KR20180127263A - Preparation for method of perovskite photoactive layer and perovskite solar cells comprising the perovskite photoactive layer thereby - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 페로브스카이트 광활성층의 제조방법, 이에 따라 제조된 페로브스카이트 광활성층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing a perovskite photoactive layer and a perovskite solar cell comprising the perovskite photoactive layer thus produced.
화석 에너지의 고갈과 이의 사용에 의한 지구 환경적인 문제를 해결하기 위해 태양에너지, 풍력, 수력과 같은 재생 가능하며, 청정한 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중에서 태양광으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 여기서 태양전지란 태양광으로부터 광에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생하는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.Research on renewable and clean alternative energy sources such as solar energy, wind power, and hydro power is actively being conducted to solve the global environmental problems caused by depletion of fossil energy and its use. Among these, there is a great interest in solar cells that change electric energy directly from sunlight. Here, a solar cell 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 광전변환효율이 20%가 넘는 n-p 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지의 제조가 가능하여 실제 태양광 발전에 사용되고 있으며, 이보다 더 광전변환효율이 우수한 갈륨아세나이드(GaAs)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 있다.Currently, np diode-type silicon (Si) single crystal based solar cells with a photoelectric conversion efficiency of more than 20% can be manufactured and used in actual solar power generation. Compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs) There is also solar cell using.
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 제조비용을 낮게 하는 데에는 한계가 있어 대규모적인 활용에 걸림돌이 되어왔다.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 lowered, which has been a hindrance to a large-scale utilization.
이에 따라 태양전지를 저가로 제조하기 위해서는 태양전지에 핵심으로 사용되는 소재 또는 제조 공정의 비용을 대폭 감소시킬 필요가 있으며, 무기 반도체 기반 태양전지의 대안으로 저가의 소재와 공정으로 제조가 가능한 염료감응형 태양전지와 유기 태양전지가 활발히 연구되고 있다.Accordingly, in order to manufacture a solar cell at a low cost, it is necessary to drastically reduce the cost of a material or a manufacturing process used as a core of the solar cell. As an alternative to an inorganic semiconductor-based solar cell, Type solar cells and organic solar cells have been actively studied.
그러나 전도성 고분자를 사용한 유기 태양전지의 경우의 광전변환효율은 8% 대(Advanced Materials, 23 (2011), 4636)에 머물고 있고, 염료감응형 태양전지의 경우에도 액체 전해질을 사용한 경우의 광전변환효율은 최대 12% 내지 13% 대(Science 334, (2011) 629)이며, 고체형 홀전도체를 사용한 경우에는 7% 내지 8% 대로 여전히 낮다.However, the photoelectric conversion efficiency of the organic solar cell using the conductive polymer remains at 8% (Advanced Materials, 23 (2011), 4636). In the case of the dye-sensitized solar cell, the photoelectric conversion efficiency (Science 334, (2011) 629) at the maximum of 12% to 13%, and is still as low as 7% to 8% when the solid type hollow conductor is used.
무기 반도체 나노입자와 홀전도성 고분자를 염료감응형 태양전지 구조에 결합한 형태의 유무기 하이브리드 태양전지도 아직 약 6%의 효율(NanoLetters, 11 (2011) 4789)을 보이고 있는 상황이다. 이에 따라, 종래의 실리콘 단결정 기반 태양전지를 대체할 수 있을 정도로 우수한 효율을 가질 수 있는 태양전지의 개발이 절실한 상황이다.The organic / inorganic hybrid solar cell, which combines inorganic semiconductor nanoparticles and a hole conductive polymer with a dye-sensitized solar cell structure, is still showing about 6% efficiency (NanoLetters, 11 (2011) 4789). Accordingly, there is an urgent need to develop a solar cell capable of having a sufficiently high efficiency to replace a conventional silicon single crystal based solar cell.
이에, 최근에는 페로브스카이트(계) 태양전지가 개발되고 있으며, 고효율화를 위한 공정의 최적화가 진행 중이다.Recently, perovskite (solar cell) solar cells are being developed, and processes are being optimized for high efficiency.
페로브스카이트(계) 광활성층(광흡수층)의 제조방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 첫 번째로는 제1 전구체(PbI2)와 제2 전구체(Methylammonium Iodide, CH3NH3I)를 모두 혼합하고, 이를 한번에 코팅하여 페로브스카이트 광활성층(MAPbI3)을 형성하는 방법이 있고, 두 번째로는 제1 전구체로 단일층을 형성한 후, 이를 제2 전구체 용액에 침지하여 최종적으로 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 방법이 있다.The perovskite type photoactive layer (light absorbing layer) can be divided into two types. First, a first precursor (PbI 2 ) and a second precursor (Methylammonium iodide, CH 3 NH 3 I) (MAPbI 3 ). In the second method, a single layer is formed of a first precursor, which is then immersed in a second precursor solution to form a perovskite photoactive layer To form a perovskite photoactive layer.
첫 번째 방법으로 제1 전구체와 제2 전구체를 모두 혼합하고, 코팅함으로써 제조되는 페로브스카이트 광활성층은 조밀한 구조의 박막을 얻기 어려울 뿐만 아니라 모폴로지의 제어가 어려운 문제가 있다.In the first method, the perovskite photoactive layer prepared by mixing and coating both the first precursor and the second precursor is not only difficult to obtain a dense thin film, but also has difficulty in controlling the morphology.
또한, 두 번째 방법으로 제1 전구체로 단일층을 형성한 후, 제2 전구체 용액에 침지하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 경우에는 용액 침적법의 특성상 용액과 맞닿는 상층부 쪽에서 먼저 결정성장이 일어나게 되어 더 아래쪽까지 제2 전구체 용액이 침투할 가능성이 떨어지게 되어 아래쪽에는 변환되지 않고 남아 있는 제1 전구체 층이 필연적으로 생기는 문제가 있다.When the perovskite photoactive layer is formed by immersing the first precursor in the second precursor solution after the first precursor is formed by the second method, crystal growth occurs first in the upper layer contacting the solution due to the nature of the solution deposition method There is a possibility that the second precursor solution is less likely to penetrate to the lower side and the first precursor layer remaining unconverted at the lower side is inevitably formed.
본 발명의 실시예는 조밀하고, 결정성이 제어된 페로브스카이트 광활성층의 제조방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention seeks to provide a method for producing a dense, crystalline controlled perovskite photoactive layer.
또한, 본 발명의 실시예는 광전변환효율이 우수한 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.In addition, embodiments of the present invention provide a perovskite solar cell having excellent photoelectric conversion efficiency and a method of manufacturing the same.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층의 제조방법은 기판 상에 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅하여 페로브스카이트 전구체막을 형성하는 단계; 상기 페로브스카이트 전구체막에 압력을 가하는 단계; 및 상기 가압된 페로브스카이트 전구체막에 열을 가하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a perovskite photoactive layer according to an embodiment of the present invention includes: forming a perovskite precursor film by coating a perovskite precursor solution on a substrate; Applying pressure to the perovskite precursor film; And applying heat to the pressurized perovskite precursor film.
상기 압력을 가하는 단계는 나노 임프린팅 방법으로 압력을 가하는 것일 수 있다.The step of applying the pressure may be to apply pressure to the nanoimprinting method.
상기 압력을 가하는 단계는 3초 내지 15초 동안 1.0 kgf/cm2 내지 2.0 kgf/cm2의 압력을 가하는 것일 수 있다.The step of applying the pressure may be to apply a pressure of 1.0 kgf / cm 2 to 2.0 kgf / cm 2 for 3 seconds to 15 seconds.
상기 압력을 가하는 단계는 60 ℃ 내지 120 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.The step of applying the pressure may be performed at a temperature of 60 ° C to 120 ° C.
상기 열을 가하는 단계는 1분 내지 30분 동안 60 ℃ 내지 120 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.The step of applying the heat may be performed at a temperature of 60 ° C to 120 ° C for 1 minute to 30 minutes.
상기 코팅은 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 및 스프레이 코팅(spray coating)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다.The coating may be performed by any one method selected from the group consisting of spin coating, dip coating and spray coating.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 정공 전달층; 상기 정공 전달층 상에 형성되고, 상기 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 페로브스카이트 광활성층; 상기 페로브스카이트 광활성층 상에 형성된 전자 전달층; 상기 전자 전달층 상에 형성된 제2 전극을 포함한다.A perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention includes a substrate; A first electrode formed on the substrate; A hole transport layer formed on the first electrode; A perovskite photoactive layer formed on the hole transport layer and manufactured by the method according to the embodiment of the present invention; An electron transport layer formed on the perovskite photoactive layer; And a second electrode formed on the electron transporting layer.
상기 페로브스카이트 광활성층의 두께는 100 ㎚ 내지 1000 ㎚일 수 있다.The thickness of the perovskite photoactive layer may be 100 nm to 1000 nm.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층의 제조방법은 페로브스카이트 광활성층의 형성을 위한 페로브스카이트 전구체막에 압력을 가함으로써 페로브스카이트 광활성층의 결정화가 원활히 되어 핀홀(pin pole)이 없고 조밀하며 모폴로지(mopology)와 결정성이 우수한 페로브스카이트 광활성층을 제조할 수 있다.The method of manufacturing a perovskite photoactive layer according to an embodiment of the present invention is characterized in that the perovskite photoactive layer is smoothly crystallized by applying pressure to the perovskite precursor film for forming the perovskite photoactive layer, it is possible to manufacture a perovskite photoactive layer free from pinpoints, dense, and excellent in mopology and crystallinity.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 페로브스카이트 광활성층을 포함함으로써 우수한 광전변환효율을 나타낼 수 있다.In addition, the perovskite solar cell according to the embodiment of the present invention can exhibit excellent photoelectric conversion efficiency by including the perovskite photoactive layer manufactured according to the embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층의 제조방법의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 페로브스카이트 광활성층의 SEM 이미지이다.
도 4는 비교예 1에서 제조된 페로브스카이트 광활성층의 SEM 이미지이다.
도 5는 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 페로브스카이트 태양전지의 전류-전압 그래프이다.
도 6은 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 페로브스카이트 태양전지의 외부양자효율(EQE) 그래프이다.1 is a flow chart of a method for manufacturing a perovskite photoactive layer according to an embodiment of the present invention.
2 shows a structure of a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention.
3 is an SEM image of the perovskite photoactive layer prepared in Example 1. Fig.
4 is an SEM image of the perovskite photoactive layer prepared in Comparative Example 1. FIG.
5 is a graph of a current-voltage of the perovskite solar cell manufactured in Example 2 and Comparative Example 2. FIG.
6 is a graph of external quantum efficiency (EQE) of the perovskite solar cell manufactured in Example 2 and Comparative Example 2. FIG.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments.
본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하거나 한정하고자 하는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of illustrating embodiments and is not intended to limit or limit the invention.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms " comprises "and / or" comprising ", as used herein, mean that a component, step, operation and / And does not exclude the presence or addition thereof.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, the terms "embodiment," "example," "side," "example," etc. are intended to be inclusive and mean that any aspect or design described should be construed as being preferred or advantageous over other aspects or designs. It is not.
본 명세서에서 사용되는 "또는" 이라는 용어는 배타적 논리합 "exclusive or"이기보다는 포함적인 논리합 "inclusive or"를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.As used herein, the term "or" refers to an inclusive logical OR rather than an exclusive OR. That is, unless expressly stated otherwise or clear from the context, the expression 'x uses a or b' means any of the natural inclusive permutations.
본 명세서에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.As used herein, "a" or "an" shall be interpreted generally to mean "one or more ", unless the context clearly dictates otherwise.
또한, 본 명세서에서 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.It will also be appreciated that where a portion of a film, layer, region, configuration request, etc. is referred to herein as being "on" or "on" another portion, , And a case where a component or the like is interposed.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In addition, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층의 제조방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a perovskite photoactive layer according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층의 제조방법의 흐름도를 나타낸 것이다.1 is a flow chart of a method for manufacturing a perovskite photoactive layer according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층의 제조방법은 기판 상에 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅하여 페로브스카이트 전구체막을 형성하는 단계(S110), 상기 페로브스카이트 전구체막에 압력을 가하는 단계(S120) 및 상기 가압된 페로브스카이트 전구체막에 열을 가하는 단계(S130)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a method for manufacturing a perovskite photoactive layer according to an embodiment of the present invention includes forming a perovskite precursor film by coating a perovskite precursor solution on a substrate (S110) Applying a pressure to the lobbicular precursor membrane (S120), and applying heat to the pressurized perovskite precursor membrane (S130).
이하, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the perovskite photoactive layer according to an embodiment of the present invention will be described in detail for each step.
단계 S110은 기판 상에 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅하여 페로브스카이트 전구체막을 형성하는 단계이다. 구체적으로, 단계 S110은 기판 상에 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅하여 단일층의 페로브스카이트 전구체막을 형성한다.Step S110 is a step of forming a perovskite precursor film by coating a perovskite precursor solution on the substrate. Specifically, step S110 is to coat a perovskite precursor solution on the substrate to form a single layer of perovskite precursor film.
기판은 페로브스카이트 전구체막을 형성하기 위한 것으로서, 기판은 무기물 기판 또는 유기물 기판이 사용될 수 있다.The substrate is for forming a perovskite precursor film, and the substrate may be an inorganic substrate or an organic substrate.
무기물 기판은 Si, SiO2, Ge, GaN, AlN, GaP, InP, GaAs, SiC, Al2O3, LiAlO3, MgO, 유리, 석영, 사파이어, 그래파이트, 그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Inorganic substrate from Si, SiO 2, Ge, GaN, AlN, GaP, InP, GaAs, SiC, Al 2 O 3, LiAlO 3, MgO, glass, quartz, sapphire, graphite, graphene, and the group consisting of a combination of But are not limited to, those selected.
유기물 기판은 켑톤 호일, 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate, PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide, PPS), 폴리아릴레이트(polyarylate), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate, CTA) 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate, CAP)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The organic substrate may be formed of a material selected from the group consisting of polyimide (PI), polyethersulfone (PES), polyacrylate (PAR), polyetherimide (PEI), polyethylene naphthalate , Polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS), polyarylate, polycarbonate (PC), cellulose triacetate (CTA), and cellulose acetate pro But are not limited to, cellulose acetate propionate (CAP).
페로브스카이트 전구체 용액은 페로브스카이트 전구체막을 형성한 후 최종적으로 페로브스카이트 광활성층을 형성하기 위한 것으로서, 페로브스카이트 전구체 용액은 페로브스카이트 화합물 및 용매를 포함할 수 있다.The perovskite precursor solution is for forming a perovskite precursor film and finally forming a perovskite photoactive layer. The perovskite precursor solution may include a perovskite precursor solution and a solvent.
페로브스카이트 화합물은 페로브스카이트형 구조(perovskite structure)를 형성하는 화합물로서, 페로브스카이트 화합물은 일반적으로 사용되는 페로브스카이트 구조를 형성하는 화합물이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.The perovskite compound is a compound that forms a perovskite structure. The perovskite compound is not limited to the compound that forms the perovskite structure generally used.
페로브스카이트 화합물은 ABX3의 화학식으로 나타낼 수 있고, 예를 들어 상기 화학식에서 A는 C1-C20의 알킬기, 1가의 금속(예를 들어, Li, Na, Cs, Rb 등) 또는 1가의 유기 암모늄 이온일 수 있고, B은 2가의 금속 이온일 수 있으며, X는 할로겐 이온일 수 있다.The perovskite compound can be represented by the formula of ABX 3. For example, in the above formula, A represents a C1-C20 alkyl group, a monovalent metal (for example, Li, Na, Cs, Rb, Ammonium ion, B may be a divalent metal ion, and X may be a halogen ion.
또한, 본 발명에서 사용되는 페로브스카이트 화합물은 AMX3, A2MX6, A3M2X9, 및 A2MM'X6 으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 상기 화학식에서 A는 CS+, CnH2n + 1NH3 +(n은 1 내지 9의 정수임), NH4 +, HC(NH2)2 +, CS+, NF4 +, NCl4 +, PF4 +, PCl4 +, CH3PH3 +, CH3ASH3 +,CH3SbH3 +, PH4 +, ASH4 +, SbH4 +, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 1가의 양이온을 포함하고,The perovskite compound used in the present invention may be any one selected from the group consisting of AMX 3 , A 2 MX 6 , A 3 M 2 X 9 , and A 2 MM'X 6 , a is CS +, C n H2 n + 1 NH 3 + (n is an integer of 1 to 9), NH 4 +, HC (NH 2) 2 +, CS +, NF 4 +, NCl 4 +, PF 4 + , PCl 4 + , CH 3 PH 3 + , CH 3 ASH 3 + , CH 3 SbH 3 + , PH 4 + , ASH 4 + , SbH 4 + , and combinations thereof. Lt; / RTI > cation,
M 및 M'는 각각 Mg, Cu, Mo, Ba, Si, Zn, Tc, Hf, Ca, Ga, Ru, Ta, Sc, Ge, Rh, W, Ti, Pb, Re, Cr, Se, Ag, Os, Mn, Sr, Cd, Ir, Fe, Y, In, Pt, Co, Zr, Sn, Au, Ni, Nb, Te 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 2가, 3가, 4가의 금속, 비금속 양이온이고, M, and M 'are Mg, Cu, Mo, Ba, Si, Zn, Tc, Hf, Ca, Ga, Ru, Ta, Sc, Ge, Rh, W, Ti, Pb, Re, Cr, A divalent metal containing at least one selected from the group consisting of Al, Os, Mn, Sr, Cd, Ir, Fe, Y, In, Pt, Co, Zr, Sn, Au, Ni, Nb, Te, Trivalent, tetravalent metal, non-metal cation,
X는 F-, Cl-, Br-, I- 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 할로겐 음이온이다.X is a halogen anion comprising any one selected from the group consisting of F-, Cl-, Br-, I-, and combinations thereof.
단, 상기 화학식의 M과 M'은 서로 상이한 것이다.However, M and M 'in the above formula are different from each other.
용매는 페로브스카이트 화합물을 용해 또는 분산시키기 위한 것으로서, 용매는 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO), g-부틸로락톤(GBL), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 2-메톡시에탄올 (2-methoxyethanol) 등이 사용될 수 있다.The solvent is used for dissolving or dispersing the perovskite compound. The solvent is selected from the group consisting of dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), g-butylolactone (GBL), N-methyl- NMP), 2-methoxyethanol and the like can be used.
코팅은 페로브스카이트 전구체막을 형성하기 위한 방법으로서, 코팅은 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating) 등의 습식 코팅 방법(wet coating)으로 수행될 수 있다.The coating is a method for forming a perovskite precursor film, and the coating can be performed by wet coating such as spin coating, dip coating, spray coating and the like .
코팅 방법으로 스핀 코팅 방법을 이용할 경우, 스핀 코팅은 500 rpm 내지 10,000 rpm의 회전 속도, 바람직하게는 1,500 rpm 내지 8,000 rpm의 회전 속도, 더욱 바람직하게는 2,500 rpm 내지 7,000 rpm의 회전 속도로 수행될 수 있고, 1초 내지 120초 동안, 바람직하게는 5초 내지 60초 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.When the spin coating method is used as the coating method, the spin coating can be carried out at a rotation speed of 500 rpm to 10,000 rpm, preferably at a rotation speed of 1,500 rpm to 8,000 rpm, more preferably at 2,500 rpm to 7,000 rpm And may be performed for 1 second to 120 seconds, preferably 5 seconds to 60 seconds, but is not limited thereto.
페로브스카이트 전구체막은 페로브스카이트 전구체 용액의 코팅에 의해 형성되는 것으로서, 페로브스카이트 전구체막은 단일층으로 형성된다.The perovskite precursor film is formed by coating a perovskite precursor solution, and the perovskite precursor film is formed as a single layer.
페로브스카이트 전구체막을 단일층으로 형성할 경우, 공정 시간을 크게 단축시킬 수 있음과 동시에, 거칠도가 매우 적은 균일한 페로브스카이트 광활성층 제조가 가능하다. 또한, 페로브스카이트 전구체막을 단일층으로 형성함으로써, 페로브스카이트에 기계적 후처리가 가능한 중간상태의 막을 만들 수 있어서, 압력을 가하는 것을 용이하게 할 수 있다.When the perovskite precursor film is formed into a single layer, the process time can be greatly shortened and a uniform perovskite photoactive layer having a very small degree of roughness can be manufactured. Further, by forming the perovskite precursor film into a single layer, it is possible to make the perovskite an intermediate film which can be mechanically post-processed, so that it is easy to apply pressure.
다음으로, 단계 S120은 단계 S110에서 형성된 페로브스카이트 전구체막에 압력을 가하는 단계이다. 구체적으로, 단계 S120은 단일층의 페로브스카이트 전구체막에 압력을 가하여(가압하여) 페로브스카이트 전구체막이 핀홀(pin pole)이 없고 조밀한 구조를 갖도록 결정화한다.Next, step S120 is a step of applying pressure to the perovskite precursor film formed in step S110. Specifically, in step S120, the perovskite precursor film is pressure-applied (pressed) to the monovalent perovskite precursor film so as to crystallize the perovskite precursor film so as to have a pin-hole-free and dense structure.
보다 구체적으로, 단계 S120에서 페로브스카이트 전구체막이 가압될 경우, 결정성이 크게 향상되며, 특정 방향으로 선호된 방향성을 지닌 결정 구조가 형성 된다. 또한, 페로브스카이트 전구체막의 가압으로 인해, 결정의 크기가 증가함과 동시에 모폴로지가 조밀해지며, 결정입계 각도가 감소하는 현상을 보이며, 결함이 적은 광활성층을 이루는 페로브스카이트 결정을 얻을 수가 있다.More specifically, when the perovskite precursor film is pressed in step S120, the crystallinity is greatly improved, and a crystal structure having a preferred orientation in a specific direction is formed. Further, due to the pressure of the perovskite precursor film, the perovskite crystal is obtained which shows a phenomenon in which the crystal grain size increases and the morphology becomes dense, the grain boundary angle decreases, and the photoactive layer having few defects is reduced There is a number.
단계 S120에서, 가압은 나노 임프린팅(nano imprinting) 방법을 이용할 수 있다.In step S120, the pressing may use a nano imprinting method.
나노 임프린팅 방법은 나노 구조가 형성되어 있는 몰드(스탬프)로 임프린팅하여 나노 패턴을 형성할 수 있는 방법을 말하고, 열 임프린트 공정, UV 임프린트 공정 등이 이용될 수 있다.The nanoimprinting method refers to a method capable of forming a nano pattern by imprinting with a mold having a nanostructure formed therein, and a thermal imprint process, a UV imprint process, or the like can be used.
나노 임프린팅시에서는 나노점, 나노메쉬, 나노막대, 나노구멍 등의 다양한 형태의 패턴이 이용될 수 있고, 나노 패턴의 높이, 패턴간 거리, 패턴의 크기를 제어함으로써, 페로브스카이트 광활성층의 결정성 및 광학적 특성을 제어할 수 있다.In the nanoimprinting, various patterns such as nano dots, nano meshes, nanorods, and nano holes can be used. By controlling the height of the nano patterns, the distance between patterns, and the size of the pattern, the perovskite photoactive layer The crystallinity and optical properties of the film can be controlled.
단계 S120에서, 가압은 1초 내지 15초 동안 0.5 kgf/cm2 내지 5.0 kgf/cm2의 압력으로 수행될 수 있고, 바람직하게는 3초 내지 15초 동안 1.0 kgf/cm2 내지 2.0 kgf/cm2의 압력으로 수행될 수 있다.In step S120, the pressing may be carried out in a 0.5 pressure kgf / cm 2 to 5.0 kgf / cm 2 for 1 second to 15 seconds, preferably 1.0 kgf / cm 2 to 2.0 kgf / cm for 3 seconds to 15 seconds 2. & Lt; / RTI >
가압이 전술한 시간 및 압력 범위를 벗어나 수행될 경우, 페로브스카이트 광활성층의 내구성이 저하될 수 있다. 특히, 압력이 높아질 경우, 페로브스카이트 광활성층을 지지하는 기판이 파손될 수 있고, 페로브스카이트 광활성층 자체도 분해될 수 있다. 또한, 가압 시간이 1초 미만일 경우에는 결정 성장이 제대로 이루어지지 않아 그레인 사이즈가 작은 문제가 있고, 15초를 초과하는 경우에는 페로브스카이트 광활성층이 분해되는 문제가 있다. 또한, 가압시간이 15초보다 길어지고, 압력이 크게 증가할 경우, 페로브스카이트의 광활성층이 분해되거나, 페로브스카이트 광활성층의 모폴로지가 불규칙한 막대형 혹은 결함이 크게 증가될 수 있으므로 유의해야 한다.If the pressurization is performed outside the above-described time and pressure range, the durability of the perovskite photoactive layer may deteriorate. In particular, when the pressure is increased, the substrate supporting the perovskite photoactive layer may be broken, and the perovskite photoactive layer itself may be decomposed. When the pressing time is less than 1 second, there is a problem that the crystal growth is not properly performed and the grain size is small. When the pressing time exceeds 15 seconds, the perovskite photoactive layer is disassembled. Further, when the pressing time is longer than 15 seconds and the pressure is greatly increased, the photoactive layer of the perovskite may be decomposed or the morphology of the perovskite photoactive layer may be irregular, Should be.
단계 S120은 단계 S110에서 형성된 페로브스카이트 전구체막에 압력을 가하는 것과 동시에 열을 가할 수 있다. 즉, 단계 S120은 페로브스카이트 전구체막을 가압 및 가열(열처리)할 수 있다.Step S120 may apply heat to the perovskite precursor film formed in step S110 at the same time as applying pressure. That is, step S120 can pressurize and heat (heat-treat) the perovskite precursor film.
단계 S120에서, 가압과 동시에 열처리할 경우, 가압 및 열처리는 60 ℃ 내지 120 ℃의 온도에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 100 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.In step S120, when heat treatment is performed concurrently with the pressurization, the pressurization and the heat treatment can be performed at a temperature of 60 占 폚 to 120 占 폚, and preferably at a temperature of 100 占 폚.
가압 및 열처리가 전술한 온도 범위에서 수행될 경우, 60 ℃ 미만에서 열처리가 진행될 경우, 가압에 의한 결정화도에 영향을 미칠 수 있으며, 120 ℃를 초과할 경우, 몰드가 손상될 수 있으며, 페로브스카이트 층의 분해가 급격히 발생할 수 있다.When the pressurization and the heat treatment are carried out in the above-mentioned temperature range, if the heat treatment is carried out at a temperature lower than 60 ° C, the crystallization degree by pressurization may be affected. If it exceeds 120 ° C, the mold may be damaged, The decomposition of the stratum may occur rapidly.
마지막으로, 단계 S130은 단계 S120에서 가압된 페로브스카이트 전구체막에 열을 가하는 단계이다. 구체적으로, 단계 S130은 단계 S120에서 가압되어 조밀화된 페로브스카이트 전구체막에 열을 가하여(열처리하여) 페로브스카이트 광활성층이 안정화되도록 한다.Finally, step S130 is a step of applying heat to the pressurized perovskite precursor film in step S120. Specifically, in step S130, the perovskite precursor film is pressurized (heat-treated) in step S120 to stabilize the perovskite photoactive layer.
보다 구체적으로, 단계 S130에서 페로브스카이트 전구체막이 열처리될 경우, 페로브스카이트 전구체막이 열처리가 되어질 경우, 용매가 제거되어지며, PbI2와 CH3NH3I의 결합으로 인한 페로브스카이트 결정을 얻을 수 있다.When more specifically, to be in step S130 perovskite precursor film is heat-treated, Fe lobe case be a sky agent precursor film is heat-treated, becomes the solvent is removed, the perovskite crystal due to binding of PbI2 with CH 3 NH 3 I Can be obtained.
단계 S130에서, 열처리는 1분 내지 60분 동안 60 ℃ 내지 120 ℃의 온도에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 5분 내지 20분 동안 100 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.In step S130, the heat treatment may be performed at a temperature of 60 占 폚 to 120 占 폚 for 1 minute to 60 minutes, and preferably at a temperature of 100 占 폚 for 5 minutes to 20 minutes.
열처리가 전술한 시간 및 온도 범위에서 수행되지 않을 경우, 즉 60 ℃ 미만에서 열처리가 진행될 경우, 결정 생성 시간 및 광활성층의 결정화도, 모폴로지에 영향을 미칠 수 있으며, 120 ℃를 초과하거나, 20분 이상의 장시간 열처리가 진행될 경우, 페로브스카이트 층이 분해될 수 있다.When the heat treatment is not performed in the above-mentioned time and temperature range, that is, when the heat treatment is performed at less than 60 ° C, the crystallization time and the crystallinity of the photoactive layer may affect the morphology. If the heat treatment is carried out for a long time, the perovskite layer can be decomposed.
실시예에 따라, 단계 S120에서 페로브스카이트 전구체에 대하여 가압과 동시에 열처리가 수행될 경우, 단계 S120에서의 열처리는 1차 열처리이고, 단계 S130에서의 열처리는 2차(추가) 열처리일 수 있다.According to the embodiment, when the heat treatment is simultaneously performed with the perovskite precursor in step S120, the heat treatment in step S120 may be a primary heat treatment, and the heat treatment in step S130 may be a secondary (additional) heat treatment .
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층의 제조방법에 의해 제조된 페로브스카이트 광활성층은 핀홀이 없고 조밀하며 모폴로지가 우수한 결정 특성을 갖는다.The perovskite photoactive layer produced by the process for producing a perovskite photoactive layer according to an embodiment of the present invention has pinhole-free, dense, and excellent morphology.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층은 결정성이 크게 향상되며, 특정 방향으로 선호된 방향성을 지닌 결정 구조가 형성된다. 또한, 결정의 크기가 증가함과 동시에 모폴로지가 조밀해지며, 결정입계 각도가 감소하는 현상을 보이며, 결합이 적은 광활성층을 이루는 페로브스카이트 결정을 얻을 수가 있다. 또한 나노점을 이용한 가압방법의 경우, 페로브스카이트 광활성층에 전면적에 균일한 압력을 가하게 됨과 동시에, 결함이 적은 페로브스카이트 광활성층이 얻어진다. 또한, 본 발명에서와 같이 나노점을 이용한 가압방법의 경우, 페로브스카이트 광활성층에 전면적에 균일한 압력을 가하게 됨과 동시에, 결함이 적은 페로브스카이트 광활성층이 얻어진다.In particular, the perovskite photoactive layer according to the embodiment of the present invention is greatly improved in crystallinity and has a crystal structure having a preferred orientation in a specific direction. In addition, perovskite crystals forming a photoactive layer with fewer bonds can be obtained, showing a phenomenon in which the morphology becomes dense and the crystal grain boundary angle decreases as the crystal size increases. Further, in the case of the pressing method using nano-points, a uniform pressure is applied to the perovskite photoactive layer over the entire surface, and a perovskite photoactive layer having few defects is obtained. Further, in the case of the pressing method using nano dots as in the present invention, uniform pressure is applied to the perovskite photoactive layer over the entire surface, and a perovskite photoactive layer having few defects is obtained.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층의 제조방법에 의해 제조된 페로브스카이트 광활성층은 100 ㎚ 내지 1000 ㎚의 두께를 가질 수 있고, 바람직하게는 300 ㎚ 내지 500 ㎚의 두께를 가질 수 있다. 페로브스카이트 광활성층이 100 nm 미만의 두께를 가질 경우, 광활성층의 광흡수가 떨어져 광전류가 낮은 문제점을 야기할 수 있으며, 1000 nm 초과의 두께를 가질 경우, 정공-전자 재결합이 급격히 발생하여 소자 효율을 크게 감소시킬 수 있다.The perovskite photoactive layer produced by the perovskite photoactive layer manufacturing method according to an embodiment of the present invention may have a thickness of 100 nm to 1000 nm, preferably 300 nm to 500 nm Lt; / RTI > If the perovskite photoactive layer has a thickness of less than 100 nm, it may cause a problem of low photocurrent due to light absorption of the photoactive layer, and when the thickness exceeds 1000 nm, hole-electron recombination occurs rapidly The device efficiency can be greatly reduced.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 구조를 나타낸 것이다.2 shows a structure of a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기판(110), 기판(110) 상에 형성된 제1 전극(120), 제1 전극(120) 상에 형성된 정공 전달층(130), 정공 전달층(130) 상에 형성되고, 상기 전술한 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층의 제조방법으로 제조된 페로브스카이트 광활성층(140), 광활성층(140) 상에 형성된 전자 전달층(150) 및 전자 전달층(150) 상에 형성된 제2 전극(160)을 포함한다.Referring to FIG. 2, a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention includes a
기판(110)은 페로브스카이트 태양전지가 형성되는 베이스 기판으로서, 기판은 무기물 기판 또는 유기물 기판이 사용될 수 있다.The
무기물 기판은 Si, SiO2, Ge, GaN, AlN, GaP, InP, GaAs, SiC, Al2O3, LiAlO3, MgO, 유리, 석영, 사파이어, 그래파이트, 그래핀 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Inorganic substrate from Si, SiO 2, Ge, GaN, AlN, GaP, InP, GaAs, SiC, Al 2 O 3, LiAlO 3, MgO, glass, quartz, sapphire, graphite, graphene, and the group consisting of a combination of But are not limited to, those selected.
유기물 기판은 켑톤 호일, 폴리이미드(PI), 폴리에테르술폰(PES), 폴리아크릴레이트(PAR), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리아릴레이트, 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(CTA) 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(CAP)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The organic substrate may be selected from the group consisting of polyimide (PI), polyethersulfone (PES), polyacrylate (PAR), polyetherimide (PEI), polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate But are not limited to, those selected from the group consisting of sulfide (PPS), polyarylate, polycarbonate (PC), cellulose triacetate (CTA) and cellulose acetate propionate (CAP).
제1 전극(120)은 기판(110) 상에 형성된다. 제1 전극(120)은 양극일 수 있으며 태양전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로서, 예를 들어, 투명한 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 징크 옥사이드 (IZO), 불소 첨가 틴 옥사이드(FTO), 틴 옥사이드, 징크 옥사이드, 징크 알루미늄 옥사이드 등의 금속 옥사이드, 티타늄 나이트라이드 등의 금속 나이트라이드계 또는 폴리아닐린, 폴리티오핀, 폴리피롤, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리(3-메틸티오핀), 폴리페닐렌설파이드 등의 전도성 폴리머가 사용될 수 있다.A first electrode (120) is formed on the substrate (110). The
정공 전달층(130)은 제1 전극(120) 상에 형성된다. 정공 전달층(130)은 정공 전달 물질을 도포시켜 형성시키는 것으로서, 상기 정공 전달 물질은 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)), 폴리아닐린, 폴리디페닐, 아세틸렌, 폴리 (t-부틸)디페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)디 페닐아세틸렌, Cu-PC(커퍼-프탈로시아닌) 폴리(비스트리플루오로메틸)아세틸렌, 폴리비스(t-부틸디페닐)아세틸렌, 폴리(트리메틸실릴) 디페닐아세틸렌, 폴리(카르바졸)디페닐아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리페닐아세틸렌, 폴리피리딘아세틸렌, 폴리메톡시페닐아세틸렌, 폴리메틸페닐아세틸렌, 폴리(t-부틸)페닐아세틸렌, 폴리니트로페닐아세틸렌, 폴리(트리플루오로메틸)페닐아세틸렌 및 폴리(트리메틸실릴)페닐아세틸렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 정공 전달층(130)은 정공 전달 물질을 스핀코팅하여 형성할 수 있다.A
페로브스카이트 광활성층(140)은 정공 전달층(130) 상에 형성된다.The
페로브스카이트 광활성층(140)은 전술한 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층의 제조방법에 의해 제조된 것으로서, 중복 설명은 생략하기로 한다.The
전자 전달층(150)은 페로브스카이트 광활성층(140) 상에 형성된다.An
전자 전달층(150)은 태양전지 분야에서 사용되는 물질로서, 예를 들어, 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95) 및 이를 포함하는 풀러렌 유도체, 폴리벤즈이미다졸(Polybenzimidazole, PBI), 탄소나노라드, 탄소나노튜브, 징크 설파이드(ZnS), 3,4,9,10-페릴렌테트라카복실 비스벤즈이미다졸(PTCBI)을 포함하는 재료, 페릴렌 다이이미드(Perylene diimide, PDI), 코라뉴렌(corannulene), 트루제논(Truxenone), 서브프탈로시아닌(Subphthalocyanines, SubPcs) 화합물, 금속산화물 및 이를 포함하는 유도체로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다.The
제2 전극(160)은 전자 전달층(150) 상에 형성된다.The
제2 전극(160)은 음극일 수 있으며 제1 전극(120)과 함께 페로브스카이트 광활성층(140) 내부에서 발생된 전하들을 받아들여 전위차를 발생시키는 것으로서, 금속, 금속 합금, 반금속(semimetal) 또는 광 투과성 투명 산화물로 이루어질 수 있다. 제2 전극(160)은 예를 들어, Fe, Ag, Au, Cu, Cr, W, Al, Mo, Zn, Ni, Pt, Pd, Co, In, Mn, Si, Ta, Ti, Sn, Pb, V, Ru, Ir, Zr, Rh, Mg, ITO, FTO, AZO, GZO, IZO 및 PEDOT:PSS로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.The
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 핀홀이 없고 조밀하며 모폴로지가 우수한 페로브스카이트 광활성층을 포함하여 우수한 광전변환효율을 나타낼 수 있다.The perovskite solar cell according to the embodiment of the present invention can exhibit excellent photoelectric conversion efficiency including a perovskite photoactive layer having no pinhole, dense and excellent morphology.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 후처리 과정이나 화학적 처리 없이, 짧은 시간 동안의 기계적 가압방법만을 이용해서, 페로브스카이트 광활성층의 결정성을 크게 향상시킬 수 있다.Specifically, the perovskite solar cell according to the embodiment of the present invention can greatly improve the crystallinity of the perovskite photoactive layer by using only the mechanical pressing method for a short period of time without any post-treatment or chemical treatment have.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. The following examples illustrate the invention and are not intended to limit the scope of the invention.
실시예 1: 페로브스카이트 광활성층의 제조Example 1: Preparation of perovskite photoactive layer
투명 전극 기판인 ITO(indium tin oxide) 유리 기판을 아세톤 및 2-프로판올을 이용하여 세척한 후, 자외선/오존(UV/OZONE) 세척기에서 30분 동안 추가 세척하였다. 상기 세척된 투명 전극 기판 상에 정공 전달층으로서 PEDOT:PSS를 4,000 rpm으로 30초 동안 스핀코팅한 후 핫플레이트를 이용하여 150 ℃에서 10분 동안 열처리하였다.The indium tin oxide (ITO) glass substrate, which is a transparent electrode substrate, was washed with acetone and 2-propanol and further washed in an ultraviolet / ozone (UV / OZONE) washer for 30 minutes. PEDOT: PSS was spin-coated on the cleaned transparent electrode substrate as a hole transport layer at 4,000 rpm for 30 seconds and then heat-treated at 150 ° C for 10 minutes using a hot plate.
페로브스카이트 전구체 용액은 요오드화납(PbI2)과 메틸암모늄아이오다이드(CH3NH3I)를 1:1 몰 비율로 디메틸포름아미드(N,N-dimethylmethanamide) 및 디메틸설폭사이드(dimethylsulfoxide)의 혼합 용매에 녹임으로써 준비되었다.The perovskite precursor solution was prepared by mixing N, N-dimethylmethanamide and dimethylsulfoxide in a 1: 1 molar ratio of lead iodide (PbI 2 ) and methylammonium iodide (CH 3 NH 3 I) In a mixed solvent.
상기 준비된 페로브스카이트 전구체 용액을 상기 제조된 PEDOT:PSS 기판에 스핀코팅하여 페로브스카이트 전구체막을 형성하였다. 상기 제조된 페로브스카이트 전구체막 상에 250 ㎚의 나노점이 포함된 PUA(Polyurethane-acrylate) 몰드를 놓고, 100 ℃의 온도에서 9초 동안 1.6 kgf/cm2 압력을 가하였다. 이어서, 압력을 가하지 않는 상태로 100 ℃의 온도에서 10분 동안 열처리하였다.The prepared perovskite precursor solution was spin-coated on the prepared PEDOT: PSS substrate to form a perovskite precursor film. A polyurethane-acrylate (PUA) mold having a nanodot of 250 nm was placed on the prepared perovskite precursor film and a pressure of 1.6 kgf / cm 2 was applied at a temperature of 100 ° C for 9 seconds. Subsequently, heat treatment was performed at a temperature of 100 占 폚 for 10 minutes in a state where no pressure was applied.
이 때, 총 380-400 ㎚의 두께를 갖는 나노점 패턴이 형성된 페로브스카이트 광활성층이 제조되었다.At this time, a perovskite photoactive layer having a nano dot pattern having a total thickness of 380-400 nm was prepared.
실시예 2: 페로브스카이트 태양전지의 제조Example 2: Preparation of perovskite solar cell
상기 실시예 1에서 제조된 페로브스카이트 광활성층 상에 클로로벤젠에 분산된 PCBM(Phenyl C61 butyric acid methyl ester) 용액을 이용하여 스핀코팅한 후 BCP(bathocuproine) 용액을 스핀코팅하여 전자 전달층을 형성하였다. 이후 열증착기 및 금속 마스크를 이용하여 은(Ag) 전극을 형성하여 최종적으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.The perovskite photoactive layer prepared in Example 1 was spin-coated with PCBM (Phenyl C61 butyric acid methyl ester) solution dispersed in chlorobenzene and spin coated with BCP (bathocuproine) solution to form an electron transport layer . Then, a silver (Ag) electrode was formed using a thermal evaporator and a metal mask to finally produce a perovskite solar cell.
비교예 1 : 페로브스카이트 광활성층의 제조Comparative Example 1: Production of perovskite photoactive layer
투명 전극 기판인 ITO 유리 기판을 아세톤 및 2-프로판올을 이용하여 세척한 후, 자외선/오존 세척기에서 30분 동안 추가 세척하였다. 상기 세척된 투명 전극 기판 상에 정공 전달층으로서 PEDOT:PSS를 4,000 rpm으로 30초 동안 스핀코팅한 후 핫플레이트를 이용하여 150 ℃에서 10분 동안 열처리하였다.The ITO glass substrate, which is a transparent electrode substrate, was washed with acetone and 2-propanol, and further washed in an ultraviolet / ozone washing machine for 30 minutes. PEDOT: PSS was spin-coated on the cleaned transparent electrode substrate as a hole transport layer at 4,000 rpm for 30 seconds and then heat-treated at 150 ° C for 10 minutes using a hot plate.
페로브스카이트 전구체 용액은 요오드화납(PbI2)과 메틸암모늄아이오다이드(CH3NH3I)를 1:1 몰 비율로 디메틸포름아미드 및 디메틸설폭사이드의 혼합 용매에 녹임으로써 준비되었다.The perovskite precursor solution was prepared by dissolving lead iodide (PbI 2 ) and methylammonium iodide (CH 3 NH 3 I) in a mixed solvent of dimethylformamide and dimethylsulfoxide in a molar ratio of 1: 1.
상기 준비된 페로브스카이트 전구체 용액을 상기 제조된 PEDOT:PSS 기판에 스핀코팅하여 페로브스카이트 전구체막을 형성하였다. 상기 제조된 페로브스카이트 전구체막을 압력을 가하지 않는 상태로 100 ℃의 온도에서 10분 동안 열처리하였다.The prepared perovskite precursor solution was spin-coated on the prepared PEDOT: PSS substrate to form a perovskite precursor film. The perovskite precursor film thus prepared was heat-treated at a temperature of 100 캜 for 10 minutes in a state of not applying pressure.
이 때, 총 380-400 ㎚의 두께를 갖는 평평한 페로브스카이트 광활성층이 제조되었다.At this time, a flat perovskite photoactive layer having a total thickness of 380-400 nm was produced.
비교예 2: 페로브스카이트 태양전지의 제조Comparative Example 2: Production of perovskite solar cell
상기 비교예 1에서 제조된 페로브스카이트 광활성층 상에 클로로벤젠에 분산된 PCBM 용액을 이용하여 스핀코팅한 후 BCP 용액을 스핀코팅하여 전자 전달층을 형성하였다. 이후 열증착기 및 금속 마스크를 이용하여 은(Ag) 전극을 형성하여 최종적으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.The perovskite photoactive layer prepared in Comparative Example 1 was spin-coated with a PCBM solution dispersed in chlorobenzene, and the BCP solution was spin-coated to form an electron transport layer. Then, a silver (Ag) electrode was formed using a thermal evaporator and a metal mask to finally produce a perovskite solar cell.
페로브스카이트 광활성층의 주사전자현미경(SEM) 이미지 분석Scanning electron microscope (SEM) image analysis of perovskite photoactive layer
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광활성층의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 페로브스카이트 광활성층의 SEM 이미지를 관찰하였다.SEM images of the perovskite photoactive layer prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were observed in order to confirm a scanning electron microscope (SEM) image of the perovskite photoactive layer according to an embodiment of the present invention.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 실시예 1에서 제조된 페로브스카이트 광활성층은 비교예 1에서 제조된 페로브스카이트 광활성층에 비하여, 결정의 크기가 증가함과 동시에 모폴로지가 조밀해지며, 결정입계 각도가 감소하는 현상을 보이며, 결함이 적은 광활성층을 이루는 페로브스카이트 결정을 얻어진다는 것을 알 수 있다.3 to 4, the perovskite photoactive layer produced in Example 1 has a larger crystal size and dense morphology than the perovskite photoactive layer produced in Comparative Example 1 , The crystal grain boundary angle is decreased, and the perovskite crystal forming the photoactive layer with few defects is obtained.
페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율 분석Photoelectric conversion efficiency analysis of perovskite solar cell
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 성능을 확인하기 위하여, 상기 실시예 2에서 제조된 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율을 솔라 시뮬레이터로 측정하였다. 측정 조건은 AM 1.5(1sun, 100 mW/cm2)였으며, 측정된 태양전지의 개방전압(VOC), 단락전류밀도(JSC), 채움인자(F.F.) 및 광전변환효율(η) 결과 값을 하기 표 1에 나타내었다.In order to confirm the performance of the perovskite solar cell according to the embodiment of the present invention, the photoelectric conversion efficiency of the perovskite solar cell manufactured in Example 2 was measured with a solar simulator. The measured values of the open-circuit voltage (VOC), the short-circuit current density (JSC), the filling factor (FF) and the photoelectric conversion efficiency (η) of the measured solar cell were AM 1.5 (1sun, 100 mW / cm 2 ) Table 1 shows the results.
(V)Open-circuit voltage
(V)
(mA/cm2)Short circuit current density
(mA / cm 2 )
(%)Fill factor
(%)
(%)Photoelectric conversion efficiency
(%)
표 1을 참조하면, 비교예2보다 실시예 2의 개방전압, 단락전류 밀도가 크게 향상됨으로써, 광전환효율이 12.49%에서 15.61%로 증가함을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that the open-circuit voltage and the short-circuit current density of Example 2 are significantly improved as compared with Comparative Example 2, thereby increasing the light conversion efficiency from 12.49% to 15.61%.
도 5는 실시예 2에서 제조된 페로브스카이트 태양전지의 전류-전압 그래프이고, 도 6은 실시예 2에서 제조된 페로브스카이트 태양전지의 외부양자효율(EQE) 그래프이다.FIG. 5 is a current-voltage graph of the perovskite solar cell manufactured in Example 2, and FIG. 6 is a graph of external quantum efficiency (EQE) of the perovskite solar cell manufactured in Example 2. FIG.
도 5 및 도 6을 참조하면, 실시예 2의 개방전압 및 단락전류 밀도가 비교예 2에 비해 크게 향상되었음을 확인할 수 있으며, 외부양자효율 그래프에서도 알 수 있듯이 모든 파장 영역대에서 양자효율이 향상됨으로써 전류밀도가 향상됨을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 5 and 6, it can be seen that the open-circuit voltage and the short-circuit current density of Example 2 are significantly improved as compared with Comparative Example 2. As can be seen from the external quantum efficiency graph, the quantum efficiency is improved in all the wavelength regions It can be confirmed that the current density is improved.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.
110: 기판
120: 제1 전극
130: 정공 전달층
140: 페로브스카이트 광활성층
150: 전자 전달층
160: 제2 전극110: substrate
120: first electrode
130: hole transport layer
140: perovskite photoactive layer
150: electron transport layer
160: Second electrode
Claims (6)
상기 중간 상태의 페로브스카이트 전구체막에 3초 내지 15초 동안 1.0 kgf/cm2 내지 2.0 kgf/cm2의 압력을 가하는 동시에 1차 열처리 하는 단계; 및
가압된 상기 중간 상태의 페로브스카이트 전구체막에 2차 열처리 하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 중간 상태의 페로브스카이트 전구체막은 상기 압력을 가하는 동시에 1차 열처리 하는 단계에서 결정 생성 및 결정 성장이 진행되어 결정의 크기가 증가되며,
상기 압력을 가하는 동시에 1차 열처리 하는 단계는 나노 패턴을 포함하는 나노 임프린팅 방법으로 압력을 가하며, 상기 나노 패턴의 높이, 패턴간 거리 또는 패턴의 크기를 제어하여, 상기 페로브스카이트 광활성층의 결정성 및 광학적 특성을 제어하는 페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
Coating a perovskite precursor solution on the substrate to form an intermediate perovskite precursor film;
Wherein the intermediate state of the perovskite in the precursor film for 3 seconds to 15 seconds while applying a pressure of 1.0 kgf / cm 2 to 2.0 kgf / cm 2 1 primary heat treatment; And
Performing a secondary heat treatment on the pressed perovskite precursor film to form a perovskite photoactive layer
Lt; / RTI >
In the intermediate state of the perovskite precursor film, crystal growth and crystal growth progress in the step of applying the pressure and the first heat treatment,
The step of applying the pressure and performing the first heat treatment may be performed by applying pressure to a nanoimprinting method including a nano pattern and controlling the height of the nano pattern, the distance between patterns, or the size of the pattern, A method for producing a perovskite photoactive layer that controls crystallinity and optical properties.
상기 1차 열처리는 60 ℃ 내지 120 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first heat treatment is performed at a temperature of 60 ° C to 120 ° C.
상기 2차 열처리는 1분 내지 30분 동안 60 ℃ 내지 120 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second heat treatment is performed at a temperature of 60 ° C to 120 ° C for 1 minute to 30 minutes.
상기 코팅은 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 및 스프레이 코팅(spray coating)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 광활성층의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the coating is performed by any one method selected from the group consisting of spin coating, dip coating, and spray coating.
상기 기판 상에 형성된 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성된 정공 전달층;
상기 정공 전달층 상에 형성되고, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 페로브스카이트 광활성층;
상기 페로브스카이트 광활성층 상에 형성된 전자 전달층; 및
상기 전자 전달층 상에 형성된 제2 전극
을 포함하는 페로브스카이트 태양전지.
Board;
A first electrode formed on the substrate;
A hole transport layer formed on the first electrode;
A perovskite photoactive layer formed on the hole transporting layer and produced by the method of any one of claims 1 to 4;
An electron transport layer formed on the perovskite photoactive layer; And
A second electrode formed on the electron transport layer,
A perovskite solar cell.
상기 페로브스카이트 광활성층의 두께는 100 ㎚ 내지 1000 ㎚인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양전지.6. The method of claim 5,
Wherein the perovskite photoactive layer has a thickness of 100 nm to 1000 nm.
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