KR20180024870A - Hole transport material for perovskite structure solar cell - Google Patents

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이정현
이슬기
박헌수
제이. 니콜라스 로빈
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Abstract

The present invention relates to a solar cell. The solar cell according to the present invention includes: a first electrode; a light absorbing layer which is formed on the first electrode and includes a perovskite material; a hole transporting layer formed on the light absorbing layer; and a second electrode formed on the hole transporting layer. The hole transporting layer is made of composite materials of a polymer layer and a single-walled carbon nanotubes (SWNT) layer and the polymer layer includes 4-tert-butylpyridine. Accordingly, the present invention can obtain high power conversion efficiency and high steady-state performance.

Description

페로브 스카이트 태양전지 효율 향상을 위한 정공수송물질{HOLE TRANSPORT MATERIAL FOR PEROVSKITE STRUCTURE SOLAR CELL} [0001] HOLE TRANSPORT MATERIAL FOR PEROVSKITE STRUCTURE SOLAR CELL [0002]

본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 페로브 스카이트 태양전지 효율 향상을 위한 정공수송물질 개발에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell, and more particularly, to the development of a hole transport material for improving the efficiency of a perovskite solar cell.

화석 연료의 고갈과 환경오염 문제로 재생 가능한 친환경에너지 개발에 대한 필요성이 대두되면서, 태양빛으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 무한한 청정에너지 공급원인 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다.As the need for renewable eco-friendly energy development has arisen due to the depletion of fossil fuels and environmental pollution, there is a growing interest in solar cells, which supply infinite clean energy to change electrical energy directly from sunlight.

현재 상용화된 실리콘계 태양전지는 20% 이상의 발전효율을 갖고 있지만, 고순도 결정질 실리콘을 생산하기 위한 공정단가를 인하하는 게 쉽지 않다. 이에 따라 보편적인 에너지원으로 태양전지를 사용하기 위해 기존의 화석연료와 경쟁할 수 있는 초저가 고효율 태양전지의 개발이 시급하게 되었다.Although silicon solar cells currently commercialized have a power generation efficiency of 20% or more, it is not easy to lower the process cost for producing high-purity crystalline silicon. As a result, it has become urgent to develop an ultra-low-cost, high-efficiency solar cell capable of competing with conventional fossil fuels in order to use solar cells as a universal energy source.

최근 태양전지 개발에 있어서 실리콘 기반, 유기 염료 기반, 그리고 새롭게 페로브스카이트(perovskite) 기반 태양 전지가 각축을 벌이고 있으며, 그 중 페로브스카이트 기반 태양전지는 가장 유망한 태양광 기술로 주목받고 있다.In recent years, silicon-based, organic dye-based, and newly perovskite-based solar cells have been competing in the development of solar cells, among which perovskite-based solar cells are attracting attention as the most promising photovoltaic technology .

페로브스카이트 태양전지는 부도체·반도체·도체 성질과 함께 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물인 페로브스카이트를 광활성층으로 이용하여 빛을 흡수하여 광에너지를 전기에너지로 변환시키는 소자이다.Perovskite solar cell is a device that converts light energy into electric energy by absorbing light by using perovskite, which is a metal oxide of special structure that shows superconductivity phenomenon together with non-conductor, semiconductor and conductor properties as a photoactive layer.

페로브스카이트 태양전지는 효율이 20.1%까지 보고되었고, 저온 용액공정이 가능하다. 이처럼 페로브스카이트 태양전지는 높은 효율성과 낮은 제조 단가로 인해 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 각광받고 있다.Perovskite solar cells have reported efficiencies up to 20.1% and are capable of low temperature solution processes. Perovskite solar cells are emerging as next-generation solar cells to replace silicon solar cells due to their high efficiency and low manufacturing costs.

이러한 장점에도 불구하고 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트의 안정성이 낮고 정공수송층 소재가 부족하여 상용화에 어려움을 겪고 있다.Despite these advantages, perovskite solar cells suffer from poor stability of perovskite and lack of materials for hole transport layer, making them difficult to commercialize.

최근, 전자전달체와 정공수송층의 위치를 맞바꾼 역구조 페로브스카이트 태양전지가 개발됨에 따라 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 걸림돌이 되는 장기적 안정성 문제를 해결할 수 있었다.In recent years, the development of a retrostructured perovskite solar cell that reverses the position of an electron carrier and a hole transport layer has solved the long-term stability problem, which is a hindrance to commercialization of a perovskite solar cell.

그러나, 역구조 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층으로 널리 사용되고 있는 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)는 우수한 소자 효율을 나타내지만, 강산성이므로 페로브스카이트 광흡수층을 부식시켜 소자 수명을 단축하는 단점이 있다.However, PEDOT: PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate), which is widely used as a hole transport layer of a reverse-structured perovskite solar cell, exhibits excellent device efficiency. However, since it is strongly acidic, the perovskite- Thereby shortening the lifetime of the device.

따라서, 페로브스카이트 태양전지의 장기적 안정성, 수명, 효율 등의 특성을 모두 만족할 수 있는 신규한 구조나 신소재에 대한 계속적인 연구가 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to continue research on new structures and new materials that can satisfy the characteristics of long-term stability, life span and efficiency of perovskite solar cells.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 높은 전력변환효율 및 우수한 정상 상태(steady-state) 성능을 갖는 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a solar cell having high power conversion efficiency and excellent steady-state performance.

본 발명은, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성되고, 페로브스카이트(perovskite) 물질을 포함하는 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성된 정공수송층; 및 상기 정공수송층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하며, 상기 정공수송층은 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotubes; SWNT)층과 고분자층의 복합재로 형성되고, 상기 고분자층은 4-터셔리-부틸피리딘(4-tert- butylpyridine)을 포함하는 태양전지를 제공한다.The present invention provides a light emitting device comprising: a first electrode; A light absorbing layer formed on the first electrode and including a perovskite material; A hole transporting layer formed on the light absorbing layer; And a second electrode formed on the hole transport layer, wherein the hole transport layer is formed of a composite material of a single-walled carbon nanotube (SWNT) layer and a polymer layer, (4-tert-butylpyridine). ≪ / RTI >

상기에서, 4-터셔리-부틸피리딘의 농도는 2wt% 내지 10wt%인 것을 특징으로 한다.In the above, the concentration of 4-tertiary-butylpyridine is 2 wt% to 10 wt%.

상기에서, 고분자층은 폴리(메틸메타크릴레이트) (poly(methylmethacrylate)) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the above, the polymer layer is characterized by comprising poly (methylmethacrylate) (poly (methylmethacrylate)) or polycarbonate.

상기에서, 단일벽 탄소 나노튜브층은 표면이 P3HT 재질의 단일 외피로 싸여있는 것을 특징으로 한다.In the above, the single-walled carbon nanotube layer is characterized in that its surface is enclosed by a single sheath of P3HT material.

상기에서, 페로브스카이트 물질은 하기 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 한다.In the above, the perovskite substance is characterized by being represented by the following general formula (1).

<화학식 1> ABX3 &Lt; Formula 1 > ABX 3

(여기서, A는 CH3NH3 + 또는 HC(NH)2 +를 포함하는 유기물 양이온, B는 Pb2 + 또는 Sn2+를 포함하는 금속 양이온, X는 Cl-. Br- 및 I- 중 어느 하나를 포함하는 할로겐 음이온이다.)Wherein A is an organic cation containing CH 3 NH 3 + or HC (NH) 2 + , B is a metal cation containing Pb 2 + or Sn 2+ , X is Cl -, Br - and I - It is a halogen anion including one.)

상기에서, 페로브스카이트 물질은 메틸암모늄요오드화납(CH3NH3PbI3)인 것을 특징으로 한다.In the above, the perovskite material is characterized in that methyl ammonium iodide Pb (CH 3 NH 3 PbI 3) .

상기에서, 페로브스카이트 물질은 메조포러스(mesoporous) 지지체 상에 함침되어 있는 것을 특징으로 한다.In the above, the perovskite material is characterized in that it is impregnated on a mesoporous support.

상기에서, 메조포러스 지지체는 메조포러스 알루미나(Al2O3)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the above, the mesoporous support is characterized by containing mesoporous alumina (Al 2 O 3 ).

상기에서, 제1 전극과 광흡수층 사이에, 전자수송층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In the above, an electron transport layer is further included between the first electrode and the light absorption layer.

상기에서, 전자수송층은 이산화티탄(TiO2)층을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the above, the electron transport layer is characterized by including a titanium dioxide (TiO 2 ) layer.

상기에서, 광흡수층과 정공수송층 사이에, 페로브스카이트 물질을 포함하는 캡핑층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In this case, a capping layer containing a perovskite material is further provided between the light absorbing layer and the hole transporting layer.

상기에서, 캡핑층의 페로브스카이트 물질은 하기 화학식 2로 표시되는 것을 특징으로 한다.The perovskite material of the capping layer is represented by the following general formula (2).

<화학식 2> ABX3 &Lt; Formula 2 > ABX 3

(여기서, A는 CH3NH3 + 또는 HC(NH)2 +를 포함하는 유기물 양이온, B는 Pb2 + 또는 Sn2+를 포함하는 금속 양이온, X는 Cl-. Br- 및 I- 중 어느 하나를 포함하는 할로겐 음이온이다.)Wherein A is an organic cation containing CH 3 NH 3 + or HC (NH) 2 + , B is a metal cation containing Pb 2 + or Sn 2+ , X is Cl -, Br - and I - It is a halogen anion including one.)

상기에서, 캡핑층의 페로브스카이트 물질은 메틸암모늄요오드화납(CH3NH3PbI3)인 것을 특징으로 한다.In the above, a perovskite material of the capping layer is characterized in that methyl ammonium iodide Pb (CH 3 NH 3 PbI 3) .

상기에서, 제1 전극은 투명 도전성 전극인 것을 특징으로 한다.In the above, the first electrode is a transparent conductive electrode.

상기에서, 4-터트 부틸피리딘은 페로브스카이트 물질과의 계면에서, 정공 추출에 호의적인 위쪽 밴드 굽힘(band benting)을 발생시키는 것을 특징으로 한다.In the above, 4-tertbutylpyridine is characterized by causing band bending at the interface with the perovskite material favorably for hole extraction.

본 발명에 따르면 tBP가 첨가된 정공수송층을 포함함으로써, tBP와 페로브스카이트 사이의 직접적인 화학적 상호작용에 의해 전력변환효율 및 정상 상태 성능 등 페로브스카이트 태양전지의 전체 성능을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, by including the hole transporting layer to which tBP is added, The direct chemical interaction between tBP and perovskite can improve the overall performance of the perovskite solar cell, including power conversion efficiency and steady-state performance.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 태양전지 일부 단면의 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예 1에 따른 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 비교예 1에 따른 태양전지의 광전변환효율(PCE) 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 태양전지의 PCE 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2 및 비교예 2에 따른 태양전지의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2 및 비교예 2에 따른 태양전지의 PCE 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10는 본 발명의 실험예 1 및 비교실험예 1에 따른 태양전지의 광하에서의 양·음 바이어스별 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실험예 1 및 비교실험예 1에 따른 태양전지의 암전하에서의 양·음 바이어스별 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실험예 2에 따른 태양전지의 메커니즘을 설명하기 위한 모식도이다.
도 13은 본 발명의 실험예 2에 따른 태양전지의 SPO를 나타낸 것이다.
1 is a cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
2 is an exploded perspective view of FIG.
3 is an electron microscope (SEM) photograph of a section of a solar cell according to Example 1 of the present invention.
4 is a graph showing current-voltage characteristics of a solar cell according to Comparative Example 1 of the present invention.
5 is a graph showing current-voltage characteristics of a solar cell according to Example 1 of the present invention.
6 is a graph showing photoelectric conversion efficiency (PCE) characteristics of a solar cell according to Comparative Example 1 of the present invention.
7 is a graph showing PCE characteristics of a solar cell according to Example 1 of the present invention.
8 is a graph showing current-voltage characteristics of a solar cell according to Example 2 and Comparative Example 2 of the present invention.
9 is a graph showing PCE characteristics of a solar cell according to Example 2 and Comparative Example 2 of the present invention.
10 is a graph showing current-voltage characteristics of positive and negative biases under the light of the solar cell according to Experimental Example 1 and Comparative Experimental Example 1 of the present invention.
11 is a graph showing current-voltage characteristics of positive and negative biases in a solar cell according to Experimental Example 1 and Comparative Experimental Example 1 of the present invention under dark current.
12 is a schematic view for explaining a mechanism of a solar cell according to Experimental Example 2 of the present invention.
13 shows the SPO of the solar cell according to Experimental Example 2 of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 실험예들을 참조하면 명확해질 것이다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Brief Description of the Drawings The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent with reference to the embodiments and experiments described below in conjunction with the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed in a limiting sense. The contents not described here are sufficiently technically inferior to those skilled in the art, and a description thereof will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지에 관하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a solar cell according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 단면도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of FIG.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지(100)는 제1 전극(110), 전자수송층(120), 광흡수층(130), 정공수송층(140) 및 제2 전극(150)을 포함할 수 있고, 이에 더하여 갭핑층(160)을 포함할 수 있다.1 and 2, a solar cell 100 according to the present invention includes a first electrode 110, an electron transport layer 120, a light absorption layer 130, a hole transport layer 140, and a second electrode 150, And may include a gapping layer 160 in addition to the above.

제1 전극(110)은 전자수송층(120)과 오믹 접합되면서 광의 투과를 향상시키기 위해 투명 도전성 전극일 수 있다.The first electrode 110 may be a transparent conductive electrode for ohmic junction with the electron transport layer 120 to enhance transmission of light.

일례로, 투명 도전성 전극은 FTO(fluorine doped tin oxide) 또는 ITO(indium doped tin oxide)를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되지는 않는다. 이러한 제1 전극(110)은 양극(anode) 전극으로 사용된다.For example, the transparent conductive electrode may include FTO (fluorine doped tin oxide) or ITO (indium doped tin oxide), but the present invention is not limited thereto. The first electrode 110 is used as an anode electrode.

한편, 태양전지(100)는 제1 전극(110) 아래에 투명 기판(105)을 더 포함할 수 있다. 이 투명 기판(105)은 제1 전극(110)을 지지하기 위한 지지체의 역할을 수행하며, 광이 투과되는 기판이면 제한 없이 사용 가능하다.The solar cell 100 may further include a transparent substrate 105 under the first electrode 110. The transparent substrate 105 serves as a support for supporting the first electrode 110, and can be used without limitation as long as it is a substrate through which light is transmitted.

예를 들어, 투명 기판(105)은 유리 기판을 포함하는 강성(rigid) 기판 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate; PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene Naphthalate; PEN), 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 트리아세틸셀룰로오스(triacetyl cellulose; TAC), 폴리에테르술폰(polyethersulfone; PES) 등의 고분자를 포함하는 유연한(flexible) 기판일 수 있다.For example, the transparent substrate 105 may be a rigid substrate including a glass substrate, or a substrate such as a polyethylene terephthalate (PET), a polyethylene naphthalate (PEN), a polyimide (PI), a polycarbonate and may be a flexible substrate including a polymer such as polycarbonate (PC), polypropylene (PP), triacetyl cellulose (TAC), polyethersulfone (PES)

전자수송층(120)은 제1 전극(110) 상에 형성되며, 전자의 원활한 이동경로를 제공한다.The electron transport layer 120 is formed on the first electrode 110 and provides a smooth path for electrons.

전자수송층(120)은 n형(n-type) 층으로 금속 산화물, 예컨대 이산화티탄(TiO2)을 포함할 수 있다. 이러한 전자수송층(120)은 정공이 제1 전극(110)으로 이동하는 것을 방지하는 정공 차단(hole-blocking) 효과를 가진다.The electron transport layer 120 may be an n-type layer, and may include a metal oxide such as titanium dioxide (TiO 2 ). The electron transport layer 120 has a hole-blocking effect to prevent holes from migrating to the first electrode 110.

전자수송층(120)은 그 두께가 특별히 한정되지는 않지만, 효율 향상을 위해 50nm 내지 100nm 두께의 박막으로 형성됨이 바람직하다.Although the thickness of the electron transporting layer 120 is not particularly limited, it is preferable that the electron transporting layer 120 is formed of a thin film having a thickness of 50 nm to 100 nm in order to improve the efficiency.

이때, 전자수송층(120)의 두께가 50nm 미만이면, 광흡수층(130)과의 접촉면적이 줄어들어 효율이 저하될 수 있고, 반대로 100nm를 초과하게 되면 광전류의 이동 거리가 길어지게 되므로 효율이 감소할 수 있다.If the thickness of the electron transporting layer 120 is less than 50 nm, the contact area with the light absorbing layer 130 may be reduced and the efficiency may be lowered. On the other hand, when the thickness exceeds 100 nm, the moving distance of the photocurrent increases, .

한편, Meanwhile, 전자수송층(120)은The electron transport layer 120 삭제 가능하나,  However, 전류적으로Electrically 우수한 성능의 소자를 형성하기 위해서는 형성하는 것이 보다 바람직하다. It is more preferable to form it in order to form a device having excellent performance.

광흡수층(130)은 전자수송층(120)과 정공수송층(140) 사이에 개재되며, 광을 흡수하여 여기자(exciton)를 생성한다.The light absorption layer 130 is interposed between the electron transport layer 120 and the hole transport layer 140 and absorbs light to generate an exciton.

광흡수층(130)은 부도체·반도체·도체 성질과 함께 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물인 페로브스카이트(perovskite) 물질을 포함한다.The light absorbing layer 130 includes a perovskite material, which is a metal oxide having a special structure, which has a non-conductor, semiconductor, and conductor properties as well as a superconducting phenomenon.

페로브스카이트 물질은 하기 화학식 1로 표시되는 구조를 가진다.The perovskite material has a structure represented by the following formula (1).

<화학식 1>&Lt; Formula 1 >

ABXABX 33

(여기서, A와 B는 양이온, X는 이들과 결합하고 있는 음이온이다.)(Where A and B are cations and X is an anion bonding to them).

화학식 1로 표시되는 (1) 페로브스카이트Perovskite 물질에서, A 양이온은 AX12로 12개의 X 음이온과 결합하여 입방 팔면체 구조를 형성하고, B 양이온은 BX6로 6개의 X 음이온과 팔면체 구조로 결합하고 있다. In material A cation AX12 is combined with 12 X anions to form a cubic octahedral structure, and B cation BX6 is combined with 6 X anions and octahedral structure.

구체적인 일례로, 화학식 1로 표시되는 As a specific example, 페로브스카이트Perovskite 물질은, A 양이온 자리에 유기물 양이온( The material may be an organic cation (e.g., CHCH 33 NHNH 33 ++ 또는 HC(NH) Or HC (NH) 22 ++ )을 포함하고, B 양이온 자리에 금속 양이온 (), And a metal cation (e.g., PbPb 22 ++ 또는  or SnSn 22 ++ )을 포함하고, X 음이온 자리에는 할로겐 음이온 (Cl), And a halogen anion (Cl -- . Br. Br -- 및 I And I -- 중 어느 하나)을 포함하는 3차원 구조의 유무기 복합  Or a combination of three-dimensional structure including any one of them) 페로브스카이트Perovskite 물질이다. Material.

바람직하게, 페로브스카이트 물질은 3차원 구조의 메틸암모늄요오드화납(CH3NH3PbI3)을 들 수 있다. CH3NH3PbI3은 밴드갭 에너지가 1.5eV 정도로 낮기 때문에 태양전지의 흡광물질로서 적합하다.Preferably, the perovskite material may be mentioned methyl ammonium iodide, lead of the three-dimensional structure (CH 3 NH 3 PbI 3) . CH 3 NH 3 PbI 3 is suitable as a light absorbing material for solar cells because the band gap energy is as low as about 1.5 eV.

이러한 페로브스카이트 물질은 자체적으로 정공을 축적할 수 있기 때문에 페로브스카이트 태양전지의 성능 향상에 기여한다. 또한, 페로브스카이트 물질은 페로브스카이트 광흡수층이 가시광선 영역에서 높은 흡광도를 가지고 있어 500㎚ 이하의 두께에서도 충분한 빛을 흡수하여 많은 전하를 발생시킨다.These perovskite materials can accumulate holes themselves and contribute to the performance improvement of perovskite solar cells. In addition, the perovskite material has a high absorbance in the visible light region of the perovskite light absorbing layer, so that it absorbs sufficient light even at a thickness of 500 nm or less and generates a large amount of electric charge.

이 페로브스카이트 물질은 메조포러스(mesoporous) 알루미나(Al2O3)와 같은 지지체에 완전히 함침되어 광흡수층(130)을 구성한다.The perovskite material is completely impregnated on a support such as mesoporous alumina (Al 2 O 3 ) to constitute the light absorbing layer 130.

이렇듯, 광흡수층(130)은 전자수송층(120)과 정공수송층(140) 사이에 개재되어, 전자수송층(120) 및 정공수송층(140) 간에 이종접합 계면(heterojunction interface)을 이루며 계면 접촉할 수 있다.The light absorbing layer 130 is interposed between the electron transport layer 120 and the hole transport layer 140 to form a heterojunction interface between the electron transport layer 120 and the hole transport layer 140 to make interface contact .

광흡수층(130)은The light absorption layer 130 그 두께가 특별히 한정되지는 않지만, 200nm 내지 400nm 두께의 박막으로 형성됨이 바람직하다. Although the thickness is not particularly limited, it is preferably formed of a thin film having a thickness of 200 nm to 400 nm.

이때, At this time, 광흡수층(130)의The light absorption layer 130 두께가 200nm 미만이면, 빛의 흡수가 충분하지 못하여 전류밀도가 낮아 효율이 감소할 수 있고, 반대로 400nm를 초과하면 p-n 계면까지의 거리가 멀어져 생성된 여기자가 p-n 계면으로 이동하여 효과적으로 분리되지 못함에 따라 효율이 감소할 수 있다. If the thickness is less than 200 nm, the absorption of light is insufficient and the current density is low and the efficiency can be reduced. On the other hand, if the thickness exceeds 400 nm, the distance to the pn interface becomes far away and the resulting exciton migrates to the pn interface, The efficiency can be reduced.

이러한 광흡수층(130)은 고온 가열이나 고진공 프로세스의 수행 없이, 전자수송층(120) 상에 지지체 용액을 도포 후 건조하고, 다음으로 지지체 상에 페로브스카이트 용액을 도포 후 건조하여 형성할 수 있다.The light absorption layer 130 may be formed by applying a support solution on the electron transport layer 120 and then drying it without performing a high temperature heating or a high vacuum process, and then applying a perovskite solution on the support and drying .

예컨대, CH3NH3PbI3는 CH3NH3I와 PbI2의 혼합 용액을 스핀코팅(spin coating)하고 열처리하여 형성하거나, 혹은 PbI2를 스핀코팅하고 CH3NH3I와 반응시켜 형성할 수 있다.For example, CH 3 NH 3 PbI 3 may be formed by spin coating and heat treatment of a mixed solution of CH 3 NH 3 I and PbI 2 , or by spin coating PbI 2 and reacting with CH 3 NH 3 I .

정공수송층(140)은 광흡수층(130) 상에 형성되어, 태양전지(100)에 흡수된 태양광으로 생성된 정공을 투명 도전성 전극인 제1 전극(110)으로 전달하는 역할을 한다. 또한, 정공수송층(140)은 전자 차단(electron-blocking) 효과를 가진 p형(p-type) 층이다.The hole transport layer 140 is formed on the light absorbing layer 130 and serves to transmit holes generated by solar light absorbed in the solar cell 100 to the first electrode 110 which is a transparent conductive electrode. In addition, the hole transport layer 140 is a p-type layer having an electron-blocking effect.

본 발명의 정공수송층(140)은 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotubes; SWNT)층(142)과 4-터트 부틸피리딘(4-tert butylpyridine; tBP)이 첨가된 고분자층(144)의 복합재, 즉 SWNT-고분자 복합재로 형성될 수 있다.The hole transport layer 140 of the present invention may be formed of a polymer layer 144 to which a single-walled carbon nanotubes (SWNT) layer 142 and a 4-tert butylpyridine (tBP) Composites, i.e., SWNT-polymer composites.

이 SWNT-고분자 복합재는 tBP가 첨가된 매트릭스 형태의 고분자층(144)에 SWNT층(122)이 내장된(embedded) 구조로, SWNT층(122)이 고분자층(144)과 고밀도로 상호접속된 네트워크를 형성하고 있다. 이 경우, 전하 추출은 고분자층(144)을 관통하는 SWNT를 통해 발생한다.The SWNT-polymer composite material has a structure in which a SWNT layer 122 is embedded in a matrix-type polymer layer 144 to which tBP is added, and the SWNT layer 122 is highly interconnected with the polymer layer 144 Network. In this case, charge extraction occurs through the SWNT through the polymer layer 144.

정공수송층(140)의 활성 부분인 SWNT는, 개별 분산과 번들(bundle) 및 클러스터(cluster)의 형성 억제를 위해 표면이 P3HT 재질의 단일 외피로 싸여있다.The SWNT, which is the active part of the hole transport layer 140, has a surface covered with a single sheath of P3HT material to prevent formation of discrete dispersions and bundles and clusters.

정공수송층(140)에 첨가된 tBP는 정공수송물질(hole transporting material; HTM)로서 소량의 첨가만으로도 전력변환효율(power-conversion efficiency) 및 정상 상태 성능(steady-state performance) 등 소자의 전체 성능에 유익한 효과를 가져온다.The tBP added to the hole transport layer 140 is a hole transporting material (HTM), and the addition of only a small amount of the hole transporting material (HTM) can improve the power conversion efficiency and the steady- It has a beneficial effect.

SWNT-고분자 복합재 중 tBP가 SWNT층(122)에 첨가되면, tBP가 매우 낮은 농도로 첨가되더라도 SWNT 클러스터 형성 및 페로브스카이트 물질의 열화가 초래되어 장치 성능이 취약해지므로, tBP는 고분자층(124)에 첨가됨이 바람직하다.When tBP is added to the SWNT layer 122, tBP is added to the SWNT-polymer composite material at a very low concentration to cause SWNT cluster formation and degradation of the perovskite material, 124).

이러한 Such tBP는tBP 2wt%2wt% 내지  To 10wt%의10wt% 농도로 고분자층(144)에 첨가되는 것이 바람직하다. 이때,  It is preferable that it is added to the polymer layer 144 at a high concentration. At this time, tBP의of tBP 농도가  Concentration 2wt%2wt% 미만이면, 그 효과가 불충분할 수 있고, 반대로 10wt%를 초과하면 더 이상의  , The effect may be insufficient. On the contrary, when the content is more than 10 wt% 효과없이Without effect 제조비용 상승만을 초래할 수 있다. It may only increase the manufacturing cost.

한편, 정공수송층(140)에의 tBP의 첨가에 따른 구체적인 효과는 후술하기로 한다.On the other hand, a concrete effect of adding tBP to the hole transporting layer 140 will be described later.

또한, SWNT-고분자 복합재의 고분자층(144)은 페로브스카이트 흡수체와 금속 전극 사이의 직접 접촉에 의한 분로(shunting path)를 최소화하는 역할을 하며, 직접 전하 추출에 기여하지 않고 단지 수동적으로 전하 추출에 영향을 미친다.In addition, the polymer layer 144 of the SWNT-polymer composite minimizes the shunting path due to the direct contact between the perovskite absorber and the metal electrode, and does not directly contribute to charge extraction, It affects extraction.

이렇듯 고분자층(144)은 tBP와의 상호 작용에 의한 소자의 성능 변화와 독립적이므로 특별히 그 재질이 한정되지는 않지만, 예를 들어, 폴리(메틸메타크릴레이트) poly(methylmethacrylate)(PMMA) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate)를 포함하여 형성될 수 있다.Since the polymer layer 144 is independent of the performance change of the device due to the interaction with the tBP, the material thereof is not particularly limited. For example, poly (methylmethacrylate) (PMMA) or polycarbonate and polycarbonate.

고분자층(144)은 그 두께가 특별히 한정되지는 않지만, 대략 300nm의 두께로 형성됨이 바람직하다. 고분자층(144)의 두께가 300nm 미만으로 너무 얇으면 재결합 증가와 분로저항(shunt resistance) 감소를 초래할 수 있고, 반대로 300nm를 초과하여 너무 두꺼우면 직렬 저항과 전하 수집 효율이 증가할 수 있다.Although the thickness of the polymer layer 144 is not particularly limited, it is preferably formed to a thickness of about 300 nm. If the thickness of the polymer layer 144 is too thin to be less than 300 nm, it may lead to an increase in recombination and a reduction in shunt resistance. Conversely, if the thickness is excessively larger than 300 nm, the series resistance and charge collection efficiency may increase.

이러한 구성의 정공수송층(140)에 첨가된 tBP는 세 개의 층, 즉 SWNT층(142), 고분자층(144) 및 광흡수층(130)의 페로브스카이트 사이에 이종접합 계면을 이루며 계면 접촉할 수 있다.The tBP added to the hole transporting layer 140 having such a configuration forms a heterojunction interface between three layers, namely, the SWNT layer 142, the polymer layer 144, and the perovskite of the light absorbing layer 130, .

제2 전극(150)은 정공수송층(140) 상에 형성되며, 음극(cathode) 전극으로 이용된다. 제2 전극(150)은 구리(Cu), 금(Au), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 은(Ag), 백금(Pt), 아연(Zn) 및 크롬(Cr) 등의 금속을 1종 이상 포함할 수 있으며, 음극 전극으로 이용될 수 있는 한 특별히 이에 한정되지는 않는다.The second electrode 150 is formed on the hole transport layer 140 and is used as a cathode electrode. The second electrode 150 may be formed of a metal such as Cu, Au, Al, Ca, Ag, Pt, Zn, And may be one or more, and is not particularly limited as long as it can be used as a cathode electrode.

한편, 광흡수층(130)과 정공수송층(140) 사이에는 효율 향상을 목적으로 캡핑층(160)이 더 개재될 수 있다.Meanwhile, a capping layer 160 may be further interposed between the light absorption layer 130 and the hole transporting layer 140 for the purpose of improving the efficiency.

이 캡핑층(160)은 자체적으로 정공을 축적할 수 있는 페로브스카이트 물질을 포함하는 것이 바람직하고, 이 페로브스카이트 물질의 특성은 광흡수층(130) 설명 과정에서 언급한 바와 동일하므로 중복 설명은 생략한다.The capping layer 160 preferably includes a perovskite material capable of accumulating holes therein. Since the characteristics of the perovskite material are the same as those described in the description of the light absorbing layer 130, The description is omitted.

이 경우, 캡핑층(160)은 광흡수층(130)과 함께 전체 광흡수층(미도시)으로 사용될 수 있다. 또한, 캡핑층(160)의 페로브스카이트는 정공수송층(140)에 첨가된 tBP와의 사이에 이종접합 계면을 이루며 계면 접촉할 수 있다.In this case, the capping layer 160 may be used as an entire light absorbing layer (not shown) together with the light absorbing layer 130. In addition, the perovskite of the capping layer 160 may interface with the tBP added to the hole transporting layer 140, forming a heterojunction interface.

캡핑층(160)의 두께는 효율 향상 관점에서 전체 광흡수층의 두께를 고려하여 적절히 선택될 수 있다.The thickness of the capping layer 160 can be appropriately selected in consideration of the thickness of the entire light absorbing layer from the viewpoint of efficiency improvement.

이러한 구성의 태양전지(100)는 아래의 메커니즘으로 작동할 수 있다. 태양빛에 의해 광흡수층(130)의 페로브스카이트의 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기되고, 여기된 전자는 전자수송층(120)의 TiO2 나노입자의 전도대로 주입된다. 주입된 전자는 확산에 의해서 제1 전극(110)으로 이동하게 되고, 가전자대에 생성된 정공은 정공수송층(140)의 홀 전도체(hole transporting material; HTM)를 통해서 제2 전극(150)으로 이동한다.The solar cell 100 having such a configuration can operate with the following mechanism. The electrons in the valence band of the perovskite of the light absorbing layer 130 are excited by the sunlight to the conduction band and the excited electrons are emitted from the TiO 2 nanoparticles of the electron transport layer 120 It is injected into a conduction band. The injected electrons are moved to the first electrode 110 by diffusion and the holes generated in the valence band move to the second electrode 150 through the hole transporting material HTM of the hole transport layer 140 do.

본 발명의 태양전지(100)는 tBP가 첨가된 정공수송층(140)을 포함함으로써, 태양전지(100)의 전력변환효율 및 정상 상태 성능을 향상시킬 수 있다.The solar cell 100 of the present invention can improve the power conversion efficiency and the steady state performance of the solar cell 100 by including the hole transport layer 140 to which tBP is added.

이러한 성능 향상은 tBP와 페로브스카이트 사이의 직접적인 화학적 상호작용에 기인한 것으로, 이는 tBP가 페로브스카이트-정공수송층(140) 계면의 전하 선택성을 향상시키고, 그 결과가 정상-상태 성능 향상으로 이어지기 때문이다.This performance improvement is due to the direct chemical interaction between tBP and perovskite, which increases the charge selectivity of the perovskite-hole transport layer (140) interface and results in improved steady-state performance .

즉, 정공수송층(140)에 첨가된 tBP는, 본질적으로 정공에 대해 더 선택적인 정공수송층(HTL, 140)-페로브스카이트 계면을 만드는 것에 의해 태양전지의 정상-상태 전하 수집 효율에 영향을 미친다. 이는 전하 선택적 계면이 정상-상태 전하 추출에 결정적인 역할을 한다는 것을 보여준다.That is, the tBP added to the hole transport layer 140 may affect the normal-state charge collection efficiency of the solar cell by creating a more selective hole transport layer (HTL, 140) -perovskite interface to the hole It goes crazy. This shows that the charge selective interface plays a crucial role in normal-state charge extraction.

또한, tBP는 극성이며, 적당한 강염기로 간주될 수 있다. 이것은 국부적 네거티브 공간 전하를 생성하는 계면에서 메틸암모늄(methylammonium)이 탈양성자된 것이라고 생각할 수 있다. 이것은 차례로 정공 추출을 용이하게 하고, 이 계면에서 전자 추출을 억제하여 약간 위쪽 밴드 굽힘을 초래한다. 이 밴드 굽힘은 tBP와 페로브스카이트 사이의 산-염기 반응의 결과이다.In addition, tBP is polar and can be regarded as a suitable strong base. This may be thought to be the deprotonation of methylammonium at the interface that produces a local negative space charge. This in turn facilitates hole extraction and suppresses electron extraction at this interface, resulting in slightly upper band bending. This band bend is the result of the acid-base reaction between tBP and perovskite.

본 발명은 정상-상태 조건하에서 효율적인 전하 추출을 보여줘야 하는 새로운 홀 수송 물질의 개발을 위해 중요하다. tBP의 효과는 spiro-OMeTAD, 특히 Li-TFSI 및 tBP를 모두 포함할 때, 와 같은 분야의 확립된 표준 물질에 새로운 재료를 비교할 때 고려될 수 있다.The present invention is important for the development of new hole transport materials that must exhibit efficient charge extraction under steady-state conditions. The effect of tBP can be taken into account when comparing new materials to established standards in such areas as spiro-OMeTAD, especially when it includes both Li-TFSI and tBP.

Claims (15)

제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되고, 페로브스카이트 물질을 포함하는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성된 정공수송층; 및
상기 정공수송층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하며,
상기 정공수송층은 단일벽 탄소 나노튜브층과 고분자층의 복합재로 형성되고, 상기 고분자층은 4-터트 부틸피리딘(4-tert butylpyridine)을 포함하는 태양전지.
A first electrode;
A light absorbing layer formed on the first electrode and including a perovskite material;
A hole transporting layer formed on the light absorbing layer; And
And a second electrode formed on the hole transport layer,
Wherein the hole transport layer is formed of a composite material of a single-walled carbon nanotube layer and a polymer layer, and the polymer layer comprises 4-tert butylpyridine.
제1항에 있어서,
상기 4-터트 부틸피리딘의 농도는
2wt% 내지 10wt%인 태양전지.
The method according to claim 1,
The concentration of 4-tertbutylpyridine is
2 wt% to 10 wt%.
제1항에 있어서,
상기 고분자층은
폴리(메틸메타크릴레이트) (poly(methylmethacrylate)) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate)를 포함하는 태양전지.
The method according to claim 1,
The polymer layer
A solar cell comprising poly (methylmethacrylate) (poly (methylmethacrylate)) or polycarbonate.
제1항에 있어서,
상기 단일벽 탄소 나노튜브층은
표면이 P3HT 재질의 단일 외피로 싸여있는 태양전지.
The method according to claim 1,
The single-walled carbon nanotube layer
A solar cell whose surface is enclosed by a single sheath of P3HT material.
제1항에 있어서,
상기 페로브스카이트 물질은 하기 화학식 1로 표시되는 태양전지.
<화학식 1> ABX3
(여기서, A는 CH3NH3 + 또는 HC(NH)2 +를 포함하는 유기물 양이온, B는 Pb2 + 또는 Sn2+를 포함하는 금속 양이온, X는 Cl-. Br- 및 I- 중 어느 하나를 포함하는 할로겐 음이온이다.)
The method according to claim 1,
Wherein the perovskite material is represented by the following formula (1).
&Lt; Formula 1 > ABX 3
Wherein A is an organic cation containing CH 3 NH 3 + or HC (NH) 2 + , B is a metal cation containing Pb 2 + or Sn 2+ , X is Cl -, Br - and I - It is a halogen anion including one.)
제5항에 있어서,
상기 페로브스카이트 물질은 메틸암모늄요오드화납(CH3NH3PbI3)인 태양전지.
6. The method of claim 5,
The perovskite material is methyl ammonium iodide, lead (CH 3 NH 3 PbI 3) of the solar cell.
제1항에 있어서,
상기 페로브스카이트 물질은 메조포러스(mesoporous) 지지체 상에 함침되어 있는 태양전지.
The method according to claim 1,
Wherein the perovskite material is impregnated on a mesoporous support.
제7항에 있어서,
상기 메조포러스 지지체는 메조포러스 알루미나(Al2O3)를 포함하는 태양전지.
8. The method of claim 7,
Wherein the mesoporous support comprises mesoporous alumina (Al 2 O 3 ).
제1항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 광흡수층 사이에
전자수송층을 더 포함하는 태양전지.
The method according to claim 1,
Between the first electrode and the light absorbing layer
A solar cell further comprising an electron transport layer.
제9항에 있어서,
상기 전자수송층은 이산화티탄(TiO2)층을 포함하는 태양전지.
10. The method of claim 9,
The electron transport layer is a solar cell including a titanium dioxide (TiO 2) layer.
제1항에 있어서,
상기 광흡수층과 상기 정공수송층 사이에 페로브스카이트 물질을 포함하는 캡핑층을 더 포함하는 태양전지.
The method according to claim 1,
And a capping layer including a perovskite material between the light absorption layer and the hole transporting layer.
제10항에 있어서,
상기 캡핑층의 페로브스카이트 물질은 하기 화학식 2로 표시되는 태양전지.
<화학식 2> ABX3
(여기서, A는 CH3NH3 + 또는 HC(NH)2 +를 포함하는 유기물 양이온, B는 Pb2 + 또는 Sn2+를 포함하는 금속 양이온, X는 Cl-. Br- 및 I- 중 어느 하나를 포함하는 할로겐 음이온이다.)
11. The method of claim 10,
Wherein the perovskite material of the capping layer is represented by the following formula (2).
&Lt; Formula 2 > ABX 3
Wherein A is an organic cation containing CH 3 NH 3 + or HC (NH) 2 + , B is a metal cation containing Pb 2 + or Sn 2+ , X is Cl -, Br - and I - It is a halogen anion including one.)
제12항에 있어서,
상기 캡핑층의 페로브스카이트 물질은
메틸암모늄요오드화납(CH3NH3PbI3)인 태양전지.
13. The method of claim 12,
The perovskite material of the capping layer
Methyl ammonium iodide, lead (CH 3 NH 3 PbI 3) of the solar cell.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극은
투명 도전성 전극인 태양전지.
The method according to claim 1,
The first electrode
A solar cell which is a transparent conductive electrode.
제1항에 있어서,
상기 4-터트 부틸피리딘은
상기 페로브스카이트 물질과의 계면에서, 정공 추출에 호의적인 위쪽 밴드 굽힘을 발생시키는 태양전지.
The method according to claim 1,
The 4-tertbutylpyridine
Wherein the upper band bending favorably occurs in the hole extraction at the interface with the perovskite material.
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