KR20170105351A - Method for preparation of electron transport layer of solar cell - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a manufacturing method of an electron transport layer of a solar cell. According to the present invention, the manufacturing method of an electron transfer layer of a solar cell does not use a high temperature process, and can manufacture an electron transport layer with a small air gap and a uniform thickness. The manufacturing method of an electron transfer layer of a solar cell comprises the following steps: manufacturing a mixture by mixing titanium dioxide particle, titanium alkoxide, and organic acid; coating a substrate with the mixture; and light sintering the substrate coated with the mixture.

Description

태양전지의 전자 전달층의 제조 방법{Method for preparation of electron transport layer of solar cell}[0001] The present invention relates to a method for preparing an electron transport layer of a solar cell,

본 발명은 태양전지의 전자 전달층의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention provides a method for producing an electron transport layer of a solar cell.

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 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란, 태양광으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생시키는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다. Researches on renewable and clean alternative energy sources such as solar energy, wind power, and hydro power are actively being conducted to solve the global environmental problems caused by the depletion of fossil energy and its use. Of these, there is a great interest in solar cells that change electrical energy directly from sunlight. The term "solar cell" as used herein 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 또는 박막화하는 과정에 고가의 공정 장비가 요구되어 태양전지의 제조 비용을 낮게 하는데 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어 왔다. 이에 따라 태양전지를 저가로 제조하기 위해서 태양전지의 핵심 소재 또는 제조 공정의 비용을 대폭 감소시킬 필요가 있으며, 무기 반도체 기반 태양전지의 대안으로 저가의 소재와 공정으로 제조 가능한 염료감응태양전지와 유기태양전지가 활발히 연구되고 있다. 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 such an inorganic semiconductor-based solar cell requires a highly refined material for high efficiency, a large amount of energy is consumed for refining the raw material, and expensive process equipment is required in the process of making single crystal or thin film using raw material And the manufacturing cost of the solar cell can not be reduced. Accordingly, in order to manufacture a solar cell at a low cost, it is necessary to drastically reduce the cost of the core material or the manufacturing process of the solar cell. As an alternative to the inorganic semiconductor-based solar cell, a dye- Solar cells are being actively studied.

염료감응태양전지(DSSC; dye-sensitized solar cell)는 1991년 스위스 로잔공대(EPFL)의 미카엘 그라첼(Michael Gratzel) 교수가 처음 개발에 성공하여 네이쳐지(Vol. 353, p. 737)에 소개되었다. 염료감응태양전지의 작동 원리는, 다공성 광음극 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양광을 흡수하면 염료 분자가 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 다공성 광음극으로 사용된 반도체 산화물의 전도띠로 주입되어 투명 전도성 막으로 전달되어 전류가 발생한다. 염료 분자에 남아 있는 홀은 액체 또는 고체형 전해질의 산화-환원 반응에 의한 홀전도 또는 홀전도성 고분자에 의하여 광양극(photocathode)으로 전달되는 형태로 완전한 태양전지 회로를 구성하여 외부에 일(work)을 하게 된다. Dye-sensitized solar cell (DSSC) was first developed by Professor Michael Gratzel of the Lausanne University of Technology in Switzerland (1991) and introduced to Nature magazine (Vol. 353, p. 737) . The working principle of a dye-sensitized solar cell is as follows. When dye molecules chemically adsorbed on the surface of a porous photocathode absorb solar light, dye molecules generate electron-hole pairs, and electrons are converted into conduction tines of semiconductor oxide used as a porous photocathode Injected and transferred to the transparent conductive film to generate a current. The holes remaining in the dye molecules are transferred to the photocathode by the hole conduction or hole conductive polymer by the oxidation-reduction reaction of the liquid or solid electrolyte, and form a complete solar cell circuit, .

한편, 1990년 중반부터 본격적으로 연구되기 시작한 유기 태양전지(OPV; organic photovoltaic)는 전자주개(electron donor, D 또는 종종 hole acceptor로 불림) 특성과 전자 받개(electron acceptor, A) 특성을 갖는 유기물들로 구성된다. 유기 분자로 이루어진 태양전지가 빛을 흡수하면 전자와 홀이 형성되는데 이것을 엑시톤(exiton)이라 한다. 엑시톤은 D-A 계면으로 이동하여 전하가 분리되고 전자는 억셉터(electron acceptor)로, 홀은 도너(electron donor)로 이동하여 광전류가 발생한다. 전자 공여체에서 발생한 엑시톤이 통상 이동할 수 있는 거리는 10 nm 안팎으로 매우 짧기 때문에 광할성 유기 물질을 두껍게 쌓을 수 없어 광흡수도가 낮아 효율이 낮았다. 그러나, 최근에는 계면에서의 표면적을 증가시키는 소위 BHJ(bulk heterojuction) 개념의 도입과 넓은 범위의 태양광 흡수에 용이한 밴드갭이 작은 전자 공여체(donor) 유기물의 개발과 함께 효율이 크게 증가하여, 8%가 넘는 효율을 가진 유기 태양전지가 보고되고 있다(Advanced Materials, 23 (2011) 4636).Organic photovoltaics (OPVs), which have been studied extensively since mid-1990, have been used to study organic materials with electron donor (D or often called hole acceptor) characteristics and electron acceptor (A) . When a solar cell made of organic molecules absorbs light, electrons and holes are formed. This is called an exiton. The exciton migrates to the D-A interface and the charge is separated, the electrons are transferred to the electron acceptor, the holes are transferred to the electron donor, and the photocurrent is generated. Since the distance that the exciton generated from the electron donor can travel normally is very short, about 10 nm, the photoconductivity can not be accumulated thickly, and the efficiency of the photoconductivity is low due to low light absorption. In recent years, however, efficiency has greatly increased with the introduction of the so-called bulk heterojunction (BHJ) concept of increasing the surface area at the interface and the development of donor organic materials having a small band gap that is easy to absorb a wide range of solar light, Organic solar cells with efficiency over 8% have been reported (Advanced Materials, 23 (2011) 4636).

이외에 순수한 무기물로 된 양자점이 아닌, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 구조를 가진 물질을 염료감응태양전지의 염료 대신 사용하여 약 9%의 효율이 보고된 바 있다(Scientific Reports 2, 591).In addition, a 9% efficiency has been reported using a material having a hybrid organic perovskite structure instead of a pure inorganic quantum dot in place of a dye in a dye-sensitized solar cell (Scientific Reports 2, 591).

한편, 상기와 같은 태양전지에서 발생한 전자-홀 쌍에서 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입되어 투명 전도성 막으로 전달되는데, 이때 반도체 산화물로 TiO2가 널리 사용되고 있다. 일반적으로 Ti 전구체(titanium precursor)를 기판 상에 코팅한 후 이를 고온 소결시켜, 수 nm 크기의 결정성을 가지는 TiO2 입자를 기판에 코팅하는 방식으로 제조한다. 상기와 같은 고온 소결 방식은, 균일한 TiO2 코팅층 및 TiO2 입자간 연결성(interconnection)이 우수하게 할 수 있다는 이점이 있으나, 소결시 약 500℃의 고온이 필요하여, 고온에서 견딜 수 있는 기판만 사용이 가능하다는 문제가 있다. 예를 들어, 연성의 고분자 기판 등의 사용이 제한될 수 밖에 없다. In the electron-hole pairs generated in the solar cell, electrons are injected into the conductive band of the semiconductor oxide and transferred to the transparent conductive film. At this time, TiO 2 is widely used as the semiconductor oxide. Generally, a Ti precursor is coated on a substrate and sintered at a high temperature to prepare TiO 2 particles having a crystallinity of several nanometers. The high-temperature sintering method as described above has an advantage in that uniform TiO 2 coating layer and interconnection between TiO 2 particles can be made excellent. However, since a high temperature of about 500 ° C. is required for sintering, There is a problem that it can be used. For example, the use of a flexible polymer substrate is inevitably limited.

한편, 상기 보다 낮은 온도에서 TiO2 코팅층을 제조하기 위하여, TiO2 입자를 용액에 분산시키고 이를 기판 상에 코팅한 후, 낮은 온도로 열처리하는 방식도 사용되고 있다. 그러나, 상기의 방법은 고온을 사용하지 않는다는 이점이 있으나, 균일한 TiO2 코팅층을 얻기 어렵고, 또한 TiO2 코팅층에 공극이 발생하여 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 문제가 있다. On the other hand, in order to produce the TiO 2 coating layer at the lower temperature, TiO 2 particles are dispersed in a solution, coated on the substrate, and then subjected to heat treatment at a low temperature. However, although the above method has an advantage of not using a high temperature, it is difficult to obtain a uniform TiO 2 coating layer, and voids are generated in the TiO 2 coating layer, thereby deteriorating the efficiency of the solar cell.

이에 본 발명자는, 고온 조건을 사용하지 않으면서도 태양전지의 효율을 높일 수 있는 전자 전달층을 제조하기 위하여 예의 노력한 결과, 후술할 바와 같이 산화티탄 입자, 티타늄 알콕사이드, 및 유기산의 혼합물을 기판 상에 코팅하고 광 소결을 진행하게 되면, 상기를 만족함을 확인하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have made intensive efforts to produce an electron transport layer capable of increasing the efficiency of a solar cell without using high temperature conditions. As a result, it has been found that a mixture of titanium oxide particles, titanium alkoxide, Coating and photo-sintering proceeded, it was confirmed that the above was satisfied, and the present invention was completed.

본 발명은, 고온 조건을 사용하지 않으면서도 태양전지의 효율을 높일 수 있는 전자 전달층의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide a method of manufacturing an electron transport layer capable of increasing the efficiency of a solar cell without using high temperature conditions.

또한, 본 발명은 상기의 제조 방법으로 제조된 전자 전달층을 포함하는, 태양전지를 제공하기 위한 것이다.The present invention also provides a solar cell comprising an electron transport layer produced by the above production method.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 태양전지의 전자 전달층 제조 방법을 제공한다:In order to solve the above problems, the present invention provides a method for producing an electron transport layer of a solar cell comprising the following steps:

산화티탄 입자, 티타늄 알콕사이드, 및 유기산을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(단계 1);Mixing the titanium oxide particles, the titanium alkoxide, and the organic acid to prepare a mixture (Step 1);

상기 혼합물을 기판 상에 코팅하는 단계(단계 2); 및Coating the mixture on a substrate (step 2); And

상기 혼합물이 코팅된 기판을 광 소결하는 단계(단계 3).And photo-sintering the substrate coated with the mixture (step 3).

본 발명에서 제조하고자 하는 태양전지의 전자 전달층이란, 감광체가 태양광을 흡수하여 발생한 전자와 정공 중 전자를 전달시키는 역할을 하는 것을 의미하는 것으로, 산화티탄 입자를 주요 성분으로 포함한다. The electron transport layer of the solar cell to be produced in the present invention means that the photoconductor transmits electrons generated by the absorption of sunlight and electrons in holes and includes titanium oxide particles as a main component.

종래에는 Ti 전구체(titanium precursor)를 기판 상에 코팅한 후 이를 약 500℃의 고온으로 소결시켜 전자 전달층을 제조하였으나, 고온을 사용하기 때문에 기판 종류 등 많은 제약이 있었다. 또한, 고온을 사용하지 않기 위하여, 산화티탄 입자를 용매에 분산시킨 후 이를 기판에 코팅하는 방법으로 전자 전달층을 제조하였으나, 공극이 적고 균일한 두께의 전자 전달층을 얻기 어렵다. Conventionally, a titanium precursor was coated on a substrate and then sintered at a high temperature of about 500 ° C to prepare an electron transport layer. However, since a high temperature was used, there were many restrictions such as a substrate type. In order to avoid the use of a high temperature, the electron transport layer is prepared by dispersing the titanium oxide particles in a solvent and coating the dispersion on a substrate. However, it is difficult to obtain an electron transport layer having a small thickness and a uniform thickness.

이에 본 발명에서는 산화티탄 입자를 사용하되, 공극이 적고 균일한 두께의 전자 전달층을 얻기 위하여 티타늄 알콕사이드 및 유기산을 함께 사용하며, 또한 광소결을 통하여 전자 전달층의 결정성을 높이는 것을 특징으로 한다. In the present invention, titanium oxide particles are used, and titanium alkoxide and organic acid are used together to obtain an electron transport layer having a small thickness and a uniform thickness, and the crystallinity of the electron transport layer is enhanced through photo-sintering .

이에 각 단계 별로 본 발명을 상세히 설명한다. The present invention will now be described in detail.

산화티탄 입자, 티타늄 Titanium oxide particles, titanium 알콕사이드Alkoxide , 및 유기산을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계(단계 1), And an organic acid to prepare a mixture (step 1)

상기 단계 1은, 기판 상에 코팅할 물질을 준비하는 단계로서, 산화티탄 입자, 티타늄 알콕사이드, 및 유기산을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계이다. The step 1 is a step of preparing a substance to be coated on a substrate, and mixing the titanium oxide particles, the titanium alkoxide, and the organic acid to prepare a mixture.

상기 혼합물의 용매는 물, C1-5 알코올, 또는 이의 혼합 용매를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 에탄올을 사용할 수 있다. 상기 산화티탄 입자는, 본 발명에서 제조하는 전자 전달층을 구성하는 주요 성분으로서, 종래 저온 공정으로 태양전지의 전자 전달층을 제조하는데 사용되던 산화티탄 입자이면 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로, 상기 산화티탄 입자의 직경은 5 nm 내지 20 nm인 것이 바람직하다. 상기 산화티탄 입자의 사용량은 필요에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 구체적으로 상기 혼합물 내 상기 산화티탄 입자를 0.01 내지 1 중량%, 또는 0.1 내지 0.5 중량%로 포함하는 것이 바람직하다. The solvent of the mixture may be water, a C 1-5 alcohol, or a mixed solvent thereof, preferably ethanol. The titanium oxide particle is not particularly limited as long as it is a titanium oxide particle used for manufacturing an electron transport layer of a solar cell in the conventional low temperature process as a main component constituting the electron transport layer produced in the present invention. Specifically, the diameter of the titanium oxide particles is preferably 5 nm to 20 nm. The amount of the titanium oxide particles to be used can be appropriately adjusted as required, and it is preferable that the titanium oxide particles are contained in the mixture in an amount of 0.01 to 1% by weight or 0.1 to 0.5% by weight.

상기 티타늄 알콕사이드는, 상기 산화티탄 입자 간의 연결성(interconnection) 및 전자 전달층의 공극을 채우는 역할을 한다. 상기 산화티탄 입자만 기판에 코팅하고 고온 소결하지 않으면, 산화티탄 입자간 공극이 발생하여 태양전지의 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 상기 산화티탄 입자 외에 티타늄 알콕사이드를 함께 사용함으로써, 상기의 문제를 해결할 수 있다. The titanium alkoxide serves to fill the interconnection between the titanium oxide particles and the voids of the electron transport layer. If only the above-mentioned titanium oxide particles are coated on the substrate and sintered at a high temperature, voids are formed between the titanium oxide particles, which results in a problem that the efficiency of the solar cell is lowered. Therefore, in the present invention, by using titanium alkoxide in addition to the titanium oxide particles, the above problems can be solved.

구체적으로, 상기 티타늄 알콕사이드로는 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트), 티타늄 아이소프로폭사이드, 티타늄 부톡사이드 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 티타늄 알콕사이드의 사용량은 필요에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 구체적으로 상기 혼합물 내 상기 티타늄 알콕사이드를 20 내지 70몰%, 또는 30 내지 60 몰%로 포함하는 것이 바람직하다. Specifically, examples of the titanium alkoxide include titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate), titanium isopropoxide, titanium butoxide, and the like. The amount of the titanium alkoxide to be used can be appropriately adjusted as needed, and it is preferable that the titanium alkoxide in the mixture is contained in an amount of 20 to 70 mol% or 30 to 60 mol%.

상기 유기산은, 티타늄 알콕사이드가 상기 산화티탄 입자간 연결이 잘 일어나도록 촉매 역할을 한다. 상기 유기산으로는 아세트산, 프로피온산 등을 사용할 수 있다. 상기 유기산의 사용량은 필요에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 구체적으로 상기 혼합물 내 0 초과 1 몰%, 또는 0.01 내지 0.1 몰%로 포함하는 것이 바람직하다. The organic acid acts as a catalyst so that the titanium alkoxide is well connected to the titanium oxide particles. As the organic acid, acetic acid, propionic acid and the like can be used. The amount of the organic acid to be used can be appropriately adjusted as needed, and it is preferable that the amount of the organic acid is more than 0 and 1 mol% or 0.01 to 0.1 mol% in the mixture.

상기 단계 1은 상온에서 수행할 수 있으며, 그 혼합 방법에 제한은 없다. 또한, 필요에 따라 균일한 혼합을 위하여 초음파 처리를 동시에 수행할 수도 있다. The step 1 can be carried out at room temperature, and there is no limitation on the mixing method. In addition, if necessary, ultrasonic treatment may be simultaneously performed for uniform mixing.

상기 혼합물을 The mixture 기판 상에On the substrate 코팅하는 단계(단계 2) The coating step (step 2)

상기 단계 2는, 상기 단계 1에서 제조한 혼합물을 기판 상에 코팅하는 단계이다. Step 2 is a step of coating the mixture prepared in step 1 on a substrate.

상기 기판은 태양전지에 사용되는 기판이면 특별히 제한되지 않으며, 일례로 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. 특히, 본 발명에서는 전자 전달층을 제조하는데 고온 조건을 사용하지 않기 때문에, 플라스틱 기판과 같은 기판의 사용이 가능하다. The substrate is not particularly limited as long as it is a substrate used in a solar cell and includes at least one material selected from the group consisting of ITO, FTO, ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 and tin oxide A conductive layer containing at least one material selected from the group consisting of Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C and a conductive polymer is formed on a glass substrate or a plastic substrate . Particularly, in the present invention, since a high-temperature condition is not used for manufacturing the electron transport layer, it is possible to use a substrate such as a plastic substrate.

상기 코팅의 방법은 특별히 제한되지 않으며, 일례로 스핀-코팅, 딥코팅, 스크린코팅, 스프레이코팅, 전기방사 등의 방법으로 코팅할 수 있다. 또한, 코팅량을 조절하여 제조하고자 하는 전자 전달층의 두께를 조절할 수 있다. The method of coating is not particularly limited and may be coated by spin coating, dip coating, screen coating, spray coating, electrospinning, or the like. Also, the thickness of the electron transport layer to be manufactured can be controlled by adjusting the coating amount.

또한, 필요에 따라 상기 기판 상에 코팅된 혼합물에 사용된 용매를 제거하기 위하여 건조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. In addition, if necessary, drying may be further performed to remove the solvent used in the mixture coated on the substrate.

상기 혼합물이 코팅된 기판을 광 소결하는 단계(단계 3)Photo-sintering the substrate coated with the mixture (step 3)

상기 단계 3은, 상기 단계 2에서 기판 상에 코팅된 혼합물을 광 소결하여 전자 전달층을 형성하는 단계이다. The step 3 is a step of photo-sintering the mixture coated on the substrate in the step 2 to form an electron transport layer.

상기 단계 2에 의하여, 기판 상에는 산화티탄 입자가 분포되어 있고, 산화티탄 입자 사이에는 티타늄 알콕사이드가 매개하고 있다. 여기에 광 소결을 진행하게 되면, 유기산의 촉매 하에 티타늄 알콕사이드가 반응하여 산화티탄 입자 간의 공극을 메울 수 있게 된다. According to the step 2, titanium oxide particles are distributed on the substrate, and titanium alkoxide is mediated between the titanium oxide particles. When light sintering proceeds, the titanium alkoxide reacts with the organic acid catalyst to fill the gaps between the titanium oxide particles.

상기 광 소결은 티타늄 알콕사이드가 반응할 수 있는 파장대의 빛을 조사하는 것을 의미하는 것으로, 바람직하게는 300 nm 내지 1000 nm의 파장의 빛을 기판 상에 조사한다. The light sintering means that light of a wavelength range in which titanium alkoxide can react is irradiated with light having a wavelength of preferably 300 nm to 1000 nm.

상기 조사 시간은 티타늄 알콕사이드가 충분히 반응할 수 있는 시간이면 특별히 제한되지 않으며, 일례로 80 ms 내지 100 ms의 시간 동안 조사하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 조사에 의하여 온도가 올라가지 않도록, 상기 조사를 여러 번 나누어 진행하는 것이 바람직하다. 또한, 광 소결을 진행하기 때문에 고온 조건이 필요없으며, 구체적으로 상기 단계 3의 반응은 100℃ 이하, 바람직하게는 70℃ 이하의 온도 하에 수행할 수 있다. 또한, 상기 조사의 효율을 위하여 상기 단계 3의 반응은 0℃ 이상, 10℃ 이상, 또는 20℃ 이상이 바람직하다. The irradiation time is not particularly limited as long as the titanium alkoxide can sufficiently react. For example, irradiation is preferably performed for a time of 80 ms to 100 ms. Further, it is preferable that the irradiation is divided into several times so that the temperature does not rise by the irradiation. In addition, since the light sintering proceeds, a high-temperature condition is not necessary. Specifically, the reaction of step 3 can be performed at a temperature of 100 ° C or less, preferably 70 ° C or less. Also, for the efficiency of the irradiation, the reaction of step 3 is preferably 0 ° C or more, 10 ° C or more, or 20 ° C or more.

태양전지의 전자 Electronics of solar cell 전달층Transmission layer

상기 제조되는 전자 전달층의 두께는 필요에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 앞서 단계 2의 혼합물 코팅량을 조절하는 방법으로 조절할 수 있다. 바람직하게는, 상기 전자 전달층의 두께는 50 nm 내지 100 nm이다. The thickness of the electron transport layer may be adjusted as necessary, and may be controlled by adjusting the amount of the coating of step 2 previously. Preferably, the thickness of the electron transporting layer is 50 nm to 100 nm.

상술한 본 발명에 따라 제조되는 전자 전달층은 태양전지에 적용할 수 있다. 상기 태양전지의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 염료감응형 태양전지, 유기 태양전지, 및 페로브스카이트 태양전지 등에 적용할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 전자 전달층의 제조를 위하여 고온 조건이 적용되지 않기 때문에, 유연성이 있는 플라스틱 기판을 사용하는 태양전지에도 적용할 수 있다. The electron transport layer produced according to the present invention can be applied to a solar cell. The type of the solar cell is not particularly limited and can be applied to a dye-sensitized solar cell, an organic solar cell, and a perovskite solar cell. In particular, the present invention can be applied to a solar cell using a flexible plastic substrate, since a high temperature condition is not applied for the production of an electron transport layer.

본 발명에 따른 태양전지는, 본 발명에서 제조한 전자 전달층을 사용한다는 점을 제외하고는, 일반적으로 사용되는 태양전지의 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 전극, 본 발명에 따른 전자 전달층, 감광층, 정공 전달층, 및 제2 전극을 포함할 수 있다.The solar cell according to the present invention may have a configuration of a generally used solar cell, except that the electron transport layer produced in the present invention is used. For example, a first electrode, an electron transport layer according to the present invention, a photosensitive layer, a hole transport layer, and a second electrode.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지의 전자 전달층의 제조 방법은, 고온 공정을 사용하지 않으면서도 공극이 적고 균일한 두께의 전자 전달층을 제조할 수 있다는 특징이 있다. As described above, the method for producing an electron transport layer of a solar cell according to the present invention is characterized in that an electron transport layer having a small thickness and a uniform thickness can be produced without using a high temperature process.

도 1은, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전자 전달층의 표면을 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 비교예에 따라 제조된 전자 전달층의 표면을 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 전자 전달층의 XRD 데이터를 나타낸 것이다.
FIG. 1 shows the surface of an electron transport layer produced according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 shows the surface of the electron transport layer produced according to the comparative example of the present invention.
Fig. 3 shows XRD data of the electron transport layer prepared according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하, 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들을 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. However, the following embodiments are intended to illustrate the invention, but the invention is not limited thereto.

실시예Example

(단계 1)(Step 1)

25 × 25 mm 크기의 ITO 기판의 끝 부분을 에칭하여 부분적으로 ITO를 제거하였다. 에탄올을 용매로 사용한 0.15 wt%의 TiO2 용액에, 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)(titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)) 60 몰%, 아세트산 0.01 몰%의 농도가 되도록 첨가하였다. 상기 용액을 700 rpm으로 10초 및 2000 rpm으로 60초 동안 ITO 기판에 60 nm의 두께로 코팅하고, 100℃에서 30분 동안 열처리하였다. 이어, 상기 ITO 기판을 광소결하여, n-type 물질인 block TiO2 층을 형성하였다. 상기 광소결은 Zenon lamp(Novacentrix, PluseForge 1200)를 광원으로 사용하여, 330 V 및 0.1 Hz의 조건으로 1 ms 동안 빛을 조사하고, 20 ms를 쉬는 방법을 총 81회 진행(총 130J 에너지)하였다. The end portion of the ITO substrate having a size of 25 mm × 25 mm was etched to partially remove ITO. (Titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate)) of 60 mol% and acetic acid of 0.01 mol% was added to a 0.15 wt% TiO 2 solution using ethanol as a solvent. The solution was coated on ITO substrate to a thickness of 60 nm at 700 rpm for 10 seconds and at 2000 rpm for 60 seconds and heat-treated at 100 DEG C for 30 minutes. Then, the ITO substrate was photo-sintered to form an n-type block TiO 2 layer. The light sintering was carried out by using a Zenon lamp (Novacentrix, PluseForge 1200) as a light source, irradiating light for 1 ms at 330 V and 0.1 Hz, and resting 20 ms for 81 times in total (total 130 J energy) .

(단계 2)(Step 2)

MAI(methylammonium iodide) 및 PbI2를 1:1의 몰 비로 DMSO에 용해시켜 50 wt%의 용액을 제조하였다. 상기 용액을 60℃에서 1시간 동안 교반한 후 이를 상기 block TiO2 층 상에 500 rpm으로 5초, 1000 rpm으로 90초, 및 5000 rpm으로 30초 동안 각각 코팅하고, 150℃에서 10분 동안 건조 및 열처리하여 광흡수층을 형성하였다. 상기 광흡수층 상에 58 mM spiro-OMeTAD(72.3 mg/mL), 188 mM TBP(4-tert-butylpyridine, 28.8 uL), 및 29.9 mM LiTFSi(17.5 uL)가 용해된 클로로벤젠 용액(30 uL)을 6000 rpm으로 30초 동안 스핀 코팅하여 정공전달층을 형성하였다. 여기에 Au를 진공 증착하여 전극을 형성하여, 태양전지를 제조하였다. MAI (methylammonium iodide) and PbI 2 were dissolved in DMSO at a molar ratio of 1: 1 to prepare a 50 wt% solution. The solution was stirred for 1 hour at 60 ° C and then coated on the block TiO 2 layer at 500 rpm for 5 seconds, 1000 rpm for 90 seconds, and 5000 rpm for 30 seconds, and dried at 150 ° C for 10 minutes And heat treated to form a light absorbing layer. 30 uL of a solution of 58 mM spiro-OMeTAD (72.3 mg / mL), 188 mM TBP (4-tert-butylpyridine, 28.8 uL) and 29.9 mM LiTFSi (17.5 uL) dissolved in chlorobenzene solution And spin-coated at 6000 rpm for 30 seconds to form a hole transporting layer. Au was vacuum-deposited thereon to form an electrode, thereby manufacturing a solar cell.

비교예Comparative Example 1 One

상기 실시예와 동일한 방법으로 제조하되, 상기 단계 1에서 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)(titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)) 및 아세트산을 사용하지 않고, 또한 광소결을 진행하지 않는 것을 제외하여, 태양전지를 제조하였다. Except that titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate) and acetic acid were not used and the light sintering was not carried out in the step 1, except that titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate) Thereby preparing a solar cell.

비교예Comparative Example 2 2

상기 실시예와 동일한 방법으로 제조하되, 상기 단계 1에서 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)(titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate)) 및 아세트산을 사용하지 않는 것을 제외하여, 태양전지를 제조하였다. Except that titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate) (bis (acetylacetonate)) and acetic acid were not used in the above step 1, and a solar cell was prepared.

비교예Comparative Example 3 3

상기 실시예와 동일한 방법으로 제조하되, 상기 단계 1에서 광소결을 진행하지 않는 것을 제외하여, 태양전지를 제조하였다. A solar cell was manufactured in the same manner as in the above example except that the light sintering was not carried out in the step 1.

비교예Comparative Example 4 4

25 × 25 mm 크기의 FTO 기판의 끝 부분을 에칭하여 부분적으로 FTO를 제거하였다. 0.1 M의 [(CH3)2CHO)2Ti(C5H7O2)2] 1-부탄올 용액을 700 rpm으로 10초 및 2000 rpm으로 60초 동안 FTO 기판에 40 nm의 두께로 코팅하고, 500℃에서 15분 동안 소결하여, n-type 물질인 block TiO2 층을 형성하였다. 이어, 상기 실시예의 단계 2와 동일한 방법으로, 태양전지를 제조하였다. The end portion of the FTO substrate having a size of 25 mm × 25 mm was etched to partially remove the FTO. A solution of 0.1 M [(CH 3 ) 2 CHO) 2 Ti (C 5 H 7 O 2 ) 2 ] 1-butanol was coated on the FTO substrate to a thickness of 40 nm at 700 rpm for 10 seconds and 2000 rpm for 60 seconds And sintered at 500 ° C for 15 minutes to form an n-type block TiO 2 layer. Then, a solar cell was prepared in the same manner as in step 2 of the above example.

실험예Experimental Example 1: 전자  1: Electronic 전달층의Transfer layer 표면 관찰 Surface observation

상기 실시예 및 비교예 1에서 제조한 전자 전달층의 표면을 SEM 이미지로 확인하였으며, 그 결과를 도 1(실시예) 및 도 2(비교예 1)에 각각 나타내었다. The surface of the electron transport layer prepared in the above Example and Comparative Example 1 was confirmed by an SEM image. The results are shown in Fig. 1 (Example) and Fig. 2 (Comparative Example 1).

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 경우 공극이 실질적으로 발생하지 않은 반면, 도 2에 나타난 바와 같이, 티타늄 알콕사이드 및 유기산을 사용하지 않은 비교예 1의 경우 공극이 발생함을 확인할 수 있었다. 이로부터, 본 발명과 같이 티타늄 알콕사이드 및 유기산을 사용하고 광소결을 진행할 경우, 산화티탄 입자 간에 형성되는 공극을 충분히 메울 수 있음을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 1, in the case of the embodiment according to the present invention, voids were not substantially generated, whereas in Comparative Example 1 in which titanium alkoxide and organic acid were not used as shown in FIG. 2, there was. From these results, it can be confirmed that when the titanium alkoxide and the organic acid are used and the light sintering is proceeded as in the present invention, the voids formed between the titanium oxide particles can be sufficiently filled.

실험예Experimental Example 2:  2: XRDXRD 데이터 분석 Data Analysis

상기 실시예, 비교예 1 및 비교예 4에서 제조한 전자 전달층의 결정성을 확인하기 위하여 XRD 데이터를 측정하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. XRD data were measured to confirm the crystallinity of the electron transport layer prepared in the above Examples, Comparative Examples 1 and 4, and the results are shown in FIG.

도 3의 실시예 및 비교예 1의 결과를 비교하면, 광 소결을 통하여 결정성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예의 결정성 정도는 고온 소결로 처리한 비교예 4와 실질적으로 동일하여, 광 소결을 통하여 결정성이 충분히 이루어짐을 확인할 수 있었다. Comparing the results of the example of FIG. 3 and the results of Comparative Example 1, it was confirmed that crystallinity increases through light sintering. In addition, the degree of crystallinity of the examples was substantially the same as that of Comparative Example 4 which was subjected to the high-temperature sintering treatment, and it was confirmed that crystallinity was sufficiently obtained through light sintering.

실험예Experimental Example 3: 태양전지의 특성 평가 3: Characterization of solar cell

상기 실시예 및 비교예에서 제조한 태양전지를 이용하여, 각 태양전지의 특성을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The characteristics of each solar cell were evaluated using the solar cells prepared in the above-described Examples and Comparative Examples, and the results are shown in Table 1 below.

JSC(mA/cm2)JSC (mA / cm 2 ) Voc(V)Voc (V) FFFF PCE(%)PCE (%) 실시예Example 22.3622.36 1.0851.085 0.690.69 16.7516.75 비교예 1Comparative Example 1 23.9023.90 0.7190.719 0.500.50 8.688.68 비교예 2Comparative Example 2 23.6123.61 0.7620.762 0.530.53 9.589.58 비교예 3Comparative Example 3 25.1725.17 0.8240.824 0.620.62 12.7912.79 비교예 4Comparative Example 4 21.5521.55 1.1181.118 0.710.71 17.1017.10

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 광소결을 진행하지 않은 비교예 1 및 2에 비하여, 본 발명에 따른 실시예의 경우 광변환 효율이 현저히 높음을 확인할 수 있었다. 또한, 광소결을 진행하되, 티타늄 알콕사이드 및 유기산을 사용하지 않은 비교예 3에 비하여도 광변환 효율이 현저히 높음을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명에 따른 실시예는 고온 소결 방식으로 제조한 비교예 4에 상응할 정도의 광변환 효율을 나타냄을 확인할 수 있는바, 기존 고온 소결 방식을 적용할 수 없는 플라스틱 기판 등에도 유용하게 적용할 수 있음을 확인할 수 있었다.As shown in Table 1, in comparison with Comparative Examples 1 and 2 in which light sintering did not proceed, it was confirmed that the photoconversion efficiency was remarkably high in the example according to the present invention. Also, it was confirmed that the photo-conversion efficiency was remarkably higher than that of Comparative Example 3 in which the photo-sintering proceeded but no titanium alkoxide and organic acid were used. In addition, it can be confirmed that the embodiment according to the present invention exhibits a light conversion efficiency equivalent to that of Comparative Example 4 produced by the high-temperature sintering method, and is also usefully applied to a plastic substrate to which the conventional high-temperature sintering method can not be applied I can confirm that I can do it.

Claims (10)

산화티탄 입자, 티타늄 알콕사이드, 및 유기산을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
상기 혼합물을 기판 상에 코팅하는 단계; 및
상기 혼합물이 코팅된 기판을 광 소결하는 단계를 포함하는,
태양전지의 전자 전달층 제조 방법.
Mixing the titanium oxide particles, the titanium alkoxide, and the organic acid to prepare a mixture;
Coating the mixture on a substrate; And
And photo-sintering the substrate coated with the mixture.
A method for manufacturing an electron transport layer of a solar cell.
제1항에 있어서,
상기 산화티탄 입자의 직경은 5 nm 내지 20 nm인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the titanium oxide particles have a diameter of 5 nm to 20 nm.
Gt;
제1항에 있어서,
상기 티타늄 알콕사이드는 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트), 티타늄 아이소프로폭사이드, 또는 티타늄 부톡사이드인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein said titanium alkoxide is titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate), titanium isopropoxide, or titanium butoxide.
Gt;
제1항에 있어서,
상기 유기산은 아세트산, 또는 프로피온산인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the organic acid is acetic acid or propionic acid.
Gt;
제1항에 있어서,
상기 혼합물 내 상기 티타늄 알콕사이드의 함량이 20 내지 70 몰%인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the titanium alkoxide in the mixture is 20 to 70 mol%
Gt;
제1항에 있어서,
상기 혼합물 내 상기 유기산의 함량이 0 초과 1 몰%인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the organic acid in the mixture is more than 0 and 1 mol%
Gt;
제1항에 있어서,
상기 기판은 ITO, FTO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 주석계 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 유리 기판; 또는 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 도전층이 형성된 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate is a glass substrate containing at least one material selected from the group consisting of ITO, FTO, ZnO-Ga 2 O 3, ZnO-Al 2 O 3 and tin oxide; Or a conductive layer comprising at least one material selected from the group consisting of Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C and conductive polymers.
Gt;
제1항에 있어서,
상기 광 소결은, 300 nm 내지 1000 nm의 파장의 빛을 기판 상에 조사하는 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the light sintering is performed by irradiating light having a wavelength of 300 nm to 1000 nm onto the substrate,
Gt;
제1항에 있어서,
상기 광 소결은 80 ms 내지 100 ms의 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that the light sintering is performed for a time of 80 ms to 100 ms.
Gt;
제1항에 있어서,
상기 태양전지의 정공 전달층의 두께는 50 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the hole transporting layer of the solar cell is 50 nm to 100 nm.
Gt;
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