KR20220158188A - 광소자 제조 방법 - Google Patents

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KR20220158188A
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김영윤
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한국화학연구원
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Abstract

본 개시의 일 실시예에 따라, 전자 수송층 및 페로브스카이트층을 포함하는 광소자의 제조 방법으로서, 150 ℃ 이하의 공정 온도에서, Zr이 도핑된 TiO2를 포함하는 전자 수송층을 형성하는 단계를 포함하고, 전자 수송층에서 Ti에 대한 Zr의 몰 비는 10% 이하에 해당한다.

Description

광소자 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING OPTOELECTRONIC DEVICE}
본 개시는 광소자 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Zr이 도핑된 TiO2 산화물을 포함하는 광소자 제조 방법에 관한 것이다.
기후변화에 대응할 수 있는 환경 친화적이고 지속 가능한 에너지 기술 개발의 필요성이 증가하고 있다. 광소자는 광전변환소자 및 전광변환소자를 모두 포괄하는데, 광전변환소자 중 하나인 태양전지는 지속 가능한 에너지 기술로서 미래의 에너지 수요에 능동적으로 대응할 수 있는 해결책으로 각광받고 있다. 태양전지는 태양광에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서, 광기전력효과(Photovoltaic Effect)를 이용한다.
하지만 오늘날 태양전지 기술은 미래의 에너지 수요를 대체할 정도의 효율을 보이지 못하기 때문에, 현재의 기술 수준을 뛰어넘는 기술 혁신이 필요한 상황이다. 이에 차세대 태양전지로서 염료감응 태양전지, 유기물 태양전지, 양자점 태양전지, 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell, PSC)와 같은 혁신적 소재를 바탕으로 한 기술들이 개발되어 왔다.
그 중에서도 페로브스카이트 태양전지는 종래 실리콘 태양전지를 대체할 박막 태양전지의 한 축으로 도약하였다. 정공 수송물질, 광흡수물질, 및 전자 수송물질을 포함하는 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 물질을 광흡수물질로 이용하여 현저히 높은 광기전 효과를 나타낸다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 저온 공정용 TiO2 산화물을 Zr으로 도핑하여 광전변환효율이 향상된 광소자 제조 방법을 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 따라, 전자 수송층 및 페로브스카이트층을 포함하는 광소자의 제조 방법으로서, 150 ℃ 이하의 공정 온도에서, Zr이 도핑된 TiO2를 포함하는 전자 수송층을 형성하는 단계를 포함하고, 전자 수송층에서 Ti에 대한 Zr의 몰 비는 10% 이하에 해당한다.
일 실시예에 따르면, 전자 수송층은 Zr이 도핑된 TiO2의 나노 입자를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 전자 수송층을 형성하는 단계는 TiO2에 Zr이 도핑된 산화물을 스핀 코팅하는 단계를 포함한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 광소자로서, 제1 전극, 제1 전극 상에 형성되고 Zr이 도핑된 TiO2를 포함하는 전자 수송층, 전자 수송층 상에 형성되는 페로브스카이트층, 페로브스카이트층 상에 형성되는 정공 수송층, 및 정공 수송층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고, 전자 수송층에서 Ti에 대한 Zr의 몰 비는 10% 이하에 해당하고, 상기 전자 수송층은 150 ℃ 이하의 공정 온도에서 형성된다.
일 실시예에 따르면, 정공 수송층은 PTAA에 해당한다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, Zr이 도핑된 TiO2 산화물을 스핀 코팅하여 전자수송층을 형성하는 공정이 저온에서 이루어짐으로써, 플렉시블 기판에 대한 적용이 가능하고, 태양전지의 텐덤화에 용이하며, 공정의 편의가 증가한다.
또한, 본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, TiO2 산화물에 Zr을 도핑함으로써 광소자의 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
본 개시의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하, 본 개시의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
본 개시에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 개시에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 복수의 표현은 문맥상 명백하게 복수인 것으로 특정하지 않는 한, 단수의 표현을 포함한다.
본 개시에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 명세서에서 "A 및/또는 B"의 기재는 A, 또는 B, 또는 A 및 B를 의미한다.
본 명세서 전체에서, 사용되는 정도의 용어 "약" 등은 허용오차가 존재할 때 허용오차를 포괄하는 의미로 사용된 것이다.
본 명세서 전체에서, 마쿠쉬 형식의 표현에 포함된 "적어도 어느 하나"의 용어는 마쿠쉬 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에서, "페로브스카이트" 또는 "PE"는 페로브스카이트 결정구조를 가지는 물질을 의미하며, ABX3의 결정구조 외에도 다양한 페로브스카이트 결정구조를 가질 수 있다.
본 명세서 전체에서, "광소자"는 광전변환 소자와 전광변환 소자를 모두 포함하는 의미로 사용된다. 예컨대, 광소자는 태양광 전지(Solar Cell), LED(Light Emitting Diode), 광검출기(Photodetector), X-선 검출기(X-ray detector), 레이저(Laser)를 포함하며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서 전체에서, 용어 "할라이드", "할로겐", "할로겐화물" 또는 "할로"는 주기율표의 17 족에 속하는 할로겐 원자가 작용기의 형태로 포함되어 있는 재질 또는 조성물을 의미하는 것으로서, 예를 들어, 염소, 브롬, 불소 또는 요오드 화합물을 포함할 수 있다.
본 명세서 전체에서, 용어 "층"은 두께를 가지는 레이어(layer) 형태를 의미한다. 층은 다공성에 해당하거나 비-다공성에 해당할 수 있다. 다공성은 공극률을 가지는 것을 의미한다. 층은 전체적으로 벌크(bulk) 형태를 가지거나 또는 단결정 박막(single crystal thin film)에 해당할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상"에 위치하고 있다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우 뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서 전체에서, 별다른 추가 설명 없이 단순히 효율로만 기재되어 있는 경우, 해당 효율은 전력 변환 효율(Power Conversion Efficiency, PCE)을 의미할 수 있다.
개시된 실시예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 통상의 기술자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.
첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응되는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.
본 개시의 일 실시예에 따르는 광소자는, 제1 전극, 제1 전하 수송층, 페로브스카이트층, 제2 전하 수송층, 및 제2 전극을 포함할 수 있다.
예컨대, 광소자가 n-i-p 구조의 태양 전지에 사용되는 경우, 해당 광소자는 제1 전극, 전자 수송층, 페로브스카이트층, 정공 수송층 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 또는 광소자가 p-i-n 구조의 태양 전지에 해당하는 경우, 해당 태양 전지는 제1 전극, 정공 수송층, 페로브스카이트 층, 전자 수송층 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
예컨대, 광소자는 평판형 구조(Planar Structure)를 가질 수 있고, 또는 Bi-Layer 구조, 또는 Meso-Superstructure 구조를 가질 수 있다. 광소자의 구조에 따라 전극, 전하 수송층, 및 페로브스카이트층의 형태가 변형될 수 있다.
예컨대, 광소자가 Bi-Layer 구조를 가지는 경우, 페로브스카이트 층은 다공성 TiO2에 페로브스카이트를 채워 넣어 층 형태를 가지도록 형성된 이중층(Bi-layer) 구조를 가질 수 있다. 이중층은, 다공성 TiO2의 기공을 페로브스카이트로 모두 채운 TiO2 : Perovskite 혼합층의 제1 층과 그 위의 순수한 페로브스카이트 층의 제2 층으로 이루어진 구조를 의미할 수 있다.
전극은 제1 전극 및/또는 제2 전극을 포함하고, 애노드 또는 캐소드일 수 있다. 전극은 애노드 또는 캐소드일 수 있다. 제1 전극이 애노드인 경우, 제2 전극은 캐소드일 수 있다. 예컨대, 전극은 인듐주석산화물(indium-tin oxide, ITO) 또는 인듐아연산화물(IZO), 불소함유 산화주석(flourine-doped tin oxide, FTO)등과 같은 전도성 산화물일 수 있다. 또는, 전극은 은(Ag), 금(Au), 마그네슘(Mg), 알루미늄 (Al), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 크롬 (Cr), 칼슘(Ca), 사마륨(Sm) 및 리튬 (Li), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다. 또는, 전극은 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polyperopylene), PI(polyimide), PC(polycarbornate), PS(polystylene), POM(polyoxyethylene) 등과 같이 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질 위에 도전성을 갖는 물질이 도핑된 것에 해당할 수 있다.
전극은 광소자에서 전면전극 또는 후면전극의 전극물질로 통상적으로 사용되는 물질에 해당할 수 있다. 전극은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 탄소, 황화코발트, 황화구리, 산화니켈 및 이들의 복합물에서 하나 이상에서 선택되는 물질일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예컨대, 전극은 불소 함유 산화주석(FTO; Fouorine doped Tin Oxide), 인듐 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide), ZnO, CNT(카본 나노튜브) 및 그래핀(Graphene) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 무기계 전도성 전극이거나, PEDOT:PSS 등과 같은 유기계 전도성 전극에 해당할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
전하 수송층으로서, 전자 수송층(Electron Transport Layer, ETL) 또는 정공 수송층(Hole Transport Layer, HTL)이 제1 전극 상에 형성될 수 있다. 제1 전하 수송층이 전자 수송층일 경우, 제2 전하 수송층은 정공 수송층에 해당할 수 있다. 또는, 제1 전하 수송층이 정공 수송층일 경우, 제2 전하 수송층은 전자 수송층에 해당할 수 있다.
전자 수송층은 "n형 물질"을 포함하는 반도체에 해당할 수 있다. "n형 물질"은 전자 수송물질을 의미할 수 있다. 전자 수송물질은 단일의 전자 수송 화합물 또는 원소 물질, 또는 둘 또는 그 이상의 전자 수송 화합물이나 원소 물질들의 혼합물일 수 있다. 전자 수송 화합물 또는 원소 물질은 도핑되지 않거나 또는 하나 또는 그 이상의 도펀트(dopant) 원소들로 도핑될 수 있다.
예컨대, 전자 수송층은 전자 전도성 금속산화물 층일 수 있다.
일 실시예에서, 전자 전도성 금속산화물은 Zr으로 도핑된 형태일 수 있다. 예를 들어, 전자전도성 금속산화물은 n형 금속산화물 반도체에 Zr이 소량 도핑된 형태일 수 있다. 이 경우, n형 금속산화물 반도체는 Ti 산화물에 해당하고, Ti에 대한 Zr의 몰 비는 10% 이하에 해당할 수 있다.
한편, Zr이 도핑된 전자전도성 금속산화물을 저온에서 전극 상에 스핀 코팅하여 전자 수송층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 전자 수송층을 형성하는 단계는, Ti에 대해 Zr이 10% 이하의 몰 비로 도핑된 Zr-TiO2 산화물을 제1 전극 상에 스핀 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 스핀 코팅하는 단계는 150 ℃ 이하의 저온 공정으로 진행될 수 있다. 저온 공정이 가능함에 따라 전자 수송층을 용이하게 제조할 수 있고, 나아가 태양전지의 텐덤화 공정 및 플렉시블 기판 제조 공정에 본 저온 공정용 Zr-TiO2 산화물이 활용될 수 있다.
일 실시예와 같이 Ti에 대해 Zr이 10% 이하의 몰 비로 도핑된 Zr-TiO2 산화물을 전자 수송층으로 이용할 경우, 10% 초과의 몰 비로 도핑된 경우와 비교할 때, 광전변환효율은 증가하면서도 분산성, 코팅성, 결정성 등이 현저히 향상되는 현상을 확인하였다.
정공 수송층은 "p형 물질"을 포함하는 반도체에 해당할 수 있다. "p형 물질"은 정공 수송(hole transporting) 물질을 의미한다. 정공 수송물질은 단일의 정공 수송 화합물 또는 원소 물질, 또는 둘 또는 그 이상의 정공 수송 화합물이나 원소 물질들의 혼합물일 수 있다. 정공 수송 화합물 또는 원소 물질은 도핑되지 않거나 또는 하나 또는 그 이상의 도펀트 원소들로 도핑될 수 있다. 정공 수송물질은, 유기 정공 수송물질, 무기 정공 수송물질 또는 이들의 조합일 수 있다.
정공 수송층은 용액 공정으로 제조 가능할 수 있다. 정공 수송층은 유기 정공 수송물질의 박막일 수 있다. 정공 수송층 박막의 두께는 10 nm 내지 500 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
정공 수송물질은 유기 정공 수송물질, 구체적으로 단분자 내지 고분자 유기 정공 수송물질(정공전도성 유기물)에 해당할 수 있다. 고분자 유기 정공 수송물질로, 티오펜계, 파라페닐렌비닐렌계, 카바졸계 및 트리페닐아민계에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 포함할 수 있다.
단분자 내지 저분자 유기 정공 수송물질은, 펜타센(pentacene), 쿠마린 6(coumarin 6, 3- (2-benzothiazolyl)-7-(diethylamino)coumarin), ZnPC(zinc phthalocyanine), CuPC(copper phthalocyanine), TiOPC(titanium oxide phthalocyanine), Spiro-MeOTAD(2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxyphenylamino)- 9,9'-spirobifluorene), F16CuPC(copper(II) 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro29H,31H-phthalocyanine), SubPc(boron subphthalocyanine chloride) 및 N3(cis-di(thiocyanato)-bis(2,2'- bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)-ruthenium(II)) 중에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 물질을 포함할 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
고분자 유기 정공 수송물질은, P3HT(poly[3-hexylthiophene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3',7'- dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH-PPV(poly[2-methoxy -5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), POT( poly(octyl thiophene)), P3DT(poly(3-decyl thiophene)), P3DDT(poly(3-dodecyl thiophene), PPV(poly(p-phenylene vinylene)), TFB(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenyl amine), Polyaniline, SpiroMeOTAD ([2,22′, 7,77′-tetrkis (N,N-di-p-methoxyphenyl amine)-9,9,9′-spirobi fluorine]), PCPDTBT(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]], Si-PCPDTBT(poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)- 2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PBDTTPD(poly((4,8-diethylhexyloxyl) benzo([1,2- b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl)-alt-((5-octylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione)-1,3-diyl)), PFDTBT(poly[2,7-(9-(2-ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4', 7, -di-2-thienyl-2',1', 3'- benzothiadiazole)]), PFO-DBT(poly[2,7-.9,9-(dioctyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-.thienyl-2', 1', 3'- benzothiadiazole)]), PSiFDTBT(poly[(2,7-dioctylsilafluorene)-2,7-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3- benzothiadiazole)-5,5′-diyl]), PSBTBT(poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)- 2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PCDTBT(Poly [[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7- diyl] -2,5-thiophenediyl -2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]), PFB(poly(9,9′- dioctylfluorene-co-bis(N,N′-(4,butylphenyl))bis(N,N′-phenyl-1,4-phenylene)diamine), F8BT(poly(9,9′- dioctylfluorene-co-benzothiadiazole), PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT:PSS (poly(3,4- ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)), PTAA (poly(triarylamine)), Poly(4-butylphenyldiphenyl-amine) 및 이들의 공중합체에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전자 수송층 또는 정공 수송층은 버퍼층에 해당할 수 있거나, 버퍼층을 포함할 수 있다. 전자 수송층 또는 정공 수송층은 도핑을 이용하여 표면이 개질될 수 있다. 전자 수송층 또는 정공 수송층은 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅, 열증착, 스퍼터링, E-Beam, 스크린 프린팅, 블레이드 공정 등을 통해 전극의 일면에 도포되거나 필름 형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
페로브스카이트층은 제1 전극에 직접 접하도록 형성될 수 있다. 대체하여, 페로브스카이트층은 전자 수송층 또는 정공 수송층에 직접 접하도록 형성될 수 있다. 페로브스카이트층은 페로브스카이트를 포함한다.
페로브스카이트층은 기상 증착 공정 또는 용액 공정 등을 포함한 다양한 공정을 통해 형성될 수 있다. 페로브스카이트층은 기상 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 기상 증착 공정은 진공 챔버 내로 물질을 증기화된 상태 또는 플라즈마 상태로 공급하여, 타겟 물체 표면(예컨대, 기판) 상에 해당 물질을 증착시키는 공정에 해당할 수 있다. 페로브스카이트층은 용액 공정 중 코팅 공정을 통해 형성될 수 있다. 코팅 공정은 스핀 코팅, 바코팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 젯 프린팅(electrohydrodynamic jet printing), 전기분무(electrospray), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되어 이루어지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 페로브스카이트는 1가의 유기 양이온, 2가의 금속 양이온 및 할로겐 음이온을 함유할 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 페로브스카이트는 하기 화학식을 만족할 수 있다.
[화학식 1]
AMX3
화학식 1에서, A는 1가의 양이온으로, 유기 암모늄 이온, 아미디니움계(amidinium group) 이온, 또는 유기 암모늄 이온 및 아미디니움계 이온의 조합일 수 있다.
일 실시예에서, 화학식 1에서, 유기 암모늄 이온은 하기 화학식 1-1 또는 1-2를 만족할 수 있다.
[화학식 1-1]
R1-NH3 +
화학식 1-1에서 R1은 C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이다.
[화학식 1-2]
R2-C3H3N2 +-R3
화학식 1-2에서 R2는 C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이며, R3은 수소 또는 C1-C24의 알킬이다.
화학식 1에서, 아미디니움계 이온은 하기 화학식 1-3을 만족할 수 있다.
[화학식 1-3]
Figure pat00001
화학식 1-3에서, R4 내지 R8은 서로 독립적으로, 수소, C1-C24의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이다.
화학식 1에서, A는 유기 암모늄 이온, 아미디니움계(amidinium group) 이온 또는 유기 암모늄 이온과 아미디니움계 이온의 조합에 해당할 수 있다. 유기 암모늄 이온과 아미디니움계 이온을 모두 함유하는 경우, 페로브스카이트의 전하 이동도를 현저하게 향상시킬 수 있다.
A가 유기 암모늄 이온과 아미디니움계 이온을 모두 함유하는 경우, 1가 유기 양이온의 총 몰수를 1로 하여, 0.7 내지 0.95의 아미디니움계 이온 및 0.3 내지 0.05의 유가 암모늄 이온을 함유할 수 있다. 즉, 화학식 1에서, A는 Aa (1-x)Ab x이며, Aa는 아미디니움계 이온이고, Ab는 유기 암모늄 이온이며, x는 0.3 내지 0.05의 실수일 수 있다.
아미디니움계 이온과 유기암모늄 이온간의 몰비 즉, 0.7 내지 0.95몰의 아미디니움계 이온 : 0.3 내지 0.05몰의 유기암모늄 이온의 몰비는 매우 넓은 파장 대역의 광을 흡수할 수 있으면서도 보다 빠른 엑시톤(exciton)의 이동 및 분리, 보다 빠른 광전자 및 광정공의 이동이 이루어질 수 있는 범위이다.
화학식 1-1의 R1, 화학식 1-2의 R2~R3 및/또는 화학식 1-3의 R4~R8은 페로브스카이트의 용도, 즉, 광소자의 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다.
예컨대, 페로브스카이트의 단위셀의 크기가 밴드갭과 연관되어 있고 작은 단위셀 크기에서 태양전지로 활용하기에 적절한 1.5~1.1 eV의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 이에 따라, 태양전지로 활용하기에 적절한 1.5~1.1 eV의 밴드갭 에너지를 고려하는 경우, 화학식 1-1에서, R1은 C1-C24의 알킬, 구체적으로 C1-C7 알킬, 보다 구체적으로 메틸일 수 있다. 또한, 화학식 1-2에서 R2는 C1-C24의 알킬일 수 있고 R3는 수소 또는 C1-C24의 알킬일 수 있으며, 구체적으로 R2는 C1-C7 알킬일 수 있고 R3는 수소 또는 C1-C7 알킬일 수 있으며, 보다 구체적으로 R2는 메틸일 수 있고 R3는 수소일 수 있다. 또한, 화학식 1-3에서 R4 내지 R8은 서로 독립적으로, 수소, 아미노 또는 C1-C24의 알킬, 구체적으로, 수소, 아미노 또는 C1-C7 알킬, 보다 구체적으로 수소, 아미노 또는 메틸일 수 있으며, 보다 더 구체적으로 R4가 수소, 아미노 또는 메틸이고 R5 내지 R8가 수소일 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 아미디니움계 이온은 포름아미디니움(formamidinium, NH2CH=NH2 +) 이온, 아세트아미디니움(acetamidinium, NH2C(CH3)=NH2 +) 이온 또는 구아미디니움(Guamidinium, NH2C(NH2)=NH2 +) 이온 등을 들 수 있다.
상술한 바와 같이, 유기 양이온(A)의 구체적인 예들은, 페로브스카이트 막의 용도, 즉, 태양광의 광흡수층으로의 용도를 고려한 일 예이며, 흡수하고자 하는 광의 파장 대역의 설계, 발광소자의 발광층으로 사용하는 경우 발광 파장 대역의 설계, 트랜지스터의 반도체 소자로 사용하는 경우 에너지 밴드갭과 문턱 전압(threshold voltage)등을 고려하여 화학식 1-1의 R1, 화학식 1-2의 R2~R3 및/또는 화학식 1-3의 R4~R8이 적절히 선택될 수 있다.
일 실시예에서, A는 1가의 금속 이온으로, 알칼리 금속 이온에 해당할 수 있다. 예컨대, A로서 1가의 금속 이온은 Li+, Na+, K+, Rb+, 또는 Cs+ 이온에 해당할 수 있다.
일 실시예에서, A는 1가의 유기 양이온과 1가의 금속 이온의 조합에 해당할 수 있다. 예컨대, A는 1가의 유기 양이온에 1가의 금속 이온이 도핑된 형태에 해당할 수 있다. 도핑된 금속 이온인 1가의 금속 이온은 알칼리 금속 이온을 포함할 수 있으며, 알칼리 금속 이온은 Li+, Na+, K+, Rb+, 및 Cs+ 이온에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.
화학식 1에서, M은 2가의 금속 이온일 수 있다. 예컨대, M은 Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Ge2+, Sn2+, Pb2+, Yb2+ 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.
화학식 1에서, X는 할로겐 이온에 해당할 수 있다. 구체적으로, 할로겐 이온은 I-, Br-, F-, Cl- 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 할로겐 이온을 포함하는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, X는 산소 이온에 해당할 수 있다.
보다 구체적으로, 할로겐 음이온은 요오드 이온 및 브롬 이온을 함유할 수 있다. 할로겐 음이온이 요오드 이온 및 브롬 이온을 모두 함유하는 경우, 페로브스카이트의 결정성 및 내습성을 향상시킬 수 있다.
구체적인 일 예로, 화학식 1에서, X는 Xa (1-y)Xb y 일 수 있고, Xa 및 Xb는 서로 상이한 할로겐 이온(요오드 이온(I-), 클로린 이온(Cl-) 및 브롬 이온(Br-)에서 선택되는 서로 상이한 할로겐 이온)이고, y는 0＜y＜1인 실수일 수 있다.
상술한 바를 기반으로, M을 Pb2+로 한, 구체적이며 비 한정적인 페로브스카이트의 일 예를 들면, 페로브스카이트는 CH3NH3PbIxCly(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), CH3NH3PbIxBry(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), CH3NH3PbClxBry(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), CH3NH3PbIxFy(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2CH=NH2PbIxCly(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2CH=NH2PbIxBry(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2CH=NH2PbClxBry(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2CH=NH2PbIxFy(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2CH=NH2(1-x)(CH3NH3)xPb(I(1-y)Bry)3(x는 0＜x＜1인 실수이며, y는 0＜y＜1인 실수), NH2CH=NH2(1-x)(CH3NH3)xPb(I(1-y)Bry)3(x는 0.05≤x≤0.3인 실수이며, y는 0.05≤y≤0.3인 실수), NH2CH=CH2(1-x)(CH3NH3)xPb(I(1-x)Brx)3(x는 0.05≤x≤0.3인 실수), NH2C(CH3)=NH2PbIxCly(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2C(CH3)=NH2PbIxBry(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2C(CH3)=NH2PbClxBry(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2C(CH3)=NH2PbIxFy(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2C(CH3)=NH2(1-x)(CH3NH3)xPb(I(1-y)Bry)3(x는 0＜x＜1인 실수이며, y는 0＜y＜1인 실수), NH2C(CH3)=NH2(1-x)(CH3NH3)xPb(I(1-y)Bry)3(x는 0.05≤x≤0.3인 실수이며, y는 0.05≤y≤0.3인 실수), NH2C(CH3)=(CH2)(1-x)(CH3NH3)xPb(I(1-x)Brx)3(x는 0.05≤x≤0.3인 실수), NH2C(NH2)=NH2PbIxCly(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3),NH2C(NH2)=NH2PbIxBry(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2C(NH2)=NH2PbClxBry(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), NH2C(NH2)=NH2PbIxFy(x는 0≤x≤3인 실수, y는 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3),NH2C(NH2)=(NH2)(1-x)(CH3NH3)xPb(I(1-y)Bry)3(x는 0＜x＜1인 실수이며, y는 0＜y＜1인 실수), NH2C(NH2)=(NH2)(1-x)(CH3NH3)xPb(I(1-y)Bry)3(x는 0.05≤x≤0.3인 실수이며, y는 0.05≤y≤0.3인 실수) 또는 NH2C(NH2)=(CH2)(1-x)(CH3NH3)xPb(I(1-x)Brx)3(x는 0.05≤x≤0.3인 실수)를 들 수 있다.
예컨대, 페로브스카이트는 CH3NH3PbI3(methylammonium lead iodide, MAPbI3) 및 CH(NH2)2PbBr3(formamidinium lead iodide, FAPbBr3)에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
Zr 도핑된 TiO 2 제조 방법
Zr이 1 mol% 또는 2 mol% 도핑된 n형 금속산화물을 제조한다. 우선, 하루 전 0℃에서 1m% 85 mg 또는 2m% 160mg의 ZrCl4가 도핑된 EtOH 16ml를 준비한다. TiCl4 4ml를 상술한 EtOH에 액적 주입(droplet injection)하면서 700 rpm으로 섞고 상온에 3분 간 유지한다. 이어서, BzOH 80 ml를 10분 간 섞는다. 다음으로, 컨벡션 오븐(Convection oven)에서 85℃로 11시간 유지한 후, 상온에 1시간 유지한다. 그 후, 디에틸에터(diethyl ether, DEE) 400 ml와 centrifuge bottles 250 ml 2개를 이용하여 원심 분리한다.
실시예 1: FTO(TEC8) / Zr-TiO 2 Nano Particle / Perovskite / PTAA / Au
1. 상술한 Zr이 도핑된 n형 금속산화물을 FTO 전극 상에 스핀 코팅한 후 150 ℃에서 10분 간 열처리하여 전자 수송층을 제조한다(2 mol%의 Zr 도핑).
2. 상술한 전자 수송층을 포함하는, FTO(TEC8) / Zr-TiO 2 NP(Nano Particle) / Perovskite / PTAA / Au 구조의 광소자를 제조한다. 이 경우, 전자 수송층은 Zr이 도핑된 TiO2 나노 입자(Nano particle)를 포함한다.
실시예 2: ITO / Zr-TiO 2 Nano Particle / Perovskite / PTAA / Au
1. 상술한 Zr이 도핑된 n형 금속산화물을 ITO 전극 상에 스핀 코팅한 후 150 ℃에서 10분 간 열처리하여 전자 수송층을 제조한다(2 mol%의 Zr 도핑).
2. 상술한 전자 수송층을 포함하는, ITO / Zr-TiO 2 NP / Perovskite / PTAA / Au 구조의 광소자를 제조한다. 이 경우, 전자 수송층은 Zr이 도핑된 TiO2 나노 입자를 포함한다.
비교예 1: FTO(TEC8) / TiO 2 Nano Particle / Perovskite / PTAA / Au
비교예 1에 따라 제조된 광소자는, FTO(TEC8) / TiO 2 NP / Perovskite / PTAA / Au 구조를 갖는다. 이 경우, 전자 수송층은 TiO2 나노 입자를 포함한다.
비교예 2: ITO / TiO 2 Nano Particle / Perovskite / PTAA / Au
비교예 2에 따라 제조된 광소자는, ITO / TiO 2 NP / Perovskite / PTAA / Au 구조를 갖는다. 이 경우, 전자 수송층은 TiO2 나노 입자를 포함한다.
성능 비교
상술한 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2를 통해 제조된 페로브스카이트 광소자를 이용하여 하기 방법을 통해 광소자의 성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1 및 2에 표기하였다.
1) 전류-전압 특성: 인공태양장치(ORIEL class A solar simulator, Newport, model 91195A)와 소스-미터(source-meter, Kethley, model 2420)를 사용하여, 개방전압(VOC), 단락전류 밀도(JSC) 및 필 팩터(fill factor, FF)를 측정하였다.
2) 광전변환효율(power conversion efficiency, PCE): 1,000 W/㎡의 일조 강도와 온도 85℃ 및 습도 85%의 항온 항습 조건에서 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2를 통해 제조된 페로브스카이트 광소자를 280 내지 2500 ㎚ 파장의 광원에 노출시켜 PCE 값을 측정하였다.
광전변환소자의 효율 비교
n-i-p
FTO		 소자 Sweep V oc [V] J sc [mA/cm2] FF PCE [%]
실시예 1 Rev 1.09 25.20 0.84 23.07
비교예 1 Rev 1.08 25.19 0.81 22.03
표 1에 따르면, 실시예 1에 따른 광전변환소자가 비교예 1보다 더 높은 전력 변환 효율을 나타냄을 확인할 수 있다.
광전변환소자의 효율 비교
n-i-p
ITO		 소자 Sweep V oc [V] J sc [mA/cm2] FF PCE [%]
실시예 2 Rev 1.11 24.5 0.83 22.57
비교예 2 Rev 1.09 24.45 0.8 21.32
표 2에 따르면, 실시예 2에 따른 광전변환소자가 비교예 2보다 더 높은 전력 변환 효율을 나타냄을 확인할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (5)

  1. 전자 수송층 및 페로브스카이트층을 포함하는 광소자의 제조 방법으로서,
    150 ℃ 이하의 공정 온도에서, Zr이 도핑된 TiO2를 포함하는 전자 수송층을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 전자 수송층에서 Ti에 대한 Zr의 몰 비는 10% 이하에 해당하는, 광소자 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자 수송층은 Zr이 도핑된 TiO2의 나노 입자를 포함하는, 광소자 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전자 수송층을 형성하는 단계는, TiO2에 Zr이 도핑된 산화물을 스핀 코팅하는 단계를 포함하는, 광소자 제조 방법.
  4. 광소자로서,
    제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성되고 Zr이 도핑된 TiO2를 포함하는 전자 수송층;
    상기 전자 수송층 상에 형성되는 페로브스카이트층;
    상기 페로브스카이트층 상에 형성되는 정공 수송층; 및
    상기 정공 수송층 상에 형성되는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 전자 수송층에서 Ti에 대한 Zr의 몰 비는 10% 이하에 해당하고,
    상기 전자 수송층은 150 ℃ 이하의 공정 온도에서 형성되는, 광소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정공 수송층은 PTAA에 해당하는, 광소자.
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