KR102647065B1 - Organic-inorganic complex solar cell - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 구비되고 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 구비되고 제1 탄소 소재 및 무기 나노 입자를 포함하는 제1 상부 전극; 및 상기 제1 상부 전극 상에 구비되고 제2 탄소 소재를 포함하는 제2 상부 전극을 포함하는 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.This specification includes a lower electrode; a light absorption layer provided on the lower electrode and including a perovskite structure compound; a first upper electrode provided on the light absorption layer and including a first carbon material and inorganic nanoparticles; and a second upper electrode provided on the first upper electrode and containing a second carbon material.
Description
본 명세서는 유-무기 복합 태양전지에 관한 것이다.This specification relates to organic-inorganic composite solar cells.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중에서 태양 빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양빛으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.In order to solve global environmental problems caused by the depletion of fossil energy and its use, research is being actively conducted on renewable and clean alternative energy sources such as solar energy, wind power, and hydropower. Among these, interest in solar cells, which change electrical energy directly from sunlight, is greatly increasing. Here, a solar cell refers to a battery that generates current-voltage by absorbing light energy from sunlight and using the photovoltaic effect to generate electrons and holes.
유-무기 복합 페로브스카이트 물질은 흡광계수가 높고, 용액 공정을 통해 쉽게 합성이 가능한 특성 때문에 최근에 유-무기 복합 태양전지 광흡수 물질로서 각광 받고 있다.Organic-inorganic composite perovskite materials have recently been in the spotlight as light-absorbing materials for organic-inorganic composite solar cells because they have a high extinction coefficient and can be easily synthesized through a solution process.
그러나, 기존의 페로브스카이트 물질을 적용한 유-무기 복합 태양전지의 경우, 높은 효율에도 불구하고, 상부 전극에 적용되는 금속 전극이 페로브스카이트 광흡수층 내 할로겐 원소들과 반응함으로써, 전기전도도 및 장기 구동 안정성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 금속 전극을 도입하기 위한 진공 증착 방식은 상용화를 위한 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 적용시 비용이 상승된다는 문제가 있다.However, in the case of organic-inorganic composite solar cells using existing perovskite materials, despite high efficiency, the metal electrode applied to the upper electrode reacts with halogen elements in the perovskite light absorption layer, reducing electrical conductivity. And there is a problem that long-term driving stability is deteriorated. Additionally, the vacuum deposition method for introducing metal electrodes has a problem in that costs increase when applied to a roll-to-roll process for commercialization.
따라서, 내구성 및 공정성 향상이 가능한 다른 상부 전극에 대한 연구가 필요하다.Therefore, research on other upper electrodes that can improve durability and processability is needed.
본 명세서는 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.This specification provides an organic-inorganic composite solar cell.
본 명세서의 일 실시상태는 하부 전극;One embodiment of the present specification includes a lower electrode;
상기 하부 전극 상에 구비되고 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층;a light absorption layer provided on the lower electrode and including a perovskite structure compound;
상기 광흡수층 상에 구비되고 제1 탄소 소재 및 무기 나노 입자를 포함하는 제1 상부 전극; 및a first upper electrode provided on the light absorption layer and including a first carbon material and inorganic nanoparticles; and
상기 제1 상부 전극 상에 구비되고 제2 탄소 소재를 포함하는 제2 상부 전극을 포함하는 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.An organic-inorganic composite solar cell is provided including a second upper electrode provided on the first upper electrode and containing a second carbon material.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 상부 전극으로 금속 전극을 사용한 종래의 유-무기 복합 태양전지와 유사한 에너지 변환 효율을 나타낼 수 있다.The organic-inorganic composite solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification may exhibit energy conversion efficiency similar to that of a conventional organic-inorganic composite solar cell using a metal electrode as an upper electrode.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지는 진공 공정 없이 상압 공정에서 태양전지를 제작할 수 있어 공정 단가가 절감된다.In addition, the organic-inorganic composite solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification can be manufactured in an atmospheric pressure process without a vacuum process, thereby reducing the process cost.
도 1 내지 4는 본 명세서의 실시상태에 따라 제조된 유-무기 복합 태양전지의 적층 구조를 예시한 도이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지 단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 도이다.
도 6은 실시예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 7은 비교예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.
도 8은 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.1 to 4 are diagrams illustrating a stacked structure of an organic-inorganic composite solar cell manufactured according to an embodiment of the present specification.
Figure 5 is a diagram showing a scanning electron microscope (SEM) image of the cross section of the organic-inorganic composite solar cell manufactured in Example 1.
Figure 6 is a diagram showing the current density according to voltage of the organic-inorganic composite solar cell manufactured in Example 1.
Figure 7 is a diagram showing the current density according to voltage of the organic-inorganic composite solar cell manufactured in Comparative Example 1.
Figure 8 is a diagram showing the current density according to voltage of the organic-inorganic composite solar cell manufactured in Comparative Example 2.
이하, 본 명세서를 상세히 설명한다.Hereinafter, this specification will be described in detail.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In this specification, when a part “includes” a certain component, this means that it does not exclude other components but may further include other components, unless specifically stated to the contrary.
본 명세서에 있어서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에”위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접하여 있는 경우뿐만 아니라, 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.In this specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only the case where a member is in contact with another member, but also the case where another member exists between the two members.
본 명세서에 있어서, “나노 입자”는 입자의 크기가 nm범위인 것을 의미한다. 예컨대, 상기 “나노 입자”는 입자의 크기가 1nm 내지 990nm일 수 있다.In this specification, “nanoparticle” means that the particle size is in the nm range. For example, the “nanoparticles” may have a particle size of 1 nm to 990 nm.
본 명세서의 일 실시상태는 하부 전극;One embodiment of the present specification includes a lower electrode;
상기 하부 전극 상에 구비되고 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층;a light absorption layer provided on the lower electrode and including a perovskite structure compound;
상기 광흡수층 상에 구비되고 제1 탄소 소재 및 무기 나노 입자를 포함하는 제1 상부 전극; 및a first upper electrode provided on the light absorption layer and including a first carbon material and inorganic nanoparticles; and
상기 제1 상부 전극 상에 구비되고 제2 탄소 소재를 포함하는 제2 상부 전극을 포함하는 유-무기 복합 태양전지를 제공한다.An organic-inorganic composite solar cell is provided including a second upper electrode provided on the first upper electrode and containing a second carbon material.
도 1에는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 적층 구조를 나타내었다. 구체적으로 하부 전극(10), 광흡수층(20), 제1 상부 전극(30) 및 제2 상부 전극(40)이 순차적으로 적층된 유-무기 복합 태양전지를 나타내었다.Figure 1 shows a stacked structure of an organic-inorganic composite solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification. Specifically, an organic-inorganic composite solar cell is shown in which a lower electrode 10, a light absorption layer 20, a first upper electrode 30, and a second upper electrode 40 are sequentially stacked.
종래의 유-무기 복합 태양전지는 상부 전극으로 금속을 단독으로 사용하거나, 탄소 소재를 단독으로 사용하였다. Conventional organic-inorganic composite solar cells used metal alone or carbon material alone as the upper electrode.
상부 전극이 금속만을 포함할 경우, 금속이 페로브스카이트 광흡수층 내 할로겐 원소들과 반응함으로써, 전기전도도 및 장기 구동 안정성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 금속을 도입하기 위한 진공 증착 방식은 상용화를 위한 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 적용시 비용이 상승된다는 문제가 있다.When the upper electrode contains only metal, the metal reacts with halogen elements in the perovskite light absorption layer, thereby reducing electrical conductivity and long-term driving stability. Additionally, the vacuum deposition method for introducing metal has a problem in that costs increase when applied to a roll-to-roll process for commercialization.
상부 전극이 탄소 소재만 포함할 경우, 하부층과의 계면 저항이 상승하고, 물리적 접착력이 하락하는 문제점이 있다. 또한, 탄소 소재의 크기로 인해 상부 전극과 하부층과의 계면에 공극이 형성되어 접촉 면적이 하락되는 문제점이 있다. 이에 따라, 상부 전극으로 탄소 소재만 포함할 경우 전지의 성능이 하향되는 문제점이 있다.When the upper electrode contains only carbon material, there is a problem in that the interfacial resistance with the lower layer increases and the physical adhesion decreases. In addition, there is a problem that due to the size of the carbon material, voids are formed at the interface between the upper electrode and the lower layer, thereby reducing the contact area. Accordingly, when only carbon materials are included as the upper electrode, there is a problem that the performance of the battery is lowered.
한편, 상부 전극이 무기 나노 입자만 포함할 경우 전자 전도도가 하향되는 문제점이 있다.On the other hand, if the upper electrode contains only inorganic nanoparticles, there is a problem that electronic conductivity is lowered.
반면에, 본 명세서의 일 실시상태는 제1 상부 전극에 탄소 소재와 무기 나노 입자를 혼합하여 사용함으로써, 제1 상부 전극과 하부층간의 접촉 저항을 최소화하여 유-무기 복합 태양전지의 효율을 최대화시키는 효과를 나타낸다. 또한, 제1 상부전극에 광흡수층의 에너지 레벨에 적합한 무기 나노 입자를 혼합하여 사용함으로써, 광흡수층과 제1 상부전극 계면에서의 전하분리를 유도할 수 있다. 또한, 상압 및 저온(150℃ 이하)에서도 전지 제작이 가능한 효과가 있다.On the other hand, one embodiment of the present specification maximizes the efficiency of the organic-inorganic composite solar cell by minimizing the contact resistance between the first upper electrode and the lower layer by using a mixture of carbon material and inorganic nanoparticles in the first upper electrode. Shows effect. Additionally, by using a mixture of inorganic nanoparticles suitable for the energy level of the light absorption layer in the first upper electrode, charge separation can be induced at the interface between the light absorption layer and the first upper electrode. In addition, it is possible to manufacture batteries even at normal pressure and low temperature (150°C or lower).
또한, 상기 제1 상부 전극 상에 제2 탄소 소재를 포함하는 제2 상부 전극이 구비됨으로써 광흡수층과 제1 상부전극 사이의 계면 저항이 최소화되고, 계면에서의 전하 분리가 원활하게 이루어지는 효과가 있다. In addition, by providing a second upper electrode containing a second carbon material on the first upper electrode, the interfacial resistance between the light absorption layer and the first upper electrode is minimized, and charge separation at the interface is smoothly achieved. .
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 하부층은 광흡수층 또는 중간층을 의미한다.In one embodiment of the present specification, the lower layer refers to a light absorption layer or an intermediate layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 탄소 소재와 상기 제2 탄소 소재는 서로 같거나 상이하다. In an exemplary embodiment of the present specification, the first carbon material and the second carbon material are the same or different from each other.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 탄소 소재 및 제2 탄소 소재는 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite), 그라핀(graphene), 산화 그라핀(grapheme oxide), 활성탄, 다공성 탄소(mesoporous carbon), 탄소섬유(carbon fiber), 전도성 카본 블랙(carbon black) 및 탄소 나노 와이어(carbon nano wire) 중 1종 이상을 포함한다.In one embodiment of the present specification, the first carbon material and the second carbon material are carbon nanotubes (CNT), graphite, graphene, graphene oxide, activated carbon, and porous carbon. It includes one or more of mesoporous carbon, carbon fiber, conductive carbon black, and carbon nano wire.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 탄소 소재는 카본 블랙(carbon black), 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite) 및 그라핀(graphene) 중 1종 이상을 포함하며, 상기 제2 탄소 소재는 전도성 카본 블랙(carbon black) 및 그라파이트(graphite) 중 1종 이상을 포함한다. In one embodiment of the present specification, the first carbon material includes one or more types of carbon black, carbon nanotubes (CNT), graphite, and graphene, and the second The carbon material includes one or more of conductive carbon black and graphite.
구체적으로, 상기 제1 탄소 소재는 카본 블랙(carbon black), 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite) 및 그라핀(graphene) 중 1종 또는 2종을 포함하며, 상기 제2 탄소 소재는 전도성 카본 블랙(carbon black) 및 그라파이트(graphite) 중 1종 또는 2종을 포함한다. Specifically, the first carbon material includes one or two types of carbon black, carbon nanotubes (CNT), graphite, and graphene, and the second carbon material is conductive. Contains one or two types of carbon black and graphite.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 탄소 소재는 전도성이 우수하다. In one embodiment of the present specification, the second carbon material has excellent conductivity.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 탄소 소재의 크기가 상기 제2 탄소 소재의 크기보다 작다.In one embodiment of the present specification, the size of the first carbon material is smaller than the size of the second carbon material.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 탄소 소재의 입자 크기는 5nm 내지 400nm이다. 제1 탄소 소재의 크기가 상기 범위를 만족함으로써, 제1 상부 전극과 광흡수층과의 계면에서의 접합성이 우수해지고, 계면 저항이 최소화 될 수 있다. 또한, 나노 입자와의 상용성이 좋아 탄소 소재와 무기 나노 입자를 혼합하여 사용하였을 때의 효과를 극대화 할 수 있다. 구체적으로, 제1 상부 전극이 전술한 크기의 제1 탄소 소재와 무기 나노 입자를 포함함으로서, 하부층간의 접촉 저항을 최소화 할 수 있는 효과를 나타낸다.In one embodiment of the present specification, the particle size of the first carbon material is 5 nm to 400 nm. When the size of the first carbon material satisfies the above range, adhesion at the interface between the first upper electrode and the light absorption layer can be improved and interfacial resistance can be minimized. In addition, because of its good compatibility with nanoparticles, the effect can be maximized when carbon materials and inorganic nanoparticles are mixed and used. Specifically, the first upper electrode includes the first carbon material and inorganic nanoparticles of the size described above, which has the effect of minimizing the contact resistance between the lower layers.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 탄소 소재의 입자 크기는 400nm 내지 15μm이다. 구체적으로, 상기 제2 탄소 소재의 입자 크기는 400nm 초과 15μm 이하이다. 제2 탄소 소재의 크기가 상기 범위를 만족함으로써, 전도도에 최적화된 두께로 제2 상부 전극을 형성할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the particle size of the second carbon material is 400 nm to 15 μm. Specifically, the particle size of the second carbon material is greater than 400 nm and less than or equal to 15 μm. When the size of the second carbon material satisfies the above range, the second upper electrode can be formed with a thickness optimized for conductivity.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무기 나노 입자는 금속 및 금속 산화물 중 1종 이상을 포함한다. In an exemplary embodiment of the present specification, the inorganic nanoparticles include one or more types of metal and metal oxide.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무기 나노 입자는 금속 또는 금속 산화물을 포함한다.In one embodiment of the present specification, the inorganic nanoparticles include metal or metal oxide.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 주석(Sn) 또는 이들의 합금을 포함한다. 구체적으로, 상기 금속은 은(Ag), 금(Au) 또는 구리(Cu)이다.In one embodiment of the present specification, the metal is silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), nickel (Ni), vanadium (V), molybdenum (Mo), titanium (Ti), and tin (Sn). ) or alloys thereof. Specifically, the metal is silver (Ag), gold (Au), or copper (Cu).
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속 산화물은 니켈 산화물, 구리 산화물, 바나듐 산화물, 몰리브덴 산화물, 티타늄 산화물 또는 주석 산화물을 포함한다.In one embodiment of the present specification, the metal oxide includes nickel oxide, copper oxide, vanadium oxide, molybdenum oxide, titanium oxide, or tin oxide.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 무기 나노 입자의 크기는 10nm 내지 100nm이다. In one embodiment of the present specification, the size of the inorganic nanoparticles is 10 nm to 100 nm.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 상부 전극의 두께는 20μm 이하이다. 구체적으로 상기 제1 상부 전극의 두께는 50nm 내지 20μm이다. 보다 구체적으로, 상기 제1 상부 전극의 두께는 50nm 내지 10μm이다. In one embodiment of the present specification, the thickness of the first upper electrode is 20 μm or less. Specifically, the thickness of the first upper electrode is 50 nm to 20 μm. More specifically, the thickness of the first upper electrode is 50 nm to 10 μm.
제1 상부 전극의 두께가 상기 범위를 만족할 경우 단락전류밀도(Jsc) 및 충전율(Fill factor)이 증가하여 전지의 광전변환효율이 증대되는 효과가 있다. When the thickness of the first upper electrode satisfies the above range, the short-circuit current density (Jsc) and fill factor increase, which has the effect of increasing the photoelectric conversion efficiency of the battery.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 상부 전극 내 상기 무기 나노 입자의 함량은 상기 제1 탄소 소재 100wt% 대비 5wt% 내지 20wt%이다. 무기 나노 입자가 상기 함량으로 포함됨으로써, 단락전류밀도, 개방전압 및 충전율이 증가하여 유-무기 복합 태양전지의 효율이 증대되는 효과가 있다.In one embodiment of the present specification, the content of the inorganic nanoparticles in the first upper electrode is 5 wt% to 20 wt% compared to 100 wt% of the first carbon material. By including the inorganic nanoparticles in the above content, the short-circuit current density, open-circuit voltage, and charging rate increase, which has the effect of increasing the efficiency of the organic-inorganic composite solar cell.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 상부 전극의 두께는 10μm 내지 70μm이다. 구체적으로, 상기 제2 상부 전극의 두께는 10μm 내지 50μm이다.In one embodiment of the present specification, the thickness of the second upper electrode is 10 μm to 70 μm. Specifically, the thickness of the second upper electrode is 10 μm to 50 μm.
제2 상부 전극의 두께가 상기 범위를 만족할 경우, 전도성이 향상되는 효과가 있다When the thickness of the second upper electrode satisfies the above range, conductivity is improved.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층은 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함한다.In one embodiment of the present specification, the light absorption layer includes a perovskite structure compound.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시된다.In an exemplary embodiment of the present specification, the compound of the perovskite structure is represented by any one of the following formulas 1 to 3.
[화학식 1][Formula 1]
R1M1X13 R1M1X1 3
[화학식 2][Formula 2]
R2aR3(1-a)M2X2zX3(3-z) R2 a R3 (1-a) M2X2 z X3 (3-z)
[화학식 3][Formula 3]
R4bR5cR6dM3X4z'X5(3-z') R4 b R5 c R6 d M3X4 z' X5 (3-z')
상기 화학식 1 내지 3에 있어서,In Formulas 1 to 3,
R2 및 R3는 서로 상이하고, R2 and R3 are different from each other,
R4, R5 및 R6는 서로 상이하며,R4, R5 and R6 are different from each other,
R1 내지 R6는 각각 독립적으로 CnH2n + 1NH3 +, NH4 +, HC(NH2)2 +, Cs+, Rb+, NF4 +, NCl4 +, PF4 +, PCl4 +, CH3PH3 +, CH3AsH3 +, CH3SbH3 +, PH4 +, AsH4 + 및 SbH4 +에서 선택되는 1가의 양이온이며,R1 to R6 are each independently C n H 2n + 1 NH 3 + , NH 4 + , HC(NH 2 ) 2 + , Cs + , Rb + , NF 4 + , NCl 4 + , PF 4 + , PCl 4 + , CH 3 PH 3 + , CH 3 AsH 3 + , CH 3 SbH 3 + , PH 4 + , AsH 4 + and SbH 4 + , and is a monovalent cation selected from
M1 내지 M3는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2+, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Bi2 +, Pb2 + 및 Yb2 + 에서 선택되는 2가의 금속 이온이고,M1 to M3 are the same as or different from each other , and each independently Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Ge 2+ , Sn It is a divalent metal ion selected from 2+ , Bi 2+ , Pb 2+ and Yb 2+ ,
X1 내지 X5는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 이온이며,X1 to X5 are the same or different from each other and are each independently a halogen ion,
n은 1 내지 9의 정수이고,n is an integer from 1 to 9,
a는 0 < a < 1의 실수이며,a is a real number 0 < a < 1,
b는 0 < b < 1의 실수이고,b is a real number 0 < b < 1,
c는 0 < c < 1의 실수이며,c is a real number 0 < c < 1,
d는 0 < d < 1의 실수이고,d is a real number 0 < d < 1,
b + c + d는 1이고,b + c + d is 1,
z는 0 < z < 3의 실수이며,z is a real number 0 < z < 3,
z'은 0 < z' < 3의 실수이다.z' is a real number 0 < z' < 3.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층의 페로브스카이트 구조의 화합물은 단일 양이온을 포함할 수 있다. 본 명세서에 있어서 단일 양이온이란, 한 종류의 1가 양이온을 사용한 것을 의미한다. 즉, 화학식 1에 있어서 R1으로 한 종류의 1가 양이온만 선택된 것을 의미한다. 예컨대, 상기 화학식 1의 R1은 CnH2n + 1NH3 + 이고, n은 1 내지 9의 정수일 수 있다. In one embodiment of the present specification, the perovskite structure compound of the light absorption layer may include a single cation. In this specification, a single cation means using one type of monovalent cation. That is, this means that only one type of monovalent cation is selected as R1 in Chemical Formula 1. For example, R1 in Formula 1 is C n H 2n + 1 NH 3 + , and n may be an integer from 1 to 9.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층의 페로브스카이트 구조의 화합물은 복합 양이온을 포함할 수 있다. 본 명세서에 있어서 복합 양이온이란, 두 종류 이상의 1가 양이온을 사용한 것을 의미한다. 즉, 화학식 2에서 R2 및 R3가 각각 서로 상이한 1가 양이온이 선택되고, 화학식 3에서 R4 내지 R6가 각각 서로 상이한 1가의 양이온이 선택된 것을 의미한다. 예컨대, 상기 화학식 2의 R2는 CnH2n+1NH3 +, R3는 HC(NH2)2 +일 수 있다. 또한, 상기 화학식 3의 R4는 CnH2n + 1NH3 +, R5는 HC(NH2)2 +, R6는 Cs+일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the compound of the perovskite structure of the light absorption layer may include a complex cation. In this specification, complex cation means using two or more types of monovalent cations. That is, in Formula 2, monovalent cations in which R2 and R3 are different from each other are selected, and in Formula 3, monovalent cations in which R4 to R6 are different from each other are selected. For example, in Formula 2, R2 may be C n H 2n+1 NH 3+ and R3 may be HC(NH 2 ) 2+ . Additionally, in Formula 3, R4 may be C n H 2n + 1 NH 3 + , R5 may be HC(NH 2 ) 2 + , and R6 may be Cs + .
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 화학식 1으로 표시된다.In one embodiment of the present specification, the compound of the perovskite structure is represented by Formula 1.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 화학식 2로 표시된다. In one embodiment of the present specification, the compound of the perovskite structure is represented by Formula 2.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 화학식 3으로 표시된다.In one embodiment of the present specification, the compound of the perovskite structure is represented by Formula 3.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1 내지 R6는 각각 CnH2n + 1NH3 +, HC(NH2)2 + 또는 Cs+이다. 이때, R2와 R3는 서로 상이하고, R4 내지 R6는 서로 상이하다.In an exemplary embodiment of the present specification, R1 to R6 are each C n H 2n + 1 NH 3 + , HC(NH 2 ) 2 + or Cs + . At this time, R2 and R3 are different from each other, and R4 to R6 are different from each other.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R1은 CH3NH3 +, HC(NH2)2 + 또는 Cs+이다.In an exemplary embodiment of the present specification, R1 is CH 3 NH 3 + , HC(NH 2 ) 2 + or Cs + .
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R2 및 R4는 각각 CH3NH3 +이다.In an exemplary embodiment of the present specification, R2 and R4 are each CH 3 NH 3 + .
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R3 및 R5는 각각 HC(NH2)2 +이다.In an exemplary embodiment of the present specification, R3 and R5 are each HC(NH 2 ) 2+ .
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R6는 Cs+이다.In one embodiment of the present specification, R6 is Cs + .
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 M1 내지 M3는 각각 Pb2 +이다.In an exemplary embodiment of the present specification, M1 to M3 are each Pb 2+ .
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X2 및 X3는 서로 상이하다.In one embodiment of the present specification, X2 and X3 are different from each other.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X4 및 X5는 서로 상이하다.In one embodiment of the present specification, X4 and X5 are different from each other.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 X1 내지 X5는 각각 I-, F-, 또는 Br-이다.In an exemplary embodiment of the present specification, X1 to X5 are each I - , F - , or Br - .
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R2 및 R3의 합이 1이 되기 위하여, a는 0<a<1의 실수이다. 또한, 상기 X2 및 X3의 합이 3이 되기 위하여, z는 0<z<3의 실수이다.In an exemplary embodiment of the present specification, so that the sum of R2 and R3 is 1, a is a real number of 0<a<1. Additionally, in order for the sum of X2 and X3 to be 3, z is a real number of 0<z<3.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 R4, R5 및 R6의 합이 1이 되기 위하여, b는 0<b<1의 실수이고, c는 0<c<1의 실수이며, d는 0<d<1의 실수이고, b+c+d는 1이다. 또한, 상기 X4 및 X5의 합이 3이 되기 위하여, z'는 0<z'<3의 실수이다.In one embodiment of the present specification, in order for the sum of R4, R5 and R6 to be 1, b is a real number of 0<b<1, c is a real number of 0<c<1, and d is a real number of 0<d <1 is a real number, and b+c+d is 1. Additionally, in order for the sum of X4 and X5 to be 3, z' is a real number of 0<z'<3.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 CH3NH3PbI3, HC(NH2)2PbI3 , CH3NH3PbBr3, HC(NH2)2PbBr3, (CH3NH3)a(HC(NH2)2)(1-a)PbIzBr(3-z) 또는 (HC(NH2)2)b(CH3NH3)cCsdPbIz'Br(3-z')이고, a는 0<a<1의 실수, b는 0<b<1의 실수, c는 0<c<1의 실수, d는 0<d<1의 실수, b+c+d는 1, z는 0<z<3의 실수, z'은 0<z'<3의 실수이다.In an exemplary embodiment of the present specification, the perovskite structure compound is CH 3 NH 3 PbI 3 , HC(NH 2 ) 2 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbBr 3 , HC(NH 2 ) 2 PbBr 3 , (CH 3 NH 3 ) a (HC(NH 2 ) 2 ) (1-a) PbI z Br (3-z) or (HC(NH 2 ) 2 ) b (CH 3 NH 3 ) c Cs d PbI z' Br (3-z') , a is a real number of 0<a<1, b is a real number of 0<b<1, c is a real number 0<c<1, d is a real number 0<d<1, b+c+d is 1, z is a real number 0<z<3, z' is a real number 0<z'<3 .
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층의 두께는 200nm 내지 1500nm이다. In one embodiment of the present specification, the thickness of the light absorption layer is 200 nm to 1500 nm.
광흡수층의 두께가 상기 범위를 만족할 경우 전지의 광전변환효율이 증대되는 효과가 있다. When the thickness of the light absorption layer satisfies the above range, the photoelectric conversion efficiency of the battery is increased.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층은 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드, 바 코팅, 브러쉬 페인팅, 열증착 등의 방법을 통해 도입될 수 있다. In one embodiment of the present specification, the light absorption layer may be introduced through methods such as spin coating, dip coating, inkjet printing, gravure printing, spray coating, doctor blade, bar coating, brush painting, and thermal evaporation.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 하부 전극과 광흡수층 사이에 제1 중간층을 더 포함한다.In one embodiment of the present specification, a first intermediate layer is further included between the lower electrode and the light absorption layer.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 적층 구조를 나타내었다. 구체적으로 하부 전극(10), 제1 중간층(50), 광흡수층(20), 제1 상부 전극(30) 및 제2 전극(40)이 순차적으로 적층된 유-무기 복합 태양전지를 나타내었다.Figure 2 shows a stacked structure of an organic-inorganic composite solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification. Specifically, an organic-inorganic composite solar cell is shown in which a lower electrode 10, a first intermediate layer 50, a light absorption layer 20, a first upper electrode 30, and a second electrode 40 are sequentially stacked.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 중간층은 전자 수송층 또는 정공 수송층이다. 보다 구체적으로, 상기 제1 중간층은 전자 수송층이다.In one embodiment of the present specification, the first intermediate layer is an electron transport layer or a hole transport layer. More specifically, the first intermediate layer is an electron transport layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 중간층의 두께는 5nm 내지 200nm이다. In one embodiment of the present specification, the thickness of the first intermediate layer is 5 nm to 200 nm.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 광흡수층과 제1 상부 전극 사이에 제2 중간층을 더 포함한다.In one embodiment of the present specification, a second intermediate layer is further included between the light absorption layer and the first upper electrode.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 중간층은 정공 수송층 또는 전자 수송층이다. 보다 구체적으로, 상기 제2 중간층은 정공 수송층이다.In one embodiment of the present specification, the second intermediate layer is a hole transport layer or an electron transport layer. More specifically, the second intermediate layer is a hole transport layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제2 중간층의 두께는 1μm 내지 100μm이다. 구체적으로, 상기 제2 중간층의 두께는 10μm 내지 50μm이다.In one embodiment of the present specification, the thickness of the second intermediate layer is 1 μm to 100 μm. Specifically, the thickness of the second intermediate layer is 10 μm to 50 μm.
제1 중간층 및 제2 중간층의 두께가 상기 범위를 만족할 경우 단락전류밀도(Jsc) 및 충전율(Fill factor)이 증가하여 전지의 광전변환효율이 증대되는 효과가 있다. When the thickness of the first intermediate layer and the second intermediate layer satisfies the above range, the short-circuit current density (Jsc) and fill factor increase, which has the effect of increasing the photoelectric conversion efficiency of the battery.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 적층 구조를 나타내었다. 구체적으로 하부 전극(10), 광흡수층(20), 제2 중간층(60), 제1 상부 전극(30) 및 제2 전극(40)이 순차적으로 적층된 유-무기 복합 태양전지를 나타내었다.Figure 3 shows a stacked structure of an organic-inorganic composite solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification. Specifically, an organic-inorganic composite solar cell is shown in which a lower electrode 10, a light absorption layer 20, a second intermediate layer 60, a first upper electrode 30, and a second electrode 40 are sequentially stacked.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 제1 중간층 및 제2 중간층을 동시에 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the organic-inorganic composite solar cell may simultaneously include a first intermediate layer and a second intermediate layer.
도 4는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 유-무기 복합 태양전지의 적층 구조를 나타태었다. 구체적으로 하부 전극(10), 제1 중간층(50) 광흡수층(20), 제2 중간층(60), 제1 상부 전극(30) 및 제2 전극(40)이 순차적으로 적층된 유-무기 복합 태양전지를 나타내었다.Figure 4 shows a stacked structure of an organic-inorganic composite solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification. Specifically, an organic-inorganic composite in which the lower electrode 10, the first intermediate layer 50, the light absorption layer 20, the second intermediate layer 60, the first upper electrode 30, and the second electrode 40 are sequentially stacked. A solar cell is shown.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 중간층 및 제2 중간층은 스퍼터링, E-Beam, 열증착, ALD(Atomic layer deposition), 스핀 코팅, 슬릿코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 닥터 블레이드 또는 그라비아 프린팅법을 사용하여 하부 전극 또는 광흡수층의 일면에 도포되거나 필름 형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the first intermediate layer and the second intermediate layer are formed by sputtering, E-Beam, thermal evaporation, ALD (Atomic layer deposition), spin coating, slit coating, screen printing, inkjet printing, spray coating, and doctor coating. It can be formed by being applied to one side of the lower electrode or light absorption layer using a blade or gravure printing method, or by coating it in the form of a film.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 n-i-p 구조이다.In one embodiment of the present specification, the organic-inorganic composite solar cell has an n-i-p structure.
본 명세서에 있어서, n-i-p 구조는 하부 전극, 전자수송층, 광흡수층, 제1 상부전극 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조; 또는 하부 전극, 전자수송층, 광흡수층, 정공수송층, 제1 상부전극 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조를 의미한다. In this specification, the n-i-p structure is a structure in which a lower electrode, an electron transport layer, a light absorption layer, a first upper electrode, and a second electrode are sequentially stacked; Alternatively, it refers to a structure in which a lower electrode, an electron transport layer, a light absorption layer, a hole transport layer, a first upper electrode, and a second electrode are sequentially stacked.
본 명세서에 있어서, 상기 전자수송층은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예컨대, Ti 산화물, Zn 산화물, In 산화물, Sn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, Mo 산화물, Mg 산화물, Zr 산화물, Sr 산화물, Yr 산화물, La 산화물, V 산화물, Al 산화물, Y 산화물, Sc 산화물, Sm 산화물, Ga 산화물, SrTi 산화물 및 이들의 복합물 중에서 1 또는 2 이상 선택된 것이 사용 가능하나, 이에만 한정되는 것은 아니다. In the present specification, the electron transport layer may include metal oxide. For example, Ti oxide, Zn oxide, In oxide, Sn oxide, W oxide, Nb oxide, Mo oxide, Mg oxide, Zr oxide, Sr oxide, Yr oxide, La oxide, V oxide, Al oxide, Y oxide, Sc oxide, One or two or more selected from Sm oxide, Ga oxide, SrTi oxide and their composites may be used, but are not limited thereto.
본 명세서에 있어서, 상기 정공수송층은 터셔리부틸피리딘(tertiary butyl pyridine, TBP), 리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(Lithium Bis(Trifluoro methanesulfonyl)Imide, Li-TFSI) 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트) [PEDOT:PSS] 등을 사용할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. In the present specification, the hole transport layer is tertiary butyl pyridine (TBP), lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (Li-TFSI) poly(3, 4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate) [PEDOT:PSS] can be used, but is not limited to this.
본 명세서에 있어서, 상기 하부 전극은 애노드이고, 상부 전극은 캐소드일 수 있다. 또한, 상기 하부 전극은 캐소드이고, 상부 전극은 애노드일 수 있다. 이때, 상기 상부 전극은 제1 상부 전극 및 제2 상부 전극을 의미한다.In this specification, the lower electrode may be an anode and the upper electrode may be a cathode. Additionally, the lower electrode may be a cathode and the upper electrode may be an anode. At this time, the upper electrode refers to the first upper electrode and the second upper electrode.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 하부 전극은 투명 전극이고, 상기 태양전지는 상기 하부 전극을 경유하여 빛을 흡수하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the lower electrode may be a transparent electrode, and the solar cell may absorb light via the lower electrode.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 하부 전극이 투명전극인 경우, 상기 하부 전극은 유리 및 석영판 이외에 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylene naphthelate, PEN), 폴리프로필렌(polyperopylene, PP), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리카보네이트(polycarbornate, PC), 폴리스티렌(polystylene, PS), 폴리옥시에틸렌(polyoxyethlene, POM), AS 수지 (acrylonitrile styrene copolymer), ABS 수지 (acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 트리아세틸셀룰로오스(Triacetyl cellulose, TAC) 및 폴리아릴레이트(polyarylate, PAR) 등을 포함하는 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질 위에 전도성을 갖는 물질이 도핑된 것이 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 하부 전극은 산화주석인듐(indium tin oxide, ITO), 불소함유 산화주석 (fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드 (aluminium doped zink oxide, AZO), IZO (indium zinc oxide), ZnO-Ga2O3, ZnOAl2O3 및 ATO (antimony tin oxide) 등이 될 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 하부 전극은 ITO일 수 있다.In one embodiment of the present specification, when the lower electrode is a transparent electrode, the lower electrode is made of polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthelate (PEN), and polypropylene ( polyperopylene (PP), polyimide (PI), polycarbornate (PC), polystyrene (PS), polyoxyethylene (POM), AS resin (acrylonitrile styrene copolymer), ABS resin (acrylonitrile butadiene) A conductive material doped on a flexible and transparent material such as plastic including styrene copolymer (TAC), triacetyl cellulose (TAC), and polyarylate (PAR) may be used. Specifically, the lower electrode is made of indium tin oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (FTO), aluminum doped zinc oxide (AZO), and indium zinc (IZO). oxide), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnOAl 2 O 3 , and antimony tin oxide (ATO). More specifically, the lower electrode may be ITO.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 하부 전극은 반투명 전극일 수도 있다. 상기 하부 전극이 반투명 전극인 경우, 은(Ag), 금(Au), 마그네슘(Mg) 또는 이들의 합금 같은 금속으로 제조될 수 있다. In one embodiment of the present specification, the lower electrode may be a translucent electrode. When the lower electrode is a translucent electrode, it may be made of a metal such as silver (Ag), gold (Au), magnesium (Mg), or an alloy thereof.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유-무기 복합 태양전지는 하부 전극의 하부에 기판을 추가로 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the organic-inorganic composite solar cell may further include a substrate below the lower electrode.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기판은 투명성, 표면평활성, 취급 용이성 및 방수성이 우수한 기판을 사용할 수 있다. 구체적으로, 유리 기판, 박막유리 기판 또는 플라스틱 기판을 사용할 수 있다. 상기 플라스틱 기판은 폴리에틸렌테라프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyehtylene naphthalate, PEN), 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone) 및 폴리이미드(polyimide) 등의 유연한 필름이 단층 또는 복층의 형태로 포함될 수 있다. 다만, 상기 기판은 이에 한정되지 않으며, 유-무기 복합 태양전지에 통상적으로 사용되는 기판을 사용할 수 있다. In one embodiment of the present specification, a substrate having excellent transparency, surface smoothness, ease of handling, and waterproofing may be used. Specifically, a glass substrate, thin glass substrate, or plastic substrate can be used. The plastic substrate is made of flexible films such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyether ether ketone, and polyimide in the form of a single layer or multiple layers. may be included. However, the substrate is not limited to this, and any substrate commonly used in organic-inorganic composite solar cells can be used.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, in order to explain the present specification in detail, examples will be given in detail. However, the embodiments according to the present specification may be modified into various other forms, and the scope of the present specification is not to be construed as being limited to the embodiments described in detail below. The embodiments of this specification are provided to more completely explain the present specification to those with average knowledge in the art.
실시예 1. Example 1.
ITO 기판을 아세톤, IPA에 세척 후 오븐에서 건조시킨 후 ultraviolet-ozone 처리를 20분 동안 하였다. 이후, SnO2 나노입자를 분산시킨 용액을 2000rpm으로 스핀 코팅하고 120℃에서 30분 간 열처리하였다. 그 후 페로브스카이트 전구체 용액으로 스핀 코팅하여 박막을 형성하였다. 이때, 페로브스카이트 전구체 용액은 CH3NH3(MA), HC(NH2)2(FA), Cs 세 가지의 유기물과 PbI2, PbBr2로 이루어진 용액을 사용하였다. 그 후 탄소나노튜브로 이루어진 페이스트(GS Alliance사)에 NiO 나노입자를 혼합한 페이스트를 블레이드 코팅한 후, 100℃에서 30분간 열처리하여 제1 상부 전극을 형성하였다. 마지막으로, 카본 블랙 및 그라파이트로 이루어진 페이스트(XG Scinence사)를 블레이드 코팅한 후 100℃에서 30분간 열처리하여 제2 상부 전극을 형성함으로써 유-무기 복합 태양전지를 제조하였다.The ITO substrate was washed with acetone and IPA, dried in an oven, and then treated with ultraviolet-ozone for 20 minutes. Afterwards, the solution in which SnO 2 nanoparticles were dispersed was spin-coated at 2000 rpm and heat treated at 120°C for 30 minutes. Afterwards, a thin film was formed by spin coating with a perovskite precursor solution. At this time, a perovskite precursor solution consisting of three organic substances, CH 3 NH 3 (MA), HC(NH 2 ) 2 (FA), and Cs, and PbI 2 and PbBr 2 was used. Afterwards, the blade was coated with a paste made of carbon nanotubes (GS Alliance) mixed with NiO nanoparticles, and then heat treated at 100°C for 30 minutes to form the first upper electrode. Finally, an organic-inorganic composite solar cell was manufactured by coating the blade with a paste made of carbon black and graphite (XG Scincence) and then heat-treating it at 100°C for 30 minutes to form a second upper electrode.
도 5에는 실시예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지 단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타내었다.Figure 5 shows a scanning electron microscope (SEM) image of the cross section of the organic-inorganic composite solar cell manufactured in Example 1.
도 5를 통해 유-무기 복합 태양전지의 제1 탄소소재(제1 상부전극)과 광흡수층과의 계면접합이 우수한 것을 확인할 수 있다.Through Figure 5, it can be seen that the interfacial bonding between the first carbon material (first upper electrode) and the light absorption layer of the organic-inorganic composite solar cell is excellent.
도 6은 실시예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.Figure 6 is a diagram showing the current density according to voltage of the organic-inorganic composite solar cell manufactured in Example 1.
비교예 1. Comparative Example 1.
ITO 기판을 아세톤, IPA에 세척 후 오븐에서 건조시킨 후 ultraviolet-ozone 처리를 20분 동안 하였다. 이후, SnO2 나노입자를 분산시킨 용액을 2000rpm으로 스핀 코팅하고 120℃에서 30분 간 열처리하였다. 그 후 페로브스카이트 전구체 용액으로 스핀 코팅하여 박막을 형성하였다. 이때, 페로브스카이트 전구체 용액은 MA, FA, Cs 세 가지의 유기물과 PbI2, PbBr2로 이루어진 용액을 사용하였다. 그 후, 카본 블랙 및 그라파이트로 이루어진 페이스트(XG Scinence사)를 블레이드 코팅한 후 100℃에서 30분간 열처리하여 상부 전극을 형성함으로써 유-무기 복합 태양전지를 제조하였다.The ITO substrate was washed with acetone and IPA, dried in an oven, and then treated with ultraviolet-ozone for 20 minutes. Afterwards, the solution in which SnO 2 nanoparticles were dispersed was spin-coated at 2000 rpm and heat treated at 120°C for 30 minutes. Afterwards, a thin film was formed by spin coating with a perovskite precursor solution. At this time, a perovskite precursor solution consisting of three organic substances, MA, FA, and Cs, and PbI 2 and PbBr 2 was used. After that, An organic-inorganic composite solar cell was manufactured by coating the blade with a paste made of carbon black and graphite (XG Scince) and then heat-treating it at 100°C for 30 minutes to form an upper electrode.
도 7은 비교예 1에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.Figure 7 is a diagram showing the current density according to voltage of the organic-inorganic composite solar cell manufactured in Comparative Example 1.
비교예 2. Comparative Example 2.
ITO 기판을 아세톤, IPA에 세척 후 오븐에서 건조시킨 후 ultraviolet-ozone 처리를 20분 동안 하였다. 이후, SnO2 나노입자를 분산시킨 용액을 2000rpm으로 스핀 코팅하고 120℃에서 30분 간 열처리하였다. 그 후 페로브스카이트 전구체 용액으로 스핀 코팅하여 박막을 형성하였다. 이때, 페로브스카이트 전구체 용액은 MA, FA, Cs 세 가지의 유기물과 PbI2, PbBr2로 이루어진 용액을 사용하였다. 그 후 탄소나노튜브로 이루어진 페이스트(GS Alliance사)를 블레이드 코팅한 후, 100℃에서 30분간 열처리하여 제1 상부 전극을 형성하였다. 마지막으로, 카본 블랙 및 그라파이트로 이루어진 페이스트(XG Scinence사)를 블레이드 코팅한 후 100℃에서 30분간 열처리하여 제2 상부 전극을 형성함으로써 유-무기 복합 태양전지를 제조하였다.The ITO substrate was washed with acetone and IPA, dried in an oven, and then treated with ultraviolet-ozone for 20 minutes. Afterwards, the solution in which SnO 2 nanoparticles were dispersed was spin-coated at 2000 rpm and heat treated at 120°C for 30 minutes. Afterwards, a thin film was formed by spin coating with a perovskite precursor solution. At this time, a perovskite precursor solution consisting of three organic substances, MA, FA, and Cs, and PbI 2 and PbBr 2 was used. Afterwards, the blade was coated with a paste made of carbon nanotubes (GS Alliance) and then heat-treated at 100°C for 30 minutes to form the first upper electrode. Finally, an organic-inorganic composite solar cell was manufactured by coating the blade with a paste made of carbon black and graphite (XG Scincence) and then heat-treating it at 100°C for 30 minutes to form a second upper electrode.
도 8은 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지의 전압에 따른 전류 밀도를 나타낸 도이다.Figure 8 is a diagram showing the current density according to voltage of the organic-inorganic composite solar cell manufactured in Comparative Example 2.
실험예 1. 광전변환효율 측정Experimental Example 1. Measurement of photoelectric conversion efficiency
상기 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 유-무기 복합 태양전지를 ABET Sun 3000 solar simulator를 광원으로, Keithley 2420 소스미터로 이용하여 광전변환효율을 측정한 결과를 하기 표 1에 기재하였다. 1회 측정시 100mW/cm2 하에서 1.2V에서 0V까지 0.1초당 12mV씩 낮춰가며 전압을 인가한 후 전류를 측정하였다. The results of measuring the photoelectric conversion efficiency of the organic-inorganic composite solar cells prepared in Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 using an ABET Sun 3000 solar simulator as a light source and a Keithley 2420 source meter are shown in Table 1 below. It was described. For one measurement, the voltage was applied under 100 mW/cm 2 from 1.2 V to 0 V at a rate of 12 mV per 0.1 second, and then the current was measured.
(%)PCE
(%)
(mA/cm2)J sc
(mA/ cm2 )
(V)V oc
(V)
(%)FF
(%)
표 1에서 Voc는 개방전압을, Jsc는 단락전류밀도를, FF는 충전율(Fill factor)를, PCE는 에너지 변환 효율을 의미한다. 개방전압과 단락전류밀도는 각각 전압-전류 밀도 곡선의 4사분면에서 X축과 Y축 절편이며, 이 두 값이 높을수록 태양전지의 효율은 바람직하게 높아진다. 또한 충전율(Fill factor)은 곡선 내부에 그릴 수 있는 직사각형의 최대 넓이를 단락전류밀도와 개방전압의 곱으로 나눈 값이다. 이 세 가지 값을 조사된 빛의 세기로 나누면 에너지 변환 효율을 구할 수 있으며, 높은 값일수록 바람직하다.In Table 1, V oc means open-circuit voltage, J sc means short-circuit current density, FF means fill factor, and PCE means energy conversion efficiency. The open-circuit voltage and short-circuit current density are the X-axis and Y-axis intercepts in the fourth quadrant of the voltage-current density curve, respectively, and the higher these two values, the higher the efficiency of the solar cell. Additionally, the fill factor is the maximum area of a rectangle that can be drawn inside the curve divided by the product of the short-circuit current density and the open-circuit voltage. Energy conversion efficiency can be obtained by dividing these three values by the intensity of the irradiated light, and higher values are more desirable.
상기 표 1로부터, 탄소 소재와 무기 나노 입자를 포함하는 제1 상부전극 및 탄소 소재를 포함하는 제2 상부전극이 형성된 실시예 1이 상부 전극이 단층으로 형성된 경우(비교예 1) 및 상부 전극이 2층으로 형성됐지만 탄소 물질만 포함하는 경우(비교예 2)에 비하여 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.From Table 1, Example 1 in which the first upper electrode containing a carbon material and inorganic nanoparticles and the second upper electrode containing a carbon material were formed, the upper electrode was formed as a single layer (Comparative Example 1), and the upper electrode was formed as a single layer. Although it was formed in two layers, it can be seen that the performance is superior to that of the case containing only carbon material (Comparative Example 2).
10: 하부 전극
20: 광흡수층
30: 제1 상부 전극
40: 제2 상부 전극
50: 제1 중간층
60: 제2 중간층10: lower electrode
20: Light absorption layer
30: first upper electrode
40: second upper electrode
50: first intermediate layer
60: second intermediate layer
Claims (9)
상기 하부 전극 상에 구비되고 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 구비되고 제1 탄소 소재 및 무기 나노 입자를 포함하는 제1 상부 전극; 및
상기 제1 상부 전극 상에 구비되고 제2 탄소 소재를 포함하는 제2 상부 전극을 포함하고,
상기 제1 탄소 소재 및 제2 탄소 소재는 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite), 그라핀(graphene), 산화 그라핀(graphene oxide), 활성탄, 다공성 탄소(mesoporous carbon), 탄소섬유(carbon fiber), 전도성 카본 블랙(carbon black) 및 탄소 나노 와이어(carbon nano wire) 중 1종 이상을 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지. lower electrode;
a light absorption layer provided on the lower electrode and including a perovskite structure compound;
a first upper electrode provided on the light absorption layer and including a first carbon material and inorganic nanoparticles; and
A second upper electrode is provided on the first upper electrode and includes a second carbon material,
The first carbon material and the second carbon material include carbon nanotubes (CNT), graphite, graphene, graphene oxide, activated carbon, mesoporous carbon, and carbon fiber. An organic-inorganic composite solar cell containing one or more types of fiber, conductive carbon black, and carbon nano wire.
상기 제1 탄소 소재는 카본 블랙(carbon black), 탄소나노튜브(CNT), 그라파이트(graphite) 및 그라핀(graphene) 중 1종 이상을 포함하며,
상기 제2 탄소 소재는 전도성 카본 블랙(carbon black) 및 그라파이트(graphite) 중 1종 이상을 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지.In claim 1,
The first carbon material includes one or more of carbon black, carbon nanotubes (CNT), graphite, and graphene,
An organic-inorganic composite solar cell wherein the second carbon material includes one or more types of conductive carbon black and graphite.
상기 무기 나노 입자는 금속 및 금속 산화물 중 1종 이상을 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지.In claim 1,
An organic-inorganic composite solar cell wherein the inorganic nanoparticles include one or more types of metal and metal oxide.
상기 무기 나노 입자의 함량은 상기 제1 탄소 소재 100wt% 대비 5wt% 내지 20wt%인 것인 유-무기 복합 태양전지. In claim 1,
An organic-inorganic composite solar cell in which the content of the inorganic nanoparticles is 5 wt% to 20 wt% based on 100 wt% of the first carbon material.
상기 무기 나노 입자의 크기는 10nm 내지 100nm인 것인 유-무기 복합 태양전지. In claim 1,
An organic-inorganic composite solar cell wherein the size of the inorganic nanoparticles is 10 nm to 100 nm.
상기 하부 전극과 광흡수층 사이에 제1 중간층을 더 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지.In claim 1,
An organic-inorganic composite solar cell further comprising a first intermediate layer between the lower electrode and the light absorption layer.
상기 광흡수층과 제1 상부 전극 사이에 제2 중간층을 더 포함하는 것인 유-무기 복합 태양전지.In claim 1,
An organic-inorganic composite solar cell further comprising a second intermediate layer between the light absorption layer and the first upper electrode.
상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 것인 유-무기 복합 태양전지:
[화학식 1]
R1M1X13
[화학식 2]
R2aR3(1-a)M2X2zX3(3-z)
[화학식 3]
R4bR5cR6dM3X4z'X5(3-z')
상기 화학식 1 내지 3에 있어서,
R2 및 R3는 서로 상이하고,
R4, R5 및 R6는 서로 상이하며,
R1 내지 R6는 각각 독립적으로 CnH2n + 1NH3 +, NH4 +, HC(NH2)2 +, Cs+, Rb+, NF4 +, NCl4 +, PF4 +, PCl4 +, CH3PH3 +, CH3AsH3 +, CH3SbH3 +, PH4 +, AsH4 + 및 SbH4 +에서 선택되는 1가의 양이온이며,
M1 내지 M3는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 Cu2 +, Ni2 +, Co2 +, Fe2 +, Mn2+, Cr2 +, Pd2 +, Cd2 +, Ge2 +, Sn2 +, Bi2 +, Pb2 + 및 Yb2 + 에서 선택되는 2가의 금속 이온이고,
X1 내지 X5는 서로 같거나 상이하고, 각각 독립적으로 할로겐 이온이며,
n은 1 내지 9의 정수이고,
a는 0 < a < 1의 실수이며,
b는 0 < b < 1의 실수이고,
c는 0 < c < 1의 실수이며,
d는 0 < d < 1의 실수이고,
b + c + d는 1이고,
z는 0 < z < 3의 실수이며,
z'은 0 < z' < 3의 실수이다.In claim 1,
An organic-inorganic composite solar cell wherein the perovskite structure compound is represented by any one of the following formulas 1 to 3:
[Formula 1]
R1M1X1 3
[Formula 2]
R2 a R3 (1-a) M2X2 z X3 (3-z)
[Formula 3]
R4 b R5 c R6 d M3X4 z' X5 (3-z')
In Formulas 1 to 3,
R2 and R3 are different from each other,
R4, R5 and R6 are different from each other,
R1 to R6 are each independently C n H 2n + 1 NH 3 + , NH 4 + , HC(NH 2 ) 2 + , Cs + , Rb + , NF 4 + , NCl 4 + , PF 4 + , PCl 4 + , CH 3 PH 3 + , CH 3 AsH 3 + , CH 3 SbH 3 + , PH 4 + , AsH 4 + and SbH 4 + , and is a monovalent cation selected from
M1 to M3 are the same as or different from each other, and each independently Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Ge 2+ , Sn It is a divalent metal ion selected from 2+ , Bi 2+ , Pb 2+ and Yb 2+ ,
X1 to X5 are the same or different from each other and are each independently a halogen ion,
n is an integer from 1 to 9,
a is a real number 0 < a < 1,
b is a real number 0 < b < 1,
c is a real number 0 < c < 1,
d is a real number 0 < d < 1,
b + c + d is 1,
z is a real number 0 < z < 3,
z' is a real number 0 <z'< 3.
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Liang Chu et al., Solar Energy Materials and Solar Cells, 178, 2018, 164(2018.2.6.)* |
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