KR20190030188A - Non-fullerene electron transporting material and perovskite solar cells using the same - Google Patents

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KR20190030188A
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Abstract

The present invention relates to a perovskite planar solar cell having high efficiency and thermal stability, wherein a solar cell includes an electron transport layer manufactured using a naphthalene-diimide compound-based electron transport material instead of an existing fullerene-based electron transport material. Thus, the present invention can provide a perovskite solar cell having high efficiency and excellent time and thermal stability.

Description

비풀러렌 전자 전달 물질 및 이를 이용한 페로브스카이트 태양전지{Non-fullerene electron transporting material and perovskite solar cells using the same}[0001] The present invention relates to a non-fullerene electron transporting material and a perovskite solar cell using the same,

본 발명은 비풀러렌 전자 전달 물질인 나프탈렌-디이미드 화합물을 이용한 태양 전지에 관한 것으로서, 효율이 높고 시간적 안정성 및 열적 안정성이 우수한 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell using a naphthalene-diimide compound, which is a non-fullerene electron transferring material, and relates to a perovskite solar cell having high efficiency, excellent temporal stability and thermal stability.

제한된 에너지원 및 환경 문제로 인해 연료는 점진적으로 연료 전지, 바이오매스 에너지, 또는 태양광 등의 대체 재생에너지로 교체되고 있다. 환경 친화적이고, 재생가능하며 풍부한 대체 에너지원의 개발에 관한 광범위한 연구가 진행되고 있으며 이에 대해 상당한 주목을 받고 있다. 그러나, 전력 발생용 태양전지 모듈의 제조 비용이 높아 이는 태양에너지를 주요 에너지원으로 하는데 장애가 되어 왔다. 저비용 유기 또는 폴리머 태양전지의 사용으로 전력 변환에 관련된 비용을 절감시켰으나 낮은 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)은 상용화에 장애물이 되었다.Due to limited energy sources and environmental issues, fuel is being gradually replaced by alternative renewable energy sources such as fuel cells, biomass energy, or solar energy. Extensive research into the development of environmentally friendly, renewable and abundant alternative energy sources is underway and has received considerable attention. However, the manufacturing cost of the power generation solar cell module is high, which has hindered solar energy as a main energy source. The use of low cost organic or polymer solar cells has reduced the cost associated with power conversion, but the low power conversion efficiency (PCE) has become a hurdle to commercialization.

한편, 페로브스카이트(perovskite) 물질이 2009 년 일본의 Tsutomu Miyasaka 그룹이 처음으로 태양전지에 적용한 이 후, 흡광계수가 높고, 용액 공정을 통해 손쉽게 합성이 가능한 특성 때문에 최근 태양전지 광 흡수 물질로서 각광을 받고 있다. 이러한 페로브스카이트 태양 전지의 PCE는 2009년 3.8%에서 가장 최근의 연구에서 20% 이상으로 크게 증가해 왔는데, 이로써 페로브스카이트 태양전지에서 실리콘 태양전지 와 동등한 성능을 갖는 고효율을 달성하게 되었다.On the other hand, since the perovskite material was first applied to the solar cell by the Tsutomu Miyasaka Group in Japan in 2009, its absorption coefficient is high, and since it can be easily synthesized through the solution process, It is in the limelight. The PCE of these perovskite solar cells has greatly increased from 3.8% in 2009 to more than 20% in the most recent research, thereby achieving high efficiency with performance equivalent to silicon solar cells in perovskite solar cells .

페로브스카이트 태양 전지의 소자 구조는 메소스코픽(mesoscopic), 이중층 (bi-layer), 평면(planar) 및 메소수퍼(meso-super) 형 구조로 분류 될 수 있으며, 현재 이중층 및 평면형 소자 구조가 대부분 고효율을 얻기 위해 사용되고 있다.The device structure of a perovskite solar cell can be classified into a mesoscopic, bi-layer, planar and meso-super structure. Currently, dual-layer and planar device structures Most of them are used for obtaining high efficiency.

장치 구성은 투명 전도성 전극 상에 어떤 타입(n-type 또는 p-type)의 물질이 증착되는지에 따라 노멀(n-i-p) 및 역상(p-i-n) 구조의 페로브스카이트 태양 전지로 분류된다. 노멀 구조의 이중층(bi-layer) 및 평면(planar) 타입 페로브스카이트 태양전지는 TiO2, ZnO, ZnSnO3, 및 PCBM 등의 n-type 전자 수송 물질(ETM)이 FTO 나 ITO 등의 투명 전도성 전극에 증착되고, 역상 구조의 경우 PEDOT:PSS 및 NiOx 등의 p-type 홀 수송 물질(HTM)이 FTO 나 ITO 투명 전도성 전극 상에 코팅된다.The device configuration is classified as perovskite solar cells of nip and reverse structures depending on what type (n-type or p-type) of material is deposited on the transparent conductive electrode. The bi-layer and planar type perovskite solar cells of the normal structure are made of n-type electron transport materials (ETM) such as TiO 2 , ZnO, ZnSnO 3 , and PCBM, And a p-type hole transport material (HTM) such as PEDOT: PSS and NiO x is coated on the FTO or ITO transparent conductive electrode in the case of the reversed phase structure.

노말 구조의 페로브스카이트 태양전지는 1 Sun (100mW/cm2) 조명(태양광) 하에서 22% 이상의 높은 전력변환효율(PCE)을 나타내지만, poly triarylamine (PTAA)나 2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene (spiro-OMeTAD) 등의 홀 수송 물질(HTM)을 tert-butylpyridine(t-BP) 및 lithium bis-(trifluoromethanesulfonyl)imide(Li-TFSI) 등의 부식성/흡습성 첨가제와 함께 사용하여 태양전지의 안정성을 저하시키는 문제점이 있다. Perovskite solar cells with normal structure show a high power conversion efficiency (PCE) of 22% or more under 1 sun (100 mW / cm 2 ) lighting (sunlight), but poly triarylamine (PTAA) or 2,2 ' (HTM) such as 7'-tetrakis- (N, N-di-4-methoxyphenylamino) -9,9'-spirobifluorene (spiro-OMeTAD) (trifluoromethanesulfonyl) imide (Li-TFSI) and the like, the stability of the solar cell is lowered.

반면, 역상 구조의 페로브스카이트 태양전지는 더욱 안정하고 스캔 방향 및 속도에 대해 보다 작은 전류밀도-전압(J-V) 이력특성을 가지며, 노멀 구조의 전력변환효율(PCE)과도 유사하다. 지금까지 풀러렌 기반 물질인 PCBM은 역상 구조 페로브스카이트 태양전지의 전자 수송 물질(ETM)로 사용되어 왔다.On the other hand, reversed-phase perovskite solar cells are more stable, have smaller current density-voltage (JV) hysteresis characteristics for scan direction and speed, and are similar to power conversion efficiency (PCE) for normal structure. So far, PCBM, a fullerene-based material, has been used as an electron transport material (ETM) for reversed-phase perovskite solar cells.

그러나, 풀러렌 기반의 PCBM ETM은 PTAA 또는 spiro-OMeTAD HTM보다 톨루엔 및 디클로로벤젠에의 용해성이 낮기 때문에 기존의 스핀 코팅 공정으로 핀홀이 없는 페로브스카이트 층에 균일하고 두꺼운 PCBM 층을 형성하는 것이 상대적으로 어려운 문제점이 있다. 또한 PCBM ETM의 모폴로지(morphology) 및 결정성(crystallinity)이 사용 시간에 따라 변하기 때문에 기존의 PCBM ETM을 더욱 안정하고 견고한 ETM으로 대체하는 것이 요구된다.However, since fullerene-based PCBM ETMs have lower solubility in toluene and dichlorobenzene than PTAA or spiro-OMeTAD HTM, it is relatively difficult to form a uniform and thick PCBM layer on the pinhole-free perovskite layer by conventional spin coating processes There is a difficult problem. In addition, since the morphology and crystallinity of the PCBM ETM vary with the use time, it is required to replace the existing PCBM ETM with a more stable and robust ETM.

1. 한국등록특허 제 10-1571528 호 (2015.11.18)1. Korean Registered Patent No. 10-1571528 (Nov.

1. A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, T. Miyasaka, J. Am. Soc., 2009, 131, 6050.1. A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, T. Miyasaka, J. Am. Soc., 2009, 131, 6050.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 유기 n-type 반도체 중에서, 나프탈렌-디이미드(naphthalene diimide, NDI) 기반의 n-type ETM을 사용한 페로브스카이트 태양 전지를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a perovskite solar cell using an n-type ETM based on naphthalene diimide (NDI) among organic n-type semiconductors.

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 페로브스카이트 태양 전지의 전자 전달 물질용 화합물로서, 하기 구조식 1로 표현되는 나프탈렌-디이미드 화합물을 제공한다. The present invention provides a naphthalene-diimide compound represented by the following structural formula 1 as a compound for an electron transferring material of a perovskite solar cell.

[구조식 1][Structural formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

(이 때, R1, R2는 각각 독립적으로 수소, 히드록실, 할로겐, 슈도할로겐, 포르밀, 카르복실, 알콕시, 장쇄 알콕시, 알킬(alkyl), 장쇄알킬, 치환 또는 비치환된 인덴일(indenyl), 치환 또는 비치환된 페닐, 치환 또는 비치환된 나프틸, 테트라하이드로나프틸, 1,2,3,4-테트라하이드로나프틸, 탄소수 9 내지 30의 지방환과 방향환이 축합된 고리, 시클로알킬, 할로알킬, 아릴, 아릴렌, 할로아릴, 헤테로아릴, 헤테로아릴렌, 헤테로시클로알킬렌, 헤테로시클로알킬, 할로헤테로아릴, 알케닐, 할로알케닐, 알키닐, 할로알키닐, 케토, 케토아릴, 할로케토아릴, 케토헤테로아릴, 케토알킬, 할로케토알킬, 케토알케닐, 할로케토알케닐, 포스포알킬, 포스포네이트, 포스페이트, 포스핀, 포스핀 옥시드, 포스포릴, 포스포아릴, 술포닐, 술포알킬, 술포아레닐, 술포네이트, 술페이트, 술폰, 아민, 폴리에테르, 실릴알킬 또는 실릴알킬옥시 중에서 선택된 어느 하나 이상이며, 상기에서 탄소가 포함되는 경우 특정한 경우를 제외하고 탄소수는 1 내지 12 범위내이며,(Wherein R 1 and R 2 are each independently hydrogen, hydroxyl, halogen, pseudohalogen, formyl, carboxyl, alkoxy, long chain alkoxy, alkyl, long chain alkyl, substituted or unsubstituted indenyl indenyl, substituted or unsubstituted phenyl, substituted or unsubstituted naphthyl, tetrahydronaphthyl, 1,2,3,4-tetrahydronaphthyl, a condensed ring of an aliphatic ring having 9 to 30 carbon atoms and an aromatic ring, a cyclo Alkyl, haloalkyl, aryl, arylene, haloaryl, heteroaryl, heteroarylene, heterocycloalkylene, heterocycloalkyl, haloheteroaryl, alkenyl, haloalkenyl, alkynyl, haloalkynyl, Alkyl, alkenyl, aryl, haloalkenyl, alkynyl, alkynyl, aryl, haloketoaryl, ketoheteroaryl, ketoalkyl, halocetoalkyl, ketoalkenyl, halocetoalkenyl, phosphoalkyl, phosphonate, phosphate, phosphine, phosphine oxide, , Sulfonyl, sulfoalkyl, sulfoarenyl, sulfonate, sulfone Wherein the number of carbon atoms is in the range of 1 to 12 except for the specific case where carbon is included,

R3은 수소, 히드록실, 할로겐, 니트로기, 포르밀, 카르복실, 알킬, 알콕시, 시클로알킬, 할로알킬, 아릴, 할로아릴, 헤테로아릴, 헤테로시클로알킬, 할로헤테로아릴, 알케닐, 할로알케닐, 알키닐, 할로알키닐, 케토, 케토아릴, 할로케토아릴, 케토헤테로아릴, 케토알킬, 할로케토알킬, 케토알케닐, 할로케토알케닐, 포스포알킬, 포스포네이트, 포스페이트, 포스핀, 포스핀 옥시드, 포스포릴, 포스포아릴, 술포닐, 술포알킬, 술포아레닐, 술포네이트, 술페이트, 술폰, 아민, 폴리에테르, 실릴알킬 또는 실릴알킬옥시 중에서 선택된 어느 하나 이상이며, 상기에서 탄소가 포함되는 경우 탄소수는 1 내지 12 범위내이며,R 3 is selected from the group consisting of hydrogen, hydroxyl, halogen, nitro, formyl, carboxyl, alkyl, alkoxy, cycloalkyl, haloalkyl, aryl, haloaryl, heteroaryl, heterocycloalkyl, haloheteroaryl, Alkynyl, haloalkynyl, keto, ketoaryl, halocetoaryl, ketoheteroaryl, ketoalkyl, halocetoalkyl, ketoalkenyl, halocetoalkenyl, phosphoalkyl, phosphonate, phosphate, phosphine At least one selected from the group consisting of phosphine oxide, phosphine oxide, phospholyl, phosphoaryl, sulfonyl, sulfoalkyl, sulfoarenyl, sulfonate, sulfate, sulfone, amine, polyether, silylalkyl or silylalkyloxy, The carbon number is within the range of 1 to 12,

n, m은 각각 독립적으로 0 내지 5 의 정수이고, P는 0 내지 4의 정수이다.)n and m are each independently an integer of 0 to 5 and P is an integer of 0 to 4.)

또한 본 발명은 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 홀 수송층; 상기 홀 수송층 상에 페로브스카이트로 형성된 광 활성층; 상기 광 활성층 상에 형성된 전자 수송층; 및 상기 전자 수송층 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 태양 전지로서, 상기 전자 수송층은 상기 구조식 1로 표현되는 나프탈렌-디이미드 화합물을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양 전지를 제공한다. The present invention also relates to a plasma display panel comprising a first electrode; A hole transport layer formed on the first electrode; A photoactive layer formed of perovskite on the hole transporting layer; An electron transport layer formed on the photoactive layer; And a second electrode formed on the electron transport layer, wherein the electron transport layer comprises a naphthalene-diimide compound represented by the structural formula 1 .

또한 상기 광 활성층은 하기 화학식 1(Methylammonium lead trihalide) 또는 화학식 2(Formamidinium lead halide)로 표시되는 페로브스카이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.Further, the photoactive layer may include perovskite represented by the following Formula 1 (Methylammonium lead trihalide) or Formula 2 (Formamidinium lead halide).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

CH3NH3PbX3 CH 3 NH 3 PbX 3

(여기서, X 는 아이오딘(iodine), 브로민(bromine) 또는 클로린(chlorine)을 포함하는 원소 중에서 선택되는 어느 1종의 할로겐 원소이다.) (Wherein X is any one halogen element selected from the group consisting of iodine, bromine and chlorine)

[화학식 2](2)

HC(NH2)2PbX3-xX'x HC (NH 2 ) 2 PbX 3-x X ' x

(여기서, X, X' 는 각각 독립적으로 아이오딘(iodine), 브로민(bromine) 및 클로린(chlorine)을 포함하는 원소 중에서 선택되는 서로 다른 할로겐 원소이다.)Wherein X and X 'are each independently a different halogen element selected from the group consisting of iodine, bromine and chlorine.

또한 본 발명은 상기 페로브스카이트 태양 전지를 포함하는 태양 전지 모듈을 제공한다. The present invention also provides a solar cell module including the perovskite solar cell.

본 발명은 유기 n-type 반도체 중에서, 저비용의 원스텝 반응으로 합성이 용이하고, 0.1 cm2V-1s-1 이상의 높은 전자 이동도를 나타내며, 다양한 유기 용매에의 높은 용해도로 인한 우수한 용액 가공성 및 높은 열적, 시간적 안정성을 나타내며, N-치환 측쇄에 의하여 결정 상태에서의 물리적 특성 및 분자 배열을 조절 가능한 나프탈렌디-이미드(naphthalene diimide, NDI) 화합물 기반의 n-type ETM을 사용함으로써, 고효율 및 시간적, 열적 안정성이 우수한 페로브스카이트 태양 전지를 제공할 수 있다.The present invention relates to an organic n-type semiconductor which is easy to synthesize by a low cost one-step reaction, exhibits a high electron mobility of 0.1 cm 2 V -1 s -1 or more, exhibits excellent solution processability due to high solubility in various organic solvents, By using an n-type ETM based on a naphthalene diimide (NDI) compound which exhibits high thermal and temporal stability and can control the physical properties and molecular arrangement in the crystalline state by N-substituted side chains, It is possible to provide a perovskite solar cell having superior temporal and thermal stability.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 화합물의 Hirshfeld 표면 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 화합물 결정의 공극 형태를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 화합물의 DSC 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 화합물의 I-V 특성 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 화합물의 transient PL (photoluminescent) decay curves 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 단면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 페로브스카이트 태양 전지의 J-V (전류 밀도 - 전압) 곡선을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 페로브스카이트 태양 전지의 외부 양자 효율 (EQE) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 페로브스카이트 태양 전지의 효율 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 화합물의 열처리 전(0min) 및 열처리 후(100min)의 원자 현미경(AFM) 토폴로지(topology) 이미지를 나타낸 것이다.
FIG. 1 shows the Hirshfeld surface analysis results of compounds according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
2 shows the pore shape of the compound crystals according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
Fig. 3 shows the DSC measurement results of the compounds according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 shows the results of IV characteristics measurement of the compounds according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
5 shows the measurement results of transient PL (photoluminescent) decay curves of compounds according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
6 is a sectional SEM image of a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows a JV (current density-voltage) curve of a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention and a comparative example.
FIG. 8 shows the results of measurement of external quantum efficiency (EQE) of a perovskite solar cell according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
FIG. 9 shows the results of measurement of the efficiency of a perovskite solar cell according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
10 is an atomic force microscope (AFM) topology image of a compound according to Examples and Comparative Examples of the present invention before heat treatment (0 min) and after heat treatment (100 min).

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.Before describing the present invention in detail, it is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the scope of the invention, which is defined solely by the appended claims. shall. All technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art unless otherwise stated.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.Throughout this specification and claims, the word "comprise", "comprises", "comprising" means including a stated article, step or group of articles, and steps, , Step, or group of objects, or a group of steps.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.On the contrary, the various embodiments of the present invention can be combined with any other embodiments as long as there is no clear counterpoint. Any feature that is specifically or advantageously indicated as being advantageous may be combined with any other feature or feature that is indicated as being preferred or advantageous. Hereinafter, embodiments of the present invention and effects thereof will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일실시예에 따른 페로브스카이트 태양 전지는 광활성층으로 페로브스카이트 물질을 사용한 평면형 태양전지로서, 전자 수송 층(Electron Transport Layer, ETL)의 전자 수송 물질(electron transporting material, ETM)로 기존에 phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM) 등 풀러렌 기반 물질을 사용하는 것을 대신하여, 나프탈렌-디이미드 화합물 기반의 전자 수송 물질을 사용함으로써 고효율 및 열적 안정성을 갖는 페로브스카이트 태양 전지를 제공한다.A perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention is a planar solar cell using a perovskite material as a photoactive layer, and includes an electron transporting material (ETM) of an electron transport layer (ETL) ), Instead of using a fullerene-based material such as phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM), a naphthalene-diimide compound-based electron transport material is used to produce a perovskite solar cell having high efficiency and thermal stability Thereby providing a battery.

본 발명에 따른 페로브스카이트 태양 전지는 제1 전극, 제1 전극 상에 형성된 홀 수송층, 홀 수송층 상에 형성된 광 활성층, 광 활성층 상에 형성된 전자 수송층 및 전자 수송층 상부에 형성된 제2 전극을 포함하는 태양전지로서, 상기 광 활성층이 페로브스카이트 물질로 형성되며, 상기 전자 수송층이 나프탈렌-디이미드 화합물로 형성되는 것을 특징으로 한다. The perovskite solar cell according to the present invention includes a first electrode, a hole transporting layer formed on the first electrode, a photoactive layer formed on the hole transporting layer, an electron transporting layer formed on the photoactive layer, and a second electrode formed on the electron transporting layer Wherein the photoactive layer is formed of a perovskite material, and the electron transport layer is formed of a naphthalene-diimide compound.

상기 제1 전극은 홀 수송층과 오믹 접합(ohmic contact)되는 전도성 전극일 수 있으며, 광의 투과를 향상시키기 위해 투명 전도성 전극일 수 있다. 상기 제1 전극은 일례로, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO; Aluminium-zinc oxide; ZnO:Al;), 산화인듐주석(ITO;indium-tin oxide), 산화아연(ZnO), 산화알루미늄주석(ATO;Aluminium-tin oxide; SnO2:Al), 불소함유 산화주석(FTO: Fluorine-doped tin oxide) 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는 산화인듐주석을 사용한다. The first electrode may be a conductive electrode that is in ohmic contact with the hole transport layer, and may be a transparent conductive electrode to improve light transmission. For example, the first electrode may include at least one of aluminum-doped zinc oxide (AZO), indium-tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO) (AlO), AlO (AlO), AlO (SnO 2 ) Al, and FTO (Fluorine-doped tin oxide). Preferably, indium tin oxide is used.

또한, 상기 제1 전극(10)은 제1 전극 하부에 위치하는 기판(substrate)을 더 포함할 수 있다. 상기 기판은 제1 전극을 지지하기 위한 지지체의 역할을 수행할 수 있으며, 광이 투과되는 투명 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 통상의 태양전지에서 전면전극 상에 위치할 수 있는 기판이면 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 유리 기판을 포함하는 딱딱한(rigid) 기판 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 트리아세틸셀룰로오스(TAC), 폴리 에테르술폰(PES) 등을 포함하는 유연한(flexible) 기판일 수 있다.In addition, the first electrode 10 may further include a substrate positioned under the first electrode. The substrate can serve as a support for supporting the first electrode, and can be used without limitation as long as it is a transparent substrate through which light is transmitted. The substrate can be any substrate that can be placed on the front electrode in a conventional solar cell It can be used without. For example, the substrate may be a rigid substrate comprising a glass substrate or a rigid substrate comprising polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), polycarbonate (PC) (TAC), polyethersulfone (PES), and the like.

상기 홀 수송층은 상기 제1 전극 상부에 형성되는 층으로서, 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 상기 전도성 고분자는 일례로써, PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)일 수 있다. The hole transport layer is a layer formed on the first electrode, and may include a conductive polymer. The conductive polymer may be, for example, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS).

상기 광 활성층은 상기 홀 수송층 상부에 형성되는 층으로서, 하기 화학식 1(Methylammonium lead trihalide) 또는 화학식 2(Formamidinium lead halide)로 표시되는 페로브스카이트를 포함하는 250 내지 400 nm 두께의 페로브스카이트층이다. 만약, 상기 페로브스카이트층의 두께가 250 nm 미만일 경우에는 빛의 흡수가 충분하지 못하여 전류밀도가 낮아 효율이 감소하는 문제가 있으며, 400 nm를 초과하는 경우에는 p-n 계면까지의 거리가 멀어져 생성된 엑시 톤이 p-n 계면으로 이동하여 효과적으로 분리되지 못하고 이에 따라 효율이 감소하는 문제가 있다. The photoactive layer is a layer formed on the hole transport layer. The photoactive layer is a 250 to 400 nm thick perovskite layer including perovskite represented by Methylammonium lead trihalide or 2 (Formamidinium lead halide) to be. If the thickness of the perovskite layer is less than 250 nm, there is a problem that the absorption of light is insufficient and the current density is low and the efficiency is decreased. When the thickness is more than 400 nm, There is a problem that the exciton moves to the pn interface and can not be effectively separated, thereby decreasing the efficiency.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

CH3NH3PbX3 CH 3 NH 3 PbX 3

(여기서, X 는 아이오딘(iodine), 브로민(bromine) 또는 클로린(chlorine)을 포함하는 원소 중에서 선택되는 어느 1종의 할로겐 원소이다.) (Wherein X is any one halogen element selected from the group consisting of iodine, bromine and chlorine)

[화학식 2](2)

HC(NH2)2PbX3-xX'x HC (NH 2 ) 2 PbX 3-x X ' x

(여기서, X, X' 는 각각 독립적으로 아이오딘(iodine), 브로민(bromine) 및 클로린(chlorine)을 포함하는 원소 중에서 선택되는 서로 다른 할로겐 원소이다.) Wherein X and X 'are each independently a different halogen element selected from the group consisting of iodine, bromine and chlorine.

상기 전자 수송층은 상기 광 활성층 상부에 형성되는 층으로서, 나프탈렌-디이미드 화합물 기반의 전자 수송 물질을 사용한다. 상기 나프탈렌디이미드 화합물의 구조는 하기 구조식 1과 같다. The electron transport layer is a layer formed on the photoactive layer and uses an electron transport material based on a naphthalene-diimide compound. The structure of the naphthalene diimide compound is shown in the following structural formula 1.

[구조식 1][Structural formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

(이 때, R1, R2는 각각 독립적으로 수소, 히드록실, 할로겐, 슈도할로겐, 포르밀, 카르복실, 알콕시, 장쇄 알콕시, 알킬(alkyl), 장쇄알킬, 치환 또는 비치환된 인덴일(indenyl), 치환 또는 비치환된 페닐, 치환 또는 비치환된 나프틸, 테트라하이드로나프틸, 1,2,3,4-테트라하이드로나프틸, 탄소수 9 내지 30의 지방환과 방향환이 축합된 고리, 시클로알킬, 할로알킬, 아릴, 아릴렌, 할로아릴, 헤테로아릴, 헤테로아릴렌, 헤테로시클로알킬렌, 헤테로시클로알킬, 할로헤테로아릴, 알케닐, 할로알케닐, 알키닐, 할로알키닐, 케토, 케토아릴, 할로케토아릴, 케토헤테로아릴, 케토알킬, 할로케토알킬, 케토알케닐, 할로케토알케닐, 포스포알킬, 포스포네이트, 포스페이트, 포스핀, 포스핀 옥시드, 포스포릴, 포스포아릴, 술포닐, 술포알킬, 술포아레닐, 술포네이트, 술페이트, 술폰, 아민, 폴리에테르, 실릴알킬 또는 실릴알킬옥시 중에서 선택된 어느 하나 이상이며, 상기에서 탄소가 포함되는 경우 특정한 경우를 제외하고 탄소수는 1 내지 12 범위내이며,(Wherein R 1 and R 2 are each independently hydrogen, hydroxyl, halogen, pseudohalogen, formyl, carboxyl, alkoxy, long chain alkoxy, alkyl, long chain alkyl, substituted or unsubstituted indenyl indenyl, substituted or unsubstituted phenyl, substituted or unsubstituted naphthyl, tetrahydronaphthyl, 1,2,3,4-tetrahydronaphthyl, a condensed ring of an aliphatic ring having 9 to 30 carbon atoms and an aromatic ring, a cyclo Alkyl, haloalkyl, aryl, arylene, haloaryl, heteroaryl, heteroarylene, heterocycloalkylene, heterocycloalkyl, haloheteroaryl, alkenyl, haloalkenyl, alkynyl, haloalkynyl, Alkyl, alkenyl, aryl, haloalkenyl, alkynyl, alkynyl, aryl, haloketoaryl, ketoheteroaryl, ketoalkyl, halocetoalkyl, ketoalkenyl, halocetoalkenyl, phosphoalkyl, phosphonate, phosphate, phosphine, phosphine oxide, , Sulfonyl, sulfoalkyl, sulfoarenyl, sulfonate, sulfone Wherein the number of carbon atoms is in the range of 1 to 12 except for the specific case where carbon is included,

R3은 수소, 히드록실, 할로겐, 니트로기, 포르밀, 카르복실, 알킬, 알콕시, 시클로알킬, 할로알킬, 아릴, 할로아릴, 헤테로아릴, 헤테로시클로알킬, 할로헤테로아릴, 알케닐, 할로알케닐, 알키닐, 할로알키닐, 케토, 케토아릴, 할로케토아릴, 케토헤테로아릴, 케토알킬, 할로케토알킬, 케토알케닐, 할로케토알케닐, 포스포알킬, 포스포네이트, 포스페이트, 포스핀, 포스핀 옥시드, 포스포릴, 포스포아릴, 술포닐, 술포알킬, 술포아레닐, 술포네이트, 술페이트, 술폰, 아민, 폴리에테르, 실릴알킬 또는 실릴알킬옥시 중에서 선택된 어느 하나 이상이며, 상기에서 탄소가 포함되는 경우 탄소수는 1 내지 12 범위내이며,R 3 is selected from the group consisting of hydrogen, hydroxyl, halogen, nitro, formyl, carboxyl, alkyl, alkoxy, cycloalkyl, haloalkyl, aryl, haloaryl, heteroaryl, heterocycloalkyl, haloheteroaryl, Alkynyl, haloalkynyl, keto, ketoaryl, halocetoaryl, ketoheteroaryl, ketoalkyl, halocetoalkyl, ketoalkenyl, halocetoalkenyl, phosphoalkyl, phosphonate, phosphate, phosphine At least one selected from the group consisting of phosphine oxide, phosphine oxide, phospholyl, phosphoaryl, sulfonyl, sulfoalkyl, sulfoarenyl, sulfonate, sulfate, sulfone, amine, polyether, silylalkyl or silylalkyloxy, The carbon number is within the range of 1 to 12,

n, m은 각각 독립적으로 0 내지 5 의 정수이고, P는 0 내지 4의 정수이다.)n and m are each independently an integer of 0 to 5 and P is an integer of 0 to 4.)

바람직하게는 상기 나프탈렌-디이미드 화합물은 R1, R2가 각각 독립적으로 알킬(alkyl)(NDI-C6), 장쇄알킬, 치환 또는 비치환된 인덴일(indenyl)(NDI-ID), 치환 또는 비치환된 페닐(NDI-PM), 치환 또는 비치환된 나프틸, 테트라하이드로나프틸(NDI-TN), 1,2,3,4-테트라하이드로나프틸, 탄소수 9 내지 30의 지방환과 방향환이 축합된 고리 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 좋다. Preferably, the naphthalene-diimide compound is such that R 1 and R 2 are each independently selected from the group consisting of alkyl (NDI-C6), long chain alkyl, substituted or unsubstituted indenyl (NDI-ID) (NDI-PM), substituted or unsubstituted naphthyl, tetrahydronaphthyl (NDI-TN), 1,2,3,4-tetrahydronaphthyl, an aliphatic ring having 9 to 30 carbon atoms and an aromatic ring And condensed rings.

더욱 바람직하게는 상기 나프탈렌-디이미드 화합물은 R1, R2가 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 인덴일(indenyl), 치환 또는 비치환된 페닐, 탄소수 9 내지 30의 지방환과 방향환이 축합된 고리 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 좋다.More preferably, the naphthalene-diimide compound is a compound in which R 1 and R 2 each independently represents a substituted or unsubstituted indenyl, a substituted or unsubstituted phenyl, an aliphatic ring having 9 to 30 carbon atoms and a ring condensed with an aromatic ring And the like.

바람직한 전자 수송층의 두께는 1 nm 내지 3 m 의 범위 인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. The thickness of the preferable electron transporting layer may be in the range of 1 nm to 3 m, but may not be limited thereto.

본 발명에 따른 나프탈렌-디이미드 화합물 기반의 전자 수송 물질을 사용한 페로브스카이트 평면 태양 전지는 1 Sun(100mW/cm2)의 조명 하에서 18.0 내지 20.1%의 전력 변환효율을 나타낸다. 이는 풀러렌 기반 물질(PCBM)을 ETM으로 사용한 경우에 제공되는 전력 변환 효율과 비슷한 수준이다.The perovskite plane solar cell using the naphthalene-diimide compound-based electron transport material according to the present invention exhibits a power conversion efficiency of 18.0 to 20.1% under 1 Sun (100 mW / cm 2 ) illumination. This is similar to the power conversion efficiency provided by using a fullerene-based material (PCBM) as an ETM.

나프탈렌-디이미드 화합물 기반의 전자 수송 물질을 사용한 페로브스카이트 태양전지의 향상된 열적 안정성은 PCBM 결정보다 나프탈렌-디이미드 화합물의 분자 결정에서 더 강한 수소 결합(hydrogen-bond)을 갖는 것에 기인한다.The improved thermal stability of perovskite solar cells using naphthalene-diimide compound-based electron transport materials is due to the stronger hydrogen bonds in the molecular crystals of naphthalene-diimide compounds than PCBM crystals.

나프탈렌-디이미드 화합물 기반의 전자 수송 물질을 이용한 페로브스카이트 태양 전지의 높은 시간적 안정성 및 열적 안정성은 후술할 실험예에서 나타나는 것과 같이 고체 상태에서의 분자 패킹 특징을 갖는 분자간 2 차 결합의 강도와 관련된 것으로 볼 수 있다. The high temporal stability and thermal stability of a perovskite solar cell using an naphthalene-diimide compound-based electron transport material can be evaluated by comparing the intensity of molecular secondary bonds having molecular packing characteristics in a solid state .

더욱 구체적으로 페로브스카이트 태양 전지의 시간적 안정성은 결정층에 구성된 분자의 이동 경향(migration tendency)에 영향을 받는 것으로 볼 수 있다. Hirshfeld 표면 분석에 의해 전자 수송 물질 결정의 분석 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 것과 같이 가장 강한 수소 결합 거리는 NDI-PM의 경우(a) 2.31A이고, NDI-ID의 경우(b) 2.6A이며, PCBM의 경우(c) 2.76A 이므로, 나프탈렌-디이미드 화합물 결정이 풀러렌 기반 물질의 결정보다 훨씬 강한 분자간 수소 결합을 나타내는 것을 알 수 있다. More specifically, the temporal stability of the perovskite solar cell can be seen to be influenced by the migration tendency of the molecules constituting the crystal layer. The results of the analysis of electron transport material crystals by Hirshfeld surface analysis are shown in FIG. 1, the strongest hydrogen bonding distance is 2.31 A for NDI-PM, 2.6 A for NDI-ID, and 2.76 A for PCBM, so that the naphthalene-diimide compound It can be seen that the crystals exhibit much stronger intermolecular hydrogen bonds than crystals of fullerene-based materials.

또한 도 1에 나타나는 것과 같이 NDI 화합물 결정에서 O-H 원자 접촉 (즉, O-H 원자 사이의 수소 결합)의 상대적 기여도가 10 내지 20%(NDI-PM 결정의 경우 10.4 및 10.5 %이고, NDI-ID 결정의 경우 17.7%)로서, PCBM 결정 (2.6 %)보다 현저히 높다. 따라서, 보다 강한 2 차 결합을 갖는 결정 상태의 NDI 결정 분자의 이동은 PCBM 결정에 비해 더 억제될 수 있기 때문에 높은 시간적 안정성 및 열적 안정성을 갖는 것을 설명할 수 있다. 1, the relative contribution of OH atomic contacts (i.e., hydrogen bonds between OH atoms) in the NDI compound crystals is 10 to 20% (10.4 and 10.5% in the case of NDI-PM crystals, (17.7%), which is significantly higher than PCBM (2.6%). Therefore, it can be explained that the migration of the NDI crystal molecules in the crystalline state having stronger secondary bonds can be suppressed more than the PCBM crystals, so that they have high temporal stability and thermal stability.

또한 나프탈렌-디이미드 화합물 결정의 공극 형태는 PCBM에 비해 분자의 이동을 억제하는데 더 적합하다. 결정 내의 공극 특성은 캠브리지 구조 데이터베이스 (Cambridge Structural Database, CSD)의 MERCURY 프로그램을 통해 분석될 수 있으며, 나프탈렌-디이미드 화합물과 PCBM 결정이 비슷한 함량 (각각 27 %와 25 %)을 나타내지만, 공극 형태가 현저하게 다르다. Also, the pore form of the naphthalene-diimide compound crystals is more suitable for inhibiting the migration of molecules than PCBM. The void properties in the crystals can be analyzed by the Cambridge Structural Database (CSD) MERCURY program, which shows similar contents of naphthalene-diimide compounds and PCBM crystals (27% and 25%, respectively) Is significantly different.

도 2에 나타나는 것과 같이, 나프탈렌-디이미드 화합물(NDI-PM) 결정은 2 차원 공극 구조를 형성하며 공극은 π-π 적층 방향을 따라 평면 NDI 코어에 작용하지 않는다(도 2의 점선 원 참조). 반면에, PCBM 결정은 3 차원 공극 구조를 형성하고, 공극은 PCBM 분자의 모든 방향으로 작용한다. 모든 방향으로 존재하는 공극은 NDI-PM 결정에 비해 더 높은 이동 경향을 수반할 수 있다. 2, the naphthalene-diimide compound (NDI-PM) crystals form a two-dimensional pore structure, and the pores do not act on the planar NDI core along the pi-pi lamination direction (see the dotted circle in Fig. 2) . On the other hand, PCBM crystals form a three-dimensional pore structure, and pores act in all directions of the PCBM molecule. Pores present in all directions can carry higher migration tendencies than NDI-PM crystals.

또한, 후술할 DSC 측정 결과에서 나타나는 것과 같이 나프탈렌-디이미드 화합물 결정은 용융 온도 Tm 이전에 상전이가 없는 것 또한 결정 상태의 NDI-PM 분자의 이동을 억제할 수 있다.Also, as shown in the DSC measurement results described later, the naphthalene-diimide compound crystal can inhibit phase transition prior to the melting temperature Tm and also prevent migration of the NDI-PM molecules in the crystalline state.

상기 제2 전극은 상기 전자 수송층 상부에 형성되는 층으로서, 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 아연(Zn), 및 크롬(Cr) 등의 금속을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 제2 전극은 알루미늄 전극일 수 있으며, 상기 전극의 두께는 50 내지 200 nm일 수 있다.The second electrode is a layer formed on the electron transport layer. The second electrode is formed of a metal such as Al, Ca, Ag, Au, Pt, Cu, Zn, And chromium (Cr). Preferably, the second electrode may be an aluminum electrode, and the thickness of the electrode may be 50 to 200 nm.

또한, 본 발명은 제1 전극 상부에 홀 수송층을 형성하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 형성된 홀 수송층 상부에 상기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트층인 광 활성층을 형성하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 형성된 광 활성층 상부에 상기 나프탈렌-디이미드 화합물로 이루어진 전자 수송층을 형성하는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에서 형성된 전자 수송층 상부에 제2 전극을 형성하는 단계(단계 4);를 포함하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing a light emitting device, comprising: forming a hole transport layer on a first electrode (step 1); Forming a photoactive layer, which is a perovskite layer containing perovskite represented by Formula 1 or Formula 2, on the hole transport layer formed in Step 1 (Step 2); Forming an electron transport layer of the naphthalene-diimide compound on the photoactive layer formed in step 2 (step 3); And forming a second electrode on the electron transport layer formed in step 3 (step 4).

상기 단계 1 내지 단계 3은 스핀 코팅 방법에 의해 이루어질 수 있으며, 상기 단계 4는 열 증착에 의해 이루어질 수 있다. Step 1 to Step 3 may be performed by a spin coating method, and Step 4 may be performed by thermal evaporation.

또한, 본 발명은 상기의 페로브스카이트 태양전지를 포함하는 태양전지 모듈을 제공한다. 본 발명은 상술한 태양전지 또는 상술한 제조방법으로 제조된 태양전지를 단위 셀로, 둘 이상의 셀이 배열되고 서로 전기적으로 연결된, 태양전지 모듈을 제공한다. 태양전지 모듈은 태양전지 분야에서 통상적으로 사용하는 셀의 배열 및 구조를 가질 수 있으며, 태양광을 집광하는 통상의 집광수단, 태양광의 경로를 가이드 하는 통상의 광블록을 더 포함할 수 있다.The present invention also provides a solar cell module including the perovskite solar cell. The present invention provides a solar cell module in which the above-described solar cell or a solar cell manufactured by the above-described manufacturing method is arranged as a unit cell and two or more cells are arranged and electrically connected to each other. The solar cell module may have an arrangement and structure of cells commonly used in the field of solar cells, and may further include a usual light collecting means for collecting solar light, and a usual optical block for guiding sunlight path.

실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples

페로브스카이트 태양 전지를 제조하기 위해, 먼저 인(In) 도핑된 SnO2 (ITO, 10Ω, AMG) 유리 기판을 2~5 % Hellmanex 비누, 에탄올, 아세톤을 사용하여 순차적으로 초음파 세척한 후 Ar 플라즈마로 처리하여 유기물을 제거한 ITO 유리 기판을 얻었다.To fabricate a perovskite solar cell, first, an In-doped SnO 2 (ITO, 10 Ω, AMG) glass substrate was sequentially ultrasonically washed with 2-5% Hellmanex soap, ethanol and acetone, Plasma treatment was performed to obtain an ITO glass substrate from which organic substances were removed.

필터링된 PEDOT:PSS(AI4083, Clevios)/메탄올(1:1~2 부피비)을 세정된 ITO 유리 기판 상에 2000~3000rpm으로 30~60초 동안 스핀코팅하고, 150℃에서 20min 동안 건조하여 PEDOT : PSS / ITO 기판을 얻었다.The filtered PEDOT: PSS (AI4083, Clevios) / methanol (1: 1 to 2 volume ratio) was spin coated on the cleaned ITO glass substrate at 2000 to 3000 rpm for 30 to 60 seconds and dried at 150 ° C. for 20 minutes to obtain PEDOT: PSS / ITO substrate was obtained.

MAPbI3 페로브스카이트 필름의 경우, methylammonium iodide 분말 (MAI, DS LOGICS CO., LTD.)과 lead (II) iodide (PbI2, Aldrich) (1 : 1 몰비)을 N,N-dimethylformamide (DMF, Aldrich)에서 60℃에서 30min 동안 혼합하여 40wt % MAPbI3 페로브스카이트 용액을 제조하였다. 실온에서 1mL의 MAPbI3 페로브스카이트 용액에 100㎕의 hydriodic acid (HI, Aldrich)를 첨가하였다. 40wt % MAPbI3 페로브 스카이트 용액을 PEDOT : PSS / ITO 기판 상에 3000rpm으로 120 초 동안 스핀 - 코팅 한 다음 100 ℃에서 2 분 동안 핫 플레이트상에서 건조시켜 MAPbI3 perovskite film / PEDOT : PSS / ITO 기판을 얻었다. For the MAPBI 3 perovskite film, methylammonium iodide powder (MAI, DS LOGICS CO., LTD.) And lead (II) iodide (PbI 2 , Aldrich) (1: 1 molar ratio) were dissolved in N, N-dimethylformamide , Aldrich) at 60 캜 for 30 min to prepare a 40 wt% MAPbI 3 perovskite solution. 100 μl of hydriodic acid (HI, Aldrich) was added to 1 mL of MAPBI 3 perovskite solution at room temperature. A 40 wt% MAPBI 3 perovskite solution was spin-coated on a PEDOT: PSS / ITO substrate at 3000 rpm for 120 seconds and then dried on a hot plate at 100 ° C for 2 minutes to obtain a MAPbI 3 perovskite film / PEDOT: PSS / ITO substrate ≪ / RTI >

FAPbI3-xBrx 페로브스카이트 필름의 경우, 50g의 PbI2를 150mL dimetylsulfoxide (DMSO, Aldrich)에 60℃에서 30min 동안 용해시켜 PbI2(DMSO) 복합체를 제조한 후, 350 mL 의 toluene을 천천히 PbI2 용액에 적하하였다. 백색 침전물을 여과하고 진공 오븐에서 60 ℃에서 5 시간 동안 어닐링시켰다. 1M의 PbI2(DMSO) 복합체를 DMF에 60 ℃에서 5 분 동안 용해시켰다. PbI2(DMSO) 복합체 용액을 PEDOT : PSS / ITO 기판 상에 3000rpm에서 30 초 동안 스핀 코팅하여 코팅한 후, iso-propanol (IPA, Aldrich) 에서 0.5M FAI와 MABr (0.85 : 0.15 몰비)를 5000rpm, 30 초 동안 혼합한 용액으로 스핀 코팅되었다. 스핀 코팅 중에 투명에서 암갈색으로 조정된 필름을 150℃에서 20 분 동안 핫 플레이트상에서 건조시켜 FAPbI3-xBrx perovskite film / PEDOT : PSS / ITO 기판을 얻었다. For the FAPbI 3-x Br x perovskite film, PbI 2 (DMSO) complex was prepared by dissolving 50 g of PbI 2 in 150 mL of dimethyl sulfoxide (DMSO, Aldrich) at 60 ° C. for 30 min. And slowly added dropwise to the PbI 2 solution. The white precipitate was filtered and annealed in a vacuum oven at 60 [deg.] C for 5 hours. 1 M PbI 2 (DMSO) complex was dissolved in DMF at 60 ° C for 5 minutes. The PbI 2 (DMSO) complex solution was coated on the PEDOT: PSS / ITO substrate by spin coating at 3000 rpm for 30 seconds, and then 0.5 M FAI and MABr (0.85: 0.15 molar ratio) were sprayed on the iso-propanol (IPA, Aldrich) , And spin-coated with a solution mixed for 30 seconds. The film adjusted from transparent to dark brown during spin coating was dried on a hot plate at 150 캜 for 20 minutes to obtain a FAPbI 3-x Br x perovskite film / PEDOT: PSS / ITO substrate.

페로브스카이트 막을 제조한 perovskite film/PEDOT:PSS/ITO 기판 상에 a phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM, nano-C)/1,2-dichlorobenzen (1,2-DCB) 용액(20 mg/1 mL), NDI-PM/1,2-DCB 용액 (15 mg/ 1 mL), NDI-ID/1,2-DCB 용액 (15 mg/ 1 mL), NDI-C6/1,2-DCB 용액 (15 mg/ 1 mL), NDI-TN/1,2-DCB 용액 (15 mg/ 1 mL) 각각을 3000rpm으로 60s 동안 스핀코팅에 의해 코팅하여 전자 수송 층(ETL)이 형성된 ETL/perovskite film/PEDOT:PSS/ITO 기판을 얻었다.A solution of a phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM, nano-C) / 1,2-dichlorobenzene (1,2-DCB) on the perovskite film / PEDOT: PSS / ID / 1,2-DCB solution (15 mg / 1 mL), NDI-C6 / 1,2-DCB solution (15 mg / DCB solution (15 mg / 1 mL) and NDI-TN / 1,2-DCB solution (15 mg / 1 mL) were coated by spin coating at 3000 rpm for 60 seconds to form an ETL / perovskite film / PEDOT: PSS / ITO substrate.

상기 얻어진 ETL/perovskite film/PEDOT:PSS/ITO 기판 상에 최종적으로 60nm 두께의 Al 반사 전극을 열 증착에 의해 증착하여 Al/ ETL/perovskite film/PEDOT:PSS/ITO 기판으로 구성된 태양 전지를 얻었다. 활성 영역은 0.16 cm2으로 제조되었다.A 60 nm thick Al reflective electrode was finally deposited on the obtained ETL / perovskite film / PEDOT: PSS / ITO substrate by thermal deposition to obtain a solar cell composed of Al / ETL / perovskite film / PEDOT: PSS / ITO substrate. The active area was fabricated at 0.16 cm < 2 & gt ;.

하기 표 1에 제조된 태양전지의 구성을 나타내었다. The structure of the solar cell manufactured in Table 1 is shown below.

TCO, substrateTCO, substrate Hole transport layerHole transport layer Photoactive layerPhotoactive layer Electron transport layerElectron transport layer Metal electrodeMetal electrode 실시예 1Example 1 ITO GlassITO Glass PEDOT:PSSPEDOT: PSS MAPbI3 MAPBI 3 NDI-PMNDI-PM AlAl 실시예 2Example 2 ITO GlassITO Glass PEDOT:PSSPEDOT: PSS FAPbI3-xBrx FAPbI 3-x Br x NDI-IDNDI-ID AlAl 실시예 3Example 3 ITO GlassITO Glass PEDOT:PSSPEDOT: PSS MAPbI3 MAPBI 3 NDI-C6NDI-C6 AlAl 실시예 4Example 4 ITO GlassITO Glass PEDOT:PSSPEDOT: PSS MAPbI3 MAPBI 3 NDI-TNNDI-TN AlAl 비교예 1Comparative Example 1 ITO GlassITO Glass PEDOT:PSSPEDOT: PSS MAPbI3 MAPBI 3 PCBMPCBM AlAl 비교예 2Comparative Example 2 ITO GlassITO Glass PEDOT:PSSPEDOT: PSS FAPbI3-xBrx FAPbI 3-x Br x PCBMPCBM AlAl

실험예Experimental Example

(1) Differential Scanning Calorimetry (DSC) 측정 (1) Differential Scanning Calorimetry (DSC) measurement

도 3에 NDI-PM 및 PCBM의 DSC 측정 결과를 각각 나타내었다. 도 3에 나타나는 것과 같이 NDI-PM은 용융 온도(269℃) 이전에 상전이가 나타나지 않은 반면, PCBM은 용융 온도(279℃) 이하인 240℃에서 상전이(일반적으로 마이그레이션에 의한 재결정화)가 시작되었다.FIG. 3 shows DSC measurement results of NDI-PM and PCBM. As shown in Fig. 3, the phase transition of NDI-PM did not appear before the melting temperature (269 ° C), whereas PCBM started to phase transition (recrystallization by migration in general) at 240 ° C below the melting temperature (279 ° C).

(2) I-V 특성 및 직류 전도도(σ0) 측정(2) Measurement of IV characteristic and direct current conductivity (σ 0 )

PCBM, NDI-PM, MAPbI3, 및 FAPbI3-xBrx의 직류 전도도(σ0)를 비교하기 위하여 I-V 특성을 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. IV characteristics were measured to compare the direct current conductivity (σ 0 ) of PCBM, NDI-PM, MAPbI 3 , and FAPbI 3-x Br x . The results are shown in FIG.

또한 하기 식 1로부터 얻어지는 전도도(σ0)는 각각 0.0164mScm-1, 0.0150mScm-1, 0.0148mScm-1, 및 0.0161mScm-1이었다. 샘플 면적은 0.16cm2 이고, 두께는 각각 200nm, 200nm, 300nm, 및 300nm 이었다. Conductivity (σ 0) also obtained from the formula 1 were respectively 0.0164mScm -1, 0.0150mScm -1, 0.0148mScm -1 , and 0.0161mScm -1. The sample area was 0.16 cm 2 , and the thicknesses were 200 nm, 200 nm, 300 nm, and 300 nm, respectively.

[식 1] I=σ0Ad-1V (A 및 d는 샘플 면적 및 두께)I = σ 0 Ad -1 V (A and d are the sample area and thickness)

상기 결과로부터 NDI-PM 은 PCBM과 유사한 전도성을 갖는 것을 알 수 있다.From the above results, it can be seen that NDI-PM has conductivity similar to PCBM.

(3) 전자 수송 특성(3) Electron transportation characteristics

SiO2 (300nm 두께) / Si 기판을 초음파 처리 하에 15 분 동안 아세톤 및 이소 프로필 알콜로 헹구었다. 이어서, 질소 (N2) 건조시키고, 기판을 365 nm 자외선에 10 분 동안 노출시켰다. NDI-PM 및 NDI-ID 단결정은 용매 증기 어닐링(Solvent Vapor Annealing, SVA) 공정에 의해 제조되었다. NDI 화합물 및 폴리 (메틸 메타 크릴 레이트) (PMMA, 평균 분자량 ~ 15,000)를 디클로로 메탄 (2.0 중량 %의 PMMA / 0.08 중량 %의 NDI 화합물)에 용해시켰다. 혼합 용액을 2 시간 동안 교반한 후, 세정된 기판상에서 2500 rpm에서 1 분 동안 스핀 코팅 하였다. 스핀 코팅 후, 20 mL의 바이알에 10.0 mL의 디클로로메탄을 주입한 다음 바이알을 제조된 NDI 화합물 / PMMA 필름으로 5 시간 덮어 NDI 화합물 단결정이 PMMA 매트릭스 상에 성장되도록 하였다. SVA 공정 후 필름을 65 ℃에서 15 분 동안 어닐링하여 잔류 용매를 완전히 제거 하였다. BG / TC FET의 제작을 완료하기 위해 50nm 두께의 금(gold) S / D 전극을 2.0 × 10-6 Torr의 진공 상태에서 진공 챔버 내의 쉐도우 마스크를 통해 0.1-0.2 Ås-1의 증착률로 열증착하였다. 섀도우 마스크에 의해 정의된 2 개의 채널 길이 및 폭은 각각 30, 50㎛ 및 1mm이다. 전계 효과 이동도(μ)는 하기 식 2를 사용하여 포화 영역에서 평가되었다.The SiO 2 (300 nm thick) / Si substrate was rinsed with acetone and isopropyl alcohol for 15 minutes under ultrasonication. Subsequently, nitrogen (N 2 ) was dried, and the substrate was exposed to 365 nm ultraviolet rays for 10 minutes. NDI-PM and NDI-ID single crystals were fabricated by Solvent Vapor Annealing (SVA) process. The NDI compound and poly (methyl methacrylate) (PMMA, average molecular weight ~ 15,000) were dissolved in dichloromethane (2.0 wt% PMMA / 0.08 wt% NDI compound). The mixed solution was stirred for 2 hours and then spin-coated on a cleaned substrate at 2500 rpm for 1 minute. After spin coating, 10.0 mL of dichloromethane was injected into a 20 mL vial, and the vial was covered with the prepared NDI compound / PMMA film for 5 hours to allow the NDI compound single crystal to grow on the PMMA matrix. After the SVA process, the film was annealed at 65 DEG C for 15 minutes to completely remove the residual solvent. In order to complete the fabrication of the BG / TC FET, a 50 nm thick gold S / D electrode was heated in a vacuum of 2.0 × 10 -6 Torr through a shadow mask in a vacuum chamber at a deposition rate of 0.1-0.2 Ås -1 Respectively. The two channel lengths and widths defined by the shadow mask are 30, 50, and 1 mm, respectively. The field effect mobility (μ) was evaluated in the saturation region using Equation 2 below.

[식 2][Formula 2]

Figure pat00003
Figure pat00003

식 1에서 W와 L은 각각 채널 너비와 길이, Ci 는 단위 면적당 게이트 유전체 커패시턴스 (10nF cm2)이며, VG, VT 및 ID는 게이트 전압, 임계 전압 및 드레인이다 전류이다.In Equation 1, W and L are the channel width and length, respectively, C i is the gate dielectric capacitance (10 nF cm 2 ) per unit area, and VG, VT and ID are the gate voltage, threshold voltage and drain.

SCLC 이동성 추정을 위한 전자 장치는 ITO / ZnO / NDI-PM(ID) / LiF / Al의 구성으로 제작되었다. 이동도(mobility)는 하기 식 3으로 나타나는 SCLC 모델을 사용하여 결정됩니다.Electronic devices for SCLC mobility estimation were fabricated with ITO / ZnO / NDI-PM (ID) / LiF / Al. The mobility is determined using the SCLC model shown in Equation 3 below.

[식 3][Formula 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서 ε0는 자유 공간의 유전율 (8.85*10-12 Fm-1), εr는 NDI 화합물의 유전 상수 (3 이라고 가정), μ는 전자 이동도, V는 전압, L은 막 두께 (250 nm)이다. 전계 효과 트랜지스터들(FETs)의 모든 전류 - 전압 (I-V) 특성은 N2 충진 챔버의 프로브 스테이션에 연결된 Keithley 4200 반도체 특성화 시스템으로 측정되었다.Where ε 0 is the dielectric constant of free space (8.85 × 10 -12 Fm -1 ), ε r is the dielectric constant of the NDI compound (assuming 3), μ is the electron mobility, V is the voltage and L is the film thickness )to be. All current-voltage (IV) characteristics of field effect transistors (FETs) were measured with a Keithley 4200 semiconductor characterization system connected to the probe station of an N 2 fill chamber.

측정된 NDI 화합물의 단결정을 기반으로 하는 OFETs의 전자 이동도(μ)는 NDI-PM 의 경우 0.1 cm2V-1S-1 (최대값)이며, NDI-ID 의 경우 0.2 cm2V-1S-1 (최대값)으로서 높은 전자 이동도를 갖는 것을 확인하였다.The electron mobility (μ) of OFETs based on single crystals of the measured NDI compound is 0.1 cm 2 V -1 S -1 (maximum value) for NDI-PM and 0.2 cm 2 V -1 for NDI- S -1 (maximum value), and it was confirmed that it has high electron mobility.

(4) Photoluminescent(PL) 측정(4) Photoluminescent (PL) measurement

PL 수명은 ChronosBH-ISS 기술 측정 장비에 의해 측정되었다. PL life was measured by ChronosBH-ISS technical measurement equipment.

MAPbI3, MAPbI3/PCBM, 및 MAPbI3/NDI-PM 과 FAPbI3-xBrx, FAPbI3-xBrx/PCBM, 및 FAPbI3-xBrx/NDI-PM 의 PL을 측정하였으며, 도 5에 transient PL (photoluminescent) decay curves 측정 결과를 나타내었다. PL of MAPBI 3 , MAPBI 3 / PCBM, and MAPBI 3 / NDI-PM and FAPbI 3-x Br x , FAPbI 3-x Br x / PCBM and FAPbI 3-x Br x / NDI- 5 shows the measurement results of transient photoluminescent (PL) decay curves.

일시적인 PL 붕괴 곡선 결과를 2차지수 함수로 피팅하여 얻어진 PL 수명의 평균값(τavg)은 각각 9.03ns, 2.42ns 및 4.18ns이고, 9.65ns, 2.96ns 및 3.64ns이다. The mean values of the PL lifetimes (τ avg ) obtained by fitting the temporary PL decay curve results to the 2-charge function are 9.03 ns, 2.42 ns and 4.18 ns, respectively, and 9.65 ns, 2.96 ns and 3.64 ns, respectively.

모든 샘플의 PL 수명을 하기 표 2에 나타내었다.  The PL lifetime of all samples is shown in Table 2 below.

A1(%)A 1 (%) τ1(ns)τ 1 (ns) A1(%)A 1 (%) τ1(ns)τ 1 (ns) τavg(ns)τ avg (ns) MAPbI3 MAPBI 3 65.7965.79 4.454.45 34.2134.21 13.6013.60 9.039.03 MAPbI3/NDI-PMMAPBI 3 / NDI-PM 60.4960.49 2.512.51 39.5139.51 5.845.84 4.184.18 FAPbI3 FAPbI 3 50.7250.72 4.414.41 49.2849.28 14.8814.88 9.659.65 MAPbI3/PCBMMAPBI 3 / PCBM 58.9258.92 1.081.08 41.0841.08 3.763.76 2.422.42 FAPbI3/NDI-PMFAPbI 3 / NDI-PM 60.8760.87 2.062.06 39.1339.13 5.225.22 3.643.64 FAPbI3/PCBMFAPbI 3 / PCBM 55.8755.87 1.601.60 44.1344.13 4.334.33 2.962.96

(5) Scanning Electron Microscopy (SEM) 측정(5) Scanning Electron Microscopy (SEM) measurement

도 6에 glass/ITO/PEDOT:PSS/perovskite(MAPbI3)/NDI-PM/Al로 구성되는 페로브스카이트 태양전지의 단면 SEM 이미지를 나타내었다. Glass를 제외한 각 층의 두께는 각각 ~150nm, ~50nm, ~300nm, ~40nm, 및 ~40nm 이었다.FIG. 6 shows a cross-sectional SEM image of a perovskite solar cell composed of glass / ITO / PEDOT: PSS / perovskite (MAPbI 3 ) / NDI-PM / Al. The thickness of each layer except Glass was ~ 150 nm, ~ 50 nm, ~ 300 nm, ~ 40 nm, and ~ 40 nm, respectively.

(6) J-V (전류밀도-전압) 곡선 및 광전지 특성(전력변환효율) 측정(6) Measurement of J-V (current density-voltage) curves and photovoltaic characteristics (power conversion efficiency)

전류밀도전압 곡선은 1 Sun (100mW / cm2 AM 1.5G)의 조명 하에 potentiostat(IVIUM, IviumStat)을 갖춘 solar simulato (Peccell, PEC-L01)로 측정되었다. 모든 태양 전지의 J-V 곡선은 활성 영역을 0.096 cm2의 금속 마스크로 마스킹함으로써 측정되었다. J-V 곡선의 이력 현상(hysteresis)을 측정하기 위해 forward(Initial) 방향 및 reverse(Final) 방향 10mV 간격으로 50mV/s 의 스캔 속도를 표준 조건으로 설정하였다. The current density voltage curve was measured with a solar simulato (Peccell, PEC-L01) with potentiostat (IVIUM, IviumStat) under illumination of 1 Sun (100 mW / cm 2 AM 1.5G). The JV curve of all solar cells was measured by masking the active area with a 0.096 cm 2 metal mask. In order to measure the hysteresis of the JV curve, a scan rate of 50 mV / s was set as a standard condition at 10 mV intervals in a forward (initial) direction and a reverse (final) direction.

도 7에 각각 NDI-PM/MAPbI3(a), PCBM/ MAPbI3(b), NDI-PM/ FAPbI3-xBrx(c), PCBM/ FAPbI3-xBrx (d), NDI-C6/ MAPbI3(e), NDI-TN /MAPbI3(f) 및 NDI-ID/FAPbI3-xBrx(g), NDI-ID/FAPbI3-xBrx(h) 의 역상 구조 MAPbI3 또는 FAPbI3-xBrx 평면형 페로브스카이트 태양 전지의 J-V (전류 밀도 - 전압) 곡선을 나타내었다. 또한 페로브스카이트 태양 전지의 광전지 특성을 하기 표 3에 나타내었다.Respectively in Fig. 7 NDI-PM / MAPbI 3 ( a), PCBM / MAPbI 3 (b), NDI-PM / FAPbI 3-x Br x (c), PCBM / FAPbI 3-x Br x (d), NDI- C6 / MAPbI 3 (e), NDI-TN / MAPbI 3 (f) and reverse-phase structure of the NDI-ID / FAPbI 3-x Br x (g), NDI-ID / FAPbI 3-x Br x (h) MAPbI 3 Or FAPbI 3-x Br x planar perovskite solar cell. The photovoltaic characteristics of the perovskite solar cell are shown in Table 3 below.

ETMETM PerovskitePerovskite Scan
direction
Scan
direction
Voc (V)V oc (V) Jsc (mA/cm2)J sc (mA / cm 2 ) FF (%)FF (%) η (%)侶 (%) Avg. η (%) for
40 samples
Avg. η (%) for
40 samples
NDI-PMNDI-PM MAPbI3 MAPBI 3 ForwardForward 1.101.10 21.221.2 77.277.2 18.018.0 16.23±1.2416.23 + - 1.24 ReverseReverse 1.101.10 21.221.2 79.179.1 18.418.4 NDI-IDNDI-ID FAPbI3-xBrx FAPbI 3-x Br x ForwardForward 1.101.10 22.922.9 79.779.7 20.120.1 17.92±1.1517.92 + 1.15 ReverseReverse 1.061.06 22.222.2 76.676.6 18.018.0 PCBMPCBM MAPbI3 MAPBI 3 ForwardForward 1.111.11 21.421.4 78.878.8 18.718.7 16.81±1.1416.81 + - 1.14 ReverseReverse 1.111.11 21.421.4 79.679.6 18.918.9 PCBMPCBM FAPbI3 - xBrx FAPbI 3 - x Br x ForwardForward 1.081.08 23.023.0 78.678.6 19.519.5 17.67±1.1017.67 ± 1.10 ReverseReverse 1.091.09 23.023.0 79.879.8 20.020.0

NDI-PM/MAPbI3 기반 장치는 Forward 스캔 조건에서 1.10V 개방 회로 전압 (Voc), 21.2mA cm-2 단락 전류 밀도 (Jsc), 77.2 % 충진 계수 (FF) 및 18.0 % 전력 변환 효율 (η)을 갖고, reverse 스캔 조건에서 1.10 V Voc, 21.2 mA cm-2 Jsc, 79.1 % FF, 및 18.4 % η을 나타내었다. The NDI-PM / MAPbI 3 based device has a 1.10V open circuit voltage (Voc), 21.2mA cm -2 shortcurrent density (Jsc), 77.2% fill factor (FF) and 18.0% power conversion efficiency And showed 1.10 V Voc, 21.2 mA cm -2 Jsc, 79.1% FF, and 18.4%? In the reverse scan condition.

NDI-ID/FAPbI3-xBrx 기반 장치는 Forward 스캔 조건에서 1.10V Voc, 22.9mA cm-2 Jsc, 79.7 % FF 및 20.10 % η을 갖고, reverse 스캔 조건에서 1.06 V Voc, 22.2 mA cm-2 Jsc, 76.6 % FF, 및 18.03 % η을 나타내었다. NDI-ID / FAPbI 3-x Br x based device is 1.10V Voc, Jsc 22.9mA cm -2, and having a 79.7% FF% η 20.10, 1.06 Voc V, 22.2 mA cm in reverse scanning conditions in the scanning conditions Forward - 2 Jsc, 76.6% FF, and 18.03%?.

PCBM/MAPbI3 기반 장치는 Forward 스캔 조건에서 1.11 V Voc, 21.4 mA cm-2 Jsc, 78.8 % FF, and 18.7 % η을 나타내고, reverse 스캔 조건에서 1.11 V Voc, 21.4 mA cm-2 Jsc, 79.6 % FF, and 18.9 % η을 나타내었다. PCBM / MAPbI 3 based devices showed 1.11 V Voc, 21.4 mA cm -2 Jsc, 78.8% FF, and 18.7% η at the forward scan condition and 1.11 V Voc, 21.4 mA cm -2 Jsc, and 79.6% FF, and 18.9%, respectively.

PCBM/FAPbI3-xBrx 기반 장치는 Forward 스캔 조건에서 1.09 V Voc, 23.0 mA cm-2 Jsc, 79.8 % FF, and 20.01 % η을 나타내고, reverse 스캔 조건에서 1.04 V Voc, 21.7 mA cm-2 Jsc, 75.5 % FF, and 17.03 % η을 나타내었다. PCBM / FAPbI 3-x Br x based devices exhibited 1.09 V Voc, 23.0 mA cm -2 Jsc, 79.8% FF, and 20.01% η in the forward scan conditions and 1.04 V Voc and 21.7 mA cm -2 Jsc, 75.5% FF, and 17.03% η.

40개 시료의 평균 전력 전환 효율은 NDI-PM 기반 샘플이 16.23 ㅁ 1.24 %이고, PCBM 기반 샘플이 16.81 ± 1.14 % 이다. 이들을 역 구조 FAPbI3 - xBrx 평면형 페로브스카이트 태양 전지에 적용하였을 때, NDI-PM 기반 장치는 Forward 스캔 조건 및 reverse 스캔 조건에서 각각 19.1% 및 19.6% η(average η = 17.15 ± 1.22 %)인 반면, PCBM 기반 장치는 Forward 스캔 조건 및 reverse 스캔 조건에서 각각 19.5 % and 20.0 % η(average η = 17.67 ± 1.10 %)를 나타내었다. The average power conversion efficiency of the 40 samples is 16.23 ㅁ 1.24% for NDI-PM-based samples and 16.81 賊 1.14% for PCBM-based samples. When applied to the inverted FAPbI 3 - x Br x planar perovskite solar cell, the NDI-PM based devices showed 19.1% and 19.6% η (average η = 17.15 ± 1.22%, respectively) ) While PCBM-based devices showed 19.5% and 20.0% η (average η = 17.67 ± 1.10%) in the forward and reverse scan conditions, respectively.

(7) External Quantum Efficiency(EQE) 측정(7) External Quantum Efficiency (EQE) measurement

외부 양자 효율 (EQE)은 monochromator (동우 OPTRON Co., Ltd., MonoRa-500i)와 potentiostat (IVIUM, IviumStat)을 갖춘 전원 (ABET, 150W 크세논 램프, 13014)으로 측정 하였다. 측정범위는 5nm 간격으로 300~900nm 범위로 측정되었다. External quantum efficiency (EQE) was measured with a power supply (ABET, 150 W xenon lamp, 13014) equipped with a monochromator (OPTRON Co., Ltd., MonoRa-500i) and potentiostat (IVIUM, IviumStat). The measurement range was measured in the range of 300 to 900 nm at intervals of 5 nm.

도 8에 각각 NDI-PM/MAPbI3(a), PCBM/ MAPbI3(b), NDI-PM/ FAPbI3-xBrx(c), PCBM/ FAPbI3-xBrx (d), NDI-C6/ MAPbI3(e) 및 NDI-TN /MAPbI3(f) 의 역상 구조 MAPbI3 또는 FAPbI3-xBrx 평면형 페로브스카이트 태양 전지의 EQE 측정 결과를 나타내었다. Respectively in Figure 8 NDI-PM / MAPbI 3 ( a), PCBM / MAPbI 3 (b), NDI-PM / FAPbI 3-x Br x (c), PCBM / FAPbI 3-x Br x (d), NDI- EQE measurement results of MAPBI 3 or FAPbI 3-x Br x planar perovskite solar cells with reversed phase structure of C6 / MAPbI 3 (e) and NDI-TN / MAPbI 3 (f)

이에 나타나는 것과 같이 우수한 용액 가공성 및 (널리 사용되는 PCBM에 견줄만한) 높은 전력 변환 효율을 나타내는 NDI-PM ETM은 풀러렌이 함유되지 않은 페로브스카이트 태양전지의 전자 수송 물질에 적합하게 사용될 수 있는 물질임을 알 수 있다. NDI-PM ETM, which exhibits excellent solution processability and high power conversion efficiency (comparable to PCBM widely used) as shown, is a material that can be used for electron transport materials of perovskite solar cells without fullerene .

(8) 효율 측정(8) Measurement of efficiency

NDI-PM과 PCBM ETM을 이용한 MAPbI3 페로브스카이트 태양 전지의 시간적 안정성을 확인하기 위해 대기 상태에서 90 ℃의 핫 플레이트에 100 분 동안 보관하고 도 9에 나타낸 것과 같이 효율성을 비교하였다. In order to confirm the temporal stability of the MAPbI 3 perovskite solar cell using NDI-PM and PCBM ETM, the solar cell was stored in a hot plate at 90 ° C for 100 minutes in an atmospheric state, and the efficiency was compared as shown in FIG.

NDI-PM 기반 태양 전지는 100 분 열처리 후 초기 효율에 비해 ~ 2.5 % 효율 저하를 보였으나 PCBM 기반 태양 전지는 ~ 7.2 % 효율 저하를 보였다. The NDI-PM-based solar cell showed ~ 2.5% efficiency reduction compared to the initial efficiency after 100 minutes heat treatment, but the PCBM-based solar cell showed ~ 7.2% efficiency reduction.

(9) 열적 안정성 측정(9) Measurement of thermal stability

도 10에 NDI-PM 및 PCBM ETM의 열처리 전(0min) 및 열처리 후(100min)의 AFM (원자 현미경) 토폴로지(topology) 이미지를 나타내었다. 이는 PCBM ETM의 형태는 열처리에 의한 재결정에 의해 변경되지만 NDI-PM ETM의 형태는 PCBM보다 우수한 열 안정성으로 열 처리에 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다.FIG. 10 shows AFM (atomic force microscope) topology images of NDI-PM and PCBM ETM before heat treatment (0 min) and after heat treatment (100 min). It can be seen that the shape of PCBM ETM is changed by recrystallization by heat treatment, but the shape of NDI-PM ETM is not affected by heat treatment because it has better thermal stability than PCBM.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects, and the like illustrated in the above-described embodiments can be combined and modified in other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.

Claims (6)

페로브스카이트 태양 전지의 전자 전달 물질용 화합물로서, 하기 구조식 1로 표현되는 나프탈렌-디이미드 화합물.
[구조식 1]
Figure pat00005

(이 때, R1, R2는 각각 독립적으로 수소, 히드록실, 할로겐, 슈도할로겐, 포르밀, 카르복실, 알콕시, 장쇄 알콕시, 알킬(alkyl), 장쇄알킬, 치환 또는 비치환된 인덴일(indenyl), 치환 또는 비치환된 페닐, 치환 또는 비치환된 나프틸, 테트라하이드로나프틸, 1,2,3,4-테트라하이드로나프틸, 탄소수 9 내지 30의 지방환과 방향환이 축합된 고리, 시클로알킬, 할로알킬, 아릴, 아릴렌, 할로아릴, 헤테로아릴, 헤테로아릴렌, 헤테로시클로알킬렌, 헤테로시클로알킬, 할로헤테로아릴, 알케닐, 할로알케닐, 알키닐, 할로알키닐, 케토, 케토아릴, 할로케토아릴, 케토헤테로아릴, 케토알킬, 할로케토알킬, 케토알케닐, 할로케토알케닐, 포스포알킬, 포스포네이트, 포스페이트, 포스핀, 포스핀 옥시드, 포스포릴, 포스포아릴, 술포닐, 술포알킬, 술포아레닐, 술포네이트, 술페이트, 술폰, 아민, 폴리에테르, 실릴알킬 또는 실릴알킬옥시 중에서 선택된 어느 하나 이상이며, 상기에서 탄소가 포함되는 경우 특정한 경우를 제외하고 탄소수는 1 내지 12 범위내이며,
R3은 수소, 히드록실, 할로겐, 니트로기, 포르밀, 카르복실, 알킬, 알콕시, 시클로알킬, 할로알킬, 아릴, 할로아릴, 헤테로아릴, 헤테로시클로알킬, 할로헤테로아릴, 알케닐, 할로알케닐, 알키닐, 할로알키닐, 케토, 케토아릴, 할로케토아릴, 케토헤테로아릴, 케토알킬, 할로케토알킬, 케토알케닐, 할로케토알케닐, 포스포알킬, 포스포네이트, 포스페이트, 포스핀, 포스핀 옥시드, 포스포릴, 포스포아릴, 술포닐, 술포알킬, 술포아레닐, 술포네이트, 술페이트, 술폰, 아민, 폴리에테르, 실릴알킬 또는 실릴알킬옥시 중에서 선택된 어느 하나 이상이며, 상기에서 탄소가 포함되는 경우 탄소수는 1 내지 12 범위내이며,
n, m은 각각 독립적으로 0 내지 5 의 정수이고, P는 0 내지 4의 정수이다.)
A naphthalene-diimide compound represented by the following structural formula (1) as a compound for an electron transferring material of a perovskite solar cell.
[Structural formula 1]
Figure pat00005

(Wherein R 1 and R 2 are each independently hydrogen, hydroxyl, halogen, pseudohalogen, formyl, carboxyl, alkoxy, long chain alkoxy, alkyl, long chain alkyl, substituted or unsubstituted indenyl indenyl, substituted or unsubstituted phenyl, substituted or unsubstituted naphthyl, tetrahydronaphthyl, 1,2,3,4-tetrahydronaphthyl, a condensed ring of an aliphatic ring having 9 to 30 carbon atoms and an aromatic ring, a cyclo Alkyl, haloalkyl, aryl, arylene, haloaryl, heteroaryl, heteroarylene, heterocycloalkylene, heterocycloalkyl, haloheteroaryl, alkenyl, haloalkenyl, alkynyl, haloalkynyl, Alkyl, alkenyl, aryl, haloalkenyl, alkynyl, alkynyl, aryl, haloketoaryl, ketoheteroaryl, ketoalkyl, halocetoalkyl, ketoalkenyl, halocetoalkenyl, phosphoalkyl, phosphonate, phosphate, phosphine, phosphine oxide, , Sulfonyl, sulfoalkyl, sulfoarenyl, sulfonate, sulfone Wherein the number of carbon atoms is in the range of 1 to 12 except for the specific case where carbon is included,
R 3 is selected from the group consisting of hydrogen, hydroxyl, halogen, nitro, formyl, carboxyl, alkyl, alkoxy, cycloalkyl, haloalkyl, aryl, haloaryl, heteroaryl, heterocycloalkyl, haloheteroaryl, Alkynyl, haloalkynyl, keto, ketoaryl, halocetoaryl, ketoheteroaryl, ketoalkyl, halocetoalkyl, ketoalkenyl, halocetoalkenyl, phosphoalkyl, phosphonate, phosphate, phosphine At least one selected from the group consisting of phosphine oxide, phosphine oxide, phospholyl, phosphoaryl, sulfonyl, sulfoalkyl, sulfoarenyl, sulfonate, sulfate, sulfone, amine, polyether, silylalkyl or silylalkyloxy, The carbon number is within the range of 1 to 12,
n and m are each independently an integer of 0 to 5 and P is an integer of 0 to 4.)
제1항에 있어서,
상기 화합물은 R1, R2가 각각 독립적으로 알킬(alkyl), 장쇄알킬, 치환 또는 비치환된 인덴일(indenyl), 치환 또는 비치환된 페닐, 치환 또는 비치환된 나프틸, 테트라하이드로나프틸, 1,2,3,4-테트라하이드로나프틸, 탄소수 9 내지 30의 지방환과 방향환이 축합된 고리 중에서 선택된 어느 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 나프탈렌-디이미드 화합물.
The method according to claim 1,
The compound is characterized in that R 1 and R 2 are each independently selected from the group consisting of alkyl, long chain alkyl, substituted or unsubstituted indenyl, substituted or unsubstituted phenyl, substituted or unsubstituted naphthyl, tetrahydronaphthyl , 1,2,3,4-tetrahydronaphthyl, a ring condensed with an aliphatic ring having 9 to 30 carbon atoms and an aromatic ring, and a naphthalene-diimide compound.
제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성된 홀 수송층;
상기 홀 수송층 상에 페로브스카이트로 형성된 광 활성층;
상기 광 활성층 상에 형성된 전자 수송층; 및
상기 전자 수송층 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 태양 전지로서,
상기 전자 수송층은 하기 구조식 1로 표현되는 나프탈렌-디이미드 화합물을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양 전지.
[구조식 1]
Figure pat00006

(이 때, R1, R2는 각각 독립적으로 수소, 히드록실, 할로겐, 슈도할로겐, 포르밀, 카르복실, 알콕시, 장쇄 알콕시, 알킬(alkyl), 장쇄알킬, 치환 또는 비치환된 인덴일(indenyl), 치환 또는 비치환된 페닐, 치환 또는 비치환된 나프틸, 테트라하이드로나프틸, 1,2,3,4-테트라하이드로나프틸, 탄소수 9 내지 30의 지방환과 방향환이 축합된 고리, 시클로알킬, 할로알킬, 아릴, 아릴렌, 할로아릴, 헤테로아릴, 헤테로아릴렌, 헤테로시클로알킬렌, 헤테로시클로알킬, 할로헤테로아릴, 알케닐, 할로알케닐, 알키닐, 할로알키닐, 케토, 케토아릴, 할로케토아릴, 케토헤테로아릴, 케토알킬, 할로케토알킬, 케토알케닐, 할로케토알케닐, 포스포알킬, 포스포네이트, 포스페이트, 포스핀, 포스핀 옥시드, 포스포릴, 포스포아릴, 술포닐, 술포알킬, 술포아레닐, 술포네이트, 술페이트, 술폰, 아민, 폴리에테르, 실릴알킬 또는 실릴알킬옥시 중에서 선택된 어느 하나 이상이며, 상기에서 탄소가 포함되는 경우 특정한 경우를 제외하고 탄소수는 1 내지 12 범위내이며,
R3은 수소, 히드록실, 할로겐, 니트로기, 포르밀, 카르복실, 알킬, 알콕시, 시클로알킬, 할로알킬, 아릴, 할로아릴, 헤테로아릴, 헤테로시클로알킬, 할로헤테로아릴, 알케닐, 할로알케닐, 알키닐, 할로알키닐, 케토, 케토아릴, 할로케토아릴, 케토헤테로아릴, 케토알킬, 할로케토알킬, 케토알케닐, 할로케토알케닐, 포스포알킬, 포스포네이트, 포스페이트, 포스핀, 포스핀 옥시드, 포스포릴, 포스포아릴, 술포닐, 술포알킬, 술포아레닐, 술포네이트, 술페이트, 술폰, 아민, 폴리에테르, 실릴알킬 또는 실릴알킬옥시 중에서 선택된 어느 하나 이상이며, 상기에서 탄소가 포함되는 경우 탄소수는 1 내지 12 범위내이며,
n, m은 각각 독립적으로 0 내지 5 의 정수이고, P는 0 내지 4의 정수이다.)
A first electrode;
A hole transport layer formed on the first electrode;
A photoactive layer formed of perovskite on the hole transporting layer;
An electron transport layer formed on the photoactive layer; And
And a second electrode formed on the electron transporting layer,
Wherein the electron transport layer comprises a naphthalene-diimide compound represented by the following structural formula (1).
[Structural formula 1]
Figure pat00006

(Wherein R 1 and R 2 are each independently hydrogen, hydroxyl, halogen, pseudohalogen, formyl, carboxyl, alkoxy, long chain alkoxy, alkyl, long chain alkyl, substituted or unsubstituted indenyl indenyl, substituted or unsubstituted phenyl, substituted or unsubstituted naphthyl, tetrahydronaphthyl, 1,2,3,4-tetrahydronaphthyl, a condensed ring of an aliphatic ring having 9 to 30 carbon atoms and an aromatic ring, a cyclo Alkyl, haloalkyl, aryl, arylene, haloaryl, heteroaryl, heteroarylene, heterocycloalkylene, heterocycloalkyl, haloheteroaryl, alkenyl, haloalkenyl, alkynyl, haloalkynyl, Alkyl, alkenyl, aryl, haloalkenyl, alkynyl, alkynyl, aryl, haloketoaryl, ketoheteroaryl, ketoalkyl, halocetoalkyl, ketoalkenyl, halocetoalkenyl, phosphoalkyl, phosphonate, phosphate, phosphine, phosphine oxide, , Sulfonyl, sulfoalkyl, sulfoarenyl, sulfonate, sulfone Wherein the number of carbon atoms is in the range of 1 to 12 except for the specific case where carbon is included,
R 3 is selected from the group consisting of hydrogen, hydroxyl, halogen, nitro, formyl, carboxyl, alkyl, alkoxy, cycloalkyl, haloalkyl, aryl, haloaryl, heteroaryl, heterocycloalkyl, haloheteroaryl, Alkynyl, haloalkynyl, keto, ketoaryl, halocetoaryl, ketoheteroaryl, ketoalkyl, halocetoalkyl, ketoalkenyl, halocetoalkenyl, phosphoalkyl, phosphonate, phosphate, phosphine At least one selected from the group consisting of phosphine oxide, phosphine oxide, phospholyl, phosphoaryl, sulfonyl, sulfoalkyl, sulfoarenyl, sulfonate, sulfate, sulfone, amine, polyether, silylalkyl or silylalkyloxy, The carbon number is within the range of 1 to 12,
n and m are each independently an integer of 0 to 5 and P is an integer of 0 to 4.)
제3항에 있어서,
상기 광 활성층은 하기 화학식 1(Methylammonium lead trihalide) 또는 화학식 2(Formamidinium lead halide)로 표시되는 페로브스카이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양 전지.
[화학식 1]
CH3NH3PbX3
(여기서, X 는 아이오딘(iodine), 브로민(bromine) 또는 클로린(chlorine)을 포함하는 원소 중에서 선택되는 어느 1종의 할로겐 원소이다.)
[화학식 2]
HC(NH2)2PbX3-xX'x
(여기서, X, X' 는 각각 독립적으로 아이오딘(iodine), 브로민(bromine) 및 클로린(chlorine)을 포함하는 원소 중에서 선택되는 서로 다른 할로겐 원소이다.)
The method of claim 3,
Wherein the photoactive layer comprises perovskite represented by Formula (Methylammonium lead trihalide) or Formula (Formamidinium lead halide).
[Chemical Formula 1]
CH 3 NH 3 PbX 3
(Wherein X is any one halogen element selected from the group consisting of iodine, bromine and chlorine)
(2)
HC (NH 2 ) 2 PbX 3-x X ' x
Wherein X and X 'are each independently a different halogen element selected from the group consisting of iodine, bromine and chlorine.
제3항에 있어서,
상기 전자 수송층은 1 nm 내지 3 m 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 태양 전지.
The method of claim 3,
Wherein the electron transporting layer is formed to a thickness of 1 nm to 3 m.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항의 페로브스카이트 태양 전지를 포함하는 태양 전지 모듈.
A solar cell module comprising the perovskite solar cell according to any one of claims 3 to 5.
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