KR102472294B1 - Inorganic-organic Perovskite Compound Having Improved Stability - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 유무기 페로브스카이트 화합물은 아미디니움계 1가 양이온, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 및 세슘 이온을 포함하는 유무기 양이온; 2가 금속 이온을 포함하는 무기 양이온; 및 할로겐 이온을 포함하는 음이온;을 함유한다.Organic/inorganic perovskite compounds according to the present invention include organic/inorganic cations including amidinium-based monovalent cations, alkylenediammonium-based divalent cations, and cesium ions; Inorganic cations containing divalent metal ions; and anions including halogen ions.

Description

향상된 안정성을 갖는 무유기 페로브스카이트 화합물{Inorganic-organic Perovskite Compound Having Improved Stability }Inorganic-organic Perovskite Compound Having Improved Stability

본 발명은 향상된 안정성을 갖는 무유기 페로브스카이트 화합물에 관한 것으로, 상세하게, 응력 제어를 통해 향상된 구조 안정성 및 열 안정성을 가지며, 우수한 광전변환특성을 갖는 무유기 페로브스카이트 화합물 및 이를 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다. The present invention relates to an inorganic perovskite compound having improved stability and, in detail, to an inorganic perovskite compound having improved structural stability and thermal stability through stress control and excellent photoelectric conversion characteristics, including the same It is about a perovskite solar cell that does.

무유기 페로브스카이트 화합물로 불리는 페로브스카이트 구조의 무-유기 하이브리드 할라이드 페로브스카이트 결정(inorganic-organic halide perovskite crystals)은 통상적으로 유기 양이온(A), 금속 양이온(M) 및 할로겐 음이온(X)으로 이루어지며, AMX3의 화학식으로 대표되는 물질이다. Inorganic-organic halide perovskite crystals of the perovskite structure, called inorganic perovskite compounds, are usually organic cations (A), metal cations (M) and halide anions. It is composed of (X) and is a substance represented by the chemical formula of AMX 3 .

페로브스카이트 구조의 무-유기 하이브리드는 우수한 광 흡수 특성, 긴 전하 캐리어 확산 길이, 높은 흡수 계수, 낮은 트랩 밀도 및 작은 엑시톤 결합 에너지를 가져, 발광 소자, 광 발전 소자, 반도체 소자등 다양한 분야에서 페로브스카이트 구조의 무-유기 하이브리드에 대한 관심이 높아지고 있다. Non-organic hybrids of perovskite structures have excellent light absorption properties, long charge carrier diffusion length, high absorption coefficient, low trap density, and small exciton binding energy, so they can be used in various fields such as light emitting devices, photovoltaic devices, and semiconductor devices. Interest in non-organic hybrids of perovskite structures is increasing.

현재 무-유기 하이브리드 소재를 광흡수체로 이용하는 페로브스카이트 태양전지는 염료감응 및 유기 태양전지를 비롯한 차세대 태양전지 중에서 가장 상용화에 근접해 있으며, 실리콘 태양전지에 버금가는 20%에 이르는 효율이 보고(대한민국 공개특허 제2014-0035284호)된 바 있다.Currently, perovskite solar cells using non-organic hybrid materials as light absorbers are closest to commercialization among next-generation solar cells, including dye-sensitized and organic solar cells, and have reported an efficiency of up to 20% comparable to silicon solar cells ( Korean Patent Publication No. 2014-0035284).

또한, 페로브스카이트 구조의 무-유기 하이브리드는 소재 가격이 매우 낮고, 저온 공정이나 저가의 용액 공정이 가능하여 상업성이 우수하다. In addition, the non-organic hybrid of the perovskite structure has a very low material price and excellent commerciality because it can be processed at a low temperature or a low-cost solution process.

그러나, 페로브스카이트 구조의 무-유기 하이브리드는 이러한 상업적/물성적 장점을 가짐에도 불구하고, 광, 열 및 수분에 대한 안정성이 매우 떨어져, 상업화를 위해서는 무엇보다도 안정성을 향상시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다. However, despite having such commercial/physical advantages, the non-organic hybrid of the perovskite structure has very poor stability against light, heat and moisture, so for commercialization, development of technology that can improve stability above all this is being requested

한편, 현재 가장 우수한 광전변환효율을 나타내는 것으로 알려진 무-유기 하이브리드는 아미디니움계 양이온에 기반한다. 그러나, 최고 효율을 나타내는 아미디니움계 양이온 기반 무-유기 하이브리드 소재는 광, 열 및 수분에 대한 불안정성과 함께 상 불안정성(광에 불활성인 δ-상의 형성 및 α-상에서 δ-상으로의 상전이) 또한 갖는 문제점이 있다.On the other hand, non-organic hybrids known to exhibit the highest photoelectric conversion efficiency are based on amidinium-based cations. However, amidinium-based cation-based non-organic hybrid materials exhibiting the highest efficiency have instability to light, heat and moisture as well as phase instability (formation of δ-phase inactive to light and phase transition from α-phase to δ-phase) There are also problems with it.

상 불안정성을 해결하기 위해 α-상을 안정화시키는 안정화제로 아미디니움계 양이온에 소량의 메틸암모늄과 브롬이온을 동시에 혼합하는 기술이 제안된 바 있으나, 메틸암모늄은 열이나 수분에 매우 쉽게 분해되어 아미디니움계 양이온 기반 무-유기 하이브리드의 수분 및 열안정성을 크게 저하시키고, 브롬 이온의 첨가는 무-유기 하이브리드 소재의 밴드갭을 증가시켜 광흡수 영역을 좁게 만드는 문제점이 있다. In order to solve the phase instability, a technique of simultaneously mixing a small amount of methylammonium and bromide ions with amidinium-based cations as a stabilizer to stabilize the α-phase has been proposed, but methylammonium is very easily decomposed by heat or moisture and There is a problem in that the moisture and thermal stability of the medium-based cation-free non-organic hybrid is greatly reduced, and the addition of bromine ions increases the band gap of the non-organic hybrid material to narrow the light absorption region.

대한민국 공개특허 제2014-0035284호Republic of Korea Patent Publication No. 2014-0035284

본 발명은 격자 잔류 응력 제어에 의해, 보다 향상된 안정성과 광전변환효율을 갖는 무유기 페로브스카이트 화합물을 제공하는 것이다.The present invention provides an inorganic perovskite compound having more improved stability and photoelectric conversion efficiency by controlling the lattice residual stress.

본 발명에 따른 유무기 페로브스카이트 화합물은 아미디니움계 1가 양이온, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 및 세슘 이온을 포함하는 유무기 양이온; 2가 금속 이온을 포함하는 무기 양이온; 및 할로겐 이온을 포함하는 음이온;을 함유한다.Organic/inorganic perovskite compounds according to the present invention include organic/inorganic cations including amidinium-based monovalent cations, alkylenediammonium-based divalent cations, and cesium ions; Inorganic cations containing divalent metal ions; and anions including halogen ions.

본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 페로브스카이트 화합물에 있어, 상기 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온은 C1-C3 알킬렌다이암모늄 양이온을 포함할 수 있다.In the organic-inorganic perovskite compound according to an embodiment of the present invention, the alkylenediammonium-based divalent cation may include a C1-C3 alkylenediammonium cation.

본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 페로브스카이트 화합물에 있어, 상기 유무기 양이온에서, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 : 세슘 이온의 몰비는 1 : 0.9 내지 1.1일 수 있다.In the organic-inorganic perovskite compound according to an embodiment of the present invention, in the organic-inorganic cation, the molar ratio between the divalent alkylenediammonium cation and the cesium ion may be 1:0.9 to 1.1.

본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 페로브스카이트 화합물에 있어, 상기 무기 양이온 1몰을 기준으로, 0.010 내지 0.050몰의 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온을 함유할 수 있다.In the organic-inorganic perovskite compound according to an embodiment of the present invention, 0.010 to 0.050 moles of alkylenediammonium-based divalent cations may be contained based on 1 mole of the inorganic cations.

본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 페로브스카이트 화합물에 있어, 상기 무기 양이온 1몰을 기준으로, 0.025 내지 0.035몰의 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온을 함유할 수 있다.In the organic-inorganic perovskite compound according to an embodiment of the present invention, 0.025 to 0.035 moles of alkylenediammonium-based divalent cations may be contained based on 1 mole of the inorganic cations.

본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 페로브스카이트 화합물은 하기 화학식 1을 만족할 수 있다.The organic-inorganic perovskite compound according to an embodiment of the present invention may satisfy Formula 1 below.

AMX3 AMX 3

A는 상기 유무기 양이온이며, M은 상기 무기 양이온이고, X는 상기 음이온이다.A is the organic-inorganic cation, M is the inorganic cation, and X is the anion.

본 발명의 일 실시예에 따른 유무기 페로브스카이트 화합물은 상기 유무기 양이온의 총 몰수를 100%로 하여, 90% 이상의 아미디니움계 1가 양이온을 함유하는 아미디니움계 페로브스카이트 화합물일 수 있다.The organic-inorganic perovskite compound according to an embodiment of the present invention is an amidinium-based perovskite containing 90% or more of amidinium-based monovalent cations, with the total number of moles of the organic-inorganic cations as 100%. can be a compound.

본 발명은 상술한 유무기 페로브스카이트 화합물의 층을 광흡수층으로 포함하는 페로브스카이트 태양전지를 포함한다.The present invention includes a perovskite solar cell including the above-described organic-inorganic perovskite compound layer as a light absorption layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어, 상기 광흡수층의 우바흐 에너지(Urbach energy, Eu)는 아미디니움계 1가 양이온, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온, 2가 금속 이온 및 할로겐 음 이온으로 이루어진 레퍼런스 광흡수층의 우바흐 에너지 대비 90% 이하일 수 있다.In the perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention, Urbach energy (Eu) of the light absorption layer is amidinium-based monovalent cation, alkylenediammonium-based divalent cation, and divalent metal It may be 90% or less of the Ubach energy of the reference light absorption layer composed of ions and halogen anions.

본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어, 윌리암슨-홀 법(Williamson-hall method)을 이용하여 산출된 상기 광흡수층의 잔류 응력(residual strain, ε)은 0.0010 이하일 수 있다.In the perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention, the residual strain (ε) of the light absorption layer calculated using the Williamson-hall method may be 0.0010 or less.

본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지에 있어, 열자극 전류(thermally stimulated current) 측정 결과로부터 산출된 상기 광흡수층의 트랩 밀도(trap density)는 아미디니움계 1가 양이온, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온, 2가 금속 이온 및 할로겐 음이온으로 이루어진 레퍼런스 광흡수층의 트랩 밀도 대비 60% 이하일 수 있다.In the perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention, the trap density of the light absorption layer calculated from the result of measuring the thermally stimulated current is amidinium-based monovalent cation, alkyl The trap density may be 60% or less of the trap density of the reference light absorbing layer composed of rendiammonium-based divalent cations, divalent metal ions, and halide anions.

본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 차광 조건에서 85℃의 온도 및 15% 이하의 상대습도에 1300시간동안 노출되는 열안정성 테스트시, 테스트 전 광전변환효율을 기준으로 80% 이상의 광전변환효율이 유지될 수 있다.The perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention was tested for thermal stability exposed to a temperature of 85° C. and a relative humidity of 15% or less for 1300 hours under light-shielding conditions, and the photoelectric conversion efficiency before the test was 80%. The above photoelectric conversion efficiency can be maintained.

본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 AM(standard air mass) 1.5G에서 22.0% 이상의 광전변환효율을 가질 수 있다.A perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention may have a photoelectric conversion efficiency of 22.0% or more at a standard air mass (AM) of 1.5G.

본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 상기 광흡수층 하부에 위치하는 제1전하전달체; 상기 광흡수층 상부에 위치하며 제1전하전달체와 상보적 전하를 이송하는 제2전하전달체; 제1전하전달체 하부에 위치하는 제1전극; 및 제2전하전달체 상부에 위치하는 제2전극;을 포함할 수 있다.A perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention includes a first charge carrier positioned under the light absorption layer; a second charge carrier located above the light absorption layer and transporting charges complementary to the first charge carrier; a first electrode positioned below the first charge carrier; and a second electrode positioned on the second charge carrier.

본 발명에 따른 무유기 페로브스카이트 화합물은 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 페로브스카이트 구조 내에 혼용(substituting)됨으로써, 에너지 밴드갭의 유의미한 증가 없이, 격자의 잔류 응력을 최소화할 수 있으며, 이러한 잔류 응력 억제에 의해, 페로브스카이트 화합물 내 딥 트랩(deep trap)의 형성과 비-방사성 재결합이 방지되어, 우수한 광전변환효율을 가질 수 있다. The inorganic perovskite compound according to the present invention minimizes the residual stress of the lattice without significantly increasing the energy band gap by substituting alkylenediammonium divalent cations and cesium ions in the perovskite structure. And, by suppressing the residual stress, the formation of deep traps and non-radiative recombination in the perovskite compound are prevented, so that excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained.

또한, 유리한 일 예에 따른 무유기 페로브스카이트 화합물은, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 페로브스카이트 구조 내에 혼용되고, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 실질적으로 동량의 세슘 이온이 도입됨으로써, 상 안정성 뿐만 아니라, 우수한 열 및 광 안정성을 갖는 장점이 있다. In addition, in the inorganic perovskite compound according to an advantageous example, alkylenediammonium-based divalent cations and cesium ions are mixed in the perovskite structure, and substantially the same amount of cesium as alkylenediammonium-based divalent cations is used. By introducing ions, there is an advantage of having excellent thermal and light stability as well as phase stability.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 Cu Kα X-선 회절 패턴을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 Cu Kα X-선 회절 패턴에서 2θ 13.5~14.4°영역을 상세 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 스침각 입사 광각 X-선 산란 스펙트럼(도 3(a)) 및 방사각(azimuthal)에 따른 (001)면의 산란 강도 스펙트럼(도 3(b))을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 UV-Vis 흡수 스펙트럼 및 평준화된 광발광 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 성능을 측정 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 표면을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 잔류 응력(residual strain, ε)을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 정상상태 광발광 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 시-분해 광발광(time-resolved photoluminescence) 특성을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 우바흐 에너지(Eu)를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 열자극 전류 측정결과(도 11(a)) 및 트랩 밀도(도 11(b))를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 전류밀도-전압 특성을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 열 안정성 테스트 결과를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 장기 열 안정성 테스트 결과를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 최대 전력점 추적 결과를 도시한 도면이다.
1 is a view showing a Cu Kα X-ray diffraction pattern of a perovskite compound film prepared according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a view showing in detail the 2θ 13.5 ~ 14.4 ° region in the Cu Kα X-ray diffraction pattern of the perovskite compound film prepared according to an embodiment of the present invention.
3 is a grazing angle incidence wide-angle X-ray scattering spectrum (FIG. 3(a)) of a perovskite compound film prepared according to an embodiment of the present invention and the scattering intensity of the (001) plane according to the azimuthal It is a diagram showing the spectrum (FIG. 3(b)).
4 is a diagram showing a UV-Vis absorption spectrum and a leveled photoluminescence spectrum of a perovskite compound film prepared according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing measurement of the performance of a perovskite solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
6 is a scanning electron micrograph of the surface of a perovskite compound film prepared according to an embodiment of the present invention.
7 is a view showing residual strain (ε) of a perovskite compound film manufactured according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram showing a steady-state light emission spectrum of a perovskite compound film prepared according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram showing time-resolved photoluminescence characteristics of a perovskite compound film prepared according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing Ubach energy (Eu) of a perovskite compound film prepared according to an embodiment of the present invention.
11 is a view showing the thermal stimulation current measurement result (FIG. 11(a)) and trap density (FIG. 11(b)) of a perovskite solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram showing current density-voltage characteristics of a perovskite solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
13 is a diagram showing the results of a thermal stability test of a perovskite solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
14 is a diagram illustrating long-term thermal stability test results of a perovskite solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
15 is a diagram showing a maximum power point tracking result of a perovskite solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 무유기 페로브스카이트 화합물을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the inorganic perovskite compound of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as examples to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention may be embodied in other forms without being limited to the drawings presented below, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, unless there is another definition in the technical terms and scientific terms used, they have meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of well-known functions and configurations that may be unnecessarily obscure are omitted.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Also, the singular forms used in the specification and appended claims may be intended to include the plural forms as well, unless the context dictates otherwise.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다. In this specification and the appended claims, terms such as first and second are used for the purpose of distinguishing one element from another, not in a limiting sense.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. In this specification and the appended claims, terms such as include or have mean that features or elements described in the specification exist, and unless specifically limited, one or more other features or elements may be added. It does not preclude the possibility that it will happen.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 막(층), 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분과 접하여 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막(층), 다른 영역, 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다. In this specification and the appended claims, when a part of a film (layer), region, component, etc. is on or on another part, not only when it is in contact with and directly on top of another part, but also when another film ( layer), other areas, other components, etc. are interposed.

본 출원인은 무유기 페로브스카이트 화합물 중 가장 우수한 광전변환효율을 나타내는 아미디니움계 페로브스카이트 화합물의 상 안정성을 향상시키고자 연구를 수행한 결과, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온을 아미디니움계 페로브스카이트 화합물에 도입하는 경우, 엔트로피 안정화(entropic stabilization) 효과와 높은 δ-상 생성 에너지에 의해 α-상이 안정화됨을 확인하였으며, 또한, 이와 함께 2가 양이온에 의해 할로겐 음이온과 유기 양이온간의 이온 결합력의 증가하여 종래 아미디니움계 페로브스카이트 화합물보다 우수한 열 및 수분 안정성을 가짐을 확인하였다. As a result of research to improve the phase stability of the amidinium-based perovskite compound, which exhibits the best photoelectric conversion efficiency among inorganic perovskite compounds, the present applicant has found that alkylenediammonium-based divalent cations are When introduced into the medium-based perovskite compound, it was confirmed that the α-phase was stabilized by the entropic stabilization effect and the high δ-phase generation energy. It was confirmed that the ionic bonding force between the cations was increased, and thus, it had better thermal and moisture stability than conventional amidinium-based perovskite compounds.

그러나, 아미디니움계 페로브스카이트 화합물에 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온이 도입에 의해 페로브스카이트 격자 구조에 큰 잔류 응력(residual strain)이 야기되어 페로브스카이트 화합물의 물성을 저하시키는 주 요인으로 작용함을 발견하였다. However, the introduction of alkylenediammonium-based divalent cations into the amidinium-based perovskite compound causes a large residual strain in the perovskite lattice structure to deteriorate the physical properties of the perovskite compound. It was found that Shiki acts as a major factor.

이에, 아미디니움계 페로브스카이트 화합물의 물성과 안정성을 더욱 향상시키고자 하는 연구를 수행한 결과, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+를 페로브스카이트 구조에 동시 도입하는 경우, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 도입에 의한 상 안정성 향상 효과가 그대로 유지되면서도 물질의 광전변환효율과 안정성이 크게 향상되며, 에너지 밴드갭의 증가와 같은 원치 않는 물성 변화가 나타나지 않는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다. Therefore, as a result of conducting research to further improve the physical properties and stability of amidinium-based perovskite compounds, when alkylenediammonium-based divalent cations and Cs + are simultaneously introduced into the perovskite structure, The present invention confirmed that the photoelectric conversion efficiency and stability of the material are greatly improved, and unwanted physical property changes such as an increase in energy band gap do not appear while the phase stability improvement effect by the introduction of alkylenediammonium-based divalent cations is maintained. has been completed.

상술한 발견에 기반한 본 발명에 따른 무유기 페로브스카이트 화합물은 아미디니움계 1가 양이온, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 및 세슘 이온을 포함하는 유무기 양이온; 2가 금속 이온을 포함하는 무기 양이온; 및 할로겐 이온을 포함하는 음이온;을 포함한다.The inorganic perovskite compound according to the present invention based on the above findings includes organic and inorganic cations including amidinium-based monovalent cations, alkylenediammonium-based divalent cations, and cesium ions; Inorganic cations containing divalent metal ions; and anions including halogen ions.

본 발명에서 무유기 페로브스카이트 화합물, 유무기 페로브스카이트 화합물 또는 페로브스카이트 화합물은 페로브스카이트 구조를 갖는 무-유기 하이브리드 소재를 의미할 수 있다. 페로브스카이트 구조는 유기 양이온(A), 금속 양이온(M) 및 음이온(X)을 포함하며, A(유기 양이온)은 AX12로 12개의 X(음이온)과 결합하여 입방 팔면체 구조를 형성하고 M(금속 양이온)은 MX6로 X(음이온)과 팔면체 구조로 결합한 3차원 구조를 의미할 수 있다. 즉, 페로브스카이트 구조는 일반적으로 MX6 팔면체가 모서리를 공유하는 3차원 네트워크를 가지며, A는 일반적으로 MX6 8면체 사이에서 12중 배위 정공들에 위치하는 양이온일 수 있다. 이때, 비록 음이온과 결합하여 입방 팔면체 구조를 형성하는 A 자리의 이온을 유기 양이온으로 통칭하였으나, 본 발명에서 도입된 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 페로브스카이트 격자 구조에서 A 자리에 치환(substituting)됨에 따라, A는 엄밀하게 유기 양이온만을 지칭하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 1가의 유기 양이온 및 도입된 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온 모두를 지칭하는 것으로 해석되어야 한다. 이에, A 자리에 도입되는 세슘 이온을 고려할 때, 페로브스카이트 구조에서 A는 유무기 양이온으로 지칭될 수 있다. In the present invention, the inorganic perovskite compound, the organic-inorganic perovskite compound, or the perovskite compound may mean a non-organic hybrid material having a perovskite structure. The perovskite structure includes an organic cation (A), a metal cation (M), and an anion (X), and A (organic cation) is AX 12 and is combined with 12 X (anions) to form a cubic octahedral structure, M (metal cation) is MX 6 and may mean a three-dimensional structure combined with X (anion) in an octahedral structure. That is, the perovskite structure generally has a three-dimensional network in which MX 6 octahedrons share edges, and A may generally be a cation located in the 12-fold coordination holes between MX 6 octahedrons. At this time, although the A site ion combining with the anion to form a cubic octahedral structure is collectively referred to as an organic cation, the alkylenediammonium divalent cation and the cesium ion introduced in the present invention form the A site in the perovskite lattice structure. As substituting in , A should not be construed to refer strictly to organic cations only, but to both monovalent organic cations and introduced alkylenediammonium divalent cations and cesium ions. . Accordingly, when considering the cesium ion introduced at the A site, A in the perovskite structure may be referred to as an organic/inorganic cation.

일 구체예에 따른 무유기 페로브스카이트 화합물은 아미디니움계 페로브스카이트 화합물일 수 있으며, 아미디니움계 페로브스카이트 화합물은 페로브스카이트 화합물에 함유된 유무기 양이온의 총 몰수를 100%로 하여, 1가의 아미디니움계 양이온(아미디니움계 1가 양이온) 함량(몰수)이 적어도 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 92% 이상, 93% 이상 또는 94% 이상인 페로브스카이트 화합물을 의미할 수 있다. 이때, 1가의 아미디니움계 양이온의 함량은 99% 이하, 98% 이하, 97% 이하, 96% 이하, 95% 이하일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The inorganic perovskite compound according to one embodiment may be an amidinium-based perovskite compound, and the amidinium-based perovskite compound may be the total number of moles of organic/inorganic cations contained in the perovskite compound. 100%, the monovalent amidinium-based cation (amidinium-based monovalent cation) content (number of moles) is at least 80% or more, 85% or more, 90% or more, 92% or more, 93% or more, or 94% It may mean the above perovskite compound. In this case, the content of monovalent amidinium-based cations may be 99% or less, 98% or less, 97% or less, 96% or less, or 95% or less, but is not necessarily limited thereto.

아미디니움계 페로브스카이트 화합물의 격자 구조에 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+가 도입됨으로써, 열적으로 불안정한 메틸암모늄등과 같은 암모늄계 1가 양이온의 도움 없이 α 상을 공고하게 안정화시킬 수 있으며, 밴드갭 에너지의 증가 없이 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온에 의해 야기되는 격자 응력이 현저하게 완화되어, 광전류의 주요 손실로 작용하는 딥 트랩 형성이 억제되어 아미디니움계 페로브스카이트 화합물의 광전 물성 및 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. By introducing alkylenediammonium-based divalent cations and Cs + into the lattice structure of amidinium-based perovskite compounds, the α phase is firmly stabilized without the help of ammonium-based monovalent cations such as thermally unstable methylammonium. The lattice stress caused by the alkylenediammonium divalent cation is remarkably relieved without increasing the band gap energy, and the deep trap formation, which acts as a major loss of photocurrent, is suppressed, resulting in amidinium-based perovskites. The photoelectric properties and stability of these compounds can be greatly improved.

일 구체예에 따른 무유기 페로브스카이트 화합물에 있어, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온은 C1-C3 알킬렌다이암모늄 양이온일 수 있다. 상세하게, C1-C3 알킬렌다이암모늄 양이온은 유리하게 C1-C2 알킬렌다이암모늄 양이온, 보다 유리하게 메틸렌다이암모늄 양이온일 수 있다. C1-C3 알킬렌다이암모늄 양이온, 유리하게 C1-C2 알킬렌다이암모늄 양이온, 보다 유리하게 메틸렌다이암모늄 양이온과 세슘 이온이 함께 페로브스카이트 구조에 도입되는 경우, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 페로브스카이트 화합물의 격자 구조에서 유기 양이온(A) 자리에 균질하게 치환(substituting)될 수 있어 유리하며, 또한, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온으로의 치환에 의한 격자 응력이 거의 야기되지 않아 유리하다. In the inorganic perovskite compound according to one embodiment, the alkylenediammonium-based divalent cation may be a C1-C3 alkylenediammonium cation. Specifically, the C1-C3 alkylenediammonium cation may advantageously be a C1-C2 alkylenediammonium cation, more advantageously a methylenediammonium cation. C1-C3 alkylenediammonium cations, advantageously C1-C2 alkylenediammonium cations, more advantageously alkylenediammonium-based divalent cations when a methylenediammonium cation and a cesium ion are introduced together into the perovskite structure and cesium ions can be homogeneously substituted at the site of organic cation (A) in the lattice structure of the perovskite compound. It is advantageous because little lattice stress is caused.

실질적인 예로, C1-C3 알킬렌다이암모늄 양이온, 유리하게 C1-C2 알킬렌다이암모늄 양이온, 보다 유리하게 메틸렌다이암모늄 양이온이 세슘 이온과 함께 페로브스카이트 구조에 도입되는 경우, 윌리암슨-홀 법(Williamson-hall method)을 이용하여 산출된 페로브스카이트 화합물의 잔류 응력(residual strain, ε)이 0.0010 이하, 구체적으로 0.0008 이하, 보다 구체적으로 0.0006 이하, 보다 더 구체적으로 0.0005이하에 불과할 수 있다. 이때, 잔류 응력의 하한은 0.0001 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 실험적으로, 페로브스카이트 화합물의 잔류 응력은 다공성 금속산화물 층의 빈 기공(공극)을 채우며 다공성 산화물 층을 덮는 페로브스카이트 화합물 막을 대상으로 측정된 X-선 회절 결과에 기반하여 윌리암슨-홀 법에 따라 산출된 것일 수 있다. As a practical example, when a C1-C3 alkylenediammonium cation, advantageously a C1-C2 alkylenediammonium cation, more advantageously a methylenediammonium cation is introduced into the perovskite structure together with a cesium ion, the Williamson-Hall method ( The residual strain (ε) of the perovskite compound calculated using the Williamson-hall method) may be 0.0010 or less, specifically 0.0008 or less, more specifically 0.0006 or less, and even more specifically 0.0005 or less. At this time, the lower limit of the residual stress may be 0.0001 or more, but is not limited thereto. Experimentally, the residual stress of the perovskite compound fills the empty pores (voids) of the porous metal oxide layer and is based on the Williamson-Hall diffraction results measured for the perovskite compound film covering the porous oxide layer. It may be calculated according to the law.

페로브스카이트 화합물에 잔류하는 격자 응력(lattice strain)은 결함 농도를 증가시키며 비-방사성 재결합을 증가시켜 개방 전압-손실(Voc-loss)을 증가시킨다. 이에, 유리한 일 예에 따라, C1-C3 알킬렌다이암모늄 양이온, 유리하게 C1-C2 알킬렌다이암모늄 양이온, 보다 유리하게 메틸렌다이암모늄 양이온과 세슘 이온이 함께 페로브스카이트 구조에 도입되는 경우, 개방 전압-손실을 억제하여, 페로브스카이트 화합물의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다. The lattice strain remaining in the perovskite compound increases the defect concentration and increases the non-radiative recombination to increase the open voltage-loss (V oc -loss). Accordingly, according to an advantageous example, when a C1-C3 alkylenediammonium cation, advantageously a C1-C2 alkylenediammonium cation, and more advantageously a methylenediammonium cation and a cesium ion are introduced into the perovskite structure, By suppressing the open-circuit voltage-loss, the photoelectric conversion efficiency of the perovskite compound can be improved.

일 구체예에 따른 무유기 페로브스카이트 화합물에 있어, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 : 세슘 이온의 몰비는 1 : 0.9 내지 1.1, 구체적으로 1 : 0.95 내지 1.05, 보다 구체적으로 1 : 0.98 내지 1.02, 실질적으로 1 : 1일 수 있다. 이는 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 실질적으로 동량으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입되는 것을 의미할 수 있다. 이러한 실질적인 동량의 혼입에 의해 아미디니움계 페로브스카이트 화합물이 실질적으로 미도핑 수준에 이를 정도로 완화된 격자 응력을 가질 수 있을 뿐만 아니라, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온이 단독으로 도입된 페로브스카이트 화합물보다 현저하게 향상된 열 안정성과 광 안정성을 가질 수 있다. In the inorganic perovskite compound according to one embodiment, the molar ratio between the divalent alkylenediammonium cation and the cesium ion is 1:0.9 to 1.1, specifically 1:0.95 to 1.05, more specifically 1:0.98 to 1.02, substantially 1:1. This may mean that alkylenediammonium-based divalent cations and cesium ions are incorporated into the perovskite structure in substantially equal amounts. By incorporation of such a substantially equal amount, the amidinium-based perovskite compound can have lattice stress relieved to a level substantially reaching the undoped level, and also the phase in which the alkylenediammonium-based divalent cation is introduced alone It can have significantly improved thermal stability and light stability than rovskite compounds.

알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 실질적으로 동량으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입될 때, 페로브스카이트 화합물, 구체적으로 아미디니움계 페로브스카이트 화합물은 무기 양이온 1몰을 기준으로, 0.010 내지 0.050몰의 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온을 함유할 수 있다. 이때, 세슘 이온은 무기 양이온 1몰을 기준으로 0.009 내지 0.055, 구체적으로 0.0095 내지 0.0525, 보다 구체적으로 0.0098 내지 0.051, 실질적으로 0.010 내지 0.050일 수 있다. When the alkylenediammonium-based divalent cation and the cesium ion are incorporated into the perovskite structure in substantially equal amounts, the perovskite compound, specifically the amidinium-based perovskite compound, is based on 1 mole of the inorganic cation. , and may contain 0.010 to 0.050 moles of alkylenediammonium-based divalent cations. In this case, the amount of cesium ions may be 0.009 to 0.055, specifically 0.0095 to 0.0525, more specifically 0.0098 to 0.051, and substantially 0.010 to 0.050 based on 1 mole of inorganic cations.

상술한 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온의 함량은 열적으로 불안정한 메틸암모늄등과 같은 1가 암모늄 양이온을 배제하면서도 상 안정화를 담보할 수 있으며, 또한, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온이 단독으로 함유된 페로브스카이트 화합물 대비 밴드갭 에너지를 증가시키기 않으면서도 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온에 의해 발생하는 격자 응력이 완화될 수 있으며, 나아가, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온이 단독으로 함유된 페로브스카이트 화합물보다도 열 안정성과 광 안정성을 향상시킬 수 있는 범위이다.The content of the above-mentioned alkylenediammonium-based divalent cation and cesium ion can ensure phase stabilization while excluding monovalent ammonium cations such as methylammonium, which are thermally unstable, and also, the alkylenediammonium-based divalent cation is The lattice stress caused by the alkylenediammonium-based divalent cation can be alleviated without increasing the band gap energy compared to the perovskite compound contained alone, and furthermore, the alkylenediammonium-based divalent cation is alone It is a range in which thermal stability and light stability can be improved more than the perovskite compound contained in .

유리하게, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 실질적으로 동량으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입될 때, 페로브스카이트 화합물, 구체적으로 아미디니움계 페로브스카이트 화합물은 무기 양이온 1몰을 기준으로, 0.025 내지 0.035몰의 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온을 함유할 수 있다. 이때, 세슘 이온은 무기 양이온 1몰을 기준으로 0.0225 내지 0.0385, 구체적으로 0.02375 내지 0.03675, 보다 구체적으로 0.0245 내지 0.0357, 실질적으로 0.025 내지 0.035일 수 있다. Advantageously, when the alkylenediammonium-based divalent cation and the cesium ion are incorporated into the perovskite structure in substantially equal amounts, the perovskite compound, specifically the amidinium-based perovskite compound, is an inorganic cation 1 On a mole basis, it may contain from 0.025 to 0.035 moles of alkylenediammonium-based divalent cations. In this case, the cesium ion may be 0.0225 to 0.0385, specifically 0.02375 to 0.03675, more specifically 0.0245 to 0.0357, and substantially 0.025 to 0.035 based on 1 mole of the inorganic cation.

알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 실질적으로 동량으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입되며, 유리한 함량 범위로 혼입될 때, 윌리암슨-홀 법을 이용하여 산출된 페로브스카이트 화합물의 잔류 응력(ε)이 0.0007 이하, 실질적으로 0.0006 이하, 보다 실질적으로 0.0005이하에 불과할 수 있다. Residual stress of a perovskite compound calculated using the Williamson-Hall method when alkylenediammonium divalent cations and cesium ions are incorporated into the perovskite structure in substantially equal amounts and in an advantageous content range (ε) may be only 0.0007 or less, substantially 0.0006 or less, and more substantially 0.0005 or less.

이러한 낮은 잔류 응력에 의해 페로브스카이트 화합물은 딥 트랩 형성 및 비-방사성 재결합이 크게 억제되며, 실질적으로 25% 이상의 광전변환효율을 나타낼 수 있다. Due to such a low residual stress, the formation of deep traps and non-radiative recombination of the perovskite compound are greatly suppressed, and the photoelectric conversion efficiency may be substantially greater than 25%.

선행실험을 통해, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온을 단독으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입시킴으로써, 상 안정성과 함께, 광전변환효율, 열 안정성등이 향상되는 것을 확인한 바 있다. 이에, 이러한 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온만이 혼힙된 페로브스카이트 화합물을 레퍼런스 화합물로 하여, 레퍼런스 화합물의 물성과 본 발명의 일 구체예에 따른 페로브스카이트 화합물의 물성 비교를 통해 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 공동 도입에 의한 기술적 효과를 보다 명확히 보일 수 있다. Through previous experiments, it has been confirmed that phase stability, photoelectric conversion efficiency, thermal stability, etc. are improved by incorporating an alkylenediammonium-based divalent cation alone into the perovskite structure. Therefore, by comparing the physical properties of the perovskite compound according to an embodiment of the present invention with the physical properties of the reference compound using the perovskite compound in which only these alkylenediammonium-based divalent cations are mixed as a reference compound, alkyl The technical effect of co-introduction of rendiammonium-based divalent cations and Cs + can be more clearly shown.

레퍼런스 화합물은, 아미디니움계 1가 양이온, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온, 2가 금속 이온 및 할로겐 음 이온으로 이루어진 페로브스카이트 화합물일 수 있으며, 실질적으로 레퍼런스 화합물은, Cs+이 페로브스카이트 구조 내에 혼입되지 않은 것을 제외하고, 본 발명의 일 예에 따른 페로브스카이트 화합물과 동일한 유무기 양이온, 무기 양이온 및 음이온으로 이루어지며, 선행실험을 통해 가장 우수한 광전변환 특성과 안정성을 나타낸, 무기 양이온 1 몰 대비 0.038 몰의 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온이 페로브스카이트 격자 구조 내에 혼입된 페로브스카이트 화합물일 수 있다.The reference compound may be a perovskite compound composed of an amidinium-based monovalent cation, an alkylenediammonium-based divalent cation, a divalent metal ion, and a halogen anion, and substantially, the reference compound is Cs + It is composed of the same organic and inorganic cations, inorganic cations and anions as the perovskite compound according to one embodiment of the present invention, except that it is not incorporated into the rovsite structure, and the best photoelectric conversion properties and stability through previous experiments It may be a perovskite compound in which 0.038 mol of alkylenediammonium-based divalent cations relative to 1 mol of inorganic cations are incorporated into the perovskite lattice structure.

상술한 바와 같이, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 실질적으로 동량으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입되며, 유리한 함량 범위로 혼입될 때, 페로브스카이트 화합물의 잔류 응력(ε)이 0.0007 이하, 실질적으로 0.0006 이하, 보다 실질적으로 0.0005이하에 불과할 수 있는데, 레퍼런스 화합물의 잔류 응력은 0.0015 수준일 수 있다. 즉, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 유리한 함량 범위로 페로브스카이트 구조 내에 혼입되며, 잔류 응력이 레퍼런스 화합물보다 약 60% 이상 감소될 수 있다. As described above, when the alkylenediammonium divalent cation and the cesium ion are incorporated into the perovskite structure in substantially the same amount, and incorporated in an advantageous content range, the residual stress (ε) of the perovskite compound It may be 0.0007 or less, substantially 0.0006 or less, and more substantially 0.0005 or less, and the residual stress of the reference compound may be 0.0015 level. That is, alkylenediammonium-based divalent cations and cesium ions are incorporated into the perovskite structure in an advantageous content range, and the residual stress can be reduced by about 60% or more compared to the reference compound.

또한, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 실질적으로 동량으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입되며, 유리한 함량 범위로 혼입될 때, 페로브스카이트 화합물의 우바흐 에너지(Urbach energy, Eu)는 레퍼런스 화합물의 우바흐 에너지 대비 90% 이하일 수 있다. 실질적인 예로, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 실질적으로 동량으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입되며, 유리한 함량 범위로 혼입될 때, 페로브스카이트 화합물의 우바흐 에너지는 28meV 이하, 구체적으로 27meV 이하일 수 있다. 이때 우바흐 에너지의 하한은 특별히 한정되지 않으나, 10meV, 15meV, 또는 20meV 이상일 수 있다. In addition, when the alkylenediammonium-based divalent cation and the cesium ion are incorporated into the perovskite structure in substantially the same amount and incorporated in an advantageous content range, the Urbach energy (Eu) of the perovskite compound It may be 90% or less compared to the Ubach energy of the reference compound. As a practical example, when the alkylenediammonium-based divalent cation and the cesium ion are incorporated into the perovskite structure in substantially equal amounts, and incorporated in an advantageous content range, the Ubach energy of the perovskite compound is 28 meV or less, specifically It may be 27 meV or less. At this time, the lower limit of the Ubach energy is not particularly limited, but may be 10 meV, 15 meV, or 20 meV or more.

또한, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 실질적으로 동량으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입되며, 유리한 함량 범위로 혼입될 때, 열자극 전류(thermally stimulated current) 측정 결과로부터 산출된 페로브스카이트 화합물의 트랩 밀도(trap density)는 레퍼런스 화합물의 트랩 밀도 대비 60% 이하, 구체적으로 55% 이하, 보다 구체적으로 50% 이하일 수 있다. 실질적인 예로, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 실질적으로 동량으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입되며, 유리한 함량 범위로 혼입될 때, 페로브스카이트 화합물의 트랩 밀도는 8x1016cm-3 이하, 구체적으로 6x1016cm-3 이하, 보다 구체적으로 5x1016cm-3 이하일 수 있다. 이때 트랩 밀도의 하한은 특별히 한정되지 않으나, 1x1015cm-3이상, 또는 5x1015cm-3이상일 수 있다. In addition, when the alkylenediammonium-based divalent cation and the cesium ion are incorporated into the perovskite structure in substantially the same amount, and incorporated in an advantageous content range, the perovskite calculated from the measurement result of the thermally stimulated current The trap density of the skyte compound may be 60% or less, specifically 55% or less, and more specifically 50% or less, compared to the trap density of the reference compound. As a practical example, when the alkylenediammonium-based divalent cation and the cesium ion are incorporated into the perovskite structure in substantially equal amounts and in an advantageous content range, the trap density of the perovskite compound is 8x10 16 cm -3 Or less, specifically 6x10 16 cm -3 or less, more specifically 5x10 16 cm -3 or less. At this time, the lower limit of the trap density is not particularly limited, but may be 1x10 15 cm -3 or more, or 5x10 15 cm -3 or more.

또한, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 실질적으로 동량으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입되며, 유리한 함량 범위로 혼입될 때, 차광 조건에서 85℃의 온도 및 15% 이하의 상대습도 조건의 열안정성 테스트시, 페로브스카이트 화합물은, 1300시간동안의 노출 시점(테스트 시점)에서, 테스트 전 광전변환효율을 기준으로 80% 이상, 구체적으로 81% 이상, 보다 구체적으로 82% 이상의 광전변환효율이 유지될 수 있다. 비교를 위해, 레퍼런스 화합물의 동일 열안정성 테스트시의 안정성을 살피면, 레퍼런스 화합물은 700시간의 테스트 시점에서 이미 80% 미만으로 광전변환효율이 감소한다.In addition, when the alkylenediammonium-based divalent cation and the cesium ion are incorporated into the perovskite structure in substantially the same amount and in an advantageous content range, a temperature of 85 ° C. and a relative humidity of 15% or less under light-shielding conditions In the thermal stability test, the perovskite compound exhibited a photoelectric conversion efficiency of 80% or more, specifically 81% or more, more specifically 82% or more, based on the photoelectric conversion efficiency before the test, at the time of exposure for 1300 hours (test time point). Conversion efficiency can be maintained. For comparison, looking at the stability of the reference compound during the same thermal stability test, the photoelectric conversion efficiency of the reference compound is already reduced to less than 80% at the time of 700 hours of the test.

또한, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 실질적으로 동량으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입되며, 유리한 함량 범위로 혼입될 때, 150℃ 온도, 대기 분위기, 15 내지 25%의 상대습도 조건에서 수행되는 장기 열안정성 테스트시, 페로브스카이트 화합물은, 30시간의 테스트 시점에서, 테스트 전 광전변환효율을 기준으로 80% 이상의 광전변환효율이 유지될 수 있다. 비교를 위해, 레퍼런스 화합물의 동일 장기 열안정성 테스트시의 안정성을 살피면, 레퍼런스 화합물은 15시간의 테스트 시점에서 이미 80% 미만으로 광전변환효율이 감소한다.In addition, when the alkylenediammonium divalent cation and the cesium ion are incorporated into the perovskite structure in substantially the same amount and in an advantageous content range, conditions of 150 ° C. temperature, atmospheric atmosphere, and 15 to 25% relative humidity During the long-term thermal stability test performed in , the perovskite compound can maintain a photoelectric conversion efficiency of 80% or more based on the photoelectric conversion efficiency before the test at the time of the 30-hour test. For comparison, looking at the stability of the reference compound in the same long-term thermal stability test, the photoelectric conversion efficiency of the reference compound is already reduced to less than 80% at the time of the 15-hour test.

또한, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 세슘 이온이 실질적으로 동량으로 페로브스카이트 구조 내에 혼입되며, 유리한 함량 범위로 혼입될 때, AM 1.5G, UV-비 필터링(UV 포함) 조건에서 최대전력점 추적을 통해 광 안정성을 테스트하는 경우, 페로브스카이트 화합물은 400 시간의 테스트 시점에서 테스트 전 광전변환효율을 기준으로 85% 이상, 구체적으로 90% 이상의 광전변환효율이 유지될 수 있다. In addition, when the alkylenediammonium-based divalent cation and the cesium ion are incorporated into the perovskite structure in substantially the same amount and in an advantageous content range, under AM 1.5G, UV-non-filtering (including UV) conditions, the maximum When light stability is tested through power point tracking, the perovskite compound can maintain a photoelectric conversion efficiency of 85% or more, specifically, 90% or more based on the photoelectric conversion efficiency before the test at the time of 400 hours of testing.

상술한 바와 같이, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 및 세슘 이온은 페로브스카이트 화합물의 격자 구조에 혼입될 수 있으며, 격자 자리를 차지할 수 있다. 상세하게, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 및 세슘 이온은 페로브스카이트 화합물의 격자 구조에서 유기 양이온(A) 자리에 치환될 수 있으며, 균질한 고용상을 형성할 수 있다. As described above, the alkylenediammonium-based divalent cations and cesium ions may be incorporated into the lattice structure of the perovskite compound and may occupy lattice sites. In detail, alkylenediammonium-based divalent cations and cesium ions may be substituted for organic cations (A) in the lattice structure of the perovskite compound, and a homogeneous solid phase may be formed.

도핑의 개념에서, 본 발명의 일 예에 따른 페로브스카이트 화합물은 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 및 세슘 이온의 도펀트로 코-도핑된 것일 수 있다. 상세하게, 페로브스카이트 화합물은 아미디니움계 1가 양이온, 2가 금속 이온을 포함하는 무기 양이온 및 할로겐 이온을 포함하는 음이온을 함유하는 페로브스카이트 구조의 모재; 및 상기 모재에 도핑된 2가 양이온 및 세슘 이온의 도펀트를 포함할 수 있다.In terms of doping, the perovskite compound according to an embodiment of the present invention may be co-doped with an alkylenediammonium divalent cation and a cesium ion dopant. In detail, the perovskite compound is a base material of a perovskite structure containing an amidinium-based monovalent cation, an inorganic cation including a divalent metal ion, and an anion including a halogen ion; and a dopant of divalent cations and cesium ions doped into the base material.

화학식 측면에서, 본 발명의 일 예에 따른 페로브스카이트 화합물은 화학식 1을 만족할 수 있다.In terms of chemical formula, the perovskite compound according to an embodiment of the present invention may satisfy Chemical Formula 1.

(화학식 1)(Formula 1)

AMX3 AMX 3

A는 아미디니움계 1가 양이온, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 및 세슘 이온을 포함하는 유무기 양이온이며, M은 2가 금속 이온을 포함하는 양이온이고, X는 할로겐 이온을 포함하는 음이온이다.A is an organic/inorganic cation containing an amidinium-based monovalent cation, an alkylenediammonium-based divalent cation, and a cesium ion, M is a cation containing a divalent metal ion, and X is an anion containing a halogen ion .

유리한 일 예에 따른 페로브스카이트 화합물은 화학식 2를 만족할 수 있다. A perovskite compound according to an advantageous example may satisfy Formula 2.

(화학식 2)(Formula 2)

A1-2xDAxCxMX3 A 1-2x DA x C x MX 3

A는 아미디니움계 1가 양이온이고, DA는 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온이며, C는 세슘 이온이고, M은 2가 금속 이온을 포함하는 양이온이고, X는 할로겐 이온을 포함하는 음이온이며, x는 0.010 내지 0.050의 실수, 유리하게는 0.025 내지 0.035의 실수이다.A is an amidinium-based monovalent cation, DA is an alkylenediammonium-based divalent cation, C is a cesium ion, M is a cation containing a divalent metal ion, and X is an anion containing a halogen ion , x is a real number between 0.010 and 0.050, advantageously between 0.025 and 0.035.

비록, 화학식 1과 2를 기반으로 일 구체예에 따른 페로브스카이트 화합물을 상술하였으나, 열역학 법칙에 따라, 페로브스카이트 화합물은 페로브스카이트 결정 구조에서 침입형 자리(interstitial site)에 위치하는 비금속 음이온, 유기 양이온(A) 자리의 공공(vacancy, VA -) 또는 침입형 자리에 위치하는 음이온과 유기 양이온 자리의 공공을 포함할 수 있음은 물론이며, 화학식 1과 2는 이러한 안정한(열역학적 평형 상태, 전하 중성 상태) 상태에서 발생하는 결함들을 고려하여 해석되어야 한다. Although the perovskite compound according to one embodiment has been described above based on Formulas 1 and 2, according to the laws of thermodynamics, the perovskite compound is located at an interstitial site in the perovskite crystal structure Of course, it may include non-metallic anions, organic cation (A) vacancies (vacancy, V A - ) or anions located at interstitial sites and vacancies at organic cation sites, and formulas 1 and 2 are stable ( Thermodynamic equilibrium state, charge neutral state) should be analyzed in consideration of defects that occur.

본 발명의 일 구체예에 있어, 아미디니움계 양이온은 하기 화학식 3을 만족할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the amidinium-based cation may satisfy Formula 3 below.

(화학식 3)(Formula 3)

Figure 112020062903792-pat00001
Figure 112020062903792-pat00001

화학식 3에서, R7 내지 R11은 서로 독립적으로, 수소, C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이다. In Formula 3, R 7 to R 11 are each independently hydrogen, C1-C24 alkyl, C3-C20 cycloalkyl or C6-C20 aryl.

화학식 3에서 R7~R11은 페로브스카이트 화합물의 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 상세하게, 페로브스카이트 화합물의 단위셀의 크기가 밴드갭과 연관되어 있고 작은 단위셀 크기에서 태양전지로 활용하기에 적절한 밴드갭 에너지(일 예로, 1.1~1.5V수준)를 가질 수 있다. 이에 따라, 태양전지로 활용하기에 적절한 밴드갭 에너지를 고려하는 경우, R7 내지 R11은 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 R7가 수소, 아미노 또는 메틸이고 R3 내지 R6가 수소일 수 있다. 실질적인 일 예로, 아미디니움계 이온은 포름아미디니움(formamidinium, NH2CH=NH2 +) 이온, 아세트아미디니움(acetamidinium, NH2C(CH3)=NH2 +) 이온 또는 구아미디니움(Guamidinium, NH2C(NH2)=NH2 +) 이온등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 구체 예는 페로브스카이트 화합물의 용도, 즉, 태양광의 광흡수체로의 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 R7 내지 R11이 적절히 선택될 수 있다. In Formula 3, R 7 to R 11 may be appropriately selected depending on the use of the perovskite compound. In detail, the size of the unit cell of the perovskite compound is related to the band gap, and may have a band gap energy (eg, 1.1 to 1.5V level) suitable for use as a solar cell in a small unit cell size. Accordingly, when considering bandgap energy suitable for use as a solar cell, R 7 to R 11 are each independently hydrogen, amino or C1-C24 alkyl, specifically, hydrogen, amino or C1-C7 alkyl, More specifically, it may be hydrogen, amino, or methyl, and more specifically, R 7 may be hydrogen, amino, or methyl, and R 3 to R 6 may be hydrogen. As a practical example, the amidinium-based ion is a formamidinium (NH 2 CH=NH 2 + ) ion, acetamidinium (NH 2 C(CH 3 )=NH 2 + ) ion, or guamidine Niium (Guamidinium, NH 2 C (NH 2 )=NH 2 + ) ion, etc. may be mentioned, but is not limited thereto. This specific example is an example considering the use of the perovskite compound, that is, the use as a light absorber of sunlight, design of the wavelength band of light to be absorbed, design of the emission wavelength band when used as a light emitting layer of a light emitting device, When used as a semiconductor element of a transistor, R 7 to R 11 may be appropriately selected in consideration of an energy band gap and a threshold voltage.

일 구체예에서, 무기 양이온은 2가의 금속 이온일 수 있으며, 2가 금속 이온은 Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Ge2+, Sn2+, Pb2+, Eu2+, Yb2+ 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.In one embodiment, the inorganic cation may be a divalent metal ion, and the divalent metal ion is Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Ge 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ , Eu 2+ , Yb 2+ or any combination thereof.

일 구체예에서, 음이온은 할로겐 이온일 수 있으며, 할로겐 이온의 할로겐은 F, Cl, Br, I 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.In one embodiment, the anion may be a halogen ion, and the halogen of the halogen ion may be F, Cl, Br, I or any combination thereof.

페로브스카이트 화합물의 주 용도인 광흡수체의 용도를 고려하는 경우, 음이온은 할로겐 음이온으로 I-을 함유하는 것이 좋다. 본 발명의 일 구체예에서, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 및 세슘 이온에 의해 α-상 안정화가 매우 공고히 이루어짐에 따라, 할로겐 음이온이 Br으로부터도 자유로울 수 있으며, 이는 보다 작은 밴드갭 에너지를 갖는 페로브스카이트 화합물의 구현이 가능함을 의미하는 것이다. 그러나, 이는 본 발명의 일 구체예에 따른 효과에 의해 얻어질 수 있는 것으로, 필요시 페로브스카이트 화합물은 음이온으로 Br을 함유할 수도 있으며, 본 발명이 Br을 함유하는 페로브스카이트 화합물을 배제하는 것은 아니다. When considering the use of a light absorber, which is the main use of the perovskite compound, the anion preferably contains I - as a halide anion. In one embodiment of the present invention, as the α-phase stabilization is very firmly achieved by the alkylenediammonium divalent cation and the cesium ion, the halide anion may be free from Br, which has a smaller band gap energy. This means that the implementation of perovskite compounds is possible. However, this can be obtained by the effect according to one embodiment of the present invention, if necessary, the perovskite compound may contain Br as an anion, and the present invention provides a perovskite compound containing Br does not exclude

일 구체예에 있어, 페로브스카이트 화합물은 막(film)이나 입자상등의 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In one embodiment, the perovskite compound may be in the form of a film or particle, but is not limited thereto.

본 발명은 상술한 페로브스카이트 화합물의 막을 포함한다.The present invention includes a film of the perovskite compound described above.

본 발명은 상술한 페로브스카이트 화합물의 제조방법을 포함한다. 상술한 페로브스카이트 화합물은 2종의 도펀트로 코-도핑된 상태로, 종래 페로브스카이트 화합물 제조에 사용되는 용액 및 방법을 실질적으로 동일하게 사용하되, 용액에 도펀트를 첨가하는 것(만)으로, 코-도핑된 페로브스카이트 화합물이 제조될 수 잇다. The present invention includes a method for producing the above-described perovskite compound. The above-described perovskite compound is co-doped with two types of dopants, and substantially the same solution and method used for preparing a conventional perovskite compound are used, but adding dopants to the solution (only ), co-doped perovskite compounds can be prepared.

이에, 페로브스카이트 화합물 제조시 사용되는 용액(이하, 전구체 용액)은 1가 아미디니움계(amidinium group) 양이온의 할로겐화물, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온의 할로겐화물, 세슘 할로겐화물, 금속(2가 금속의)할로겐화물 및 용매를 함유할 수 있다. 이와 독립적으로, 전구체 용액은 1가 아미디니움계 양이온, 세슘 이온, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온, 2가 금속 이온, 음이온 및 용매를 함유할 수 있다. 이와 독립적으로, 전구체 용액은 모재, 세슘 할로겐화물, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온의 할로겐화물 및 용매를 함유할 수 있다. 이때, 모재는 아미디니움계 1가 양이온, 2가 금속 이온 및 할로겐 이온으로 이루어진 페로브스카이트 화합물(모재)일 수 있다. Accordingly, the solution used in preparing the perovskite compound (hereinafter, the precursor solution) is a halide of a monovalent amidinium group cation, a halide of an alkylenediammonium-based divalent cation, a cesium halide, May contain metal (of divalent metal) halides and solvents. Independently, the precursor solution may contain a monovalent amidinium cation, a cesium ion, an alkylenediammonium divalent cation, a divalent metal ion, an anion, and a solvent. Independently of this, the precursor solution may contain a base material, a cesium halide, a halide of an alkylenediammonium-based divalent cation, and a solvent. In this case, the base material may be a perovskite compound (base material) composed of amidinium-based monovalent cations, divalent metal ions, and halogen ions.

전구체 용액의 도포 및 용매 제거에 따른 자발적 결정화에 의해 용액에 함유된 이온들이 페로브스카이트 화합물로 결정화(자발적 결정화)됨에 따라, 전구체 용액은 목적하는 페로브스카이트 화합물의 조성을 만족하도록 1가 아미디니움계 양이온, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온, 세슘 이온, 금속 이온을 포함하는 무기 양이온 및 할로겐 이온을 포함하는 음이온을 함유할 수 있다.As the ions contained in the solution are crystallized into a perovskite compound (spontaneous crystallization) by spontaneous crystallization following application of the precursor solution and removal of the solvent, the precursor solution is a monovalent phosphor to satisfy the desired composition of the perovskite compound. It may contain medium-based cations, alkylenediammonium-based divalent cations, cesium ions, inorganic cations including metal ions, and anions including halogen ions.

페로브스카이트 화합물의 구체 용도를 고려하여, 필요시, 전구체 용액은 종래 알려진 첨가제를 더 함유할 수 있다. 구체적인 일 예로, 전구체 용액은 페로브스카이트 태양전지에서 전자전달체와의 계면 특성을 향상시키기 위한 첨가제로 알려진 표면 처리제를 더 함유할 수 있다. 알려진 바와 같이, 표면 처리제는 200℃ 이하의 온도에서 열분해되며 염소를 생성할 수 있는 C1 내지 C3 알킬암모늄클로라이드일 수 있다. 실질적인 표면 처리제의 일 예로, 메틸암모늄클로라이드를 들 수 있다. 전구체 용액은 용액에 함유되는 이온상의 금속 1.00 몰을 기준으로 0.20몰 내지 1.00몰의 C1 내지 C3 알킬암모늄클로라이드를 함유할 수 있으나, 본 발명이 첨가제의 구체 종류와 함량에 의해 한정될 수 없음은 물론이다. Considering the specific use of the perovskite compound, if necessary, the precursor solution may further contain conventionally known additives. As a specific example, the precursor solution may further contain a surface treatment agent known as an additive for improving interfacial properties with an electron carrier in a perovskite solar cell. As is known, the surface treatment agent may be a C1 to C3 alkylammonium chloride capable of thermally decomposing at a temperature of 200° C. or lower and generating chlorine. One example of a practical surface treatment agent is methylammonium chloride. The precursor solution may contain 0.20 to 1.00 moles of C1 to C3 alkylammonium chloride based on 1.00 moles of the ionic metal contained in the solution, but of course the present invention cannot be limited by the specific type and content of the additive. to be.

전구체 용액에서 용매는 페로브스카이트 화합물이 용해되며 건조시 용이하게 휘발 제거될 수 있는 극성 유기 용매이면 무방하다. 일 예로, 극성 유기 용매는 감마-부티로락톤, 포름아마이드, N,N-다이메틸포름아마이드, 다이포름아마이드, 아세토나이트릴, 테트라하이드로퓨란, 다이메틸설폭사이드, 다이에틸렌글리콜, 1-메틸-2-피롤리돈, N,N-다이메틸아세트아미드, 아세톤, α-터피네올, β-터피네올, 다이하이드로 터피네올, 2-메톡시 에탄올, 아세틸아세톤, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 펜탄올, 헥산올, 케톤, 메틸 이소부틸 케톤 등 에서 하나 또는 둘 이상 선택된 것일 수 있으나, 본 발명이 용매의 구체 물질에 의해 제한되는 것은 아니다. 이때, 전구체 용액 내 금속 이온의 몰 농도는 0.5M 내지 1.4M, 구체적으로 1.0 M 내지 1.4 M일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. The solvent in the precursor solution may be a polar organic solvent in which the perovskite compound is dissolved and can be easily volatilized and removed when dried. For example, the polar organic solvent is gamma-butyrolactone, formamide, N,N-dimethylformamide, diformamide, acetonitrile, tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, diethylene glycol, 1-methyl- 2-pyrrolidone, N,N-dimethylacetamide, acetone, α-terpineol, β-terpineol, dihydro terpineol, 2-methoxy ethanol, acetylacetone, methanol, ethanol, propanol, It may be one or two or more selected from butanol, pentanol, hexanol, ketone, methyl isobutyl ketone, etc., but the present invention is not limited by the specific material of the solvent. In this case, the molar concentration of the metal ion in the precursor solution may be 0.5M to 1.4M, specifically 1.0 M to 1.4 M, but the present invention is not limited thereto.

기재 상 상술한 전구체 용액을 도포 및 건조하여 상술한 페로브스카이트 화합물의 막을 제조할 수 있다. 페로브스카이트 화합물 막의 제조를 위한 구체 도포 및 건조 방법은 종래의 용액 도포법을 이용하여 제조될 수 있으며, 나아가, 페로브스카이트 용액과 비용매를 순차적으로 도포하는 용매-비용매 도포법을 이용하여 제조될 수 있다. 이러한 용액도포법 및 용매-비용매 도포법은 본 출원인의 대한민국등록특허 제10-1547877호 또는 제10-1547870호를 참고하여 수행될 수 있다. 다만, 전구체 용액이 메틸암모늄클로라이드등과 같은 표면 처리제를 더 함유하는 경우, 전구체 용액을 이용하여 제조된 막을 표면 처리제의 열분해 온도 이상의 온도에서 어닐링하는 단계가 수행될 수 있음은 물론이다. 일 예로, 전구체 용액이 표면 처리제로 메틸암모늄클로라이드를 더 포함하는 경우, 어닐링은 100 내지 180℃, 구체적으로 140 내지 180℃, 보다 구체적으로 150 내지 160℃에서 수행될 수 있다. A film of the above-described perovskite compound may be prepared by coating and drying the above-described precursor solution on a substrate. The sphere coating and drying method for producing a perovskite compound film can be prepared using a conventional solution coating method, and further, a solvent-non-solvent coating method in which a perovskite solution and a non-solvent are sequentially applied can be manufactured using Such a solution coating method and a solvent-non-solvent coating method may be performed with reference to Korean Registered Patent No. 10-1547877 or No. 10-1547870 of the present applicant. However, when the precursor solution further contains a surface treatment agent such as methylammonium chloride, annealing of the film prepared using the precursor solution at a temperature equal to or higher than the pyrolysis temperature of the surface treatment agent may be performed, of course. For example, when the precursor solution further includes methylammonium chloride as a surface treatment agent, annealing may be performed at 100 to 180 °C, specifically 140 to 180 °C, and more specifically 150 to 160 °C.

본 발명은 상술한 페로브스카이트 화합물이 구비된(페로브스카이트 화합물을 포함하는) 디바이스를 포함한다.The present invention includes a device equipped with (including a perovskite compound) the above-described perovskite compound.

구체예로, 페로브스카이트 기반 디바이스는 상술한 페로브스카이트 화합물을 광흡수체로 포함하는 광기전 소자(이하, 페로브스카이트 태양전지)를 포함한다. 이때, 페로브스카이트 태양전지는 상술한 페로브스카이트 화합물이 입자(양자점 내지 나노입자)상으로 다공성 지지체에 부착 구비된 태양전지, 상술한 페로브스카이트 화합물의 층을 광흡수층으로 포함하는 태양전지를 포함할 수 있다. As a specific example, the perovskite-based device includes a photovoltaic device (hereinafter referred to as a perovskite solar cell) including the above-described perovskite compound as a light absorber. At this time, the perovskite solar cell is a solar cell in which the above-described perovskite compound is attached to a porous support in the form of particles (quantum dots or nanoparticles), and a layer of the above-described perovskite compound is included as a light absorbing layer. It may contain solar cells.

일 구체예에서 페로브스카이트 태양전지는 상술한 페로브스카이트 화합물의 층을 광흡수층으로 포함할 수 있으며, 이와 함께, 광흡수층 하부에 위치하는 제1전하전달체; 광흡수층 상부에 위치하며 제1전하전달체와 상보적 전하를 이송하는 제2전하전달체; 제1전하전달체 하부에 위치하는 제1전극; 및 제2전하전달체 상부에 위치하는 제2전극;을 포함할 수 있다. 즉, 실질적인 일 예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 제1전극; 제1전하전달체; 상술한 페로브스카이트 화합물을 포함하는 광흡수층; 제1전하전달체에서 이동되는 전하와 상보적 전하를 이동시키는 제2전하전달체; 및 제2전극을 포함할 수 있다. 이때, 제1전극과 제2전극 중 적어도 하나의 전극은 투명 전극일 수 있다. In one embodiment, the perovskite solar cell may include the above-described perovskite compound layer as a light absorption layer, and together with the first charge carrier positioned under the light absorption layer; a second charge carrier located above the light absorption layer and transporting charges complementary to the first charge carrier; a first electrode positioned below the first charge carrier; and a second electrode positioned on the second charge carrier. That is, a perovskite solar cell according to a practical example includes a first electrode; a first charge carrier; a light absorption layer comprising the above-described perovskite compound; a second charge carrier that transfers charges complementary to those transferred in the first charge carrier; and a second electrode. In this case, at least one of the first electrode and the second electrode may be a transparent electrode.

전극(제1전극 또는 제2전극)은 전하전달체와 오믹 접합되는 전도성 전극이면 무방하며, 태양전지에서 전면전극 또는 후면전극의 전극물질로 통상적으로 사용되는 물질이면 사용이 가능하다. 비 한정적인 일 예로, 전극(제1전극 또는 제2전극)이 후면전극의 전극물질인 경우, 제2전극은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 탄소, 황화코발트, 황화구리, 산화니켈 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된 물질일 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 전극(제1전극 또는 제2전극) 투명전극일 경우, 전극은 불소 함유 산화주석(FTO; Fouorine doped Tin Oxide), 인듐 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide), ZnO, CNT(카본 나노튜브), 그래핀(Graphene)과 같은 무기계 전도성 전극일 수 있으며, PEDOT:PSS와 같은 유기계 전도성 전극일 수 있다. The electrode (first electrode or second electrode) may be a conductive electrode that is in ohmic contact with the charge carrier, and any material commonly used as an electrode material for a front electrode or a rear electrode in a solar cell may be used. As a non-limiting example, when the electrode (first electrode or second electrode) is the electrode material of the rear electrode, the second electrode is gold, silver, platinum, palladium, copper, aluminum, carbon, cobalt sulfide, copper sulfide, oxide It may be one or more materials selected from nickel and composites thereof. As a non-limiting example, if the electrode (first electrode or second electrode) is a transparent electrode, the electrode may be fluorine-doped tin oxide (FTO), indium-doped tin oxide (ITO), or ZnO. , CNT (carbon nanotube), may be an inorganic conductive electrode such as graphene (Graphene), may be an organic conductive electrode such as PEDOT: PSS.

전극은 딱딱한(rigid) 기판(지지체) 또는 유연성(flexible) 기판(지지체)인 투명 기판(지지체) 상에 물리적 증착(physical vapor deposition) 또는 화학적 증착(chemical vapor deposition) 등의 증착 공정을 통해 형성될 수 있다. 투명 기판(지지체)의 일 예로, 딱딱한 기판은 유리 기판 등일 수 있으며, 유연성 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 또는 폴리에테르술폰(PES) 등일 수 있으나, 본 발명이 기판의 구체 물질에 한정 될 수 없음은 물론이다.The electrode may be formed on a transparent substrate (support) that is a rigid substrate (support) or a flexible substrate (support) through a deposition process such as physical vapor deposition or chemical vapor deposition. can As an example of the transparent substrate (support), the hard substrate may be a glass substrate, and the flexible substrate may be polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), polycarbonate (PC), polypropylene ( PP), triacetyl cellulose (TAC), or polyethersulfone (PES), but it goes without saying that the present invention cannot be limited to specific materials of the substrate.

제1전하전달체와 제2전하전달체가 상보적 전하를 이동시킴에 따라, 제1전하전달체가 전자전달체인 경우 제2전하전달체는 정공전달체일 수 있고, 제1전하전달체가 정공전달체인 경우 제2전하전달체는 전자전달체일 수 있다. 또한, 전하전달체(제1전하전달체 또는 제2전하전달체)는 다공성 막, 비 다공성인 막(치밀막) 또는 비 다공성 막과 다공성 막의 적층막일 수 있다. As the first charge carrier and the second charge carrier move complementary charges, the second charge carrier may be a hole carrier when the first charge carrier is an electron carrier, and the second charge carrier may be a hole carrier when the first charge carrier is a hole carrier. The charge carrier may be an electron carrier. In addition, the charge carrier (first charge carrier or second charge carrier) may be a porous film, a non-porous film (dense film), or a laminated film of a non-porous film and a porous film.

정공전달체는 유기 정공전달체, 무기 정공전달체 또는 이들의 적층체일 수 있다. 무기 정공전달체는 정공 전도도를 갖는, 즉, p형 반도체인, 산화물 반도체, 황화물 반도체, 할로겐화물 반도체 또는 이들의 혼합물등을 들 수 있다. 구체예로, 산화물 반도체의 예로는 NiO, CuO, CuAlO2, CuGaO2 등을 들 수 있으며, 황화물 반도체의 예로는 PbS, 할로겐화물 반도체의 예로는 PbI2 등을 들 수 있으나, 본 발명이 무기 정공전달체 물질에 의해 한정되는 것은 아니다. 무기 정공전달체의 두께는 50nm 내지 10μm, 구체적으로는 10nm 내지 1000nm, 보다 구체적으로 50nm 내지 1000nm일 수 있다. 정공전달체가 다공성인 경우 그 비표면적은 10 내지 100 m2/g일 수 있으며, 정공전달체를 이루는 p형 반도체 입자의 평균 입경(diameter)은 5 내지 500 nm일 수 있다. 다공성 정공전달체의 기공률(겉보기 기공률)은 30% 내지 65%, 구체적으로 40% 내지 60%일 수 있다.The hole transporter may be an organic hole transporter, an inorganic hole transporter, or a laminate thereof. The inorganic hole transporter may include an oxide semiconductor, a sulfide semiconductor, a halide semiconductor, or a mixture thereof having hole conductivity, that is, a p-type semiconductor. As specific examples, examples of oxide semiconductors include NiO, CuO, CuAlO 2 , CuGaO 2 and the like, examples of sulfide semiconductors include PbS and examples of halide semiconductors include PbI 2 , but the present invention provides inorganic holes It is not limited by the delivery material. The thickness of the inorganic hole transporter may be 50 nm to 10 μm, specifically 10 nm to 1000 nm, and more specifically 50 nm to 1000 nm. When the hole transporter is porous, the specific surface area may be 10 to 100 m 2 /g, and the average diameter of the p-type semiconductor particles constituting the hole transporter may be 5 to 500 nm. The porosity (apparent porosity) of the porous hole transporter may be 30% to 65%, specifically 40% to 60%.

정공전달체가 유기 정공전달체를 포함하는 경우, 유기 정공전달체는 유기 정공전달물질, 구체적으로 단분자 내지 고분자 유기 정공전달물질(정공전도성 유기물)을 포함할 수 있다. 유기 정공전달물질은 무기 반도체 양자점을 염료로 사용하는 통상의 무기 반도체 기반 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. When the hole transporter includes an organic hole transporter, the organic hole transporter may include an organic hole transporter, specifically, a monomolecular or polymeric organic hole transporter (hole conducting organic material). Any organic hole transport material used in a conventional inorganic semiconductor-based solar cell using inorganic semiconductor quantum dots as a dye may be used as the organic hole transport material. Non-limiting examples of single- or low-molecular organic hole transport materials include pentacene, coumarin 6, 3-(2-benzothiazolyl)-7-(diethylamino)coumarin, zinc phthalocyanine (ZnPC), and 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) and N3 (cis -di(thiocyanato)-bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)-ruthenium (II)), but may include one or more materials selected from, but is not limited thereto.

유기 정공전달물질은 고분자인 경우, 정공전도성 고분자로, 티오펜계, 파라페닐렌비닐렌계, 카바졸계 및 트리페닐아민계에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 고분자 유기 정공전달물질의 비 한정적인 일 예로, P3HT(poly[3-hexylthiophene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3',7'- dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH-PPV(poly[2-methoxy -5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), POT( poly(octyl thiophene)), P3DT(poly(3-decyl thiophene)), P3DDT(poly(3-dodecyl thiophene), PPV(poly(p-phenylene vinylene)), TFB(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenyl amine), Polyaniline, Spiro-MeOTAD ([2,22′,7,77′-tetrkis (N,N-di-p-methoxyphenyl amine)-9,9,9′-spirobi fluorine]), PCPDTBT(Poly[2,1,3-benzothiadiazole- 4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl-4H- cyclopenta [2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl]], Si-PCPDTBT(poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PBDTTPD(poly((4,8-diethylhexyloxyl) benzo([1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl)-alt-((5-octylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione)-1,3-diyl)), PFDTBT(poly[2,7-(9-(2-ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4', 7, -di-2-thienyl-2',1', 3'-benzothiadiazole)]), PFO-DBT(poly[2,7-.9,9-(dioctyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-.thienyl-2', 1', 3'-benzothiadiazole)]), PSiFDTBT(poly[(2,7-dioctylsilafluorene)-2,7-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5′-diyl]), PSBTBT(poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PCDTBT(Poly [[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl] -2,5-thiophenediyl -2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]), PFB(poly(9,9′-dioctylfluorene-co-bis(N,N′-(4,butylphenyl))bis(N,N′-phenyl-1,4-phenylene)diamine), F8BT(poly(9,9′-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole), PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)), PTAA (poly(triarylamine)), Poly(4-butylphenyl-diphenyl-amine) 및 이들의 공중합체에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 정공전달층은 TBP(tertiary butyl pyridine), LiTFSI(Lithium Bis(Trifluoro methanesulfonyl)Imide), HTFSI (bis(trifluoromethane) sulfonimide), 2,6-lutidine 및 Tris(2-(1H -pyrazol-1-yl)pyridine)cobalt(III) 등과 같은 알려진 첨가제를 더 함유할 수 있음은 물론이다. 정공전달체는 유기 정공전달물질의 박막일 수 있으며, 박막의 두께는 10 내지 500nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. If the organic hole transport material is a polymer, it may include one or more materials selected from a thiophene-based, para-phenylene-vinylene-based, carbazole-based, and triphenylamine-based material as a hole-conducting polymer, but is not limited thereto. As a non-limiting example of the polymer organic hole transport material, P3HT (poly[3-hexylthiophene]), MDMO-PPV (poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH-PPV (poly[2-methoxy-5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT (poly(3-octyl thiophene)), POT (poly(octyl thiophene)), P3DT (poly(3-decyl thiophene)), P3DDT (poly(3-dodecyl thiophene), PPV (poly(p-phenylene vinylene)), TFB (poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4- butylphenyl)diphenyl amine), Polyaniline, Spiro-MeOTAD ([2,22′,7,77′-tetrkis (N,N-di-p-methoxyphenyl amine)-9,9,9′-spirobi fluorine]), PCPDTBT (Poly[2,1,3-benzothiadiazole- 4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl-4H- cyclopenta [2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6- diyl]], Si-PCPDTBT(poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)-2,6-diyl-alt-( 2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PBDTTPD (poly((4,8-diethylhexyloxyl) benzo([1,2-b:4,5-b']dithiophene)-2,6 -diyl)-alt-((5-octylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione)-1,3-diyl)), PFDTBT(poly[2,7-(9-(2-ethylhexyl )-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4', 7, -di-2-thienyl-2',1' , 3'-benzothiadiazole)]), PFO-DBT (poly[2,7-.9,9-(dioctyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-.thienyl- 2', 1', 3'-benzothiadiazole)]), PSiFDTBT (poly[(2,7-dioctylsilafluorene)-2,7-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1, 3-benzothiadiazole)-5,5′-diyl]), PSBTBT(poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)-2 ,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PCDTBT (Poly [[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl] -2 ,5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediazole]), PFB (poly(9,9′-dioctylfluorene-co-bis(N,N′-(4, butylphenyl))bis(N,N′-phenyl-1,4-phenylene)diamine), F8BT (poly(9,9′-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole), PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT :PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)), PTAA (poly(triarylamine)), Poly(4-butylphenyl-diphenyl-amine), and copolymers thereof. However, it is not limited thereto. The hole transport layer is tertiary butyl pyridine (TBP), lithium bis(trifluoro methanesulfonyl)imide (LiTFSI), bis(trifluoromethane) sulfonimide (HTFSI), 2,6-lutidine and Tris(2-(1H-pyrazol-1-yl) Of course, known additives such as pyridine) cobalt (III) may be further contained. The hole transporter may be a thin film of an organic hole transport material, and the thickness of the thin film may be 10 to 500 nm, but is not limited thereto.

전자전달체는 유기 전자전달체, 무기 전자전달체 또는 이들의 적층체일 수 있다. 전자전달체는 전자 전도성 유기물 층, 무기물 층 또는 이들의 적층체일 수 있다. The electron transporter may be an organic electron transporter, an inorganic electron transporter, or a laminate thereof. The electron transporting material may be an electron conductive organic material layer, an inorganic material layer, or a laminate thereof.

전자 전도성 유기물은 통상의 유기 태양전지에서, n형 반도체로 사용되는 유기물일 수 있다. 구체적 예로, 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 혼합물등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electron conductive organic material may be an organic material used as an n-type semiconductor in a typical organic solar cell. As specific examples, electron conductive organic materials include fullerenes (C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM ([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester) and C71-PCBM, C84-PCBM, PC 70 Fulleren-derivatives including BM ([6,6]-phenyl C 70 -butyric acid methyl ester), PBI (polybenzimidazole), PTCBI (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4 -TCNQ (tetra urorotetracyanoquinodimethane) or mixtures thereof may be included, but is not limited thereto.

전자전도성 무기물은 통상의 양자점 기반 태양전지 또는 염료 감응형 태양전지에서, 전자 전달을 위해 사용되는 전자전도성 금속산화물일 수 있다. 구체적인 일 예로, 전자전도성 금속산화물은 n-형 금속산화물 반도체일 수 있다. n-형 금속산화물 반도체의 일 예로, Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Ba 산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물 및 SrTi산화물등에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 들 수 있으며, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합산화물등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electron-conductive inorganic material may be an electron-conductive metal oxide used for electron transfer in a conventional quantum dot-based solar cell or dye-sensitized solar cell. As a specific example, the electron conductive metal oxide may be an n-type metal oxide semiconductor. An example of an n-type metal oxide semiconductor is 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 oxides, Al oxides, Y oxides, Sc oxides, Sm oxides, Ga oxides, In oxides, and SrTi oxides, and the like may be selected from one or more materials, and mixtures thereof or composite oxides thereof may be mentioned, but are limited thereto. it is not going to be

전자전달체의 두께는 50nm 내지 10μm, 구체적으로는 50nm 내지 1000nm일 수 있다. 전자전달체가 다공성인 경우 그 비표면적은 10 내지 100 m2/g일 수 있으며, 전자전달체를 이루는 금속산화물 입자의 평균 입경(diameter)은 5 내지 500 nm일 수 있다. 다공성 전자전달체의 기공률(겉보기 기공률)은 30% 내지 65%, 구체적으로 40% 내지 60%일 수 있다.The electron transporting material may have a thickness of 50 nm to 10 μm, specifically 50 nm to 1000 nm. When the electron transporting material is porous, its specific surface area may be 10 to 100 m 2 /g, and the average diameter of metal oxide particles constituting the electron transporting material may be 5 to 500 nm. The porosity (apparent porosity) of the porous electron transporting material may be 30% to 65%, specifically 40% to 60%.

전자전달체가 다공성 구조인 경우, 제1전극과 전자전달체 사이에는 전자전도성 무기물이나 유기물의 막이 더 구비되어, 광흡수체와 전극이 직접 접촉하는 것을 미연에 방지함과 동시에 전자를 전달하는 역할을 수행할 수 있다.When the electron transporting body has a porous structure, an electron-conductive inorganic or organic film is further provided between the first electrode and the electron transporting body to prevent direct contact between the light absorber and the electrode and simultaneously transfer electrons. can

광흡수층의 두께는 1 내지 2,000nm, 구체적으로 10 내지 1000nm, 보다 구체적으로 50 내지 800nm일 수 있다. 이러한 두께는 광전류 이동시 재결합에 의한 전류 소멸을 방지하면서 광을 흡수하여 광전자 및 광정공을 생성하는 광 활성 영역을 충분히 확보할 수 있으며, 조사되는 광을 충분히 흡수할 수 있어 유리하다. The thickness of the light absorption layer may be 1 to 2,000 nm, specifically 10 to 1000 nm, and more specifically 50 to 800 nm. Such a thickness is advantageous in that it is possible to sufficiently secure a photoactive region generating photoelectrons and photoholes by absorbing light while preventing current extinction due to recombination during photocurrent movement, and to sufficiently absorb irradiated light.

본 발명은 상술한 태양전지를 단위 셀로, 둘 이상의 셀이 배열되고 서로 전기적으로 연결된, 태양전지 모듈을 포함한다. 태양전지 모듈은 태양전지 분야에서 통상적으로 사용하는 셀의 배열 및 구조를 가질 수 있으며, 태양광을 집광하는 통상의 집광수단, 태양광의 경로를 가이드 하는 통상의 광블록을 더 포함할 수 있다.The present invention includes a solar cell module in which two or more cells are arranged and electrically connected to each other, using the above-described solar cell as a unit cell. The solar cell module may have an array and structure of cells commonly used in the field of solar cells, and may further include a conventional concentrating means for concentrating sunlight and a conventional optical block for guiding a path of sunlight.

본 발명은 상술한 태양전지 또는 태양전지 모듈에 의해 전력이 공급되는 장치를 포함한다. The present invention includes a device to which power is supplied by the solar cell or solar cell module described above.

다른 구체예로, 디바이스는 상술한 페로브스카이트 화합물을 반도체 소재로 포함하는 전자소자를 포함한다. 전자 소자는 다이오드(p-n 다이오드, p-i-n 다이오드등) 접합형 트랜지스터(BJT), 전계효과 트랜지스터(FET)등을 포함할 수 있다. In another embodiment, the device includes an electronic device including the above-described perovskite compound as a semiconductor material. Electronic devices may include diodes (p-n diodes, p-i-n diodes, etc.), junction transistors (BJTs), field effect transistors (FETs), and the like.

다른 구체예로, 디바이스는 상술한 페로브스카이트 화합물을 포함하는 센서를 포함한다. In another embodiment, a device includes a sensor comprising the perovskite compound described above.

이하, 페로브스카이트 화합물의 가장 대표적인 용도인 페로브스카이트 태양전지를 기준으로, 본 발명에 따른 페로브스카이트 화합물의 우수함을 실험적으로 보이나, 본 발명이 제시되는 실시예에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.Hereinafter, based on the perovskite solar cell, which is the most representative use of the perovskite compound, the excellence of the perovskite compound according to the present invention is experimentally shown, but the present invention can be limited by the examples presented. Of course none.

(제조예)(Manufacture example)

포름아미딘 아세트산염(formamidine acetate salt) 20mg과 HI 30mL를 둥근 바닥 플라스크에 투입한 후 60℃ 및 1mba에서 1시간동안 플라스크를 회전시켜 포름아미디움 아이오다이드(FAI; Formamidinium iodide)를 합성하였다. 합성된 FAI를 에탄올에 용해시키고 에틸에테르를 이용하여 재결정화한 후 진공 챔버에서 24시간동안 실온 건조시켰다. Formamidinium iodide (FAI) was synthesized by adding 20 mg of formamidine acetate salt and 30 mL of HI to a round bottom flask and rotating the flask at 60° C. and 1 mba for 1 hour. The synthesized FAI was dissolved in ethanol, recrystallized using ethyl ether, and dried at room temperature for 24 hours in a vacuum chamber.

포름아미디니움 리드 트리아이오다이드(FAPbI3, Formamidinium lead triiodide) 분말은 FAI와 PbI2를 1:1 몰비로 11mL의 2매톡시에탄올에 투입 및 교반한 후 120℃의 오일 배쓰에서 레트로그레이드 방법(retrograde method)으로 침전시켜 제조하였다. 여과에 의해 회수된 FAPbI3분말은 150℃에서 30분 동안 베이킹(baking)되었다. Formamidinium lead triiodide (FAPbI 3 , Formamidinium lead triiodide) powder was retrograde in an oil bath at 120 ° C after adding FAI and PbI 2 to 11 mL of 2methoxyethanol at a molar ratio of 1: 1 and stirring. (retrograde method) was prepared by precipitation. The FAPbI 3 powder recovered by filtration was baked at 150° C. for 30 minutes.

(실시예 1-4) (Example 1-4)

FTO(fluorine doped tin oxide)-유리 기판(Asahi glass) 위에 50nm 두께의 TiO2 박막을 분무 열분해법으로 제조하였다. 분무 열분해는 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트(titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)) 용액(75 wt.% in isopropanol, Sigma-Aldrich)을 이용하여 수행되었으며, 450℃로 유지된 열판위에 올려진 FTO 기판위에 3초간 분무하고 10초간 정지하는 방법을 되풀이하는 방법으로 두께를 조절하였다.A TiO 2 thin film having a thickness of 50 nm was prepared on a fluorine doped tin oxide (FTO)-glass substrate (Asahi glass) by a spray pyrolysis method. Spray pyrolysis was performed using a titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) solution (75 wt.% in isopropanol, Sigma-Aldrich), which was placed on a hot plate maintained at 450 °C. The thickness was adjusted by repeating the method of spraying on the FTO substrate for 3 seconds and stopping for 10 seconds.

TiO2 페이스트(Sharechem)를 2-메톡시에탄올: 터르피네올이 3.5:1 중량비로 혼합된 혼합용매로 희석시키고, 희석된 TiO2 페이스트를 TiO2 박막이 형성된 기판에 1500 rpm으로 40초 동안 스핀코팅한 후, 500 ℃에서 1시간 열처리하여 약 150 ~ 200 nm 두께의 다공성 TiO2 층을 제조하였다.TiO 2 paste (Sharechem) was diluted with a mixed solvent of 2-methoxyethanol:terpineol in a weight ratio of 3.5:1, and the diluted TiO 2 paste was spun on a substrate on which a TiO 2 thin film was formed at 1500 rpm for 40 seconds. After coating, a porous TiO 2 layer having a thickness of about 150 to 200 nm was prepared by heat treatment at 500° C. for 1 hour.

페로브스카이트 화합물 막(광흡수층)을 제조하기 위한 전구체 용액은, N-N-디메틸포름아미드(DMF) : 디메틸술폭시드(DMSO)가 8 :1의 부피비로 혼합된 혼합 용매에 제조예에서 합성된 FAPbI3, CsI, MDACl2(methylenediamine dihydrochloride) 및 MACl(methylammonium chloride)을 투입 및 교반하여 제조하였다. 이때, 광흡수층의 FA1-2xCsxMDAxPbI3 (FA=Formamidinium, MDA=methylenediammonium) 페로브스카이트 화합물은 FAPbI3 : CsI : MDACl2 : MACl의 몰비가 1 : x : x : 0.35가 되도록 투입한 전구체 용액을 이용하여 제조되었으며, x=0.01(실시예 1), 0.02(실시예 2), 0.03(실시예 3) 또는 0.04(실시예 4)였다. 제조된 전구체 용액은 FAPbI3와 MDACl2를 기준으로 약 1.26 M 몰농도를 가졌다.The precursor solution for preparing the perovskite compound film (light absorption layer) is synthesized in Preparation Example in a mixed solvent in which NN-dimethylformamide (DMF):dimethylsulfoxide (DMSO) is mixed in a volume ratio of 8:1 It was prepared by adding FAPbI 3 , CsI, MDACl 2 (methylenediamine dihydrochloride) and MACl (methylammonium chloride) and stirring. At this time, the FA 1-2x Cs x MDA x PbI 3 (FA=Formamidinium, MDA=methylenediammonium) perovskite compound of the light absorption layer has a molar ratio of FAPbI 3 : CsI : MDACl 2 : MACl of 1 : x : x : 0.35 It was prepared using the precursor solution introduced so that x = 0.01 (Example 1), 0.02 (Example 2), 0.03 (Example 3) or 0.04 (Example 4). The prepared precursor solution had a molar concentration of about 1.26 M based on FAPbI 3 and MDACl 2 .

제조된 페로브스카이트 용액을 다공성 TiO2 층에 일정양을 적하한 후 스핀코팅(1000rpm 10초 및 5000rpm 15초 시점에서 1mL의 에틸에테르를 상부에 빠르게 떨어뜨림)하여 제조된 박막을 150℃에서 15분 동안 열처리 후 100℃에서 15분 어닐링하여 FA1-2xCsxMDAxPbI3의 광흡수층을 제조하였다. 알려진 바와 같이, 열처리 과정에서 막에 남아있는 용매와 함께 첨가제인 MACl 또한 모두 전부 증발되어 사라졌다.After dropping a certain amount of the prepared perovskite solution on the porous TiO 2 layer, spin coating (1 mL of ethyl ether was quickly dropped on top at 1000 rpm for 10 seconds and 5000 rpm for 15 seconds) to prepare a thin film at 150 ° C. After heat treatment for 15 minutes, annealing was performed at 100 °C for 15 minutes to prepare a light absorption layer of FA 1-2x Cs x MDA x PbI 3 . As is known, in the heat treatment process, all of the additive MACl along with the solvent remaining in the film evaporated and disappeared.

이후, 제조된 광흡수층 표면에 페닐에틸암모늄아오다이드(phenylethylammonium iodide: 이하 PEAI로 표기함)를 2-프로판올에 15mM 농도로 용해한 용액을 스핀코팅 (5000rpm, 30초)한 후, spiro-OMeTAD가 클로로벤젠에 용해(90mg(spiro-OMeTAD)/클로로벤젠 1mL)되고, t-BP(tert-Butylpyridine) 39.5μL, Li-TFSI(bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt) 23μL 및 Co-TFSI(FK209 Co(Ⅲ) TFSI salt, Lumtec.) 10μL가 첨가된 정공전달 용액을 광흡수층 위에 스핀코팅 (3000rpm, 30초)하여 유기 정공전달층을 형성한 후, 제2전극으로 Au(70nm)를 열 증착하여 태양전지를 제조하였다. 이하, 실시예 1, 2, 3 또는 4에서 제조된 태양전지나 페로브스카이트 화합물 막은, 인식의 용이함을 위해 도면이나 설명에서 FA1-xMCxPbI3(x=1, 2, 3 또는 4) 또는 x=1, 2, 3 또는 4로 지칭될 수 있으나, 이러한 지칭이 실제 화학식이나 함량을 의미하는 것은 아니다. 실질적으로 'FA1-xMCxPbI3(x=1, 2, 3 또는 4)' 또는 'x=1, 2, 3 또는 4'로 지칭된 페로브스카이트 화합물 막은 화학식 FA1-2xCsxMDAxPbI3(x=0.01, 0.02, 0.03 또는 0.04)에 해당할 수 있다.Then, after spin-coating (5000 rpm, 30 seconds) a solution in which phenylethylammonium iodide (hereinafter referred to as PEAI) was dissolved in 2-propanol on the surface of the light absorption layer, spiro-OMeTAD Dissolved in chlorobenzene (90 mg (spiro-OMeTAD) / chlorobenzene 1 mL), t-BP (tert-Butylpyridine) 39.5 μL, Li-TFSI (bis (trifluoromethane) sulfonimide lithium salt) 23 μL and Co-TFSI (FK209 Co( Ⅲ) After forming an organic hole transport layer by spin-coating (3000 rpm, 30 seconds) a hole transfer solution to which 10 μL of TFSI salt, Lumtec.) was added, on the light absorption layer, Au (70 nm) was thermally deposited as a second electrode to A battery was made. Hereinafter, the solar cell or the perovskite compound film prepared in Example 1, 2, 3 or 4 is FA 1-x MC x PbI 3 (x = 1, 2, 3 or 4) in the drawing or description for ease of recognition. ) or x = 1, 2, 3 or 4, but this designation does not mean the actual formula or content. The perovskite compound film, substantially referred to as 'FA 1-x MC x PbI 3 (x=1, 2, 3 or 4)' or 'x=1, 2, 3 or 4', has the formula FA 1-2x Cs x MDA x PbI 3 (x=0.01, 0.02, 0.03 or 0.04).

(비교예)(Comparative example)

FA(1-0.038)DMA(0.038)PbI3의 페로브스카이트 화합물 막을 제조하기 위해, 전구체 용액으로, N-N-디메틸포름아미드(DMF) : 디메틸술폭시드(DMSO)가 8 :1의 부피비로 혼합된 혼합 용매에 FAI : PbI2 : MDACl2 : MACl을 1 : 1 : 0.038 : 0.5의 몰비로 첨가하여 제조된 전구체 용액을 사용한 것을 제외하고 실시예 1~4와 동일하게 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다. 이하, 비교예에서 제조된 태양전지는 도면이나 설명에서 'control'로 지칭될 수 있다. To prepare a perovskite compound film of FA (1-0.038) DMA (0.038) PbI 3 , as a precursor solution, NN-dimethylformamide (DMF) : dimethylsulfoxide (DMSO) was mixed at a volume ratio of 8:1. A perovskite solar cell was prepared in the same manner as in Examples 1 to 4, except that a precursor solution prepared by adding FAI: PbI 2 : MDACl 2 : MACl to the mixed solvent at a molar ratio of 1: 1: 0.038: 0.5 was used. manufactured. Hereinafter, the solar cell manufactured in Comparative Example may be referred to as 'control' in drawings or descriptions.

(실시예 5, 6)(Examples 5 and 6)

열 안정성 테스트 및 장기 열 안정성 테스트를 위한 페로브스카이트 태양전지는, 정공전달물질의 열적 열화에 의해 테스트 결과가 좌우되는 것을 방지하고자, 앞선 실시예와 동일하게 제조하되, 정공전달층의 물질을 달리하여 제조하였다. The perovskite solar cell for the thermal stability test and the long-term thermal stability test is manufactured in the same manner as in the previous embodiment in order to prevent the test result from being influenced by the thermal degradation of the hole transport material, but the material of the hole transport layer prepared differently.

열 안정성 테스트에 사용된 태양전지(실시예 5)는, 실시예 3과 동일하게 제조하되, 광흡수층 표면에 PTAA(poly(triaryl amine), Mn = 17,500 g mol-1, EM index)가 클로로벤젠에 용해(10mg PTAA/클로로벤젠 1mL)되고, t-BP 4μL 및 Li-TFSI 7.5μL가 첨가된 정공전달 용액을 광흡수층 위에 스핀코팅 (3000rpm, 30초)하여 유기 정공전달층을 형성하여 제조하였다.The solar cell (Example 5) used in the thermal stability test was prepared in the same manner as in Example 3, but PTAA (poly (triaryl amine), Mn = 17,500 g mol -1 , EM index) was added to chlorobenzene on the surface of the light absorption layer. was dissolved in (10 mg PTAA/chlorobenzene 1 mL) and spin-coated (3000 rpm, 30 seconds) the hole transfer solution to which 4 μL of t-BP and 7.5 μL of Li-TFSI were added on the light absorption layer to form an organic hole transport layer. .

장기 열 안정성 테스트에 사용된 태양전지(실시예 6)는, 실시예 3과 동일하게 제조하되, 광흡수층 표면에 CuPc(copper phthalocyanine)가 클로로벤젠에 용해(10mg CuPc/클로로벤젠 1mL)된 정공전달 용액을 광흡수층 위에 스핀코팅 (3000rpm, 30초)하여 유기 정공전달층을 형성하여 제조하였다.The solar cell (Example 6) used in the long-term thermal stability test was prepared in the same manner as in Example 3, but CuPc (copper phthalocyanine) was dissolved in chlorobenzene (10 mg CuPc / chlorobenzene 1 mL) hole transfer on the surface of the light absorption layer The solution was prepared by spin-coating (3000 rpm, 30 seconds) on the light absorption layer to form an organic hole transport layer.

<분석 방법> <Analysis method>

광학 특성은 자외-가시광(UV-Vis) 분광법(Shimadzu UV-2600)을 이용하여 분석하였다. Optical properties were analyzed using ultraviolet-visible light (UV-Vis) spectroscopy (Shimadzu UV-2600).

결정구조는 X-선 회절(D/MAX2500V/PC)을 이용하여 분석하였다. X-선 회절 분석은 Cu kα 선, 5-50°, 스캔 속도 0.02°로 수행되었다. The crystal structure was analyzed using X-ray diffraction (D/MAX2500V/PC). X-ray diffraction analysis was performed with Cu kα rays, 5-50°, scan rate 0.02°.

광 발광(photoluminescence) 스펙트럼은 PMA-C-192-M 검출기 및 고해상도 여기 모노크로미터가 장착된 상용 시간 상관 단일 광자 카운팅(TCSPC; time-correlated single photon counting) 셋업(FluoTime 300, PicoQuant GmbH)을 사용하여 측정하였다. Photoluminescence spectra were obtained using a commercial time-correlated single photon counting (TCSPC) set-up (FluoTime 300, PicoQuant GmbH) equipped with a PMA-C-192-M detector and a high-resolution excitation monochromator. was measured.

전류밀도-전압(J-V) 특성은 AM1.5필터와 100mWcm-2의 조사 강도를 가진 태양 시뮬레이터(Newport, Oriel Sol3A class AAA) 및 Keithley 2420 소스 미터를 사용하여 측정되었다. 광전류 밀도의 과대 평가를 피하기 위해, 활성 영역은 태양 전지 앞에 배치된 금속 마스크에 의해 결정되었다. 1cmx1cm의 대면적 측정 경우를 제외하고, 태양전지의 전류밀도-전압 측정시 활성 면적은 4 mm x 4 mm였다. 모든 J-V 측정에는 1.05의 스펙트럼 불일치 계수(spectral mismatch factor)가 사용되었다. Current density-voltage (JV) characteristics were measured using a solar simulator (Newport, Oriel Sol3A class AAA) and a Keithley 2420 source meter with an AM1.5 filter and an irradiation intensity of 100 mWcm -2 . To avoid overestimation of the photocurrent density, the active area was determined by a metal mask placed in front of the solar cell. Excluding the case of measuring a large area of 1 cm x 1 cm, the active area was 4 mm x 4 mm when measuring the current density-voltage of the solar cell. A spectral mismatch factor of 1.05 was used for all JV measurements.

외부 양자 효율 (EQE; External quantum efficiency)은 100W 크세논 램프에 의한 조사하에 인터널 양자 효율 시스템(Oriel, IQE 200B)을 사용하여 측정되었다. External quantum efficiency (EQE) was measured using an internal quantum efficiency system (Oriel, IQE 200B) under irradiation with a 100 W xenon lamp.

막의 미세구조 및 두께는 주사 전자 현미경(Cold FE-SEM, SU-8220)을 통해 측정되었다. The microstructure and thickness of the film were measured through a scanning electron microscope (Cold FE-SEM, SU-8220).

열자극 전류(TSC; thermally stimulated current) 측정은 실제 태양 전지 구조에서 수행되었고, TSC 신호는 폐쇄 사이클 He 저온챔버(He cryostat)에서 측정되었다. 태양전지 샘플을 어두운 곳에서 30K로 냉각한 다음 10분 동안 빛에 노출시켜 포토 캐리어를 생성하였다. 광원으로 Xe 램프 (254W)를 사용하였고, 광원과 태양 전지 사이의 거리를 33cm로 고정하였다. 어둠 속에서 10 분의 체류 시간 후, 샘플을 17Kmin-1의 속도로 300K로 가열하였다. 샘플의 TSC 신호는 제로 바이어스의 Keithley 2636B 소스 미터를 사용하여 측정되었다.Thermally stimulated current (TSC) measurements were performed in an actual solar cell structure, and TSC signals were measured in a closed cycle He cryostat. The solar cell sample was cooled to 30 K in the dark and then exposed to light for 10 minutes to generate a photo carrier. A Xe lamp (254 W) was used as a light source, and the distance between the light source and the solar cell was fixed at 33 cm. After a dwell time of 10 min in the dark, the sample was heated to 300 K at a rate of 17 Kmin −1 . The sample's TSC signal was measured using a Keithley 2636B source meter with zero bias.

<안정성 테스트 조건><Stability test conditions>

열 안정성 테스트 : 15% 미만의 상대습도, 85 ℃의 온도, 대기(ambient air) 및 어두운(dark) 조건으로 캡슐화되지 않은 상태의 페로브스카이트 태양전지를 방치하여 열 안정성 시험을 수행하였다. Thermal stability test: A thermal stability test was performed by leaving the perovskite solar cell in an unencapsulated state under conditions of a relative humidity of less than 15%, a temperature of 85 ° C., ambient air and dark conditions.

장기 열 안정성 테스트 : 15-25%의 상대습도, 150 ℃의 온도 및 대기(ambient air) 조건으로 캡슐화되지 않은 상태의 페로브스카이트 태양전지를 방치하여 장기 열 안정성 시험을 수행하였다. Long-term thermal stability test: A long-term thermal stability test was performed by leaving the non-encapsulated perovskite solar cell under conditions of 15-25% relative humidity, 150 °C temperature, and ambient air.

최대 전력점 추적 안정성 테스트 : 1 Sun, AM 1.5G 조명 하, 최대 전력점 전압(VMPP)으로 전압을 고정한 다음 전류 출력을 추적하여 연속 최대 전력점 작동시 안정성 테스트를 수행하였다. Maximum power point tracking stability test: Under 1 Sun, AM 1.5G lighting, the voltage was fixed at the maximum power point voltage (V MPP ), and then the current output was tracked to conduct a stability test during continuous maximum power point operation.

이하의 설명에서 실시예나 비교예에서 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 측정 결과는 실시예나 비교예에서 다공성 TiO2 층에 형성되고 정공전달층이 형성되기 전 단계의 페로브스카이트 화합물 막을 대상으로 한 측정 결과이다. In the following description, the measurement results of the perovskite compound film prepared in Examples or Comparative Examples are measured for the perovskite compound film formed on the porous TiO2 layer and before the hole transport layer is formed in Examples or Comparative Examples This is the result.

도 1은 실시예1(도 1의 x=1), 실시예2(도 1의 x=2), 실시예3(도 1의 x=3), 실시예4(도 1의 x=4) 및 비교예(도 1의 Control)에서, 다공성 TiO2 층 상에 형성된 페로브스카이트 화합물 막(광흡수층)의 Cu Kα X-선 회절 패턴을 측정 도시한 도면이다. 도 1에서 알 수 있듯이, 약 14 ° 및 28 °의 2θ에서 회절 피크가 나타났으며, δ 상의 주 피크인 11.6 °에서 회절 피크가 검출되지 않음을 알 수 있다. 14 ° 및 28 °의 회절 피크는 α 상 아미디니움계 페로브스카이트 화합물의 (001) 및 (002) 결정면 회절 피크로, 도 1을 통해 온전한 α 상의 아미디니움계 페로브스카이트 화합물이 제조됨을 알 수 있다. 1 shows Example 1 (x=1 in FIG. 1), Example 2 (x=2 in FIG. 1), Example 3 (x=3 in FIG. 1), and Example 4 (x=4 in FIG. 1). And in Comparative Example (Control in FIG. 1), it is a view showing the measured Cu Kα X-ray diffraction pattern of the perovskite compound film (light absorption layer) formed on the porous TiO 2 layer. As can be seen in FIG. 1, diffraction peaks appeared at 2θ of about 14 ° and 28 °, and it can be seen that no diffraction peak was detected at 11.6 °, which is the main peak of the δ phase. The diffraction peaks at 14 ° and 28 ° are the (001) and (002) crystal plane diffraction peaks of the α-phase amidinium-based perovskite compound. production can be seen.

또한, 도 1에서 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온만이 첨가된 Control 대비, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+가 동시에 첨가되는 경우, α 상의 주 피크인 14 ° 및 28 °의 회절 피크 강도가 크게 증가함을 알 수 있다. 이러한 피크 강도의 증가는 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+가 동시에 첨가됨에 따라 아미디니움계 페로브스카이트 화합물의 결정성(crystallinity)이나 막을 이루는 페로브스카이트 화합물 그레인들의 우선 배향성(preferred orientation)의 증가된 것을 의미한다. In addition, in FIG. 1, compared to Control in which only alkylenediammonium-based divalent cations are added, when alkylenediammonium-based divalent cations and Cs + are added at the same time, diffraction peaks of 14 ° and 28 °, which are the main peaks of the α phase, It can be seen that the strength increases significantly. The increase in peak intensity is due to the crystallinity of the amidinium-based perovskite compound or the preferential orientation of the perovskite compound grains forming the film as the alkylenediammonium-based divalent cation and Cs + are added at the same time ( means an increase in preferred orientation.

도 2는 도 1에서 2θ 13.5~14.4° 영역만을 도시한 도면이다. Control의 페로브스카이트 화합물은 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온을 3.8몰%로 함유하는 샘플이다. 이에, 도 2의 x=3(3몰%)과 x=4(4몰%)의 피크 위치와 control의 피크 위치를 살피면, Control의 페로브스카이트 화합물의 피크 중심 대비, 2θ가 증가하는 방향으로 이동한 것을 확인할 수 있다. 이러한 피크의 이동은 페로브스카이트 격자 구조에 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+가 균질하게 혼재(substituting)하며 고상 알로이화된 것을 의미하며, Control 대비 2θ가 증가하는 방향으로의 피크 이동은 아미디니움계 페로브스카이트 화합물에 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온이 첨가되며 증가된 면간 거리가, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 아미디니움계 1가 양이온간의 크기 차를 완화시킬 수 있는 Cs+가 함께 첨가됨에 따라 다시 면간 거리가 감소된 것을 의미한다.FIG. 2 is a diagram showing only the 2θ 13.5 to 14.4° region in FIG. 1 . Control's perovskite compound is a sample containing 3.8 mol% of alkylenediammonium-based divalent cations. Therefore, looking at the peak positions of x = 3 (3 mol%) and x = 4 (4 mol%) and the peak position of the control in FIG. 2, the direction in which 2θ increases relative to the peak center of the perovskite compound of Control You can check that the . The shift of this peak means that the alkylenediammonium divalent cation and Cs + are homogeneously substituting in the perovskite lattice structure and solid-phase alloyed, and the peak shifts in the direction of increasing 2θ compared to Control An alkylenediammonium-based divalent cation is added to the silver amidinium-based perovskite compound, and the increased interplanar distance can mitigate the size difference between the alkylenediammonium-based divalent cation and the amidinium-based monovalent cation. This means that the interplanar distance is reduced again as Cs + that can be added together.

또한, 도 1 및 도 2의 X-선 회절 결과를 기반으로 쉐러식(Scherrer's equation)을 통해 산출된 페로브스카이트 화합물 막에서의 결정 크기를 살피면, 비교예(Control)의 경우 51.9nm, 실시예 1의 경우 52.6nm, 실시예 2의 경우 50.0nm, 실시예 3의 경우 50.8nm, 실시예 4의 경우 54.6nm로, Control에서의 페로브스카이트 화합물과 실시예에서 제조된 페로브스카이트 화합물간 유의미한 차이가 나타나지 않았다. In addition, looking at the crystal size in the perovskite compound film calculated through Scherrer's equation based on the X-ray diffraction results of FIGS. 1 and 2, in the case of the comparative example (Control), 51.9 nm, 52.6 nm for Example 1, 50.0 nm for Example 2, 50.8 nm for Example 3, and 54.6 nm for Example 4, the perovskite compound in Control and the perovskite prepared in Example There was no significant difference between the compounds.

도 3은 실시예1(도 3(a), x=1), 실시예2(도 3(b), x=3), 실시예3(도 3(c), x=3)에서 다공성 TiO2 층 상에 형성된 페로브스카이트 화합물 막(광흡수층)의 스침각 입사 광각 X-선 산란 스펙트럼(도 3(a)) 및 방사각(azimuthal)에 따른 (001)면의 산란 강도 스펙트럼(도 3(b))을 도시한 도면이다.3 shows porous TiO in Example 1 (FIG. 3 (a), x = 1), Example 2 (FIG. 3 (b), x = 3), and Example 3 (FIG. 3 (c), x = 3). Grazing- angle incident wide-angle X-ray scattering spectrum (FIG. 3(a)) and (001) plane scattering intensity spectrum (Fig. 3 (b)) is shown.

도 3으로부터, 링 패턴에서 상대적으로 강한 스팟(spot)이 나타남을 알 수 있으며, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 첨가량이 증가함에 따라, 스팟의 강도가 증가함을 알 수 있다. 이를 통해 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 첨가량이 증가함에 따라 [100]c 및 [200]c 방향으로의 우선 배향성이 강해지는 것을 알 수 있다. 3, it can be seen that relatively strong spots appear in the ring pattern, and it can be seen that the intensity of the spots increases as the amount of alkylenediammonium-based divalent cations and Cs + added increases. From this, it can be seen that the preferential orientation in the [100]c and [200]c directions becomes stronger as the addition amount of alkylenediammonium divalent cations and Cs + increases.

도 4는 실시예1(도 4의 x=1), 실시예2(도 4의 x=2), 실시예3(도 4의 x=3), 실시예4(도 4의 x=4) 및 비교예(도 4의 Control)에서 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 UV-Vis 흡수 스펙트럼 및 평준화된 광발광(PL; photoluminescence) 스펙트럼을 도시한 도면이다. 도 4를 통해, Cs+ 단독 첨가시와는 달리 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 동시 첨가시 첨가량과 실질적으로 무관하게, 유의미한 광 흡수 스펙트럼의 유의미한 변화나 광발광 피크 위치의 유의미한 변화가 나타나지 않음을 알 수 있다. 이는, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+이 페로브스카이트 구조에 도입되며 아미디니움계 페로브스카이트 화합물의 밴드갭 에너지가 변화(증가)되지 않았음을 의미한다. 4 shows Example 1 (x=1 in FIG. 4), Example 2 (x=2 in FIG. 4), Example 3 (x=3 in FIG. 4), and Example 4 (x=4 in FIG. 4). and a UV-Vis absorption spectrum and a leveled photoluminescence (PL) spectrum of the perovskite compound film prepared in Comparative Example (Control in FIG. 4). 4, unlike the case of adding Cs+ alone, when the alkylenediammonium-based divalent cation and Cs + are simultaneously added, a significant change in the light absorption spectrum or a significant change in the photoluminescence peak position is substantially independent of the addition amount. It can be seen that it does not appear. This means that the alkylenediammonium-based divalent cation and Cs + are introduced into the perovskite structure and the band gap energy of the amidinium-based perovskite compound is not changed (increased).

도 5는 실시예3(도 5의 x=3), 실시예4(도 5의 x=4) 및 비교예(도 5의 Control)에서 제조된 페로브스카이트 태양전지의 성능을 측정 도시한 것으로, 실시예 3~4 및 비교예의 방법으로 각각 24개의 태양전지를 제조하고, 각 태양전지의 성능을 측정 도시한 것이다. 5 is a measurement of the performance of perovskite solar cells prepared in Example 3 (x = 3 in FIG. 5), Example 4 (x = 4 in FIG. 5) and Comparative Example (Control in FIG. 5). That is, 24 solar cells were manufactured by the methods of Examples 3 to 4 and Comparative Example, respectively, and the performance of each solar cell was measured and shown.

도 5에서 알 수 있듯이, 비교예의 Control 대비 실시예에서 제조된 태양전지의 성능 편차가 좁아 보다 우수한 신뢰성을 갖는 것을 알 수 있다. 또한, 광전변환효율(PCE; power conversion efficiency)에 영향을 미치는 단락전류밀도(Jsc), 개방 전압(Voc) 및 필팩터(FF)를 살피면, 실시예에서 제조된 태양전지가 Control 대비 개방 전합이 커지며, 향상된 광전변환효율(22.72 ㅁ 0.45%)을 나타냄을 알 수 있다. As can be seen in FIG. 5 , it can be seen that the performance deviation of the solar cells manufactured in Examples compared to Control of Comparative Examples is narrow, resulting in better reliability. In addition, looking at the short-circuit current density (J sc ), open-circuit voltage (V oc ), and fill factor (FF) that affect power conversion efficiency (PCE), the solar cell manufactured in the example is open versus control It can be seen that the electric potential increases and the photoelectric conversion efficiency (22.72 ㅁ 0.45%) is improved.

도 6은 실시예1(도 6의 x=1), 실시예2(도 6의 x=2), 실시예3(도 6의 x=3) 및 실시예4(도 6의 x=4)에서 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 표면을 관찰한 주사전자현미경 사진이다. 도 6에서 알 수 있듯이, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+ 의 도입량과 무관하게, 페로브스카이트 화합물 막의 그레인 크기나 미세구조, 표면 거칠기가 실질적으로 동일함을 알 수 있다. 또한 페로브스카이트 화합물 막 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 막의 두께 또한 실질적으로 동일함을 확인하였다. 이를 통해 아미디니움계 페로브스카이트 화합물에 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+을 동시 도입하여도 페로브스카이트 화합물 막의 모폴로지에 영향을 미치지 않음을 알 수 있으며, 이러한 미세구조 결과는 X-선 회절 결과 및 쉐러식을 이용한 결정 크기 산출 결과와도 부합한다. 6 shows Example 1 (x=1 in FIG. 6), Example 2 (x=2 in FIG. 6), Example 3 (x=3 in FIG. 6), and Example 4 (x=4 in FIG. 6). This is a scanning electron microscope image of the surface of the perovskite compound film prepared in As can be seen from FIG. 6, it can be seen that the grain size, microstructure, and surface roughness of the perovskite compound film are substantially the same regardless of the amount of alkylenediammonium-based divalent cations and Cs + introduced. In addition, as a result of observing the cross-section of the perovskite compound film with a scanning electron microscope, it was confirmed that the thickness of the film was also substantially the same. Through this, it can be seen that the simultaneous introduction of alkylenediammonium-based divalent cations and Cs + into the amidinium-based perovskite compound does not affect the morphology of the perovskite compound film, and these microstructure results are It also coincides with the results of X-ray diffraction and crystal size calculation using the Scherrer equation.

도 6의 관찰 결과(실질적으로 동일한 그레인 크기, 미세구조, 표면 거칠기, 광흡수층 두께), 도 4와 같이 Control과 실시예에서 제조된 페로브스카이트 화합물 막간 유의미한 밴드갭 에너지 차이가 나타나지 않는 점, 도 5와 같이 Control과 실시예에서 제조된 태양전지간 실질적으로 동일한 단락전류밀도(Jsc)를 갖는 점 및 실시예에서 제조된 태양전지가 Control 대비 개방 전합이 커지며 향상된 광전변환효율 갖는 점으로부터, 비교예와 실시예의 태양전지간 실질적으로 동일한 전하 수집(charge collection) 특성을 가짐을 알 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 화합물 막이 비교예의 페로브스카이트 화합물 막 대비 보다 낮은 결함 농도를 가지며 보다 낮은 비-방사성 손실을 나타냄을 알 수 있다. 6 (substantially the same grain size, microstructure, surface roughness, light absorption layer thickness), as shown in FIG. As shown in FIG. 5, the fact that the control and the solar cells manufactured in the examples have substantially the same short-circuit current density (J sc ) and the solar cells manufactured in the examples have a larger open junction compared to the control and have improved photoelectric conversion efficiency, It can be seen that the solar cells of Comparative Example and Example have substantially the same charge collection characteristics, and the perovskite compound film prepared according to one embodiment of the present invention has a higher performance than the perovskite compound film of Comparative Example. It can be seen that it has a lower defect concentration and exhibits lower non-radiative losses.

알려진 바와 같이 페로브스카이트 화합물의 격자 응력(lattice strain)은 결함 농도와 비-방사성 재결합을 증가시킨다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 화합물은 α상의 상 안정성을 향상시킬 수 있는 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온에 의해 야기되는 격자 응력이 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 코-도핑(co-doping)에 의해 크게 완화(relaxation)되며, 낮은 결함 농도 및 낮은 비-방사성 손실을 가져, 개방 전합 손실이 감소된 것을 알 수 있다. As is known, the lattice strain of perovskite compounds increases defect concentration and non-radiative recombination. Accordingly, in the perovskite compound prepared according to an embodiment of the present invention, the lattice stress caused by the alkylenediammonium-based divalent cation capable of improving the phase stability of the α phase is reduced by the alkylenediammonium-based divalent cation. It can be seen that open junction loss is greatly relaxed by the co-doping of Cs+ and low defect concentration and low non-radiative loss, resulting in reduced open junction loss.

도 7은 도 1의 Cu Kα선을 이용한 X-선 회절 측정 결과를 기반으로, 윌리암슨-홀 법을 이용하여 산출된 잔류 응력(residual strain, ε)을 도시한 도면으로, 도 7에서 x=1은 실시예1의 페로브스카이트 화합물 막을, x=2는 실시예2의 페로브스카이트 화합물 막을, x=3은 실시예3의 페로브스카이트 화합물 막을, x=4는 실시예4의 페로브스카이트 화합물 막을, 별표로 표시된 FA-MDA3.8은 Control의 페로브스카이트 화합물 막을 의미한다. FIG. 7 is a diagram showing residual strain (ε) calculated using the Williamson-Hall method based on the X-ray diffraction measurement results using Cu Kα rays of FIG. 1, where x=1 in FIG. is the perovskite compound film of Example 1, x = 2 is the perovskite compound film of Example 2, x = 3 is the perovskite compound film of Example 3, x = 4 is the perovskite compound film of Example 4 The perovskite compound film, FA-MDA3.8 marked with an asterisk, means the perovskite compound film of Control.

도 7에서 알 수 있듯이, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 단독 도핑되는 경우 페로브스카이트 격자에 약 0.0015의 잔류 응력이 형성되나, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 코-도핑(co-doping)에 의해 결정 격자의 잔류 응력이 크게 완화됨을 알 수 있으며, 특히, 가장 낮은 잔류 응력을 갖는 페로브스카이트 화합물이 구비된 실시예 3의 태양전지가 가장 높은 광전변환효율을 나타냄을 알 수 있다. 이때, 실시예 3에서 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 잔류응력은 비교예에서 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 잔류응력 대비 약 30% 수준에 불과하였다.As can be seen in FIG. 7, a residual stress of about 0.0015 is formed in the perovskite lattice when doped alone with alkylenediammonium-based divalent cations, but co-doping of alkylenediammonium-based divalent cations and Cs + ( It can be seen that the residual stress of the crystal lattice is greatly alleviated by co-doping, and in particular, the solar cell of Example 3 equipped with the perovskite compound having the lowest residual stress exhibits the highest photoelectric conversion efficiency. Able to know. At this time, the residual stress of the perovskite compound film prepared in Example 3 was only about 30% of the residual stress of the perovskite compound film prepared in Comparative Example.

이를 통해, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+가 페로브스카이트 격자에 혼입되며 페로브스카이트 화합물 격자의 수축이나 팽창에 의해 야기되는 잔류 응력이 크게 감소되고, 이러한 응력 제어에 의해 재결합에 의해 광전하를 소멸시킬 수 있는 결함이나 트랩의 생성이 방지되며, 태양전지의 광전변환효율이 향상됨을 알 수 있다. Through this, alkylenediammonium-based divalent cations and Cs+ are incorporated into the perovskite lattice, and the residual stress caused by contraction or expansion of the perovskite compound lattice is greatly reduced. It can be seen that the generation of defects or traps that can dissipate photocharges is prevented, and the photoelectric conversion efficiency of the solar cell is improved.

도 8은 유리 기판 상 실시예1(도 8의 x=1), 실시예2(도 8의 x=2), 실시예3(도 8의 x=3), 실시예4(도 8의 x=4) 및 비교예(도 8의 Control)와 동일한 방법으로 페로브스카이트 화합물 막을 형성하여 측정한 정상상태 광발광 스펙트럼을 도시한 도면이다. 도 8에서 알 수 있듯이, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 코-도핑에 의해 광발광 강도가 증가함을 알 수 있으며, 가장 낮은 잔류 응력을 갖는 실시예 3에서의 페로브스카이트 화합물이 가장 높은 발광 강도를 가짐을 알 수 있다. 광발광 강도의 증가는 비-방사성 재결합이 감소된 것을 의미한다. FIG. 8 shows Example 1 (x=1 in FIG. 8), Example 2 (x=2 in FIG. 8), Example 3 (x=3 in FIG. 8), and Example 4 (x in FIG. 8) on a glass substrate. = 4) and Comparative Example (Control in FIG. 8). As can be seen in FIG. 8, it can be seen that the photoluminescence intensity is increased by co-doping of alkylenediammonium-based divalent cations and Cs+, and the perovskite compound in Example 3 having the lowest residual stress It can be seen that this has the highest luminous intensity. An increase in photoluminescence intensity indicates a decrease in non-radiative recombination.

도 9는 유리 기판 상 실시예1(도 9의 x=1), 실시예2(도 9의 x=2), 실시예3(도 9의 x=3), 실시예4(도 9의 x=4) 및 비교예(도 9의 Control)와 동일한 방법으로 페로브스카이트 화합물 막을 형성하고, 시간-상관 단광자 계수(TCSPC; time-correlated single photon counting)를 이용하여 측정한 시-분해 광발광(time-resolved photoluminescence) 특성을 도시한 도면이다. FIG. 9 shows Example 1 (x=1 in FIG. 9), Example 2 (x=2 in FIG. 9), Example 3 (x=3 in FIG. 9), and Example 4 (x in FIG. 9) on a glass substrate. = 4) and Comparative Example (Control in FIG. 9), a perovskite compound film was formed, and time-resolved light measured using time-correlated single photon counting (TCSPC) It is a diagram showing time-resolved photoluminescence characteristics.

알려진 바와 같이, 주로 비-방사성 트랩-도움 재결합에 의해 시-분해 광발광 특성이 결정되며, 광발광 디케이(PL decay) 그래프의 지수함수 피팅을 통해 방사성 재결합 과정에 관련된 τ1(fast decay time)과 비-방사성 트랩-도움 재결합 과정에 관련된 τ2(slow decay time), 및 평균 캐리어 라이프 라이프 타임(τavg)이 산출될 수 있다. 산출 결과, 실시예 3에 따른 페로브스카이트 화합물의 τavg은 1472nsec 였고, Control에 따른 페로브스카이트 화합물의 τavg은 1263nsec였다. 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 코-도핑에 의해 증가된 라이프 타임은 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 코-도핑에 의한 응력 완화에 의해 트랩 스테이트(trap state)가 감소되며 비-방사성 재결합이 억제되는 결과와 부합한다.As is known, time-resolved photoluminescence properties are mainly determined by non-radiative trap-assisted recombination, and τ1 (fast decay time) related to the radiative recombination process and A slow decay time (τ2) related to the non-radiative trap-assisted recombination process, and an average carrier life time (τ avg ) can be calculated. As a result of the calculation, τ avg of the perovskite compound according to Example 3 was 1472nsec, and τ avg of the perovskite compound according to Control was 1263nsec. The life time increased by co-doping of alkylenediammonium divalent cation and Cs + reduces the trap state by stress relaxation by co-doping of alkylenediammonium divalent cation and Cs + This is consistent with the result that non-radiative recombination is inhibited.

도 10은 실시예1(도 10의 x=1), 실시예2(도 10의 x=2), 실시예3(도 10의 x=3), 실시예4(도 10의 x=4) 및 비교예(도 10의 Control)에서 제조된 페로브스카이트 화합물 막의 UV-Vis 흡수 스펙트럼으로부터 산출되는 우바흐 에너지(Eu)를 도시한 도면이다. 우바흐 에너지는 식 α(E) = α0exp(hν/Eu)를 이용하여 산출될 수 있다. 식에서 α(E)는 포톤 에너지에 따른 흡수 계수(absorption coefficient), α0는 물질 특성, hν는 포톤 에너지이다. 10 shows Example 1 (x=1 in FIG. 10), Example 2 (x=2 in FIG. 10), Example 3 (x=3 in FIG. 10), and Example 4 (x=4 in FIG. 10). and Ubach energy (E u ) calculated from the UV-Vis absorption spectrum of the perovskite compound film prepared in Comparative Example (Control in FIG. 10). Ubach energy can be calculated using the equation α(E) = α 0 exp(hν/E u ). In the equation, α(E) is an absorption coefficient according to photon energy, α 0 is a material property, and hν is a photon energy.

도 10에 도시한 바와 같이, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+가 페로브스카이트 구조에 혼입(substituting)됨에 따라, 우바흐 에너지 값이 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 도입량에 따른 우바흐 에너지 값을 살피면, 우바흐 에너지값의 변화가 잔류 응력값의 변화와 실질적으로 유사한 형태를 가짐을 알 수 있으며, 가장 낮은 잔류 응력을 갖는 실시예 3에서의 페로브스카이트 화합물이 가장 작은 우바흐 에너지를 가짐을 알 수 있다. 이때, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온이 단독 도핑된 비교예의 페로브스카이트 화합물의 우바흐 에너지는 30.18meV였으며, 실시예 3에서의 페로브스카이트 화합물의 우바흐 에너지는 26.88meV였다. As shown in FIG. 10, it can be seen that the Ubach energy value decreases as alkylenediammonium divalent cations and Cs + are incorporated into the perovskite structure. In addition, when looking at the Ubach energy value according to the amount of alkylenediammonium divalent cation and Cs + introduced, it can be seen that the change in the Ubach energy value has a substantially similar form to the change in the residual stress value, and the lowest residual stress It can be seen that the perovskite compound in Example 3 having a has the smallest Ubach energy. At this time, the Ubach energy of the perovskite compound of Comparative Example doped with an alkylenediammonium divalent cation alone was 30.18 meV, and the Ubach energy of the perovskite compound of Example 3 was 26.88 meV.

도 11은 실시예1(도 11의 1), 실시예2(도 11의 2), 실시예3(도 11의 3), 실시예4(도 11의 4) 및 비교예(도 11의 Control)에서 제조된 태양전지의 열자극 전류 측정결과(도 11(a)) 및 열자극 전류 측정 결과로부터 산출된 트랩 밀도(도 11(b))를 도시한 도면이다. 이때, 트랩 밀도 도면에서 x 축의 1, 2, 3, 4 및 Control은 실시예 1, 2, 3, 4 및 비교예의 결과를 의미하며, 트랩 밀도(NT,TSC)는 알려진 바와 같이, 식

Figure 112020062903792-pat00002
(ITSC는 열자극 전류, e는 기본 전하(elemental charge), Vol은 페로브스카이트 화합물 막의 부피)에 의해 산출되었다. 11 shows Example 1 (1 in FIG. 11 ), Example 2 (2 in FIG. 11 ), Example 3 (3 in FIG. 11 ), Example 4 (4 in FIG. 11 ) and Comparative Example (Control in FIG. 11 ). It is a diagram showing the thermal stimulation current measurement result (FIG. 11 (a)) and the trap density (FIG. 11 (b)) calculated from the thermal stimulation current measurement result of the solar cell manufactured in ). At this time, in the trap density diagram, 1, 2, 3, 4 and Control on the x axis mean the results of Examples 1, 2, 3, 4 and Comparative Example, and the trap density (N T,TSC ) is known as the formula
Figure 112020062903792-pat00002
(I TSC is the thermal stimulation current, e is the elemental charge, and Vol is the volume of the perovskite compound film).

도 11에서 알 수 있듯이, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+가 페로브스카이트 구조에 혼입(substituting)됨에 따라, 트랩 밀도가 감소함을 알 수 있으며, 최소 잔류응력을 갖는 실시예 3의 페로브스카이트 화합물이 가장 낮은 트랩 밀도를 가짐을 알 수 있다. 또한, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 단독 도핑된 경우, 높은 잔류 응력으로부터 예측된 바와 같이, 8.86x1016cm-3에 이르는 트랩 밀도를 가지나, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 코-도핑에 의해 트랩 밀도가 4.76x1016cm-3수준으로 크게 감소함을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 11, as the alkylenediammonium divalent cation and Cs + are incorporated into the perovskite structure, it can be seen that the trap density decreases, and Example 3 with minimum residual stress It can be seen that the perovskite compound of has the lowest trap density. In addition, when the alkylenediammonium divalent cation alone is doped, as predicted from the high residual stress, it has a trap density of up to 8.86x10 16 cm -3 , but the alkylene diammonium divalent cation and Cs + co -It can be confirmed that the trap density is greatly reduced to the level of 4.76x10 16 cm -3 by doping.

또한, 도 11(a)의 열자극 전류 측정 결과에서 열자극 전류의 초기 증가 기울기를 이용하여 트랩 스테이트의 활성화 에너지를 산출한 결과, Control은 150meV, 실시예 1은 224meV, 실시예 2는 131meV, 실시예 3은 130meV 및 실시예 4는 272meV의 활성화 에너지를 가짐을 확인하였다. 높은 활성화 에너지는 밴드갭의 중심쪽으로의 깊은 영역에 트랩이 위치함을 의미한다. 즉, 높은 활성화 에너지 트랩이 깊은 트랩(deep trap)임을 의미한다. 이러한 깊은 트랩은 비-방사성 재결합을 촉진한다. In addition, as a result of calculating the activation energy of the trap state using the initial increase slope of the thermal stimulation current in the thermal stimulation current measurement result of FIG. It was confirmed that Example 3 had an activation energy of 130 meV and Example 4 had an activation energy of 272 meV. A high activation energy means that the trap is located in a deep region toward the center of the bandgap. That is, a high activation energy trap is a deep trap. These deep traps promote non-radiative recombination.

도 12는 도 5의 통계적 특성 산출에 사용된 태양전지들에서, 비교예에서 제조된 태양전지들중 최대 효율을 나타내는 태양전지와, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 코-도핑에 의해 격자 응력이 최소화된 실시예 3에서 제조된 태양전지들 중 최대 효율을 나타내는 태양전지를 선별하여, 선별된 태양전지 각각의 표면에 방사방지 코팅을 형성한 후 측정된 전류밀도-전압 특성을 도시한 도면이다. 12 is a solar cell showing the maximum efficiency among the solar cells manufactured in Comparative Example, among the solar cells used for calculating the statistical characteristics of FIG. 5, and co-doping of alkylenediammonium-based divalent cations and Cs + Among the solar cells manufactured in Example 3 in which the lattice stress was minimized by lattice stress, solar cells exhibiting the maximum efficiency were selected, and an anti-radiation coating was formed on the surface of each selected solar cell, and then the measured current density-voltage characteristics are shown. it is a drawing

도 12에 도시된 바와 같이, AM 1.5 조건에서, 코-도핑에 의해 격자 응력이 최소화된 실시예 3의 태양전지의 경우, 단락전류밀도, 개방전압 및 필팩터(%)는 26.23 mAcm-2, 1.168V 및 82.15%였으며, 광전변환효율(PCE) 25.17%였다. 반면, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온의 도핑에 의해 큰 격자 응력을 갖는 비교예의 태양전지의 경우, 단락전류밀도, 개방전압 및 필팩터(%)는 26.25 mAcm-2, 1.138V 및 81.95%였으며, 광전변환효율(PCE) 24.48%였다. 또한, 실시예 3에 따라 최소의 격자 응력을 가지며 활성 면적 1x1 cm2인 대면적 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율은 21.63%였으며, 이러한 효율은 활성 면적이 1cm2 이상인 대면적 페로브스카이트 태양전지에서 보고된 바 없는 최고의 효율이다. As shown in FIG. 12, in the case of the solar cell of Example 3 in which the lattice stress was minimized by co-doping under AM 1.5 conditions, the short-circuit current density, open-circuit voltage, and fill factor (%) were 26.23 mAcm -2 , 1.168V and 82.15%, and the photoelectric conversion efficiency (PCE) was 25.17%. On the other hand, in the case of the solar cell of Comparative Example having a large lattice stress by doping with an alkylenediammonium divalent cation, the short-circuit current density, open-circuit voltage and fill factor (%) were 26.25 mAcm -2 , 1.138V and 81.95%, respectively. , and the photoelectric conversion efficiency (PCE) was 24.48%. In addition, the photoelectric conversion efficiency of the large-area perovskite solar cell having the minimum lattice stress and having an active area of 1x1 cm 2 according to Example 3 was 21.63%, and this efficiency was comparable to that of a large-area perovskite solar cell having an active area of 1 cm 2 or more. This is the highest efficiency that has never been reported in a single solar cell.

도 13은 실시예 5에서 제조된 태양전지(정공전달물질=PTAA, 도 13의 Target) 및 비교예에서 spiro-OMeTAD 정공전달층 대신 실시예 5와 동일하게 PTAA 정공전달층을 형성한 태양전지(도 13의 Control)의 열 안정성 테스트 결과를 도시한 도면이다. 도 13에 도시한 바와 같이 Control의 경우 600h 시점에서 초기 효율의 80% 이하로 효율 감소가 발생하나, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 코-도핑에 의해 격자 잔류 응력이 억제된 실시예의 태양전지는 1300h 시점에서도 초기 효율의80% 이상으로 효율이 유지되는 것을 알 수 있다. 13 is a solar cell prepared in Example 5 (hole transport material = PTAA, target in FIG. 13) and a solar cell in which a PTAA hole transport layer is formed in the same manner as in Example 5 in place of the spiro-OMeTAD hole transport layer in a comparative example ( It is a diagram showing the thermal stability test results of Control) in FIG. 13. As shown in FIG. 13, in the case of Control, the efficiency decreased to 80% or less of the initial efficiency at 600 h, but the lattice residual stress was suppressed by co-doping of alkylenediammonium divalent cations and Cs + It can be seen that the example solar cell maintains its efficiency at 80% or more of the initial efficiency even at 1300h.

도 14는 실시예 6에서 제조된 태양전지(정공전달물질=CuPc, 도 14의 Target) 및 비교예에서 spiro-OMeTAD 정공전달층 대신 실시예 6와 동일하게 CuPc 정공전달층을 형성한 태양전지(도 14의 Control)의 장기 열 안정성 테스트 결과를 도시한 도면이다. 150℃의 고온에 30시간 노출된 시점에서, Control의 경우 초기 효율의 40% 수준으로 광전변환효율이 급격히 감소하였으나, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 코-도핑에 의해 격자 잔류 응력이 억제된 실시예의 태양전지(Target)는 30시간 노출된 시점에서도 초기 효율의 80% 이상으로 효율이 유지되는 것을 알 수 있다. 14 is a solar cell prepared in Example 6 (hole transport material=CuPc, Target in FIG. 14) and a solar cell in which a CuPc hole transport layer was formed in the same manner as in Example 6 instead of the spiro-OMeTAD hole transport layer in Comparative Example ( It is a diagram showing the long-term thermal stability test results of Control) in FIG. 14. At the time of exposure to a high temperature of 150 ° C for 30 hours, the photoelectric conversion efficiency rapidly decreased to 40% of the initial efficiency in the case of Control, but the lattice residual stress was It can be seen that the efficiency of the solar cell (Target) of this suppressed embodiment is maintained at 80% or more of the initial efficiency even at the time of exposure for 30 hours.

도 15는 실시예 3에서 제조된 태양전지의 최대 전력점 추적 결과를 도시한 도면이다. 도 15에 도시한 바와 같이, AM 1.5G, 100mW/cm2, 및 UV 제거 미수행 상태에서 400시간의 최대 전력점 추적시에도 초기 효율의 90% 이상으로 효율이 유지되는 것을 알 수 있다.15 is a diagram showing the maximum power point tracking result of the solar cell manufactured in Example 3; As shown in FIG. 15, it can be seen that the efficiency is maintained at 90% or more of the initial efficiency even when tracking the maximum power point for 400 hours at AM 1.5G, 100 mW/cm 2 , and without UV removal.

도 13, 도 14 및 도 15의 안정성 테스트 결과로부터, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온과 Cs+의 코-도핑된 아미디니움계 페로브스카이트 화합물이 α의 상안정성 향상과 함께, 잔류 응력 완화에 의한 결함 패시베이션을 통해 향상된 광전 특성을 가짐과 동시에, 현저하게 향상된 광 및 열 안정성을 가짐을 알 수 있다. From the stability test results of FIGS. 13, 14, and 15, the co-doped amidinium-based perovskite compound of alkylenediammonium-based divalent cation and Cs + improves the phase stability of α, and the residual stress It can be seen that, through defect passivation by relaxation, it has improved photoelectric properties and significantly improved optical and thermal stability.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described by specific details and limited embodiments and drawings, but this is only provided to help a more general understanding of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention Those skilled in the art can make various modifications and variations from these descriptions.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 허청구범위와 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 modifications equivalent or equivalent to these claims belong to the scope of the present invention. .

Claims (14)

아미디니움계 1가 양이온, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 및 세슘 이온을 포함하는 유무기 양이온;
2가 금속 이온을 포함하는 무기 양이온; 및
할로겐 이온을 포함하는 음이온;
을 함유하며,
상기 유무기 양이온에서, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온 : 세슘 이온의 몰비는 1 : 0.9 내지 1.1이고,
상기 무기 양이온 1몰을 기준으로, 0.010 내지 0.050몰의 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온을 함유하는 유무기 페로브스카이트 화합물.
organic/inorganic cations including amidinium-based monovalent cations, alkylenediammonium-based divalent cations, and cesium ions;
Inorganic cations containing divalent metal ions; and
anions including halogen ions;
contains,
In the organic-inorganic cation, the molar ratio of alkylenediammonium-based divalent cation to cesium ion is 1:0.9 to 1.1,
An organic-inorganic perovskite compound containing 0.010 to 0.050 moles of alkylenediammonium-based divalent cations based on 1 mole of the inorganic cations.
제 1항에 있어서,
상기 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온은 C1-C3 알킬렌다이암모늄 양이온을 포함하는 유무기 페로브스카이트 화합물.
According to claim 1,
The alkylenediammonium-based divalent cation is an organic-inorganic perovskite compound containing a C1-C3 alkylenediammonium cation.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 무기 양이온 1몰을 기준으로, 0.025 내지 0.035몰의 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온을 함유하는 유무기 페로브스카이트 화합물.
According to claim 1,
An organic-inorganic perovskite compound containing 0.025 to 0.035 moles of alkylenediammonium-based divalent cations based on 1 mole of the inorganic cations.
제 1항에 있어서,
하기 화학식 1을 만족하는 유무기 페로브스카이트 화합물.
AMX3
(A는 상기 유무기 양이온이며, M은 상기 무기 양이온이고, X는 상기 음이온이다)
According to claim 1,
An organic-inorganic perovskite compound that satisfies Formula 1 below.
AMX 3
(A is the organic-inorganic cation, M is the inorganic cation, and X is the anion)
제 1항에 있어서,
상기 유무기 페로브스카이트 화합물은 상기 유무기 양이온의 총 몰수를 100%로 하여, 90% 이상의 아미디니움계 1가 양이온을 함유하는 아미디니움계 페로브스카이트 화합물인 유무기 페로브스카이트 화합물.
According to claim 1,
The organic-inorganic perovskite compound is an organic-inorganic perovskite compound containing 90% or more of amidinium-based monovalent cations, with the total number of moles of the organic-inorganic cations as 100%. t compound.
제 1항 내지 제 2항 및 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 유무기 페로브스카이트 화합물의 층을 광흡수층으로 포함하는 페로브스카이트 태양전지. A perovskite solar cell comprising a layer of the organic-inorganic perovskite compound according to any one of claims 1 to 2 and 5 to 7 as a light absorption layer. 제 8항에 있어서,
상기 광흡수층의 우바흐 에너지(Urbach energy, Eu)는 아미디니움계 1가 양이온, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온, 2가 금속 이온 및 할로겐 음 이온으로 이루어진 레퍼런스 광흡수층의 우바흐 에너지 대비 90% 이하인 페로브스카이트 태양전지.
According to claim 8,
The Urbach energy (Eu) of the light absorption layer is 90% or less compared to the Urbach energy of the reference light absorption layer composed of amidinium-based monovalent cations, alkylenediammonium-based divalent cations, divalent metal ions, and halogen anions. Perovskite solar cells.
제 8항에 있어서,
윌리암슨-홀 법(Williamson-hall method)을 이용하여 산출된 상기 광흡수층의 잔류 응력(residual strain, ε)은 0.0010 이하인 페로브스카이트 태양전지.
According to claim 8,
The perovskite solar cell wherein the residual strain (ε) of the light absorption layer calculated using the Williamson-hall method is 0.0010 or less.
제 8항에 있어서,
열자극 전류(thermally stimulated current) 측정 결과로부터 산출된 상기 광흡수층의 트랩 밀도(trap density)는 아미디니움계 1가 양이온, 알킬렌다이암모늄계 2가 양이온, 2가 금속 이온 및 할로겐 음 이온으로 이루어진 레퍼런스 광흡수층의 트랩 밀도 대비 60% 이하인 페로브스카이트 태양전지.
According to claim 8,
The trap density of the light absorption layer calculated from the result of measuring the thermally stimulated current is amidinium-based monovalent cation, alkylenediammonium-based divalent cation, divalent metal ion, and halogen anion. A perovskite solar cell that is less than 60% of the trap density of the reference light absorption layer formed.
제 8항에 있어서,
차광 조건에서 85℃의 온도 및 15% 이하의 상대습도에 1300시간동안 노출되는 열안정성 테스트시, 테스트 전 광전변환효율을 기준으로 80% 이상의 광전변환효율이 유지되는 페로브스카이트 태양전지.
According to claim 8,
A perovskite solar cell that maintains a photoelectric conversion efficiency of 80% or more based on the photoelectric conversion efficiency before the test during a thermal stability test exposed to a temperature of 85 ° C and a relative humidity of 15% or less under shaded conditions for 1300 hours.
제 8항에 있어서,
AM(standard air mass) 1.5G에서 22.0% 이상의 광전변환효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지.
According to claim 8,
A perovskite solar cell having a photoelectric conversion efficiency of 22.0% or more at 1.5G of standard air mass (AM).
제 8항에 있어서,
상기 광흡수층 하부에 위치하는 제1전하전달체;
상기 광흡수층 상부에 위치하며 제1전하전달체와 상보적 전하를 이송하는 제2전하전달체;
제1전하전달체 하부에 위치하는 제1전극; 및
제2전하전달체 상부에 위치하는 제2전극;을 포함하는 페로브스카이트 태양전지.
According to claim 8,
a first charge carrier positioned under the light absorption layer;
a second charge carrier located above the light absorption layer and transporting charges complementary to the first charge carrier;
a first electrode positioned below the first charge carrier; and
A perovskite solar cell comprising a; second electrode positioned on the second charge carrier.
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