KR102553726B1 - A solar cell having a hole transport layer containing a metal oxide - Google Patents

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Abstract

본 발명은 증진된 개방 전압과 높은 소자 광전변환효율을 가지는 태양전지에 관한 것으로서, 서로 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극; 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 광활성층; 및 상기 제 2 전극과 광활성층 사이에 위치하는 정공전달층을 포함하되, 상기 광활성층은 유기물질을 포함하거나 혹은 페로브스카이트 물질을 포함하고, 상기 정공전달층은 금속산화물 및 쌍극자 물질을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법이 제공된다.The present invention relates to a solar cell having enhanced open-circuit voltage and high device photoelectric conversion efficiency, comprising: a first electrode and a second electrode disposed to face each other; a photoactive layer positioned between the first and second electrodes; and a hole transport layer positioned between the second electrode and the photoactive layer, wherein the photoactive layer includes an organic material or a perovskite material, and the hole transport layer includes a metal oxide and a dipole material. A solar cell and a method for manufacturing the same are provided.

Description

금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지{A solar cell having a hole transport layer containing a metal oxide}A solar cell having a hole transport layer containing a metal oxide}

본 발명은 정공전달층으로 금속산화물을 사용하는 고효율 유기태양전지 및 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency organic solar cell and a perovskite solar cell using a metal oxide as a hole transport layer.

태양전지는 태양 에너지를 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 응용해 전기 에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 태양전지는 내부 구성 물질 중 광활성층을 구성하는 물질에 따라 무기태양전지 및 유기태양전지로 나뉠 수 있다. 그 중에서 유기태양전지는 광활성층이 단분자나 고분자 등의 유기 반도체 물질들로 구성되며, 광활성층은 전자공여체(donor)와 전자수용체(acceptor)로 이루어져 있다. 최근에는 전자공여체와 전자수용체가 서로 혼합되어 있는 벌크이종접합(bulk heterojunction, BHJ) 광활성층이 개발되어 사용되고 있다. 기존의 전자수용체 물질인 플러렌(fullerene)계 화합물은 가시광 영역에서 낮은 흡수율을 가지며 열적 안정성이 낮다는 등의 문제점이 있다. 이에 따라, 최근 비플러렌(non-fullerene)계 전자수용체 물질, 예를 들어 Y6(BTP-4F)와 같은 물질이 개발되었고 이에 최적화된 전자공여체 물질, 예를 들어 PBDB-T, PM6, PM7 등이 개발되고 서로 조합하여 사용되고 있다. A solar cell is a device capable of converting solar energy into electrical energy by applying a photovoltaic effect. Solar cells can be divided into inorganic solar cells and organic solar cells according to the materials constituting the photoactive layer among internal components. Among them, in the organic solar cell, the photoactive layer is composed of organic semiconductor materials such as single molecules or polymers, and the photoactive layer is composed of electron donors and electron acceptors. Recently, a bulk heterojunction (BHJ) photoactive layer in which an electron donor and an electron acceptor are mixed with each other has been developed and used. Fullerene-based compounds, which are conventional electron acceptor materials, have problems such as low absorption in the visible light region and low thermal stability. Accordingly, non-fullerene-based electron acceptor materials, such as Y6 (BTP-4F), have been recently developed, and electron donor materials optimized therefor, such as PBDB-T, PM6, and PM7, have been developed. developed and used in combination with each other.

유기태양전지에서 높은 성능의 광전변환효율과 우수한 안정성을 달성하기 위해서는 전자공여체와 전자수용체의 조합 뿐 아니라 우수한 특성을 가지는 정공전달층 사용이 필수적이다. 즉, 태양광 스펙트럼에서 높은 광투과율을 가지고, 높은 전하 이동성, 높은 대기 및 수분 안정성을 갖는 물질의 개발이 필요하다. PEDOT:PSS는 높은 정공 전도도와 높은 투과율을 가져 유기태양전지 정공전달층에 주로 사용되나, 강한 산성 및 흡습성 물질로써 전극을 부식시켜 소자의 성능과 안정성을 감소시키는 단점이 있다. 이러한 정공전달층의 문제를 해결하기 위해 무기 산화물을 사용하여 효과적인 정공 수송 및, 소자 성능과 소자 안정성을 향상시키는 연구들이 진행되고 있다. 그러나, 지금까지 보고된 무기 산화물은 PEDOT:PSS보다 더 깊은(deep) 가전자대(valence band)를 가짐에도 불구하고 개방 전압(Voc)이 낮은 단점이 있다. 따라서, PEDOT:PSS를 대체할 수 있는 안정적이고, 개방 전압을 극대화할 수 있는 정공전달 물질의 개발이 필수적이다.In order to achieve high photoelectric conversion efficiency and excellent stability in an organic solar cell, it is essential to use a hole transport layer having excellent characteristics as well as a combination of an electron donor and an electron acceptor. That is, it is necessary to develop a material having high light transmittance in the solar spectrum, high charge mobility, and high atmospheric and moisture stability. PEDOT:PSS has high hole conductivity and high transmittance, so it is mainly used in the hole transport layer of organic solar cells. In order to solve the problem of the hole transport layer, studies are being conducted on effective hole transport using inorganic oxides and improving device performance and device stability. However, inorganic oxides reported so far have a low open circuit voltage (Voc) despite having a deeper valence band than PEDOT:PSS. Therefore, it is essential to develop a stable hole transport material that can replace PEDOT:PSS and maximize open-circuit voltage.

최근에는 유기소재의 산소 및 수분 불안정성을 극복하기 위해 유기물에 비해 화학적 안정성이 우수한 p-형 금속산화물을 유기태양전지의 정공전달물질로 활용하는 연구결과가 다수 보고되고 있다. 예를 들어 산화니켈(NiO)은 대기 중에서도 화학적으로 안정하고 넓은 밴드 갭(band gap)을 가지는 금속산화물로서, 가전자대 준위가 깊어(-5.4 eV) 광활성층에서 발생한 정공을 효율적으로 추출할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 높은 광투과도를 가지고 전기적으로도 높은 수준의 정공이동도를 가지고 있어 정공전달물질로서 우수한 특성을 기대할 수 있다. 이러한 산화니켈은 유기태양전지 뿐만아니라 ABX3 형의 유무기 복합 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 사용하는 페로브스카이트 태양전지의 정공전달층으로서 우수한 특성을 기대할 수 있어 많은 연구가 수행되고 있다. Recently, in order to overcome the oxygen and moisture instability of organic materials, many research results have been reported on the use of p-type metal oxides, which have excellent chemical stability compared to organic materials, as hole transport materials for organic solar cells. For example, nickel oxide (NiO) is a metal oxide that is chemically stable in the air and has a wide band gap. It has advantages. In addition, since it has high optical transmittance and high electrical hole mobility, excellent properties as a hole transport material can be expected. Nickel oxide is being studied not only for organic solar cells but also for excellent properties as a hole transport layer for perovskite solar cells using ABX 3- type organic-inorganic composite perovskite materials as photoactive layers, so many studies are being conducted. .

그러나 금속산화물로 이루어진 정공전달층은 플러렌 기반의 광활성층에 적용했을때와 달리 비플러렌 기반의 광활성층에 적용했을 경우에는 개방전압이 PEDOT:PSS에 비해 더 낮은 값을 가지는 문제점이 있다. 예를 들어 산화니켈을 정공전달층으로 사용할 경우에는 개방전압이 0.80 V 보다 작은 값으로서 0.80 V 이상의 값을 나타내는 PEDOT:PSS에 비해 낮은 값을 나타낸다. 이로 인해 산화니켈을 정공전달층으로 사용한 유기태양전지의 효율은 약 10% 정도에 머무르고 있다. 따라서 태양전지의 효율을 개선하기 위해서는 이러한 문제를 해결할 필요가 있다.However, unlike when the hole transport layer made of metal oxide is applied to the fullerene-based photoactive layer, when applied to the non-fullerene-based photoactive layer, the open-circuit voltage has a lower value than that of PEDOT:PSS. For example, when nickel oxide is used as a hole transport layer, the open-circuit voltage is less than 0.80 V, which is lower than that of PEDOT:PSS, which has a value of 0.80 V or more. As a result, the efficiency of organic solar cells using nickel oxide as a hole transport layer remains at about 10%. Therefore, it is necessary to solve these problems in order to improve the efficiency of solar cells.

한국 공개특허 10-2018-0106894Korean Patent Publication 10-2018-0106894

본 발명은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 정공전달물질로 사용되는 금속산화물에 쌍극자 물질을 도입하여 에너지 준위를 조절하고 이를 이용하여 고효율 유기태양전지 및 페로브스카이트 태양전지를 구현하는 것을 목적으로 한다. The present invention is intended to solve the conventional problems, and aims to implement a high-efficiency organic solar cell and a perovskite solar cell by adjusting the energy level by introducing a dipole material into a metal oxide used as a hole transport material and using the same to be

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are illustrative, and the scope of the present invention is not limited thereby.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 서로 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극; 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 광활성층; 및 상기 제 2 전극과 광활성층 사이에 위치하는 정공전달층을 포함하되, 상기 광활성층은 유기물질을 포함하거나 혹은 페로브스카이트 물질을 포함하고, 상기 정공전달층은 금속산화물 및 쌍극자 물질을 포함하는 태양전지가 제공된다. According to one aspect of the present invention for solving the above problems, the first electrode and the second electrode disposed to face each other; a photoactive layer positioned between the first and second electrodes; and a hole transport layer positioned between the second electrode and the photoactive layer, wherein the photoactive layer includes an organic material or a perovskite material, and the hole transport layer includes a metal oxide and a dipole material. A solar cell is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 정공전달층은 금속산화물과 쌍극자 물질이 서로 혼합된 형태의 단일층일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the hole transport layer may be a single layer in which a metal oxide and a dipole material are mixed with each other.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 정공전달층은 금속산화물 및 그 상부에 형성된 쌍극자 물질층으로 구성된 2층 구조일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the hole transport layer may have a two-layer structure composed of a metal oxide and a dipole material layer formed thereon.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 쌍극자 물질은 술폰산 염을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the dipole material may include a sulfonic acid salt.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 술폰산 염은 하이드로퀴논 술폰산 염을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the sulfonic acid salt may include a hydroquinone sulfonic acid salt.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 정공전달층은 두께가 1 내지 50 ㎚ 범위일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the hole transport layer may have a thickness ranging from 1 to 50 nm.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기물질로 이루어진 광활성층은 전자공여체와 전자수용체가 p-n 접합을 이루는 2층 구조일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the photoactive layer made of the organic material may have a two-layer structure in which an electron donor and an electron acceptor form a p-n junction.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기물질로 이루어진 광활성층은 전자공여체와 전자수용체로 이루어진 벌크이종접합(bulkheterojunction) 구조일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the photoactive layer made of the organic material may have a bulk heterojunction structure made of an electron donor and an electron acceptor.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유기물질은 플러렌계 유기물질 혹은 비플러렌(non-fullerene)계 유기물질을 포함할 수 있다. 상기 비플러렌(non-fullerene)계 유기물질은 IDT-Br, ITIC 및 Y6로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the organic material may include a fullerene-based organic material or a non-fullerene-based organic material. The non-fullerene-based organic material may include at least one selected from the group consisting of IDT-Br, ITIC, and Y6.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 기판의 일면에 제 1 전극, 정공전달층, 광활성층, 전자전달층 및 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법으로서, 상기 광활성층은 유기물질을 포함하거나 혹은 페로브스카이트 물질을 포함하고, 상기 제 1 전극의 상부에 금속산화물 및 쌍극자 물질을 포함하는 정공전달층을 형성하는 단계를 포함하는, 태양전지의 제조방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, a solar cell manufacturing method comprising forming a first electrode, a hole transport layer, a photoactive layer, an electron transport layer, and a second electrode on one surface of a substrate, wherein the photoactive layer is made of an organic material A method for manufacturing a solar cell is provided, which includes forming a hole transport layer including or including a perovskite material and including a metal oxide and a dipole material on top of the first electrode.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 정공전달층을 형성하는 단계는, 금속산화물과 쌍극자 물질이 서로 혼합된 형태의 단일층이 포함되도록 형성할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the forming of the hole transport layer may include a single layer in which a metal oxide and a dipole material are mixed with each other.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 정공전달층을 형성하는 단계는, 금속산화물층 및 상기 금속산화물층 상부에 형성된 쌍극자 물질층으로 구성된 2층 구조를 포함하도록 형성할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the forming of the hole transport layer may include a two-layer structure including a metal oxide layer and a dipole material layer formed on the metal oxide layer.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 쌍극자 물질은 술폰산 염을 포함할 수 있으며, 상기 술폰산 염은 하이드로퀴논 술폰산 염을 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the dipole material may include a sulfonic acid salt, and the sulfonic acid salt may include a hydroquinone sulfonic acid salt.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 정공전달층을 형성하는 방법은, 금속산화물 전구체 용액 및 술폰산 염 용액이 혼합된 금속산화물 혼합 전구체 용액을 이용한 습식코팅(wet coating / spin coating)법으로 수행될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the method of forming the hole transport layer may be performed by a wet coating/spin coating method using a metal oxide precursor solution and a sulfonic acid salt solution in which a metal oxide precursor solution is mixed. can

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 정공전달층을 형성하는 단계는, 금속산화물 전구체 용액을 이용한 습식코팅법으로 금속산화물층 형성단계; 및 상기 금속산화물층의 상부에 술폰산 염 용액을 이용한 습식코팅법으로 술폰산 염층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the forming of the hole transport layer may include forming a metal oxide layer by a wet coating method using a metal oxide precursor solution; and forming a sulfonic acid salt layer on top of the metal oxide layer by a wet coating method using a sulfonic acid salt solution.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속산화물 전구체 용액은 Nickel acetate tetrahydrate, nickel acetylacetonate, nickel nitrate hexahydrate, nickel formate dihydrate, nickel chloride hydrate 및 nickel ethylhexanoate로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 용해한 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the metal oxide precursor solution may be a solution of at least one selected from the group consisting of nickel acetate tetrahydrate, nickel acetylacetonate, nickel nitrate hexahydrate, nickel formate dihydrate, nickel chloride hydrate, and nickel ethylhexanoate. .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 술폰산 염 용액은 상기 하이드로퀴논 술폰산 염을 용해한 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the sulfonic acid salt solution may be a solution of the hydroquinone sulfonic acid salt.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유기태양전지 혹은 페로브스카이트 태양전지의 정공전달층으로 금속산화물과 쌍극자 물질을 같이 사용함으로써 종래에 비해 증진된 개방 전압과 높은 소자 광전변환효율을 확보할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present invention made as described above, by using a metal oxide and a dipole material together as a hole transport layer of an organic solar cell or a perovskite solar cell, improved open-circuit voltage and high device photoelectric conversion compared to the prior art efficiency can be achieved. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 유기태양전지의 일 구조에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 정공전달층의 X-선 회절 분석 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 정공전달층의 광 파장(wavelength)에 따른 투과율(Transmittance)를 측정한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 정공전달층을 XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) 로 성분 분석한 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 정공전달층의 전공전도도 특성을 분석한 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 정공전달층을 UPS(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy)로 측정한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지의 전류 밀도(J)-전압(V) 그래프 결과를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유기태양전지의 안정성 테스트 결과를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 정공전달층의 에너지 준위를 나타낸 것이다.
도 10은 정공전달층과 광활성층의 계면에서의 에너지 준위를 표현한 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 유기태양전지의 전류 밀도(J)-전압(V) 그래프 결과를 도시한 것이다.
도 12 내지 13은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 전류 밀도(J)-전압(V) 그래프 결과를 도시한 것이다.
1 is a schematic diagram of a structure of an organic solar cell.
2 is an X-ray diffraction analysis result of hole transport layers according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
Figure 3 is a result of measuring the transmittance (Transmittance) according to the optical wavelength (wavelength) of the hole transport layer according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 is a result of component analysis of hole transport layers according to Examples and Comparative Examples of the present invention by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
5 is an analysis result of the hole transport layer according to Examples and Comparative Examples of the hole transport characteristics of the present invention.
6 is a result of measuring the hole transport layer according to Examples and Comparative Examples of the present invention by UPS (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy).
7 shows a current density (J)-voltage (V) graph result of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
8 illustrates stability test results of an organic solar cell according to an embodiment of the present invention.
9 shows energy levels of hole transport layers according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
10 shows energy levels at the interface between the hole transport layer and the photoactive layer.
11 illustrates current density (J)-voltage (V) graph results of organic solar cells according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
12 to 13 show current density (J)-voltage (V) graph results of perovskite solar cells according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 하며, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 제조예를 예시로서 도시하는 첨부 순서도를 참조한다. 이들 제조예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 제조예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 제조예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 제조예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 제조예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조 부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail, with reference to accompanying flow charts illustrating, by way of example, specific production examples in which the present invention may be practiced. These preparation examples are described in sufficient detail to enable one skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various preparations of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, specific shapes, structures, and characteristics described herein may be embodied in one manufacturing example in another manufacturing example without departing from the spirit and scope of the present invention. Additionally, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed manufacturing example may be changed without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the detailed description set forth below is not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all equivalents as claimed by those claims. Similar reference numerals in the drawings indicate the same or similar functions in various aspects, and the length, area, thickness, and the like may be exaggerated for convenience.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily practice the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 유기태양전지(1)의 구조에 대한 일 모식도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기태양전지(1)는 서로 대향하여 배치되어 있는 제 1 전극(100) 및 제 2 전극(200)을 포함하고, 제 1 및 제 2 전극(100,200) 사이에 위치하는 광활성층(500), 정공전달층(300) 및 전자전달층(400)을 포함한다. 1 is a schematic view of the structure of an organic solar cell 1 according to the present invention. As shown in FIG. 1, the organic solar cell 1 according to the present invention includes a first electrode 100 and a second electrode 200 disposed to face each other, and the first and second electrodes 100 and 200 ) It includes a photoactive layer 500, a hole transport layer 300 and an electron transport layer 400 located between.

본 발명에 따른 제 1 전극(100)은, 예를 들면 도 1에 도시된 바와 같이, 입사되는 태양광 방향에 위치할 수 있으며, 상기 제 2 전극(200)은 상기 제 1 전극(100)보다 상대적으로 입사되는 태양광 방향의 먼 쪽에 위치할 수 있다. 하나의 예시에서, 제 1 전극(100)은 투명 전극일 수 있다. 상기 제 1 전극의 종류는, 예를 들면 아연 산화물, 인듐 산화물, 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 인듐아연 산화물(IZO)과 같은 금속 산화물; ZnO:Al 또는 SnO2:Sb와 같은 금속과 산화물의 조합; PEDOT:PSS, 폴리피롤 또는 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자 등이 예시될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The first electrode 100 according to the present invention, for example, as shown in FIG. 1, may be located in the direction of the incident sunlight, and the second electrode 200 is larger than the first electrode 100. It may be located on the far side of the relatively incident sunlight direction. In one example, the first electrode 100 may be a transparent electrode. The type of the first electrode may be, for example, a metal oxide such as zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO) or indium zinc oxide (IZO); combinations of metals and oxides such as ZnO:Al or SnO 2 :Sb; Conductive polymers such as PEDOT:PSS, polypyrrole, or polyaniline may be exemplified, but are not limited thereto.

상기 제 1 전극(100)은, 예를 들면 기판 (600) 상에 형성될 수 있다. 상기 기판(600)은 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판 등이 예시될 수 있다. 상기 플라스틱 기판은, 예를 들면 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드 (PI) 또는 트리아세틸 셀룰로오스(TAC) 등이 예시될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The first electrode 100 may be formed on the substrate 600, for example. The substrate 600 may be a glass substrate or a transparent plastic substrate. The plastic substrate may be, for example, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polypropylene (PP), polyimide (PI) or triacetyl cellulose (TAC), but is not limited thereto no.

본 발명의 유기태양전지(1)는 상기 제 1 전극(100)과 대향하여 배치되어 있는 제 2 전극(200)을 포함한다. 상기 제 2 전극(200)은, 예를 들면 금, 은, 알루미늄, 구리 등과 같은 금속물질을 포함한다. The organic solar cell 1 of the present invention includes a second electrode 200 disposed to face the first electrode 100. The second electrode 200 includes, for example, a metal material such as gold, silver, aluminum, or copper.

광활성층(500)은 태양광이 투입될 경우 엑시톤(exciton)이 형성되는 유기물질로 이루어진다. 예를 들어 이러한 광활성층은 유기물질로 구성되며, 전자공여체와 전자수용체가 p-n 접합(junction)으로 이루어진 2층(bi-layer) 구조를 가질 수 있다. 또는 다른 예로서, 전자공여체와 전자수용체가 혼합된 벌크 이중접합(bulk-heterojunction, BHJ) 구조를 가질 수 있다. The photoactive layer 500 is made of an organic material in which excitons are formed when sunlight is applied thereto. For example, such a photoactive layer is composed of an organic material, and may have a bi-layer structure in which an electron donor and an electron acceptor are formed of a p-n junction. Alternatively, as another example, it may have a bulk-heterojunction (BHJ) structure in which an electron donor and an electron acceptor are mixed.

전자공여체는 고분자 물질(polymer) 및 단분자 물질(small molecule) 중 어느 하나 이상를 포함한다. 상기 고분자 물질은 폴리-3-헥실티오펜(poly-3-hexylthiophene; P3HT), Poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b´]dithiophene-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2- ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl}); PTB7, PCE10, PM6 및 PM7으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. The electron donor includes at least one of a polymer and a small molecule. The polymer material is poly-3-hexylthiophene (P3HT), Poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b ´]dithiophene-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl}); It may include one or more selected from the group consisting of PTB7, PCE10, PM6 and PM7.

전자수용체는 플러렌(fullerene) 계열 혹은 비플러렌(non-fullerene) 물질을 포함한다. 플러렌 계열 전자수용체는 PC60BM, PC70BM, ICBA 및 C60으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 비플러렌 계열 전자수용체는 IDT-Br, ITIC 및 Y6 으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. The electron acceptor includes a fullerene-based or non-fullerene material. The fullerene-based electron acceptor may include one or more selected from the group consisting of PC60BM, PC70BM, ICBA, and C60. The non-fullerene-based electron acceptor may include one or more selected from the group consisting of IDT-Br, ITIC, and Y6.

정공전달층(300)은 전술한 제 1 전극(100) 상에 위치하며, 제 1 전극(100)으로의 원활한 정공 이동을 도모하는 역할을 한다. 본 발명의 기술사상에 의하면, 정공전달층(300)은 금속산화물 및 쌍극자 물질을 포함하여 구성된다. 이러한 쌍극자 물질은 적어도 상기 금속산화물의 표면에 존재하며, 이러한 쌍극자 물질로 인해 정공전달층(300)의 상부에 적층되는 광활성층(500)과의 계면에서 에너지 준위의 변화를 일으키게 된다. The hole transport layer 300 is positioned on the first electrode 100 described above and serves to facilitate hole movement to the first electrode 100 . According to the technical idea of the present invention, the hole transport layer 300 is composed of a metal oxide and a dipole material. This dipole material exists at least on the surface of the metal oxide, and due to this dipole material, a change in energy level occurs at the interface with the photoactive layer 500 stacked on top of the hole transport layer 300.

금속산화물로는 산화니켈, 산화티타늄, 산화아연, 산화구리, 산화크롬, 산화주석, 산화은, 산화망간, 산화텅스텐, 산화바나듐, 구리 도핑된 산화니켈, 은 도핑된 산화니켈, 마그네슘 도핑된 산화니켈, 칼슘 도핑된 산화니켈, 스트론튬 도핑된 산화니켈, 바륨 도핑된 산화니켈, 알루미늄 도핑된 산화니켈, 코발트 도핑된 산화니켈, 세슘 도핑된 산화니켈, 철 도핑된 산화니켈, 란타넘 도핑된 산화니켈, 리튬 도핑된 산화니켈 및 아연 도핑된 산화니켈로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. Metal oxides include nickel oxide, titanium oxide, zinc oxide, copper oxide, chromium oxide, tin oxide, silver oxide, manganese oxide, tungsten oxide, vanadium oxide, copper-doped nickel oxide, silver-doped nickel oxide, magnesium-doped nickel oxide , calcium doped nickel oxide, strontium doped nickel oxide, barium doped nickel oxide, aluminum doped nickel oxide, cobalt doped nickel oxide, cesium doped nickel oxide, iron doped nickel oxide, lanthanum doped nickel oxide, At least one selected from the group consisting of lithium-doped nickel oxide and zinc-doped nickel oxide may be used.

상술한 바와 같이 이러한 금속산화물들은 우수한 화학적 안정성이나 높은 광투과도, 높은 정공이동도를 가지는 장점이 있으나 비플러렌 기반의 벌크 이중접합 물질에 산화니켈을 적용할 경우 개방 전압이 종래의 전공전달층으로 사용되는 PEDOT:PSS에 비해 현저히 낮아지는 문제점이 있다. 이러한 이유로서 비록 산화니켈의 가전자대(valence band, VB)는 깊지만(deep) 페르미 준위가 높게 위치하기 때문으로 보인다. As described above, these metal oxides have the advantages of excellent chemical stability, high light transmittance, and high hole mobility, but when nickel oxide is applied to a non-fullerene-based bulk double junction material, the open circuit voltage is used as a conventional hole transport layer. There is a problem that it is significantly lower than that of PEDOT:PSS. For this reason, although the valence band (VB) of nickel oxide is deep, it seems that the Fermi level is located high.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명자는 정공전달층으로 상기 금속산화물과 함께 쌍극자(dipole) 물질을 같이 사용하였으며, 이를 통해 낮은 개방전압 및 효율의 문제를 해결할 수 있었다. 상기 정공전달층은 금속산화물과 쌍극자 물질이 혼재된 단일층이거나 금속산화물층과 쌍극자 물질층이 각각 개별층을 형성한 2층 구조로 제조될 수 있다.In order to solve this problem, the present inventors used a dipole material together with the metal oxide as a hole transport layer, and through this, the problem of low open circuit voltage and efficiency could be solved. The hole transport layer may be made of a single layer in which a metal oxide and a dipole material are mixed, or a two-layer structure in which a metal oxide layer and a dipole material layer are formed as separate layers.

이러한 쌍극자 물질은 예를 들어 술폰산 염을 포함할 수 있다. 상기 술폰산 염 중 음의 전하를 띠는 물질은 RSO3 - 로 이루어진 -1 의 전하를 띠는 물질이고, 양의 전하를 띠는 물질은 +1 전하를 띠는 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr과 같은 알칼리 금속을 포함한다.Such dipole materials may include, for example, salts of sulfonic acids. Among the sulfonic acid salts, the negatively charged substance is a substance with a -1 charge composed of RSO 3 - , and the positively charged substance is Li, Na, K, Rb, Cs with a +1 charge. , alkali metals such as Fr.

상기 술폰산 염은 예를 들어 하기 화학식 1로 표시되는 하이드로 퀴논 술폰산 염이 사용될 수 있다.The sulfonic acid salt may be, for example, a hydroquinone sulfonic acid salt represented by Formula 1 below.

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112021078768362-pat00001
Figure 112021078768362-pat00001

(식 중, M+는 양이온을 나타낸다.)(In the formula, M + represents a cation.)

이 때, M+는 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온, 루비듐 이온, 세슘 이온 및 프랑슘 이온 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In this case, M + may be any one of lithium ion, sodium ion, potassium ion, rubidium ion, cesium ion, and francium ion, but is not limited thereto.

본 발명의 기술사상에 따라 정공전달층으로 금속산화물과 술폰산 염을 함께 사용할 경우, 술폰산 염에 함유된 SO3 - 및 M+ 의 쌍극자 특성은 금속산화물의 에너지 준위 및 표면 조성을 조절하여 진공 준위 이동(vacuum level shift)을 일으킴으로써 정공전달층 계면에서의 정공 전달을 개선하고, 이를 통해 개방 전압을 높이는 효과를 나타낼 수 있다.According to the technical concept of the present invention, when a metal oxide and a sulfonic acid salt are used together as a hole transport layer, the dipole characteristics of SO 3 - and M + contained in the sulfonic acid salt control the energy level and surface composition of the metal oxide to move the vacuum level ( By causing a vacuum level shift), hole transfer at the interface of the hole transport layer can be improved, and through this, an effect of increasing the open circuit voltage can be exhibited.

상기 정공전달층의 형성 방법은 특별히 제한되지 않으나, 졸-겔(sol-gel), 스핀 코팅(spin coating) 등의 용액을 이용한 습식 공정(wet process), 혹은 원자층 증착(atomic layer deposition), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition), 스퍼터링(sputtering), 증발(evaporation), 화학기상증착법(chemical vapor deposition), 전기화학적 도금법, 스프레이 코팅, 열분해 법 등 다양한 공정 방법에 의해 제조될 수 있다.The method of forming the hole transport layer is not particularly limited, but a wet process using a solution such as sol-gel or spin coating, or atomic layer deposition, It can be manufactured by various process methods such as pulsed laser deposition, sputtering, evaporation, chemical vapor deposition, electrochemical plating, spray coating, and thermal decomposition.

예를 들어, 습식 공정을 이용할 경우 금속산화물이 용해된 금속산화물 전구체 용액에 술폰산 염이 용해된 술폰산 염 용액을 첨가하여 혼합 용액을 제조한 후 이를 이용하여 스핀 코팅을 통해 단일층의 정공전달층을 형성할 수 있다. 혹은 금속산화물 전구체 용액을 이용하여 금속산화물층을 먼저 형성한 다음, 술폰산 염 용액을 이용하여 술폰산 염 박막층을 금속산화물층 위에 별도로 형성할 수 있다. For example, in the case of using a wet process, a mixed solution is prepared by adding a sulfonic acid salt solution in which a sulfonic acid salt is dissolved to a metal oxide precursor solution in which a metal oxide is dissolved, and then spin-coating using the mixed solution to form a single-layer hole transport layer. can form Alternatively, a metal oxide layer may be first formed using a metal oxide precursor solution, and then a sulfonate thin film layer may be separately formed on the metal oxide layer using a sulfonate solution.

이하에서는 일 실시예로서 금속산화물로서 산화니켈, 쌍극자 물질로서 술폰산 염을 예를 들어 설명하나, 본 발명의 기술사상이 이에 한정되는 것을 아님은 물론이다. Hereinafter, nickel oxide as a metal oxide and sulfonic acid salt as a dipole material will be described as an example as an example, but the technical idea of the present invention is not limited thereto.

산화니켈의 경우 산화니켈 전구체 용액은 Nickel acetate tetrahydrate, nickel acetylacetonate, nickel nitrate hexahydrate, nickel formate dihydrate, nickel chloride hydrate 및 nickel ethylhexanoate로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. 또한 용매는 2-Methoxyethanol, ethanol, isopropanol 등의 알코올 계열의 유기용매를 포함할 수 있다. 이러한 금속산화물 전구체 용액은 0.01 내지 0.50 M 범위를 가질 수 있다. In the case of nickel oxide, at least one selected from the group consisting of nickel acetate tetrahydrate, nickel acetylacetonate, nickel nitrate hexahydrate, nickel formate dihydrate, nickel chloride hydrate, and nickel ethylhexanoate may be used as the nickel oxide precursor solution. In addition, the solvent may include an alcohol-based organic solvent such as 2-methoxyethanol, ethanol, or isopropanol. These metal oxide precursor solutions may range from 0.01 to 0.50 M.

술폰산 염 용액은 화학식 1로 표시되는 하이드로 퀴논 술폰산 염을 2-Methoxyethanol, ethanol, isopropanol 등의 알코올 계열의 유기용매에 용매에 용해하여 제조할 수 있다. 이러한 술폰산 염 용액은 0.001 내지 0.050 M 범위를 가질 수 있다.A sulfonic acid salt solution can be prepared by dissolving the hydroquinone sulfonic acid salt represented by Formula 1 in an alcohol-based organic solvent such as 2-Methoxyethanol, ethanol, or isopropanol. Such sulfonic acid salt solutions may range from 0.001 to 0.050 M.

정공전달층은 1 내지 50 ㎚ 두께로 형성될 수 있다. 1nm 미만일 경우에는 ITO 전극 표면의 거칠기를 평탄화 시키지 못하고 정공전달층으로서의 역할을 수행할 수 없으며, 50nm를 초과할 경우 염이 절연 특성을 띠기 때문에 정공 전달이 도리어 저해될 수 있다.The hole transport layer may be formed to a thickness of 1 to 50 nm. If it is less than 1 nm, it cannot flatten the roughness of the surface of the ITO electrode and cannot function as a hole transport layer, and if it exceeds 50 nm, hole transport may be hindered because the salt has insulating properties.

또한 본 발명의 기술사상을 따르는 정공전달층은 페로브스카이트 태양전지에도 동일하게 적용될 수 있다. 페로브스카이트 태양전지의 기본구조도 도 1에 도시된 구조와 실질적으로 동일하며, 다만 광활성층이 페로브스카이트 물질로 구성되는 점에서 차이가 있다. 상기 페로브스카이트 물질은 ABX3 형태의 유무기 복합 페로브스카이트 물질, 예를 들어 CH3NH3PbI3를 포함할 수 있다. 페로브스카이트 태양전지의 경우에도 본 발명의 기술사상을 따르는 정공전달층이 적용될 경우 태양전지의 광전변환효율을 증가시킬 수 있다. In addition, the hole transport layer according to the technical idea of the present invention can be equally applied to perovskite solar cells. The basic structure of the perovskite solar cell is also substantially the same as the structure shown in FIG. 1, except that the photoactive layer is made of a perovskite material. The perovskite material may include an ABX 3 type organic/inorganic composite perovskite material, for example, CH 3 NH 3 PbI 3 . Even in the case of a perovskite solar cell, when a hole transport layer according to the technical concept of the present invention is applied, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be increased.

이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 유기태양전지 및 페로브스카이트의 제조예 및 실험예들을 설명한다. 다만, 하기의 제조예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 제조예 및 실험예만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preparation examples and experimental examples of an organic solar cell and perovskite will be described to aid understanding of the present invention. However, the following preparation examples are only to aid understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the preparation examples and experimental examples below.

<산화니켈 정공전달층 제조> <Manufacture of nickel oxide hole transport layer>

산화니켈 전구체인 Nickel acetate tetrahydrate 을 2-methoxyethanol 에 0.05M 농도로 용해한다. 이후 Hydrochloric acid 10uL 를 첨가해서 100℃에서 12시간 동안 용해하여 노란색 산화니켈 전구체 용액을 얻었다. Nickel acetate tetrahydrate, a precursor of nickel oxide, is dissolved in 2-methoxyethanol at a concentration of 0.05M. Thereafter, 10uL of hydrochloric acid was added and dissolved at 100° C. for 12 hours to obtain a yellow nickel oxide precursor solution.

한편, 하이드로퀴논 술폰산 칼륨 염(Hydroquinone sulfonic acid potassium salt) 및 하이드로퀴논 술폰산 나트륨 염(Hydroquinone sulfonic acid sodium salt)은 각각 2-methoxyethanol에 0.005M 농도로 첨가한 후 이를 60℃에서 12시간 용해하여 투명한 용액을 얻었다. 편의상 하이드로퀴논 술폰산 칼륨 염을 용해한 용액은 술폰산 칼륨 염 용액으로 지칭하고, 하이드로퀴논 술폰산 나트륨 염을 용해한 용액은 술폰산 나트륨 염 용액으로 지칭한다. On the other hand, hydroquinone sulfonic acid potassium salt and hydroquinone sulfonic acid sodium salt are added to 2-methoxyethanol at a concentration of 0.005M, respectively, and then dissolved at 60 ° C for 12 hours to obtain a transparent solution got For convenience, a solution in which hydroquinone sulfonic acid potassium salt is dissolved is referred to as a sulfonic acid potassium salt solution, and a solution in which hydroquinone sulfonic acid sodium salt is dissolved is referred to as a sulfonic acid sodium salt solution.

다음 산화니켈 전구체 용액에 상기 하이드로퀴논 술폰산 칼륨 염 용액 혹은 하이드로퀴논 술폰산 나트륨 염 용액을 혼합하여 정공전달층을 제조하기 위한 산화니켈 혼합 전구체 용액을 제조하였다. 첨가된 술폰산 칼륨 염 용액 혹은 술폰산 나트륨 염 용액은 산화니켈 전구체 용액 대비 부피비(vol%)로 1, 2, 4 및 8% 였다. Next, a nickel oxide mixed precursor solution for preparing a hole transport layer was prepared by mixing the hydroquinone sulfonate potassium salt solution or the hydroquinone sulfonate sodium salt solution with the nickel oxide precursor solution. The added sulfonic acid potassium salt solution or sulfonic acid sodium salt solution was 1, 2, 4 and 8% in terms of volume ratio (vol%) with respect to the nickel oxide precursor solution.

제조한 산화니켈 혼합 전구체 용액을 이용하여 유리 기판에 스핀코팅법(spin coating)으로 15nm 두께로 코팅하고 300℃로 30분간 열처리하여 정공전달층으로 적용되는 산화니켈층을 제조하였다. 이하 술폰산 칼륨 염 용액을 첨가하여 제조한 산화니켈을 NiO:K로 표시하고, 술폰산 나트륨 염 용액을 첨가하여 제조한 산화니켈을 NiO:Na으로 표시한다.Using the prepared nickel oxide mixed precursor solution, a glass substrate was coated to a thickness of 15 nm by spin coating and heat treated at 300° C. for 30 minutes to prepare a nickel oxide layer applied as a hole transport layer. Hereinafter, nickel oxide prepared by adding a potassium sulfonate salt solution is expressed as NiO:K, and nickel oxide prepared by adding a sodium sulfonate salt solution is expressed as NiO:Na.

한편, 비교예로서 산화니켈 전구체 용액을 동일한 조건으로 스핀코팅하여 산화니켈을 형성하였으며, 이를 NiO로 표시한다. Meanwhile, as a comparative example, a nickel oxide precursor solution was spin-coated under the same conditions to form nickel oxide, which is denoted as NiO.

이하 도 2 내지 도 5의 분석에 사용된 NiO:K 및 NiO:Na은 혼합 시 술폰산 칼륨 염 용액 및 술폰산 나트륨 염 용액의 부피비가 각각 2% , 1% 였다. When NiO:K and NiO:Na used in the analysis of FIGS. 2 to 5 were mixed, the volume ratios of the potassium sulfonic acid salt solution and the sodium sulfonic acid salt solution were 2% and 1%, respectively.

도 2에는 NiO:K, NiO:Na 및 NiO의 X-선 회절 분석 결과가 나타나 있다. 도 2을 참조하면, 모두 시편에서 산화니켈의 큐빅 옥타헤드럴(cubic octahedral) 피크(peak)가 검출되었으며, 이로부터 모든 제조 조건에서 산화니켈이 형성되었음을 확인할 수 있었다. 2 shows the results of X-ray diffraction analysis of NiO:K, NiO:Na and NiO. Referring to FIG. 2, cubic octahedral peaks of nickel oxide were detected in all specimens, and it was confirmed that nickel oxide was formed under all manufacturing conditions.

도 3에는 NiO:K, NiO:Na 및 NiO의 광 파장(wavelength)에 따른 투과율(Transmittance)를 측정한 결과가 나타나 있다. 도 3을 참조하면, 모든 시편에서 가시광 영역에 대해 높은 투과율을 나타냄을 확인할 수 있다. 3 shows the results of measuring the transmittance of NiO:K, NiO:Na, and NiO according to the wavelength of light. Referring to FIG. 3, it can be confirmed that all specimens exhibit high transmittance in the visible light region.

도 4에는 NiO:K, NiO:Na 및 NiO의 표면을 XPS로 성분 분석한 결과가 나타나 있다. 도 4를 참조하면, NiO:K의 경우에는 표면에서 칼륨(K) 및 황(S)이 검출되었으며, NiO:Na의 경우에는 표면에서 나트륨(Na) 및 황(S)이 검출되었다. 반면 NiO에서는 칼륨, 나트륨 및 황 중 어떤 원소도 검출되지 않았다. 이러한 칼륨 및 황의 검출, 혹은 나트륨과 황의 검출은 산화니켈층 표면에 칼륨 혹은 나트륨과, 황을 포함하는 술폰산기가 각각 양전하 및 음전하를 가지는 쌍극자 형태로 존재하고 있음을 추단하게 한다. 이러한 산화니켈 표면의 쌍극자의 존재는 태양전지의 특성 향상에 기여하게 되며 이에 대해서는 자세하게 후술하도록 한다. 4 shows the results of component analysis of the surfaces of NiO:K, NiO:Na, and NiO by XPS. Referring to FIG. 4, in the case of NiO:K, potassium (K) and sulfur (S) were detected on the surface, and in the case of NiO:Na, sodium (Na) and sulfur (S) were detected on the surface. On the other hand, no elements among potassium, sodium and sulfur were detected in NiO. The detection of potassium and sulfur or the detection of sodium and sulfur makes it inferred that potassium or sodium and sulfur-containing sulfonic acid groups are present in the form of dipoles having positive and negative charges, respectively, on the surface of the nickel oxide layer. The presence of dipoles on the surface of nickel oxide contributes to improving the characteristics of solar cells, which will be described in detail later.

도 5에는 NiO:K, NiO:Na 및 NiO의 전기전도 특성을 분석한 결과가 나타나 있다. 도 5를 참조하면, NiO: K 및 NiO:Na이 NiO에 비해 전기저항이 다소 낮으며, 조금 더 높은 전도도를 보이는 것으로 분석되었다.5 shows the results of analyzing the electrical conductivity of NiO:K, NiO:Na and NiO. Referring to FIG. 5, it was analyzed that NiO:K and NiO:Na had slightly lower electrical resistance and slightly higher conductivity than NiO.

도 6에는 NiO:K, NiO:Na 및 NiO의 UPS(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy) 측정 결과이다. NiO:K, NiO:Na 는 NiO 대비 일함수를 나타내는 EF(fermi level)이 약 0.10 ~ 0.15 eV 정도 더 깊게(deep) 하게 형성되는 것을 확인할 수 있을 뿐만 아니라, p-형 특성(p-type property) 를 나타내는 (EF - VB) 또한 NiO 대비 NiO:K 와 NiO:Na 가 상대적으로 작은 수치를 보이며 더 강한 p-형 특성(p-type property) 를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 6 shows UPS (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy) measurement results of NiO:K, NiO:Na, and NiO. NiO:K and NiO:Na not only confirm that E F (fermi level) representing the work function is formed deeper by about 0.10 ~ 0.15 eV compared to NiO, but also has p-type characteristics (p-type property) (E F - VB), it was also confirmed that NiO:K and NiO:Na showed relatively small values compared to NiO and exhibited stronger p-type properties.

표 1에는 NiO:K, NiO:Na 및 NiO의 에너지 준위에 대한 결과가 나타나 있다. 표 1의 Cut-off는 UPS 스펙트라(spectra) 의 2차 전자 컷-오프 위치(secondary electron cut-off position) 을 통해 얻은 수치이며, 이를 통해 21.22(He 에너지)-Ecutoff = EF 를 계산한 값을 나타낸다. 뿐만 아니라 가전자 밴드 에지 위치(Valence band edge position (= EF-VB))을 통해 VB 를 계산하였다. EF는 페르미 에너지 준위, VB 및 CB는 각각 가전자 밴드 준위 및 전도대 밴드 준위를 나타낸다.Table 1 shows the results of the energy levels of NiO:K, NiO:Na and NiO. The cut-off in Table 1 is a value obtained through the secondary electron cut-off position of the UPS spectra, and through this, 21.22 (He energy)-E cutoff = E F was calculated represents a value. In addition, VB was calculated through the valence band edge position (= E F -VB). E F represents the Fermi energy level, and VB and CB represent the valence band level and the conduction band level, respectively.

정공전달층
hole transport layer
Cut-off(eV)Cut-off (eV) EF E F EF -VB (eV)E F -VB (eV) VB (eV)VB (eV) CB (eV)CB (eV)
비교예 2(NiO)Comparative Example 2 (NiO) 16.7216.72 4.484.48 0.880.88 5.365.36 1.23
1.23
실시예 1(NiO:K)Example 1 (NiO:K) 16.5716.57 4.634.63 0.770.77 5.405.40 1.27
1.27
실시예 2(NiO:Na)Example 2 (NiO:Na) 16.5816.58 4.624.62 0.790.79 5.415.41 1.281.28

<유기태양전지의 제작><Production of organic solar cells>

유기태양전지 소자는 ITO/NiO/PM6:Y6-BO-4F/PFN-Br/Al 의 구조로 제작하였다. 광활성층 제조용 혼합 용액은 PM6 와 Y6-BO-4F 를 1:1 비율로 chlorobenzene 1mL에 22mg 투입한 후 60℃로 4시간 동안 용해하였다. 전자전달층 제조용 용액은 PFN-Br을 methanol 1mL 에 0.5mg 투입한 후 상온에서 15분 동안 용해하여 제조하였다. The organic solar cell device was fabricated in the structure of ITO/NiO/PM6:Y6-BO-4F/PFN-Br/Al. For the mixed solution for preparing the photoactive layer, 22mg of PM6 and Y6-BO-4F were added to 1mL of chlorobenzene at a ratio of 1:1, and then dissolved at 60°C for 4 hours. A solution for preparing the electron transport layer was prepared by dissolving 0.5 mg of PFN-Br in 1 mL of methanol at room temperature for 15 minutes.

일면에 투명전극인 Indium tin oxide (ITO)가 패터닝된 유리기판을 증류수, 아세톤, 아이소프로판올로 세척하고 UV-Ozone 처리를 30분간 수행하였다. 다음, 상술한 방법으로 제조한 산화니켈 혼합 전구체 용액을 이용한 스핀코팅법(spin coating)으로 15nm 두께로 코팅하고 300℃로 30분간 열처리하여 정공전달층을 형성하였다. 다음, 광활성층 제조용 혼합 용액을 2000rpm 30초 동안 스핀코팅하고 80℃로 10분간 열처리하여 광활성층을 형성하였다. 다음, 전자전달층 제조용 용액으로 5000rpm 30초 동안 스핀코팅하여 전자전달층을 제조한 후 그 상부에 전극으로서 Al을 100nm 두께로 형성하여 소자제작을 완료하였다. 여기서 정공전달층으로 NiO:K를 사용한 것을 실시예 1, NiO:Na을 사용한 것을 실시예 2로 지칭한다. 한편, 비교예로서 정공전달층을 제외하고 나머지는 모두 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 유기태양전지를 제조하였다. 비교예 1은 정공전달층으로 PEDOT:PSS을 이용하여 형성한 것이었으며, 비교예 2는 상술한 산화니켈 전구체 용액을 이용한 산화니켈을 정공전달층으로 사용한 것이다. A glass substrate patterned with indium tin oxide (ITO), a transparent electrode on one side, was washed with distilled water, acetone, and isopropanol, and UV-Ozone treatment was performed for 30 minutes. Next, a hole transport layer was formed by coating to a thickness of 15 nm by spin coating using the nickel oxide mixed precursor solution prepared by the above-described method and heat-treating at 300° C. for 30 minutes. Next, the mixed solution for preparing the photoactive layer was spin-coated at 2000 rpm for 30 seconds and heat-treated at 80° C. for 10 minutes to form a photoactive layer. Next, the electron transport layer was prepared by spin-coating at 5000 rpm for 30 seconds with the solution for preparing the electron transport layer, and then Al was formed thereon to a thickness of 100 nm as an electrode to complete device fabrication. Here, the case where NiO:K was used as the hole transport layer is referred to as Example 1, and the case where NiO:Na was used is referred to as Example 2. Meanwhile, as a comparative example, an organic solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1 except for the hole transport layer. Comparative Example 1 was formed using PEDOT:PSS as a hole transport layer, and Comparative Example 2 used nickel oxide using the above-described nickel oxide precursor solution as a hole transport layer.

상기 실시예들 및 비교예들에 따른 유기태양전지의 전류밀도-전압 특성(current density-Voltage (J-V))을 측정하여 도 7에 도시하였고, 그 효율은 하기 표 2에 나타내었다.The current density-voltage characteristics (current density-Voltage (J-V)) of the organic solar cell according to the above Examples and Comparative Examples were measured and shown in FIG. 7, and the efficiency is shown in Table 2 below.

정공전달층
hole transport layer
개방전압
[V]
open voltage
[V]
단락전류
[mA cm-2]
short circuit current
[mA cm -2 ]
Fill FactorFill Factor 최대효율
[%]
maximum efficiency
[%]
평균효율
[%]
average efficiency
[%]
비교예 1(PEDOT:PSS)Comparative Example 1 (PEDOT:PSS) 0.850.85 22.5322.53 0.720.72 13.7313.73 13.42 ± 0.313.42 ± 0.3 비교예 2(NiO)Comparative Example 2 (NiO) 0.790.79 22.7722.77 0.680.68 12.1912.19 11.75 ± 0.4
11.75 ± 0.4
실시예 1(NiO:K)Example 1 (NiO:K) 0.860.86 22.4622.46 0.730.73 14.1914.19 13.88 ± 0.3
13.88 ± 0.3
실시예 2(NiO:Na)Example 2 (NiO:Na) 0.850.85 22.3122.31 0.740.74 13.9513.95 13.72 ± 0.313.72 ± 0.3

표 2 및 도 7을 참조하면, 정공전달층으로 술폰산 염이 첨가된 산화니켈을 사용한 실시예 1 및 2가 단지 산화니켈만을 사용한 비교예 2에 비해 더 높은 개방전압을 나타내었으며, PEDOT:PSS를 사용한 비교예 1에 대해서도 동등 이상의 개방전압을 나타내었다. 또한 평균효율 및 최대효율도 실시예 1 및 2가 비교예 1 및 2에 비해 더 우수한 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 실시예들의 경우에는 최대효율이 약 14% 내외로서 높은 수준을 나타내었다. Referring to Table 2 and FIG. 7, Examples 1 and 2 using nickel oxide to which a sulfonic acid salt was added as a hole transport layer showed a higher open-circuit voltage than Comparative Example 2 using only nickel oxide, and PEDOT:PSS The same or higher open-circuit voltage was also shown for Comparative Example 1 used. In addition, it was confirmed that the average efficiency and maximum efficiency of Examples 1 and 2 exhibited better values than Comparative Examples 1 and 2. In the case of the examples, the maximum efficiency was as high as about 14%.

실시예들 및 비교예들에 따른 유기태양전지의 안정성 테스트 결과를 도 8 및 표 3에 나타내었다. 실시예 1 및 2는 모두 비교예 1 및 2에 비해 우수한 안정성을 나타내었으며, 특히 유기물인 비교예 1(PEDOT:PSS) 대비 월등하게 높은 안정성을 나타내었다.Stability test results of organic solar cells according to Examples and Comparative Examples are shown in FIG. 8 and Table 3. Examples 1 and 2 both showed excellent stability compared to Comparative Examples 1 and 2, and in particular, showed significantly higher stability than Comparative Example 1 (PEDOT:PSS), which is an organic material.

정공전달층hole transport layer 50일 후 안정성(%)Stability after 50 days (%) 비교예 1(PEDOT:PSS)Comparative Example 1 (PEDOT:PSS) 25.325.3 비교예 2(NiO)Comparative Example 2 (NiO) 40.140.1 실시예 1(NiO:K)Example 1 (NiO:K) 46.746.7 실시예 2(NiO:Na)Example 2 (NiO:Na) 45.945.9

도 9 및 도 10에는 본 발명의 실시예를 따르는 정공전달층을 사용하는 유기태양전지가 우수한 특성을 나타내는 이유를 설명하기 위한 개념도가 나타나 있다. 9 and 10 show conceptual diagrams for explaining why an organic solar cell using a hole transport layer according to an embodiment of the present invention exhibits excellent characteristics.

도 11은 표 2에 도시된 NiO, NiO:K 및 NiO:Na의 에너지 준위를 나타낸 것이다. NiO:K 및 NiO:Na의 페르미 에너지 준위가 NiO에 비해 더 낮은 값을 가지게 되며, 페르미 에너지 준위 및 가전자 밴드 준위간 에너지 차이도 감소함을 알 수 있다. 이러한 차이는 산화니켈 표면에 존재하는 이온결합 혹은 공유결합으로 이루어진 쌍극자에 의해 기인한 것으로 판단된다. 상기 쌍극자 중 음의 전하를 띠는 물질은 RSO3 - 로 이루어진 -1 의 전하를 띠는 물질이고, 양의 전하를 띠는 물질은 +1 전하를 띠는 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr과 같은 알칼리 금속을 포함한다. 11 shows the energy levels of NiO, NiO:K, and NiO:Na shown in Table 2. It can be seen that the Fermi energy levels of NiO:K and NiO:Na have lower values than those of NiO, and the energy difference between the Fermi energy level and the valence band level also decreases. It is believed that this difference is caused by dipoles composed of ionic or covalent bonds present on the surface of nickel oxide. Among the dipoles, materials with a negative charge are materials with a charge of -1 composed of RSO 3 - , and materials with a positive charge are materials with a charge of +1 Li, Na, K, Rb, Cs, alkali metals such as Fr.

도 10(a)는 NiO 정공전달층과 비플러렌계 BHJ(bulkheterojunction) 광활성층의 계면에서의 에너지 준위를 표현한 것이며, 도 10(b)는 NiO:K 혹은 NiO:Na 정공전달층과 비플러렌계 BHJ(bulkheterojunction) 광활성층의 계면에서의 에너지 준위를 표현한 것이다. 도 10(a) 및 도 10(b)를 참조하면, 산화니켈 표면에 형성된 쌍극자로 인하여 정공전달층과 BHJ 광활성층 사이의 페르미 에너지 준위(점선으로 표시한 부분)의 차이가 쌍극자가 없는 통상의 산화니켈에 비해 감소한 것으로 확인할 수 있다. 이러한 페르미 에너지 준위 차이의 감소는 광활성층에서 형성된 정공이 정공전달층으로 전달되기 더 용이하게 하는 요소가 된다. 이러한 페르미 에너지 준위의 변화는 유기태양전지의 개방전압(Voc)을 증가시키며 또한 효율 증가의 원인이 된다. 10(a) shows the energy level at the interface between a NiO hole transport layer and a non-fullerene based BHJ (bulkheterojunction) photoactive layer, and FIG. 10(b) shows a NiO:K or NiO:Na hole transport layer and a non-fullerene based BHJ photoactive layer. BHJ (bulkheterojunction) is an expression of the energy level at the interface of the photoactive layer. Referring to FIGS. 10(a) and 10(b), due to dipoles formed on the surface of nickel oxide, the difference in Fermi energy level between the hole transport layer and the BHJ photoactive layer (indicated by a dotted line) is similar to that of normal without dipoles. It can be confirmed that it is reduced compared to nickel oxide. This decrease in Fermi energy level makes it easier for holes formed in the photoactive layer to be transferred to the hole transport layer. This change in the Fermi energy level increases the open-circuit voltage (Voc) of the organic solar cell and also causes an increase in efficiency.

본 발명의 기술사상을 따르는 유기태양전지의 다른 실시예로서 정공전달층을 별도의 산화니켈층(NiO) 및 술폰산 염층의 2층(bi-layer)으로 제조할 수 있다. 본 실시예의 경우 정공전달층의 제조방법을 제외한 나머지는 상술한 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 정공전달층의 제조방법은 이하와 같다. As another embodiment of the organic solar cell according to the technical concept of the present invention, the hole transport layer may be made of a bi-layer of a separate nickel oxide layer (NiO) and a sulfonic acid salt layer. In the case of this embodiment, except for the manufacturing method of the hole transport layer, the rest was manufactured in the same manner as in Example 1 described above. The manufacturing method of the hole transport layer is as follows.

산화니켈 전구체 용액으로 1차 스핀코팅한 후 300℃로 30분간 열처리하여 15nm 두께의 산화니켈층(NiO)을 형성하였다. 다음, 산화니켈층 상부에 술폰산 칼륨 염 용액 혹은 술폰산 나트륨 염 용액을 스핀코팅 후 80℃로 10분간 열처리하여 술폰산 염층을 형성하여 2층 구조의 정공전달층을 형성하였다. 산화니켈층 상부에 술폰산 칼륨 염 용액으로 스핀코팅층을 형성한 2층 구조는 NiO/K로 표현하고, 산화니켈층 상부에 술폰산 나트륨 염 용액으로 스핀코팅층을 형성한 2층 구조는 NiO/Na로 표현한다. 실시예 3은 정공전달층으로 NiO/K를 사용한 유기태양전지이며, 실시예 4는 NiO/Na을 사용한 유기태양전지이다. After primary spin-coating with a nickel oxide precursor solution, heat treatment was performed at 300° C. for 30 minutes to form a nickel oxide layer (NiO) having a thickness of 15 nm. Next, a sulfonic acid potassium salt solution or a sulfonic acid sodium salt solution was spin-coated on the nickel oxide layer, followed by heat treatment at 80° C. for 10 minutes to form a sulfonic acid salt layer, thereby forming a hole transport layer having a two-layer structure. The two-layer structure in which a spin coating layer is formed with a potassium sulfonic acid salt solution on top of the nickel oxide layer is expressed as NiO / K, and the two-layer structure in which a spin coating layer is formed with a sodium sulfonate salt solution on top of the nickel oxide layer is expressed as NiO / Na do. Example 3 is an organic solar cell using NiO/K as a hole transport layer, and Example 4 is an organic solar cell using NiO/Na.

상기 실시예들 및 비교예들에 따른 유기태양전지의 전류밀도-전압 특성(current density-Voltage (J-V))을 측정하여 도 11에 도시하였고, 그 효율은 하기 표 4에 나타내었다.The current density-voltage characteristics (current density-Voltage (J-V)) of the organic solar cell according to the above Examples and Comparative Examples were measured and shown in FIG. 11, and the efficiency is shown in Table 4 below.

정공전달층
hole transport layer
개방전압
[V]
open voltage
[V]
단락전류
[mA cm-2]
short circuit current
[mA cm -2 ]
Fill FactorFill Factor 최대효율
[%]
maximum efficiency
[%]
비교예 1
(PEDOT:PSS)
Comparative Example 1
(PEDOT:PSS)
0.850.85 22.5322.53 0.720.72 13.7313.73
비교예 2
(NiO)
Comparative Example 2
(NiO)
0.790.79 22.7722.77 0.680.68 12.1912.19
실시예 3(NiO/K)Example 3 (NiO/K) 0.850.85 22.8422.84 0.730.73 14.2014.20 실시예 4(NiO/Na)Example 4 (NiO/Na) 0.850.85 22.2822.28 0.740.74 14.0714.07

실시예 3 및 4의 경우에도 비교예 1 및 2에 비해 높은 개방전압 및 높은 최대효율값을 나타냄을 확인할 수 있었다. Even in the case of Examples 3 and 4, it was confirmed that they exhibited higher open-circuit voltage and higher maximum efficiency values than Comparative Examples 1 and 2.

이상과 같이 비플러렌계 광활성층을 가지는 유기태양전지의 전공전달층으로 산화니켈을 사용함에 있어서, 술폰산 염을 도핑하거나 혹은 산화니켈 층 상부에 별도의 술폰산 염층을 형성함으로써 쌍극자에 의한 효율 증진의 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. As described above, in using nickel oxide as a hole transport layer of an organic solar cell having a non-fullerene-based photoactive layer, the effect of improving efficiency by dipoles by doping a sulfonic acid salt or forming a separate sulfonic acid salt layer on top of the nickel oxide layer. can be obtained.

<페로브스카이트 태양전지의 제작><Production of Perovskite Solar Cell>

본 발명의 기술사상을 따르는 정공전달층은 페로브스카이트 태양전지에도 적용되어 효율의 증가를 유도할 수 있다. 하기의 실시예는 페로브스카이트 태양전지에 적용한 경우이다. The hole transport layer according to the technical idea of the present invention can also be applied to perovskite solar cells to induce an increase in efficiency. The following examples are applied to perovskite solar cells.

페로브스카이트 태양전지 소자는 ITO/NiO/MAPbI3/PCBM/ZnO/Al 의 구조로 제작되었다. 일면에 투명전극인 Indium tin oxide (ITO)가 패터닝된 유리기판을 증류수, 아세톤, 아이소프로판올로 세척하고 UV-Ozone 처리를 30분간 수행하였다. 다음, 상술한 방법으로 제조한 산화니켈 혼합 전구체 용액을 이용한 스핀코팅법(spin coating)으로 15nm 두께로 코팅하고 300℃로 30분간 열처리하여 정공전달층을 형성하였다. 다음, 페로브스카이트 광활성층을 형성하기 위하여 MAPbI3(Methylammonium Lead Iodide) 전구체 용액을 4000rpm 25초 동안 스핀코팅하고 65℃ 1분, 100℃ 2분 열처리하였다. 다음, PC61BM가 용해된 용액을 2000rpm 30초로 스핀코팅하여 전자전달층을 형성하였다. 다음, 그 위에 4000rpm 40초로 스핀코팅하여 ZnO를 형성한 후, 그 상부에 전극으로서 Al을 증착으로 100nm 두께로 형성하여 소자제작을 완료하였다. 여기서 정공전달층으로 NiO:K를 사용한 것을 실시예 5, NiO:Na을 사용한 것을 실시예 6으로 지칭한다. 한편, 비교예로서 정공전달층을 제외하고 나머지는 모두 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다. 비교예 3은 정공전달층으로 PEDOT:PSS 사용한 것이었으며, 비교예 4는 상술한 산화니켈 전구체 용액을 사용한 것이다. The perovskite solar cell device was fabricated in the structure of ITO/NiO/MAPbI 3 /PCBM/ZnO/Al. A glass substrate patterned with indium tin oxide (ITO), a transparent electrode on one side, was washed with distilled water, acetone, and isopropanol, and UV-Ozone treatment was performed for 30 minutes. Next, a hole transport layer was formed by coating to a thickness of 15 nm by spin coating using the nickel oxide mixed precursor solution prepared by the above-described method and heat-treating at 300° C. for 30 minutes. Next, to form a perovskite photoactive layer, a MAPbI 3 (Methylammonium Lead Iodide) precursor solution was spin-coated at 4000 rpm for 25 seconds and heat-treated at 65°C for 1 minute and 100°C for 2 minutes. Next, an electron transport layer was formed by spin-coating a solution in which PC 61 BM was dissolved at 2000 rpm for 30 seconds. Next, ZnO was formed by spin-coating at 4000 rpm for 40 seconds thereon, and Al was deposited thereon to a thickness of 100 nm as an electrode to complete device fabrication. Here, the case where NiO:K was used as the hole transport layer is referred to as Example 5, and the case where NiO:Na was used is referred to as Example 6. Meanwhile, as a comparative example, except for the hole transport layer, all other perovskite solar cells were manufactured in the same manner. In Comparative Example 3, PEDOT:PSS was used as the hole transport layer, and in Comparative Example 4, the above-described nickel oxide precursor solution was used.

상기 실시예들 및 비교예들에 따른 페로브스카이트 태양전지의 전류밀도-전압 특성(current density-Voltage (J-V))을 측정하여 도 12에 도시하였고, 그 효율은 하기 표 5에 나타내었다.Current density-voltage characteristics (current density-Voltage (J-V)) of the perovskite solar cell according to the above Examples and Comparative Examples were measured and shown in FIG. 12, and the efficiency is shown in Table 5 below.

정공전달층
hole transport layer
개방전압
[V]
open voltage
[V]
단락전류
[mA cm-2]
short circuit current
[mA cm -2 ]
Fill FactorFill Factor 최대효율
[%]
maximum efficiency
[%]
비교예 3
(PEDOT:PSS)
Comparative Example 3
(PEDOT:PSS)
0.960.96 15.9215.92 0.810.81 12.3912.39
비교예 4
(NiO)
Comparative Example 4
(NiO)
1.051.05 20.6720.67 0.760.76 16.4816.48
실시예 5(NiO:K)Example 5 (NiO:K) 1.071.07 20.7020.70 0.770.77 17.1517.15 실시예 6(NiO:Na)Example 6 (NiO:Na) 1.081.08 20.6420.64 0.770.77 17.1417.14

페로브스카이트 태양전지의 경우에도 유기태양전지에서와 같이 실시예 5 및 6이 비교예들에 비해 더 높은 개방전압 및 최대효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Even in the case of the perovskite solar cell, as in the organic solar cell, it was confirmed that Examples 5 and 6 exhibited higher open-circuit voltage and maximum efficiency than Comparative Examples.

한편, 도 13 및 표 6에는 실시예 5 및 6의 페로브스카이트 태양전지에서 정공전달층만을 산화니켈층(NiO) 및 술폰산 염의 2층으로 형성한 경우의 전류밀도-전압 특성(current density-Voltage (J-V)) 및 효율이 나타나 있다. 실시예 7은 정공전달층으로 NiO/K를 사용한 페로브스카이트 태양전지이며, 실시예 8은 NiO/Na을 사용한 페로브스카이트 태양전지이다. 2층 구조의 정공전달층 제조 방법은 유기태양전지의 실시예와 같은 방법으로 수행하였다.Meanwhile, in FIG. 13 and Table 6, in the perovskite solar cells of Examples 5 and 6, the current density-voltage characteristics (current density- Voltage (J-V)) and efficiency are shown. Example 7 is a perovskite solar cell using NiO/K as a hole transport layer, and Example 8 is a perovskite solar cell using NiO/Na. The manufacturing method of the hole transport layer having a two-layer structure was performed in the same manner as in the example of the organic solar cell.

정공전달층
hole transport layer
개방전압
[V]
open voltage
[V]
단락전류
[mA cm-2]
short circuit current
[mA cm -2 ]
Fill FactorFill Factor 최대효율
[%]
maximum efficiency
[%]
비교예 2
(NiO)
Comparative Example 2
(NiO)
1.051.05 20.6720.67 0.760.76 16.4816.48
실시예 7(NiO/K)Example 7 (NiO/K) 1.061.06 20.8420.84 0.780.78 17.2517.25 실시예 8(NiO/Na)Example 8 (NiO/Na) 1.091.09 20.5220.52 0.760.76 17.0717.07

도 13 및 표 6을 참조하면, 이 경우에도 역시 유기태양전지에서와 같이 실시예 7 및 실시예 8이 비교예 2에 비해 더 우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 13 and Table 6, it can be seen that in this case, as well as in the organic solar cell, Examples 7 and 8 exhibit better characteristics than Comparative Example 2.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

Claims (21)

서로 대향하여 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 광활성층; 및
상기 제 2 전극과 광활성층 사이에 위치하는 정공전달층을 포함하고,
상기 광활성층은 유기물질을 포함하거나 혹은 페로브스카이트 물질을 포함하고,
상기 정공전달층은 금속산화물 및 쌍극자 물질이 서로 혼합된 형태의 단일층이고,
상기 쌍극자 물질은 술폰산 염을 포함하고,
상기 술폰산 염은 하기 화학식 1로 표시되는 하이드로퀴논 술폰산 염을 포함하는,
금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지.
<화학식 1>
Figure 112023033039456-pat00018

(식 중, M+는 양이온을 나타낸다.)
a first electrode and a second electrode disposed facing each other;
a photoactive layer positioned between the first and second electrodes; and
A hole transport layer disposed between the second electrode and the photoactive layer;
The photoactive layer includes an organic material or a perovskite material,
The hole transport layer is a single layer in which a metal oxide and a dipole material are mixed with each other,
The dipole material comprises a sulfonic acid salt,
The sulfonic acid salt includes a hydroquinone sulfonic acid salt represented by Formula 1 below,
A solar cell having a metal oxide hole transport layer.
<Formula 1>
Figure 112023033039456-pat00018

(In the formula, M + represents a cation.)
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 M+는 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온, 루비듐 이온, 세슘 이온 및 프랑슘 이온 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지.
According to claim 1,
The M + is any one of lithium ion, sodium ion, potassium ion, rubidium ion, cesium ion and francium ion, a solar cell having a metal oxide hole transport layer.
제 1 항에 있어서,
상기 정공전달층은 두께가 1 내지 50 ㎚인, 금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지.
According to claim 1,
The hole transport layer has a thickness of 1 to 50 nm, a solar cell having a metal oxide hole transport layer.
제 1 항에 있어서,
상기 유기물질로 이루어진 광활성층은 전자공여체와 전자수용체가 p-n 접합을 이루는 2층 구조인, 금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지.
According to claim 1,
The photoactive layer made of the organic material has a two-layer structure in which an electron donor and an electron acceptor form a pn junction, a solar cell having a metal oxide hole transport layer.
제 1 항에 있어서,
상기 유기물질로 이루어진 광활성층은 전자공여체와 전자수용체로 이루어진 벌크이종접합(bulkheterojunction) 구조인, 금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지.
According to claim 1,
The photoactive layer made of the organic material has a bulk heterojunction structure composed of an electron donor and an electron acceptor, a solar cell having a metal oxide hole transport layer.
제 1 항에 있어서,
상기 유기물질은 플러렌계 유기물질 혹은 비플러렌(non-fullerene)계 유기물질을 포함하는, 금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지.
According to claim 1,
The organic material includes a fullerene-based organic material or a non-fullerene-based organic material, a solar cell having a metal oxide hole transport layer.
제 10 항에 있어서,
상기 비플러렌(non-fullerene)계 유기물질은 IDT-Br, ITIC 및 Y6로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지.
According to claim 10,
The non-fullerene-based organic material includes at least one selected from the group consisting of IDT-Br, ITIC, and Y6, a solar cell having a metal oxide hole transport layer.
기판의 일면에 제 1 전극, 정공전달층, 광활성층, 전자전달층 및 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법으로서,
상기 광활성층은 유기물질은 포함하거나 혹은 페로브스카이트 물질을 포함하고,
상기 제 1 전극의 상부에 금속산화물 및 쌍극자 물질이 서로 혼합된 형태의 단일층인 정공전달층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 쌍극자 물질은 술폰산 염을 포함하고,
상기 술폰산 염은 하기 화학식 1로 표시되는 하이드로퀴논 술폰산 염을 포함하는,
금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지의 제조방법.
<화학식 1>
Figure 112023033039456-pat00019

(식 중, M+는 양이온을 나타낸다.)
A solar cell manufacturing method comprising forming a first electrode, a hole transport layer, a photoactive layer, an electron transport layer, and a second electrode on one surface of a substrate,
The photoactive layer includes an organic material or a perovskite material,
Forming a hole transport layer, which is a single layer in which a metal oxide and a dipole material are mixed with each other, on top of the first electrode,
The dipole material comprises a sulfonic acid salt,
The sulfonic acid salt includes a hydroquinone sulfonic acid salt represented by Formula 1 below,
Method for manufacturing a solar cell having a metal oxide hole transport layer.
<Formula 1>
Figure 112023033039456-pat00019

(In the formula, M + represents a cation.)
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 12 항에 있어서,
상기 M+는 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온, 루비듐 이온, 세슘 이온 및 프랑슘 이온 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지의 제조방법.
According to claim 12,
The method of manufacturing a solar cell having a metal oxide hole transport layer, characterized in that the M + is any one of lithium ions, sodium ions, potassium ions, rubidium ions, cesium ions and francium ions.
제 12 항에 있어서,
상기 정공전달층을 형성하는 방법은,
금속산화물 전구체 용액 및 술폰산 염 용액이 혼합된 금속산화물 혼합 전구체 용액을 이용한 습식코팅법으로 수행되는,
금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지의 제조방법.
According to claim 12,
The method of forming the hole transport layer,
Performed by a wet coating method using a metal oxide precursor solution in which a metal oxide precursor solution and a sulfonic acid salt solution are mixed,
Method for manufacturing a solar cell having a metal oxide hole transport layer.
삭제delete 제 18 항에 있어서,
상기 금속산화물 전구체 용액은 Nickel acetate tetrahydrate, nickel acetylacetonate, nickel nitrate hexahydrate, nickel formate dihydrate, nickel chloride hydrate 및 nickel ethylhexanoate로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 용해한 것인, 금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지의 제조방법.
According to claim 18,
The metal oxide precursor solution is prepared by dissolving at least one selected from the group consisting of nickel acetate tetrahydrate, nickel acetylacetonate, nickel nitrate hexahydrate, nickel formate dihydrate, nickel chloride hydrate, and nickel ethylhexanoate. Method for manufacturing a battery.
제 18 항에 있어서,
상기 술폰산 염 용액은 하기 화학식 1로 표시되는 하이드로퀴논 술폰산 염을 용해한 것인, 금속산화물 정공전달층을 구비한 태양전지의 제조방법.
<화학식 1>
Figure 112023033039456-pat00004
According to claim 18,
The method of manufacturing a solar cell having a metal oxide hole transport layer, wherein the sulfonic acid salt solution is obtained by dissolving a hydroquinone sulfonic acid salt represented by Formula 1 below.
<Formula 1>
Figure 112023033039456-pat00004
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