제점들(수분 및 고온 등)을 방지하고, 소자의 고효율을 확보함과 동시에 안정성을 향상시킬 수 있는 정공 전달층 및 그를 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 제공하는데 있다.
또한, 계면에서 효과적으로 전하 재결합 현상을 억제하여 개방 전압을 증가시킬 수 있고, 모폴로지 형성 및 유지가 가능한 정공 전달층을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 열전도성 무기물 구조체; 및 상기 기공에 위치하는 정공전달 유기물질;을 포함하고, 상기 나노입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하는 것인 정공 전달층이 제공된다.
또한, 복수의 상기 나노입자 중 일부가 상기 정공 전달층의 상단면에 위치하고, 복수의 상기 나노입자 중 다른 일부가 상기 정공 전달층의 하단면에 위치하고, 복수의 상기 나노입자 중 또 다른 일부가 상단면에 위치한 상기 나노입자와 하단면에 위치한 상기 나노입자를 서로 연결할 수 있다.
또한, 상기 연결이 접촉에 의한 연결 또는 열적 연결일 수 있다.
또한, 상기 정공전달 유기물질 중 일부가 상기 정공 전달층의 상단면에 위치하고, 상기 정공전달 유기물질 중 다른 일부가 상기 정공 전달층의 하단면에 위치하고, 상기 정공전달 유기물질 중 또 다른 일부가 상단면에 위치한 상기 정공전달 유기물질과 하단면에 위치한 상기 정공전달 유기물질을 서로 연결할 수 있다.
또한, 상기 연결이 접촉에 의한 연결 또는 전기적 연결일 수 있다.
또한, 상기 나노입자의 직경이 10 내지 50nm이고, 상기 나노입자의 직경(dNP)에 대한 상기 정공 전달층의 두께(dHTL)의 비율(dHTL/dNP)이 3 내지 5일 수 있다.
또한, 상기 무기물은 HOMO(Highest occupied molecular orbital) 에너지 준위가 -5.6eV보다 작고, LUMO(Lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위가 -3.9eV보다 큰 것일 수 있다.
또한, 상기 무기물이 Al2O3, MgO, BN, AlN, SiO2, Si3N4 및 SiC로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 정공전달 유기물질이 2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene (Spiro-OMeTAD), Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine (PTAA), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), Poly(3-alkylthiophene) (P3AT), Poly(3-octylthiophene-2,5-diyl) (P3OT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), Poly{4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(decyloxy)-6-ethoxybenzo[c][1,2,5]thiadiazole} (PBT), Poly{(4,8-bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis(trimethylstannane)} (PBDT), Poly(BT)-(BDT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 정공전달 유기물질이 도판트로 도핑되고, 상기 도판트가 Li-TFSI, Co(Ⅱ)PF6, 4-tert-부틸 피리딘(4-tert-butyl pyridine, tBP), AgTFSI 및 CuI로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 전자 전달층; 상기 전자 전달층 상에 형성되고, 페로브스카이트 물질을 포함하는 광활성층; 상기 광활성층 상에 형성된 상기 정공 전달층; 및 상기 정공 전달층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하는 페로브스카이트 태양전지가 제공된다.
또한, 상기 제1 전극이 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드 (AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드 (IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전자 전달층이 SnO2, ZnO, TiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3, WO3, In2O3, BaTiO3, BaSnO3 및 ZrO3로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 페로브스카이트 물질이 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3-xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbCl3 - xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3 - xFx(0≤x≤3인 실수), NH2CH=NH2PbI3 - xClx (0≤x≤3인 실수), NH2CH=NH2PbI3 - xBrx(0≤x≤3인 실수), NH2CH=NH2PbCl3 - xBrx(0≤x≤3인 실수), NH2CH=NH2PbI3 - xFx(0≤x≤3인 실수) 및 Csk(NH2CH=NH2PbI3)(1-k-x)(CH3NH3PbBr3)x(0≤k≤0.3인 실수, 0≤x≤1-k인 실수)로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 전극이 Ag, Au, Al, Fe, Ag, Cu, Cr, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh 및 Mg로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 하나의 측면에 따르면, (1) 나노입자를 포함하는 용액을 코팅하고 건조하여 복수의 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 열전도성 무기물 구조체를 형성하는 단계; 및 (2) 상기 열전도성 무기물 구조체 상에 정공전달 유기물질을 포함하는 용액을 코팅하고 건조하여 상기 기공에 위치하는 정공전달 유기물질을 포함하는 정공 전달층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 나노입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하는 것인 정공 전달층의 제조방법이 제공된다.
또한, 단계 (2)에서 상기 코팅에 의해 상기 정공전달 유기물질을 포함하는 용액이 상기 기공에 함침될 수 있다.
또한, 상기 단계 (1) 및 (2)의 코팅이 스핀코팅, 스프레이코팅, 화학기상증착법 및 원자층증착법으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 방법에 의해 수행될 수 있다.
또한, 상기 단계 (1)에서, 상기 나노입자를 포함하는 용액이 상기 나노입자를 0.1 내지 3 중량% 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 하나의 측면에 따르면, (a) 제1 전극 상에 전자 전달층을 형성하는 단계; (b) 상기 전자 전달층 상에 페로브스카이트 전구체를 포함하는 용액을 코팅하는 단계; (c) 상기 전자 전달층 상에 코팅된 페로브스카이트 전구체 코팅층을 열처리하여 페로브스카이트 물질을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; (d) 상기 광활성층 상에 나노입자를 포함하는 용액을 코팅하여 복수의 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 열전도성 무기물 구조체를 형성하는 단계; (e) 상기 열전도성 무기물 구조체 상에 정공전달 유기물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 기공에 위치하는 정공전달 유기물질을 포함하는 정공 전달층을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 정공 전달층 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 나노입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 정공 전달층은 무기물 구조체를 도입함으로써 열적 특성 및 내구성이 향상될 수 있다.
또한, 무기물 구조체를 도입한 정공 전달층을 포함함으로써 페로브스카이트 태양전지의 성능저하를 일으키는 문제점들(수분 및 고온 등)을 방지하고, 소자의 고효율을 확보함과 동시에 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 적절한 함량의 나노입자로 제조된 무기물 구조체를 사용함으로써 최적화된 절연특성으로 계면에서 효과적으로 재결합 현상을 억제하여 개방 전압을 증가시킬 수 있고, 다공성 지지체 역할을 수행함으로써 유기 정공 전달 물질의 모폴로지 형성 및 유지가 가능할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니 된다.
도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따른 정공 전달층 및 페로브스카이트 태양전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 종래의 페로브스카이트 태양전지의 광 조사 하에서 시간에 따른 각 층별 온도를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1-1 내지 4-3에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지에서 정공 전달층의 열전도도를 나타낸 것이다.
도 4a는 실시예 1-1 내지 2-3 및 비교예 1의 페로브스카이트 태양전지에서 정공 전달층의 냉각속도를 비교한 것이다.
도 4b는 실시예 3-1 내지 4-3 및 비교예 1의 페로브스카이트 태양전지에서 정공 전달층의 냉각속도를 비교한 것이다.
도 5a는 실시예 1-3, 2-3, 3-3, 4-3 및 비교예 1의 25 ℃, 25 % 상대습도에서 봉지화 하지 않았을 때 시간에 따른 안정성을 나타낸 것이다.
도 5b는 실시예 1-3, 2-3, 3-3, 4-3 및 비교예 1의 85 ℃, 85 % 상대습도에서 봉지화 하지 않았을 때 시간에 따른 안정성을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 도는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 열전도성 무기물 구조체를 포함하는 정공 전달층, 그를 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따른 정공 전달층 및 페로브스카이트 태양전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 복수의 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 열전도성 무기물 구조체; 및 상기 기공에 위치하는 정공전달 유기물질;을 포함하고, 상기 나노입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하는 것인 정공 전달층을 제공한다.
상세하게는 상기 정공 전달층이 무기물 구조체를 포함함으로써 태양전지의 구동 중에 온도가 높아지는 광활성층(페로브스카이트)의 열을 빼주는 방열 효과를 가지고, 외부로부터 수분 및 산소의 유입을 차단하며 정공이 다시 광활성층(페로브스카이트)으로 넘어가서 재결합하는 과정을 억제하고 정공 전달 유기물의 모폴로지가 고온에서 바뀌는 현상을 막아준다.
또한, 복수의 상기 나노입자 중 일부가 상기 정공 전달층의 상단면에 위치하고, 복수의 상기 나노입자 중 다른 일부가 상기 정공 전달층의 하단면에 위치하고, 복수의 상기 나노입자 중 또 다른 일부가 상단면에 위치한 상기 나노입자와 하단면에 위치한 상기 나노입자를 서로 연결할 수 있다.
또한, 상기 연결이 접촉에 의한 연결 또는 열적 연결일 수 있다.
상세하게는, 정공 전달층 내부에 상기 나노입자로 연결된 무기물 구조체 통로(pathway)가 형성되고, 상기 무기물 구조체 통로를 통해 광활성층(페로브스카이트)에서 생성된 열을 방출할 수 있다.
또한, 상기 정공전달 유기물질 중 일부가 상기 정공 전달층의 상단면에 위치하고, 상기 정공전달 유기물질 중 다른 일부가 상기 정공 전달층의 하단면에 위치하고, 상기 정공전달 유기물질 중 또 다른 일부가 상단면에 위치한 상기 정공전달 유기물질과 하단면에 위치한 상기 정공전달 유기물질을 서로 연결할 수 있다.
또한, 상기 연결이 접촉에 의한 연결 또는 전기적 연결일 수 있다.
상세하게는, 정공 전달층 내부에 상기 정공전달 유기물질로 연결된 정공전달 유기물질 통로(pathway)가 형성되고, 상기 정공전달 유기물질 통로를 통해 정공이 이동할 수 있다.
또한, 상기 나노입자의 직경이 10 내지 50nm일 수 있다. 상기 나노입자의 직경이 10nm 미만일 경우 나노입자가 서로 연결됨에 따라 형성된 빈 공간에 정공 전달 유기물이 함침되기 어려우므로 바람직하지 않고, 50nm를 초과할 경우 나노입자가 정공 전달층 내에 고르게 분산되지 않아 전하의 흐름을 방해하므로 바람직하지 않다.
또한, 상기 나노입자의 직경(dNP)에 대한 상기 정공 전달층의 두께(dHTL)의 비율(dHTL/dNP)이 3 내지 5일 수 있다. 상기 비율이 3 미만일 경우 나노입자로 이루어진 내부 통로(path)가 잘 형성되지 않아 방열 특성이 나타나기 어려우므로 바람직하지 않고, 5를 초과할 경우 두꺼운 정공전달층 두께 형성으로 인한 전하이동 저하 및 저항의 증가가 심각해지므로 태양전지의 효율 측면에서 바람직하지 않다.
또한, 상기 무기물은 HOMO(Highest occupied molecular orbital) 에너지 준위가 -5.6eV보다 작고, LUMO(Lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위가 -3.9eV보다 큰 것일 수 있다.
상세하게는 에너지 밴드갭(energy band gap)이 커서 전도성을 가지기 힘든 절연체(insulator)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 무기물을 절연체가 아닌 전도체 또는 반도체를 사용할 경우, 정공이 다시 광활성층(페로브스카이트)으로 넘어가서 전자와 재결합하므로 바람직하지 않다.
또한, 상기 무기물이 Al2O3, MgO, BN, AlN, SiO2, Si3N4 및 SiC로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Al2O3 및 MgO로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상, 보다 바람직하게는 Al2O3를 포함할 수 있다.
또한, 상기 정공전달 유기물질이 2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene (Spiro-OMeTAD), Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine (PTAA), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), Poly(3-alkylthiophene) (P3AT), Poly(3-octylthiophene-2,5-diyl) (P3OT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), Poly{4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(decyloxy)-6-ethoxybenzo[c][1,2,5]thiadiazole} (PBT), Poly{(4,8-bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis(trimethylstannane)} (PBDT), Poly(BT)-(BDT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Spiro-OMeTAD를 포함할 수 있다.
또한, 상기 정공 전달 유기물이 도판트로 도핑될 수 있고, 상기 도판트가 Li-TFSI, Co(Ⅱ)PF6, 4-tert-부틸 피리딘(4-tert-butyl pyridine, tBP), AgTFSI 및 CuI로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Li-TFSI, Co(Ⅱ)PF6 및 4-tert-부틸 피리딘으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 정공 전달층이 페로브스카이트 태양전지의 정공 전달층에 사용될 수 있다.
본 발명은 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 전자 전달층; 상기 전자 전달층 상에 형성되고, 페로브스카이트 물질을 포함하는 광활성층; 상기 광활성층 상에 형성된 상기 정공 전달층; 및 상기 정공 전달층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
상기 정공 전달층이 무기물 구조체를 포함함으로써 상기 페로브스카이트의 성능저하를 일으키는 문제점들(수분 및 고온 등)을 방지할 수 있고, 이는 소자의 고효율을 확보함과 동시에 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 전극이 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드 (AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드 (IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 플루오린 틴 옥사이드(FTO)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전자 전달층이 SnO2, ZnO, TiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3, WO3, In2O3, BaTiO3, BaSnO3 및 ZrO3로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 SnO2를 포함할 수 있다.
또한, 상기 페로브스카이트 물질이 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3-xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbCl3 - xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3 - xFx(0≤x≤3인 실수), NH2CH=NH2PbI3 - xClx (0≤x≤3인 실수), NH2CH=NH2PbI3 - xBrx(0≤x≤3인 실수), NH2CH=NH2PbCl3 - xBrx(0≤x≤3인 실수), NH2CH=NH2PbI3 - xFx(0≤x≤3인 실수) 및 Csk(NH2CH=NH2PbI3)(1-k-x)(CH3NH3PbBr3)x(0≤k≤0.3인 실수, 0≤x≤1-k인 실수)로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Csk(NH2CH=NH2PbI3)(1-k-x)(CH3NH3PbBr3)x(0≤k≤0.3인 실수, 0≤x≤1-k인 실수)를 포함할 수 있고, 보다 더욱 바람직하게는 Cs0 .05(NH2CH=NH2PbI3)0.95- x(CH3NH3PbBr3)x(0≤x≤0.95인 실수)를 포함할 수 있고, 보다 더욱 바람직하게는 Cs0.05(NH2CH=NH2PbI3)0.79(CH3NH3PbBr2)0.16을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 전극이 Ag, Au, Al, Fe, Ag, Cu, Cr, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh 및 Mg로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Au를 포함할 수 있다.
본 발명은 (1) 나노입자를 포함하는 용액을 코팅하고 건조하여 복수의 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 열전도성 무기물 구조체를 형성하는 단계; 및 (2) 상기 열전도성 무기물 구조체 상에 정공전달 유기물질을 포함하는 용액을 코팅하고 건조하여 상기 기공에 위치하는 정공전달 유기물질을 포함하는 정공 전달층을 형성하는 단계; 를 포함하고, 상기 나노입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하는 것인 정공 전달층의 제조방법을 제공한다.
또한, 단계 (2)에서 상기 코팅에 의해 상기 정공전달 유기물질을 포함하는 용액이 상기 기공에 함침될 수 있다.
또한, 상기 단계 (1) 및 (2)의 코팅이 스핀코팅, 스프레이코팅, 화학기상증착법 및 원자층증착법으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 방법에 의해 수행될 수 있고, 바람직하게는 스핀코팅에 의해 수행될 수 있다.
상기 단계 (2)의 코팅을 스핀코팅으로 수행할 경우, 단계 (1)에서 이미 형성된 다공성 구조체에 정공 전달물질을 도포함으로써 공극을 채우고 스핀과정으로 남은 정공 전달물질을 제거하여 함침된 층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 단계 (1)에서, 상기 나노입자를 포함하는 용액이 상기 나노입자를 0.1 내지 3 중량% 포함할 수 있고, 바람직하게는 0.1 내지 2 중량%, 보다 바람직하게는 0.3 내지 1.5 중량%, 보다 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1 중량% 포함할 수 있다. 상기 나노입자가 0.1 중량% 미만으로 포함될 경우 정공 전달층 내부에 열 전달 통로를 확보하기 어려우므로 바람직하지 않고, 3 중량%를 초과할 경우 정공 전달 유기물의 전하 이동 통로를 확보하기 어려우므로 바람직하지 않다.
본 발명은 (a) 제1 전극 상에 전자 전달층을 형성하는 단계; (b) 상기 전자 전달층 상에 페로브스카이트 전구체를 포함하는 용액을 코팅하는 단계; (c) 상기 전자 전달층 상에 코팅된 페로브스카이트 전구체 코팅층을 열처리하여 페로브스카이트 물질을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; (d) 상기 광활성층 상에 나노입자를 포함하는 용액을 코팅하여 복수의 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 열전도성 무기물 구조체를 형성하는 단계; (e) 상기 열전도성 무기물 구조체 상에 정공전달 유기물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 기공에 위치하는 정공전달 유기물질을 포함하는 정공 전달층을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 정공 전달층 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 나노입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하는 것인 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공한다.
[실시예]
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: Al 2 O 3 및 spiro - OMeTAD를 포함하는 정공 전달층
실시예 1-1: Al 2 O 3 0.5 wt% 포함하는 정공 전달층
제1 전극으로 FTO 유리(HS Technologies, Resistivity L < 8 Ω)를 아연 분말과 2 M 염산을 사용하여 에칭한 것을 사용하였으며, 증류수(DI-water), 에탄올, 아세톤 및 이소프로필알코올(IPA)을 사용하여 10분 동안 초음파처리 하였다. 이후, UV 오존(ozone) 처리를 15분 동안 진행하여 유기 잔여물을 제거하였다.
전자 전달층은 SnO2를 사용하였으며, 다음과 같은 방법으로 제조되었다. 0.1 M의 SnCl2ㆍH2O를 5 mL 에탄올에 녹인 SnO2 전구체 용액을 상기 제1 전극 상에 2,000 rpm으로 30초 동안 스핀코팅하고, 180 ℃에서 1시간 동안 열처리하여 약 30 내지 50 nm 두께의 SnO2 전자 전달층을 형성하였다.
1 M의 NH2CH=NH2I(Formamidinium Iodide, FAI), 1.1 M의 PbI2, 0.2 M의 CH3NH3Br(Methylamine Bromide, MABr), 0.22 M의 PbBr2를 디메틸포름아마이드(DMF)와 디메틸설폭사이드(DMSO)의 부피비가 4:1인 용액 1 mL에 용해시킨 혼합용액을 디메틸설폭사이드를 용매로한 1.5 M의 CsI 용액과 부피비 95:5로 혼합하여 Cs0.05(FAPbI3)0.79(MAPbBr3)0.16의 페로브스카이트 전구체 용액을 제조하였다.
질소 충전 글로브 박스(nitrogen-filled glove box)에서 상기 페로브스카이트 전구체 용액을 상기 전자 전달층 상에 1,000 rpm으로 10초, 6,000 rpm으로 20초 동안 스핀코팅 하였고, 스핀코팅 종료 5초 전에 500 μL의 클로로벤젠을 분사하였다. 다음으로, 100℃에서 1시간 동안 열처리하여 페로브스카이트 구조를 갖는 약 500 nm 두께의 광활성층을 형성하였다.
0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 5,000 rpm으로 40초 동안 다이나믹 스핀 코팅하여 Al2O3 무기물 구조체를 제조하였다.
정공 전달 유기물로 72.3 mg의 Spiro-OMeTAD, 도판트로 27.8 μL의 4-tert-부틸 피리딘(4-tert-butyl pyridine, tBP), 17.8 μL의 Li-TFSI 및 3 mg의 Co(Ⅱ) PF6를 클로로벤젠에 녹여 혼합용액을 제조하였다. 상기 혼합용액을 상기 Al2O3 무기물 구조체에 5,000 rpm으로 30초 동안 스핀 코팅하여 정공 전달층을 형성하였다.
이어서 10- 7torr 이하의 진공도를 가진 진공 챔버에서 Au 전극을 약 100㎚로 증착하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
실시예 1-2: Al 2 O 3 1.0 wt% 포함하는 정공 전달층
정공 전달층에서, 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것 대신에 1.0 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
실시예 1-3: Al 2 O 3 1.5 wt% 포함하는 정공 전달층
정공 전달층에서, 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것 대신에 1.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
실시예 2: MgO 및 spiro - OMeTAD를 포함하는 정공 전달층
실시예 2-1: MgO 0.5 wt% 포함하는 정공 전달층
정공 전달층에서, 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것 대신에 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화마그네슘(MgO) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
실시예 2-2: MgO 1.0 wt% 포함하는 정공 전달층
정공 전달층에서, 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것 대신에 1.0 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화마그네슘(MgO) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
실시예 2-3: MgO 1.5 wt% 포함하는 정공 전달층
정공 전달층에서, 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것 대신에 1.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화마그네슘(MgO) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
실시예 3: BN 및 spiro - OMeTAD를 포함하는 정공 전달층
실시예 3-1: BN 0.5 wt% 포함하는 정공 전달층
정공 전달층에서, 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것 대신에 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 질화붕소(BN) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
실시예 3-2: BN 1.0 wt% 포함하는 정공 전달층
정공 전달층에서, 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것 대신에 1.0 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 질화붕소(BN) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다
실시예 3-3: BN 1.5 wt% 포함하는 정공 전달층
정공 전달층에서, 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것 대신에 1.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 질화붕소(BN) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
실시예 4: AlN 및 spiro - OMeTAD를 포함하는 정공 전달층
실시예 4-1: AlN 0.5 wt% 포함하는 정공 전달층
정공 전달층에서, 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것 대신에 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 질화알루미늄(AlN) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
실시예 4-2: AlN 1.0 wt% 포함하는 정공 전달층
정공 전달층에서, 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것 대신에 1.0 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 질화알루미늄(AlN) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
실시예 4-3: AlN 1.5 wt% 포함하는 정공 전달층
정공 전달층에서, 0.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 산화알루미늄(Al2O3) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것 대신에 1.5 wt%로 이소프로필알코올에 분산되어 있는 질화알루미늄(AlN) 용액을 사용하여 무기물 구조체를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
비교예 1
광활성층 상에 무기물 구조체를 형성하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다. 따라서, 상기 페로브스카이트 태양전지는 도판트가 도핑된 Spiro-MeOTAD를 정공 전달층으로 포함한다.
[시험예]
시험예 1: 페로브스카이트 태양전지의 각 층별 온도 상승 비교
도 2는 종래의 페로브스카이트 태양전지의 광 조사 하에서 시간에 따른 각 층별 온도를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 페로브스카이트 태양전지의 소자 내부에서 가장 온도가 높아지는 층을 확인할 수 있으며 페로브스카이트층(광활성층)이 동일 시간대에서 가장 높은 온도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 페로브스카이트층(광활성층)으로부터 다른 층으로 열전도가 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
시험예 2: 무기물 구조체의 종류 및 함량에 따른 정공 전달층의 열전도도 변화
도 3은 실시예 1-1 내지 4-3에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지에서 정공 전달층의 열전도도를 나타낸 것이고, 아래 표 1은 사용된 무기물 구조체의 종류에 따른 열전도도를 정리하여 나타낸 것이다.
구분 무기물 구조체 종류 열전도도 [W/mK]
실시예 1 산화알루미늄(Al2O3) 20
실시예 2 산화마그네슘(MgO) 60
실시예 3 질화붕소(BN) 120
실시예 4 질화알루미늄(AlN) 180
비교예 1 - 0.3
도 3 및 표 1을 참조하면, 무기물 구조체를 포함함에 따라 정공 전달층의 열전도도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 무기물 구조체의 열전도도가 높을수록 열전도도가 더 높으며 이러한 정공 전달층을 태양전지에 도입할 경우 소자의 방열에 용이할 것으로 판단된다.
시험예 3: 무기물 구조체의 종류 및 함량에 따른 소자의 냉각속도 비교
도 4a는 실시예 1-1 내지 2-3 및 비교예 1의 페로브스카이트 태양전지에서 정공 전달층의 냉각속도를 비교한 것이고, 도 4b는 실시예 3-1 내지 4-3 및 비교예 1의 페로브스카이트 태양전지에서 정공 전달층의 냉각속도를 비교한 것이다.
상세하게는, 냉각속도를 비교하기 위해 소자를 초기의 85 ℃의 핫플레이트 위에서 가열하였으며, 해당 온도에 도달한 이후 25 ℃의 냉각판 위로 소자를 옮겼고 이때 소자별 온도를 시간에 따라 비교한 것이다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 정공 전달층의 열전도도와 냉각속도가 비례한다는 사실을 알 수 있으며 높은 열전도도를 가진 정공 전달층을 사용하면 페로브스카이트 태양전지의 안정성이 향상할 것으로 예상된다.
시험예 4: 페로브스카이트 태양전지의 구동 효율 측정
아래 표 2는 실시예 1-3, 2-3, 3-3, 4-3 및 비교예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 특성을 비교하여 나타낸 것이다.
구분 정공 전달층
무기물 구조체 종류		 광 단락 전류밀도
[JSC, mA/cm2]		 광 개방 전압
[VOC, V]		 필 팩터
[FF]		 광전변환효율
(%)
실시예 1-3 산화알루미늄(Al2O3) 22.7 1.19 78.8 21.2
실시예 2-3 산화마그네슘(MgO) 22.7 1.19 77.6 20.86
실시예 3-3 질화붕소(BN) 22.0 1.09 69.3 16.53
실시예 4-3 질화알루미늄(AlN) 22.0 1.06 70.6 16.42
비교예 1 - 23.8 1.14 78.3 21.3
상기 표 2를 참조하면, 실시예 1-3 및 실시예 2-3과 같이 산화알루미늄 및 산화마그네슘을 포함하는 정공 전달층의 경우, Spiro-OMeTAD만을 사용한 비교예 1과 견주어도 고효율을 잘 유지하는 것을 확인할 수 있다.
반면에, 실시예 3-3 및 실시예 4-3과 같이 질화붕소 및 질화알루미늄을 포함할 경우 소자 성능이 저하되었는데, 이는 상대적으로 나노입자 크기가 큰(> 50 nm) 질화붕소 및 질화알루미늄이 정공 전달층 내에 고르게 분산되지 않아 전하의 흐름을 방해하기 때문이다.
시험예 5: 페로브스카이트 태양전지의 안정성 평가
도 5a는 실시예 1-3, 2-3, 3-3, 4-3 및 비교예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 25 ℃, 25 % 상대습도에서 봉지화 하지 않았을 때 시간에 따른 안정성을 나타낸 것이고, 도 5b는 실시예 1-3, 2-3, 3-3, 4-3 및 비교예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 85 ℃, 85 % 상대습도에서 봉지화 하지 않았을 때 시간에 따른 안정성을 나타낸 것이다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 25 ℃, 25 % 상대습도에서는 모든 소자가 우수한 안정성을 나타내며 안정성의 차이가 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 반면에 85 ℃, 85 % 상대습도의 극악 조건에서는 그 차이가 두드러졌으며, 실시예 1-3, 2-3, 3-3 및 4-3의 태양전지는 정공 전달층이 무기물 구조체를 포함함에 따라 극악 조건에서도 높은 안정성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 고열전도성인 무기물 구조체를 정공 전달층에 도입함으로써 우수한 방열 특성과 외부 물질(수분 및 산소)의 유입이 효과적으로 차단되기 때문으로 본 발명의 정공 전달층이 훨씬 개선된 안정성을 제공하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 복수의 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 열전도성 무기물 구조체; 및
    상기 기공에 위치하는 정공전달 유기물질;을 포함하고,
    상기 나노입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하고,
    복수의 상기 나노입자 중 일부가 정공 전달층의 상단면에 위치하고,
    복수의 상기 나노입자 중 다른 일부가 상기 정공 전달층의 하단면에 위치하고,
    복수의 상기 나노입자 중 또 다른 일부가 상단면에 위치한 상기 나노입자와 하단면에 위치한 상기 나노입자를 서로 연결하고,
    상기 나노입자의 연결이 접촉에 의한 연결 또는 열적 연결이고,
    상기 정공전달 유기물질 중 일부가 상기 정공 전달층의 상단면에 위치하고,
    상기 정공전달 유기물질 중 다른 일부가 상기 정공 전달층의 하단면에 위치하고,
    상기 정공전달 유기물질 중 또 다른 일부가 상단면에 위치한 상기 정공전달 유기물질과 하단면에 위치한 상기 정공전달 유기물질을 서로 연결하고,
    상기 정공전달 유기물질의 연결이 접촉에 의한 연결 또는 전기적 연결인 것인, 정공 전달층.
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  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자의 직경(dNP)이 10 내지 50nm이고,
    상기 나노입자의 직경(dNP)에 대한 상기 정공 전달층의 두께(dHTL)의 비율(dHTL/dNP)이 3 내지 5인 것을 특징으로 하는 정공 전달층.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무기물은 HOMO(Highest occupied molecular orbital) 에너지 준위가 -5.6eV보다 작고, LUMO(Lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 준위가 -3.9eV보다 큰 것을 특징으로 하는 정공 전달층.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 무기물이 Al2O3, MgO, BN, AlN, SiO2, Si3N4 및 SiC로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정공 전달층.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 정공전달 유기물질이 2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene (Spiro-OMeTAD), Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine (PTAA), Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), Poly(3-alkylthiophene) (P3AT), Poly(3-octylthiophene-2,5-diyl) (P3OT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), Poly{4,7-bis(5-bromothiophen-2-yl)-5-(decyloxy)-6-ethoxybenzo[c][1,2,5]thiadiazole} (PBT), Poly{(4,8-bis((2-butyloctyl)oxy)benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl)bis(trimethylstannane)} (PBDT), Poly(BT)-(BDT)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정공 전달층.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 정공전달 유기물질이 도판트로 도핑되고,
    상기 도판트가 Li-TFSI, Co(Ⅱ)PF6, 4-tert-부틸 피리딘(4-tert-butyl pyridine, tBP), AgTFSI 및 CuI로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정공 전달층.
  11. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 전자 전달층;
    상기 전자 전달층 상에 형성되고, 페로브스카이트 물질을 포함하는 광활성층;
    상기 광활성층 상에 형성되고, 제1항에 따른 정공 전달층; 및
    상기 정공 전달층 상에 형성된 제2 전극;을
    포함하는 페로브스카이트 태양전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전극이 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드 (AZO), 인듐틴옥사이드-은-인듐틴옥사이드(ITO-Ag-ITO), 인듐징크옥사이드-은-인듐징크옥사이드(IZO-Ag-IZO), 인듐징크틴옥사이드-은-인듐징크틴옥사이드 (IZTO-Ag-IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드-은-알루미늄징크옥사이드(AZO-Ag-AZO)로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전자 전달층이 SnO2, ZnO, TiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3, WO3, In2O3, BaTiO3, BaSnO3 및 ZrO3로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 물질이 CH3NH3PbI3 - xClx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3 -xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbCl3 - xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3 - xFx(0≤x≤3인 실수), NH2CH=NH2PbI3 - xClx (0≤x≤3인 실수), NH2CH=NH2PbI3 - xBrx(0≤x≤3인 실수), NH2CH=NH2PbCl3-xBrx(0≤x≤3인 실수), NH2CH=NH2PbI3 - xFx(0≤x≤3인 실수) 및 Csk(NH2CH=NH2PbI3)(1-k-x)(CH3NH3PbBr3)x(0≤k≤0.3인 실수, 0≤x≤1-k인 실수)로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제2 전극이 Ag, Au, Al, Fe, Ag, Cu, Cr, W, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh 및 Mg로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.
  16. (1) 나노입자를 포함하는 용액을 코팅하고 건조하여 복수의 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 열전도성 무기물 구조체를 형성하는 단계; 및
    (2) 상기 열전도성 무기물 구조체 상에 정공전달 유기물질을 포함하는 용액을 코팅하고 건조하여 상기 기공에 위치하는 정공전달 유기물질을 포함하는 정공 전달층을 형성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 나노입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하고,
    복수의 상기 나노입자 중 일부가 상기 정공 전달층의 상단면에 위치하고,
    복수의 상기 나노입자 중 다른 일부가 상기 정공 전달층의 하단면에 위치하고,
    복수의 상기 나노입자 중 또 다른 일부가 상단면에 위치한 상기 나노입자와 하단면에 위치한 상기 나노입자를 서로 연결하고,
    상기 나노입자의 연결이 접촉에 의한 연결 또는 열적 연결이고,
    상기 정공전달 유기물질 중 일부가 상기 정공 전달층의 상단면에 위치하고,
    상기 정공전달 유기물질 중 다른 일부가 상기 정공 전달층의 하단면에 위치하고,
    상기 정공전달 유기물질 중 또 다른 일부가 상단면에 위치한 상기 정공전달 유기물질과 하단면에 위치한 상기 정공전달 유기물질을 서로 연결하고,
    상기 정공전달 유기물질의 연결이 접촉에 의한 연결 또는 전기적 연결인 것인, 정공 전달층의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    단계 (2)에서 상기 코팅에 의해 상기 정공전달 유기물질을 포함하는 용액이 상기 기공에 함침되는 것을 특징으로 정공 전달층의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 단계 (1) 및 (2)의 코팅이 스핀코팅, 스프레이코팅, 화학기상증착법 및 원자층증착법으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 정공 전달층의 제조방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 단계 (1)에서, 상기 나노입자를 포함하는 용액이 상기 나노입자를 0.1 내지 3 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 정공 전달층의 제조방법.
  20. (a) 제1 전극 상에 전자 전달층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 전자 전달층 상에 페로브스카이트 전구체를 포함하는 용액을 코팅하는 단계;
    (c) 상기 전자 전달층 상에 코팅된 페로브스카이트 전구체 코팅층을 열처리하여 페로브스카이트 물질을 포함하는 광활성층을 형성하는 단계;
    (d) 상기 광활성층 상에 나노입자를 포함하는 용액을 코팅하여 복수의 나노입자를 포함하고, 상기 나노입자로 둘러싸인 기공을 갖는 열전도성 무기물 구조체를 형성하는 단계;
    (e) 상기 열전도성 무기물 구조체 상에 정공전달 유기물질을 포함하는 용액을 코팅하여 상기 기공에 위치하는 정공전달 유기물질을 포함하는 정공 전달층을 형성하는 단계; 및
    (f) 상기 정공 전달층 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 나노입자는 금속 산화물 및 금속 질화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 무기물을 포함하고,
    복수의 상기 나노입자 중 일부가 상기 정공 전달층의 상단면에 위치하고,
    복수의 상기 나노입자 중 다른 일부가 상기 정공 전달층의 하단면에 위치하고,
    복수의 상기 나노입자 중 또 다른 일부가 상단면에 위치한 상기 나노입자와 하단면에 위치한 상기 나노입자를 서로 연결하고,
    상기 나노입자의 연결이 접촉에 의한 연결 또는 열적 연결이고,
    상기 정공전달 유기물질 중 일부가 상기 정공 전달층의 상단면에 위치하고,
    상기 정공전달 유기물질 중 다른 일부가 상기 정공 전달층의 하단면에 위치하고,
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WO2022260332A1 (ko) * 2021-06-10 2022-12-15 성균관대학교산학협력단 페로브스카이트 광전소자 및 이의 제조방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160083850A (ko) * 2013-09-04 2016-07-12 다이솔 엘티디 광전지 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160083850A (ko) * 2013-09-04 2016-07-12 다이솔 엘티디 광전지 장치

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ORGANIC ELECTRONICS 53 (2018) 66-73* *
PHYS. CHEM. CHEM. PHYS., 2017, 19, 25016_25024* *
SUSTAINABLE ENERGY FUELS, 2019, 3, 1418-1426* *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022260332A1 (ko) * 2021-06-10 2022-12-15 성균관대학교산학협력단 페로브스카이트 광전소자 및 이의 제조방법

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