KR20180096044A - 고결정 페로브스카이트 광흡수층 제조방법, 및 그의 제조방법을 포함하는 태양전지의 제조방법 - Google Patents
고결정 페로브스카이트 광흡수층 제조방법, 및 그의 제조방법을 포함하는 태양전지의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 (a) 페로브스카이트 전구체를 용매에 용해시켜 전구체 용액을 준비하는 단계; (b) 페로브스카이트 전구체 용액을 기판 상에 코팅하는 단계; (c) 기판 상에 형성된 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층 상에 반용매(anti-solvent)를 접촉시켜 페로브스카이트 전구체의 반응속도를 조절하는 단계; 및 (d) 상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층에 반용매를 접촉시켜 페로브스카이트를 결정화하여 페로브스카이트층을 형성하는 단계; 를 포함하는 페로브스카이트층 제조방법에 관한 것이다.
이에 의하여, 고온의 열처리 공정 없이 용매 간의 반응차이와 반응 시간 조절을 이용하여 결정성이 높은 광흡수층을 형성하고 안정성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 열처리 과정 없이 용액공정만을 이용하여 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 제조함으로써 생산성 및 경제성을 향상시키는 효과가 있다.
이에 의하여, 고온의 열처리 공정 없이 용매 간의 반응차이와 반응 시간 조절을 이용하여 결정성이 높은 광흡수층을 형성하고 안정성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 열처리 과정 없이 용액공정만을 이용하여 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 제조함으로써 생산성 및 경제성을 향상시키는 효과가 있다.
Description
본 발명은 열처리가 필요 없는 고결정 페로브스카이트 광흡수층 제조방법, 및 그의 제조방법을 포함하는 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고온으로 열처리하는 단계를 수행하지 않고, 용액공정만으로 고결정성 페로브스카이트 광흡수층의 제조방법 및 그의 제조방법을 포함하는 고효율 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
페로브스카이트 태양전지는 광흡수층으로 ABX3 (A : Pb, Sn, B : CH3NH3 +, CH3CH3NH3+, X : I, Br, Cl) 구조를 가진 페로브스카이트 결정으로 이루어져 있다. 가시광선 영역을 포함한 넓은 파장 영역을 흡수하며 형성된 전자와 정공 이동도가 매우 빠르다. 또한 높은 광자-전자 전환 효율(EQE)로 고효율 박막 태양전지의 소재로서 각광받고 있다.
기존의 페로브스카이트 광흡수층은 순차 공정(sequential process)이나 용매 공정(solvent engineering process)를 이용했다. 용매 공정(solvent engineering process)은 페로브스카이트 전구체 용액을 스핀 코팅하는 도중에 원심력을 이용하여 페로브스카이트는 녹이지 않고 용매만 선택적으로 녹이는 반용매(anti-solvent)를 분산시키는 공정이다. 기판 위에 균일하게 도포된 페로브스카이트의 결정화를 방해는 용매를 빠르게 제거할 수 있으며 반용매는 스핀코팅 후 열처리 공정으로 기화시켜 제거한다. 이 공정은 현재까지 알려진 페로브스카이트 결정 형성 방법 중 가장 균일한 결정을 제작할 수 있는 방법으로 알려져 있다.
순차 공정(sequential process)은 페로브스카이트 구성 성분 중 할로젠화 금속(ex: PbI2)을 먼저 스핀코팅으로 도포한 후 유기 양이온 할라이드(Methylammonium halide)를 포함한 용액에 침지시켜 두 물질일 반응시킨다. 반응 후에는 가열하여 용매를 제거하여, 양이온 할라이드의 농도에 따라 결정의 크기를 조절할 수 있다.
그러나, 이와 같은 용액공정 및 순차공정은 페로브스카이트 결정이 분해를 시작하는 100℃ 이상에서 열처리를 1시간 내외로 진행하여 결정의 불안정성을 높이는 문제점이 있었으며, 기존에 보고되었던 열처리를 하지 않은 페로브스카이트 결정 형성 방식들은 모두 결정의 크기를 성장시키지 못 했을 뿐만 아니라 효율이 낮은 문제점이 있었다.
또한, 이러한 종래 기술은 소자의 안정성 및 성능 재현성이 떨어지게 만들었고, 특히 공정의 번거로움으로 인해 생산성, 신뢰성, 경제성의 저하를 초래하여 유기 태양전지 소자로의 응용 및 사용화에 장벽이 되어왔다. 특히, 페로브스카이트 결정은 가열을 오래 진행할수록 그 불안정성이 높아져 태양전지 구동에 있어서 장기안정성을 해치는 문제점이 있었다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 고온의 공정을 거치지 않고 고효율 페로브스카이트 결정을 제조하는 공정개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 용매 간의 반응 차이와 반응 시간 조절을 이용한 열처리를 하지 않으면서도 결정성을 향상시키기 위한 공정법을 제공하는데 있다.
또한, 열처리 과정 없이 용액공정만을 이용하여 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 제조함으로써 생산성 및 경제성을 향상시키는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 페로브스카이트 전구체를 용매에 용해시켜 전구체 용액을 준비하는 단계; (b) 상기 페로브스카이트 전구체 용액을 기판 상에 코팅하는 단계; (c) 상기 기판 상에 형성된 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층 상에 반용매(anti-solvent)를 접촉시켜 페로브스카이트 전구체의 반응속도를 조절하는 단계; 및 (d) 상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층에 반용매를 접촉시켜 페로브스카이트를 결정화하여 페로브스카이트층을 형성하는 단계; 를 포함하는 페로브스카이트층 제조방법을 제공한다.
상기 반용매가 하기 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[구조식 1]
R1 및 R2이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 C1 내지 C10의 직쇄형 알킬기, 또는 C1 내지 C10의 분쇄형 알킬기이다.
상기 반용매가 끓는점(Boiling Point)이 70℃ 미만일 수 있다.
상기 반용매가 다이에틸에테르(Diethyl ether, DEE) 및 메톡시프로판(Methoxypropane) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 반용매가 다이에틸에테르(Diethyl ether, DEE)일 수 있다.
단계 (d) 이후, 건조 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 건조가 25 내지 70℃ 온도에서 수행될 수 있다.
단계 (a) 에서, 상기 코팅이 스핀코팅, 딥코팅, 스프레이 코팅, 로드 코팅, 및 바코팅 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 코팅이 스핀코팅일 수 있다.
단계 (b)에서 상기 기판이 전자전달층을 포함할 수 있다.
단계 (c) 가, (c-1) 상기 기판 상에 형성된 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층 상에 반용매(anti-solvent)를 접촉시키는 단계; 및 (c-2) 스핀코팅을 종료하는 단계; 를 포함할 수 있다.
단계 (c)가, 상기 기판 상에 형성된 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층 상에 반용매(anti-solvent)를 접촉시키는 것이 상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층 상에 반용매가 분사되는 것일 수 있다.
단계 (c-1)이 단계 (c-2)를 수행하기 3 내지 20초 전에 수행될 수 있다.
단계 (c-1)이 단계 (c-2)를 수행하기 5초 전에 수행될 수 있다.
단계 (d)가, 상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층에 반용매를 접촉시키는 것이 상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층을 반용매에 침지시키는 것일 수 있다.
상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층에 반용매를 접촉시키는 시간이 10초 내지 15분일 수 있다.
상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층에 반용매를 접촉시키는 시간이 30초 내지 15분일 수 있다.
페로브스카이트층이 광흡수층일 수 있다.
상기 페로브스카이트층 제조방법을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 페로브스카이트층 제조방법을 사용하여 고온의 열처리 공정 없이 용매 간의 반응차이와 반응 시간 조절을 이용하여 결정성이 높은 광흡수층을 형성하고 안정성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 열처리 과정 없이 용액공정만을 이용하여 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 제조함으로써 생산성 및 경제성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 페로브스카이트층 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 페로브스카이트층의 표면 및 단면의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지를 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 소자실시예 1 및 소자비교예 1에 따른 페로브스카이트 태양전지의 효율을 분석한 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 3에 따라 제조된 페로브스카이트층의 IR(a), XRD(b) 및 UV-Vis(c) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 소자실시예 1, 소자비교예 2 및 소자비교예 3에 따른 페로브스카이트 태양전지의 구동효율을 측정한 Current density-Voltage curve를(j-V) 나타낸 것이다.
도 7은 반용매 다이에틸에테르에 침지하는 시간에 따른 페로브스카이트 광흡수층의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 반용매 다이에틸에테르에 침지하는 시간에 따른 페로브스카이트 광흡수층의 Current density-Voltage curve를(j-V) 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 페로브스카이트층의 표면 및 단면의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지를 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 소자실시예 1 및 소자비교예 1에 따른 페로브스카이트 태양전지의 효율을 분석한 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 3에 따라 제조된 페로브스카이트층의 IR(a), XRD(b) 및 UV-Vis(c) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 소자실시예 1, 소자비교예 2 및 소자비교예 3에 따른 페로브스카이트 태양전지의 구동효율을 측정한 Current density-Voltage curve를(j-V) 나타낸 것이다.
도 7은 반용매 다이에틸에테르에 침지하는 시간에 따른 페로브스카이트 광흡수층의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 반용매 다이에틸에테르에 침지하는 시간에 따른 페로브스카이트 광흡수층의 Current density-Voltage curve를(j-V) 나타낸 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 페로브스카이트 광흡수층의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 페로브스카이트 광흡수층의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저,
페로브스카이트
전구체를 용매에
용해시켜
전구체 용액을 준비한다(단계 a).
상기 페로브스카이트 전구체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
ABX3
화학식 1에서,
A는 MA(Methylammonium), FA(Forammadinium), 및 Sc(Caesium) 중 어느 하나이고,
B는 Pb, Sn, Ti, Nb, Zr, 및 Ce 중 어느 하나이고,
X는 할로겐 원소이다.
다음으로, 상기
페로브스카이트
전구체 용액을
기판 상에
코팅한다(단계 b).
상기 코팅이 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 로드 코팅, 바코팅 등 다양한 방법을 사용할 수 있으나, 스핀코팅법을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 기판이 전자전달층을 포함할 수 있다.
상기 전자전달층은 이산화티타늄(TiO2)층일 수 있다.
다음으로, 상기
기판 상에
형성된
페로브스카이트
전구체 용액 코팅층 상에 반용매(anti-solvent)를 접촉시켜
페로브스카이트
전구체의 반응속도를
조절한다
(단계 c).
상기 반용매가 하기 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[구조식 1]
R1 및 R2이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 C1 내지 C10의 직쇄형 알킬기, 또는 C1 내지 C10의 분쇄형 알킬기이다.
상기 반용매가 끓는점(Boiling Point)이 70℃ 미만 일 수 있다.
상기 반용매가 다이에틸에테르(Diethyl ether, DEE), 메톡시프로판(Methoxypropane) 등일 수 있으며, 바람직하게는 다이에틸에테르일 수 있다.
반용매를 이용하여 결정화하는 방법인 반용매(anti-solvent)법은 용매에 반대되는 개념인 반용매를 석출하고자 하는 용질이 녹아있는 용액에 첨가시켜 과포화를 유도하여 입자를 제조하는 방법이다.
반용매법은 결정화 공정 시 열 투입이 없어 고분자, 폭약, 제약성분 등과 같이 열에 민감한 물질을 결정화하기에 적합하다. 또한 다른 결정화 방법에 비해 에너지가 절약되고, 고농도의 용액에 적용할 수 있는 장점이 있다.
상기 기판 상에 형성된 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층 상에 반용매(anti-solvent)를 접촉시키는 것은 상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층 상에 반용매가 분사되는 것일 수 있다.
상기 단계 (c)는 아래와 같이 두 단계로 나누어 수행될 수 있다.
먼저, 상기 기판 상에 형성된 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층 상에 반용매(anti-solvent)를 접촉시킨다(단계 c-1).
다음으로, 스핀 코팅을 종료한다(단계 c-2).
상기 단계 (c-1)이 단계 (c-2)를 수행하기 3 내지 20초 전에 수행될 수 있으며, 가장 바람직하게는 5초 전에 수행될 수 있다.
마지막으로, 상기 반응속도가 조절된
페로브스카이트
코팅층에
반용매를
접촉시켜
페로브스카이트를
결정화하여
페로브스카이트층을
형성한다(단계 d).
단계 (d) 이후, 건조 단계를 추가로 포함할 수 있다,
상기 건조는 25℃ 내지 70℃ 온도에서 수행될 수 있다.
단계 (d)가, 상기 반응속도가 조절된 페로브스카이트 코팅층에 반용매를 접촉시키는 것은 상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층을 반용매에 침지시키는 것일 수 있다.
상기 단계 (d)는 단계 (c) 이후에 즉시 수행되는 것일 수 있다.
상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층에 반용매를 접촉시키는 시간은 10초 내지 15분, 바람직하게는 30초 내지 15분, 보다 바람직하게는 30초 내지 120초, 보다 더욱 바람직하게는 30초 내지 100초일 수 있다.
페로브스카이트층이 광흡수층일 수 있다.
본 발명의 페로브스카이트층 제조방법을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
상기 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은, 본 발명의 페로브스카이트 광흡수층의 제조방법에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층 상에 정공전달층을 형성하고, 상기 정공전달층상에 전도성 전극물질을 코팅하여 상대전극을 형성하여 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있다.
상기 정공전달층은 단분자 또는 고분자의 정공전달물질일 수 있다.
상기 전도성 전극물질은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Ag를 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
제조예
1:
전자전달층을
포함하는 기판 제조
면저항 8Ω/m2인 fluorine-doped SnO2 (FTO) conducting glass (Pilkington TEC 8)을 준비하고, FTO 일부를 zinc powder를 포함하는 2M HCl 용액으로 처리한 후, 세제, 에탄올, 아이소프로판올, 아세톤으로 세척하여 FTO 기판을 준비하였다.
준비된 FTO 기판 상에 TiO2 전구체 용액을 2000rpm/30s 스핀코팅하고, 500℃의 온도에서 30분만 열처리하여 전자전달층을 제조하였다.
제조예
2:
페로브스카이트
전구체 용액 제조
포름아미디늄 아이오다이드(Formamidinium iodide) 0.2M, 메틸암모늄 브로마이드(Mathylammonium bromide) 0.22M, 브롬화납(Lead bromide) 1.5M, Lead iodide 1.5M을 다이메틸 포름아마이드(dimethyl formamide, DMF) 및 다이메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO)의 혼합용액(부피비 DMF:DMSO=4:1) 1ml에 용해시켜 페로브스카이트 전구체 용액을 제조하였다.
실시예 1: 페로브스카이트 광흡수층 제조
제조예 1에 따라 제조된 기판상에 제조예 2에 따라 제조된 전구체 용액을 스핀코팅으로 코팅을 연속적으로 1000rpm 10초, 6000rpm 20초 동안 수행하였다.
상기 코팅이 종료되기 5초 전에 소량의 다이에틸에테르를 분사하여 반응속도를 조절하고, 즉시 다이에틸에테르 용액이 담긴 비커에 1분 동안 침지하여 결정화하였다. 이후, 자연 건조하여 페로브스카이트 광흡수층을 제조하였다.
실시예 2: 페로브스카이트 광흡수층 제조
다이에틸에테르 용액이 담긴 비커에 1분 동안 침지한 것 대신에 10초 동안 침지한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 2의 페로브스카이트 광흡수층을 제조하였다.
실시예 3: 페로브스카이트 광흡수층 제조
다이에틸에테르 용액이 담긴 비커에 1분 동안 침지한 것 대신에 30초 동안 침지한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 3의 페로브스카이트 광흡수층을 제조하였다.
실시예 4: 페로브스카이트 광흡수층 제조
다이에틸에테르 용액이 담긴 비커에 1분 동안 침지한 것 대신에 2분 동안 침지한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 4의 페로브스카이트 광흡수층을 제조하였다.
실시예 5: 페로브스카이트 광흡수층 제조
다이에틸에테르 용액이 담긴 비커에 1분 동안 침지한 것 대신에 5분 동안 침지한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 5의 페로브스카이트 광흡수층을 제조하였다.
실시예 6: 페로브스카이트 광흡수층 제조
다이에틸에테르 용액이 담긴 비커에 1분 동안 침지한 것 대신에 15분 동안 침지한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 6의 페로브스카이트 광흡수층을 제조하였다.
비교예 1
제조예 1에 따라 제조된 기판상에 제조예 2에 따라 제조된 전구체 용액을 스핀코팅으로 코팅을 연속적으로 1,000rpm 10초, 6,000rpm 20초 동안 수행하였다.
상기 코팅이 종료되기 5초 전에 소량의 다이에틸에테르(DEE)를 분사하여 반응속도를 조절하고, 즉시 톨루엔 용액이 담긴 비커에 침지한 뒤, 100℃의 온도에서 1시간 동안 가열하여 결정화하여 페로브스카이트층을 제조하였다.
비교예 2
제조예 1에 따라 제조된 기판상에 제조예 2에 따라 제조된 전구체 용액을 스핀코팅으로 코팅을 연속적으로 1000rpm 10초, 6000rpm 20초 동안 수행하였다.
상기 코팅이 종료되기 5초 전에 소량의 톨루엔을 분사하여 반응속도를 조절하고, 즉시 톨루엔 용액이 담긴 비커에 침지한 뒤 100℃에서 1시간 가열하여 결정화하여 페로브스카이트층을 제조하였다.
비교예 3
코팅이 종료되기 5초 전에 소량의 다이에틸에테르를 분사하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 페로브스카이트층을 제조하였다.
소자실시예
1
Spiro-MeOTAD (Merck KGaA) 72.3mg을 녹인 클로로벤젠(chlorobenzene) 용액에 터트-부틸페닐(tert-butylphenol, t-BP) 27.8ul, Li-TFSI(520mg/1ml in AN) 17.5ul 도펀트를 첨가한 혼합용액을 제조하였다.
제조된 혼합용액을 실시예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층 상에 2000rpm으로 60초 동안 스핀 코팅하여 정공전달층을 형성하였다.
상기 정공전달층상에 열증착법을 이용하여 은(Ag)을 100nm 증착하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
소자실시예 2
실시예 1의 페로브스카이트 광흡수층 대신에 실시예 2의 페로브스카이트 광흡수층을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
소자실시예 3
실시예 1의 페로브스카이트 광흡수층 대신에 실시예 3의 페로브스카이트 광흡수층을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
소자실시예 4
실시예 1의 페로브스카이트 광흡수층 대신에 실시예 4의 페로브스카이트 광흡수층을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
소자실시예 5
실시예 1의 페로브스카이트 광흡수층 대신에 실시예 5의 페로브스카이트 광흡수층을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
소자실시예 6
실시예 1의 페로브스카이트 광흡수층 대신에 실시예 6의 페로브스카이트 광흡수층을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
소자비교예 1
실시예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층 대신에 비교예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
소자비교예 2
실시예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층 대신에 비교예 2에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
소자비교예 3
실시예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층 대신에 비교예 3에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층을 사용한 것을 제외하고는 소자실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
[
시험예
]
시험예
1:
페로브스카이트
광흡수층
SEM
(Scanning Electron Microscope) 이미지 분석
도 2는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층의 표면 및 단면의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2에 따르면, 기존의 열처리 공정을 포함하는 비교예 1의 페로브스카이트 결정보다 열처리 과정을 수행하지 않고 제조된 실시예 1의 페로브스카이트 결정이 더 크게 형성되었음을 확인할 수 있었다.
따라서, 실시예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층의 결정성이 높은 것을 확인할 수 있었다.
시험예
2:
페로브스카이트
태양전지의 구동효율 측정
도 3은 소자실시예 1 및 소자비교예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 구동 효율을 측정한 광전류-광전압(Current density-Voltage curve, J-V)과 IPCE(incident photo-to-current efficiency)를 나타낸 것이다.
또한, 표 1은 도 4의 소자실시예 1 및 소자비교예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 특성을 비교한 결과를 정리한 것이다.
VOC는 개방전압, JSC는 단락전류밀도, FF는 fill factor, PCE는 전력변환효율을 의미한다.
| 구분 | JSC [mA/cm2] | VOC [V] | FF [%] | PCE [%] |
| 소자실시예 1 | 22.7 | 1.117 | 74.0 | 18.8 |
| 소자비교예 1 | 21.8 | 1.101 | 73.1 | 17.6 |
도 3, 도 4 및 표 1을 참조하면, 소자실시예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지가 비교예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지에 비해 우수한 구동효율을 나타냈고, VOC, JSC, FF 및 PCE 특성 모두 소자실시예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지가 더 높게 나타났다.
따라서, 본 발명의 제조방법에 따라 열처리 공정 없이 제조된 페로브스카이트층을 포함하는 태양전지의 특성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
시험예
3:
반용매의
종류와
반용매
처리방법에 따른
페로브스카이트
광흡수층의
페로브스카이트 결정 분석
도 5는 실시예 1, 비교예 2 및 비교예 3에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층의 IR 스펙트럼(a), XRD 스펙트럼(b) 및 UV-vis 스펙트럼(c) 그래프를 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 반용매 다이에틸에테르(DEE)를 이용한 경우에 adduct물질이 형성됨을 확인 할 수 있었고, 페로브스카이트의 결정을 나타내는 XRD결과를 얻을 수 있었다. 또한 실시예 1에 따라 제조된 페로브스카이트는 비교예 2 및 비교예 3의 페로브스카이트에 비해 더 높은 광흡수율을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 실시예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층은 고결정의 페로브스카이트 결정을 형성하였고, 비교예 2 및 비교예 3에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층은 순수한 페로브스카이트 결정이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있었다.
시험예
4:
반용매의
종류와
반용매
처리방법에 따른
페로브스카이트
태양전지의 구동효율 측정
도 6은 소자실시예 1, 소자비교예 2 및 소자비교예 3에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 구동 효율을 측정한 광전류-광전압(Current density-Voltage curve, J-V) 이다.
도 6을 참조하면, 소자실시예 1에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 단락전류밀도가 소자비교예 2 및 소자비교예 3에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지 보다 훨씬 높은 것을 확인 할 수 있었다.
따라서, 이와 같은 결과는 열처리 하지 않은 공정을 통해 제조된 페로브스카이트는 더 높은 결정성을 갖고 효율적인 전자 및 정공 전달에 기여하였다는 것을 확인할 수 있었다.
시험예
5:
다이에틸에테르에
침지한
시간에 따른
페로브스카이트
광흡수층
SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지 분석
도 7은 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 6에 따라 제조된 페로브스카이트 광흡수층의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7에 따르면, 1분 동안 다이에틸에테르에 침지한 실시예 1에서 가장 매끈하고 균일한 페로브스카이트 결정층이 생성된 것을 확인할 수 있었다.
시험예
6:
다이에틸에테르에
침지한
시간에 따른
페로브스카이트
태양전지의 구동효율 측정
도 8은 반용매 다이에틸에테르에 침지된 시간에 따른 구동효율을 비교하기 위하여 소자실시예 1 내지 소자비교예 6에 따라 제조된 페로브스카이트 태양전지의 구동 효율을 측정한 광전류-광전압(Current density-Voltage curve, J-V) 그래프이다.
도 8을 참고하면, 1분 이하의 시간 동안 다이에틸에테르(반용매)에 침지할 때, 침지하는 시간이 길수록 단락전류밀도가 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 1분 동안 다이에틸에테르에 침지하여 제조된 소자실시예 1의 태양전지의 단락전류밀도가 가장 높은 것으로 나타났다. 그러나, 침지시간이 1분을 초과하여 침지하는 시간이 길어질수록 단락전류밀도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 본 발명의 페로브스카이트 광흡수층을 제조 시 반용매인 다이에틸에테르에 침지되는 시간을 조절함으로써, 페로브스카이트 광흡수층을 포함하는 태양전지의 단락전류밀도를 조절할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한, 1분 동안 다이에틸에테르에 침지하여 제조된 페로브스카이트층을 포함하는 태양전지의 구동효율이 가장 우수한 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (19)
- (a) 페로브스카이트 전구체를 용매에 용해시켜 전구체 용액을 준비하는 단계;
(b) 상기 페로브스카이트 전구체 용액을 기판 상에 코팅하는 단계;
(c) 상기 기판 상에 형성된 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층 상에 반용매(anti-solvent)를 접촉시켜 페로브스카이트 전구체의 반응속도를 조절하는 단계; 및
(d) 상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층에 반용매를 접촉시켜 페로브스카이트를 결정화하여 페로브스카이트층을 형성하는 단계; 를
포함하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 반용매가 하기 구조식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법.
R1 및 R2이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 C1 내지 C10의 직쇄형 알킬기, 또는 C1 내지 C10의 분쇄형 알킬기이다.
[구조식 1] - 제2항에 있어서,
상기 반용매가 끓는점(Boiling Point)이 70℃ 미만인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 반용매가 다이에틸에테르(Diethyl ether, DEE) 및 메톡시프로판(Methoxypropane) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 반용매가 다이에틸에테르(Diethyl ether, DEE)인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제1항에 있어서,
단계 (d) 이후,
건조 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 건조가 25 내지 70℃ 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제1항에 있어서,
단계 (b) 에서,
상기 코팅이 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 로드 코팅, 및 바코팅 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 코팅이 스핀 코팅인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제1항에 있어서,
단계 (b)에서,
상기 기판이 전자전달층을 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제1항에 있어서,
단계 (c) 가,
(c-1) 상기 기판 상에 형성된 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층 상에 반용매(anti-solvent)를 접촉시키는 단계; 및
(c-2) 스핀코팅을 종료하는 단계; 를 포함하는
페로브스카이트층 제조방법. - 제1항에 있어서,
단계 (c)에서,
상기 기판 상에 형성된 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층 상에 반용매(anti-solvent)를 접촉시키는 것이 상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층 상에 반용매가 분사되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 단계 (c-1)이 단계 (c-2)를 수행하기 3 내지 20초 전에 수행되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 단계 (c-1)이 단계 (c-2)를 수행하기 5초 전에 수행되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제1항에 있어서,
단계 (d) 에서,
상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층에 반용매를 접촉시키는 것이 상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층을 반용매에 침지시키는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층에 반용매를 접촉시키는 시간이 10초 내지 15분인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 상기 페로브스카이트 전구체 용액 코팅층에 반용매를 접촉시키는 시간이 30초 내지 15분인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제1항에 있어서,
페로브스카이트층이 광흡수층인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트층 제조방법. - 제18항에 따른 페로브스카이트층 제조방법을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020170022200A KR20180096044A (ko) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | 고결정 페로브스카이트 광흡수층 제조방법, 및 그의 제조방법을 포함하는 태양전지의 제조방법 |
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ID=63434872
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| KR (1) | KR20180096044A (ko) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200053266A (ko) * | 2018-11-08 | 2020-05-18 | 울산과학기술원 | 페로브스카이트 제조용 화학첨가제 조성물, 이를 포함하는 페로브스카이트 및 페로브스카이트 태양전지 |
| KR102201896B1 (ko) * | 2019-09-24 | 2021-01-12 | 한국화학연구원 | 페로브스카이트 태양전지의 대량 생산 방법 |
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| KR20220155058A (ko) | 2021-05-14 | 2022-11-22 | 이화여자대학교 산학협력단 | 반용매 증발 제어법을 이용한 페로브스카이트 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 페로브스카이트 |
-
2017
- 2017-02-20 KR KR1020170022200A patent/KR20180096044A/ko not_active Application Discontinuation
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