KR20210049659A - High efficiency perovskite solar cell and method for manufacturing same - Google Patents

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Abstract

According to a manufacturing method of a perovskite solar cell of the present invention, a surface of an electron transport layer is first modified with an alkali metal halide and an alkali metal and a halide can diffuse into a perovskite crystal to passivate a defect trap by a process of annealing after coating a perovskite precursor solution thereon. Accordingly, the present invention is to provide a high efficiency perovskite solar cell having long-term stability and very little hysteresis by effective doping of the alkali metal and the halide.

Description

고효율 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법{HIGH EFFICIENCY PEROVSKITE SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}High efficiency perovskite solar cell and its manufacturing method {HIGH EFFICIENCY PEROVSKITE SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은 개선된 장기 안정성 및 매우 적은 히스테리시스를 갖는 고효율 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a high-efficiency perovskite solar cell having improved long-term stability and very little hysteresis, and a method of manufacturing the same.

유기-무기 하이브리드 페로브스카이트(OIHP) 기반 태양전지는 최근 높은 전력변환효율(PCE) 및 용액 가공성으로 인해 저비용 전력원으로서 관심을 받고 있다(W. S. Yang et al., Science. 356, 1376-1379 (2017) 참조). 특히 페로브스카이트 태양전지(PSC)의 OIHP 광활성물질, 전자수송층(ETL) 및 정공수송층(HTL)의 개발을 통해 근래 10년간 PCE가 3.8%에서 24.2%로 빠르게 개선되었다. 이러한 PSC의 가공 온도를 결정하는 ETL의 성분으로서 기존에는 고온(≥ 450℃) 소결 TiO2를 사용해 왔다. 최근 유연한 PSC를 위한 저온 가공 ETL에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있으나, 이들은 성능(전하 추출 특성, 안정성 등) 면에서 고온 가공 TiO2에 비해 뒤떨어지는 문제가 있다.Organic-inorganic hybrid perovskite (OIHP)-based solar cells have recently attracted attention as a low-cost power source due to high power conversion efficiency (PCE) and solution processability (WS Yang et al., Science. 356, 1376-1379). (2017)). In particular, PCE has improved rapidly from 3.8% to 24.2% over the past 10 years through the development of OIHP photoactive material, electron transport layer (ETL) and hole transport layer (HTL) of perovskite solar cell (PSC). As a component of ETL that determines the processing temperature of these PSCs, high-temperature (≥ 450°C) sintered TiO 2 has been used. Recently, the demand for low-temperature processing ETL for flexible PSCs is continuously increasing, but these have a problem that is inferior to that of high-temperature processing TiO 2 in terms of performance (charge extraction characteristics, stability, etc.).

ZnO는 용액 가공성, 높은 전자 이동성 및 적절한 에너지 수준으로 인해 PSC의 유망한 저온 ETL 후보이다. 용액 가공된 ZnO는 유기 광발전 소자 및 양자점(quantum dot) 태양전지에 성공적으로 사용되었지만, 계면 역분해 반응으로 인해 PSC에 사용하기에는 문제가 있었다. ZnO는 특성상 ZnO/OIHP 계면에서 양성자-전달 반응을 일으켜, OIHP의 분해를 유발하여 PCE 및 PSC의 안정성을 저하시킨다. 이에 표면 패시베이션을 통해 역분해를 최소화하는 연구가 집중적으로 수행되었다. 그럼에도, 현재까지 보고된 ZnO 기반 PSC는 TiO2 기반 PSC와 비교하여 상당히 낮은 성능을 보여주었다. ZnO is a promising low-temperature ETL candidate for PSC due to its solution processability, high electron mobility, and adequate energy levels. Solution-processed ZnO has been successfully used in organic photovoltaic devices and quantum dot solar cells, but there is a problem in using it in PSCs due to the interfacial reverse decomposition reaction. ZnO induces a proton-transfer reaction at the ZnO/OIHP interface due to its characteristics, causing decomposition of OIHP, thereby lowering the stability of PCE and PSC. Therefore, research to minimize reverse decomposition through surface passivation has been intensively conducted. Nevertheless, the ZnO-based PSC reported so far showed significantly lower performance compared to the TiO 2 based PSC.

따라서 TiO2 기반 PSC에 필적하는 성능 수준을 갖춘 ZnO 기반 저온 가공 PSC의 개발이 요구된다.Therefore, development of a ZnO-based low-temperature processing PSC with a performance level comparable to that of a TiO 2 based PSC is required.

W. S. Yang et al., Science. 356, 1376-1379 (2017) W. S. Yang et al., Science. 356, 1376-1379 (2017)

페로브스카이트 태양전지(PSC)에서 유무기 하이브리드 페로브스카이트(OIHP) 활성층 및 이와 전자수송층(ETL) 간의 계면에서의 결함 트랩 상태는 전력변환효율(PCE), 히스테리시스, 장기 안정성, 유효 패시베이션 등의 성능을 결정하는데 있어서 중요한 요소이다. In a perovskite solar cell (PSC), the defect trap state at the interface between the organic-inorganic hybrid perovskite (OIHP) active layer and the electron transport layer (ETL) is the power conversion efficiency (PCE), hysteresis, long-term stability, and effective passivation. It is an important factor in determining the performance of the back.

이에 본 발명자들은, 알칼리금속이 OIHP 결정에서 ETL/OIHP 계면 결함 및 내부 트랩 부위를 효과적으로 억제할 수 있는 점과, OIHP 결정에 할라이드 원자를 도핑함으로써 음이온성 결함의 패시베이션을 달성할 수 있는 것에 주목하였다. 이를 토대로 볼 때, 알칼리금속과 할라이드의 동시 도핑을 통해 OIHP 결정 및 ZnO/OIHP 계면의 결함 패시베이션을 현저히 개선할 수 있음을 예상할 수 있지만, 이소프로판올(IPA), 디메틸포름아미드(DMF) 및 디메틸설폭사이드(DMSO)와 같은 극성 용매를 사용하는 OIHP 전구체 용액에서의 알칼리금속 할라이드의 용해도가 불량하여 이를 실제로 구현하기는 어려웠다. 그러나 본 발명자들이 계속 연구한 결과, 전자수송층의 표면을 알칼리금속 할라이드로 먼저 개질하고, 그 위에 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅한 후 어닐링하는 공정에 의해, 알칼리금속 및 할라이드가 페로브스카이트 전구체 코팅층 중으로 확산하여 결함 트랩을 패시베이션할 수 있음을 발견하였다.Accordingly, the present inventors noted that alkali metals can effectively suppress ETL/OIHP interface defects and internal trap sites in OIHP crystals, and that passivation of anionic defects can be achieved by doping halide atoms in OIHP crystals. . Based on this, it can be expected that the defect passivation of OIHP crystal and ZnO/OIHP interface can be remarkably improved through simultaneous doping of alkali metal and halide, but isopropanol (IPA), dimethylformamide (DMF) and dimethyl sulfoxide. Since the solubility of the alkali metal halide in the OIHP precursor solution using a polar solvent such as side (DMSO) was poor, it was difficult to actually implement this. However, as a result of continued research by the present inventors, by the process of first modifying the surface of the electron transport layer with an alkali metal halide, coating a perovskite precursor solution thereon, and then annealing, the alkali metal and the halide are converted into a perovskite precursor. It has been found that it can diffuse into the coating layer and passivate the defect trap.

따라서, 본 발명은 알칼리금속 및 할라이드의 효과적인 도핑을 통해, 장기 안정성 및 매우 적은 히스테리시스를 갖는 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 방법, 및 그 페로브스카이트 태양전지를 제공하고자 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a high-efficiency perovskite solar cell having long-term stability and very little hysteresis through effective doping of an alkali metal and halide, and a perovskite solar cell thereof.

본 발명은 (1) 전자수송층 상에 알칼리금속 할라이드 용액을 코팅하여 개질된 전자수송층을 형성하는 단계; 및 (2) 상기 개질된 전자수송층 상에 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅한 후 페로브스카이트 전구체 코팅층을 어닐링하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계를 포함하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of: (1) forming a modified electron transport layer by coating an alkali metal halide solution on the electron transport layer; And (2) coating a perovskite precursor solution on the modified electron transport layer and then annealing the perovskite precursor coating layer to form a perovskite photoactive layer. It provides a method of manufacturing.

또한, 본 발명은 기판; 제 1 전극층; 전자수송체를 함유하는 전자수송층; 페로브스카이트를 함유하는 광활성층; 정공수송층; 및 제 2 전극층을 순차적으로 적층된 형태로 포함하고, 상기 전자수송층 및 상기 광활성층은 동일한 알칼리금속 및 할라이드를 더 함유하는, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.In addition, the present invention is a substrate; A first electrode layer; An electron transport layer containing an electron transporter; A photoactive layer containing perovskite; Hole transport layer; And a second electrode layer in a sequentially stacked form, wherein the electron transport layer and the photoactive layer further contain the same alkali metal and halide, providing a perovskite solar cell.

본 발명의 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 따르면, 전자수송층의 표면을 알칼리금속 할라이드로 먼저 개질하고, 그 위에 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅한 후 어닐링하는 공정에 의해, 알칼리금속 및 할라이드가 페로브스카이트 전구체 코팅층 중으로 확산하여 결함 트랩을 패시베이션할 수 있다.According to the method of manufacturing a perovskite solar cell of the present invention, the surface of the electron transport layer is first modified with an alkali metal halide, and then the surface of the electron transport layer is coated with a perovskite precursor solution, followed by annealing. May diffuse into the perovskite precursor coating layer to passivate the defect trap.

이에 따라 본 발명은 알칼리금속 및 할라이드의 효과적인 도핑에 의해, 장기 안정성 및 매우 적은 히스테리시스를 갖는 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제공할 수 있다.Accordingly, the present invention can provide a high-efficiency perovskite solar cell having long-term stability and very little hysteresis by effective doping of an alkali metal and halide.

이하 설명 및 도면에 기재된 약어들의 의미는 실시예에서 정의한 바와 같다.
도 1은 알칼리금속 클로라이드에 의한 개질을 나타낸 것으로서, A는 개질된 ZnO 층의 SEM 이미지에서의 원소 맵핑(K 및 Cl)이고, B는 개질된 OIHP 층의 XRD 패턴이고, C는 KCl로 개질된 L-PSC의 단면 TEM 이미지(HAABF 이미지 및 EDS로부터의 원소 맵핑, FIB 절단 이용)이고, D는 KCl로 개질된 샘플(Si/ZnO/OIHP)의 XPS 깊이 프로파일링 결과 및 K 및 Cl 프로파일의 확대 곡선이다.
도 2는 계면 및 내부 트랩 부위에 대한 개질의 효과를 나타낸 것으로서, A는 유리 기판 상의 KCl 개질 샘플(811 nm 파장) 및 미개질된 대조군(Control) 샘플(817 nm 파장)의 PL 방출 강도 맵핑(20 μm × 20 μm 면적)이고, B는 유리/OIHP 샘플의 TCSPC 분석 결과이고, C는 DLCP 분석에 의해 얻어진 OIHP 샘플의 트랩 DOS 프로파일이다.
도 3은 L-PSC의 성능을 나타낸 것으로서, A는 평면 이종 접합 L-PSC의 구조이고, B는 OIHP 결정에서 KCl 패시베이션에 대한 개략도이고, C는 개질된 L-PSC의 J-V 특성(100 mWcm-2의 조명, AM 1.5G one sun illumination, 역방향 스캔)이고, D는 최대 전력 점 출력(미개질된 대조군 L-PSC의 경우 0.89V, L-PSC-KCl의 경우 0.94V)에서 안정화된 PCE 값이고, E 및 F는 L-PSC에서의 V OC 값 및 PCE 값의 분포(30개 샘플)를 각각 나타낸다.
도 4는 광전류 히스테리시스에 대한 알칼리금속 클로라이드의 효과를 나타낸 것으로서, A 및 B는 다양한 조명 하에서 미개질 L-PSC(대조군) 및 L-PSC-KCl의 C p-V 특성을 각각 나타내고, C는 OIHP 층의 온도-의존 전도율을 나타내고, D 및 E는 각각 미개질된 대조군 L-PSC 및 개질된 L-PSC의 계면 및 OIHP 층에서의 전하 트랩의 개략도를 나타낸다.
도 5는 트랩 상태 및 안정성 분석을 나타낸 것으로서, A는 290 K에서 측정된 TAS에 의한 L-PSC의 트랩 상태 분포를 나타내고, B 및 C는 각각 미개질된 대조군 L-PSC 및 KCl 개질된 L-PSC의 공기 중 2주 보관 후 트랩 상태 변화를 나타내고, D, E 및 F는 캡슐화되지 않은 L-PSC에 대한 공기(40±5%R.H.) 중 장기 안정성, 글로브 박스(질소 충전)에서 70℃ 연속 가열 하의 열 안정성(오차 막대는 5개 샘플의 표준 편차), 및 글로브 박스에서 100 mWcm-2 조명(one sun LED) 하의 연속 MPP 추적에 의한 광 안정성을 각각 나타낸다.
도 6의 A, B 및 C는 대면적(활성 영역 1.12 cm2) L-PSC-KCl에 대한 J-V 특성, V OC 값의 히스토그램 및 PCE 값의 히스토그램(15개 샘플)을 각각 나타낸 것이고, D, E, F, G 및 H는 유연한 L-PSC-KCl 샘플에 대한 J-V 특성, 굽힘 사이클 시험 결과(> 1000 사이클, 굽힘 반경 6.9 mm), 굽힘 반경 시험 결과, V OC 값의 히스토그램 및 PCE 값의 히스토그램(15개 샘플)을 각각 나타낸 것이다.
도 7은 알칼리금속 클로라이드로 개질된 ZnO 층의 XPS 분석 결과를 나타낸 것으로서, A는 개질된 ZnO 층의 Cl 2p 피크, B는 ZnO-LiCl의 Li 1s 피크, C는 ZnO-NaCl의 Na 1s 피크, D는 ZnO-KCl의 K 2p 피크, E는 ZnO-CsCl의 Cs 3d 피크를 나타내고, F, G 및 H는 개질된 ZnO 층의 Cl/Zn 원자비, 알칼리금속/Zn 원자비 및 Zn 2p 스펙트럼을 각각 나타낸다.
도 8의 A 내지 F는 개질되지 않은 샘플(대조군) 및 개질된 샘플의 O 1s 코어 레벨 XPS 분석 결과이고, G는 개질된 ZnO 층의 PL 방출 스펙트럼이다.
도 9는 알칼리금속 클로라이드에 의해 개질되거나 개질되지 않은 ZnO/OIHP 계면에서의 전하 추출 분석 결과로서, A는 정상 상태 PL 방출 스펙트럼이고, B는 ZnO/OIHP 샘플의 TCSPC 분석 결과이다.
도 10의 A, B, C, D 및 E는 각각 미개질 ZnO(대조군), ZnO-LiCl, ZnO-NaCl, ZnO-KCl 및 ZnO-CsCl 상에서 형성된 페로브스카이트 층의 SEM 이미지(50,000 배율)이고, F, G, H, I 및 J는 각각 미개질 ZnO(대조군), ZnO-LiCl, ZnO-NaCl, ZnO-KCl 및 ZnO-CsCl 상에서 형성된 페로브스카이트 입자 크기 분포(2~3개 샘플)이다.
도 11은 도 1의 B에서 페로브스카이트 (110) 피크의 FWHM 값을 나타낸다(3~5개 샘플, 원 및 막대는 각각 평균 및 표준 편차를 나타냄).
도 12는 미개질 L-PSC의 단면 TEM 이미지(HAABF 및 원소 맵핑, FIB 절단 이용)를 나타낸다.
도 13은 저농도(2 mM) KCl 개질 L-PSC의 단면 TEM 이미지(HAABF 및 원소 맵핑, FIB 절단 이용)를 나타낸다.
도 14는 미개질 샘플(Si/ZnO/OIHP)의 XPS 깊이 프로파일링 결과로서, A는 측정된 모든 원소의 프로파일이고, B는 K 및 Cl 프로파일을 확대한 것이다.
도 15의 A는 KCl 개질 또는 미개질 OIHP의 PL 파장 맵핑 이미지이고, B는 개질에 의한 PL 청색-이동의 원점에 대한 개략도이고, C 및 D는 각각 미개질 샘플(대조군) 및 KCl 개질 샘플의 PL 방출의 피크 파장 분포이다.
도 16은 다양한 조건으로 개질된 L-PSC-KCl의 J-V 곡선이다.
도 17의 A, B, C, D 및 E는 각각 미개질 L-PSC(대조군), L-PSC-LiCl, L-PSC-NaCl, L-PSC-KCl 및 L-PSC-CsCl의 EQE 스펙트럼이다.
도 18의 A 및 B는 다른 알칼리금속 클로라이드로 개질된 L-PSC의 V OC 및 PCE의 분포(30개 샘플)를 각각 나타낸다.
도 19는 전하 추출 특성 분석 결과로서, A는 TPV에 의한 광 전압 감쇠 곡선이고, B는 TPC에 의한 광전류 감쇠 곡선이고, C 및 D는 각각 IMVS 및 IMPS 분석 결과이다.
도 20의 A, B, C, D 및 E는 각각 미개질 L-PSC(대조군), L-PSC-LiCl, L-PSC-NaCl, L-PSC-KCl 및 L-PSC-CsCl의 역방향 및 정방향 스캔하에서 광전류 히스테리시스를 나타낸 것이다.
도 21은 온도-의존 전도율 측정을 위한 장치 구성을 도시한 것이다.
도 22는 L-PSC의 모트-쇼트키(Mott-Schottky) 곡선을 나타낸 것이다.
도 23은 TPV/TPC 분석에 의한 트랩 밀도를 나타낸 것이다.
도 24의 A 및 B는 어닐링(100℃, 55%R.H.) 지속 시간에 대한 미개질 OIHP(대조군) 및 KCl 개질된 OIHP 층의 사진 이미지를 각각 나타내고, C 및 D는 어닐링 지속 시간에 따른 흡수 스펙트럼을 나타내며, E 및 F는 어닐링 지속 시간에 따른 OIHP 층의 XRD를 나타낸다.
도 25는 1.12 cm2의 활성 면적을 갖는 미개질 L-PSC에 대한 J-V 분석 결과이다.
도 26은 대면적 L-PSC의 EQE 스펙트럼이다.
The meanings of the abbreviations described in the description and drawings below are as defined in the examples.
1 shows the modification by alkali metal chloride, where A is the element mapping (K and Cl) in the SEM image of the modified ZnO layer, B is the XRD pattern of the modified OIHP layer, and C is the modified with KCl. Cross-sectional TEM image of L-PSC (HAABF image and element mapping from EDS, using FIB cutting), D is XPS depth profiling result of KCl modified sample (Si/ZnO/OIHP) and enlargement of K and Cl profile It is a curve.
2 shows the effect of the modification on the interface and the internal trap site, where A is the PL emission intensity mapping of the KCl modified sample (811 nm wavelength) and the unmodified control sample (817 nm wavelength) on a glass substrate ( 20 μm × 20 μm area), B is the TCSPC analysis result of the glass/OIHP sample, and C is the trap DOS profile of the OIHP sample obtained by DLCP analysis.
As Figure 3 showing the performance of the L-PSC, A is a structure of a planar heterojunction L-PSC, B is a schematic view of a KCl passivation in OIHP crystal, C is a JV characteristics of the modified L-PSC (100 mWcm - 2 illumination, AM 1.5G one sun illumination, reverse scan), and D is the PCE value stabilized at the maximum power point output (0.89V for the unmodified control L-PSC and 0.94V for the L-PSC-KCl). And E and F represent the distributions (30 samples) of V OC values and PCE values in L-PSC, respectively.
4 shows the effect of alkali metal chloride on photocurrent hysteresis, where A and B represent the C p - V characteristics of unmodified L-PSC (control) and L-PSC-KCl, respectively, under various lighting, and C is OIHP. Represent the temperature-dependent conductivity of the layer, and D and E represent the schematic diagram of the charge trap in the OIHP layer and the interface of the unmodified control L-PSC and the modified L-PSC, respectively.
5 shows the trap status and stability analysis, where A shows the distribution of the trap status of L-PSC by TAS measured at 290 K, and B and C are the unmodified control L-PSC and KCl modified L-, respectively. PSC shows the change in trap state after 2 weeks of storage in air, D, E and F are long-term stability in air (40±5%RH) for unencapsulated L-PSC, 70℃ continuous in glove box (nitrogen filling) Thermal stability under heating (error bars are standard deviation of 5 samples), and light stability by continuous MPP tracking under 100 mWcm -2 illumination (one sun LED) in a glove box, respectively.
6A, B, and C show the JV characteristic, the histogram of the V OC value and the histogram of the PCE value (15 samples) for a large area (active area 1.12 cm 2 ) L-PSC-KCl, respectively, D, E, F, G and H are JV properties for flexible L-PSC-KCl samples, bending cycle test results (> 1000 cycles, bending radius 6.9 mm), bending radius test results, histogram of V OC values and histogram of PCE values. (15 samples) are shown respectively.
7 shows the XPS analysis results of the ZnO layer modified with alkali metal chloride, where A is the Cl 2p peak of the modified ZnO layer, B is the Li 1s peak of ZnO-LiCl, C is the Na 1s peak of ZnO-NaCl, D represents the K 2p peak of ZnO-KCl, E represents the Cs 3d peak of ZnO-CsCl, and F, G and H represent the Cl/Zn atomic ratio, alkali metal/Zn atomic ratio and Zn 2p spectrum of the modified ZnO layer. Respectively.
8A to 8F are the results of O 1s core level XPS analysis of the unmodified sample (control) and the modified sample, and G is the PL emission spectrum of the modified ZnO layer.
9 is a result of charge extraction analysis at the ZnO/OIHP interface modified or not modified by alkali metal chloride, where A is a steady state PL emission spectrum, and B is a TCSPC analysis result of a ZnO/OIHP sample.
A, B, C, D and E of FIG. 10 are SEM images of the perovskite layer formed on unmodified ZnO (control), ZnO-LiCl, ZnO-NaCl, ZnO-KCl and ZnO-CsCl, respectively (50,000 magnification). And F, G, H, I and J are the perovskite particle size distributions (2 to 3 samples) formed on unmodified ZnO (control), ZnO-LiCl, ZnO-NaCl, ZnO-KCl and ZnO-CsCl, respectively. )to be.
FIG. 11 shows the FWHM values of the perovskite (110) peak in FIG. 1B (3 to 5 samples, circles and bars represent mean and standard deviation, respectively).
12 shows a cross-sectional TEM image (HAABF and elemental mapping, using FIB cutting) of an unmodified L-PSC.
13 shows a cross-sectional TEM image (HAABF and element mapping, using FIB digestion) of a low concentration (2 mM) KCl-modified L-PSC.
14 is a result of XPS depth profiling of an unmodified sample (Si/ZnO/OIHP), where A is the profile of all measured elements, and B is an enlarged view of K and Cl profiles.
15A is a PL wavelength mapping image of KCl-modified or unmodified OIHP, B is a schematic diagram of the origin of PL blue-shift by modification, and C and D are the unmodified samples (control) and KCl-modified samples, respectively. It is the peak wavelength distribution of the PL emission.
16 is a JV curve of L-PSC-KCl modified under various conditions.
17A, B, C, D and E are EQE spectra of unmodified L-PSC (control), L-PSC-LiCl, L-PSC-NaCl, L-PSC-KCl and L-PSC-CsCl, respectively. .
18A and B show distributions (30 samples) of V OC and PCE of L-PSC modified with different alkali metal chlorides, respectively.
19 is a charge extraction characteristic analysis result, where A is a photovoltage attenuation curve by TPV, B is a photocurrent attenuation curve by TPC, and C and D are IMVS and IMPS analysis results, respectively.
A, B, C, D and E in Figure 20 are the reverse and forward directions of unmodified L-PSC (control), L-PSC-LiCl, L-PSC-NaCl, L-PSC-KCl and L-PSC-CsCl, respectively. It shows the photocurrent hysteresis under the scan.
21 shows a device configuration for measuring temperature-dependent conductivity.
22 shows a Mott-Schottky curve of L-PSC.
23 shows the trap density by TPV/TPC analysis.
24A and B show photographic images of unmodified OIHP (control) and KCl-modified OIHP layers for annealing (100°C, 55%RH) duration, respectively, and C and D are absorption spectra according to annealing duration. And E and F represent the XRD of the OIHP layer according to the annealing duration time.
25 is a result of JV analysis for unmodified L-PSC having an active area of 1.12 cm 2.
26 is an EQE spectrum of a large area L-PSC.

이하 본 발명의 고효율 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 관하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a high-efficiency perovskite solar cell of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail.

<페로브스카이트 태양전지의 제조방법><Method of manufacturing perovskite solar cell>

본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은, (1) 전자수송층 상에 알칼리금속 할라이드 용액을 코팅하여 개질된 전자수송층을 형성하는 단계; 및 (2) 상기 개질된 전자수송층 상에 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅한 후 페로브스카이트 전구체 코팅층을 어닐링하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a perovskite solar cell according to the present invention includes the steps of: (1) coating an alkali metal halide solution on an electron transport layer to form a modified electron transport layer; And (2) coating the perovskite precursor solution on the modified electron transport layer and then annealing the perovskite precursor coating layer to form a perovskite photoactive layer.

이하 각 단계별로 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, each step will be described in more detail.

(1) 전자수송층의 개질(1) Modification of the electron transport layer

상기 단계 (1)에서는, 전자수송층 상에 알칼리금속 할라이드 용액을 코팅하여 개질된 전자수송층을 형성한다.In the above step (1), a modified electron transport layer is formed by coating an alkali metal halide solution on the electron transport layer.

상기 전자수송층은 금속산화물을 함유할 수 있다. 상기 금속산화물은 예를 들어 Zn, Sn, Ti 및 Al로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속의 산화물일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속산화물은 Zn 및 Sn 중 1종 이상의 금속의 산화물일 수 있다. 상기 금속산화물은 1종 이상의 금속으로 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있고, 이때 도핑되는 금속은 Al, Mg, In, Zn, Ga 및 Sr로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 금속산화물은 마그네슘 도핑된 산화아연, 주석 도핑된 산화아연, 산화주석, 아연 도핑된 산화주석, 인듐 도핑된 산화주석 또는 산화아연일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전자수송층은 ZnO를 함유하는 것이 저온 공정이 가능한 점에서 바람직하다.The electron transport layer may contain a metal oxide. The metal oxide may be, for example, an oxide of at least one metal selected from the group consisting of Zn, Sn, Ti, and Al. Specifically, the metal oxide may be an oxide of at least one metal of Zn and Sn. The metal oxide may or may not be doped with one or more metals, and the doped metal may be one or more selected from the group consisting of Al, Mg, In, Zn, Ga, and Sr. As a specific example, the metal oxide may be magnesium-doped zinc oxide, tin-doped zinc oxide, tin oxide, zinc-doped tin oxide, indium-doped tin oxide, or zinc oxide. More specifically, it is preferable that the electron transport layer contains ZnO because a low-temperature process is possible.

상기 알칼리금속 할라이드 용액은, 알칼리금속으로서 K, Li, Na 및 Cl로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유할 수 있다. 또한, 상기 알칼리금속 할라이드 용액은 할라이드로서 F, Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유할 수 있다. 이에 따라 상기 알칼리금속 할라이드 용액은 앞서 예시한 알칼리금속 성분 및 할라이드 성분의 다양한 조합을 포함할 수 있다. 일례로서, 상기 할라이드가 Cl일 경우 페로브스카이트 광활성층의 내부 트랩을 보다 효과적으로 패시베이션할 수 있고, 이 경우 상기 알칼리금속 할라이드 용액은 KCl, LiCl, NaCl 및 CsCl로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유할 수 있다.The alkali metal halide solution may contain at least one selected from the group consisting of K, Li, Na and Cl as an alkali metal. In addition, the alkali metal halide solution may contain at least one selected from the group consisting of F, Cl, Br and I as a halide. Accordingly, the alkali metal halide solution may include various combinations of the alkali metal component and the halide component exemplified above. As an example, when the halide is Cl, the internal trap of the perovskite photoactive layer can be more effectively passivated. In this case, the alkali metal halide solution contains at least one selected from the group consisting of KCl, LiCl, NaCl, and CsCl. It may contain.

상기 알칼리금속 할라이드 용액의 농도는 1 mM 이상, 5 mM 이상, 또는 10 mM 이상일 수 있다. 또한, 상기 알칼리금속 할라이드 용액의 농도는 100 mM 이하, 30 mM 이하, 20 mM 이하, 또는 15 mM 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 알칼리금속 할라이드 용액은 1 mM 내지 100 mM의 알칼리금속 할라이드 함량을 가질 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 알칼리금속 할라이드 용액은 10 mM 내지 15 mM의 알칼리금속 할라이드 함량을 가질 수 있다. 상기 범위 내일 때, 알칼리금속 할라이드가 어닐링 과정에서 페로브스카이트 전구체 코팅층 중으로 보다 효과적으로 확산될 수 있다.The concentration of the alkali metal halide solution may be 1 mM or more, 5 mM or more, or 10 mM or more. In addition, the concentration of the alkali metal halide solution may be 100 mM or less, 30 mM or less, 20 mM or less, or 15 mM or less. For example, the alkali metal halide solution may have an alkali metal halide content of 1 mM to 100 mM. As a specific example, the alkali metal halide solution may have an alkali metal halide content of 10 mM to 15 mM. When it is within the above range, the alkali metal halide may more effectively diffuse into the perovskite precursor coating layer during the annealing process.

상기 알칼리금속 할라이드 용액은 수성 용매를 함유할 수 있고, 예를 들어 탈이온수를 용매로 함유할 수 있다.The alkali metal halide solution may contain an aqueous solvent, for example deionized water as a solvent.

상기 알칼리금속 할라이드 용액을 상기 전자수송층 상에 코팅하는 방식은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 스핀 코팅(spin coating), 침지(dipping), 스프레이(spraying), 드롭캐스팅(drop casting), 닥터블레이드(doctor blade), 바 코팅(bar coating), 슬롯다이 코팅(slot die coating), 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating), 콤마 코팅(coma coating) 또는 프린팅(printing)으로 코팅할 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 알칼리금속 할라이드 용액을 침지에 의해 코팅할 수 있다.The method of coating the alkali metal halide solution on the electron transport layer is not particularly limited, but for example, spin coating, dipping, spraying, drop casting, doctor blade ( It can be coated by doctor blade, bar coating, slot die coating, micro gravure coating, coma coating or printing. As a specific example, the alkali metal halide solution may be coated by immersion.

상기 알칼리금속 할라이드 용액의 코팅 후에 어닐링하는 공정을 더 거칠 수 있으며, 이를 통해 과량의 용매를 제거할 수 있다. 이때의 어닐링 온도는 20℃ 내지 250℃일 수 있고, 구체적으로 50℃ 내지 200℃, 50℃ 내지 150℃, 50℃ 내지 120℃ 또는 80℃ 내지 120℃일 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 제조방법은 저온 공정이 가능하다.After the alkali metal halide solution is coated, an annealing process may be further performed, and an excess solvent may be removed through this process. In this case, the annealing temperature may be 20°C to 250°C, and specifically 50°C to 200°C, 50°C to 150°C, 50°C to 120°C, or 80°C to 120°C. As described above, the manufacturing method according to the present invention is capable of a low-temperature process.

(2) 페로브스카이트 광활성층의 형성(2) formation of perovskite photoactive layer

상기 단계 (2)에서는, 앞서 개질된 전자수송층 상에 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅한 후 어닐링하여 페로브스카이트 광활성층을 형성한다.In step (2), a perovskite precursor solution is coated on the previously modified electron transport layer, followed by annealing to form a perovskite photoactive layer.

상기 페로브스카이트 전구체 용액은 페로브스카이트 태양전지 분야에서 사용되는 통상적인 페로브스카이트 전구체를 함유할 수 있다.The perovskite precursor solution may contain a conventional perovskite precursor used in the perovskite solar cell field.

예를 들어, 상기 페로브스카이트 전구체는 하기 식 (1)의 화합물을 함유할 수 있다.For example, the perovskite precursor may contain a compound represented by the following formula (1).

BX2 (1)BX 2 (1)

상기 식에서, B는 Pb, Sn 및 Ge 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고, X는 할로겐 원소이다.In the above formula, B is at least one selected from Pb, Sn, and Ge, and X is a halogen element.

상기 페로브스카이트 전구체 용액은 유성 용매를 함유할 수 있다. 상기 페로브스카이트 전구체 용액에 사용되는 유성 용매로는, 상기 화학식 1의 화합물을 용해 또는 분산시킬 수 있는 용매라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 구체적으로 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO) 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다.The perovskite precursor solution may contain an oily solvent. As an oily solvent used in the perovskite precursor solution, any solvent capable of dissolving or dispersing the compound of Formula 1 may be used without limitation, specifically dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO) Or a combination of these may be used.

상기 페로브스카이트 전구체 용액을 상기 개질된 전자수송층 상에 코팅하는 방식은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 스핀 코팅(spin coating), 침지(dipping), 스프레이(spraying), 드롭캐스팅(drop casting), 닥터블레이드(doctor blade), 바 코팅(bar coating), 슬롯다이 코팅(slot die coating), 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating), 콤마 코팅(coma coating) 또는 프린팅(printing)으로 코팅할 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 페로브스카이트 전구체 용액을 스핀 코팅에 의해 코팅할 수 있다.The method of coating the perovskite precursor solution on the modified electron transport layer is not particularly limited, for example, spin coating, dipping, spraying, drop casting. , Doctor blade (doctor blade), bar coating (bar coating), slot die coating (slot die coating), micro gravure coating (micro gravure coating), coma coating (coma coating) or printing (printing) can be coated. As a specific example, the perovskite precursor solution may be coated by spin coating.

이후, 상기 페로브스카이트 전구체 코팅층을 어닐링하여 페로브스카이트 광활성층을 형성한다. Thereafter, the perovskite precursor coating layer is annealed to form a perovskite photoactive layer.

상기 어닐링은 20℃ 내지 250℃의 온도에서 수행할 수 있다. 구체적으로 상기 어닐링 시의 온도는 50℃ 내지 200℃, 50℃ 내지 150℃, 50℃ 내지 120℃ 또는 80℃ 내지 120℃일 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 제조방법은 저온 공정이 가능하다.The annealing may be performed at a temperature of 20°C to 250°C. Specifically, the temperature during the annealing may be 50°C to 200°C, 50°C to 150°C, 50°C to 120°C, or 80°C to 120°C. As described above, the manufacturing method according to the present invention is capable of a low-temperature process.

상기 어닐링 시에 페로브스카이트 전구체로부터 페로브스카이트 결정이 형성되면서, 개질된 전자수송층에 존재하는 알칼리금속 할라이드가 확산되어 페로브스카이트 결정 내로 도핑될 수 있다. During the annealing, while the perovskite crystal is formed from the perovskite precursor, the alkali metal halide present in the modified electron transport layer may diffuse and be doped into the perovskite crystal.

구체적으로, 상기 어닐링 시에 상기 개질된 전자수송층에 함유된 알칼리금속 할라이드는 상기 페로브스카이트 전구체 코팅층 중으로 확산될 수 있다.Specifically, during the annealing The alkali metal halide contained in the modified electron transport layer may diffuse into the perovskite precursor coating layer.

이에 따라, 상기 어닐링 시에 상기 페로브스카이트 전구체 코팅층 중으로 확산된 알칼리금속 할라이드는, 상기 어닐링 후에 형성된 페로브스카이트 광활성층 내의 트랩을 패시베이션할 수 있다.Accordingly, the alkali metal halide diffused into the perovskite precursor coating layer during the annealing may passivate a trap in the perovskite photoactive layer formed after the annealing.

(3) 기타 제조 단계(3) Other manufacturing steps

또한 상기 단계 (1) 이전에, 기판 상에 제 1 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 전극층 상에 상기 전자수송층을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.Also, prior to the step (1), forming a first electrode layer on the substrate; And forming the electron transport layer on the first electrode layer.

상기 기판 상에 제 1 전극층을 형성하는 방법은, 페로브스카이트 태양전지 분야에서 사용되는 통상적인 공정을 채용할 수 있고, 예를 들어 열증착(thermal evaporation), 전자빔 증착(electron beam evaporation), 스퍼터링(sputtering) 등을 이용할 수 있다.The method of forming the first electrode layer on the substrate may employ a conventional process used in the perovskite solar cell field, for example, thermal evaporation, electron beam evaporation, Sputtering or the like can be used.

또한 상기 전자수송층의 제법은 예를 들어 졸겔법을 사용할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.In addition, the electron transport layer may be prepared using, for example, a sol-gel method, but is not limited thereto.

또한 상기 단계 (2) 이후에, 상기 페로브스카이트 광활성층 상에 정공수송층을 형성하는 단계; 및 상기 정공수송층 상에 제 2 전극층을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In addition, after the step (2), forming a hole transport layer on the perovskite photoactive layer; And forming a second electrode layer on the hole transport layer.

상기 정공수송층은 정공수송층용 소재를 용매와 혼합한 후 당업계에서 통상적으로 사용되는 코팅 방법을 통해 형성될 수 있다. 상기 용매는 정공수송층 소재를 용해 또는 분산시킬 수 있는 용매라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 아세토나이트릴, 톨루엔, 자일렌, 다이클로로메탄, 클로로포름, 다이클로로벤젠 또는 클로로벤젠일 수 있다.The hole transport layer may be formed through a coating method commonly used in the art after mixing the material for the hole transport layer with a solvent. The solvent may be used without limitation as long as it is a solvent capable of dissolving or dispersing the material of the hole transport layer, and for example, acetonitrile, toluene, xylene, dichloromethane, chloroform, dichlorobenzene, or chlorobenzene.

상기 제 2 전극층의 제조 방법은 열증착, 스퍼터링 등일 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.The method of manufacturing the second electrode layer may be thermal evaporation, sputtering, or the like, but is not limited thereto.

<페로브스카이트 태양전지><Perovskite solar cell>

본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기판; 제 1 전극층; 전자수송체를 함유하는 전자수송층; 페로브스카이트를 함유하는 광활성층; 정공수송층; 및 제 2 전극층을 순차적으로 적층된 형태로 포함하고, 상기 전자수송층 및 상기 광활성층은 동일한 알칼리금속 및 할라이드를 더 함유한다.The perovskite solar cell according to the present invention includes a substrate; A first electrode layer; An electron transport layer containing an electron transporter; A photoactive layer containing perovskite; Hole transport layer; And a second electrode layer in a sequentially stacked form, wherein the electron transport layer and the photoactive layer further contain the same alkali metal and halide.

이하 각 구성요소별로 구체적으로 설명한다.Hereinafter, each component will be described in detail.

상기 기판은 투명한 소재를 포함할 수 있으며, 예를 들어 유리, 석영 또는 전도성 플라스틱을 포함할 수 있다.The substrate may include a transparent material, and may include, for example, glass, quartz, or conductive plastic.

상기 제 1 전극층은 페로브스카이트 태양전지에 사용될 수 있는 소재를 채용할 수 있고, 예를 들어 투명 전극 소재를 사용할 수 있으며, 구체적으로 인듐틴옥사이드(ITO), 플루오린틴옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 산화아연 등의 소재를 사용할 수 있다.The first electrode layer may employ a material that can be used for a perovskite solar cell, for example, a transparent electrode material, specifically indium tin oxide (ITO), fluorin tin oxide (FTO), ZnO Materials such as -Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , tin oxide, and zinc oxide can be used.

상기 제 1 전극층의 두께는 100~200 nm일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The thickness of the first electrode layer may be 100 to 200 nm, but is not limited thereto.

상기 전자수송층은 전자수송체를 함유하며, 상기 전자수송체는 금속산화물을 포함할 수 있다. 상기 전자수송체에 함유되는 금속산화물의 구체적인 종류는 앞서 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 예시한 바와 같다.The electron transport layer contains an electron transporter, and the electron transporter may include a metal oxide. The specific types of metal oxides contained in the electron transporter are as exemplified in the method of manufacturing a perovskite solar cell.

또한 상기 광활성층은 페로브스카이트를 함유하며, 상기 페로브스카이트는 예를 들어 무기 페로브스카이트와 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트(OIHP) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the photoactive layer contains perovskite, and the perovskite may include, for example, one or more of inorganic perovskite and organic-inorganic hybrid perovskite (OIHP).

본 발명에 따르면 상기 전자수송층 및 상기 광활성층은 동일한 알칼리금속 및 할라이드를 더 함유한다.According to the present invention, the electron transport layer and the photoactive layer further contain the same alkali metal and halide.

상기 전자수송층 중의 알칼리금속의 함량은 10 중량% 내지 20 중량%일 수 있고, 구체적으로 13 중량% 내지 18 중량%일 수 있다. 또한 상기 전자수송층 중의 할라이드의 함량은 10 중량% 내지 30 중량%일 수 있고, 구체적으로 15 중량% 내지 25 중량%일 수 있다.The content of the alkali metal in the electron transport layer may be 10% to 20% by weight, and specifically 13% to 18% by weight. In addition, the content of halide in the electron transport layer may be 10% by weight to 30% by weight, and specifically 15% by weight to 25% by weight.

상기 페로브스카이트 광활성층 중의 알칼리금속의 함량은 0.001 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 또는 0.5 중량% 이상일 수 있고, 또한 5 중량% 이하, 1.5 중량% 이하, 또는 0.5 중량% 이하일 수 있다. 예를 들어 상기 페로브스카이트 광활성층 중의 알칼리금속의 함량은 0.001 중량% 내지 0.1 중량%, 0.1 중량% 내지 5 중량%, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%, 또는 0.5 중량% 내지 1.5 중량%일 수 있다. The content of the alkali metal in the perovskite photoactive layer may be 0.001% by weight or more, 0.1% by weight or more, or 0.5% by weight or more, and may be 5% by weight or less, 1.5% by weight or less, or 0.5% by weight or less. For example, the content of the alkali metal in the perovskite photoactive layer may be 0.001 wt% to 0.1 wt%, 0.1 wt% to 5 wt%, 0.1 wt% to 0.5 wt%, or 0.5 wt% to 1.5 wt% have.

또한 페로브스카이트 광활성층 중의 할라이드의 함량은 0.001 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 또는 0.5 중량% 이상일 수 있고, 또한 5 중량% 이하, 2 중량% 이하, 또는 0.5 중량% 이하일 수 있다. 예를 들어 상기 페로브스카이트 광활성층 중의 할라이드의 함량은 0.001 중량% 내지 0.1 중량%, 0.1 중량% 내지 5 중량%, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%, 또는 0.5 중량% 내지 2 중량%일 수 있다.In addition, the halide content in the perovskite photoactive layer may be 0.001% by weight or more, 0.1% by weight or more, or 0.5% by weight or more, and may be 5% by weight or less, 2% by weight or less, or 0.5% by weight or less. For example, the content of halide in the perovskite photoactive layer may be 0.001% by weight to 0.1% by weight, 0.1% by weight to 5% by weight, 0.1% by weight to 0.5% by weight, or 0.5% by weight to 2% by weight. .

상기 알칼리금속 및 할라이드의 구체적인 종류는 앞서 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 예시한 바와 같다.The specific types of the alkali metal and halide are as exemplified in the method of manufacturing a perovskite solar cell above.

예를 들어, 상기 전자수송체는 금속산화물을 포함하고, 상기 알칼리금속은 K, Li, Na 및 Cs로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하고, 상기 할라이드는 F, Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다. 이에 따라 상기 알칼리금속 할라이드 용액은 앞서 예시한 알칼리금속 성분 및 할라이드 성분의 다양한 조합을 포함할 수 있다.For example, the electron transporter includes a metal oxide, the alkali metal includes at least one selected from the group consisting of K, Li, Na, and Cs, and the halide is composed of F, Cl, Br, and I. It may include at least one selected from the group. Accordingly, the alkali metal halide solution may include various combinations of the alkali metal component and the halide component exemplified above.

구체적으로, 상기 전자수송체는 Al, Mg, In, Zn, Ga 및 Sr로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 도핑되거나 도핑되지 않은, ZnO, SnO2, TiO2 및 Al2O3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속산화물을 포함하고, 상기 알칼리금속은 K를 포함하고, 상기 할라이드는 Cl을 포함하고, 상기 페로브스카이트는 무기 페로브스카이트와 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트(OIHP) 중 1종 이상을 포함할 수 있다. Specifically, the electron transporter is a group consisting of ZnO, SnO 2 , TiO 2 and Al 2 O 3 doped or undoped with at least one selected from the group consisting of Al, Mg, In, Zn, Ga, and Sr. Contains one or more metal oxides selected from, the alkali metal contains K, the halide contains Cl, and the perovskite is an inorganic perovskite and an organic-inorganic hybrid perovskite (OIHP ) May contain one or more of.

보다 구체적인 일례로서, 상기 전자수송체는 ZnO를 포함하고, 상기 알칼리금속은 K를 포함하고, 상기 할라이드는 Cl을 포함하고, 상기 페로브스카이트는 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트(OIHP)를 포함할 수 있다.As a more specific example, the electron transporter includes ZnO, the alkali metal includes K, the halide includes Cl, and the perovskite includes an organic-inorganic hybrid perovskite (OIHP). can do.

상기 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트는 하기 식 2로 표기되는 화합물을 포함할 수 있다. The organic-inorganic hybrid perovskite may include a compound represented by Formula 2 below.

ABX3 (2)ABX 3 (2)

상기 식에서, A는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 및 메톡시기 중에서 선택된 어느 하나의 치환기를 포함하는 알킬기이고, B는 Pb, Sn 및 Ge 중에서 선택된 적어도 어느 하나이고, X는 할로겐 원소이다.In the above formula, A is an alkyl group containing any one substituent selected from an amino group, a hydroxyl group, a cyano group, a halogen group, a nitro group and a methoxy group, B is at least one selected from Pb, Sn, and Ge, and X is a halogen element to be.

구체적으로 A는 아미노기를 포함하는 알킬기이고, B는 Pb이고, X는 I일 수 있다.Specifically, A may be an alkyl group including an amino group, B may be Pb, and X may be I.

상기 정공수송층의 소재는 페로브스카이트 태양전지의 분야에서 사용되는 소재라면 제한이 없으며, 예를 들어 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT), 폴리[2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일[4,4-비스(2-에틸헥실-4H-사이클로펜타[2,1-b:3,4-b']디티오펜-2,6-디일)]](PCPDTBT), 폴리[[9-(1-옥틸노닐)-9H-카바졸-2,7-디일]-2,5-티오펜디일-2,1,3-벤조티아디아졸-4,7-디일-2,5-티오펜디일](PCDTBT), 폴리(트리아릴아민)(PTAA), 2,2',7,7'-테트라키스[N,N-디(4-메톡시페닐)아미노]-9,9'-스피로바이플루오렌(Spiro-OMeTAD) 일 수 있다.The material of the hole transport layer is not limited as long as it is a material used in the field of perovskite solar cells. For example, poly(3-hexylthiophene) (P3HT), poly[2,1,3-benzothiadiazole -4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene-2,6-diyl)]](PCPDTBT) , Poly[[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl]-2,5-thiophendiyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl- 2,5-thiophendiyl] (PCDTBT), poly(triarylamine) (PTAA), 2,2',7,7'-tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]- It may be 9,9'-spirobifluorene (Spiro-OMeTAD).

상기 제 2 전극층의 소재는 페로브스카이트 태양전지의 분야에서 사용되는 소재라면 제한이 없으며, 예를 들어 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, 전도성 고분자, 또는 이들의 조합일 수 있다. The material of the second electrode layer is not limited as long as it is a material used in the field of perovskite solar cells, for example, Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, conductive polymer, Or it may be a combination of these.

본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지는 전력변환효율이 높으면서 장기 안정성 및 매우 적은 히스테리시스를 갖는다. 구체적으로, 상기 페로브스카이트 태양전지는 21% 이상의 전력변환효율(PCE), 및 광전류에 대해 7% 이하의 히스테리시스 지수(hysteresis index)를 갖고, 실온에서 1400 시간 보관 후에, 초기 대비 80% 이상의 전력변환효율을 유지할 수 있다.The perovskite solar cell according to the present invention has high power conversion efficiency, long-term stability and very little hysteresis. Specifically, the perovskite solar cell has a power conversion efficiency (PCE) of 21% or more, and a hysteresis index of 7% or less for photocurrent, and after storage at room temperature for 1400 hours, 80% or more compared to the initial stage. Power conversion efficiency can be maintained.

또한 본 발명에 따른 페로브스카이트 태양전지는 저온 공정으로 제조가 가능하여 플라스틱 소재의 기판을 사용할 수 있고, 그 결과 유연성 면에서 향상될 수 있다. 구체적으로, 상기 페로브스카이트 태양전지는 상기 기판이 플라스틱 소재를 포함하고, 상기 페로브스카이트 태양전지는 1000회 굽힘 사이클 후 초기 대비 70% 이상의 전력변환효율을 유지할 수 있다.In addition, the perovskite solar cell according to the present invention can be manufactured by a low-temperature process, so that a plastic substrate can be used, and as a result, it can be improved in terms of flexibility. Specifically, in the perovskite solar cell, the substrate includes a plastic material, and the perovskite solar cell may maintain a power conversion efficiency of 70% or more compared to the initial stage after 1000 bending cycles.

또한, 상기 전자수송층은 알칼리금속 할라이드에 의해 개질된 것이고, 상기 광활성층은 페로브스카이트 전구체 코팅층의 어닐링에 의해 형성된 것이며, 상기 알칼리금속 할라이드가 상기 페로브스카이트 전구체 코팅층 중으로 확산되어, 상기 어닐링 후에 형성된 페로브스카이트 광활성층 내의 트랩을 패시베이션할 수 있다.In addition, the electron transport layer is modified by an alkali metal halide, the photoactive layer is formed by annealing the perovskite precursor coating layer, the alkali metal halide diffuses into the perovskite precursor coating layer, the annealing The trap in the perovskite photoactive layer formed later can be passivated.

[실시예][Example]

이하 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만 본 발명의 범주가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail by the following examples. However, the scope of the present invention is not limited by these examples.

실시예 및 이와 관련된 도면에서 사용된 약어들의 의미는 아래와 같다.The meanings of the abbreviations used in the examples and related drawings are as follows.

AM: air massAM: air mass

AR: anti-reflectionAR: anti-reflection

DLCP: drive-level-capacitance profilingDLCP: drive-level-capacitance profiling

DMF: dimethylformamideDMF: dimethylformamide

DMSO: dimethylsulfoxideDMSO: dimethylsulfoxide

DOS: density of statesDOS: density of states

EDS: electron dispersive spectroscopyEDS: electron dispersive spectroscopy

EQE: external quantum efficiencyEQE: external quantum efficiency

ETL: electron transport layerETL: electron transport layer

FA: formamidiumFA: formamidium

FE-SEM: field emission scanning electron microsopeFE-SEM: field emission scanning electron microsope

FF: fill factorFF: fill factor

FIB: focused ion beamFIB: focused ion beam

FWHM: full width at half maximumFWHM: full width at half maximum

HAABF: high-angle annular bright-fieldHAABF: high-angle annular bright-field

HTL: hole transport layerHTL: hole transport layer

IMPS: intensity-modulated photocurrent spectroscopyIMPS: intensity-modulated photocurrent spectroscopy

IMVS: intensity modulated photovoltage spectroscopyIMVS: intensity modulated photovoltage spectroscopy

IPA: isopropanolIPA: isopropanol

ITO: indium tin oxideITO: indium tin oxide

KCl-OIHP: KCl로 개질된 OIHPKCl-OIHP: OIHP modified with KCl

L-PSC: low-temperature processed PSCL-PSC: low-temperature processed PSC

L-PSC-LiCl, L-PSC-NaCl, L-PSC-KCl 및 L-PSC-CsCl: 각각 LiCl, NaCl, KCl 및 CsCl로 개질된 L-PSCL-PSC-LiCl, L-PSC-NaCl, L-PSC-KCl and L-PSC-CsCl: L-PSC modified with LiCl, NaCl, KCl and CsCl, respectively

MA: methylammoniumMA: methylammonium

MPP: maximum power pointMPP: maximum power point

OIHP: organic-inorganic hybrid (or halide) perovskiteOIHP: organic-inorganic hybrid (or halide) perovskite

PCE: power conversion efficiencyPCE: power conversion efficiency

PEN: polyethylene naphthalatePEN: polyethylene naphthalate

PL: photoluminescencePL: photoluminescence

PMT: photon multiplier tubePMT: photon multiplier tube

PSC: perovskite solar cellPSC: perovskite solar cell

SEM: scanning electron microscopySEM: scanning electron microscopy

Spiro-OMeTAD: 2,2',7,7'-tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino-9,9'-spirobifluoreneSpiro-OMeTAD: 2,2',7,7'-tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino-9,9'-spirobifluorene

ST-PL: steady-state photoluminescenceST-PL: steady-state photoluminescence

TAS: thermal admittance spectroscopyTAS: thermal admittance spectroscopy

TEM: transmission-electron-microscopyTEM: transmission-electron-microscopy

TCSPC: time-correlated single photon countingTCSPC: time-correlated single photon counting

tDOS: trap density of statestDOS: trap density of states

TPC: transient photocurrentTPC: transient photocurrent

TPV: transient photovoltageTPV: transient photovoltage

TRPL: time-resolved photoluminescenceTRPL: time-resolved photoluminescence

UPS: ultraviolet photoelectron spectroscopyUPS: ultraviolet photoelectron spectroscopy

ZnO-ETL: ZnO로 구성된 ETLZnO-ETL: ETL composed of ZnO

ZnO-LiCl, ZnO-NaCl, ZnO-KCl 및 ZnO-CsCl: 각각 LiCl, NaCl, KCl 및 CsCl로 개질된 ZnOZnO-LiCl, ZnO-NaCl, ZnO-KCl and ZnO-CsCl: ZnO modified with LiCl, NaCl, KCl and CsCl, respectively

XPS: X-ray photoelectron spectroscopyXPS: X-ray photoelectron spectroscopy

XRD: X-ray diffractionXRD: X-ray diffraction

실험 요약Experiment summary

이하 실시예 및 실험예에서, OIHP 결정 및 ZnO/OIHP 계면에서 알칼리 금속 및 Cl의 동시 도핑을 통해, 개선된 장기 안정성 및 매우 적은 히스테리시스를 갖는 고효율 ZnO 기반 L-PSC를 구현하였다. 또한 트랩-상태 분포를 모니터링함으로써, 장기 안정성의 향상과 깊은 트랩의 효율적인 패시베이션을 확인하였다.In the following examples and experimental examples, through simultaneous doping of alkali metal and Cl at the OIHP crystal and ZnO/OIHP interface, a high-efficiency ZnO-based L-PSC having improved long-term stability and very little hysteresis was implemented. In addition, by monitoring the trap-state distribution, it was confirmed that the long-term stability was improved and the effective passivation of the deep trap was observed.

그 결과, 알칼리금속 클로라이드를 사용한 ZnO/OIHP 계면의 개질 후 어닐링은 알칼리금속과 Cl을 OIHP 광활성층 내로 성공적으로 확산시켜, 얕은 트랩 및 깊은 트랩 상태를 패시베이션시켰다. 또한 OIHP 결정 및 ETL/OIHP 계면에서의 얕은 트랩 및 깊은 트랩의 효과적인 패시베이션은, L-PSC의 장기 안정성을 향상시키고 히스테리시스를 현저히 줄여주었다. As a result, the annealing after modification of the ZnO/OIHP interface using alkali metal chloride successfully diffused the alkali metal and Cl into the OIHP photoactive layer to passivate the shallow trap and deep trap states. In addition, the effective passivation of shallow and deep traps at the OIHP crystal and ETL/OIHP interface improved the long-term stability of L-PSC and significantly reduced hysteresis.

그에 따라 ZnO 기반 L-PSC의 PCE, 광전류 히스테리시스 및 장기 안정성이 동시에 개선되었고, 구체적으로, KCl 개질된 L-PSC(L-PSC-KCl)는 매우 적은 광전류 히스테리시스 및 22.3%의 PCE를 달성하였다. Accordingly, PCE, photocurrent hysteresis and long-term stability of ZnO-based L-PSC were simultaneously improved, and specifically, KCl-modified L-PSC (L-PSC-KCl) achieved very little photocurrent hysteresis and PCE of 22.3%.

특히 L-PSC-KCl은 깊은 트랩의 효율적인 패시베이션으로 인해 대기 하에서 우수한 장기 안정성(> 1400 시간 후 초기 PCE의 90% 유지)을 나타내었으며, 이는 미개질 대조군(> 1400 시간 후 초기 PCE의 10% 미만 유지)과 비교하여 훨씬 개선된 것이다.In particular, L-PSC-KCl exhibited excellent long-term stability in the atmosphere (> 90% of the initial PCE after 1400 hours) due to the efficient passivation of the deep trap, which is less than 10% of the initial PCE after the unmodified control (> 1400 hours). It is much improved compared to Yuji).

또한 본 발명에 따른 저온 가공성의 이점을 활용하여 ITO/PEN 기판을 사용한 유연 L-PSC도 제조하였으며, 제조된 유연 L-PSC는 높은 성능(PCE=19.6%, 및 1000회 굽힘 사이클 후 80% 유지)이 확인되었다.In addition, a flexible L-PSC using an ITO/PEN substrate was also manufactured by taking advantage of the low-temperature processability according to the present invention. ) Was confirmed.

재료material

실시예에서 사용되는 아세트산아연 이수화물, 에탄올아민, 2-메톡시에탄올, 알칼리 클로라이드, 이소프로판올(IPA), 디메틸 포름아미드(DMF) 및 디메틸 설폭사이드(DMSO)는 모두 시그마 알드리치(Sigma Aldrich)로부터 구입하였다. 포름아미듐 요오다이드(FAI), 메틸-암모늄 브로마이드(MABr) 및 메틸-암모늄 요오다이드는 그레이트셀솔라(Greatcellsolar)에서 구입하였다. 요오드화납(II)은 알파 애서(Alfa Aesar)로부터 구입하였다. 스피로-OMeTAD는 보런 뉴 머티리얼(Borun New Material)에서 구입하였다.Zinc acetate dihydrate, ethanolamine, 2-methoxyethanol, alkali chloride, isopropanol (IPA), dimethyl formamide (DMF) and dimethyl sulfoxide (DMSO) used in the examples were all purchased from Sigma Aldrich. I did. Formamidium iodide (FAI), methyl-ammonium bromide (MABr) and methyl-ammonium iodide were purchased from Greatcellsolar. Lead(II) iodide was purchased from Alfa Aesar. Spiro-OMeTAD was purchased from Borun New Material.

실시예 1. 페로브스카이트 태양전지(PSC)의 제조Example 1. Manufacture of perovskite solar cell (PSC)

반사 방지 코팅된 ITO/유리 기판을 아세톤 및 IPA로 각각 15분씩 순차적으로 세정하고, 20분 동안 자외선 오존으로 세정하였다. 이후 ITO/유리 기판 위에 ZnO 졸-겔 용액을 스핀코팅(2000 rpm, 15초)하고, 130℃에서 30분 동안 어닐링하여 두께 40 nm의 ZnO 층을 형성하였다. 알칼리금속 클로라이드(LiCl, NaCl, KCl 또는 CsCl)가 탈이온수 중에 0~15 mM 농도 범위로 용해된 용액에, 앞서 형성한 ZnO 층을 1분 동안 침지시킨 다음, ZnO 층을 탈이온수로 간단히 세척하고, 100℃에서 10분 동안 어닐링시켜 과량의 용매를 제거하였다.The anti-reflective coated ITO/glass substrate was sequentially washed with acetone and IPA for 15 minutes, respectively, and washed with ultraviolet ozone for 20 minutes. Then, a ZnO sol-gel solution was spin-coated on the ITO/glass substrate (2000 rpm, 15 seconds), and annealed at 130° C. for 30 minutes to form a ZnO layer having a thickness of 40 nm. In a solution in which an alkali metal chloride (LiCl, NaCl, KCl or CsCl) is dissolved in deionized water in a concentration range of 0-15 mM, the previously formed ZnO layer is immersed for 1 minute, and then the ZnO layer is simply washed with deionized water. , Annealed at 100° C. for 10 minutes to remove excess solvent.

이어서 개질된 ZnO-ETL 상에 MAxFA1-xPb(IxBr1-x)3 기반 OIHP 층을 형성하였다. 1.5 mM PbI2 용액(DMF/DSMO(9:1) 용매)을 75℃에서 밤새 가열하고, 앞서 얻은 개질된 ZnO 층 상에 스핀코팅(2500 rpm, 30초)한 후 80℃에서 2분 동안 어닐링하여 PbI2 층을 형성하였다. 실온으로 냉각 후, PbI2 층을 FAI/MAI/MABr의 혼합 용액(30 mL IPA 중 2700 mg:120 mg:120 mg)에 침지시키고, 80℃에서 2분 동안 어닐링하여 페로브스카이트 층을 형성하였다. 냉각 후 페로브스카이트 층 위에 IPA를 드롭 캐스팅(4000 rpm, 20초)하여 세척한 다음, 120℃에서 어닐링하고 20분 동안 진공(10-4 Torr) 하에서 처리하였다. Subsequently, an OIHP layer based on MA x FA 1-x Pb(I x Br 1-x ) 3 was formed on the modified ZnO-ETL. 1.5 mM PbI 2 solution (DMF/DSMO (9:1) solvent) was heated at 75° C. overnight, spin-coated (2500 rpm, 30 seconds) on the modified ZnO layer obtained previously, and then annealed at 80° C. for 2 minutes. Thus, a PbI 2 layer was formed. After cooling to room temperature, the PbI 2 layer was immersed in a mixed solution of FAI/MAI/MABr (2700 mg:120 mg:120 mg in 30 mL IPA) and annealed at 80°C for 2 minutes to form a perovskite layer. I did. After cooling, IPA was drop-casted on the perovskite layer (4000 rpm, 20 seconds) to wash, then annealed at 120° C. and treated under vacuum (10 -4 Torr) for 20 minutes.

처리된 샘플을 다음 공정을 위해 질소 가스 충전 글로브 박스로 옮겼다. 1 mL 클로로벤젠 중의 정공 수송(스피로-OMeTAD) 용액(65 mg/mL)을 스핀코팅하였다(30초 동안 4000 rpm). 이 용액은 70 μL의 비스(트리플루오로메탄)설폰이미드 리튬(Li-TFSI; 아세토니트릴 중 170 mg/mL) 및 20 μL의 3급-부틸피리딘(TBP)을 첨가제로서 함유하였다. 최종 단계를 위해, 100 nm 두께의 Au 층을 저압(< 10-6 Torr)에서 증발시켰다. The treated samples were transferred to a nitrogen gas filled glove box for the next process. A solution of hole transport (spiro-OMeTAD) (65 mg/mL) in 1 mL chlorobenzene was spin coated (4000 rpm for 30 seconds). This solution contained 70 μL of bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium (Li-TFSI; 170 mg/mL in acetonitrile) and 20 μL of tert-butylpyridine (TBP) as additives. For the final step, a 100 nm thick Au layer was evaporated at low pressure (< 10 -6 Torr).

이후 시험을 위해, 흑색 금속 마스크를 사용하여 활성 면적을 대면적(1.12 cm2) 또는 소면적(0.0518 cm2)으로 설정하였다.For subsequent tests, the active area was set to a large area (1.12 cm 2 ) or a small area (0.0518 cm 2 ) using a black metal mask.

실험예 1. 알칼리금속 클로라이드 개질Experimental Example 1. Alkali metal chloride modification

본 실험예에서는 알칼리금속 클로라이드(LiCl, NaCl, KCl, CsCl) 용액에 의해 ZnO-ETL의 표면이 개질됨으로써, ZnO/OIHP 계면이 패시베이션된 것을 평가하였다. SEM 이미지의 EDS 맵핑(도 1의 A 참조) 및 XPS 분석(도 7 참조)을 통해, 전체 ZnO 표면에 걸친 균일한 개질이 확인되었다. 보다 높은 결합 에너지로의 Zn 2p XPS 피크의 이동은 Cl이 Zn에 직접 결합되었음을 나타내었다(도 7의 H 참조). 개질된 ZnO-ETL 내의 알칼리금속(14.5±0.2%, 도 7의 G 참조) 및 Cl(19.6±0.4%, 도 7의 F)의 함량은 모든 샘플에서 유사했다.In this experimental example, it was evaluated that the ZnO/OIHP interface was passivated by modifying the surface of ZnO-ETL with an alkali metal chloride (LiCl, NaCl, KCl, CsCl) solution. Through EDS mapping of the SEM image (see Fig. 1A) and XPS analysis (see Fig. 7), uniform modification across the entire ZnO surface was confirmed. The shift of the Zn 2p XPS peak to a higher binding energy indicated that Cl was directly bound to Zn (see H in FIG. 7). The contents of alkali metal (14.5±0.2%, see G in FIG. 7) and Cl (19.6±0.4%, F in FIG. 7) in the modified ZnO-ETL were similar in all samples.

산소-결핍 ZnO 결함은 O 1s XPS 스펙트럼에서 확인할 수 있었다(도 8의 A 내지 F 참조). 개질된 ZnO 층에서 더 높은 결합 에너지 피크의 상당히 감소된 강도는 산소-결핍 결함의 효과적인 패시베이션을 나타냈다. 가시광 파장(450~700 nm)에서 ZnO 결함과 관련된 PL 방출은 개질에 의해 실질적으로 감소되었다(도 8의 G 참조). 결함과 관련된 PL 방출 감소는 KCl로 개질된 ZnO(ZnO-KCl) 샘플에서 가장 두드러졌다. 비교를 위해, Cl 혼입은 유사하지만 알칼리금속을 함유하지 않은 NH4Cl 개질 ZnO-ETL(ZnO-NH4Cl) 샘플을 제조하였다. ZnO-NH4Cl은 유사한 Cl 도핑 수준을 나타내었지만(도 7의 F 참조), 개질된 ZnO-ETL 중에서 가장 높은 가시광 PL 방출을 나타냈다. 이는 알칼리금속과 Cl의 동시 개질로 인해, Cl 단독인 경우에 비해, 훨씬 더 효율적인 계면 결함 패시베이션이 일어났음을 말해준다. Oxygen-deficient ZnO defects were found in the O 1s XPS spectrum (see A to F in Fig. 8). The significantly reduced intensity of the higher binding energy peaks in the modified ZnO layer indicated effective passivation of oxygen-deficient defects. At the visible wavelength (450-700 nm), the PL emission associated with the ZnO defect was substantially reduced by the modification (see G in FIG. 8). The defect-related reduction in PL emission was most pronounced in the ZnO (ZnO-KCl) samples modified with KCl. For comparison, a sample of NH 4 Cl modified ZnO-ETL (ZnO-NH 4 Cl) with similar Cl incorporation but no alkali metal was prepared. ZnO-NH 4 Cl showed a similar Cl doping level (see FIG. 7 F), but showed the highest visible PL emission among the modified ZnO-ETLs. This indicates that due to the simultaneous modification of the alkali metal and Cl, a much more efficient interfacial defect passivation occurred compared to the case of Cl alone.

아래 표에 다양한 개질 조건에서의 L-PSC-KCl의 성능을 정리하였다.The table below summarizes the performance of L-PSC-KCl under various reforming conditions.

L-PSC-KClL-PSC-KCl PCE(%)PCE (%) V OC(V) V OC (V) J SC(mAcm-2) J SC (mAcm -2 ) FF(%)FF(%) 0 mM0 mM 18.418.4 1.121.12 22.422.4 7373 2 mM2 mM 19.519.5 1.131.13 23.023.0 7676 10 mM10 mM 21.221.2 1.151.15 23.323.3 7979 15 mM15 mM 21.621.6 1.151.15 23.523.5 8080 20 mM20 mM 19.619.6 1.141.14 22.722.7 7676

상기 실시예 1에서 MAxFA1-xPb(IxBr1-x)3 기반 OIHP 층이 2단계 상호 확산 증착법(inter-diffusion deposition)을 통해, 개질된 ZnO 상에 형성되었다. 정상 상태 PL 방출 스펙트럼 및 TCSPC 분석 결과는 계면 결함 패시베이션(도 9 및 표 1 참조)으로 인해 개질된 ZnO/OIHP에서 향상된 전하 전달을 나타냈다. 특히, 개질된 ZnO상에 제조된 OIHP 층은 SEM 이미지에서 볼 수 있는 바와 같이 더 큰 결정 입자를 나타냈다(도 10 참조). KCl 개질된 OIHP 샘플의 평균 입자 크기는 약 450 nm였고, 미개질된 샘플의 평균 입자 크기는 약 300 nm였다. 또한, X-선 회절(XRD) 스펙트럼에서, 개질된 OIHP 샘플은 더 작은 (001) PbI2 피크를 갖는 보다 발달된 (110), (220), (310) 페로브스카이트 피크를 나타냈다(도 1의 B 참조). In Example 1, an OIHP layer based on MA x FA 1-x Pb (I x Br 1-x ) 3 was formed on the modified ZnO through a two-step inter-diffusion deposition method. Steady state PL emission spectra and TCSPC analysis results showed improved charge transfer in the modified ZnO/OIHP due to interfacial defect passivation (see Fig. 9 and Table 1). In particular, the OIHP layer prepared on the modified ZnO showed larger crystal grains as can be seen in the SEM image (see Fig. 10). The average particle size of the KCl modified OIHP sample was about 450 nm, and the average particle size of the unmodified sample was about 300 nm. In addition, in the X-ray diffraction (XRD) spectrum, the modified OIHP samples showed more developed (110), (220), (310) perovskite peaks with smaller (001) PbI 2 peaks (Fig. 1, B).

LiCl, NaCl, KCl 또는 CsCl로 개질된 샘플로부터 측정된 페로브스카이트 (110) 피크의 반값 전폭(FWHM)은 각각 0.24±0.02°, 0.22±0.02°, 0.18±0.02° 및 0.19±0.02°였고, 대조군 샘플 값은 0.28±0.02°였으며(도 11 참조), 이는 SEM 이미지로부터의 결정 입자 크기에 따른 것이다. 이러한 결과로부터 알칼리 클로라이드 개질이 실제로 OIHP 층의 품질에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 특히, 개질된 샘플에서 2θ 값을 낮추기 위한 (310) 페로브스카이트 결정 평면 피크의 명백한 이동을 확인할 수 있었다(도 1의 B 우측 도면 참조). 이 격자 팽창은 OIPH 결정 격자 내에서 알칼리성 양이온의 간극 점유로부터 비롯된 것으로 보인다.The half-value full width (FWHM) of the perovskite (110) peak measured from a sample modified with LiCl, NaCl, KCl or CsCl was 0.24±0.02°, 0.22±0.02°, 0.18±0.02°, and 0.19±0.02°, respectively. , The control sample value was 0.28±0.02° (see Fig. 11), which is dependent on the crystal grain size from the SEM image. From these results, it can be seen that the alkali chloride modification actually affects the quality of the OIHP layer. In particular, a clear shift of the (310) perovskite crystal plane peak to lower the 2θ value in the modified sample was confirmed (refer to the right figure B of FIG. 1). This lattice expansion appears to result from the occupancy of the pores of alkaline cations within the OIPH crystal lattice.

아래 표에 TCSPC 분석의 매개 변수를 요약하였다.The parameters of the TCSPC analysis are summarized in the table below.

구 분division TCSPC 분석TCSPC analysis τ1(f 1)/nsτ 1 ( f 1 )/ns τ2(f 2)/nsτ 2 ( f 2 )/ns ZnO/OIHPZnO/OIHP 7.21/0.517.21/0.51 147.71/0.49147.71/0.49 LiClLiCl 6.61/0.566.61/0.56 109.05/0.44109.05/0.44 NaClNaCl 4.19/0.774.19/0.77 105.36/0.23105.36/0.23 KClKCl 2.73/0.862.73/0.86 96.24/0.1496.24/0.14 CsClCsCl 3.49/0.793.49/0.79 87.30/0.2187.30/0.21

TEM 및 EDS 맵핑 결과(도 1의 C 참조)에서 볼 수 있듯이, K 및 Cl 원자는 둘 다 개질된 OIHP 층 전체에 효과적으로 확산되었지만, 대조군 샘플에서는 K 또는 Cl 원자가 검출되지 않았다(도 12 참조). 분포를 추가로 확인하기 위해, 샘플의 XPS 깊이 프로파일링을 수행하였다. OIHP 층 전체에 걸친 K 및 Cl 원자의 침투는 도 1의 D에서 볼 수 있는 바와 같이 확인되었다. K 및 Cl 원자의 확산은 개질 KCl 용액의 농도에 의존하였다. 저농도 KCl 용액(2 mM)을 사용한 개질된 샘플에서는, K 및 Cl이 OIHP 층 내로 침투할 수 없었으며 주로 ZnO/OIHP 계면에 존재하였다(도 13 참조). 이 결과는 ZnO 층상의 잔류 KCl이 OIHP 어닐링 단계 동안 OIHP 층 내로 확산되었음을 보여주었다.As can be seen from the TEM and EDS mapping results (see C in FIG. 1), both K and Cl atoms were effectively diffused throughout the modified OIHP layer, but no K or Cl atoms were detected in the control sample (see FIG. 12). To further confirm the distribution, XPS depth profiling of the samples was performed. The penetration of K and Cl atoms throughout the OIHP layer was confirmed as can be seen in FIG. 1D. The diffusion of K and Cl atoms was dependent on the concentration of the modified KCl solution. In the modified sample using a low concentration KCl solution (2 mM), K and Cl could not penetrate into the OIHP layer and were mainly present at the ZnO/OIHP interface (see Fig. 13). This result showed that residual KCl on the ZnO layer diffused into the OIHP layer during the OIHP annealing step.

실험예 2. 계면 및 내부 트랩 부위에 대한 개질의 효과Experimental Example 2. Effect of Modification on Interface and Internal Trap Site

PL 방출 맵핑을 이용하여 OIHP 층 내의 트랩 패시베이션에 대한 개질의 효과를 조사하였다. 유리 기판 상에 KCl 개질된 OIHP 층(KCl-OIHP)은 트랩 상태에 의해 야기된 비방사성 재조합의 억제로 인해 미개질 샘플(청색)에 비해 PL 방출 강도(적색)가 더 높았다(도 2의 A 참조). PL 방출 이미지는 두 샘플에서 비교적 넓은 면적(20 ㎛ × 20 ㎛)에 걸친 균일한 개질을 보여주었다. 또한, PL 방출의 청색-이동은 도 15의 B에 도시된 바와 같이 트랩 상태 패시베이션으로 인해 KCl-OIHP 샘플에서 관찰되었다(도 15의 A 참조). 도 15의 C 및 D에서 보듯이, 미개질 샘플의 PL 방출은 817nm에서 가장 많이 이루어진 반면, KCl 개질된 샘플의 PL 방출은 811 nm에 있었다. 이 청색 이동은 KCl 개질에 의한 내부 트랩 상태 패시베이션에 기인한다. 또한 TCSPC 분석 결과(도 2의 B 참조)는 미개질 OIHP(89.1 ns)와 비교하여 KCl-OIHP(195.9 ns)에서 더 긴 PL 감쇠 수명으로 인한 트랩 감소를 보여주었다. OIHP 층의 tDOS는 반도체 박막에서 잘 확립된 기술인 DLCP를 이용하여 정량화되었다. 도 2의 C는 KCl-OIHP 층의 저변조된 주파수 영역에서의 tDOS가 미개질된 대조군 샘플(1.2×1018 cm-3)의 것보다 더 낮음(1.1×1017 cm-3)을 보여주었다. 이러한 결과는 K 및 Cl의 확산 및 간극 점유가 OIHP 층의 내부 트랩 상태를 효과적으로 감소시켰음을 시사한다. 도 16은 다양한 조건으로 개질된 L-PSC-KCl의 J-V 곡선으로서, 10~15 mM의 용액 농도 범위에서 KCl 개질이 우수함을 알 수 있다.PL emission mapping was used to investigate the effect of the modification on trap passivation in the OIHP layer. The KCl-modified OIHP layer (KCl-OIHP) on the glass substrate had a higher PL emission intensity (red) compared to the unmodified sample (blue) due to inhibition of non-radioactive recombination caused by the trap state (Fig. 2A Reference). The PL emission images showed uniform modification over a relatively large area (20 μm×20 μm) in both samples. In addition, the blue-shift of PL emission was observed in the KCl-OIHP sample due to trap state passivation as shown in FIG. 15B (see FIG. 15A). As shown in Fig. 15C and D, the PL emission of the unmodified sample was most at 817 nm, while the PL emission of the KCl modified sample was at 811 nm. This blue shift is due to the internal trap state passivation by KCl modification. In addition, the TCSPC analysis results (see FIG. 2B) showed a reduction in trap due to a longer PL decay life in KCl-OIHP (195.9 ns) compared to unmodified OIHP (89.1 ns). The tDOS of the OIHP layer was quantified using DLCP, a well-established technique in semiconductor thin films. 2C showed that the tDOS in the low-modulated frequency domain of the KCl-OIHP layer was lower than that of the unmodified control sample (1.2×10 18 cm −3 ) (1.1×10 17 cm −3 ). . These results suggest that the diffusion of K and Cl and the occupancy of the gaps effectively reduced the internal trap state of the OIHP layer. 16 is a JV curve of L-PSC-KCl modified under various conditions, it can be seen that KCl modification is excellent in a solution concentration range of 10 to 15 mM.

실험예 3. L-PSC의 성능Experimental Example 3. Performance of L-PSC

평면 구조의 L-PSC 소자(ITO/ZnO/OIHP/스피로-OMeTAD/Au, 도 3의 A 참조)를 제조하고 특성화하였다. 모든 증착 공정은 대기 중에서 130℃ 미만에서 수행되었다. 개질되지 않은 L-PSC의 PCE는 18.9%의 안정화된 전력 출력으로 역방향 스캔 하에서 19.4%였으며, 이는 다른 보고된 ZnO 기반 PSC의 PCE에 필적할만하였다. 알칼리금속 클로라이드로 개질된 L-PSC의 PCE는 실질적으로 개선되었다(도 3의 C 및 표 1 참조). KCl 개질된 L-PSC(L-PSC-KCl)는 22.3%(V OC 1.16 V, J SC 23.9 mAcm-2, FF 80%)의 최대 PCE를 달성하였고, 전체 가시광 영역에서의 EQE도 종래보다 높았다(도 17 참조). 특히, L-PSC-KCl(Eg/q - V OC)의 V OC 손실(여기서 Eg는 EQE 컷오프(1.52 eV)의 밴드 갭이고, q는 기본 전하)은 0.36 V에 불과하였다. 이는 보고된 PSC 중에서 가장 낮은 V OC 손실 값 중 하나이다. J-V 분석의 J SC 값은 <1% 불일치로 EQE 분석의 계산된 J SC 값과 잘 일치하여 분석 결과의 신뢰성을 확인할 수 있었다. 아래 표 3에 L-PSC의 성능 평가 결과를 요약하였다. 30개 샘플로부터의 V OC 및 PCE 값의 통계 분석 결과는 각각 도 3의 E 및 도 3의 F에 나타내었다.A planar structure L-PSC device (ITO/ZnO/OIHP/spiro-OMeTAD/Au, see FIG. 3A) was fabricated and characterized. All deposition processes were performed at less than 130° C. in air. The PCE of the unmodified L-PSC was 19.4% under reverse scan with a stabilized power output of 18.9%, which was comparable to that of other reported ZnO based PSCs. The PCE of L-PSC modified with alkali metal chloride was substantially improved (see Fig. 3C and Table 1). KCl-modified L-PSC (L-PSC-KCl) achieved a maximum PCE of 22.3% (V OC 1.16 V, J SC 23.9 mAcm -2 , FF 80%), and the EQE in the entire visible region was also higher than before. (See Fig. 17). In particular, the V OC loss of L-PSC-KCl (E g / q - V OC ) (where E g is the band gap of the EQE cutoff (1.52 eV) and q is the basic charge) was only 0.36 V. This is one of the lowest V OC loss values among the reported PSCs. The J SC value of the JV analysis was inconsistent with <1%, and was in good agreement with the calculated J SC value of the EQE analysis, confirming the reliability of the analysis result. Table 3 below summarizes the performance evaluation results of L-PSC. Statistical analysis results of V OC and PCE values from 30 samples are shown in Fig. 3E and Fig. 3F, respectively.

구 분division PCE(%)PCE (%) V OC (V) V OC (V) J SC (mAcm-2) J SC (mAcm -2 ) FF(%)FF(%) EQE로부터의 적분된 J SC(mAcm-2) Integrated J SC from EQE (mAcm -2 ) 대조군 L-PSCControl L-PSC 19.419.4 1.121.12 23.223.2 7474 22.922.9 L-PSC-LiClL-PSC-LiCl 20.920.9 1.141.14 23.623.6 7777 23.323.3 L-PSC-NaClL-PSC-NaCl 21.221.2 1.151.15 23.723.7 7777 23.523.5 L-PSC-KClL-PSC-KCl 22.322.3 1.161.16 23.923.9 8080 23.823.8 L-PSC-CsClL-PSC-CsCl 21.821.8 1.161.16 23.923.9 7878 23.723.7

PSC의 전하 수집 특성에 대한 내부 및 계면 트랩 패시베이션의 효과를 다양한 분석 기술을 통해 밝혔다. TPV/TPC 분광법을 수행하여 전하 재결합 수명(τrec) 및 전하 수송 시간(τct)을 결정하였다. 하기 표 4에 TPV/TPC 분석 결과를 정리하였다. 하기 표 4에서 보듯이, 개질된 L-PSC는 개질되지 않은 L-PSC보다 더 긴 τrec 및 더 짧은 τct 지속 시간을 나타냈다. L-PSC-KCl의 τrec는 미개질 L-PSC(121 μs)에 비해 1.69배 길었던(204 μs) 반면, L-PSC-KCl의 경우 τct는 미개질 L-PSC(2.2 μs)보다 1.29배 짧았다(1.7 μs). 이러한 결과는 알칼리금속 클로라이드 개질에 의한 트랩 패시베이션(내부 및 계면)이 L-PSC의 전하 추출을 효과적으로 개선시켰음을 의미한다. The effect of internal and interfacial trap passivation on the charge collection characteristics of PSC was revealed through various analysis techniques. TPV/TPC spectroscopy was performed to determine charge recombination lifetime (τ rec ) and charge transport time (τ ct ). The TPV/TPC analysis results are summarized in Table 4 below. As shown in Table 4 below, the modified L-PSC showed a longer τ rec and a shorter τ ct duration than the unmodified L-PSC. Τ rec of L-PSC-KCl was 1.69 times longer (204 μs) than that of unmodified L-PSC (121 μs), whereas τ ct of L-PSC-KCl was 1.29 than that of unmodified L-PSC (2.2 μs). It was fold short (1.7 μs). These results indicate that trap passivation (internal and interfacial) by alkali metal chloride modification effectively improved the charge extraction of L-PSC.

구 분division TPV로부터의 τrec(μs) Τ rec from TPV (μs) TPC로부터의 τct(μs) Τ ct from TPC (μs) 대조군 L-PSCControl L-PSC 121121 2.22.2 L-PSC-LiClL-PSC-LiCl 172172 2.02.0 L-PSC-NaClL-PSC-NaCl 187187 1.91.9 L-PSC-KClL-PSC-KCl 204204 1.71.7 L-PSC-CsClL-PSC-CsCl 196196 1.81.8

특히, L-PSC-KCl은 미개질 L-PSC에 비해 현저히 낮은 광전류 히스테리시스를 달성했다(도 20 참조). 히스테리시스는 역방향 및 정방향 스캔 방향 모두에서 PCE를 측정하고 다음 수학식을 사용하여 HI 지수(HI index)를 계산함으로써 분석되었다:In particular, L-PSC-KCl achieved significantly lower photocurrent hysteresis compared to unmodified L-PSC (see Fig. 20). Hysteresis was analyzed by measuring PCE in both the reverse and forward scan directions and calculating the HI index using the following equation:

Figure pat00001
Figure pat00001

하기 표 5에 히스테리시스 지수 측정 결과를 정리하였다. 하기 표 5에서 보듯이, L-PSC-KCl의 HI-지수는 0.9%를 달성한 반면, 미개질 L-PSC는 9.4%였다. L-PSC-KCl의 HI 지수(0.9%)는 보고된 PSC 중에서 가장 낮은 값 중 하나였다.The hysteresis index measurement results are summarized in Table 5 below. As shown in Table 5 below, the HI-index of L-PSC-KCl achieved 0.9%, while the unmodified L-PSC was 9.4%. The HI index (0.9%) of L-PSC-KCl was one of the lowest reported PSCs.

구 분division 스캔 방향Scan direction PCE(%)PCE (%) V OC (V) V OC (V) J SC (mAcm-2) J SC (mAcm -2 ) FF(%)FF(%) H-지수(%)H-index (%) 대조군 L-PSCControl L-PSC 역방향Reverse 19.119.1 1.121.12 23.223.2 7373 9.49.4 정방향Forward direction 17.317.3 1.051.05 23.223.2 7272 L-PSC-LiClL-PSC-LiCl 역방향Reverse 20.820.8 1.141.14 23.723.7 7777 5.85.8 정방향Forward direction 19.619.6 1.111.11 23.523.5 7575 L-PSC-NaClL-PSC-NaCl 역방향Reverse 21.021.0 1.141.14 23.823.8 7878 4.84.8 정방향Forward direction 20.020.0 1.111.11 23.823.8 7676 L-PSC-KClL-PSC-KCl 역방향Reverse 22.222.2 1.151.15 24.024.0 8080 0.90.9 정방향Forward direction 22.022.0 1.151.15 23.923.9 7979 L-PSC-CsClL-PSC-CsCl 역방향Reverse 21.821.8 1.151.15 23.923.9 7979 1.41.4 정방향Forward direction 21.521.5 1.141.14 23.823.8 7979

실험예 4. 광전류 히스테리시스에 대한 알칼리 클로라이드의 효과Experimental Example 4. Effect of alkali chloride on photocurrent hysteresis

광전류 히스테리시스는 종종 전하 캐리어의 트래핑 및 디트랩핑(de-trapping)으로 인한 계면에서의 전하 축적에 의해 야기되었다. L-PSC의 ZnO/OIHP 계면에서 전하 축적을 평가하기 위해 다양한 조도에서 커패시턴스-전압(C p -V)을 측정했다(도 4의 A 및 B 참조). 조도와 관련하여 역 바이어스 하에서 피크 전위(V peak)의 이동은 계면 전하 축적 정도를 반영하였으며, 이는 도 4의 D에 도시된 바와 같이 계면 전하 트랩핑에 기인하였다. L-PSC-KCl에서의 V peak의 미미한 이동(도 4의 B 참조)은 미개질 L-PSC(더 큰 V peak 이동) 대비 낮은 전하 축적(더 작은 전하 트랩핑)을 불러왔고, 이는 L-PSC-KCl에서 광전류 히스테리시스의 현저한 감소로 이어졌다.Photocurrent hysteresis is often caused by charge accumulation at the interface due to trapping and de-trapping of charge carriers. To evaluate the charge accumulation at the ZnO/OIHP interface of the L-PSC, the capacitance-voltage ( C p -V ) was measured at various illuminances (see A and B in Fig. 4). In relation to the illuminance , the shift of the peak potential (V peak ) under reverse bias reflected the degree of interfacial charge accumulation, which was due to interfacial charge trapping as shown in FIG. 4D. The slight shift of V peak in L-PSC-KCl (see Fig. 4B) resulted in lower charge accumulation (smaller charge trapping) compared to unmodified L-PSC (larger V peak shift), which is L- It led to a significant reduction in photocurrent hysteresis in PSC-KCl.

이온 이동 거동에 대한 개질 효과를 연구하기 위해, 온도-의존 전도율 측정 장치(도 21 참조)를 이용하여 이온 이동을 위한 활성화 에너지(E a)를 결정하였다. 다양한 온도에서의 전도율 값을 암 조건에서 I-V 곡선으로부터 추출한 다음, 이로부터 하기 Nernst-Einstein 식을 이용하여 활성화 에너지를 계산하였다:In order to study the effect of modification on the ion migration behavior, an activation energy ( E a ) for ion migration was determined using a temperature-dependent conductivity measuring device (see FIG. 21). Conductivity values at various temperatures were extracted from the IV curve in dark conditions, and then the activation energy was calculated from this using the following Nernst-Einstein equation:

Figure pat00002
Figure pat00002

여기에서, k는 볼츠만(Boltzmann) 상수이고, σo는 상수이며, T는 온도이다.Where k is the Boltzmann constant, σ o is the constant, and T is the temperature.

대조군 미개질 샘플의 E a 값은 이전에 보고된 값과 유사한 0.17 eV이었던 반면, KCl 개질된 샘플의 E a 값은 0.23 eV로 증가하여, 개질된 OIHP 층에서 이온 이동에 대한 에너지 장벽의 현저한 향상을 보여주었다. The E a value of the control unmodified sample was 0.17 eV, similar to the previously reported value, whereas the E a value of the KCl modified sample increased to 0.23 eV, a significant improvement of the energy barrier to ion migration in the modified OIHP layer. Showed.

트랩-상태에서의 분포를 추가로 알아보기 위해, TAS를 수행하였다. TAS로부터의 tDOS 프로파일링은 잘 확립되었고 박막에서 얕은 트랩 및 깊은 트랩의 분포를 효과적으로 보여주었다. 도 5의 A는 TAS로부터의 에너지 결함 레벨에 대한 tDOS(N T로 표시)를 보여주는데, 이는 하기 식으로부터 계산되었다:To further investigate the distribution in the trap-state, TAS was performed. The t DOS profiling from TAS was well established and effectively showed the distribution of shallow traps and deep traps in the thin film. Figure 5A shows the t DOS ( expressed as N T ) versus the energy defect level from TAS, which was calculated from the following equation:

Figure pat00003
Figure pat00003

여기에서, C는 커패시턴스이고, ω는 각주파수(angular frequency)이며, q는 기본 전하이고, k B는 볼츠만 상수이고, T는 온도이다. V biW는 각각 공간 전하 영역에서의 내장 전위 및 공핍(depletion) 폭으로서, 도 22의 Mott-Schottky 곡선에서 얻은 것이다. 에너지 결함 레벨은 적용된 각주파수 의존성으로 정의되었다:Here, C is the capacitance, ω is the angular frequency, q is the fundamental charge, k B is the Boltzmann constant, and T is the temperature. V bi and W are the built-in potential and depletion width in the space charge region, respectively, obtained from the Mott-Schottky curve of FIG. 22. The energy defect level was defined as the applied angular frequency dependence:

Figure pat00004
Figure pat00004

여기에서, w0은 탈출 시도 각주파수이다. Here, w 0 is the angular frequency of the escape attempt.

실험예 5. 트랩 상태 및 안정성 분석Experimental Example 5. Trap State and Stability Analysis

도 5의 A에서, 밴드 1은 얕은 트랩과 관련이 있는 한편, 밴드 2와 밴드 3은 깊은 트랩에 대한 것이다. 얕은 트랩은 입자 경계의 트랩과 관련이 있는 반면, 영역 사이의 더 깊은 트랩은 표면의 결함에 해당된 것으로 보고되어 있다. 대조군 샘플의 트랩 밀도는 얕은 트랩 영역과 깊은 트랩 영역 모두에서 개질된 샘플보다 훨씬 높았다(1017~1018 cm-3). L-PSC-KCl은 가장 낮은 트랩 밀도(얕음 및 깊음)를 보였으며, 이는 K 및 Cl에 의한 이중 패시베이션 효과가 계면 및 OIHP 결정 내에서 트랩의 패시베이션에 가장 효율적이었음을 보여준다. 도 23은 TPV/TPC 분석에 의한 트랩 밀도를 나타낸 것이다. KCl 개질-기반 샘플은 두 가지 결과 모두에서 가장 낮은 트랩 밀도 상태를 보였으며, 이는 다양한 방법을 이용한 KCl 개질에 의한 트랩 상태 감소의 일관성을 나타낸다. DLCP(도 2의 C 참조) 및 TPV/TPC 분석(도 23 및 표 6 참조)과 같은 다양한 기술에 의해 결정된 tDOS 값은 TAS 분석 결과와 잘 일치하였다. 하기 표에 TPV/TPC 분석에서 얻은 트랩 상태 밀도를 정리하였다.In Fig. 5A, band 1 is associated with shallow traps, while bands 2 and 3 are for deep traps. Shallow traps have been reported to be associated with grain boundary traps, while deeper traps between regions have been reported to correspond to surface defects. The trap density of the control sample was much higher than that of the modified sample in both the shallow and deep trap areas (10 17 -10 18 cm -3 ). L-PSC-KCl showed the lowest trap density (shallow and deep), indicating that the double passivation effect by K and Cl was most efficient for passivation of traps in the interface and OIHP crystals. 23 shows the trap density by TPV/TPC analysis. The KCl modification-based samples showed the lowest trap density state in both results, indicating the consistency of trap state reduction by KCl modification using various methods. The t DOS values determined by various techniques such as DLCP (see C in Fig. 2) and TPV/TPC analysis (see Fig. 23 and Table 6) were in good agreement with the TAS analysis results. The trap state densities obtained from TPV/TPC analysis are summarized in the following table.

구 분division TPV/TPC로부터의 트랩 상태 밀도(cm-3/eV)Trap state density from TPV/TPC (cm -3 /eV) 대조군Control 3.8×1017 3.8×10 17 LiClLiCl 2.1×1017 2.1×10 17 NaClNaCl 2.1×1017 2.1×10 17 KClKCl 1.6×1017 1.6×10 17 CsClCsCl 1.6×1017 1.6×10 17

L-PSC의 장기 안정성에 대한 개질 효과도 시험하였다. 도 24에서 보듯이, 개질에 의한 역분해 반응의 억제가 확인되었다. 장기 저장 수명 시험에서, L-PSC는 캡슐화하지 않고 대기 조건의 100 mWcm-2 조명(AM 1.5G one sun illumination) 하의 PCE를 측정하였다(도 5의 D 참조). L-PSC-KCl은 1400 시간 후에도 초기 PCE의 90%를 유지한 반면, 미개질 L-PSC는 10% 미만으로 유지하였다. 질소가 채워진 글로브 박스 내에서 70℃의 핫 플레이트 상에 샘플을 배치하여 열 안정성 시험을 수행하였다. L-PSC-KCl은 200 시간 초과 후에도 초기 PCE의 75%를 넘게 유지하였으며(도 5의 E 참조), 이는 미개질 L-PSC(<13% 유지)보다 현저히 우수한 결과였다. 또한 L-PSC를 백색 LED 광(100 mWcm-2, one sun illumination) 하에 질소 충전 글로브 박스 내 연속 MPP 조건 하에 두어 광-침지 조건 하에서의 장기 광 안정성을 평가하였다. L-PSC-KCl은 150 시간 후에도 초기 PCE의 76%를 유지한 반면, 미개질 L-PSC는 그 성능을 완전히 상실하였다(도 5의 F 참조).The effect of modifying on the long-term stability of L-PSC was also tested. As shown in Fig. 24, it was confirmed that the reverse decomposition reaction was suppressed by the modification. In the long-term shelf life test, the L-PSC was not encapsulated and the PCE was measured under 100 mWcm -2 illumination (AM 1.5G one sun illumination) in atmospheric conditions (see Fig. 5D). L-PSC-KCl maintained 90% of the initial PCE even after 1400 hours, while the unmodified L-PSC remained below 10%. A thermal stability test was performed by placing the sample on a hot plate at 70° C. in a glove box filled with nitrogen. L-PSC-KCl maintained more than 75% of the initial PCE even after exceeding 200 hours (see E of FIG. 5), which was significantly better than the unmodified L-PSC (<13% maintenance). In addition, L-PSC was placed under continuous MPP conditions in a nitrogen-filled glove box under white LED light (100 mWcm -2 , one sun illumination) to evaluate long-term light stability under light-immersion conditions. L-PSC-KCl retained 76% of the initial PCE even after 150 hours, whereas the unmodified L-PSC completely lost its performance (see F in FIG. 5).

L-PSC-KCl의 장기 안정성이 향상된 원인을 더 알아보기 위해 TAS 분석을 이용하여 트랩 상태 분포를 모니터링하였다. 대기 하에 2주 동안 보관한 후, 대조군 샘플은 깊은 트랩 상태(밴드 2, 0.40 내지 0.50 eV)가 급격히 증가하여 계면 장애가 발생하였던 반면, 더 얕은 트랩 상태는 미미하게 변경되었다(도 5의 B 참조). 특히, L-PSC-KCl은 2주간 대기 하에 보관 후에도 거의 동일한 트랩 상태 분포를 나타냈다(도 5의 C 참조). 이 결과는 초기 단계에서의 열화가 주로 계면 트랩 상태 형성에 기인한 것이고, 깊은 트랩 상태를 효과적으로 억제하는 것은 대기 중 장기 안정성을 향상시키는데 중요한 요소임을 말해준다.TAS analysis was used to monitor the distribution of trap states to further investigate the cause of the improved long-term stability of L-PSC-KCl. After storage under the atmosphere for 2 weeks, the deep trap state (band 2, 0.40 to 0.50 eV) in the control sample rapidly increased, resulting in interfacial failure, while the shallower trap state was slightly changed (see FIG. 5B). . In particular, L-PSC-KCl showed almost the same trap state distribution even after storage under the atmosphere for 2 weeks (see Fig. 5C). This result indicates that the deterioration in the initial stage is mainly due to the formation of the interfacial trap state, and effectively suppressing the deep trap state is an important factor in improving the long-term stability in the atmosphere.

실험예 6. KCl로 개질된 대면적 L-PSCExperimental Example 6. Large-area L-PSC modified with KCl

상기 실시예 1과 같은 방식으로 1.12 cm2의 활성 면적을 가진 L-PSC를 제작하였다. 대면적 L-PSC-KCl의 PCE는 1.4%의 HI 지수로 21.3%에 도달했으며(도 6의 A 및 표 7 참조), 이는 활성 면적이 > 1 cm2 인 지금까지 보고된 L-PSC 중에서 가장 높은 값 중 하나였다. L-PSC-KCl에서 대면적 샘플(21.3%, 1.12 cm2)와 소면적 샘플(22.3%, 0.0518 cm2) 사이의 PCE 차이는 4.5%에 불과하여(이는 보고된 PSC 중에서 가장 낮은 간격 중 하나임), 개질 기술의 균일성을 확인시켜 주었다. 하기 표에 정방향 및 역방향 스캔 방향에서 측정된 대면적 L-PSC의 성능을 정리하였다.In the same manner as in Example 1, an L-PSC having an active area of 1.12 cm 2 was prepared. The PCE of the large-area L-PSC-KCl reached 21.3% with a HI index of 1.4% (see A and Table 7 in Fig. 6), which is the most reported L-PSC so far with an active area> 1 cm 2. It was one of the high values. In L-PSC-KCl, the PCE difference between the large area sample (21.3%, 1.12 cm 2 ) and the small area sample (22.3%, 0.0518 cm 2 ) was only 4.5% (this is one of the lowest gaps reported among PSCs). ), it confirmed the uniformity of the modification technique. The following table summarizes the performance of the large-area L-PSC measured in the forward and reverse scan directions.

대면적 샘플(1.12cm2)Large area sample (1.12cm 2 ) 스캔 방향Scan direction PCE(%)PCE (%) V OC (V) V OC (V) J SC (mAcm-2) J SC (mAcm -2 ) FF(%)FF(%) H-지수(%)H-index (%) 대조군 L-PSCControl L-PSC 역방향Reverse 16.816.8 1.081.08 22.922.9 6868 9.59.5 정방향Forward direction 15.215.2 1.051.05 22.722.7 6464 L-PSC-KClL-PSC-KCl 역방향Reverse 21.321.3 1.151.15 23.723.7 7878 1.41.4 정방향Forward direction 21.021.0 1.151.15 23.623.6 7878

또한, 저온 가공성의 이점을 입증하기 위해 ITO/PEN 기판을 사용하여 유연 L-PSC를 제조하였다. 유연 L-PCS-KCl에서 19.6%의 PCE가 달성되었으며, 이는 기존의 유연한 PSC 대비 현저히 높은 수준이다(도 6의 D 참조). 또한, 유연 L-PSC는 6.9 mm의 굽힘 반경에서 1000회 굽힘 사이클 후, 초기 대비 80% 이상의 PCE를 유지하면서 매우 적은 광전류 히스테리시스(HI 지수=2.6%, 표 8 참조)를 나타내었다(도 6의 E 참조). 지금까지 알려진 유연 L-PSC는 진공 처리(플라즈마 강화 원자 층 증착, PEALD)를 통해 제조되고 PCE가 18.4%이면서 높은 광전류 히스테리시스(HI 지수=6.8%)를 가진 것이었다. 하기 표에 정방향 및 역방향 스캔 방향에서 측정된 유연 L-PSC-KCl의 성능을 정리하였다.In addition, in order to demonstrate the advantage of low-temperature processability, a flexible L-PSC was manufactured using an ITO/PEN substrate. PCE of 19.6% was achieved in the flexible L-PCS-KCl, which is significantly higher than that of the existing flexible PSC (see FIG. 6D). In addition, flexible L-PSC exhibited very little photocurrent hysteresis (HI index = 2.6%, see Table 8) after 1000 bending cycles at a bending radius of 6.9 mm, maintaining a PCE of 80% or more compared to the initial stage (Fig. 6). E). Leaded L-PSCs known to date were prepared through vacuum treatment (plasma-enhanced atomic layer deposition, PEALD) and had a high photocurrent hysteresis (HI index = 6.8%) with a PCE of 18.4%. The following table summarizes the performance of flexible L-PSC-KCl measured in the forward and reverse scan directions.

유연 샘플Flexible sample 스캔 방향Scan direction PCE(%)PCE (%) V OC (V) V OC (V) J SC (mAcm-2) J SC (mAcm -2 ) FF(%)FF(%) H-지수(%)H-index (%) L-PSC-KClL-PSC-KCl 역방향Reverse 19.619.6 1.141.14 23.323.3 7474 2.62.6 정방향Forward direction 19.119.1 1.141.14 23.023.0 7373

시험 장치tester

상기 실시예 및 실험예에서 사용된 시험 장치는 아래와 같다.The test apparatus used in the above Examples and Experimental Examples is as follows.

XPS 측정은 hν = 1253.6 eV(단압은 1×10-9 Pa)에서 단색화된 Mg Kα 선이 장착된 시스템(MultiLab 2000, THERMO VG SCIENCE)을 사용하여 수행되었다. UPS 결과는 5×10-8Torr의 기본 압력을 사용하고 HeI(21.22 eV)를 갖는 시스템(AXIS-NOVA, Kratos)을 사용하여 얻어졌다. FE-SEM 이미지는 JSM-7610F(JEOL)을 사용하여 얻었다. FIB(JIB-4601F)를 이용하여 단면 샘플을 얻었다. TEM 관찰은 JEM-F200을 이용하여 이미징 모드(0.23 nm의 해상도) 및 EDS 모드에서 각각 120 kV의 가속 전압에서 TEM-HAABF 모드로 수행하였다. ST-PL 측정은 UV-Vis PMT 검출기(FL-1073/R928)를 장착한 SPEX Nanolog 3-21(Horriba)을 사용하여 수행했다. XRD는 Cu Kα(λ=0.1542 nm) 선을 갖는 Ultima IV(RIGAKU)을 사용하여 수행하였다. TRPL 곡선은 시판하는 TCSPC 시스템(FluoTim 2000, PicoQuant)을 이용하여 기록되었다. 670 nm의 파장 및 800 kHz의 반복도를 갖는 피코초(picosecond) 다이오드 레이저(LDH-P-C-670, PicoQuant)로 모든 샘플을 광-여기시켰다. 방출된 광은 단색계(ScienceTech 9030)로 스펙트럼 분산시키고 고속 PMT 검출기(PMA 182, PicoQuant)에 의해 수집하였다. J-V 특성은 100 mWcm-2의 조명(AM 1.5 G, Newport) 하에서 Keithley 2401 소스 유닛을 사용하여 측정되었다. KG-5 필터로 덮인 모노-실리콘 표준 셀(Newport)을 사용하여 스펙트럼 불일치를 보정하였다(603621 Calibrated Silicon and Germanium Reference Detector). 모든 샘플은 역방향 및 정방향 스캔(100 mVs-1의 스캔 속도)으로 대기 하에서 시험되었다. EQE 스펙트럼은 400 W 크세논 램프의 출력을 단색계와 필터를 통해 통과시켜 얻었다. 커패시턴스-전압(C p -V) 및 Mott-Schottky 측정은 암 조건에서 임피던스 분석기(Ivium Stat.)를 사용하고 AC 신호를 주파수 1 kHz로 설정하여 수행하였다. IMVS는 녹색 LED 조명(λ=535 nm) 하에서 임피던스 분석기(Ivium Stat.)를 사용하여 수행하였다. 광 발생 전하에 대한 평균 재조합 시간(τrec)은 가상 부분에서 최소 주파수(τrec=1/2πf min )에서 IMVS 곡선으로부터 얻어졌다. 전기 폴링(poling)은 암 조건에서 1분 동안 전극(500 μm 간격)을 갖는 샘플에 상이한 바이어스를 인가함으로써 수행되었고, 전류-전압은 Keithley 2401 소스로 측정하였다. 온도 의존성은 진공(1×10-4 Pa) 상태에서 온도 컨트롤러(Lakeshore 331)가 부착된 CTI 극저온 프로브 스테이션을 사용하여 측정되었다. 샘플과 접촉된 열전쌍을 사용하여 온도를 모니터링하였다. 측정하는 동안 샘플을 먼저 10분 동안 10 K로 냉각한 다음 가열하여 온도를 조정하였다. 각 단계에 대한 전류를 기록하기 전에 온도를 5분 동안 안정화시켰다. TAS는 임피던스 분석기(Ivium Stat.)를 사용하여 수행하였다. 샘플과의 전기적 접촉 및 측정은 진공(1×10-4 Pa) 하에서 온도 컨트롤러(Lakeshore 331)를 구비한 CTI 극저온 프로브 스테이션으로 수행되었다. TPV 및 TPC 측정은 자체 제작한 시스템을 사용하여 측정되었고, 광원으로서 디지털 오실로스코프(DSO-X 3054A, Agilent)가 장착된 나노초 레이저(10 Hz, NT342A-10, EKSPLA) 및 Xe 램프(150 W, Zolix)를 사용하였다. 전압/전류 천이는 DPO 3052 Tektronix 디지털 포스퍼 오실로스코프(TPV의 경우 1 MΩ, TPC의 경우 10 Ω)를 사용하여 얻었다.XPS measurement was performed using a system equipped with a monochromatic Mg Kα line (MultiLab 2000, THERMO VG SCIENCE) at hν = 1253.6 eV (the single pressure is 1×10 -9 Pa). UPS results were obtained using a system (AXIS-NOVA, Kratos) with a base pressure of 5×10 −8 Torr and with HeI (21.22 eV). FE-SEM images were obtained using JSM-7610F (JEOL). A cross-sectional sample was obtained using FIB (JIB-4601F). TEM observation was performed in TEM-HAABF mode at an acceleration voltage of 120 kV, respectively, in imaging mode (0.23 nm resolution) and EDS mode using JEM-F200. ST-PL measurements were performed using a SPEX Nanolog 3-21 (Horriba) equipped with a UV-Vis PMT detector (FL-1073/R928). XRD was performed using Ultima IV (RIGAKU) with a Cu Kα (λ=0.1542 nm) line. TRPL curves were recorded using a commercially available TCSPC system (FluoTim 2000, PicoQuant). All samples were photo-excited with a picosecond diode laser (LDH-PC-670, PicoQuant) with a wavelength of 670 nm and a repeatability of 800 kHz. The emitted light was spectrally dispersed with a monochromatic (ScienceTech 9030) and collected by a high-speed PMT detector (PMA 182, PicoQuant). JV characteristics were measured using a Keithley 2401 source unit under 100 mWcm -2 illumination (AM 1.5 G, Newport). Spectral mismatch was corrected using a mono-silicon standard cell (Newport) covered with a KG-5 filter (603621 Calibrated Silicon and Germanium Reference Detector). All samples were tested under atmosphere with reverse and forward scans ( scan speed of 100 mVs -1). The EQE spectrum was obtained by passing the output of a 400 W xenon lamp through a monochromatic meter and filter. The capacitance-voltage ( C p -V ) and Mott-Schottky measurements were performed by using an impedance analyzer (Ivium Stat.) under dark conditions and setting the AC signal to a frequency of 1 kHz. IMVS was performed using an impedance analyzer (Ivium Stat.) under green LED illumination (λ=535 nm). The average recombination time (τ rec ) for the photogenerated charge was obtained from the IMVS curve at the minimum frequency (τ rec = 1/2π f min ) in the imaginary part. Electrical polling was performed by applying different biases to samples with electrodes (500 μm intervals) for 1 minute in dark conditions, and current-voltage was measured with a Keithley 2401 source. Temperature dependence was measured using a CTI cryogenic probe station with a temperature controller (Lakeshore 331) attached under vacuum (1×10 -4 Pa). The temperature was monitored using a thermocouple in contact with the sample. During the measurement, the sample was first cooled to 10 K for 10 minutes and then heated to adjust the temperature. The temperature was allowed to stabilize for 5 minutes before recording the current for each step. TAS was performed using an impedance analyzer (Ivium Stat.). Electrical contact with the sample and measurements were performed with a CTI cryogenic probe station equipped with a temperature controller (Lakeshore 331) under vacuum (1×10 −4 Pa). TPV and TPC measurements were measured using a self-made system, nanosecond laser (10 Hz, NT342A-10, EKSPLA) and Xe lamp (150 W, Zolix) equipped with a digital oscilloscope (DSO-X 3054A, Agilent) as light source. ) Was used. Voltage/current transitions were obtained using a DPO 3052 Tektronix digital phosphor oscilloscope (1 MΩ for TPV and 10 Ω for TPC).

안정성 시험 방법Stability test method

상기 실시예에서 제조한 샘플을 캡슐화되지 않은 상태로 대기 하의 암 조건에서 보관하였다. 샘플은 100 mWcm-2의 조명(AM 1.5G one sun illumination) 하에서 1400 시간 넘게 측정되었다. 기록된 상대 습도는 40±5% 범위이고 온도는 25±3℃였다. 각 측정 시험 후, 샘플은 암 조건에서 다시 보관되었다. 질소 충전 글로브 박스 내에서 연속 열 안정성 시험을 수행하였다. 샘플을 설정된 온도의 핫 플레이트에 놓고 70℃로 유지하였다. The samples prepared in the above examples were stored in a dark condition under the atmosphere in an unencapsulated state. The samples were measured for over 1400 hours under 100 mWcm -2 illumination (AM 1.5G one sun illumination). The recorded relative humidity was in the range of 40±5% and the temperature was 25±3°C. After each measurement test, the samples were stored again in dark conditions. Continuous thermal stability tests were performed in a nitrogen filled glove box. The sample was placed on a hot plate at the set temperature and maintained at 70°C.

또는 샘플을 100 mWcm-2의 조명(AM 1.5G one sun illumination) 하에서 200 시간 동안 측정하였다. 측정 후 샘플을 핫 플레이트에 다시 놓았다. 필터 및 지속적인 MPP 추적없이 시뮬레이션된 백색 LED 광(Newport) 조건에서 연속 광 안정성 시험을 수행하였다. 소스 미터(Keithley 2401)를 사용하여 질소 충진 글로브 박스 내에서 측정을 수행하였고, 측정된 온도는 약 45℃였다. 안정성 시험 전에, 15분 동안 질소 흐름으로 퍼징하였다.Alternatively, the sample was measured for 200 hours under 100 mWcm -2 illumination (AM 1.5G one sun illumination). After measurement, the sample was placed back on the hot plate. Continuous light stability tests were performed in simulated white LED light (Newport) conditions without filters and continuous MPP tracking. Measurements were performed in a nitrogen filled glove box using a source meter (Keithley 2401), and the measured temperature was about 45°C. Prior to the stability test, it was purged with nitrogen flow for 15 minutes.

트랩-밀도 상태 분석Trap-Density State Analysis

1. 과도 광 전압/광전류(TPV/TPC) 방법1. Transient optical voltage/photocurrent (TPV/TPC) method

트랩 밀도 상태를 결정하기 위해 단락 조건에서 동일한 펄스에 대한 광전류 과도를 측정하였다. 주어진 광 바이어스에서 입사 전력의 짧은 변화에 의해 개방 회로 과도 전압이 유도되었다. 그 후, 레이저 펄스만으로 광전류 천이를 적분함으로써 전하 밀도의 변화를 결정하였다. 이러한 전하 변화는 엑시톤 발생이 인가된 바이어스와 무관하고 단락 전류에서의 재결합을 무시할 수 있다는 가정하에 대부분의 필름에 저장된 전하에 해당한다. 각 개방 회로 전압에 대한 트랩 밀도 상태(tDOS)는 하기 수학식을 사용하여 전압에 대한 커패시턴스를 적분함으로써 얻었다(tDOS는 채워야 하는 중간 갭 상태 수와 관련됨).Photocurrent transients for the same pulse were measured under short circuit conditions to determine the trap density state. The open circuit transient voltage was induced by a short change in the incident power at a given optical bias. Thereafter, the change in charge density was determined by integrating the photocurrent transition only with the laser pulse. This change in charge corresponds to the charge stored in most films under the assumption that exciton generation is independent of the applied bias and recombination in the short-circuit current is negligible. The trap density state (t DOS) for each open circuit voltage was obtained by integrating the capacitance to voltage using the following equation ( t DOS is related to the number of intermediate gap states to be filled).

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 식에서, A는 샘플 면적이고, e는 전자의 기본 전하이고, C는 커패시턴스이다.In the above equation, A is the sample area, e is the fundamental charge of the electron, and C is the capacitance.

2. 구동-레벨 커패시턴스 프로파일링(DLCP)2. Drive-level capacitance profiling (DLCP)

커패시턴스 및 주파수 의존성에 기초한 다른 방법을 이용하여 상태의 밀도(DOS) 값을 또한 얻었다. 커패시턴스는 진폭을 변화시킴으로써 얻어졌으며, 더 높은 차수에서 정확한 커패시턴스 값을 달성하기 위해, 하기 수학식이 사용되었다: Density of states (DOS) values were also obtained using other methods based on capacitance and frequency dependence. The capacitance was obtained by varying the amplitude, and in order to achieve the correct capacitance value at a higher order, the following equation was used:

Figure pat00006
Figure pat00006

C 0C 1을 계산한 후, 하기 수학식에 의해 DOS를 얻었다:After calculating the values C 0 and C 1 , DOS was obtained by the following equation:

Figure pat00007
Figure pat00007

상기 식에서, A는 샘플 면적이고, e는 전자의 기본 전하이고, εr은 유전 상수이다.In the above equation, A is the sample area, e is the fundamental charge of the electron, and εr is the dielectric constant.

3. 열 어드미턴스 분광법(TAS)3. Thermal Admittance Spectroscopy (TAS)

트랩 상태 밀도(tDOS)는 또한 각주파수 의존 커패시턴스로부터 얻어질 수 있으며, 이는 얕은 및 깊은 tDOS를 동시에 분석하는데 사용될 수 있다. tDOS는 다양한 각주파수에서 측정된 커패시턴스의 감소에 의해 추출된다. 결함의 의존 커패시턴스는 공간 전하 영역에서 다양한 각주파수에서 트랩의 충전 및 방전에 의해 얻어진다. tDOS는 하기 수학식을 사용하여 정량적으로 계산할 수 있다:The trap state density ( t DOS) can also be obtained from the angular frequency dependent capacitance, which can be used to analyze shallow and deep t DOS simultaneously. t DOS is extracted by reducing the measured capacitance at various angular frequencies. The defect dependent capacitance is obtained by charging and discharging the trap at various angular frequencies in the space charge region. t DOS can be calculated quantitatively using the following equation:

Figure pat00008
Figure pat00008

상기 식에서, NT는 트랩 밀도이고, C는 커패시턴스이고, ω는 각주파수이고, q는 기본 전하이며, k B는 볼츠만 상수이고, T는 온도이다. Vbi와 W는 각각 공간 전하 영역에서의 내장 전위 및 공핍 폭이며, 이들은 Mott-Schottky 곡선에서 추출되었다. 결함 에너지 레벨은 적용된 각주파수 의존성으로 정의된다.In the above equation, N T is the trap density, C is the capacitance, ω is the angular frequency, q is the fundamental charge, k B is the Boltzmann constant, and T is the temperature. V bi and W are the intrinsic potential and depletion width in the space charge region, respectively, and these were extracted from the Mott-Schottky curve. The fault energy level is defined as the applied angular frequency dependence.

Figure pat00009
Figure pat00009

V bi는 하기 수학식을 사용하여 Mott-Schottky 곡선에서 얻었다: V bi was obtained from the Mott-Schottky curve using the following equation:

Figure pat00010
Figure pat00010

공핍 폭은 하기 수학식을 사용하여 계산되었다:Depletion width was calculated using the following equation:

Figure pat00011
Figure pat00011

상기 식에서, εγ는 페로브스카이트의 유전 상수이고, N d는 도핑 밀도이고, e는 전자의 기본 전하이고, V bi는 샘플의 내장 전위이며 도 22에서 얻은 것이다.In the above equation, εγ is the dielectric constant of the perovskite, N d is the doping density, e is the basic charge of the electron, and V bi is the built-in potential of the sample, which was obtained in FIG. 22.

Claims (13)

(1) 전자수송층 상에 알칼리금속 할라이드 용액을 코팅하여 개질된 전자수송층을 형성하는 단계; 및
(2) 상기 개질된 전자수송층 상에 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅한 후 페로브스카이트 전구체 코팅층을 어닐링하여 페로브스카이트 광활성층을 형성하는 단계를 포함하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
(1) forming a modified electron transport layer by coating an alkali metal halide solution on the electron transport layer; And
(2) coating a perovskite precursor solution on the modified electron transport layer and then annealing the perovskite precursor coating layer to form a perovskite photoactive layer. Manufacturing method.
제 1 항에 있어서,
상기 단계 (1)에서, 상기 전자수송층은 금속산화물을 함유하고;
상기 알칼리금속 할라이드 용액은 할라이드로서 F, Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (1), the electron transport layer contains a metal oxide;
The alkali metal halide solution contains at least one selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I as a halide.
제 1 항에 있어서,
상기 단계 (1)의 알칼리금속 할라이드 용액은 1 mM 내지 100 mM의 알칼리금속 할라이드 함량을 갖는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
The method of claim 1,
The alkali metal halide solution of step (1) has an alkali metal halide content of 1 mM to 100 mM, a method of manufacturing a perovskite solar cell.
제 1 항에 있어서,
상기 단계 (2)에서, 상기 어닐링을 20℃ 내지 250℃의 온도에서 수행하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (2), the annealing is performed at a temperature of 20° C. to 250° C., a method of manufacturing a perovskite solar cell.
제 1 항에 있어서,
상기 단계 (2)의 어닐링 시에
상기 개질된 전자수송층에 함유된 알칼리금속 할라이드가 상기 페로브스카이트 전구체 코팅층 중으로 확산되는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
The method of claim 1,
At the time of annealing in step (2)
Alkali metal halide contained in the modified electron transport layer is diffused into the coating layer of the perovskite precursor, a method of manufacturing a perovskite solar cell.
제 5 항에 있어서,
상기 단계 (2)의 어닐링 시에
상기 페로브스카이트 전구체 코팅층 중으로 확산된 알칼리금속 할라이드가, 상기 어닐링 후에 형성된 페로브스카이트 광활성층 내의 트랩을 패시베이션하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
The method of claim 5,
At the time of annealing in step (2)
The method of manufacturing a perovskite solar cell, wherein the alkali metal halide diffused into the perovskite precursor coating layer passes through a trap in the perovskite photoactive layer formed after the annealing.
제 1 항에 있어서,
상기 단계 (1)의 알칼리금속 할라이드 용액의 코팅 및
상기 단계 (2)의 페로브스카이트 전구체 용액의 코팅이 각각 스핀 코팅(spin coating), 침지(dipping), 스프레이(spraying), 드롭캐스팅(drop casting), 닥터블레이드(doctor blade), 바 코팅(bar coating), 슬롯다이 코팅(slot die coating), 마이크로 그라비아 코팅(micro gravure coating), 콤마 코팅(coma coating) 또는 프린팅(printing)에 의해 수행되는, 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
The method of claim 1,
Coating of the alkali metal halide solution of step (1) and
The coating of the perovskite precursor solution in step (2) is spin coating, dipping, spraying, drop casting, doctor blade, and bar coating, respectively. bar coating), slot die coating, micro gravure coating, coma coating or printing.
기판;
제 1 전극층;
전자수송체를 함유하는 전자수송층;
페로브스카이트를 함유하는 광활성층;
정공수송층; 및
제 2 전극층을 순차적으로 적층된 형태로 포함하고,
상기 전자수송층 및 상기 광활성층은 동일한 알칼리금속 및 할라이드를 더 함유하는, 페로브스카이트 태양전지.
Board;
A first electrode layer;
An electron transport layer containing an electron transporter;
A photoactive layer containing perovskite;
Hole transport layer; And
Including the second electrode layer in a sequentially stacked form,
The electron transport layer and the photoactive layer further contain the same alkali metal and halide, perovskite solar cell.
제 8 항에 있어서,
상기 전자수송체는 금속산화물을 포함하고,
상기 알칼리금속은 K, Li, Na 및 Cs로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하고,
상기 할라이드는 F, Cl, Br 및 I로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종을 포함하는, 페로브스카이트 태양전지.
The method of claim 8,
The electron transporter includes a metal oxide,
The alkali metal includes at least one selected from the group consisting of K, Li, Na and Cs,
The halide comprises at least one selected from the group consisting of F, Cl, Br and I, perovskite solar cell.
제 8 항에 있어서,
상기 전자수송체는 Al, Mg, In, Zn, Ga 및 Sr로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 도핑되거나 도핑되지 않은, ZnO, SnO2, TiO2 및 Al2O3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속산화물을 포함하고,
상기 알칼리금속은 K를 포함하고,
상기 할라이드는 Cl을 포함하고,
상기 페로브스카이트는 무기 페로브스카이트와 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트(OIHP) 중 1종 이상을 포함하는, 페로브스카이트 태양전지.
The method of claim 8,
The electron transporter is selected from the group consisting of ZnO, SnO 2 , TiO 2 and Al 2 O 3 doped or undoped with at least one selected from the group consisting of Al, Mg, In, Zn, Ga, and Sr. Contains one or more metal oxides,
The alkali metal contains K,
The halide comprises Cl,
The perovskite is an inorganic perovskite and an organic-inorganic hybrid perovskite (OIHP) containing at least one of, perovskite solar cell.
제 8 항에 있어서,
상기 페로브스카이트 태양전지는
21% 이상의 전력변환효율(PCE), 및
광전류에 대해 7% 이하의 히스테리시스 지수(hysteresis index)를 갖고,
실온에서 1400 시간 보관 후에, 초기 대비 80% 이상의 전력변환효율을 유지하는, 페로브스카이트 태양전지.
The method of claim 8,
The perovskite solar cell is
Power conversion efficiency (PCE) of 21% or more, and
It has a hysteresis index of 7% or less for photocurrent,
Perovskite solar cell that maintains more than 80% power conversion efficiency compared to the initial stage after 1400 hours storage at room temperature.
제 8 항에 있어서,
상기 기판이 플라스틱 소재를 포함하고,
상기 페로브스카이트 태양전지는 1000회 굽힘 사이클 후 초기 대비 70% 이상의 전력변환효율을 유지하는, 페로브스카이트 태양전지.
The method of claim 8,
The substrate comprises a plastic material,
The perovskite solar cell maintains an initial power conversion efficiency of 70% or more after 1000 bending cycles, perovskite solar cell.
제 8 항에 있어서,
상기 전자수송층은 알칼리금속 할라이드에 의해 개질된 것이고,
상기 광활성층은 페로브스카이트 전구체 코팅층의 어닐링에 의해 형성된 것이며, 상기 알칼리금속 할라이드가 상기 페로브스카이트 전구체 코팅층 중으로 확산되어, 상기 어닐링 후에 형성된 페로브스카이트 광활성층 내의 트랩을 패시베이션하는, 페로브스카이트 태양전지.
The method of claim 8,
The electron transport layer is modified by an alkali metal halide,
The photoactive layer is formed by annealing of the perovskite precursor coating layer, and the alkali metal halide diffuses into the perovskite precursor coating layer to passivate the trap in the perovskite photoactive layer formed after the annealing. Lobsky solar cell.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114015984A (en) * 2021-10-29 2022-02-08 华中科技大学 Preparation method and application of organic-inorganic hybrid perovskite material
CN114023887A (en) * 2021-10-29 2022-02-08 华中科技大学 Tin oxide electronic paste and preparation method and application thereof
WO2022215804A1 (en) * 2021-04-08 2022-10-13 서울시립대학교 산학협력단 Solar cell using aluminum-doped titanium dioxide as electron extraction layer
JP7173424B1 (en) * 2021-08-24 2022-11-16 Jfeスチール株式会社 Laminate, organic thin-film solar cell, method for producing laminate, and method for producing organic thin-film solar cell
KR20230011625A (en) * 2021-07-14 2023-01-25 울산과학기술원 Highly Efficient Perovskite Solar Cell with Coherent Interlayer and Fabrication Method of the Same
WO2023026704A1 (en) * 2021-08-24 2023-03-02 Jfeスチール株式会社 Laminate, organic thin film solar cell, method for manufacturing laminate, and method for manufacturing organic thin film solar cell
CN116284513A (en) * 2023-03-16 2023-06-23 复旦大学 Perovskite film doping and defect passivation method

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018170477A (en) * 2017-03-30 2018-11-01 積水化学工業株式会社 Solar cell

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018170477A (en) * 2017-03-30 2018-11-01 積水化学工業株式会社 Solar cell

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. MATER. CHEM. A, 2018,6, 15853_15858* *
W. S. Yang et al., Science. 356, 1376-1379 (2017)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022215804A1 (en) * 2021-04-08 2022-10-13 서울시립대학교 산학협력단 Solar cell using aluminum-doped titanium dioxide as electron extraction layer
KR20230011625A (en) * 2021-07-14 2023-01-25 울산과학기술원 Highly Efficient Perovskite Solar Cell with Coherent Interlayer and Fabrication Method of the Same
JP7173424B1 (en) * 2021-08-24 2022-11-16 Jfeスチール株式会社 Laminate, organic thin-film solar cell, method for producing laminate, and method for producing organic thin-film solar cell
WO2023026704A1 (en) * 2021-08-24 2023-03-02 Jfeスチール株式会社 Laminate, organic thin film solar cell, method for manufacturing laminate, and method for manufacturing organic thin film solar cell
TWI829288B (en) * 2021-08-24 2024-01-11 日商杰富意鋼鐵股份有限公司 Laminate, organic thin-film solar cell, method for producing laminate, and method for producing organic thin-film solar cell
CN114015984A (en) * 2021-10-29 2022-02-08 华中科技大学 Preparation method and application of organic-inorganic hybrid perovskite material
CN114023887A (en) * 2021-10-29 2022-02-08 华中科技大学 Tin oxide electronic paste and preparation method and application thereof
CN116284513A (en) * 2023-03-16 2023-06-23 复旦大学 Perovskite film doping and defect passivation method

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