KR20150124397A - hole-transporting material for inorganic-organic hybrid perovskite solar cells - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 정공전달 화합물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지에 적용되는 신규한 구조의 정공전달 화합물에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hole transporting compound, and more particularly, to a hole transporting compound having a novel structure applicable to a non-organic / organic hybrid perovskite solar cell.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같이 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. In order to solve the global environmental problems caused by the depletion of fossil energy and its use, researches on renewable and clean alternative energy sources such as solar energy, wind power, and hydro power are being actively carried out.
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. Among these, there is a great interest in solar cells that change electric energy directly from sunlight. Here, a solar cell refers to a cell that generates a current-voltage by utilizing a photovoltaic effect that absorbs light energy from sunlight to generate electrons and holes.
현재 광에너지 변환효율이 20%가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 변환효율이 우수한 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 있다. 그러나 이러한 무기 반도체 기반의 태양전지는 고효율화를 위하여 매우 고순도로 정제한 소재가 필요하므로 원소재의 정제에 많은 에너지가 소비되고, 또한 원소재를 이용하여 단결정 혹은 박막화 하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조비용을 낮게 하는 데에는 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어왔다. Currently, np diode-type silicon (Si) single crystal based solar cells with a light energy conversion efficiency of more than 20% can be manufactured and used for actual solar power generation. Compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs) There is also solar cell using. However, since inorganic semiconductor-based solar cells require highly refined materials for high efficiency, a large amount of energy is consumed in the purification of raw materials, and expensive processes are required in the process of making single crystals or thin films using raw materials And the manufacturing cost of the solar cell can not be lowered, which has been a hindrance to a large-scale utilization.
이에 따라 태양전지를 저가로 제조하기 위해서는 태양전지에 핵심으로 사용되는 소재 혹은 제조 공정의 비용을 대폭 감소시킬 필요가 있으며, 무기 반도체 기반 태양전지의 대안으로 저가의 소재와 공정으로 제조가 가능한 염료 감응형 태양전지와 유기태양전지가 활발히 연구되고 있다. Accordingly, in order to manufacture a solar cell at a low cost, it is necessary to drastically reduce the cost of the material or manufacturing process used as a core of the solar cell. As an alternative to the inorganic semiconductor-based solar cell, Type solar cells and organic solar cells have been actively studied.
염료감응태양전지(DSSC; dye-sensitized solar cell)는 1991년 스위스 로잔공대(EPFL)의 미카엘 그라첼(Michael Gratzel) 교수가 처음 개발에 성공, 네이처지에 소개되었다. Dye-sensitized solar cell (DSSC) was first developed by Professor Michael Gratzel of the Lausanne University of Technology in Switzerland (1991) and introduced in Nature.
초기의 염료감응태양전지 구조는 빛과 전기가 통하는 투명전극필름 위에 다공성 광음극(photoanode)에 빛을 흡수하는 염료를 흡착한 후, 또 다른 전도성 유리 기판을 상부에 위치시키고 액체 전해질을 채운 간단한 구조로 되어 있다. In the early dye-sensitized solar cell structure, a dye that absorbs light is adsorbed on a porous photo-electrode on a transparent electrode film through which light and electricity pass, and then another conductive glass substrate is placed on top and a simple structure .
염료 감응 태양전지의 작동원리는 다공성 광음극 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양 빛을 흡수하면 염료분자가 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 다공성 광음극으로 사용된 반도체 산화물의 전도띠로 주입되어 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생 시키게 된다. 염료 분자에 남아 있는 홀은 액체 혹은 고체형 전해질의 산화-환원 반응에 의한 홀전도 혹은 홀전도성 고분자에 의하여 광양극(photocathode)으로 전달되는 형태로 완전한 태양전지 회로를 구성하여 외부에 일(work)을 하게 된다. The working principle of the dye-sensitized solar cell is that when dye molecules chemically adsorbed on the porous photocathode absorb solar light, dye molecules generate electron-hole pairs and electrons are injected into the conduction band of the semiconductor oxide used as a porous photocathode And is transferred to the transparent conductive film to generate a current. The remaining holes in the dye molecules are transferred to the photocathode by hole conduction or hole-conducting polymers by the oxidation-reduction reaction of liquid or solid electrolyte, forming a complete solar cell circuit, .
반면 유기 태양전지(organic photovoltaic:OPV)는 전자주개(electron donor, D 또는 종종 hole acceptor로 불림) 특성과 전자받개(electron acceptor, A) 특성을 갖는 유기물들로 구성된다. 유기분자로 이루어진 태양전지가 빛을 흡수하면 전자와 홀이 형성되는데 이것을 엑시톤(exciton)으로 불린다. 엑시톤은 D-A 계면으로 이동하여 전하가 분리되고 전자는 억셉터(electron acceptor)로, 홀은 도너(electron donor)로 이동하여 광전류 발생하게 된다. Organic photovoltaics (OPV), on the other hand, consist of organic materials with electron donor (D or often hole acceptor) properties and electron acceptor (A) properties. When a solar cell made of organic molecules absorbs light, electrons and holes are formed. This is called an exciton. The exciton migrates to the D-A interface and the charge is separated, the electrons are transferred to the electron acceptor, and the holes are transferred to the electron donor to generate the photocurrent.
전자공여체에서 발생한 엑시톤이 통상 이동할 수 있는 거리는 10 nm 안팎으로 매우 짧기 때문에 광활성 유기 물질을 두껍게 쌓을 수 없기 때문에 광흡수도가 낮아 효율이 낮았지만, 최근에는 계면에서의 표면적을 증가시키는 소위 BHJ(bulk heterojuction) 개념의 도입과 넓은 범위의 태양광 흡수에 용이한 밴드갭이 작은 전자공여체(donor) 유기물의 개발과 함께 효율이 크게 증가하여 현재 약 10%가 넘는 효율을 가진 유기 태양전지가 보고되고 있다. Since the distance that the exciton generated from the electron donor can travel normally is very short, about 10 nm, the efficiency is low due to the low light absorption because the photoactive organic material can not be stacked thickly. Recently, the so- called bulk heterojunction (BHJ) ) Concept and the development of a donor organic material having a small bandgap which is easy to absorb a wide range of solar light, efficiency has greatly increased, and organic solar cells having an efficiency of about 10% or more have been reported.
유기 태양전지는 유기 재료의 손쉬운 가공성과 다양성, 낮은 단가로 인해 기존 태양전지와 비교하여 소자의 제작과정이 간단하여 기존의 태양전지에 비하여 저가 제조단가의 실현이 가능하다. 그러나 유기물 태양전지는 BHJ의 구조가 공기 중의 수분이나, 산소에 의해 열화 되어 그 효율이 빠르게 저하되는 즉 태양전지의 안정성에 큰 문제성이 있으며, 이를 해결하기 위한 방법으로 완전한 실링 기술을 도입하면 안정성이 증가하나 가격이 올라가는 문제점이 있다. Organic solar cells can be manufactured at a low cost compared to existing solar cells because of easy processability and diversity of organic materials, and low manufacturing cost compared to conventional solar cells. However, in the organic solar cell, the structure of the BHJ is deteriorated by moisture and oxygen in the air and the efficiency thereof is rapidly deteriorated. That is, there is a problem in stability of the solar cell. As a method for solving the problem, There is a problem that the price goes up.
액체 전해질에 의한 염료감응태양전지의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 염료감응태양전지(dye-sensitized solar cell:DSSC)의 발명자인 스위스 로잔공대(EPFL) 화학과의 미카엘 그라첼이 1998년 네이처지에 액체 전해질 대신에 고체형 홀전도성 유기물인 Spiro-OMeTAD[2,2',7,7'-tetrkis (N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9'-spirobi fluorine]를 사용하여 효율이 0.74%인 전고체상 염료감응태양전지가 보고되었다. As a method for solving the problem of the dye-sensitized solar cell by the liquid electrolyte, Mikael Gratchel of the EPFL of Switzerland, inventor of the dye-sensitized solar cell (DSSC) Instead, the efficiency was 0.74% using Spiro-OMeTAD [2,2 ', 7,7'-tetrkis (N, N-di-p-methoxyphenylamine) All solid state dye-sensitized solar cells have been reported.
이에 상기의 홀전도성 물질인 Spiro-OMeTAD을 페로브스카이트계 태양전지에도 적용하여 높은 효율을 달성하고자 하는 연구가 이루어졌다(J. Burschka, N. Pellet, S.-J. Moon, R. Humphry-Baker, P. Gao, M. K. Nazeeruddin and M. Grㅴtzel, Nature, 2013, 499, 316-319).Therefore, studies have been made to achieve high efficiency by applying Spiro-OMeTAD, which is a hole conductive material, to the perovskite solar cell (J. Burschka, N. Pellet, S.-J. Moon, R. Humphry- Baker, P. Gao, MK Nazeeruddin and M. Grüzel, Nature , 2013, 499, 316-319).
그러나 여전히 상용화 가능한 높은 효율을 가지는 태양전지가 요구된다.However, there is still a demand for a solar cell having high efficiency that can be commercialized.
본 발명은 고효율 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지에 사용될 수 있는 신규한 구조의 정공전달 화합물을 제공한다.The present invention provides a hole transport compound having a novel structure that can be used in a high-efficiency organic / organic hybrid perovskite solar cell.
본 발명은 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지에 사용될 수 있으면서, 합성과 분리가 용이하고 기존의 단분자 정공 전달 화합물에 비하여 LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) 준위가 높아서 무/유기 하이브리드 페로브스카이트로 부터 누출 될 수 있는 전자를 보다 효과적으로 차단하여, 향상된 효율을 제공하는 신규한 구조의 무/유기 하이브리드 페로브스카이트용 태양전지의 정공 전달 정공전달 화합물을 제조하였으며, 이는 하기 화학식 1로 표시된다.The present invention can be used for an organic / organic hybrid perovskite solar cell, and is easy to synthesize and separate, and has a lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) level compared to a conventional monomolecular hole transport compound, Hole transporting hole transporting compound of a solar cell for organic / hybrid hybrid perovskite having a novel structure which provides improved efficiency by more effectively blocking electrons that can leak from the anode.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
[상기 화학식 1에서,[In the above formula (1)
Z1 내지 Z4 및 Z11 내지 Z14는 서로 독립적으로 O, S 또는 Se이며;Z 1 to Z 4 and Z 11 to Z 14 are independently of each other O, S or Se;
R1 내지 R4 및 R11 내지 R14는 서로 독립적으로 (C1-C7)알킬이다.]R 1 to R 4 and R 11 to R 14 independently of one another are (C 1 -C 7) alkyl]
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 1에서 Z1 내지 Z4 및 Z11 내지 Z14는 서로 독립적으로 O 또는 S이며; R1 내지 R4 및 R11 내지 R14는 서로 독립적으로 (C1-C3)알킬일 수 있다.Z 1 to Z 4 and Z 11 to Z 14 in the general formula (1) according to an embodiment of the present invention are independently O or S; R 1 to R 4 and R 11 to R 14 may independently of each other be (C 1 -C 3) alkyl.
바람직하게 상기 화학식 1에서 Z1 내지 Z4는 O이며; R1 내지 R4는 서로 독립적으로 (C1-C3)알킬일 수 있다.Preferably, Z 1 to Z 4 in the general formula (1) are O; R 1 to R 4 may independently of each other be (C 1 -C 3) alkyl.
보다 바람직하게 상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1로 표시될 수 있다.More preferably, the formula (1) may be represented by the following formula (1-1).
[화학식 1-1][Formula 1-1]
[상기 화학식 1-1에서,[In the formula 1-1,
Z11 내지 Z14는 서로 독립적으로 O, S 또는 Se이며;Z 11 to Z 14 independently of one another are O, S or Se;
R11 내지 R14는 서로 독립적으로 (C1-C7)알킬이다.]R 11 to R 14 are each independently (C 1 -C 7) alkyl]
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달화합물을 홀 전도층에 포함하는 태양전지를 제공한다.The present invention provides a solar cell comprising a hole transporting layer for a hole transporting compound for an organic / inorganic hybrid perovskite solar cell represented by the following formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
[상기 화학식 1에서,[In the above formula (1)
Z1 내지 Z4 및 Z11 내지 Z14는 서로 독립적으로 O, S 또는 Se이며;Z 1 to Z 4 and Z 11 to Z 14 are independently of each other O, S or Se;
R1 내지 R4 및 R11 내지 R14는 서로 독립적으로 (C1-C7)알킬이다]R 1 to R 4 and R 11 to R 14 independently of one another are (C 1 -C 7) alkyl]
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 태양전지의 상기 홀 전도층은 프탈로시아닌 유도체를 더 포함할 수 있다.The hole conductive layer of the solar cell according to an embodiment of the present invention may further include a phthalocyanine derivative.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 프탈로시아닌 유도체는 하기 화학식 8로 표시되는 것 일 수 있다.The phthalocyanine derivative according to an embodiment of the present invention may be represented by the following general formula (8).
[화학식 8][Chemical Formula 8]
[상기 화학식 8에서,[In the formula (8)
M은 구리(Cu), 아연(Zn), 코발트(Co), 납(Pb), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 철(Fe) 티타닐(titanyl) 또는 바나딜(vanadyl)이며;M is copper, zinc, cobalt, lead, silver, magnesium, iron, titanyl or vanadyl;
R21 내지 R24는 서로 독립적으로 수소, (C1-C7)알킬, (C1-C7)알콕시 또는 술폰산기(-SO3H)이다]R 21 to R 24 independently represent hydrogen, (C 1 -C 7) alkyl, (C 1 -C 7) alkoxy or sulfonic acid group (-SO 3 H)
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 프탈로시아닌 유도체의 경우, 상기 R21 내지 R24가 각각 독립적으로 (C1-C7)알킬일 경우, 용매에 대한 용해도가 향상되어 증착공정 뿐 아니라 용액 공정이 가능할 뿐 아니라 홀수송층 특성을 보다 향상시킬 수 있어 좋다.In the case of the phthalocyanine derivative according to an embodiment of the present invention, when R 21 to R 24 are each independently (C 1 -C 7) alkyl, solubility in a solvent is improved, and not only a deposition process but also a solution process is possible The hole transporting layer characteristics can be further improved.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 프탈로시아닌 유도체는 상기 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달화합물 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 15 중량부로 포함하는 것 일 수 있다.The phthalocyanine derivative according to an embodiment of the present invention may be contained in an amount of 0.1 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the hole transport compound for the organic / organic hybrid perovskite type solar cell.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 태양전지는 제1전극; 제1전극상 위치하며 광흡수체가 함입된 복합층; 상기 복합층 상부에 위치하며 광흡수체로 이루어진 광흡수 구조체; 상기 광흡수 구조체 상부에 위치하는 홀 전도층; 및 상기 홀 전도층 상부에 위치하는 제2전극; 을 포함하는 것 일 수 있다.The solar cell according to an embodiment of the present invention includes a first electrode; A composite layer on which the light absorber is embedded, the composite layer being positioned on the first electrode; A light absorbing structure disposed on the composite layer and made of a light absorbing material; A hole conduction layer disposed on the light absorbing structure; And a second electrode located above the hole conductive layer; . ≪ / RTI >
본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달 화합물은 기존의 Spiro-OMeTAD와 대비하여 LUMO 준위가 높아서 매우 향상된 발전 효율을 가진다.The hole transporting compound for an organic / organic hybrid perovskite solar cell represented by Formula 1 of the present invention has a LUMO level higher than that of the conventional Spiro-OMeTAD and has a remarkably improved power generation efficiency.
또한 본 발명의 화학식 1로 표시되는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달 화합물은 단분자로 기존의 고분자 정공전달 화합물과 달리 간단한 공정으로 제조와 분리가 가능해 상업적 적용에 매우 유리하다.Further, the hole transporting compound for the organic / inorganic hybrid perovskite type solar cell represented by Formula 1 of the present invention is a single molecule and is very advantageous for commercial application since it can be prepared and separated by a simple process unlike the conventional polymer hole transport compound.
또한 본 발명의 화학식 1로 표시되는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달 화합물은 전고체상으로 제조될 수 있는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지의 정공전달 화합물로 채용될 수 있어 이를 채용한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지는 높은 발전 효율을 가지면서도 안정성이 우수하고 단순한 용액 도포법으로 제조가 가능하여 저가로 짧은 시간에 대량생산할 수 있어, 태양전지의 저가 제조에 매우 유용한 특징을 가진다.In addition, the hole transporting compound for an organic / inorganic hybrid perovskite solar cell represented by the general formula (1) of the present invention can be employed as a hole transporting compound of a non-organic / organic hybrid perovskite solar cell, An organic / organic hybrid perovskite solar cell adopts a high efficiency and high stability, and can be manufactured by a simple solution coating method, so that it can be mass-produced at a low cost in a short time, .
도 1은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 태양전지의 단면을 관찰한 주사전자현미경(SEM) 사진으로서, 상부에 본 발명에서 합성한 정공 전달 물질이 균일하게 도포되어 있음을 볼 수 있다. FIG. 1 is a scanning electron microscope (SEM) image of a cross section of a solar cell manufactured according to Example 2 of the present invention. It can be seen that the hole transfer material synthesized in the present invention is uniformly applied to the upper portion.
이하 본 발명의 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달 화합물을 상세히 설명한다. 이때 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the hole transporting compound for an organic / organic hybrid perovskite solar cell of the present invention will be described in detail. In the following description and drawings, unless otherwise indicated, technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. A description of the known function and configuration that can be blurred is omitted.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달 화합물을 제공한다.The present invention provides a hole transport compound for an organic / organic hybrid perovskite solar cell represented by the following general formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
[상기 화학식 1에서,[In the above formula (1)
Z1 내지 Z4 및 Z11 내지 Z14는 서로 독립적으로 O, S 또는 Se이며;Z 1 to Z 4 and Z 11 to Z 14 are independently of each other O, S or Se;
R1 내지 R4 및 R11 내지 R14는 서로 독립적으로 (C1-C7)알킬이다.]R 1 to R 4 and R 11 to R 14 independently of one another are (C 1 -C 7) alkyl]
본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달 화합물은 기존의 Spiro-OMeTAD와 달리 Spiro-OMeTAD 화합물 내의 N,N-디-p-메톡시페닐아민의 치환기인 8개의 p-메톡시 치환기중에서 특정한 위치의 4개의 메톡시기의 위치 또는 위치와 치환기의 종류를 달리하여 기존의 Spiro-OMeTAD의 발전 효율보다 현저하게 높은 효율을 가진다.The hole transporting compound for an organic / inorganic hybrid perovskite solar cell represented by Formula 1 of the present invention is a substituent of N, N-di-p-methoxyphenylamine in the Spiro-OMeTAD compound unlike the existing Spiro-OMeTAD The efficiency and efficiency of the existing Spiro-OMeTAD are remarkably higher than those of conventional Spiro-OMeTAD because the position or position of four methoxy groups in a specific position among 8 p-methoxy substituents are different from those of substituents.
보다 상세하게 기존의 정공전달 화합물인 Spiro-OMeTAD는 하기 화학식과 같은 구조를 가진다.More specifically, Spiro-OMeTAD, which is a conventional hole transport compound, has a structure represented by the following formula.
[Spiro-OMeTAD][Spiro-OMeTAD]
상기의 화학식에서 보이는 바와 같이 Spiro-OMeTAD는 8개의 메톡시기를 가지며, 본 발명자들은 이러한 8개의 메톡시기중 특정한 위치의 4개의 메톡시기의 위치 또는 위치와 치환기의 종류를 달리하여 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지의 정공전달 화합물로 적용하였더니 놀랍게도 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지의 발전 효율이 월등하게 향상되는 것을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.As shown in the above formula, Spiro-OMeTAD has 8 methoxy groups, and the present inventors have found that the position / position of four methoxy groups at specific positions among the eight methoxy groups are different from those of the non-organic / It has been surprisingly found that the power generation efficiency of the organic / organic hybrid perovskite solar cell is improved remarkably when applied to a hole transporting compound of a lobsquioctic solar cell, thereby completing the present invention.
또한 본 발명의 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달 화합물은 단분자로 기존의 고분자 정공전달 화합물과 달리 단분자라 합성이 매우 용이하고 그 분리 또한 용이하여 순도가 높은 화합물을 얻을 수 있으며, 이로한 점이 있어 상업적 적용이 매우 높은 장점을 가진다.In addition, the hole transporting compound for organic / organic hybrid perovskite solar cells of the present invention is a single molecule, unlike the conventional polymer hole transport compound, monodisperse synthesis is very easy and easy to separate, This has advantages of commercial application is very high.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 1에서 Z1 내지 Z4 및 Z11 내지 Z14는 서로 독립적으로 O 또는 S이며; R1 내지 R4 및 R11 내지 R14는 서로 독립적으로 (C1-C3)알킬일 수 있다.Z 1 to Z 4 and Z 11 to Z 14 in the general formula (1) according to an embodiment of the present invention are independently O or S; R 1 to R 4 and R 11 to R 14 may independently of each other be (C 1 -C 3) alkyl.
바람직하게는 상기 화학식 1에서 Z1 내지 Z4는 O이며; R1 내지 R4는 서로 독립적으로 (C1-C3)알킬일 수 있다.Preferably, Z 1 to Z 4 in the general formula (1) are O; R 1 to R 4 may independently of each other be (C 1 -C 3) alkyl.
바람직하게는 상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1로 표시될 수 있다.Preferably, the formula (1) may be represented by the following formula (1-1).
[화학식 1-1][Formula 1-1]
[상기 화학식 1-1에서,[In the formula 1-1,
Z11 내지 Z14는 서로 독립적으로 O, S 또는 Se이며;Z 11 to Z 14 independently of one another are O, S or Se;
R11 내지 R14는 서로 독립적으로 (C1-C7)알킬이다.]R 11 to R 14 are each independently (C 1 -C 7) alkyl]
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 1에서 발전 효율측면에서 바람직하게는 Z1 내지 Z4는 O이며; R1 내지 R4는 서로 독립적으로 (C1-C3)알킬일 수 있으며, 보다 구체적으로 R1 내지 R4는 메틸 또는 에틸일 수 있으며, 보다 바람직하게는 Z1 내지 Z4는 O이고 R1 내지 R4는 모두 메틸일 수 있다.In view of power generation efficiency in the formula 1 according to an embodiment of the present invention, preferably, Z 1 to Z 4 are O; R 1 to R 4 may independently be (C 1 -C 3) alkyl, more specifically, R 1 to R 4 may be methyl or ethyl, more preferably Z 1 to Z 4 are O and R 1 to R 4 , R 4 may all be methyl.
본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 정공전달 화합물은 하기 반응식으로 제조될 수 있다.The hole transport compound represented by Formula 1 of the present invention can be prepared by the following reaction scheme.
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
[상기 반응식 1에서 Z1 내지 Z4, R1 내지 R4는 상기 화학식 1에서의 정의와 동일하며,[In the above Reaction Scheme 1, Z 1 to Z 4 and R 1 to R 4 are the same as defined in Formula 1,
X1 내지 X4는 서로 독립적으로 할로겐이다.]X 1 to X 4 independently of one another are halogen.]
상기 반응식 1은 R1 내지 R4가 동일한 경우에 해당하는 반응식으로 R1 내지 R4가 상이한 경우도 당업자가 인식할 수 있는 합성방법으로 제조 가능함은 물론이다.Reaction Scheme 1 shows the reaction scheme when the R 1 to R 4, which corresponds to the case where R 1 to R 4 the same of different are possible prepared by synthetic methods that can be appreciated by those skilled in the art. FIG.
본 발명에 기재된 「알킬」, 「알콕시」 및 그 외 「알킬」부분을 포함하는 치환체는 직쇄 또는 분쇄 형태를 모두 포함한다. 또한 본 발명에 기재된 「아릴」은 하나의 수소 제거에 의해서 방향족 탄화수소로부터 유도된 유기 라디칼로, 각 고리에 적절하게는 4 내지 7개, 바람직하게는 5 또는 6개의 고리원자를 포함하는 단일 또는 융합고리계를 포함하며, 다수개의 아릴이 단일결합으로 연결되어 있는 형태까지 포함한다. 구체적인 예로 페닐, 나프틸, 비페닐, 안트릴, 인데닐(indenyl), 플루오레닐 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. The substituents comprising " alkyl ", " alkoxy " and other " alkyl " moieties described in this invention encompass both linear and branched forms. The term " aryl " in the present invention means an organic radical derived from an aromatic hydrocarbon by the removal of one hydrogen, and may be a single or fused ring containing 4 to 7, preferably 5 or 6 ring atoms, A ring system, and a form in which a plurality of aryls are connected by a single bond. Specific examples include, but are not limited to, phenyl, naphthyl, biphenyl, anthryl, indenyl, fluorenyl, and the like.
본 발명에 기재된 단독으로 또는 또다른 기의 일부분으로서 기재된 「시클로알킬」은 3 내지 9개의 탄소 원자의 완전히 포화 및 부분적으로 불포화된 탄화수소 고리를 의미하며, 아릴 또는 헤테로아릴이 융합되어 있는 경우도 포함한다.&Quot; Cycloalkyl ", alone or as part of another group described in the present invention, refers to a fully saturated and partially unsaturated hydrocarbon ring of 3 to 9 carbon atoms, inclusive of the fused aryl or heteroaryl do.
본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 정공전달 화합물이 적용되는 페로브스카이트계 태양전지는 당업자가 인식할 수 있는 통상적인 페로브스카이트계 태양전지로 한정이 있는 것은 아니나, 무/유기 하이브리드 페로브스카이트(Inorganic-Orgaic Hybrid perovskites) 화합물, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, Bi2S3, Bi2Se3, InP, InAs, InGaAs, ZnSe, ZnTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, InCuS2, In(CuGa)Se2, Sb2S3, Sb2Se3, Sb2Te3, SnSx(1≤x≤2), NiS, CoS, FeSx(1≤x≤2), In2S3, MoS, MoSe, Cu2S, HgTe 및 MgSe에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 물질을 포함하는 광흡수체를 채용한 태앙전지일 수 있다.The perovskite solar cell to which the hole transport compound represented by the formula 1 of the present invention is applied is not limited to a conventional perovskite solar cell that can be recognized by those skilled in the art, agent (Inorganic-Orgaic Hybrid perovskites) compound, CdS, CdSe, CdTe, PbS , PbSe, PbTe, Bi 2 S 3, Bi 2 Se 3, InP, InAs, InGaAs, ZnSe, ZnTe, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InSb, Si, Ge, AlAs, AlSb, InCuS 2, In (CuGa) Se 2, Sb 2 S 3, Sb 2 Se 3, Sb 2 Te 3, SnS x (1≤x≤2), NiS, CoS, FeS x (1≤x≤2), may be in 2 S 3, MoS, MoSe , Cu 2 S, a taeang cell employing the light absorber comprises a material selected at least one or both on HgTe and MgSe.
바람직하게는 본 발명의 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지의 광흡수체는 하기 화학식 2 내지 3을 만족하는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 화합물에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 물질일 수 있다.Preferably, the absorber of the organic / organic hybrid perovskite solar cell of the present invention may be one or more materials selected from organic / organic hybrid perovskite compounds satisfying the following general formulas (2) to (3).
(화학식 2)(2)
AMX3 AMX 3
(화학식 2에서 A는 1가의 유기 암모늄 이온 또는 Cs+이며, M은 2가의 금속 이온이며, X는 할로겐 이온이다.)Wherein A is a monovalent organic ammonium ion or Cs + , M is a divalent metal ion, and X is a halogen ion.
(화학식 3)(Formula 3)
A2MX4 A 2 MX 4
(화학식 3에서 A는 1가의 유기 암모늄 이온 또는 Cs+이며, M은 2가의 금속 이온이며, X는 할로겐 이온이다.)Wherein A is a monovalent organic ammonium ion or Cs + , M is a divalent metal ion, and X is a halogen ion.
이때, M은 페로브스카이트 구조에서 단위셀(unit cell)의 중심에 위치하며, X는 단위셀의 각 면 중심에 위치하여, M을 중심으로 옥타헤드론(octahedron) 구조를 형성하며, A는 단위셀의 각 코너(corner)에 위치할 수 있다.At this time, M is located at the center of the unit cell in the perovskite structure, X is located at the center of each surface of the unit cell, forming an octahedron structure around M, and A May be located at each corner of the unit cell.
상세하게, 광흡수체는 서로 독립적으로, 하기 화학식 4 내지 7을 만족하는 화합물에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.In detail, the light absorbers may be independently selected from one or more of the compounds satisfying the following general formulas (4) to (7).
(화학식 4)(Formula 4)
(R1-NH3 +)MX3 (R 1 -NH 3 + ) MX 3
화학식 4에서 R1은 C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이며, M은 Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Ge2+, Sn2+, Pb2+ 및 Yb2+에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속 이온이며, X는 Cl-, Br- 및 I-에서 하나 또는 둘 이상 선택된 할로겐 이온이다.In the general formula 4 R 1 is an aryl-cycloalkyl or C6-C20 alkyl, C3-C20 of C1-C24, M is Cu 2+, Ni 2+, Co 2+ , Fe 2+, Mn 2+, Cr 2 + , Pd 2+ , Cd 2+ , Ge 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ and Yb 2+ , and X is one or two or more selected from Cl - , Br - and I - It is the selected halogen ion.
(화학식 5)(Formula 5)
(R1-NH3 +)2MX4 (R 1 -NH 3 + ) 2 MX 4
화학식 5에서 R1은 C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이며, M은 Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Ge2+, Sn2+, Pb2+ 및 Yb2+에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속 이온이며, X는 Cl-, Br- 및 I-에서 하나 또는 둘 이상 선택된 할로겐 이온이다.In formula 5 R 1 is an aryl-cycloalkyl or C6-C20 alkyl, C3-C20 of C1-C24, M is Cu 2+, Ni 2+, Co 2+ , Fe 2+, Mn 2+, Cr 2 + , Pd 2+ , Cd 2+ , Ge 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ and Yb 2+ , and X is one or two or more selected from Cl - , Br - and I - It is the selected halogen ion.
(화학식 6)(Formula 6)
(R2-C3H3N2 +-R3)MX3 (R 2 -C 3 H 3 N 2 + -R 3 ) MX 3
화학식 6에서 R2는 C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이며, R3은 수소 또는 C1-C24의 알킬이며, M은 Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Ge2+, Sn2+, Pb2+ 및 Yb2+에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속 이온이며, X는 Cl-, Br- 및 I-에서 하나 또는 둘 이상 선택된 할로겐 이온이다.R 2 is C 1 -C 24 alkyl, C 3 -C 20 cycloalkyl or C 6 -C 20 aryl, R 3 is hydrogen or C 1 -C 24 alkyl, M is Cu 2 + , Ni 2 + , Co 2 + , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Ge 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ and Yb 2+ , and X is Cl -, Br - and I - it is a halogen ion selected from the more than one or two.
(화학식 7)(Formula 7)
(R2-C3H3N2 +-R3)2MX4 (R 2 -C 3 H 3 N 2 + -R 3 ) 2 MX 4
화학식 7에서 R2는 C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이며, R3은 수소 또는 C1-C24의 알킬이며, M은 Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Ge2+, Sn2+, Pb2+ 및 Yb2+에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속 이온이며, X는 Cl-, Br- 및 I-에서 하나 또는 둘 이상 선택된 할로겐 이온이다.R 2 is C 1 -C 24 alkyl, C 3 -C 20 cycloalkyl or C 6 -C 20 aryl, R 3 is hydrogen or C 1 -C 24 alkyl, M is Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2 + , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Ge 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ and Yb 2+ , and X is Cl -, Br - and I - it is a halogen ion selected from the more than one or two.
일 예로, 페로브스카이트 구조의 화합물은 AMXa xXb y 혹은 A2MXa xXb y(0<x<3인 실수, 0<y<3인 실수, x+y=3이며, Xa와 Xb는 서로 상이한 할로겐이온)일 수 있다.For example, the perovskite-structured compound may be AMX a x X b y or A 2 MX a x X b y (real number 0 <x <3, real number 0 <y <3, x + y = X a and X b may be different halogen ions).
일 예로, 페로브스카이트 구조의 화합물은 AMXa xXb y(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3, Xa와 Xb는 서로 상이한 할로겐이온) 혹은 A2MXa xXb y(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수 및 x+y=4, Xa와 Xb는 서로 상이한 할로겐이온)일 수 있다.For example, a perovskite compound of the structure X AMX a x b y (0≤x≤3 mistake, 0≤y≤3 the real and x + y = 3, X a and X b are different from each other halogen ions ) Or A 2 MX a x X b y (a real number of 0? X? 4, a real number of 0? Y? 4 and x + y = 4, and X a and X b are different halogen ions).
일 예로, 화학식 4 또는 화학식 5에서 R1은 C1-C24의 알킬, 좋게는 C1-C7 알킬, 보다 좋게는 메틸일 수 있다. 구체적인 일 예로, 페로브스카이트 구조의 화합물은 CH3NH3PbIxCly(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), CH3NH3PbIxBry(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), CH3NH3PbClxBry(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3) 및 CH3NH3PbIxFy(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3)에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있으며, 또한 (CH3NH3)2PbIxCly(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수 및 x+y=4), (CH3NH3)2PbIxBry(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수 및 x+y=4), CH3NH3PbClxBry(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수 및 x+y=4) 및 (CH3NH3)2PbIxFy(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수 및 x+y=4)에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다. For example, in Formula 4 or Formula 5, R 1 may be C1-C24 alkyl, preferably C1-C7 alkyl, more preferably methyl. As a specific example, the perovskite structure compound may be CH 3 NH 3 PbI x Cl y (real number 0 ≦ x ≦ 3 , real number 0 ≦ y ≦ 3 and x + y = 3), CH 3 NH 3 PbI x Br y (real number of 0? X? 3, real number of 0? Y? 3 and x + y = 3), CH 3 NH 3 PbCl x Br y (real number 0? X? 3 , and x + y = 3), and CH 3 NH 3 PbI x F y (0≤x≤3 mistake, it can be selected at least one or both on the real 0≤y≤3 and x + y = 3), also (CH 3 NH 3) 2 PbI x Cl y ( 0≤x≤4 of mistakes, 0≤y≤4 real and x + y = 4), ( CH 3 NH 3) 2 PbI x Br y (0≤x ≤4 mistake, 0≤y≤4 the real and x + y = 4), CH 3 NH 3 PbCl x Br y (0≤x≤4 mistake, 0≤y≤4 the real and x + y = 4 ) and (CH 3 NH 3) 2 PbI x F y (0≤x≤4 mistake, can be selected at least one or both on the real 0≤y≤4 and x + y = 4).
일 예로, 화학식 6 또는 화학식 7에서 R2는 C1-C24의 알킬일 수 있고 R3는 수소 또는 C1-C24의 알킬일 수 있으며, 좋게는 R2는 C1-C7 알킬일 수 있고 R3는 수소 또는 C1-C7 알킬일 수 있으며, 보다 좋게는 R2는 메틸일 수 있고 R3는 수소일 수 있다.For example, in Formula 6 or Formula 7, R 2 can be C 1 -C 24 alkyl and R 3 can be hydrogen or C 1 -C 24 alkyl, preferably R 2 can be C 1 -C 7 alkyl, and R 3 is hydrogen Or C1-C7alkyl, more preferably R < 2 > may be methyl and R < 3 > may be hydrogen.
본 발명의 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지는 제1전극; 제1전극상 위치하며 광흡수체가 함입된 복합층; 상기 복합층 상부에 위치하며 광흡수체로 이루어진 광흡수 구조체; 상기 광흡수 구조체 상부에 위치하는 홀 전도층; 및 상기 홀 전도층 상부에 위치하는 제2전극;을 포함하며, 상기 홀 전도층에 본 발명의 무/유기 하이브리드 페르브스카이트계 태양전지용 정공전달 화합물이 함유된 것일 수 있다.An organic / organic hybrid perovskite solar cell of the present invention comprises a first electrode; A composite layer on which the light absorber is embedded, the composite layer being positioned on the first electrode; A light absorbing structure disposed on the composite layer and made of a light absorbing material; A hole conduction layer disposed on the light absorbing structure; And a second electrode located above the hole conduction layer, wherein the hole conduction layer contains the hole transport compound for the organic / hybrid hybrid perovskite type solar cell of the present invention.
본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달 화합물을 제1전극; 제1전극상 위치하며 광흡수체가 함입된 복합층; 상기 복합층 상부에 위치하며 광흡수체로 이루어진 광흡수 구조체; 상기 광흡수 구조체 상부에 위치하는 홀 전도층; 및 상기 홀 전도층 상부에 위치하는 제2전극;을 포함하는 구조적 특징을 가진 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지에 적용할 경우 보다 높은 발전 효율을 가진다.The hole transport compound for an organic / inorganic hybrid perovskite solar cell represented by Formula 1 of the present invention is a first electrode; A composite layer on which the light absorber is embedded, the composite layer being positioned on the first electrode; A light absorbing structure disposed on the composite layer and made of a light absorbing material; A hole conduction layer disposed on the light absorbing structure; And a second electrode located above the hole conductive layer. The organic electroluminescent device according to the present invention has a higher efficiency than the organic electroluminescent device in a non-organic hybrid perovskite solar cell having a structural feature.
이는 상기와 같은 구조적 특징을 가지는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 전자전달체와 광흡수체가 스민 구조를 갖는 복합층 및 복합층 상에 형성된 광흡수 구조체를 포함하는 구조를 갖는 광 흡수체 층이 이중박막 구조(double layered-structure)로 가지며, 전자전달체 및 정공전달 화합물이 상호 유기적으로 잘 결합된 구조와 LUMO 준위가 높아서 누출 전자를 효율적으로 차단함에 따라 높은 발전 효율을 가지며, 이러한 구조의 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 구조에 본 발명의 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달 화합물인 화학식 1의 화합물을 채용함으로써 발전 효율에 시너지 효과를 가져 보다 더 높은 발전 효율을 가진다.This is because the organic / organic hybrid perovskite solar cell having the above-described structural features has a structure in which a light absorber layer having a structure including a composite layer having an electron carrier, a light absorber, and a light absorbing structure formed on the complex layer It has a double layered structure and has a structure in which an electron carrier and a hole transport compound are well combined with each other organically and has a high LUMO level so as to efficiently block leakage electrons, Organic hybrid perovskite solar cells have the synergistic effect on the power generation efficiency and have higher power generation efficiency by employing the compound of formula (1), which is the hole transfer compound for the organic / organic hybrid perovskite type solar cell of the present invention.
즉, 본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 정공전달 화합물은 광흡수체가 다공성 전자전달체에 분산 함입된 구조보다, 광흡수체가 다공성 전자전달체를 채우며 광흡수체로 이루어진 광흡수 구조체가 다공성 전자전달체 상부에 위치하는 구조도 가능하며, 광흡수체가 다공성 전자전달체의 상부를 덮은 구조의 특징을 가지는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지의 홀 전도층에 채용되었을 경우 더 높은 발전 효율을 가진다.That is, the hole transporting compound represented by Formula 1 of the present invention has a structure in which the light absorbing body is filled with the porous electron transporting material and the light absorbing structure made of the light absorbing material is positioned on the porous electron transporting body And has a higher power generation efficiency when it is employed in a hole conduction layer of an organic / inorganic hybrid perovskite solar cell having a structure in which a light absorber covers an upper portion of a porous electron carrier.
본 발명에 언급된 용어인 정공전달 화합물, 광흡수체, 전자전달체 및 홀 전도층등은 당업자가 자명하게 인식될 수 있는 정의에 해당한다.The terms referred to in the present invention, such as a hole transport compound, a light absorber, an electron transporting material, and a hole conduction layer, are definitions that can be appreciated by those skilled in the art.
본 발명은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 태양전지의 상기 홀 전도층은 상기 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달화합물 및 프탈로시아닌 유도체를 포함하는 것일 수 있다. The hole transport layer of the solar cell according to an embodiment of the present invention may include a hole transport compound and a phthalocyanine derivative for the organic / hybrid hybrid perovskite type solar cell.
상기 프탈로시아닌 유도체는 상기 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달화합물과 함께 상기 홀 전도층에 도핑됨으로써, 보다 우수한 효율을 구현할 수 있으며, 상기 프탈로시아닌 유도체는 하기 화학식 8로 표시되는 화합물 일 수 있다. The phthalocyanine derivative may be doped to the hole conduction layer together with the hole transporting compound for the organic / organic hybrid perovskite type solar cell, thereby realizing a better efficiency. The phthalocyanine derivative may be a compound represented by the following general formula (8) .
[화학식 8][Chemical Formula 8]
[상기 화학식 8에서,[In the formula (8)
M은 구리(Cu), 아연(Zn), 코발트(Co), 납(Pb), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 철(Fe) 티타닐(titanyl) 또는 바나딜(vanadyl)이며;M is copper, zinc, cobalt, lead, silver, magnesium, iron, titanyl or vanadyl;
R21 내지 R24는 서로 독립적으로 수소, (C1-C7)알킬, (C1-C7)알콕시 또는 술폰산기(-SO3H)이다]R 21 to R 24 independently represent hydrogen, (C 1 -C 7) alkyl, (C 1 -C 7) alkoxy or sulfonic acid group (-SO 3 H)
상세하게, 상기 화학식 8로 표시되는 프탈로시아닌 유도체의 M이 구리(Cu) , 아연(Zn) 또는 코발트(Co)일 경우, 태양전지의 누설 전류를 완벽하게 차단이 가능하고, 전자 블로킹 특성을 향상시킴으로써 보다 우수한 효율을 나타내는 태양전지를 제공할 수 있어 좋다.In detail, when M of the phthalocyanine derivative represented by Formula 8 is copper (Cu), zinc (Zn), or cobalt (Co), the leakage current of the solar cell can be completely blocked and the electronic blocking property can be improved It is possible to provide a solar cell showing higher efficiency.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화학식 8로 표시되는 프탈로시아닌 유도체는 상기 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달화합물 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 15 중량부로 첨가될 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 15 중량부, 보다 바람직하게는 2 내지 10 중량부로 첨가되는 것이 전자 블로킹 특성을 보다 향상시킬 수 있어 좋다.The phthalocyanine derivative represented by Formula 8 according to an embodiment of the present invention may be added in an amount of 0.1 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the hole transporting compound for the organic / organic hybrid perovskite type solar cell, To 15 parts by weight, and more preferably from 2 to 10 parts by weight, of the total weight of the composition.
또한 본 발명은 본 발명의 상기 화학식 1로 표시되는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달 화합물을 함유하는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 및 이러한 태양전지를 포함하는 태양전지 모듈을 제공한다.
The present invention also relates to an organic / organic hybrid perovskite solar cell containing a hole transport compound for an organic / inorganic hybrid perovskite type solar cell represented by Formula 1 of the present invention and a solar cell module including such a solar cell to provide.
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 예시로 들어 본 발명을 구체적으로 설명하나, 이는 본 발명의 특허청구범위를 한정하고자하는 것을 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to specific examples of the present invention, but it is not intended to limit the claims of the present invention.
[실시예 1][Example 1]
2,4′-디메톡시디페닐렌아민의 제조Preparation of 2,4'-dimethoxydiphenylene amine
질소가스하에 100 mL 2구 플라스크에 o-anisidine (2.00 g, 16.2 mmol), 4-bromoaniline (3.34g, 17.9 mmol), sodium tert-butoxide (2.34 g, 24.4 mmol), tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0) (0.149 g, 0.162 mmol) 및 tri-tertbutylphosphine(0.053 g, 0.26 mmol)을 넣고 23 mL 무수톨루엔을 첨가하여 110 ℃에서 12시간동안 교반시켰다. 반응이 완료되면 반응혼합물을 에틸아세테이트를 추출하고 소금물로 세척한 후 MgSO4로 건조시켜 용매를 제거하고 칼럼크로마토그래피(ethyl acetate/hexane=1/10)로 분리정제하여 끈적한 고체인 표제화합물을 얻었다(54%, 2.01 g).In 100 mL 2-necked flask under a nitrogen gas o -anisidine (2.00 g, 16.2 mmol ), 4-bromoaniline (3.34g, 17.9 mmol), sodium tert-butoxide (2.34 g, 24.4 mmol), tris (dibenzylideneacetone) dipalladium (0 ) (0.149 g, 0.162 mmol) and tri-tertbutylphosphine (0.053 g, 0.26 mmol) were added, and 23 mL of anhydrous toluene was added and the mixture was stirred at 110 ° C for 12 hours. When the reaction was completed, the reaction mixture was extracted with ethyl acetate, washed with brine, dried over MgSO 4 to remove the solvent, and then separated and purified by column chromatography (ethyl acetate / hexane = 1/10) to obtain the title compound as a sticky solid (54%, 2.01 g).
1H-NMR (CDCl3, 300 MHz) δ = 7.11 (d, 2H), 7.03 (dd, 1H), 6.75-6.90 (m, 5H), 5.98(br s, 1H), 3.90 (s, 3H), 3.80 (s, 1H).
1 H-NMR (CDCl3, 300 MHz) δ = 7.11 (d, 2H), 7.03 (dd, 1H), 6.75-6.90 (m, 5H), 5.98 (br s, 1H), 3.90 (s, 3H), 3.80 (s, 1 H).
NN 22 ,N, N 2'2' , N, N 77 , N, N 7'7 ' -tetrakis(2-methoxyphenyl)-N-tetrakis (2-methoxyphenyl) -N 22 , N, N 2'2' , N, N 77 , N, N 7'7 ' -tetrakis(4--tetrakis (4-
methoxyphenyl)-9,9'spirobi[fluorene]-2,2',7,7'tetraamine(이하 po라 함)의 제조methoxyphenyl) -9,9'spirobi [fluorene] -2,2 ', 7,7'tetraamine (hereinafter referred to as po)
질소기체하에 50 mL 2구 플라스크에 2,4'Dimethoxydiphenylamine(2.00 g, 8.72 mmol), 2,2'7,7'tetrabromo-9,9'spirobi[9H-fluorene] (1.23 g, 1.94 mmol), sodium tertbutoxide(1.12 g, 11.6 mmol), tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0) (0.071 g,0.078 mmol) 및 tri-tert-butylphosphine (0.025 g, 0.12 mmol)를 넣고 여기에 무수톨루엔 15mL를 첨가하여 110 ℃에서 12시간동안 교반시켰다. 반응혼합물을 실온으로 냉각시키고 에틸아세테이트를 추출하고 소금물로 세척한 후 MgSO4로 건조시켜 용매를 제거하고 칼럼크로마토그래피(ethyl acetate/hexane=1/2)로 분리정제하여 베이지색의 고체인 표제화합물을 얻었다(40%, 0.95 g).(2.00 g, 8.72 mmol), 2,2 ', 7,7'-tetrabromo-9,9'spirobi [9H-fluorene] (1.23 g, 1.94 mmol) in a 50 mL two-necked flask under nitrogen gas, tert-butylphosphine (0.025 g, 0.12 mmol) was added to a solution of sodium tert-butoxide (1.12 g, 11.6 mmol), tris (dibenzylideneacetone) dipalladium Lt; / RTI > for 12 hours. The reaction mixture was cooled to room temperature, extracted with ethyl acetate, washed with brine, dried over MgSO 4 to remove the solvent and purified by column chromatography (ethyl acetate / hexane = 1/2) to give the title compound as a beige solid (40%, 0.95 g).
1H-NMR (CDCl3, 500 MHz) δ = 7.32 (d, 4H), 7.08 (7, 4H), 6.96 (d, 4H), 6.86 (q, 16H), 6.72 (d, 12H), 6.40 (s, 4H), 3.75 (s, 12H), 3.47 (s, 12H). 1 H-NMR (CDCl 3 , 500 MHz)? = 7.32 (d, 4H), 7.08 (7, 4H), 6.96 (d, 4H), 6.86 s, 4H), 3.75 (s, 12H), 3.47 (s, 12H).
13C-NMR (CDCl3, 125 MHz) δ = 154.95, 154.55, 149.83, 146.84, 141.29, 136.08, 135.09, 128.48, 125.39, 125.59, 121.24, 120.70, 119.19, 116.52, 113.96, 113.09, 65.65, 55.70, 55.39. 13 C-NMR (CDCl 3 , 125 MHz)? = 154.95, 154.55, 149.83, 146.84, 141.29, 136.08, 135.09, 128.48, 125.39, 125.59, 121.24, 120.70, 119.19, 116.52, 113.96, 113.09, 65.65, 55.70, .
m/z 1124 (M+).
m / z 1124 (M < + >).
[비교예 1][Comparative Example 1]
NN 22 , N, N 22 , N, N 2'2' , N, N 2'2' , N, N 77 , N, N 77 , N, N 7'7 ' , N, N 7'7 ' -octakis(4-methoxyphenyl)-9,9'spirobi[-octakis (4-methoxyphenyl) -9,9 ' spiro [
fluorene]-2,2'7,7'tetraamine(spiro-OMeDTAD, 이하 pp라 함)의 제조fluorene] -2,2'7,7'tetraamine (spiro-OMeDTAD, hereinafter referred to as pp)
질소기체하에 50 mL 2구 플라스크에 4,4'Dimethoxydiphenylamine(2.00 g, 8.72 mmol), 2,2'7,7'tetrabromo-9,9'spirobi[9H-fluorene] (1.23 g, 1.94 mmol), sodium tertbutoxide(1.12 g, 11.6 mmol), tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0) (0.071 g, 0.078 mmol) 및 tri-tert-butylphosphine (0.025 g, 0.12 mmol)를 넣고 여기에 무수톨루엔 15mL를 첨가하여 110 ℃에서 12시간동안 교반시켰다. 반응혼합물을 실온으로 냉각시키고 에틸아세테이트를 추출하고 소금물로 세척한 후 MgSO4로 건조시켜 용매를 제거하고 칼럼크로마토그래피(ethyl acetate/hexane=1/2)로 분리 정제하여 베이지색의 고체인 표제화합물을 얻었다(45%, 1.07 g).(2.00 g, 8.72 mmol), 2,2 ', 7,7'-tetrabromo-9,9'spirobi [9H-fluorene] (1.23 g, 1.94 mmol) in a 50 mL two-necked flask under nitrogen gas, tert-butylphosphine (0.025 g, 0.12 mmol) was added to a solution of sodium tert-butoxide (1.12 g, 11.6 mmol), tris (dibenzylideneacetone) dipalladium Lt; / RTI > for 12 hours. The reaction mixture was cooled to room temperature, extracted with ethyl acetate, washed with brine, dried over MgSO 4 to remove the solvent and purified by column chromatography (ethyl acetate / hexane = 1/2) to give the title compound as a beige solid (45%, 1.07 g).
1H-NMR (CDCl3, 500 MHz) δ = 7.36 (d, 4H), 6.91 (d, 16H), 6.80 (br d, 4H), 6.76 (d,16H), 6.56 (s, 4H), 3.77 (s, 24H). 1 H-NMR (CDCl 3 , 500 MHz)? = 7.36 (d, 4H), 6.91 (d, 16H), 6.80 (br d, 4H) (s, 24 H).
13C-NMR (CDCl3, 125 MHz) δ = 154.95, 149.93, 147.11, 141.45, 135.46, 124.96, 122.67, 119.72, 118.03, 114.31, 65.45, 55.42. 13 C-NMR (CDCl 3 , 125 MHz)? = 154.95, 149.93, 147.11, 141.45, 135.46, 124.96, 122.67, 119.72, 118.03, 114.31, 65.45, 55.42.
m/z 1124 (M+).
m / z 1124 (M < + >).
[비교예 2][Comparative Example 2]
3,4-디메톡시디페닐렌아민의 제조Preparation of 3,4-Dimethoxydiphenyleneamine
질소가스하에 100 mL 2구 플라스크에 m-anisidine (2.00 g, 16.2 mmol), 4-bromoaniline (3.34g, 17.9 mmol), sodium tert-butoxide (2.34 g, 24.4 mmol), tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0) (0.149 g, 0.162 mmol) 및 tri-tertbutylphosphine(0.053 g, 0.26 mmol)을 넣고 23 mL 무수톨루엔을 첨가하여 110 ℃에서 12시간동안 교반시켰다. 반응이 완료되면 반응혼합물을 에틸아세테이트를 추출하고 소금물로 세척한 후 MgSO4로 건조시켜 용매를 제거하고 칼럼크로마토그래피(ethyl acetate/hexane=1/10)로 분리정제하여 끈적한 고체인 표제화합물을 얻었다(54%, 2.01 g).In 100 mL 2-necked flask under a nitrogen gas m -anisidine (2.00 g, 16.2 mmol ), 4-bromoaniline (3.34g, 17.9 mmol), sodium tert-butoxide (2.34 g, 24.4 mmol), tris (dibenzylideneacetone) dipalladium (0 ) (0.149 g, 0.162 mmol) and tri-tertbutylphosphine (0.053 g, 0.26 mmol) were added, and 23 mL of anhydrous toluene was added and the mixture was stirred at 110 ° C for 12 hours. When the reaction was completed, the reaction mixture was extracted with ethyl acetate, washed with brine, dried over MgSO 4 to remove the solvent, and then separated and purified by column chromatography (ethyl acetate / hexane = 1/10) to obtain the title compound as a sticky solid (54%, 2.01 g).
1H-NMR (CDCl3, 300 MHz) δ = 7.05-7.15 (m, 3H), 6.87 (d, 2H), 6.35-6.53 (m, 3H), 5.50 (br s, 1H), 3.80 (s, 3H), 3.76 (s, 3H).
1 H-NMR (CDCl 3, 300 MHz) δ = 7.05-7.15 (m, 3H), 6.87 (d, 2H), 6.35-6.53 (m, 3H), 5.50 (br s, 1H), 3.80 (s, 3H), 3.76 (s, 3H).
NN 22 ,N, N 2'2' , N, N 77 , N, N 7'7 ' -tetrakis(3-methoxyphenyl)-N-tetrakis (3-methoxyphenyl) -N 22 , N, N 2'2' , N, N 77 , N, N 7'7 ' -tetrakis(4--tetrakis (4-
methoxyphenyl)-9,9'spirobi[fluorene]-2,2',7,7'tetraamine(이하 pm이라 함)의 제조methoxyphenyl) -9,9'spirobi [fluorene] -2,2 ', 7,7'tetraamine (hereinafter referred to as pm)
질소기체하에 50 mL 2구 플라스크에 2,4'Dimethoxydiphenylamine(2.00 g, 8.72 mmol), 2,2'7,7'tetrabromo-9,9'spirobi[9H-fluorene] (1.23 g, 1.94 mmol), sodium tertbutoxide(1.12 g, 11.6 mmol), tris(dibenzylideneacetone)dipalladium(0) (0.071 g, 0.078 mmol) 및 tri-tert-butylphosphine (0.025 g, 0.12 mmol)를 넣고 여기에 무수톨루엔 15mL를 첨가하여 110 ℃에서 12시간동안 교반시켰다. 반응혼합물을 실온으로 냉각시키고 에틸아세테이트를 추출하고 소금물로 세척한 후 MgSO4로 건조시켜 용매를 제거하고 칼럼크로마토그래피(ethyl acetate/hexane=1/2)로 분리 정제하여 베이지색의 고체인 표제화합물을 얻었다(40%, 0.95 g).(2.00 g, 8.72 mmol), 2,2 ', 7,7'-tetrabromo-9,9'spirobi [9H-fluorene] (1.23 g, 1.94 mmol) in a 50 mL two-necked flask under nitrogen gas, tert-butylphosphine (0.025 g, 0.12 mmol) was added to a solution of sodium tert-butoxide (1.12 g, 11.6 mmol), tris (dibenzylideneacetone) dipalladium Lt; / RTI > for 12 hours. The reaction mixture was cooled to room temperature, extracted with ethyl acetate, washed with brine, dried over MgSO 4 to remove the solvent and purified by column chromatography (ethyl acetate / hexane = 1/2) to give the title compound as a beige solid (40%, 0.95 g).
1H-NMR (CDCl3, 500 MHz) δ = 7.42 (d, 4H), 7.05 (t, 4H), 6.97 (d, 8H), 6.88 (d, 4H), 6.81 (d, 8H), 6.65 (d, 4H), 6.40-6.51 (m, 12H). 1 H-NMR (CDCl 3, 500 MHz) δ = 7.42 (d, 4H), 7.05 (t, 4H), 6.97 (d, 8H), 6.88 (d, 4H), 6.81 (d, 8H), 6.65 ( d, 4H), 6.40-6.51 (m, 12H).
13C-NMR (CDCl3, 125 MHz) δ = 160.17, 155.87, 129.80, 149.37, 146.583, 140.45, 136.19, 129.44, 126.80, 123.98, 120.08, 119.18, 114.52, 114.01, 107.35, 106.44, 65.51, 55.40, 55.11. 13 C-NMR (CDCl 3 , 125 MHz)? = 160.17, 155.87, 129.80, 149.37, 146.583, 140.45, 136.19, 129.44, 126.80, 123.98, 120.08, 119.18, 114.52, 114.01, 107.35, 106.44, 65.51, .
m/z 1124 (M+).
m / z 1124 (M < + >).
[실시예 2][Example 2]
다공성 TiOPorous TiO 22 박막 기판 제조 Thin Film Substrate Manufacturing
불소 함유 산화주석이 코팅된 유리 기판(FTO; F-doped SnO2, 8 ohms/cm2, Pilkington, 이하 FTO 기판(제1전극))을 25 x 25 mm 크기로 절단한 후, 끝 부분을 에칭하여 부분적으로 FTO를 제거 하였다.After cutting a glass substrate (FTO: F-doped SnO 2 , 8 ohms / cm 2 , Pilkington, hereinafter referred to as FTO substrate (first electrode)) coated with fluorine-containing tin oxide to a size of 25 x 25 mm, Partially removing the FTO.
절단 및 부분 에칭된 FTO 기판 위에 금속산화물 박막으로서 50 nm 두께의 TiO2 치밀막을 분무 열분해법으로 제조하였다. 분무 열분해는 TAA (Titanium acetylacetonate):EtOH(1:9 v/v%) 용액을 이용하여 수행되었으며, 450 ℃로 유지된 열판위에 올려진 FTO 기판위에 3초간 분무하고 10초간 정지하는 방법을 되풀이하는 방법으로 두께를 조절하였다.A 50 nm thick TiO 2 dense film as a metal oxide thin film was prepared by spray pyrolysis on the cut and partially etched FTO substrate. Spray pyrolysis was carried out using a solution of titanium acetylacetonate (TAA): EtOH (1: 9 v / v%), spraying for 3 seconds on the FTO substrate placed on a hot plate kept at 450 ° C and stopping for 10 seconds The thickness was adjusted by the method.
평균 입자크기(직경) 50 nm의 TiO2 분말 (TiO2 기준으로 1 중량%가 용해된 titanium peroxocomplex 수용액을 250℃에서 12시간 수열처리하여 제조)에, 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)가 10 중량 %로 에틸알콜에 용해된 에틸 셀룰로오스 용액을, TiO2 분말 1g당 5 ml 첨가하고, 테르피놀(terpinol)을 TiO2 분말 1 g당 5 g 첨가하여 혼합한 후, 에틸 알콜을 감압 증류법으로 제거하여 TiO2 페이스트를 제조하였다.TiO 2 powder having an average particle size (diameter) of 50 nm (prepared by hydrothermally treating titanium peroxocomplex aqueous solution of 1 wt% based on TiO 2 dissolved therein at 250 ° C for 12 hours) was mixed with 10% by weight of ethyl cellulose acetate the ethyl cellulose solution in an alcohol, then a solution was added 5 ml per TiO 2 powder 1g, adding the hotel pinol (terpinol) 5 g per 1 g TiO 2 powder, and the ethanol removed by vacuum distillation TiO 2 Paste.
제조된 TiO2 분말 페이스트에 에탄올을 첨가하여 스핀 코팅용 TiO2 슬러리를 제조하였다. FTO 기판의 TiO2 박막 위에, 스핀 코팅용 TiO2 슬러리를 이용하여 스핀 코팅 방법으로 코팅하고 500 ℃에서 60 분 동안 열처리한 후, 60 ℃의 30 mM TiCl4 수용액에 열처리된 기판을 담그고, 30 분 동안 방치한 후, 탈이온수와 에탄올로 세척 및 건조하고 다시 500 ℃에서 30분 동안 열처리하여 다공성 TiO2 박막(다공성 전자전달체)을 제조하였다. Ethanol was added to the prepared TiO 2 powder paste to prepare a TiO 2 slurry for spin coating. The TiO 2 thin film of the FTO substrate was coated with a TiO 2 slurry for spin coating by a spin coating method and heat-treated at 500 ° C. for 60 minutes. Subsequently, the substrate which had been thermally treated was immersed in a 30 mM aqueous solution of TiCl 4 at 60 ° C., , Washed with deionized water and ethanol, dried, and then heat-treated at 500 ° C for 30 minutes to prepare a porous TiO 2 thin film (porous electron carrier).
광흡수체 용액 제조Fabrication of light absorber solution
250 mL 2구 둥근 플라스크에 30 mL 염산(57% in water, Aldrich)과 27.86 mL methylamine (40% in methanol, Junsei Chemical Co., Ltd.)을 0 ℃ 2시간 동안 반응시켰다. 반응혼합물을 50℃에서 1시간동안 감압 증류하여 얻어진 침전물을 에탄올에 녹이고 에틸에테르를 사용하여 재결정하고 60℃에서 24시간동안 건조시켜 CH3NH3I를 제조하였다.30 mL of hydrochloric acid (57% in water, Aldrich) and 27.86 mL of methylamine (40% in methanol, manufactured by Junsei Chemical Co., Ltd.) were reacted in a 250 mL two-necked round flask at 0 ° C for 2 hours. The reaction mixture is dissolved the precipitate was obtained by distillation under reduced pressure for 1 hour at 50 ℃ in ethanol was recrystallized using ethyl ether and dried at 60 ℃ for 24 hours to produce a NH 3 CH 3 I.
얻어진 CH3NH3I를 γ-butyrolactone와 dimethylsulfoxide혼합용액(7 : 3)에 녹이고 여기에 PbI2 (Aldrich)를 첨가하여 60℃에서 12시간 동안 용해시켜 1.2 M 농도의 CH3NH3PbI3 용액(40 wt%)을 제조하였다.The obtained CH 3 NH 3 I was dissolved in a mixed solution of γ-butyrolactone and dimethylsulfoxide (7: 3), PbI 2 (Aldrich) was added thereto and dissolved at 60 ° C. for 12 hours to prepare a CH 3 NH 3 PbI 3 solution (40 wt%) .
페로브스카이트 광흡수체 제조Manufacture of perovskite light absorbers
상기에서 제조된 다공성 TiO2 박막 기판(mp-TiO2/bl-TiO2/FTO)상에 상기에서 제조된 광흡수체 용액(CH3NH3PbI3 용액)을 1000 rpm으로 90초 동안 코팅하고 다시 5000 rpm으로 30초동안 코팅하여 100℃에서 10분동안 건조하여 광흡수체를 제조하였다. 여기서 두 번째 스핀코팅단계에서 기재상에 1mL의 톨루엔을 dropwise하였다.The porous TiO 2 thin-film substrate (mp-TiO2 / bl-TiO2 / FTO) onto the light absorbent solution prepared in (CH3NH3PbI3 solution) to 1000 rpm in 90 seconds coating and re-coated for 30 seconds at 5000 rpm during the production in the And dried at 100 ° C for 10 minutes to prepare a light absorber. Here, 1 mL of toluene was dropwise added to the substrate in the second spin-coating step.
홀 전도층 형성을 위한 홀 전도층 용액제조Preparation of hole conduction layer solution for forming hole conduction layer
홀 전도층을 형성하기위해 상기 실시예 1에서 제조된 정공전도체인(N2,N2', N7, N7'-tetrakis(2-methoxyphenyl)-N2, N2', N7, N7'-tetrakis(4-methoxyphenyl)The (N 2, N 2 a hole conductor prepared in Example 1 to form a hole conducting layer ', N 7, N 7' -tetrakis (2-methoxyphenyl) -N 2, N 2 ', N 7, N 7 ' -tetrakis (4-methoxyphenyl)
-9,9'spirobi[fluorene]-2,2',7,7'tetraamine, po)를 톨루엔에 녹여 농도가 10mM인 정공전도체 용액을 제조하고 여기에 첨가제로 10μl Li-bis(trifluoromethanesulfonyl) imide (Li-TFSI)/acetonitrile (170 mg/1 ml)과 5μl TBP(4-tert-Butylpyridine)를 첨가하여 홀 전도층 용액를 제조하였다. -9,9'spirobi [fluorene] -2,2 ', 7,7'tetraamine, po) were dissolved in toluene to prepare a hole conductor solution having a concentration of 10 mM, and 10 μl of Li-bis (trifluoromethanesulfonyl) imide The hole conduction layer solution was prepared by adding Li-TFSI / acetonitrile (170 mg / 1 ml) and 5 μl TBP (4-tert-butylpyridine).
무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지제조Manufacture of organic / organic hybrid perovskite solar cells
상기에서 제조된 다공성 전극에 상기에서 제조된 광흡수 구조체가 형성된 복합층상에 상기에서 제조된 홀 전도층 용액을 3000rpm으로 30초 동안 스핀코팅하여 홀 전도층을 형성하였다. The hole conductive layer solution prepared above was spin-coated at 3000 rpm for 30 seconds on the composite layer formed with the light absorbing structure manufactured above to form a hole conductive layer.
이후, 홀 전도층의 상부에 고진공(5x10-6 torr 이하)의 열 증착기(thermal evaporator)로 Au를 진공 증착하여, 두께가 70 nm인 Au 전극(제2전극)을 형성하여 Au/CH3NH3PbI3/mp-TiO2/bl-TiO2/FTO 형태의 태양전지를 제조하였다. Thereafter, an Au electrode (second electrode) having a thickness of 70 nm was formed on the hole conduction layer by vacuum evaporation of Au with a thermal evaporator (not more than 5 × 10 -6 torr) using a thermal evaporator to form Au / CH 3 NH 3 PbI 3 / -TiO2 / bl-TiO2 / FTO type solar cell.
이러한 전극의 활성면적은 0.16 cm2이었다.The active area of this electrode was 0.16 cm 2 .
제조된 태양전지의 단면의 SEM사진을 도 1에 나타내었으며, 제조된 태양전지의 특성은 하기 표 1에 나타내었다.
SEM photographs of cross sections of the manufactured solar cells are shown in FIG. 1, and the characteristics of the produced solar cells are shown in Table 1 below.
[비교예 3][Comparative Example 3]
상기 홀 전도층 용액을 po대신 pp(spiro-OMeTAD)를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였으며, 제조된 태양전지의 특성은 하기 표 1에 나타내었다.
The photovoltaic cell was manufactured in the same manner except that pp (spiro-OMeTAD) was used instead of the hole conduction layer solution. The characteristics of the produced solar cell are shown in Table 1 below.
[비교예 4][Comparative Example 4]
상기 홀 전도층 용액을 po대신 pm를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였으며, 제조된 태양전지의 특성은 하기 표 1에 나타내었다.
A solar cell was fabricated in the same manner except that pm was used instead of the hole conduction layer solution, and the characteristics of the produced solar cell are shown in Table 1 below.
[비교예 5][Comparative Example 5]
상기 홀 전도층 용액을 po대신 상업적으로 판매하는 pp를 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였으며, 제조된 태양전지의 특성은 하기 표 1에 나타내었다.
The solar cell was manufactured in the same manner except that the hole conduction layer solution was replaced with a commercially available pp instead of the po. The properties of the produced solar cell are shown in Table 1 below.
표 1에서 보이는 바와 같이 본 발명의 정공전달 화합물을 채용한 태양전지가 기존의 정공전달 화합물을 채용한 태양전지와 대비하여 매우 높은 효율을 가진다.
As shown in Table 1, the solar cell employing the hole transport compound of the present invention has a very high efficiency as compared with the solar cell employing the conventional hole transport compound.
[실시예 3][Example 3]
다공성 TiOPorous TiO 22 박막 기판 제조 Thin Film Substrate Manufacturing
불소 함유 산화주석이 코팅된 유리 기판(FTO; F-doped SnO2, 8 ohms/cm2, Pilkington, 이하 FTO 기판(제1전극))을 25 x 25 mm 크기로 절단한 후, 끝 부분을 에칭하여 부분적으로 FTO를 제거 하였다.After cutting a glass substrate (FTO: F-doped SnO 2 , 8 ohms / cm 2 , Pilkington, hereinafter referred to as FTO substrate (first electrode)) coated with fluorine-containing tin oxide to a size of 25 x 25 mm, Partially removing the FTO.
절단 및 부분 에칭된 FTO 기판 위에 금속산화물 박막으로서 50 nm 두께의 TiO2 치밀막을 분무 열분해법으로 제조하였다. 분무 열분해는 20 mM titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) 용액(Aldrich)을 이용하여 수행되었으며, 450 ℃로 유지된 열판위에 올려진 FTO 기판위에 3초간 분무하고 10초간 정지하는 방법을 되풀이하는 방법으로 두께를 조절하였다.A 50 nm thick TiO 2 dense film as a metal oxide thin film was prepared by spray pyrolysis on the cut and partially etched FTO substrate. Spray pyrolysis was carried out using a 20 mM titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate) solution (Aldrich), sprayed for 3 seconds on a FTO substrate placed on a hot plate maintained at 450 ° C, and stopped for 10 seconds. Respectively.
평균 입자크기(직경) 50 nm의 TiO2 분말 (TiO2 기준으로 1 중량%가 용해된 titanium peroxocomplex 수용액을 250℃에서 12시간 수열처리하여 제조)에, 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)가 10 중량 %로 에틸알콜에 용해된 에틸 셀룰로오스 용액을, TiO2 분말 1g당 5 ml 첨가하고, 테르피놀(terpinol)을 TiO2 분말 1 g당 5 g 첨가하여 혼합한 후, 에틸 알콜을 감압 증류법으로 제거하여 TiO2 페이스트를 제조하였다.TiO 2 powder having an average particle size (diameter) of 50 nm (prepared by hydrothermally treating titanium peroxocomplex aqueous solution of 1 wt% based on TiO 2 dissolved therein at 250 ° C for 12 hours) was mixed with 10% by weight of ethyl cellulose acetate the ethyl cellulose solution in an alcohol, then a solution was added 5 ml per TiO 2 powder 1g, adding the hotel pinol (terpinol) 5 g per 1 g TiO 2 powder, and the ethanol removed by vacuum distillation TiO 2 Paste.
제조된 TiO2 분말 페이스트에 2-메톡시에탄올을 첨가하여 스핀 코팅용 TiO2 슬러리를 제조하였다. FTO 기판의 TiO2 박막 위에, 스핀 코팅용 TiO2 슬러리를 이용하여 스핀 코팅 방법으로 코팅하고 500 ℃에서 60 분 동안 열처리한 후, 60 ℃의 30 mM TiCl4 수용액에 열처리된 기판을 담그고, 30 분 동안 방치한 후, 탈이온수와 에탄올로 세척 및 건조하고 다시 500 ℃에서 30분 동안 열처리하여 다공성 TiO2 박막(다공성 전자전달체, 두께; 100 nm)을 제조하였다. 2-methoxyethanol was added to the prepared TiO 2 powder paste to prepare a TiO 2 slurry for spin coating. The TiO 2 thin film of the FTO substrate was coated with a TiO 2 slurry for spin coating by a spin coating method and heat-treated at 500 ° C. for 60 minutes. Subsequently, the substrate which had been thermally treated was immersed in a 30 mM aqueous solution of TiCl 4 at 60 ° C., , Washed with deionized water and ethanol, dried, and then heat-treated at 500 ° C for 30 minutes to prepare a porous TiO 2 thin film (porous electron transporting material, thickness: 100 nm).
광흡수체 용액 제조Fabrication of light absorber solution
250 mL 2구 둥근 플라스크에 NH2CH=NH2I (=FAI)과 CH3NH3Br(=MABr)을 DMF:DMSO(6:1, v/v) 혼합용액에 용해된 PbI2 과 PbBr2에 혼합하여, 1.05 M 농도의 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15 페로브스카이트 용액을 제조하였다.NH 2 CH = NH 2 I (= FAI) and CH 3 NH 3 Br (= MABr) were added to PbI 2 and PbBr 2 dissolved in a DMF: DMSO (6: 1, v / v) mixed solution in a 250 mL two- (FAPbI 3 ) 0.85 (MAPbBr 3 ) 0.15 perovskite solution with a concentration of 1.05 M was prepared by mixing.
페로브스카이트 광흡수체 제조Manufacture of perovskite light absorbers
상기에서 제조된 다공성 TiO2 박막 기판(mp-TiO2/bl-TiO2/FTO)상에 상기에서 제조된 광흡수체 용액((FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15 페로브스카이트 용액)을 1000 rpm으로 5초 동안 코팅하고 다시 5000 rpm으로 1초동안 코팅하여 100℃에서 10분동안 건조하여 광흡수체를 제조하였다. 여기서 두 번째 스핀코팅단계에서 기재상에 1mL의 디에틸에테르를 dropwise하였다.The optical absorber solution ((FAPbI 3 ) 0.85 (MAPbBr 3 ) 0.15 perovskite solution) prepared above was coated on the porous TiO 2 thin film substrate (mp-TiO 2 / bl-TiO 2 / FTO) rpm for 5 seconds, coated again at 5000 rpm for 1 second, and dried at 100 캜 for 10 minutes to prepare a light absorber. Here, 1 mL of diethyl ether was dropwise added to the substrate in the second spin-coating step.
홀 전도층 형성을 위한 홀 전도층 용액제조Preparation of hole conduction layer solution for forming hole conduction layer
홀 전도층을 형성하기위해 상기 실시예 1에서 제조된 정공전도체인(N2,N2', N7, N7'-tetrakis(2-methoxyphenyl)-N2, N2', N7, N7'-tetrakis(4-methoxyphenyl)The (N 2, N 2 a hole conductor prepared in Example 1 to form a hole conducting layer ', N 7, N 7' -tetrakis (2-methoxyphenyl) -N 2, N 2 ', N 7, N 7 ' -tetrakis (4-methoxyphenyl)
-9,9'spirobi[fluorene]-2,2',7,7'tetraamine, po)를 톨루엔에 녹여 농도가 30 mg/ml인 정공전도체 용액을 제조하고 여기에 첨가제로 21.5 ㎕ Li-bis(trifluoromethanesulfonyl) imide (Li-TFSI)/acetonitrile (170 mg/1 ml), 21.5 ㎕ TBP(4-tert-Butylpyridine), 및 19.8 ㎕ tris(2-(1H-pyrazol-1-yl)-4-tert-butylpyridine)-cobalt(III) tris(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide:(FK209)/acetonitrile (150 mg/1 ml) 를 첨가하여 홀 전도층 용액를 제조하였다.-9,9'spirobi [fluorene] -2,2 ', 7,7' tetraamine, po) were dissolved in toluene to prepare a hole conductor solution having a concentration of 30 mg / ml, and 21.5 [ (4-tert-butylpyridine), and 19.8 占 퐇 of tris (2- (1H-pyrazol-1-yl) -4-tert-butoxycarbonyl) imide (Li-TFSI) / acetonitrile (170 mg / butylpyridine-cobalt (III) tris (trifluoromethylsulfonyl) imide: (FK209) / acetonitrile (150 mg / 1 ml) was added to prepare a hole conduction layer solution.
무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지제조Manufacture of organic / organic hybrid perovskite solar cells
상기에서 제조된 다공성 전극에 상기에서 제조된 광흡수 구조체가 형성된 복합층상에 상기에서 제조된 홀 전도층 용액을 3000rpm으로 30초 동안 스핀코팅하여 홀 전도층을 형성하였다.The hole conductive layer solution prepared above was spin-coated at 3000 rpm for 30 seconds on the composite layer formed with the light absorbing structure manufactured above to form a hole conductive layer.
이후, 홀 전도층의 상부에 고진공(5x10-6 torr 이하)의 열 증착기(thermal evaporator)로 Au를 진공 증착하여, 두께가 70 nm인 Au 전극(제2전극)을 형성하여 Au/(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15(CuPC)/mp-TiO2/bl-TiO2/FTO 형태의 태양전지를 제조하였다. Thereafter, an Au electrode (second electrode) having a thickness of 70 nm was formed on the hole conduction layer by vacuum evaporation of Au with a thermal evaporator (5 × 10 -6 torr or less) using a thermal evaporator to form Au / (FAPbI 3 ) 0.85 (MAPbBr 3 ) 0.15 (CuPC) / mp-TiO 2 / bl-TiO 2 / FTO type solar cell.
이러한 전극의 활성면적은 0.16 cm2이었다.The active area of this electrode was 0.16 cm 2 .
제조된 태양전지의 특성은 하기 표 2에 나타내었다.
The characteristics of the produced solar cell are shown in Table 2 below.
[실시예 4][Example 4]
상기 실시예 3에서 홀 전도층 형성을 위한 홀 전도층 용액제조시, 첨가제로 0.61 mg의 copper (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine(tert-butylCuPC)를 더 첨가하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였으며, 이의 특성은 하기 표 2에 나타내었다.
Example holes when the conductive layer forming solution for hole conduction layer made from 3, copper (II) 0.61 mg of the additive 2,9,16,23-tetra- tert -butyl-29 H , 31 H -phthalocyanine (tert -butylCuPC) was further added, and the properties thereof are shown in Table 2 below.
[실시예 5][Example 5]
상기 실시예 3에서 홀 전도층 형성을 위한 홀 전도층 용액제조시, 첨가제로 1.51 mg의 copper (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine(tert-butylCuPC)를 더 첨가하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였으며, 이의 특성은 하기 표 2에 나타내었다.
Example holes when the conductive layer forming solution for hole conduction layer made from 3, copper (II) 1.51 mg of the additive 2,9,16,23-tetra- tert -butyl-29 H , 31 H -phthalocyanine (tert -butylCuPC) was further added, and the properties thereof are shown in Table 2 below.
[실시예 6][Example 6]
상기 실시예 3에서 홀 전도층 형성을 위한 홀 전도층 용액제조시, 첨가제로 3.0 mg의 copper (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine(tert-butylCuPC, CuPC)를 더 첨가하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였으며, 이의 특성은 하기 표 2에 나타내었다.
Example holes when the conductive layer forming solution for hole conduction layer made from 3, 3.0 mg of an additive copper (II) 2,9,16,23-tetra- tert -butyl-29 H, 31 H -phthalocyanine (tert -butylCuPC, CuPC) was further added, and the properties thereof are shown in Table 2 below.
[비교예 6][Comparative Example 6]
상기 실시예 3에서 홀 전도층 형성을 위한 홀 전도층 용액제조시, 첨가제로 6.01 mg의 copper (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butyl-29H,31H-phthalocyanine(tert-butylCuPC, CuPC)를 더 첨가하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였으며, 이의 특성은 하기 표 2에 나타내었다.
Example holes when the conductive layer forming solution for hole conduction layer made from 3, of 6.01 mg copper (II) as an additive 2,9,16,23-tetra- tert -butyl-29 H , 31 H -phthalocyanine (tert -butylCuPC, CuPC) was further added, and the properties thereof are shown in Table 2 below.
표 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 화학식 8로 표시되는 화합물인 CuPC를 상기 홀 전도층에 더 첨가함으로써, 향상된 전류 검출저항(Rshunt)을 가짐을 알 수 있다. As shown in Table 2, it can be seen that CuPC, which is a compound represented by Formula 8 according to the present invention, is further added to the hole conduction layer to have an improved current detection resistance (R shunt ).
즉, 전자 블로킹 특성을 향상되어 보다 우수한 광전변환효율(PCE)을 구현할 수 있는 것이다.That is, the electron blocking property is improved and a better photoelectric conversion efficiency (PCE) can be realized.
Claims (9)
[화학식 1]
[상기 화학식 1에서,
Z1 내지 Z4 및 Z11 내지 Z14는 서로 독립적으로 O, S 또는 Se이며;
R1 내지 R4 및 R11 내지 R14는 서로 독립적으로 (C1-C7)알킬이다.]A hole transport compound for a non-organic / organic hybrid perovskite solar cell represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
[In the above formula (1)
Z 1 to Z 4 and Z 11 to Z 14 are independently of each other O, S or Se;
R 1 to R 4 and R 11 to R 14 independently of one another are (C 1 -C 7) alkyl]
상기 Z1 내지 Z4 및 Z11 내지 Z14는 서로 독립적으로 O 또는 S이며;
R1 내지 R4 및 R11 내지 R14는 서로 독립적으로 (C1-C3)알킬인 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달화합물.The method according to claim 1,
Wherein Z 1 to Z 4 and Z 11 to Z 14 are independently of each other O or S;
Wherein R 1 to R 4 and R 11 to R 14 are each independently (C 1 -C 3) alkyl.
상기 Z1 내지 Z4는 O이며;
R1 내지 R4는 서로 독립적으로 (C1-C3)알킬인 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달화합물.3. The method of claim 2,
Z 1 to Z 4 are O;
And R < 1 > to R < 4 > independently of one another are (C1-C3) alkyl.
상기 화학식 1은 하기 화학식 1-1로 표시되는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달화합물.
[화학식 1-1]
[상기 화학식 1-1에서,
Z11 내지 Z14는 서로 독립적으로 O, S 또는 Se이며;
R11 내지 R14는 서로 독립적으로 (C1-C7)알킬이다.]The method according to claim 1,
The hole transporting compound for organic / inorganic hybrid perovskite type solar cells is represented by the following formula (1-1).
[Formula 1-1]
[In the formula 1-1,
Z 11 to Z 14 independently of one another are O, S or Se;
R 11 to R 14 are each independently (C 1 -C 7) alkyl]
[화학식 1]
[상기 화학식 1에서,
Z1 내지 Z4 및 Z11 내지 Z14는 서로 독립적으로 O, S 또는 Se이며;
R1 내지 R4 및 R11 내지 R14는 서로 독립적으로 (C1-C7)알킬이다]A solar cell comprising a hole transporting layer for a hole transporting compound for a non-organic / organic hybrid perovskite solar cell represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
[In the above formula (1)
Z 1 to Z 4 and Z 11 to Z 14 are independently of each other O, S or Se;
R 1 to R 4 and R 11 to R 14 independently of one another are (C 1 -C 7) alkyl]
상기 홀 전도층은 프탈로시아닌 유도체를 더 포함하는 것인 태양전지.6. The method of claim 5,
Wherein the hole conduction layer further comprises a phthalocyanine derivative.
상기 프탈로시아닌 유도체는 하기 화학식 8로 표시되는 것인 태양전지.
[화학식 8]
[상기 화학식 8에서,
M은 구리(Cu), 아연(Zn), 코발트(Co), 납(Pb), 은(Ag), 마그네슘(Mg), 철(Fe) 티타닐(titanyl) 또는 바나딜(vanadyl)이며;
R21 내지 R24는 서로 독립적으로 수소, (C1-C7)알킬, (C1-C7)알콕시 또는 술폰산기(-SO3H)이다]The method according to claim 6,
Wherein the phthalocyanine derivative is represented by the following general formula (8).
[Chemical Formula 8]
[In the formula (8)
M is copper, zinc, cobalt, lead, silver, magnesium, iron, titanyl or vanadyl;
R 21 to R 24 independently represent hydrogen, (C 1 -C 7) alkyl, (C 1 -C 7) alkoxy or sulfonic acid group (-SO 3 H)
상기 프탈로시아닌 유도체는 상기 무/유기 하이브리드 페로브스카이트계 태양전지용 정공전달화합물 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 15 중량부로 포함되는 것인 태양전지.8. The method of claim 7,
Wherein the phthalocyanine derivative is contained in an amount of 0.1 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the hole transporting compound for the organic / organic hybrid perovskite type solar cell.
상기 태양전지는 제1전극; 제1전극상 위치하며 광흡수체가 함입된 복합층; 상기 복합층 상부에 위치하며 광흡수체로 이루어진 광흡수 구조체; 상기 광흡수 구조체 상부에 위치하는 홀 전도층; 및 상기 홀 전도층 상부에 위치하는 제2전극; 을 포함하는 태양전지.6. The method of claim 5,
The solar cell includes a first electrode; A composite layer on which the light absorber is embedded, the composite layer being positioned on the first electrode; A light absorbing structure disposed on the composite layer and made of a light absorbing material; A hole conduction layer disposed on the light absorbing structure; And a second electrode located above the hole conductive layer; ≪ / RTI >
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