KR20170048854A - 태양전지의 광흡수체 제조 방법 - Google Patents

태양전지의 광흡수체 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지의 광흡수체로 사용될 수 있는 페로브스카이트 화합물의 제조 방법에 관한 것으로, 페로브스카이트 화합물의 결정성을 높여 태양전지의 안정성 및 효율을 높일 수 있는 태양전지의 광흡수체의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

Description

태양전지의 광흡수체 제조 방법{Method for preparation of absorber of solar cell}
본 발명은 태양전지의 광흡수체로 사용될 수 있는 페로브스카이트 화합물의 제조 방법에 관한 것이다.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위하여 태양 에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이중, 태양광으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양 전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양 전지란, 태양광으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생시키는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.
태양광으로부터 광 에너지를 흡수하여 엑시톤을 형성할 수 있는 다양한 물질들이 보고되고 있으며, 최근에는 페로브스카이트형 화합물이 주목받고 있다. 페로브스카이트형 화합물은 일반적으로 양이온(A 및 M)과 음이온(X)이 AMX3의 화학식으로 구성되며, CH3NH3PbI3가 태양전지의 흡수체로 사용될 수 있음이 보고된 이후(Scientific Reports 2, 591), 다양한 화합물이 보고되고 있다.
이러한 페로브스카이트 화합물은 양이온과 음이온의 치환 등 구조의 변경이 가능한데, 이를 통한 밴드갭의 변화를 통하여 태양전지에 적합한 흡수체를 제조할 수 있다. 또한, 최근에는 다양한 전자 전달층 및 정공 전달층이 페로브스카이트 화합물과 함께 사용되어, 태양전지 효율을 높일 수 있음이 보고되고 있다.
그러나, 페로브스카이트 화합물은 태양전지의 흡수체로 사용되는데 몇 가지 한계가 있다. 먼저, 페로브스카이트 화합물은 수분에 민감하여 수분에 노출시 분해 등의 문제가 있어 태양전지에 적용시 장기 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 페로브스카이트 화합물의 구성 원소를 치환하는 연구가 진행되고 있으나, 수분에 대한 안정성이 높으면서도 태양전지의 흡수체로 유용한 화합물은 상당히 제한적이다.
또한, 페로브스카이트 화합물은 특정 결정을 가지고 있는데, 제조 조건에 따라 defect가 발생하는 경향이 있으며, 이러한 defect에 의하여 태양전지의 효율이 떨어지는 문제가 있다.
Defect 형성을 억제하기 위하여 다양한 반응물이 연구되고 있으며, 최근에는 DMSO 부가체(PbI2-DMSO)를 페로브스카이트 전구체로 사용하는 예가 보고된 바 있다(Science 2015, Vol. 348, no. 6240, pp. 1234-1237). 그러나, 상기 DMSO 부가체(PbI2-DMSO)는 PbI2-DMSO와 PbI2-DMSO2가 존재하여 물질 자체의 안정성이 떨어지며 또한 합성이 어렵다는 문제가 있다.
이에 본 발명자들은, 페로브스카이트 화합물의 결정성을 높여 태양전지의 안정성 및 효율을 높일 수 있는 태양전지의 광흡수체의 제조 방법을 예의 연구한 결과, 후술할 바와 같은 제조 방법으로 상기의 문제를 해결할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 태양전지의 광흡수체로 사용될 수 있는 페로브스카이트 화합물의 제조 방법에 관한 것으로, 페로브스카이트 화합물의 결정성을 높여 태양전지의 안정성 및 효율을 높일 수 있는 태양전지의 광흡수체의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 태양전지의 광흡수체 제조 방법을 제공한다:
(a) i) 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 및 ii) NH 또는 NCH3 구조를 포함하는 극성 비양자성 용매의 부가체, 및 (b) 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1종 또는 2종을 포함하는 용액을, 전극 상에 도포하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1의 전극을 열처리하는 단계(단계 2):
[화학식 1]
MXX'
상기 화학식 1에서,
M은 2가의 금속 양이온이고,
X 및 X'는 각각 독립적으로 서로 동일하거나 상이한 할로겐이고,
[화학식 2]
AX"
상기 화학식 2에서,
A는 R1R2R3R4N+ 또는 (R5R6N=CH-NR7R8)+의 유기 양이온이고,
여기서, R1, R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-10 알킬이고, 단 R1, R2, R3 및 R4는 중 적어도 하나는 C1-10 알킬이고,
R5, R6, R7 및 R8는 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-10 알킬이고,
X"는 할로겐이다.
본 발명에서 제조하고자 하는 태양전지의 광흡수체는 페로브스카이트 화합물이다. 본 발명에서 사용되는 용어 "페로브스카이트(perovskite)"란, 러시아 광물학자 Lev Perovski의 이름을 딴 것으로, 양이온(A 및 M)과 음이온(X)이 AMX3의 화학식으로 구성되며, 최초의 페로브스카이트형 물질인 Ural 산에서 발견된 CaTiO3와 같은 구조를 가지는 물질을 의미한다.
일반적인 페로브스카이트 화합물(AMX3)의 제조 방법은, AM 화합물과 MX2 화합물을 반응시켜 페로브스카이트 결정을 생성시키는 단계를 포함한다. 그러나 상기의 반응 조건에 따라 결정 형성시 defect가 발생할 수 있으며, 이는 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 한 원인이 되고 있다.
Defect가 적은, 즉 결정성이 높은 페로브스카이트 화합물을 제조하기 위해서는 AM 화합물과 MX2 화합물의 반응시 결정 구조의 형성을 위하여 반응 물질 간의 배치가 잘 이루어져야 한다. 이에 본 발명에서는 MX2에 해당하는 반응 물질로 이의 N-메틸피롤리돈 또는 디메틸아세트아미드의 부가체를 사용하며, 이를 이용하여 결정성이 높은 페로브스카이트 화합물을 제조하는 것을 특징으로 한다.
이하, 각 단계별로 본 발명을 상세히 설명한다.
i) 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 및 ii) NH 또는 NCH 3 구조를 포함하는 극성 비양자성 용매의 부가체 , 및 (b) 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1종 또는 2종을 포함하는 용액을, 전극 상에 도포하는 단계(단계 1)
태양전지의 광흡수체를 제조하기 위하여 사용되는 화학식 1로 표시되는 화합물에 대하여, 본 발명에서는 이를 부가체로 사용한다.
본 발명에서 사용되는 용어 "부가체(adduct)"란, 두 개 이상 별개의 분자를 직접 첨가한 단일 반응물을 의미한다. 본 발명에서는 MXX'의 화합물에 NH 또는 NCH3 구조를 포함하는 극성 비양자성 용매가 첨가된 형태의 화합물을 의미한다.
상기와 같은 부가체를 사용할 경우, 이론적으로 제한되는 것은 아니나, 화학식 2의 AX" 화합물과 반응시, 상기 극성 비양자성 용매가 반응 물질을 매개하여 페로브스카이트 결정 구조를 유도하고, 이후 상기 극성 비양자성 용매가 제거되면서 페로브스카이트 결정 구조를 형성하기 때문에, defect 생성을 억제하여 페로브스카이트 화합물의 결정성을 높일 수 있다.
따라서, 본 발명에서 부가체를 형성하는 물질은, 화학식 1로 표시되는 화합물과 반응하여 효과적으로 부가체가 형성되고, 또한 화학식 2로 표시되는 화합물과 반응시에는 잘 제거되어야 하는 특성을 가져야 한다. 이에 본 발명에서 사용하는 극성 비양자성 용매는 NH 또는 NCH3 구조를 포함함으로써 적절한 분극력(polarizability)을 가지고 있기 때문에, 화학식 2로 표시되는 화합물과 반응 전에는 부가체를 효과적으로 형성하고, 화학식 2로 표시되는 화합물과 반응시에는 화학식 1로 표시되는 화합물의 금속 원소(M)와의 결합력이 약하여 효과적으로 제거될 수 있다. 또한, 상기 극성 비양자성 용매는 분자 부피가 크기 때문에, 부가체 형성시 화학식 1로 표시되는 화합물 간의 간격이 넓어 화학식 2로 표시되는 화합물의 치환이 보다 용이하다.
상기 부가체는 당업계에 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 또한, 일반적으로 부가체는 제조 과정에서 여러 가지의 부가체가 제조될 수 있는데, 본 발명에서 사용하는 부가체는 단일 물질로 존재하거나 상호간에 변화되지 않아 물질 자체의 안정성이 높다는 특징이 있다.
바람직하게는, 상기 극성 비양자성 용매는, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, N-메틸-2-피리돈, N,N-디메틸포름아미드, 피페린딘, 또는 아닐린이다.
바람직하게는, 상기 화학식 1에서, M은 Pb2 +, Sn2 +, Pd2 +, Cu2 +, Ge2 +, Sr2 +, Cd2+, Ca2+, Ni2+, Mn2+, Fe2+, Co2+, Sn2+, Yb2+, 또는 Eu2+이다.
또한 바람직하게는, X 및 X'는 각각 독립적으로 Cl-, Br-, 또는 I-이다. X, 및 X'는 서로 상이할 수 있기 때문에, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 2종의 할로겐을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 부가체는, PbCl2(N,N-디메틸아세트아미드), PbBr2(N,N-디메틸아세트아미드), PbI2(N,N-디메틸아세트아미드), PbBr2(N-메틸피롤리돈), PbI2(N-메틸피롤리돈), PbCl2(N-메틸-2-피리돈)2, PbI2(N-메틸-2-피리돈)2, PbI2(피페리딘), PbCl2(아닐린), 또는 PbI2(아닐린)이다.
바람직하게는, 상기 화학식 2에서, A는 CH3NH3 +, 또는 (H2N=CH-NH2)+이다.
또한 바람직하게는, X"는 Cl-, Br-, 또는 I-이다.
상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 대표적인 예는, CH3NH3I, CH3NH3Br, (H2N=CH-NH2)I 및 (H2N=CH-NH2)Br이다.
또한, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물은 1종 또는 2종을 사용할 수 있으며, 2종을 사용할 경우에는 2종의 유기 양이온을 포함하는 페로브스카이트 화합물을 제조할 수 있다.
바람직하게는, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 2종 사용하고, 이때 2종의 화합물의 A는 각각 CH3NH3 +, 또는 (H2N=CH-NH2)+인 것이 바람직하다.
상기 용액의 도포 방법은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 스핀-코팅, 딥 코팅, 스크린 코팅, 스프레이 코팅, 전기 방사 등을 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 용액의 도포는 10초 내지 10분 동안 수행할 수 있다. 또한, 상기 용액의 도포는 25 내지 70℃에서 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 용액의 용매로는 상기 부가체 및 화학식 2로 표시되는 화합물을 용해시킬 수 있는 용매라면 특별히 한정되는 것은 아니나, N,N-디메틸포름아미드, N-메틸피롤리돈, N,N-디메틸아세트아미드, 감마-부틸로락톤, 디메틸술폭사이드 등이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 부가체 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물의 몰 비는 1:0.8 내지 1:1.5 이다. 상기 범위에서 페로브스카이트 결정이 효과적으로 생성될 수 있다.
한편, 상기 전극은 태양전지에 사용될 수 있는 전극이면 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 불소 함유 산화주석(FTO; Fouorine doped Tin Oxide), 인듐 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide), ZnO, PEDOT:PSS 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 전극 상에는 다공성 금속 산화물이 형성되어 있을 수 있다. 상기 다공성 금속 산화물은 광흡수체가 빛을 흡수할 수 있는 면적을 넓게 할 수 있을 뿐만 아니라, 광흡수체에서 발생하는 전자를 전달할 수 있는 전자 전달층의 역할을 할 수 있다. 상기 금속 산화물로는, TiO2, SnO2, ZnO, Nb2O5, Ta2O5, WO3, W2O5, In2O3, Ga2O3, Nd2O3, PbO, 또는 CdO를 사용할 수 있다.
상기 다공성 금속 산화물은 금속 산화물 입자를 포함하는 슬러리를 도포 및 건조한 후, 이를 열처리하여 형성할 수 있다. 상기 다공성 금속 산화물은 평균 입자 크기가 5 내지 500 nm일 수 있으며, 다공성 금속 산화물 층의 두께는 50 nm 내지 10 ㎛일 수 있다.
한편, 상기 단계 1은 상기 부가체를 포함하는 제1 용액 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 제2 용액을 전극 상에 순차로 도포하여 수행할 수 있다. 이때, 상기 제1 용액과 제2 용액의 용매는 앞서 상기 단계 1에서 설명한 바와 같으며, 서로 동일하거나 상이한 용매를 사용할 수 있다.
또한, 상기와 같이 제1 용액 및 제2 용액을 순차로 도포하는 경우, 제1 용액의 도포 후에 비용매를 도포하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 사용할 수 있는 비용매로는 이소프로판올, 메틸에틸케톤, 에틸아세테이트, 아세트산, 디메틸에테르, 클로로벤젠, 톨루엔, 자일렌, 헥센, 사이클로헥센 또는 클로로포름을 들 수 있다. 상기 비용매의 도포 방법은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 스핀-코팅, 딥 코팅, 스크린 코팅, 스프레이 코팅, 전기 방사 등을 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 용액의 도포는 10초 내지 10분 동안 수행할 수 있다. 또한, 상기 비용매의 도포는 상온에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 단계 1의 전극을 열처리하는 단계 (단계 2)
상기 단계 2는, 상기 단계 1에서 도포된 페로브스카이트 전구체 화합물을 반응 및 고정시켜 페로브스카이트 광흡수체를 제조하는 단계이다.
상기 열처리는 30 내지 200℃로 수행하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 150℃로 수행한다. 또한, 상기 열처리는 1분 내지 60분 동안 수행하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30분 동안 수행한다.
한편, 상기 단계 2 이후에, 당업계에서 일반적으로 사용되는 태양전지의 구성을 형성하기 위하여 정공 전달층 및 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전자 전달층은 다공성 금속 산화물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 금속 산화물 입자에 의하여 다공 구조를 가지는 것이 바람직하다. 상기 금속 산화물로는, TiO2, SnO2, ZnO, Nb2O5, Ta2O5, WO3, W2O5, In2O3, Ga2O3, Nd2O3, PbO, 또는 CdO를 사용할 수 있다.
상기 정공 전달층은 고체형 정공 전달 물질 또는 액상 전해질을 사용할 수 있다. 상기 고체형 정공 전달 물질로는, 스피로-OMeTAD(2,2',7,7'-테트라키스-(N,N-디-p-메톡시페닐아민)9,9'-스피로비플루오렌)), P3HT(폴리(3-헥실티오펜)), PCPDTBT(폴리[2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일[4,4-비스(2-에틸헥실)-4H-시클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜-2,6-디일]]), PVK(폴리(N-비닐카바졸)), HTM-TFSI(1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드), Li-TFSI(리튬 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드), tBP(tert-부틸피리딘), PDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)) 등을 사용할 수 있다. 상기 액상 전해질로는, 요오드와 첨가제를 용매에 용해시킨 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 우레아(urea), 티오우레아(thiourea), 부틸피리딘(tert-butylpyridine) 및 구아니딘 사이오시아네이트(guanidium thiotianate) 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제에 에틸아세테이트, 아세토니트닐, 톨루엔 및 메톡시프로피오니트틸 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 용매를 사용할 수 있다.
상기 제2 전극으로는, ITO, FTO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 주석계 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 유리 기판 또는 플라스틱 기판에, Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 도전층이 형성될 수 있다.
태양전지의 광흡수체
상기 본 발명에 따라 제조되는 태양전지의 광흡수체는 부가체를 사용하여 제조함으로써 defect가 실질적으로 없는 높은 결정성의 페로브스카이트 결정을 제조할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명의 부가체를 사용하여 제조한 태양전지의 광흡수체는, 결정성이 높고 태양전지 효율이 높아 태양전지의 광흡수체로 유용하게 사용할 수 있음을 확인하였다.
한편, 본 발명에 따라 제조되는 태양전지의 광흡수체가 적용될 수 있는 태양전지는, 상기 광흡수체를를 사용하는 것을 제외하고는, 당업계에서 사용하는 태양 전지의 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 광흡수체의 제조 방법은, 태양전지의 광흡수체로 사용될 수 있는 페로브스카이트 화합물의 결정성을 높여 태양전지의 안정성 및 효율을 높일 수 있다는 특징이 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 사용된 부가체의 XRD 그래프를 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에서 부가체를 기판에 코팅한 후 이의 표면을 SEM 이미지로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시예에서 제조된 광흡수체의 표면을 SEM 이미지로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 실시예에서 제조된 광흡수체의 표면을 SEM 이미지로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: PbI 2 - NMP 부가체의 제조
PbI2에 PbI2 대비 15배 몰당량의 N-메틸피놀리돈(NMP)을 넣고 60℃에서 교반하였다. PbI2가 모두 용해된 것을 확인한 후, NMP 부피 대비 1.5배의 톨루엔을 교반하면서 천천히 떨어뜨렸다. 생성된 흰색의 고체를 필터하여 진공 오븐에서 30분 동안 건조시켜 PbI2-NMP 부가체를 얻었다. 이를 XRD 및 NMR로 분석하였으며, 이의 결과를 각각 도 1 및 하기에 나타내었다.
1H NMR (DMSO-d6, 표준물질 TMS): δ 3.32 (2H, t), 2.69 (3H, s), 2.19 (2H, t), 1.99 (2H, m)
제조예 2: PbI 2 - DMAc 부가체의 제조
PbI2에 PbI2 대비 30배 몰당량의 디메틸아세트아미드(DMAc)을 넣고 60℃에서 교반하였다. PbI2가 모두 용해된 것을 확인한 후, DMAc 부피 대비 1.5배의 톨루엔을 교반하면서 천천히 떨어뜨렸다. 생성된 흰색의 고체를 필터하여 진공 오븐에서 30분 동안 건조시켜 PbI2-DMAc 부가체를 얻었다. 이를 XRD 및 NMR로 분석하였으며, 이의 결과를 각각 도 1 및 하기에 나타내었다.
1H NMR (DMSO-d6, 표준물질 TMS): δ 2.97 (3H, t), 2.83 (3H, s), 1.95 (3H, s)
제조예 3: PbBr 2 - NMP 부가체의 제조
PbBr2에 PbBr2 대비 20배 몰당량의 N-메틸피놀리돈(NMP)을 넣고 60℃에서 교반하였다. PbBr2가 모두 용해된 것을 확인한 후, NMP 부피 대비 1.5배의 톨루엔을 교반하면서 천천히 떨어뜨렸다. 생성된 흰색의 고체를 필터하여 진공 오븐에서 30분 동안 건조시켜 PbBr2-NMP 부가체를 얻었다. 이를 XRD 및 NMR로 분석하였으며, 이의 결과를 각각 도 1 및 하기에 나타내었다.
1H NMR (DMSO-d6, 표준물질 TMS): δ 3.30 (2H, t), 2.71 (3H, s), 2.20 (2H, t), 1.97 (2H, m)
제조예 4: PbI 2 - DMSO 부가체의 제조
PbI2에 PbI2 대비 15배 몰당량의 디메틸술폭사이드(DMSO)를 넣고 60℃에서 교반하였다. PbI2가 모두 용해된 것을 확인한 후, DMSO 부피 대비 2배의 톨루엔을 교반하면서 천천히 떨어뜨렸다. 생성된 흰색의 고체를 필터하여 진공 오븐에서 45시간 동안 건조시켜 PbI2-DMSO 부가체를 얻었다. 이를 XRD로 분석하였으며, 이의 결과를 도 1에 나타내었다.
실시예 1: 광흡수체 제조
(단계 1)
25×25 mm 크기의 FTO 기판의 끝 부분을 에칭하여 부분적으로 FTO를 제거하였다. 0.1 M의 [(CH3)2CHO]2Ti(C5H7O2)2(titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)) 1-부탄올 용액을 총 4번에 걸쳐 FTO 기판에 air-spray로 코팅하고, 500℃에서 25분 동안 소결하여 두께 약 70 nm의 TiO2 치밀막을 제조하였다. 이어, 평균 40 nm 크기(직경)의 TiO2 페이스트 1.5 g 및 에탄올 10 mL를 포함하는 분산 용액을, 상기 치밀막 상에 5000 rpm으로 60초 동안 스핀 코팅하였다. 핫 플레이트에서 125℃로 열처리한 후, muffle furnace를 사용하여 500℃에서 1시간 동안 소결하였다.
(단계 2)
제조예 1에서 제조한 화합물을 디메틸포름아미드(DMF)에 65℃에서 녹여 1.8 M의 용액을 제조하였다. 상기 용액을 상기 단계 1에서 제조한 기판 상에 3000 rpm에서 30초 동안 스핀 코팅하였다.
(단계 3)
상기 단계 2의 스핀 코팅이 끝나자마자 800 mM FAI(1-x)MABr(x) (x=0.3) 용액(in isopropanol)을 그 위에 뿌린 후 5000 rpm에서 30 초 동안 코팅하고 150℃에서 20분 동안 열처리하였다. 이어 이소프로판올로 20초 동안 세척한 후, 5000 rpm에서 30초 동안 용매를 제거하고, 80℃에서 3분 동안 열처리하였다.
실시예 2: 광흡수체 제조
실시예 1의 단계 2에서, 제조예 2에서 제조한 화합물을 디메틸포름아미드(DMF)에 65℃에서 녹인 1.6 M의 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 광흡수체를 제조하였다.
실시예 3: 광흡수체 제조
(단계 1)
25×25 mm 크기의 FTO 기판의 끝 부분을 에칭하여 부분적으로 FTO를 제거하였다. 0.1 M의 [(CH3)2CHO]2Ti(C5H7O2)2(titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)) 1-부탄올 용액을 총 4번에 걸쳐 FTO 기판에 air-spray로 코팅하고, 500℃에서 25분 동안 소결하여 두께 약 70 nm의 TiO2 치밀막을 제조하였다. 이어, 평균 40 nm 크기(직경)의 TiO2 페이스트 1.5 g 및 에탄올 10 mL를 포함하는 분산 용액을, 상기 치밀막 상에 5000 rpm으로 60초 동안 스핀 코팅하였다. 핫 플레이트에서 125℃로 열처리한 후, muffle furnace를 사용하여 500℃에서 1시간 동안 소결하였다.
(단계 2)
제조예 1에서 제조한 화합물 및 제조예 3에서 제조한 화합물을 85:15의 몰비, FAI 및 MABr을 85:15의 몰비로 DMF에 용해시켜 전체 60 중량%의 용액을 제조하였다. 상기 용액을 상기 단계 1에서 제조한 기판 상에 500 rpm에서 5초, 1000 rpm에서 40초, 5000 rpm에서 50초 동안 스핀 코팅하고, 끝나기 5초 전에 톨루엔 1 mL를 떨어뜨렸다. 이어 150℃에서 20분 동안 열처리하였다.
실시예 4
실시예 3의 단계 2에서, 제조예 1에서 제조한 화합물 및 1몰 당량의 MAI를 GBL:DMSO = 7:3의 용액(전체 60 중량%)을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 3과 동일한 방법으로 광흡수체를 제조하였다.
비교예 1
실시예 1의 단계 2에서, PbI2를 디메틸포름아미드(DMF)에 65℃에서 녹인 1.6 M의 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 광흡수체를 제조하였다.
비교예 2: 광흡수체 제조
실시예 1의 단계 2에서, 제조예 4에서 제조한 화합물을 디메틸포름아미드(DMF)에 65℃에서 녹인 1.6 M의 용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 광흡수체를 제조하였다.
실험예 1: 광흡수체의 표면 관찰
실시예 1의 단계 2 및 단계 3에서 제조한 기판의 표면을 관찰하였으며, 그 결과를 각각 도 2 및 도 3에 나타내었다. 또한, 실시예 2에서 제조한 기판의 표면을 관찰하였으며 그 결과를 도 4에 나타내었다.
실험예 2: 태양전지의 성능 평가
58 mM의 Spiro-OMeTAD 용액(in chlorobenzene) 1 mL에 LiTFSi(17.5 uL) 및 tBP(28.8 uL)을 첨가하였다. 상기 용액을, 상기 실시예 및 비교예에서 제조한 각각의 광흡수체 상에, 6000 rpm에서 30초 동안 스핀 코팅하여 정공 전달층을 제조하였다. 상기 정공 전달층 상에 열 증착기로 Au를 진공 증착하여 태양전지를 제조하였다.
상기 제조한 태양전지에 대하여, Solar system(Newport 사)으로 태양전지의 성능을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
단락전류밀도
(mA/cm2)		 개방 전압(V) 성능 지수(%) 발전 효율(%)
실시예 1 24.24 1.102 0.75 20.10
실시예 2 21.99 1.041 0.61 14.01
실시예 3 23.98 1.073 0.67 17.25
실시예 4 23.05 1.061 0.74 18.15
비교예 1 18.65 1.080 0.73 14.70
비교예 2 24.28 1.067 0.75 19.50

Claims (10)

  1. (a) i) 하기 화학식 1로 표시되는 화합물, 및 ii) NH 또는 NCH3 구조를 포함하는 극성 비양자성 용매의 부가체, 및 (b) 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 1종 또는 2종을 포함하는 용액을, 전극 상에 도포하는 단계(단계 1); 및
    상기 단계 1의 전극을 열처리하는 단계(단계 2)를 포함하는,
    태양전지의 광흡수체 제조 방법:
    [화학식 1]
    MXX'
    상기 화학식 1에서,
    M은 2가의 금속 양이온이고,
    X 및 X'는 각각 독립적으로 서로 동일하거나 상이한 할로겐이고,
    [화학식 2]
    AX"
    상기 화학식 2에서,
    A는 R1R2R3R4N+ 또는 (R5R6N=CH-NR7R8)+의 유기 양이온이고,
    여기서, R1, R2, R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-10 알킬이고, 단 R1, R2, R3 및 R4는 중 적어도 하나는 C1-10 알킬이고,
    R5, R6, R7 및 R8는 각각 독립적으로 수소, 또는 C1-10 알킬이고,
    X"는 할로겐이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 극성 비양자성 용매는, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, N-메틸-2-피리돈, N,N-디메틸포름아미드, 피페린딘, 또는 아닐린인 것을 특징으로 하는,
    제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부가체는, PbCl2(N,N-디메틸아세트아미드), PbBr2(N,N-디메틸아세트아미드), PbI2(N,N-디메틸아세트아미드), PbBr2(N-메틸피롤리돈), PbI2(N-메틸피롤리돈), PbCl2(N-메틸-2-피리돈)2, PbI2(N-메틸-2-피리돈)2, PbI2(피페리딘), PbCl2(아닐린), 또는 PbI2(아닐린)인 것을 특징으로 하는,
    제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 용매는 N,N-디메틸포름아미드, N-메틸피롤리돈, N,N-디메틸아세트아미드, 감마-부틸로락톤, 또는 디메틸술폭사이드인 것을 특징으로 하는,
    제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    M은 Pb2 +, Sn2 +, Pd2 +, Cu2 +, Ge2 +, Sr2 +, Cd2 +, Ca2 +, Ni2 +, Mn2 +, Fe2 +, Co2 +, Sn2 +, Yb2+, 또는 Eu2 +인 것을 특징으로 하는,
    제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    X, X' 및 X"는 각각 독립적으로 Cl-, Br-, 또는 I-인 것을 특징으로 하는,
    제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    A는 CH3NH3 +, 또는 (H2N=CH-NH2)+인 것을 특징으로 하는,
    제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1은 상기 부가체를 포함하는 제1 용액 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 제2 용액을 전극 상에 순차로 도포하여 수행하는 것을 특징으로 하는,
    제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 열처리는 30 내지 200℃에서 1분 내지 60분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는,
    제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 제조 방법으로 제조된 태양전지의 광흡수체를 포함하는, 태양전지.
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