KR20170038397A - Solar cell of hybrid type and method for fabricating thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페로브스카이트 반도체층 및 n형 고분자를 포함하는 광활성층이 결합된 하이브리드형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell, and more particularly, to a hybrid solar cell in which a photoactive layer including a perovskite semiconductor layer and an n-type polymer are combined, and a method of manufacturing the same.
인류의 지속가능한 성장을 위하여 친환경 에너지원에 대한 필요성이 대두됨에 따라 태양전지 분야는 미래 에너지원으로서 큰 주목을 받고 있다. 그 중에서도 3세대 태양전지는 높은 광흡수도(absorption coefficient) 및 손쉬운 공정으로 인하여, 최근 가장 각광받고 있는 분야이다. 이러한 3세대 태양전지의 가장 대표주자인 유기태양전지는 광활성을 띠는 공액 고분자를 유기용매에 녹여 손쉽게 소자 제작이 가능할 뿐만 아니라, 기계적 휘어짐과 경량성까지 함께 갖추고 있어, 차세대 태양전지로서 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 많은 연구 결과로 현재, 유기태양전지는 단일 효율 10%를 달성하였으며, 가시광선에서 적외선에 이르기까지 다양한 흡광 영역을 가지는 물질도 개발되었으나, 근본적으로 고분자가 가지는 낮은 전하 이동도로 인해, 효율에 많은 제약을 받고 있는 실정이다.As the need for environmentally friendly energy sources for the sustainable growth of human beings is emerging, the solar cell field has received great attention as a future energy source. Among them, the third generation solar cell is the most popular field recently due to its high absorption coefficient and easy process. Organic solar cell, which is the most representative of 3rd generation solar cells, is not only easy to fabricate devices by dissolving conjugated polymers with optically active substances in organic solvents, but also combines mechanical warpage and light weight. . As a result of these studies, organic solar cells have achieved a single efficiency of 10%, and materials having various light absorption regions ranging from visible light to infrared light have been developed. However, due to the low charge transfer of polymers, It is constrained.
최근에는, 유무기 하이브리드 페로브스카이트가 우수한 전기적, 광학적 특성을 바탕으로 불과 5여년 사이에 최고 효율 20%에 이르는 가파른 성장을 보이고 있다. 이 페로브스카이트는 유기태양전지와 유사하게 직접 천이형 밴드(direct transition band)로 인하여 높은 광흡수도를 가지고 있을 뿐만 아니라, 간단한 용액 공정을 통해서도 높은 결정성을 가지는 박막형성이 가능하고, 높은 전하 이동도와 매우 낮은 엑시톤 결합 에너지(exciton binding energy) 등의 우수한 특성을 가지고 있다. 그러나, 현재까지 개발된 고성능의 페로브스카이트는 모두 가시광선 영역의 흡광 능력만을 가지고 있어, 적외선 영역에 해당하는 태양빛의 상당한 부분은 이용하지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 현재의 페로브스카이트 태양전지의 성능을 향상시켜, 이론적인 최고 성능을 구현하고 경제적 가치를 증대시키기 위해서는 보다 넓은 흡광영역의 빛을 이용할 필요가 있다.In recent years, based on excellent electrical and optical characteristics, the organic hybrid perovskite shows a steep growth rate of up to 20% in only five years. This perovskite has high light absorption due to a direct transition band similar to an organic solar cell, and it can form a thin film having high crystallinity even by a simple solution process, Mobility and extremely low exciton binding energy. However, the high-performance perovskite developed to date has only the light absorbing ability in the visible light region, so that a significant portion of the sunlight corresponding to the infrared light region is not available. Therefore, in order to improve the performance of the current perovskite solar cell, to achieve the theoretical maximum performance and to increase the economic value, it is necessary to utilize a wider light absorption region.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 유기태양전지의 벌크 헤테로 접합(bulk hetero junction)층을 페로브스카이트와 접목시키는 방법이 보고되고 있다. 이 방법은 적외선 영역에서 흡수를 가지는 유기태양전지와 가시광선 영역에서 우수한 흡수를 가지는 페로브스카이트 태양전지를 결합한 것으로, 기존의 직렬 또는 병렬형의 적층형(tandem) 구조와는 달리, 두 광활성층 사이에 중간층이 존재하지 않아 공정을 간소화할 수 있으며, 전류 맞춤(current matching) 이나 전압 맞춤(voltage matching)이 요구되지 않는 장점이 가진다. 그러나, 현재까지 보고된 유기태양전지/페로브스카이트 결합 태양전지는 여전히 유기태양전지가 가지는 낮은 전하 이동도로 인하여, 단일 페로브스카이트 태양전지에 비하여 낮은 성능을 보이며, 많은 제약을 받고 있다.In order to solve such a problem, recently, a method of combining a bulk hetero junction layer of an organic solar cell with perovskite has been reported. This method combines an organic solar cell having absorption in the infrared region and a perovskite solar cell having excellent absorption in the visible light region, and unlike the conventional tandem structure in series or parallel type, the two photoactive layers The process can be simplified and no current matching or voltage matching is required. However, the organic solar cell / perovskite-coupled solar cell reported so far still exhibits lower performance than the single perovskite solar cell due to the low charge mobility of the organic solar cell, and has been limited by many restrictions.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전하 이동도를 향상시켜 넓은 흡광영역의 빛을 이용할 수 있는 태양전지를 제공하는 데에 있다.A problem to be solved by the present invention is to provide a solar cell capable of improving charge mobility and utilizing light in a wide light absorption region.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 제1 전극, 상기 제 1전극과 대향하여 배치된 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치된 페로브스카이트(perovskite) 반도체층 및 상기 페로브스카이트 반도체층 및 상기 제2 전극 사이에 배치된 광활성층을 포함하며, 상기 광활성층은 n형 고분자, 전자주개 물질 및 전자받개 물질이 혼합된 벌크 헤테로 접합(bulk hetero junction) 구조인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지를 제공할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device including a first electrode, a second electrode disposed opposite to the first electrode, a perovskite semiconductor disposed between the first electrode and the second electrode, And a photoactive layer disposed between the perovskite semiconductor layer and the second electrode, wherein the photoactive layer is a bulk hetero junction in which an n-type polymer, an electron donor material, and an electron acceptor material are mixed, Type solar cell according to the present invention.
상기 n형 고분자는 폴리((N,N'-비스(2-옥틸도세실)-나프탈렌-1,4,5,8-비스(디카르복시이미드)-2,6-디일)-얼트-5,5'-(2,2'-바이티오펜)(P(NDI2OD-T2)), 폴리벤즈이미다조벤조난타트롤린(BBL), N,N'-디퍼플루오로페닐-3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭디이미드(DFPP) 및 폴리피리도퀴노자일린(polypyridoquinoxaline) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질일 수 있다. The n-type polymer may be a poly ((N, N'-bis (2-octyldodecyl) -naphthalene-1,4,5,8- 5'- (2,2'-bithiophene) (P (NDI2OD-T2)), polybenzimidazobenzonanthatroline (BBL), N, N'-difluorophenyl- Perylene tetracarboxylic diimide (DFPP), and polypyridoquinoxaline (polypyridoquinoxaline) may be used.
상기 전자주개 물질은 3,6-비스(5-브로모티오펜-2-일)-2,5-비스(2-헥실데실)피롤(3,4-c)피롤-1,4(2H, 5H)-디온(PDPP2T), 폴리-3-헥실티오펜(P3HT), 폴리-3-폴리-3-옥틸티오펜(P3OT), 폴리파라페닐렌비닐렌(PPV), 폴리(디옥틸플루오렌), 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)(MEHPPV), 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌비닐렌(MDMO-PPV), 폴리(2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일(4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-사이클로펜타(2,1-b:3,4-b`)디티오펜-2,6-디일))(PCPDTBT) 및 이들의 유도체 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 공액고분자일 수 있다. The electron donor material may be selected from the group consisting of 3,6-bis (5-bromothiophen-2-yl) -2,5-bis (2-hexyldecyl) pyrrole (3,4- (PDPP2T), poly-3-hexylthiophene (P3HT), poly-3-poly-3-octylthiophene (P3OT), polyparaphenylenevinylene (PPV) , Poly (2-methoxy, 5- (2-ethyl-hexyloxy) -1,4-phenylenevinylene) (MEHPPV) (MDMO-PPV), poly (2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl (4,4-bis (2-ethylhexyl) -4H -Cyclopenta (2,1-b: 3,4-b`) dithiophene-2,6-diyl)) (PCPDTBT) and derivatives thereof.
상기 전자받개 물질은 플러렌(fullerene), 6,6-페닐-C61-부틸릭엑시드메틸에스터(PCBM(C61)), PCBM(C60), PCBM(C70), PCBM(C71), PCBM(C76), PCBM(C80), PCBM(C82), indene-C60 bisadduct (ICBA) 및 6,6-페닐-C61-부틸릭엑시드콜레스테릴에스터(PCBCR) 중에서 선택되는 플러렌 유도체, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole) 및 페릴렌(perylene) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질일 수 있다. The electron acceptor material fullerenes (fullerene), 6,6- phenylene -C 61 - butyl rigs Acid methyl ester (PCBM (C 61)), PCBM (C 60), PCBM (C 70), PCBM (C 71), PCBM (C 76), PCBM ( C 80), PCBM (C 82), indene-C60 bisadduct (ICBA) and 6,6-phenyl-butyl -C61- rigs Acid cholesteryl the fullerene is selected from the ester (PCBCR) derivative, Polybenzimidazole, perylene, and the like may be used.
상기 제1 전극 및 상기 페로브스카이트 반도체층 사이에 배치된 정공수송층을 더 포함할 수 있다.And a hole transport layer disposed between the first electrode and the perovskite semiconductor layer.
상기 정공수송층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(4-스티렌설포네이트)(PEDOT/PSS), 폴리아닐린/캠퍼술폰산(PANI/CSA) 폴리아닐린/폴리(4-스티렌설포네이트)(PANI/PSS) 및 폴리아닐린/도데실벤젠술폰산(PANI/DBSA) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 전도성 고분자, 몰리브덴 산화물(MoOx), 바나듐 산화물(V2O5), 니켈 산화물(NiO) 및 텅스텐 산화물(WOx) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 산화물일 수 있다.The hole transport layer may comprise at least one of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (4-styrenesulfonate) (PEDOT / PSS), polyaniline / camphorsulfonic acid (PANI / CSA) polyaniline / poly PANI / PSS) and polyaniline / dodecylbenzene sulfonic acid (PANI / DBSA) at least one of the conductive polymer, molybdenum oxide (MoOx), vanadium oxide is selected from (V 2 O 5), nickel oxide (NiO), and tungsten oxide ( WOx). ≪ / RTI >
상기 광활성층 및 상기 제2 전극 사이에 배치된 전자수송층을 더 포함할 수 있다.And an electron transport layer disposed between the photoactive layer and the second electrode.
본 발명의 다른 측면은, 기판 상에, 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 상에 페로브스카이트 반도체층을 형성하는 단계, 상기 페로브스카이트 반도체층 상에 광활성층을 형성하는 단계 및 상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 광활성층은 n형 고분자, 전자주개 물질 및 전자받개 물질의 벌크 헤테로 접합(bulk hetero junction) 구조인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지의 제조방법을 제공할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a first electrode on a substrate; forming a perovskite semiconductor layer on the first electrode; forming a photoactive layer on the perovskite semiconductor layer And forming a second electrode on the photoactive layer, wherein the photoactive layer is a bulk heterojunction structure of an n-type polymer, an electron donor material, and an electron acceptor material. A method of manufacturing a solar cell can be provided.
상기 광활성층을 형성하는 단계는 유기용매에 상기 n형 고분자, 상기 전자주개 물질 및 상기 전자받개 물질을 용해시켜 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 상기 페로브스카이트 반도체층 상에 도포한 후 건조시켜 광활성층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. The step of forming the photoactive layer includes the steps of: preparing a mixture by dissolving the n-type polymer, the electron donor and the electron acceptor material in an organic solvent, and applying the mixture to the perovskite semiconductor layer, To form a photoactive layer.
상기 유기용매는 클로로벤젠(chlorobenzene), 디클로로벤젠(dichlorobenzene), 클로로포름(chloroform), 디페닐에테르(diphenyl ether, DPE), 다이아이오도옥테인(1-8 diodoctane, DIO), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide, DMAC) 및 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질일 수 있다. The organic solvent may be selected from the group consisting of chlorobenzene, dichlorobenzene, chloroform, diphenyl ether (DPE), diiodoctane (DIO), dimethylacetamide, DMAC) and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
상기 유기용매는 전체 중량부에 대하여 1중량% 내지 10중량%의 디페닐에테르 또는 다이아이오도옥테인을 포함할 수 있다.The organic solvent may include 1 to 10% by weight of diphenyl ether or diiodoctane based on the total weight of the organic solvent.
상기 제1 전극 및 상기 페로브스카이트 반도체층 사이에 정공수송층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.And forming a hole transport layer between the first electrode and the perovskite semiconductor layer.
상기 광활성층 및 상기 제2 전극 사이에 전자수송층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.And forming an electron transport layer between the photoactive layer and the second electrode.
본 발명은 광활성층에 n형 고분자를 추가적으로 도입하여 전지의 전자 이동도를 증대시켜 외부양자효율 및 전지의 성능을 개선할 수 있다.The present invention can improve the external quantum efficiency and the performance of the battery by increasing the electron mobility of the cell by additionally introducing the n-type polymer into the photoactive layer.
또한, 전자 이동도가 개선된 광활성층에 페로브스카이트 반도체층을 결합한 구조를 통해 근적외석 영역에서의 광감응도 및 낮은 필팩터(FF)를 향상시킬 수 있다.Further, through the structure in which the perovskite semiconductor layer is combined with the photoactive layer having improved electron mobility, the photo sensitivity and the low fill factor (FF) can be improved in the near-infrared region.
다만, 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들을 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2(a) 내지 도 2(b)는 본 발명의 실시예1에서 제조된 태양전지의 구조를 나타낸 모식도 및 단면SEM이미지이다.
도 3(a) 내지 도 3(f)는 본 발명의 실시예1 및 비교예1 내지 비교예2에서 제조된 광활성층의 TEM이미지 및 AMF이미지이다.
도 4(a) 내지 도 4(b)는 본 발명의 실시예1 및 비교예1 내지 비교예2에서 제조된 광활성층의 흡수계수 및 전하 이동도 측정결과를 나타낸 도표이다.
도 5(a) 내지 도 5(c)는 본 발명의 실시예1 및 비교예1 내지 비교예2에서 제조된 태양전지의 전류-전압 측정결과를 나타낸 도표이다.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 본 발명의 실시예1 및 비교예1 내지 비교예2에서 제조된 태양전지의 광전변환효율(PCE), 필팩터(FF) 및 외부양자효율(EQE) 측정결과를 나타낸 도표이다.
도 7(a) 내지 도 7(b)는 실시예1의 전자주개 고분자 및 전자받개 고분자 물질의 혼합비율에 따른 전류-전압 특성 및 외부양자효율을 나타낸 도표이다.1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a hybrid type solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 (a) to 2 (b) are schematic and sectional SEM images showing the structure of the solar cell manufactured in Example 1 of the present invention.
3 (a) to 3 (f) are TEM images and AMF images of the photoactive layer prepared in Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 to 2.
4 (a) to 4 (b) are graphs showing absorption coefficient and charge mobility measurement results of the photoactive layer prepared in Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 to 2. FIG.
5 (a) to 5 (c) are graphs showing current-voltage measurement results of the solar cell manufactured in Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 to 2.
6 (a) to 6 (c) show the photoelectric conversion efficiency (PCE), the fill factor (FF) and the external quantum efficiency (EQE) of the solar cell manufactured in Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 to 2 ). Fig.
7A to 7B are graphs showing current-voltage characteristics and external quantum efficiency according to the mixing ratio of the electron donor polymer and the electron acceptor polymer material of Example 1. FIG.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참고번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. Rather, the intention is not to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather, the invention includes all modifications, equivalents and substitutions that are consistent with the spirit of the invention as defined by the claims. Like reference numerals throughout the specification denote like elements.
본 발명은 페로브스카이트 반도체층 및 벌크 헤테로 접합 구조의 광활성층이 결합된 하이브리드형 태양전지를 제공할 수 있다. 구체적으로, 상기 하이브리드형 태양전지는 제1 전극 상에 배치된 페로브스카이트 반도체층, 상기 페로브스카이트 반도체층 상에 배치되며, 전자주개(electron donor) 물질, 전자받개(electron acceptor) 물질 및 n형 고분자(n-type polymer)를 포함하는 광활성층 및 상기 광활성층 상에 배치된 제2 전극을 포함할 수 있다.The present invention can provide a hybrid type solar cell in which a perovskite semiconductor layer and a photoactive layer of a bulk heterojunction structure are combined. Specifically, the hybrid type solar cell includes a perovskite semiconductor layer disposed on the first electrode, an electron donor material, an electron acceptor material And a n-type polymer, and a second electrode disposed on the photoactive layer.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하여 본 발명의 하이브리드형 태양전지의 제조방법을 설명한다. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a hybrid type solar cell according to an embodiment of the present invention. A manufacturing method of the hybrid type solar cell of the present invention will be described with reference to FIG.
먼저, 기판(10) 상에 제1 전극(100)을 형성하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 기판(10)은 효율적인 광입사를 위하여 투명성을 가진 기판을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 유리 기판, 석영(quartz) 기판 및 사파이어(Al2O3) 기판에서 선택되는 투명 무기물 기판 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리스티렌(polystylene, PS) 및 이들의 조합에서 선택되는 투명 유기물 기판을 포함할 수 있다. First, a step of forming the
본 발명에서, 상기 제1 전극(100)은 애노드(anode) 역할을 수행하는 것으로, 상기 제2 전극(500)의 일함수(work function)보다 큰 물질을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극(100)은 투명 전도성 산화물층 또는 전도성 고분자로 형성된 것일 수 있다. 상기 투명 전도성 산화물층은, 예를 들어, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 불소 도핑된 산화 주석(fluorine doped tin oxide, FTO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 산화아연-산화갈륨(ZnO-Ga2O3) 또는 산화아연-산화알루미늄(ZnO-Al2O3)일 수 있다. 또한, 상기 전도성 고분자는, 예를 들어, 폴리티오펜(polythiophene), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(4-스티렌설포네이트)(PEDOT/PSS), 폴리아닐린/캠퍼술폰산(PANI/CSA), 폴리아닐린/폴리(4-스티렌설포네이트)(PANI/PSS) 및 폴리아닐린/도데실술폰산(PANI/DBSA) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. In the present invention, the
상기 기판(10) 상에 상기 제1 전극(100)을 형성하는 것은 전자빔 증착(electron beam evaporation)법, 스퍼터링(sputtering)법 또는 열 기상증착(thermal evaporation)법을 이용할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.The
그런 다음, 상기 제1 전극(100) 상에 페로브스카이트 반도체층(200)을 형성하는 단계를 수행하기 이전에, 상기 제1 전극(100) 상에 정공수송층(150)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The step of forming the
상기 정공수송층(150)은 상기 광활성층(300)에서 분리된 정공(hole)이 상기 페로브스카이트 반도체층(200)을 거쳐 상기 제1 전극(100)으로 수송되는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 정공수송층(150)은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(4-스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(4-styrenesulfonate), PEDOT/PSS), 폴리아닐린/캠퍼술폰산(polyaniline/camphorsulfonicacid, PANI/CSA) 폴리아닐린/폴리(4-스티렌설포네이트)(polyaniline/poly(4-styrenesulfonate, PANI/PSS), 폴리아닐린/도데실벤젠술폰산(polyaniline/dodecylbenzenesulfonic acid, PANI/DBSA) 및 이들의 유도체 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 전도성 고분자, 몰리브덴 산화물(MoOx), 바나듐 산화물(V2O5), 니켈 산화물(NiO) 및 텅스텐 산화물(WOx) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 산화물을 사용할 수 있다. 상기 제1 전극(100) 상에 상기 정공수송층(150)을 형성하는 단계는, 딥 코팅(dip coating)법, 스핀 코팅(spin coating)법, 스프레이 코팅(spray coating)법, 바 코팅(bar coating)법, 닥터블레이드(doctor blade)법, 잉크젯 프린팅(inkjet printing)법, 스크린 프린팅(screen printing)법 및 그라비아 프린팅(gravure printing)법 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 방법을 이용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. The
이 후, 상기 제1 전극(100) 상에 페로브스카이트 반도체층(200)을 형성하는 단계를 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 상기 제1 전극(100) 상에 상기 정공수송층(150)을 형성한 경우, 상기 정공수송층(150) 상에 상기 페로브스카이트 반도체층(200)을 형성하는 것일 수 있다.Thereafter, a step of forming the
상기 페로브스카이트 반도체층은 통상의 페로브스카이트 반도체 물질을 사용할 수 있다. 페로브스카이트는 AMX3(A, M:양이온, X:음이온) 화학식을 가지며, 반도체, 부도체 및 초전도 현상을 나타내는 물질이다. 본 발명에서의 페로브스카이트 반도체층은 CnH2n + 1NH3MX3의 분자식을 갖는 유기금속할로겐화합물을 사용할 수 있다. 이 때, 상기 n은 1 내지 20의 정수이며, 상기 M은 납(Pb), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 나이오븀(Nb), 지르콘(Zr) 및 세릴륨(Ce)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으며, 상기 X는 할로겐으로, 불소(F), 요오드(I), 브롬(Br) 및 염소(Cl)일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, CH3NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbI2Cl 또는 CH3NH3PbI2Br일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 페로브스카이트 반도체층(200)은 흡광계수가 지수 단위로 높아 우수한 집광효과를 나타낼 수 있어 이를 적용한 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다. 상기 페로브스카이트 반도체층(200)을 형성하는 방법은 통상의 페로브스카이트 증착방법을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 용액공정법, 스핀코팅법, 화학적 기상증착법 또는 물리적 기상증착법을 이용할 수 있다.The perovskite semiconductor layer may be a conventional perovskite semiconductor material. Perovskite has AMX 3 (A, M: cation, X: anion) chemical formula and is a material showing semiconductor, nonconductor and superconducting phenomenon. The perovskite semiconductor layer in the present invention may be an organometallic halogen compound having a molecular formula C n H 2n + 1 NH 3 MX 3 . In this case, n is an integer of 1 to 20, and M is a group consisting of Pb, Sn, Ti, Nb, Zr, and Ce. And X may be halogen, fluorine (F), iodine (I), bromine (Br) and chlorine (Cl). But are not limited to, for example, CH 3 NH 3 PbI 3 , CH 3 NH 3 PbBr 3 , CH 3 NH 3 PbI 2 Cl or CH 3 NH 3 PbI 2 Br. Since the
그런 다음, 상기 페로브스카이트 반도체층(200)에 광활성층(300)을 형성할 수 있다. 상기 광활성층(300)은 n형 고분자, 전자주개 물질 및 전자받개 물질의 벌크 헤테로 접합(bulk hetero junction) 구조로 이루어진 것일 수 있다. 상기 광활성층(300)은 상기 태양전지로 입사된 광을 흡수하여 전자주개 물질에서 생성된 엑시톤(exciton)을 전자와 정공으로 분리시켜 전류를 만들어내는 광전변환층으로 기능할 수 있다. Then, the
상기 광활성층(300)에 포함된, 상기 전자주개 물질은 광을 흡수하는 유기물질일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 전자주개 물질은 근적외선 범위의 광도 효과적으로 흡수할 수 있는 유기물질을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 전자주개 물질은 3,6-비스(5-브로모티오펜-2-일)-2,5-비스(2-헥실데실)피롤(3,4-c)피롤-1,4(2H, 5H)-디온(3,6-bis(5-bromothiophen-2-yl)-2,5-bis(2-hexyldecyl)pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4(2H,5H)-dione, PDPP2T), 폴리-3-헥실티오펜(poly-3-hexylthiophene, P3HT), 폴리-3-폴리-3-옥틸티오펜(poly-3-octylthiophene, P3OT), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly-p-phenylenevinylene, PPV), 폴리(디옥틸플루오렌)(poly(9,9'-dioctylfluorene)), 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)(poly(2-methoxy,5-(2-ethyle-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene, MEHPPV), 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌비닐렌(poly(2-methyl,5-(3',7'-dimethyloctyloxy))-1,4-phenylene vinylene, MDMO-PPV), 폴리(2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일(4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-사이클로펜타(2,1-b:3,4-b`)디티오펜-2,6-디일))(poly(2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl(4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta(2,1-b:3,4-b')dithiophene-2,6-diyl)), PCPDTBT) 및 이들의 유도체 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 공액고분자(conjugated polymer)를 사용할 수 있다.The electron donor material contained in the
상기 광활성층(300)에 포함된, 상기 전자받개 물질은 상기 전자주개 물질로부터 전자를 전달받을 수 있는 유기물질일 수 있다. 구체적으로, 상기 전자받개 물질은 플러렌(fullerene), (6,6)-페닐-C61-부틸릭엑시드메틸에스터(6,6-phenyl-C61-butyricacid-methylester, PCBM(C61)), PCBM(C60), PCBM(C70), PCBM(C76), PCBM(C80), PCBM(C82), indene-C60 bisadduct (1',1'',4',4''-tetrahydro-di[1,4]methanonaphthaleno[5,6]fullerene-C60, ICBA) 및 6,6-페닐-C61-부틸릭엑시드콜레스테릴에스터(6,6-phenyl-C61-butyricacidcholesterylester, PCBCR) 중에서 선택되는 플러렌 유도체, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI) 및 페릴렌(perylene) 중에서 선택되는 어느 하나의 물질을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 전자 주개 물질과 전자 받개 물질의 혼합 비율은 질량비로 보통 1:1 내지 1:5일 수 있으나, 이는 사용하는 물질마다 최적화되는 조건이 달라지기 때문에, 각 물질에 대해서 최적화된 성능을 나타내는 혼합 비율로 조절하여 사용할 수 있다.The electron acceptor material contained in the
본 발명의 광활성층(300)은 상기 전자주개 물질 및 상기 전자받개 물질 뿐만 아니라 n형 고분자를 포함한다. 상기 n형 고분자는 높은 전하 이동도를 가지는 물질로, 이는 상기 전자주개 물질로부터 전달되는 전자를 받아 이동시켜 상기 광활성층(300)의 전자 이동도가 증대되어 전지 성능 및 전력변화효율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 n형 고분자는 폴리((N,N'-비스(2-옥틸도세실)-나프탈렌-1,4,5,8-비스(디카르복시이미드)-2,6-디일)-얼트-5,5'-(2,2'-바이티오펜))((poly((N,N'-bis(2-octyldodecyl)-naphthalene-1,4,5,8-bis(dicarboximide)-2,6-diyl)-alt-5,5'-(2,2'-bithiophene)), P(NDI2OD-T2)), 폴리벤즈이미다조벤조난타트롤린(polybenzimidazobenzophenanthroline, BBL), N,N'-디퍼플루오로페닐-3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭디이미드(N,N'-diperfluorophenyl-3,4,9,10-perylenetetracarboxylicdiimide, DFPP) 및 폴리피리도퀴노자일린(polypyridoquinoxaline) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 n형 고분자로는 0.45 내지 0.85m2/Vs의 높은 전자 이동도를 갖는, P(NDI2OD-T2)를 사용할 수 있다. The
구체적으로, 상기 페로브스카이트 반도체층(200) 상에 상기 광활성층(300)을 형성하는 단계는, 유기용매에 상기 n형 고분자, 상기 전자주개 물질 및 상기 전자받개 물질을 용해시켜 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 상기 페로브스카이트 반도체층 상에 도포한 후 건조시켜 광활성층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. Specifically, the step of forming the
먼저, 유기용매에 상기 n형 고분자, 상기 전자주개 물질 및 상기 전자받개 물질을 용해시켜 혼합물을 제조할 수 있다. 우수한 성능의 태양전지를 구현하기 위해서는 상기 광활성층(300)이 최적화된 벌크 헤테로 접합 구조를 갖는 것이 바람직하므로, 이를 위해, 상기 n형 고분자, 상기 전자주개 물질 및 상기 전자받개 물질이 효과적으로 혼합될 수 있는 유기용매를 사용하여 상기 광활성층(300)의 발광효율을 더욱 향상시킬 수 있다.First, a mixture can be prepared by dissolving the n-type polymer, the electron donor material, and the electron acceptor material in an organic solvent. In order to realize a solar cell with excellent performance, it is preferable that the
상세하게는, 상기 유기용매는 클로로벤젠(chlorobenzene, CB), 디클로로벤젠(dichlorobenzene, DCB), 클로로포름(chloform), 디페닐에테르(diphenyl ether, DPE), 다이아이오도옥테인(1-8 diiodooctane. DIO), 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide, DMAC) 및 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 유기용매는 전체 중량부에 대하여 1중량% 내지 10중량%의 디페닐에테르(DPE) 또는 다이아이오도옥테인(1-8 diiodooctane, DIO)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유기용매는 1중량% 내지 10중량%의 디페닐에테르(DPE) 및 90중량% 내지 99중량%의 클로로벤젠(CB)을 포함하는 것일 수 있다. 상기 디페닐에테르(DPE)는 상기 n형 고분자, 상기 전자주개 물질 및 상기 전자받개 물질이 골고루 혼합된 혼합물을 조성할 수 있어 상기 광활성층(300)의 발광효율을 증대시킬 수 있다. 구체적으로 이는, 하기 실시예 및 도면을 통해 설명할 수 있다. Specifically, the organic solvent is selected from the group consisting of chlorobenzene (CB), dichlorobenzene (DCB), chloroform, diphenyl ether (DPE), diiodooctane ), Dimethylacetamide (DMAC), and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). More specifically, the organic solvent may include 1 to 10% by weight of diphenyl ether (DPE) or diiodooctane (DIO), based on the total weight of the organic solvent. In one embodiment of the present invention, the organic solvent may include 1 to 10% by weight of diphenyl ether (DPE) and 90 to 99% by weight of chlorobenzene (CB). The diphenyl ether (DPE) can form an even mixture of the n-type polymer, the electron donor material, and the electron acceptor material, thereby increasing the luminous efficiency of the
이 후, 상기 유기용매에 상기 n형 고분자, 상기 전자주개 물질 및 상기 전자받개 물질을 용해시킨 혼합물을 상기 페로브스카이트 반도체층(200) 상에 도포한 후 건조시켜 광활성층(300)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 페로브스카이트 반도체층(200) 상에 상기 혼합물을 도포하는 방법은 통상의 고분자 혼합물 도포방법을 이용하여 수행할 수 있으며, 예를 들어, 스핀 코팅(spin coating)법, 잉크젯 프린팅(ink-jet printing)법, 스크린 프린팅(screen printing)법, 캐스팅(casting)법, 닥터블레이드(doctor blade)법 및 진공증착(vacuum evaporation)법을 이용하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. Thereafter, a mixture in which the n-type polymer, the electron donor and the electron acceptor are dissolved in the organic solvent is coated on the
상기 혼합물을 도포한 후, 이를 건조시켜 상기 혼합물에 포함된 유기용매를 제거된 광활성층(300)을 형성할 수 있다. 상기 건조 공정은 일반적인 유기용매 건조방법을 이용하거나, 고진공의 챔버에서의 건조방법 또는 80℃ 정도의 온도분위기 하에서의 건조방법을 수행하는 것일 수 있다. After the mixture is applied, it is dried to form the
실시예에 따라 도 1과 같이, 상기 광활성층(300) 상에 상기 제2 전극(500)을 형성하기 이전에, 상기 광활성층(300) 상에 전자수송층(400)을 형성할 수 있다. 상기 전자수송층(400)은 상기 광활성층(300)에서 생성된 전자를 상기 제2 전극(500)에 효율적으로 전달하는 역할을 수행하는 것일 수 있다. 상기 전자수송층(400)은, 예를 들어, n형 도펀트로 도핑된 산화티타늄(TiO2) 또는 산화아연(ZnO) 등의 금속 산화물 또는 PFN, PEI 등의 쌍극자(dipole)층을 형성시킬 수 있는 고분자일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.1, an
그런 다음, 상기 광활성층(300) 상에 제2 전극을 형성할 수 있다. 상기 광활성층(300) 상에 상기 전자수송층(400)이 형성하는 경우, 상기 전자수송층(400) 상에 상기 제2 전극(500)을 형성하는 것일 수 있다. 상기 제2 전극(500)은 상기 광활성층(300)에서 생성된 전자를 수집하는 캐소드(cathode) 역할을 수행하는 것으로, 금속 전극을 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 제2 전극(500)은, 예를 들어, 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 및 이들의 하나 이상의 합금 중에서 선택되는 금속을 사용할 수 있다.Then, a second electrode may be formed on the
상술한 제조방법을 통해 제조된 본 발명의 하이브리드형 태양전지는 광활성층에 높은 전하 이동도를 갖는 n형 고분자를 포함하고 있어, 광활성층의 전하 이동도를 증대시킬 수 있고, 이에 전지의 성능 및 효율이 향상될 수 있다. The hybrid type solar cell of the present invention, which is manufactured through the above-described manufacturing method, includes the n-type polymer having a high charge mobility in the photoactive layer, thereby increasing the charge mobility of the photoactive layer. The efficiency can be improved.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.
[실시예][Example]
실시예1Example 1 : n형 고분자를 포함하는 : containing an n-type polymer 광활성층이The photoactive layer 배치된 태양전지의 제조 Manufacture of deployed solar cells
도 2(a)와 같이, 유리 기판 상에 스퍼터링법을 이용하여 ITO를 도포하여 제1 전극을 형성한 다음, 상기 기판 상에 PEDOT:PSS 및 VOx를 혼합한 정공수송층 박막을 형성하였다. 상기 정공수송층 상에 (CH3NH3)PbI3로 이루어진 페로브스카이트층을 형성하였다. 그럼 다음, 클로로벤젠(CB)에 디페닐에테르(DPE)를 소량 첨가한 유기용매를 준비하여 상기 유기용매에 전자주개 물질인 PDPP2T(PDPP-TT), 전자받개 물질인 PC71BM과 n형 고분자로 P(NDI2OD-T2)(제품명: N2200)을 용해시킨 혼합물을 제조하였다. 시료별로, 상기 혼합물의 혼합비율은 PDPP2T:PC71BM이 1:0.5, 1:1, 1:1.5, 1:2 및 1:3으로 혼합하였다. 구체적으로, 1:3인 경우 전자주개 고분자인 PDPP2T는 4mg, 전자받개 고분자인 PC71BM은 12mg을 혼합하였으며, n형 고분자는 1mg을 첨가하였다. As shown in FIG. 2 (a), ITO was coated on a glass substrate by sputtering to form a first electrode, and a hole transporting layer thin film in which PEDOT: PSS and VOx were mixed was formed on the substrate. On the hole transport layer (CH 3 NH 3) to form a perovskite teucheung consisting of PbI 3. Then, an organic solvent in which a small amount of diphenyl ether (DPE) was added to chlorobenzene (CB) was prepared, and PDPP2T (PDPP-TT), an electron acceptor material PC 71 BM, and an n-type polymer P (NDI2OD-T2) (product name: N2200) was dissolved. The mixing ratio of the mixture was 1: 0.5, 1: 1, 1: 1.5, 1: 2 and 1: 3 in PDPP2T: PC 71 BM. Specifically, in the case of 1: 3, 4 mg of PDPP2T as an electron donor polymer and 12 mg of PC 71 BM as an electron acceptor polymer were mixed, and 1 mg of n-type polymer was added.
상기 혼합물을 상기 페로브스카이트층 상에 도포한 뒤 건조시켜 광활성층을 형성하였다. 상기 광활성층의 두께는 시료별로 각각 60nm, 100nm, 140nm 및 170nm가 되도록 형성하였다. 상기 광활성층 상에 n형 도핑된 산화티탄(TiO2) 박막을 형성한 뒤 알루미늄(Al)전극을 형성하였다. 제조된 태양전지의 단면 SEM이미지는 도 2(b)와 같다. The mixture was coated on the perovskite layer and then dried to form a photoactive layer. The thickness of the photoactive layer was 60 nm, 100 nm, 140 nm, and 170 nm, respectively, for each sample. An n-type doped titanium oxide (TiO 2 ) thin film was formed on the photoactive layer to form an aluminum (Al) electrode. A sectional SEM image of the manufactured solar cell is shown in Fig. 2 (b).
비교예1: n형 고분자를 포함하지 않는 광활성층(1)Comparative Example 1: Photoactive layer (1) containing no n-type polymer [
상기 실시예1에서 광활성층 형성시 n형 고분자를 혼합하지 않고, 유기용매로 클로로벤젠(CB)만을 사용한 것을 제외하고는, 모든 공정을 동일하게 수행하였다.All the steps were carried out in the same manner as in Example 1, except that chlorobenzene (CB) alone was used as the organic solvent without mixing the n-type polymer in forming the photoactive layer.
비교예2: n형 고분자를 포함하지 않는 광활성층(2)Comparative Example 2:
상기 실시예1에서 광활성층 형성시 n형 고분자를 혼합하지 않은 것을 제외하고는, 모든 공정을 동일하게 수행하였다.All the steps were carried out in the same manner as in Example 1, except that n-type polymers were not mixed when the photoactive layer was formed.
도 3(a) 내지 도 3(f)는 본 발명의 실시예1 및 비교예1 내지 비교예2에서 제조된 광활성층의 TEM이미지 및 AMF이미지이다.3 (a) to 3 (f) are TEM images and AMF images of the photoactive layer prepared in Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 to 2.
도 3(a) 및 도 3(d)는 비교예1에 클로로벤젠만을 유기용매로 사용하여 제조한 광활성층으로 전자주개 고분자인 PDPP2T와 전자받개 고분자인 PC71BM이 잘 섞여있지 않고, 각각 따로 뭉쳐있는 것을 확인할 수 있다. 이와 달리, 비교예2의 TEM이미지인 도 3(b) 및 도 3(e)를 살펴보면, 클로로벤젠에 디페닐에테르를 소량으로 적정 첨가한 유기용매를 사용한 경우 전자받개 고분자와 전자주개 고분자가 잘 섞여 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예1의 TEM이미지인 도 3(c) 및 도 3(f)를 살펴보면, 클로로벤젠에 디페닐에테르를 소량으로 적정 첨가한 유기용매를 사용한 경우 전자받개 고분자 및 전자주개 고분자 뿐만 아니라 n형 고분자인 N2200 또한 잘 섞여 있는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 광활성층 형성시, 상기 유기용매에 1중량% 내지 10중량% 범위의 적정량의 디페닐에테르가 포함되어 상기 광활성층을 구성하는 고분자들이 효과적으로 혼합되도록 할 수 있다.3 (a) and 3 (d) show a photoactive layer prepared by using chlorobenzene alone as an organic solvent in Comparative Example 1, PDPP2T as an electron donor polymer and PC 71 BM as an electron donor polymer are not mixed well, It can be confirmed that they are united. 3 (b) and FIG. 3 (e) which are TEM images of Comparative Example 2, when an organic solvent in which a small amount of diphenyl ether is appropriately added to chlorobenzene is used, the electron acceptor polymer and the electron donor polymer are well- It can be confirmed that they are mixed. 3 (c) and 3 (f), which are TEM images of Example 1, when an organic solvent in which a small amount of diphenyl ether is appropriately added to chlorobenzene is used, not only electron acceptor polymers and electron donor polymers but also n Type polymer N2200 is also mixed well. Accordingly, when the photoactive layer of the present invention is formed, an appropriate amount of diphenyl ether is contained in the organic solvent in an amount ranging from 1% by weight to 10% by weight, thereby efficiently mixing the polymers constituting the photoactive layer.
도 4(a) 내지 도 4(b)는 본 발명의 실시예1 및 비교예1 내지 비교예2에서 제조된 광활성층의 흡수계수 및 전하 이동도 측정결과를 나타낸 도표이다.4 (a) to 4 (b) are graphs showing absorption coefficient and charge mobility measurement results of the photoactive layer prepared in Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 to 2. FIG.
도 4(a)를 참조하면, 흡수도는 모두 유사한 값을 가지지만, 도 4(b)에서 와 같이, 전하 이동도의 값은 실시예에 따라 달라지는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 태양전지가 광활성층에 n형 고분자를 도입하면서 전자 이동도가 증대되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 페로브스카이트 반도체층에서 발생된 전자는 벌크 헤테로 접합 구조의 광활성층을 통하여 상부의 알루미늄 전극으로 이동하기 때문에, 유기 광활성층의 전자 이동도가 태양전지의 성능에 영향을 주는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 4 (a), although the absorption degrees all have similar values, it can be seen that the value of the charge mobility varies according to the embodiment as shown in FIG. 4 (b). As a result, it can be seen that the electron mobility of the solar cell of the present invention is increased while introducing the n-type polymer into the photoactive layer. In addition, since the electrons generated in the perovskite semiconductor layer migrate to the upper aluminum electrode through the photoactive layer of the bulk heterojunction structure, the electron mobility of the organic photoactive layer affects the performance of the solar cell have.
도 5(a) 내지 도 5(c)는 본 발명의 실시예1 및 비교예1 내지 비교예2에서 제조된 태양전지의 전류-전압 측정결과를 나타낸 도표이다.5 (a) to 5 (c) are graphs showing current-voltage measurement results of the solar cell manufactured in Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 to 2.
도 5(a) 내지 도 5(c)를 참조하면, 비교예1인 도 5(a)의 경우 광활성층의 박막 두께가 증가할수록 전류-전압 특성이 저하되는 반면, 실시예1인 도 5(c)의 경우 광활성층의 박막 두께에 관계없이 전류-전압 특성이 그대로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명이 광활성층에 n형 고분자를 첨가함에 따라 전자 이동도가 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 도 5(a)와 비교예2의 도 5(b)를 비교해보면, 광활성층 형성시 용매로 디페닐에테르(DPE)가 포함된 경우에 전류-전압 특성이 다소 개선된 것을 확인할 수 있다.5 (a) to 5 (c), in the case of FIG. 5 (a) of Comparative Example 1, the current-voltage characteristic decreases as the thickness of the photoactive layer increases. On the other hand, c), the current-voltage characteristics are maintained regardless of the thickness of the photoactive layer. Accordingly, it can be seen that the electron mobility is improved by adding the n-type polymer to the photoactive layer of the present invention. In comparison between FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b) of Comparative Example 2, it was confirmed that the current-voltage characteristics were somewhat improved when diphenylether (DPE) was included as a solvent in the formation of the photoactive layer .
도 6(a) 내지 도 6(c)는 본 발명의 실시예1 및 비교예1 내지 비교예2에서 제조된 태양전지의 광전변환효율(power conversion efficiency, PCE), 필팩터(fill factor, FF) 및 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE) 측정결과를 나타낸 도표이다.FIGS. 6 (a) to 6 (c) are graphs showing the power conversion efficiency (PCE), fill factor (FF) of the solar cell manufactured in Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 to 2, ) And an external quantum efficiency (EQE) measurement result.
도 6(a) 내지 도 6(b)를 참조하면, 비교예1의 태양전지의 경우 박막 두께가 증가하여 100nm이상에서는 광전변환효율(PCE) 및 필팩터(FF)가 다소 급격하게 저하되는 것을 확인할 수 있다. 반면, 전자 이동도가 높은 본 발명의 실시예1에서 제조된 태양전지의 경우 박막 두께가 증가하여도 광전변환효율(PCE) 및 필팩터(FF)가 크게 감소하지 않아 소자의 성능을 우수하게 유지하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예1에서 제조된 태양전지는 필팩터(FF)가 상당히 높은 값인, 약 80을 나타내는 것을 알 수 있다. 이는, 본 발명이 광활성층에 도입한 n형 고분자로 인해 102cm2V-1S-1에 이르는 매우 높은 전하 이동도에서 기인한 것일 수 있다. 6A to 6B, in the case of the solar cell of Comparative Example 1, the thickness of the thin film increases and the photoelectric conversion efficiency (PCE) and the fill factor (FF) slightly decrease sharply at 100 nm or more Can be confirmed. On the other hand, the photovoltaic conversion efficiency (PCE) and the fill factor (FF) are not greatly reduced even when the thickness of the thin film is increased in the case of the solar cell manufactured in Example 1 of the present invention having a high electron mobility, . It can also be seen that the solar cell produced in Example 1 of the present invention exhibits a fill factor (FF) of about 80, which is a very high value. This may be due to the very high charge mobilities of the present invention reaching 10 2 cm 2 V -1 S -1 due to the n-type polymer introduced into the photoactive layer.
도 6(c)는 근적외선 영역에서의 전지의 외부양자효율(EQE)을 비교한 것으로, 기존의 페로브스카이트 반도체층만을 배치한 태양전지나 페로브스카이트 반도체층 및 n형 고분자를 포함하지 않은 광활성층이 결합된 태양전지에 비해, 본 발명의 n형 고분자를 포함하는 광활성층과 페로브스카이트 반도체층이 결합된 구조가 가장 높은 외부양자효율(EQE)값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 하이브리드형 태양전지는 종래의 유기태양전지/페로브스카이트 결합 태양전지가 가지고 있던 낮은 필팩터(FF)와 낮은 근적외선 광감응도를 획기적으로 해결할 수 있어, 높은 전지 효율 및 성능으로 관련 분야에 적극 활용될 것으로 기대된다.FIG. 6 (c) is a comparison of the external quantum efficiency (EQE) of the cell in the near-infrared region. It shows that the solar cell, the perovskite semiconductor layer in which only the conventional perovskite semiconductor layer is disposed, It can be seen that the structure in which the photoactive layer including the n-type polymer of the present invention and the perovskite semiconductor layer are combined has the highest external quantum efficiency (EQE) value as compared with the solar cell having the photoactive layer bonded thereto. As a result, the hybrid solar cell of the present invention can drastically solve the low fill factor (FF) and low-near-infrared light sensitivity of conventional organic solar cells / perovskite-coupled solar cells, It is expected to be used in related fields.
도 7(a) 내지 도 7(b)는 실시예1의 전자주개 고분자 및 전자받개 고분자 물질의 혼합비율에 따른 전류-전압 특성 및 외부양자효율을 나타낸 도표이다. 구체적인 값은 하기 표 1과 같다.7A to 7B are graphs showing current-voltage characteristics and external quantum efficiency according to the mixing ratio of the electron donor polymer and the electron acceptor polymer material of Example 1. FIG. Specific values are shown in Table 1 below.
도 7(a)를 참조하면, 전자 주개 고분자로 사용된 PDPP2T(TT) 보다 전자받개 고분자인 PC71BM이 더 많이 혼합된 경우 전류 전압 특성이 향상된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 7(b)를 살펴보면, 동일 파장에서 전자받개 고분자가 더 많이 혼합된 경우의 외부 양자 효율이 높은 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서 전자주개 물질 및 전자받개 물질로 사용된 고분자들은 각 물질의 혼합비율이 1:3인 경우가 다른 혼합비율에 비해 향상된 효과를 나타내었다. 이러한 전자주개 물질 및 전자받개 물질의 혼합비율은 실시예에서 사용하는 고분자 종류에 따라 달라질 수 있다.Referring to FIG. 7 (a), it can be seen that the current voltage characteristics are improved when the electron acceptor polymer PC 71 BM is more mixed than PDPP 2 T (TT) used as the electron donor polymer. Also, referring to FIG. 7 (b), it can be seen that the external quantum efficiency is high when the electron acceptor polymer is mixed at the same wavelength. That is, in the embodiment of the present invention, the polymer used as the electron donor material and the electron acceptor material has an effect of improving the mixing ratio of each material to 1: 3 compared to other mixing ratios. The mixing ratio of the electron donor material and the electron donor material may vary depending on the type of polymer used in the examples.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
10: 기판
100: 제1 전극
150: 정공수송층
200: 페로브스카이트 반도체층
300: 광활성층
400: 전자수송층
500: 제2 전극10: substrate 100: first electrode
150: hole transport layer 200: perovskite semiconductor layer
300: photoactive layer 400: electron transport layer
500: Second electrode
Claims (13)
상기 제 1전극과 대향하여 배치된 제2 전극;
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치된 페로브스카이트 반도체층; 및
상기 페로브스카이트 반도체층 및 상기 제2 전극 사이에 배치된 광활성층을 포함하며,
상기 광활성층은 n형 고분자, 전자주개 물질 및 전자받개 물질이 혼합된 벌크 헤테로 접합(bulk hetero junction) 구조인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지.A first electrode;
A second electrode disposed opposite to the first electrode;
A perovskite semiconductor layer disposed between the first electrode and the second electrode; And
And a photoactive layer disposed between the perovskite semiconductor layer and the second electrode,
Wherein the photoactive layer is a bulk heterojunction structure in which an n-type polymer, an electron donor material, and an electron acceptor material are mixed.
상기 n형 고분자는 폴리((N,N'-비스(2-옥틸도세실)-나프탈렌-1,4,5,8-비스(디카르복시이미드)-2,6-디일)-얼트-5,5'-(2,2'-바이티오펜)(P(NDI2OD-T2)), 폴리벤즈이미다조벤조난타트롤린(BBL), N,N'-디퍼플루오로페닐-3,4,9,10-페릴렌테트라카르복실릭디이미드(DFPP) 및 폴리피리도퀴노자일린(polypyridoquinoxaline) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지.The method according to claim 1,
The n-type polymer may be a poly ((N, N'-bis (2-octyldodecyl) -naphthalene-1,4,5,8- 5'- (2,2'-bithiophene) (P (NDI2OD-T2)), polybenzimidazobenzonanthatroline (BBL), N, N'-difluorophenyl- (DFPP), and polypyridoquinoxaline. The hybrid type solar cell according to claim 1, wherein the material is at least one material selected from the group consisting of a perylene tetracarboxylic diimide (DFPP) and a polypyridoquinoxaline.
상기 전자주개 물질은 3,6-비스(5-브로모티오펜-2-일)-2,5-비스(2-헥실데실)피롤(3,4-c)피롤-1,4(2H, 5H)-디온(PDPP2T), 폴리-3-헥실티오펜(P3HT), 폴리-3-폴리-3-옥틸티오펜(P3OT), 폴리파라페닐렌비닐렌(PPV), 폴리(디옥틸플루오렌), 폴리(2-메톡시,5-(2-에틸-헥실옥시)-1,4-페닐렌비닐렌)(MEHPPV), 폴리(2-메틸,5-(3',7'-디메틸옥틸옥시))-1,4-페닐렌비닐렌(MDMO-PPV), 폴리(2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일(4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-사이클로펜타(2,1-b:3,4-b`)디티오펜-2,6-디일))(PCPDTBT) 및 이들의 유도체 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 공액고분자인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지.The method according to claim 1,
The electron donor material may be selected from the group consisting of 3,6-bis (5-bromothiophen-2-yl) -2,5-bis (2-hexyldecyl) pyrrole (3,4- (PDPP2T), poly-3-hexylthiophene (P3HT), poly-3-poly-3-octylthiophene (P3OT), polyparaphenylenevinylene (PPV) , Poly (2-methoxy, 5- (2-ethyl-hexyloxy) -1,4-phenylenevinylene) (MEHPPV) (MDMO-PPV), poly (2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl (4,4-bis (2-ethylhexyl) -4H (2, 1-b: 3,4-b ') dithiophene-2,6-diyl)) (PCPDTBT), and derivatives thereof, and a hybrid type Solar cells.
상기 전자받개 물질은 플러렌(fullerene), 6,6-페닐-C61-부틸릭엑시드메틸에스터(PCBM(C61)), PCBM(C60), PCBM(C70), PCBM(C71), PCBM(C76), PCBM(C80), PCBM(C82), indene-C60 bisadduct(ICBA) 및 6,6-페닐-C61-부틸릭엑시드콜레스테릴에스터(PCBCR) 중에서 선택되는 플러렌 유도체, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole) 및 페릴렌(perylene) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지.The method according to claim 1,
The electron acceptor material fullerenes (fullerene), 6,6- phenylene -C 61 - butyl rigs Acid methyl ester (PCBM (C 61)), PCBM (C 60), PCBM (C 70), PCBM (C 71), Wherein the fullerene selected from PCBM (C 76 ), PCBM (C 80 ), PCBM (C 82 ), indene-C 60 bisadduct (ICBA) and 6,6-phenyl-C 61 -butylic acid cholesteryl ester Wherein the material is at least one material selected from the group consisting of polybenzimidazole, polybenzimidazole, and perylene.
상기 제1 전극 및 상기 페로브스카이트 반도체층 사이에 배치된 정공수송층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지.The method according to claim 1,
And a hole transport layer disposed between the first electrode and the perovskite semiconductor layer.
상기 정공수송층은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리(4-스티렌설포네이트)(PEDOT/PSS), 폴리아닐린/캠퍼술폰산(PANI/CSA) 폴리아닐린/폴리(4-스티렌설포네이트)(PANI/PSS) 및 폴리아닐린/도데실벤젠술폰산(PANI/DBSA) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 전도성 고분자, 몰리브덴 산화물(MoOx), 바나듐 산화물(V2O5), 니켈 산화물(NiO) 및 텅스텐 산화물(WOx) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지.6. The method of claim 5,
The hole transport layer may comprise at least one of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (4-styrenesulfonate) (PEDOT / PSS), polyaniline / camphorsulfonic acid (PANI / CSA) polyaniline / poly PANI / PSS) and polyaniline / dodecylbenzene sulfonic acid (PANI / DBSA) at least one of the conductive polymer, molybdenum oxide (MoOx), vanadium oxide is selected from (V 2 O 5), nickel oxide (NiO), and tungsten oxide ( WOx). ≪ / RTI >
상기 광활성층 및 상기 제2 전극 사이에 배치된 전자수송층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지.The method according to claim 1,
And an electron transport layer disposed between the photoactive layer and the second electrode.
상기 제1 전극 상에 페로브스카이트 반도체층을 형성하는 단계;
상기 페로브스카이트 반도체층 상에 광활성층을 형성하는 단계; 및
상기 광활성층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 광활성층은 n형 고분자, 전자주개 물질 및 전자받개 물질의 벌크 헤테로 접합(bulk hetero junction) 구조인 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지의 제조방법.Forming a first electrode on a substrate;
Forming a perovskite semiconductor layer on the first electrode;
Forming a photoactive layer on the perovskite semiconductor layer; And
And forming a second electrode on the photoactive layer,
Wherein the photoactive layer is a bulk heterojunction structure of an n-type polymer, an electron donor material, and an electron acceptor material.
상기 광활성층을 형성하는 단계는,
유기용매에 상기 n형 고분자, 상기 전자주개 물질 및 상기 전자받개 물질을 용해시켜 혼합물을 제조하는 단계; 및
상기 혼합물을 상기 페로브스카이트 반도체층 상에 도포한 후 건조시켜 광활성층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지의 제조방법.9. The method of claim 8,
Wherein forming the photoactive layer comprises:
Dissolving the n-type polymer, the electron donor material, and the electron acceptor material in an organic solvent to prepare a mixture; And
Applying the mixture to the perovskite semiconductor layer, and then drying the mixture to form a photoactive layer.
상기 유기용매는 클로로벤젠(CB), 클로로포름(CF), 디클로로벤젠(DCB), 디페닐에테르(DPE), 다이아이오도옥테인(1-8 diiodooctane, DIO), 디메틸아세트아미드(DMAC) 및 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지의 제조방법.10. The method of claim 9,
The organic solvent may be selected from the group consisting of chlorobenzene (CB), chloroform (CF), dichlorobenzene (DCB), diphenyl ether (DPE), diiodooctane (1-8 diiodo), dimethylacetamide Methyl-2-pyrrolidone (NMP). 2. The method of manufacturing a hybrid type solar cell according to claim 1,
상기 유기용매는 전체 중량부에 대하여 1중량% 내지 10중량%의 디페닐에테르를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지의 제조방법.10. The method of claim 9,
Wherein the organic solvent comprises 1 to 10% by weight of diphenyl ether based on the total weight of the organic solvent.
상기 제1 전극 및 상기 페로브스카이트 반도체층 사이에 정공수송층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지.9. The method of claim 8,
And forming a hole transporting layer between the first electrode and the perovskite semiconductor layer.
상기 광활성층 및 상기 제2 전극 사이에 전자수송층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 태양전지.9. The method of claim 8,
And forming an electron transporting layer between the photoactive layer and the second electrode.
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