KR20230060256A - 태양 전지용 정공 수송 재료 및 이를 포함하는 태양 전지 - Google Patents
태양 전지용 정공 수송 재료 및 이를 포함하는 태양 전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 태양 전지용 정공 수송 재료 및 이를 정공 수송 층에 포함하는 태양 전지에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 정공 수송 재료는 종래 기술의 정공 수송 재료, 특히 고분자 PTAA와 비교했을 때 PCE 를 비롯한 태양 전지 소자의 성능이 더 우수하다는 이점이 있다.
Description
본 발명은 태양 전지용 정공 수송 재료 및 이를 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.
화석연료의 고갈 우려와 이의 남용에 따른 온난화 및 기후 변화, 그리고 원자력 에너지에 상존하는 안전 우려 등으로 인해, 지속 가능한 에너지인 태양광 발전의 필요성은 그 어느 때보다 높이 요구되고 있다.
태양전지 기술은 빛을 전기에너지로 직접 바꿔주는 기술로서, 실용화되고 있는 태양전지의 대부분은 실리콘과 같은 무기물을 이용한 무기 태양전지이다. 그러나 무기태양전지는 복잡한 제조 공정으로 인하여 제조비용이 증가하고 재료가 고가이기 때문에, 비교적 간단한 제조 공정을 통해 제조비용이 적게 들고, 소재 비용이 저가인 유기 태양전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 유기 태양전지는 BHJ의 구조가 공기 중의 수분이나, 산소에 의해 열화되어 그 효율이 빠르게 저하되는, 즉, 태양전지의 안정성에 큰 문제성이 있으며, 이를 해결하기 위한 방법으로 완전한 실링 기술을 도입하면 안정성이 증가하나 가격이 올라가는 문제점이 있다.
이에 현재 페로브스카이트 태양전지는 염료감응 및 유기 태양전지를 비롯한 차세대 태양전지 중에서 뛰어난 광전지 특성, 비용 절감과 쉬운 공정을 바탕으로 가장 상용화에 근접해 있으며 안정성 및 대면적화에 대한 본격적인 연구가 요구되고 있다. 이 중 정공 수송 재료가 없는 페로브스카이트 태양전지는 정공 수송 재료가 포함된 페로브스카이트 태양전지보다 낮은 전하 추출과 계면에서의 전하 재결합을 보임으로써, 개방전압 및 충전률의 하락을 나타냈다.
따라서, 더 높은 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)을 보이기 위해서는 전하 추출의 상승과 계면에서의 원하지 않는 전하 재결합을 완화시켜야 하고, 이를 위해서는 페로브스카이트 태양 전지에서 정공 수송 재료(Hole Transporting Materials, HTM)의 역할이 중요하다.
이와 같은 상황 속에서 페로브스카이트 태양 전지는 독특한 광화학적 특성, 강한 광흡수 능력 및 높은 효율로 최근 수년 동안 활발한 연구가 진행되었으며, 최근에는 20% 이상의 효율을 달성한 바 있다. 이러한 고효율 소자의 제작을 위해서는 정공 수송 재료의 수송 능력이 중요한 요점 중 하나이다. 현재 보고되고 있는 고효율 페로브스카이트 태양 전지를 위한 대표적인 정공수송층으로 고분자 소재인 폴리트리아릴아민(Polytriarylamine, PTAA)이 있다. 그러나, PTAA는 고분자 배치간 차이로 발생하는 태양전지 소자의 효율 재현성 문제가 있으며, 이는 페로브스카이트 태양 전지의 상용화에 걸림돌이 되고 있다.
본 발명의 일 목적은 기존의 정공 수송 재료, 특히 PTAA를 대체할 수 있을 만큼 효율이 뛰어난 태양 전지용 정공 수송 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 태양 전지용 정공 수송 재료가 제공된다:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R1 내지 R9 는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고, n 은 0 내지 20의 정수이다.
본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 상기 정공 수송 재료를 정공 수송층에 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지가 제공된다.
본 발명에 따른 정공 수송 재료는 우수한 효율과 안정성을 나타내는 등, 재료 자체의 특성이 우수할 뿐만 아니라, 이를 정공 수송 층에 포함하는 태양 전지는 소자 성능이 기존의 정공 수송 재료를 사용한 경우에 비하여 개선을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 비교예 및 제조예에서 제조한 n-i-p-페로브스카이트 태양 전지의 구조를 도식적으로 나타내는 도면이다.
도 2 는 비교예와 제조예에 따라 제작한 태양 전지의 J-V 곡선을 나타낸다.
도 2 는 비교예와 제조예에 따라 제작한 태양 전지의 J-V 곡선을 나타낸다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다, “함유”한다, “가지다”라고 할 때, 이는 특별히 달리 정의되지 않는 한, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서 "페로브스카이트"는 양이온(R 및 M)과 음이온(X)이 RMX3 의 화학식으로 구성되며, 최초의 페로브스카이트형 물질인 CaTiO3와 같은 결정 구조를 가지는 유기무기 할라이드 물질을 의미한다.
명세서 전체에서, “페로브스카이트 태양 전지”는 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 유무기 할라이드 물질을 포함하는 태양 전지를 의미한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 하기 화학식 1로 표시되는 태양 전지용 정공 수송 재료, 구체적으로는 페로브스카이트 태양 전지용 정공 수송 재료가 제공된다:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R1 내지 R9 는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기, 구체적으로 탄소수 1 내지 3의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이다. 일 구현예에 따르면, 상기 R1 내지 R9 는 각각 독립적으로 탄소수 1 또는 2의 알킬기, 즉 메틸 또는 에틸일 수 있다. 상기 R1 내지 R9 는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 화학식 1에서, n 은 0 내지 20의 정수이고, 구체적으로는 1 내지 5의 정수일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1의 재료는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다:
[화학식 2]
상기 화학식 2에서 n 은 0 내지 20의 정수이고, 예를 들어 1 내지 5의 정수일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1의 재료는 하기 화학식 3으로 표시되는 테트라-TAA (Tetra-TAA)일 수 있다:
[화학식 3]
본 발명에 따른 정공 수송 재료는 Pd 촉매 하에 할로겐화 화합물과 유기 붕소 화합물의 아릴-아릴 Suzuki 커플링 반응을 통해 합성할 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태에 따르면, 상기 정공 수송 재료를 정공 수송 층에 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지가 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 태양 전지는 페로브스카이트 태양 전지일 수 있다.
구체적으로, 상기 태양 전지는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치되고 페로브스카이트를 포함하는 광활성 층; 및 상기 광활성 층 상에 배치되는 정공 수송 층을 포함하는 태양 전지일 수 있다. 상기 태양 전지는 상기 정공 수송 층 상에 제2 전극을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 전자 전달 층을 더 포함할 수 있다.
상기 태양 전지에서, 상기 제1 전극은 애노드 및 캐소드 중 하나 일 수 있고, 상기 제2 전극은 애노드 및 캐소드 중 다른 하나일 수 있다. 또한, 상기 제1 전극과 제2 전극 중 어느 하나 또는 둘 모두가 기판 상에 코팅될 수 있다.
상기 광활성층에 사용되는 페로브스카이트는 RMX3 구조를 가지는 것으로서, 본 발명에 따르면, 상기 R은 메틸암모늄 양이온(MA) 또는 포름아미디늄(FA) 양이온일 수 있고, X는 아이오다이드 음이온 또는 브로마이드 음이온일 수 있고, M은 Pb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 2가의 금속 양이온일 수 있다. 예를 들어 상기 페로브스카이트는 MAPbI3 일 수 있다. 상기 광활성층은 페로브스카이트 물질 이외의 다른 광활성 물질, 예를 들어 반도체 물질을 더 포함하거나, 또는 상기 광활성층은 상기 페로브스카이트를 포함하는 층 이외에, 추가의 다른 광활성 물질을 포함하는 다른 층, 예를 들어, 반도체 층을 더 포함할 수 있다.
상기 정공 수송층은 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물을 포함한다. 상기 정공 수송층은 상기 화학식 1의 화합물 이외에도 추가의 다른 화합물을 더 포함하고 있어도 된다. 예를 들어 상기 추가의 다른 화합물로는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA), 펜타센, 쿠마린 6, ZnPC(zinc phthalocyanine), CuPC, TiOPC, Spiro-MeOTAD (2,2',7,7'-tetrakis(N,N-pdimethoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene), F16CuPC, 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 수 있다. 상기 정공 수송 층의 형성 방법으로서 정공 수송 재료를 용매에 용해 또는 분산 매질에 분산시킨 후, 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 스크린 인쇄법, 바(bar) 코팅법, 잉크젯 프린팅법, 슬롯다이 코팅법 등에 의해 형성할 수 있으며, 진공 하에서 열증착이나 스퍼터링 방식에 의해 형성될 수도 있다.
상기 전자 전달층은 전자 전도성 유기물, 전자 전도성 무기물, 또는 이들의 조합을 포함하고 있을 수 있다. 상기 전자 전도성 유기물은 통상의 태양전지에서 n형 반도체로 사용되는 유기물일 수 있다. 예를 들어, 전자 전도성 유기물은 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), 풀러렌 유도체, 예컨대 PCBM ([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)), C71-PCBM, C84-PCBM, PC70BM ([6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester), PBI(polybenzimidazole), PTCBI (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ (tetra uorotetracyanoquinodimethane) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 이에, 본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 전자 전달층은 풀러렌 또는 풀러렌 유도체를 포함하는 것일 수 있다. 한편, 상기 전자 전도성 무기물로는 금속산화물, 예를 들어 Ti 산화물, Zn 산화물, In 산화물, Sn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, Mo 산화물, Mg 산화물, Ba 산화물, Zr 산화물, Sr 산화물, Yr 산화물, La 산화물, V 산화물, Al 산화물, Y 산화물, Sc 산화물, Sm 산화물, Ga 산화물, In 산화물 및 SrTi 산화물에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 들 수 있으며, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체를 들 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[합성예] 화합물의 합성
N 4 , N 4' -디메시틸(dimesityl)- N 4 , N 4' -디페닐-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민 (A) 의 합성:
N-(4-브로모페닐)-2,4,6-트리메틸-N-페닐아닐린 (1 당량), 2,4,6-트리메틸-N-페닐-N-(4-(4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보롤란-2-일)페닐)아닐린 (1 당량)을 둥근 바닥 플라스크에 넣고 용매로 톨루엔을 첨가하였다. 아르곤 기류 하에서 Pd(PPh3)4 (테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)) 촉매 0.04 당량을 넣고 2M K2CO3 수용액을 첨가한 후 120℃에서 하루 동안 교반시켰다. 물을 첨가하여 반응을 종결시키고, 디클로로메탄을 첨가하여 유기물을 추출, MgSO4로 건조 및 회전 증발기에서 용매를 제거하였다. 얻어진 혼합물을 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 최종 화합물을 얻었다. 1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6 ), δ (ppm): 7.46 (d, 4H), 7.23 (t, 4H), 7.00 (s, 4H), 6.89 (m, 10H), 2.28 (s, 6H), 1.93 (s, 12H).
N
4
,
N
4'
-비스(4-브로모페닐)-
N
4
,
N
4'
-디메시틸-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민 (B)의 합성:
N 4,N 4'-디메시틸-N 4,N 4'-디페닐-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민 (1 당량)을 둥근 바닥 플라스크에 넣고 용매로 THF를 첨가하였다. N-브로모숙신이미드 2.1 당량을 첨가한 후 상온에서 하루동안 교반시켰다. 물을 첨가하여 반응을 종결시키고, 디클로로메탄을 첨가하여 유기물을 추출, MgSO4로 건조 및 회전 증발기에서 용매를 제거하였다. 얻어진 혼합물을 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 최종 화합물을 얻었다. 1H NMR (400 MHz, THF-d 8 ), δ (ppm): 7.42 (m, 4H), 7.28 (m, 4H), 6.98 (m, 8H), 6.86 (m, 4H), 2.30 (s, 6H), 1.99 (s, 12H).
N 4 , N 4' -([1,1'-비페닐]-4,4‘-디일) 비스( N 4 , N 4' -디메시틸- N 4' -페닐-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민) (Tetra-TAA) 의 합성:
N 4,N 4'-비스(4-브로모페닐)-N 4,N 4'-디메시틸-[1,1'-비페닐]-4,4'-디아민 (1 당량), 2,4,6-트리메틸-N-페닐-N-(4-(4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보롤란-2-일)페닐)아닐린 (2.1 당량)을 둥근 바닥 플라스크에 넣고 용매로 톨루엔을 첨가하였다. 아르곤 기류 하에서 Pd(PPh3)4 (테트라키스(트리페닐포스핀)팔라듐(0)) 촉매 0.04 당량을 넣고 2M K2CO3 수용액을 첨가한 후 120℃에서 하루 동안 교반시켰다. 물을 첨가하여 반응을 종결시키고, 디클로로메탄을 첨가하여 유기물을 추출, MgSO4로 건조 및 회전 증발기에서 용매를 제거하였다. 얻어진 혼합물을 컬럼 크로마토그래피로 정제하여 최종 화합물을 얻었다. 1H NMR (400 MHz, THF-d 8 ), δ (ppm): 7.40 (m, 12H), 7.16 (m, 4H), 6.98 (m, 24H), 6.84 (m, 2H), 2.31 (m, 12H), 2.00 (m, 24H).
[제조예] 페로브스카이트 태양 전지의 제조
ITO/유리 기판 상부에 열증착기(thermal evaporator)를 사용하여 5×10-6 torr 이하의 고진공 하에서 Tetra-TAA(화학식 2에서 n = 2인 화합물)를 증착시켜 20 nm의 정공수송층을 형성하였다. 열증착기를 사용하여 요오드화 납(PbI2)과 메틸암모늄화 요오드(methylammonium iodide, MAI)를 순차적으로 증착하여 메틸암모늄 요오드화 납(methylammonium lead iodide, MAPbI3) 광활성층을 형성하였다. MAPbI3층 상부에 클로로벤젠을 용매로 하는 20 mg/ml 농도의 플러렌 유도체(PCBM) 용액과 이소프로필 알코올에 분산된 산화아연(ZnO) 나노입자 용액을 순차적으로 각각 4,000 rpm에서 20초간 스핀코팅하여 전자수송층을 형성하였다. 마지막으로 열증착기를 사용하여 5×10-6 torr 이하의 고진공 하에서 100 nm의 두께를 갖는 Ag전극을 전자수송층 상에 형성하였다.
[비교 제조예] 비교용 페로브스카이트 태양 전지의 제조
정공 수송 재료로서 Tetra-TAA를 대신하여 종래 기술의 PTAA를 사용한 것을 제외하고는 상기 [제조예]에서와 동일한 방식으로 페로브스카이트 태양 전지를 제조하였다.
[실험예] 광기전 특성 분석 실험
상기 비교예와 제조예에 따라 태양 전지를 사용하였고, 태양광 시뮬레이터 (McScience, K3000 Lab solar cell I-V 측정 시스템, Class AAA)를 이용하여 100 mA cm-2, AM 1.5 G에서 전류 밀도-전압 (J-V) 곡선을 측정하였다. 이 때, 광 강도는 측정 전에 Si 참조 전극 (NREL에서 보증된 것)을 사용하여 보정하였고, 포텐셜 스캔 전에 광 침투는 없었으며, J-V 곡선은 1.5 V에서 -1.0V 까지 10 mV 내지 50 mV 범위로 변화되는 전압을 인가하여 얻어지는 전류의 값을 측정하여 그래프를 얻는다. 개방 회로 전압 (VOC), 단락 회로 전류 밀도 (JSC), 충전 인자 (FF), 및 전력 변환 효율 (PCE) 등의 파라미터에 대한 분석 결과를 [도 2]에 나타내었으며, 그 결과를 하기 [표 1]에 요약하였다.
[표 1]
상기 [표 1]로부터 본 발명에 따른 정공 수송 재료 Tetra-TAA를 사용한 태양 전지에서, 개방 회로 전압 (VOC), 단락 회로 전류 밀도 (JSC), 충전 인자 (FF), 및 전력 변환 효율 (PCE)의 모든 광기전 성능에서 비교예에 비해 개선을 나타내었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (7)
- 하기 화학식 1로 표시되는 태양 전지용 정공 수송 재료:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R1 내지 R9 는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 3의 알킬기이고,
n 은 0 내지 20의 정수이다. - 제1항에 있어서, R1 내지 R9 는 각각 독립적으로 탄소수 1 또는 2의 알킬기인 것을 특징으로 하는 태양 전지용 정공 수송 재료.
- 제1항에 있어서, R1 내지 R9 는 각각 독립적으로 탄소수 1 또는 2의 알킬기인 것을 특징으로 하는 태양 전지용 정공 수송 재료.
- 제1항에 있어서, 하기 화학식 2로 표시되는 태양 전지용 정공 수송 재료:
[화학식 2]
상기 화학식 2에서 n 은 0 내지 20의 정수이다. - 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치되고 페로브스카이트를 포함하는 광활성 층; 및 상기 광활성 층 상에 배치되는 정공 수송 층을 포함하고,
상기 정공 수송 층은 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 정공 수송 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제5항에 있어서, 상기 페로브스카이트는 RMX3 구조를 가지고, 여기서 상기 R은 메틸암모늄 양이온(MA) 또는 포름아미디늄(FA) 양이온이고, X는 아이오다이드 음이온 또는 브로마이드 음이온이고, M은 Pb2+, Sn2+, Ge2+, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 2가의 금속 양이온인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 광활성층 사이에 전자 전달 층을 더 포함하며, 상기 전자 전달층은 풀러렌 또는 풀러렌 유도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210144771A KR20230060256A (ko) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | 태양 전지용 정공 수송 재료 및 이를 포함하는 태양 전지 |
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2021
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