KR20230110978A - Manufacturing method of metal oxide thin film and metal oxide thin film manufactured using these, manufacturing method of perovskite optoelectronic device comprising the same and perovskite optoelectronic device manufactured using these - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 산화물 박막의 제조방법, 광전소자의 제조방법 및 이를 통하여 제조된 페로브스카이트 광전소자를 개시한다. 본 발명은 금속 산화물 전구체, 연료, 산용액 및 연결체를 포함하는 금속 산화물 전구체 용액을 제조하는 단계; 상기 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 상기 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계; 및 상기 금속 산화물 반응 용액에 기판을 침지시켜 금속 산화물 박막을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a method for manufacturing a metal oxide thin film, a method for manufacturing a photoelectric device, and a perovskite photoelectric device manufactured through the method. The present invention comprises the steps of preparing a metal oxide precursor solution containing a metal oxide precursor, a fuel, an acid solution and a connector; reacting the oxide precursor solution with oxygen to prepare a metal oxide reaction solution including a metal oxide intermediate bonded to the linking body; and preparing a metal oxide thin film by immersing the substrate in the metal oxide reaction solution.
Description
본 발명은 금속 산화물 박막의 제조 방법 및 이를 통하여 제조된 금속 산화물 박막, 페로브스카이트 광전소자의 제조방법, 페로브스카이트 광전소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명은 광전소자에 적용될 수 있는 FTO(Fluorine doped tin oxide) 또는 Si의 특성을 고려한 금속 산화물 박막의 제조 방법 및 이를 통하여 제조된 금속 산화물 박막, 페로브스카이트 광전소자의 제조방법, 페로브스카이트 광전소자에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a metal oxide thin film and a method of producing metal oxide thin films, perovskite optical electric front, perovskite optical electric electronics prepared through this, and more particularly, the present invention, the metal oxide thin film considering the properties of the FTO (fluorine doped tin oxide) or Si that can be applied to the photoelectric element. It relates to a manufacturing method and a method of producing metal oxide thin films, perovskite optical electric front, and perovskite optical photosenators.
화학 용액 증착법은 금속 산화물을 형성할 수 있는 전구체 용액에 박막을 증착하고자 하는 기판을 담지한 상태에서, 기판에 증착될 수 있는 금속 산화물 뉴클레이션 형성을 위한 외부 반응(ex. 가열 등)을 가하고 이를 통해 기판에 금속산화물 박막 형성이 곧바로 이뤄지게 하는 기술이다.The chemical solution deposition method is a technique in which a substrate on which a thin film is to be deposited is supported in a precursor solution capable of forming a metal oxide, and an external reaction (eg, heating) is applied to form a metal oxide nucleation that can be deposited on the substrate. Through this, a metal oxide thin film is formed directly on the substrate.
화학 용액 증착법은 뉴클레이션 형성과 박박 형성이 동시에 이뤄지기 때문에 넓은 면적에 균일하게 박막화가 가능한 것으로 알려져 있는 기술이며, 다양한 종류의 금속산화물 박막 증착에 응용할 수 있는 기술이다.The chemical solution deposition method is a technology known to be able to uniformly form a thin film over a wide area because nucleation formation and thin film formation are performed simultaneously, and is a technique that can be applied to various types of metal oxide thin film deposition.
그러나, 뉴클레이션된 전구체와 금속 산화물 박막을 증착하고자 하는 기판과의 화학적 결합력이 떨어지는 경우 박막과 기판 사이에 물리적인 결함을 형성하거나 또는 기판 전면에 균일한 박막을 형성하기 어렵다는 문제가 존재한다.However, when the chemical bonding strength between the nucleated precursor and the substrate on which the metal oxide thin film is to be deposited is poor, there is a problem of forming a physical defect between the thin film and the substrate or making it difficult to form a uniform thin film on the entire surface of the substrate.
일반적으로 화학 용액 증착법의 경우, 금속 산화물 전구체가 결함(ex. 특성이 떨어지는 금속산화물 이차상 등)형성 없이 뉴클레이션을 이루고 치밀한 박막 형성이 되도록 전구체 용액의 농도, 온도, 증착을 위한 반응시간, 용액의 pH 등을 조절하게 된다. In general, in the case of a chemical solution deposition method, a metal oxide precursor is nucleated without forming a defect (eg, a metal oxide secondary phase with poor characteristics) and a dense thin film is formed, so that the concentration of the precursor solution, temperature, reaction time for deposition, pH of the solution, etc. are adjusted.
그 결과 상기 언급한 전구체 용액에 가장 적합한 조건(ex. 농도, 온도, 반응시간, pH 등)과 금속산화물 박막을 증착하고자 하는 기판의 특성(ex. 기판이 견디는 온도, pH 등)이 서로 부합하지 않을 경우 고품질의 금속산화물 박막 증착이 어렵다는 문제가 존재한다.As a result, if the conditions most suitable for the above-mentioned precursor solution (ex. concentration, temperature, reaction time, pH, etc.) and the characteristics of the substrate on which the metal oxide thin film is to be deposited (ex. temperature, pH, etc.) do not match, there is a problem that it is difficult to deposit a high-quality metal oxide thin film.
즉, 이는 사용하고자 하는 기판의 특성에 맞는 전구체 용액을 설계하고 이를 기반으로 한 화학 용액 증착 기술을 도입하는 것이 필요함을 의미한다.That is, this means that it is necessary to design a precursor solution suitable for the characteristics of a substrate to be used and introduce a chemical solution deposition technology based thereon.
이에, 다양한 광전변환소자에 적용되고 있는 대표적인 기판(FTO(Fluorine doped tin oxide), ITO(Indium Tin Oxide), 실리콘(Silicon) 등)에 적합한 주석 산화물 화학 용액 증착 기술을 개발이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop a tin oxide chemical solution deposition technology suitable for representative substrates (FTO (Fluorine doped tin oxide), ITO (Indium Tin Oxide), silicon, etc.) applied to various photoelectric conversion devices.
본 발명의 실시예는 금속 산화물 전구체 용액 내에 연결체와 우선적으로 결합된 금속 산화물 중간체를 형성하고 이를 이용해 화학 용액 증착법을 적용하여 기판과의 결합을 높여 기판에 물리적 결함 형성 없이 균일한 박막을 형성할 수 있는 금속 산화물 박막의 제조 방법 및 이를 통하여 제조된 금속 산화물 박막, 페로브스카이트 광전소자의 제조방법, 페로브스카이트 광전소자를 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention form a metal oxide intermediate that is preferentially bonded to a linker in a metal oxide precursor solution and apply a chemical solution deposition method using the same to increase bonding with a substrate to form a uniform thin film without forming physical defects on the substrate. It is intended to provide a method for manufacturing a metal oxide thin film that can be formed, a metal oxide thin film manufactured through the same, a method for manufacturing a perovskite photoelectric device, and a perovskite photoelectric device.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예는 금속 산화물 박막의 표면 형상의 거칠기를 제어하여 입사된 빛의 광경로(optical path) 제어를 통한 반사 손실 저감 효과, 다시 말해 반사 방지(Anti-reflection) 효과를 통해 페로브스카이트 광전소자에서 나타날 수 있는 광흡수 손실을 최소화할 수 있는 금속 산화물 박막의 제조 방법 및 이를 통하여 제조된 금속 산화물 박막, 페로브스카이트 광전소자의 제조방법, 페로브스카이트 광전소자를 제공하고자 한다.In addition, an embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a metal oxide thin film capable of minimizing light absorption loss that may appear in a perovskite photoelectric device through an anti-reflection effect, that is, an anti-reflection effect through control of the optical path of incident light by controlling the roughness of the surface shape of the metal oxide thin film, and a method for manufacturing a metal oxide thin film, a perovskite photoelectric device, and a perovskite photoelectric device.
본 발명의 실시예는 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 선택적 결합을 유도하는 동시에 큰 결정핵이 생성(nucleation)된 금속 산화물 중간체를 형성하여 물리적 결함 형성 없이 균일하면서 동시에 표면 형상의 거칠기가 제어되어 반사 손실이 최소화된 금속 산화물 박막의 제조 방법 및 이를 통하여 제조된 금속 산화물 박막, 페로브스카이트 광전소자의 제조방법, 페로브스카이트 광전소자를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to react an oxide precursor solution with oxygen to induce selective bonding with a linker and form a metal oxide intermediate in which large crystal nuclei are generated at the same time to form a metal oxide intermediate without formation of physical defects and at the same time to control the roughness of the surface shape. A method for manufacturing a metal oxide thin film with minimized reflection loss, a metal oxide thin film manufactured through the same, a method for manufacturing a perovskite photoelectric device, and a perovskite photoelectric device.
본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법은 금속 산화물 전구체, 연료, 산용액 및 연결체를 포함하는 금속 산화물 전구체 용액을 제조하는 단계; 상기 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 상기 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계; 및 상기 금속 산화물 반응 용액에 기판을 침지시켜 금속 산화물 박막을 제조하는 단계;를 포함한다.A method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention includes preparing a metal oxide precursor solution including a metal oxide precursor, a fuel, an acid solution, and a connector; reacting the oxide precursor solution with oxygen to prepare a metal oxide reaction solution including a metal oxide intermediate bonded to the linking body; and preparing a metal oxide thin film by immersing the substrate in the metal oxide reaction solution.
상기 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 상기 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계에서, 상기 금속 산화물 전구체 표면에 상기 연결체가 선택적으로 결합되어 상기 금속 산화물 중간체가 형성될 수 있다.In the step of reacting the oxide precursor solution with oxygen to prepare a metal oxide reaction solution including the metal oxide intermediate bound to the linker, the linker is selectively bonded to the surface of the metal oxide precursor to form the metal oxide intermediate.
상기 금속 산화물 중간체는 결정핵 생성(nucleation)된 금속 산화물 전구체일 수 있다.The metal oxide intermediate may be a nucleated metal oxide precursor.
상기 금속 산화물 반응 용액의 농도는 0.002 M 내지 0.1 M 일 수 있다.The concentration of the metal oxide reaction solution may be 0.002 M to 0.1 M.
상기 금속 산화물 반응 용액의 pH는 0 내지 5일 수 있다.The pH of the metal oxide reaction solution may be 0 to 5.
상기 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계의 반응 시간은 1시간 내지 12시간일 수 있다.A reaction time of preparing a metal oxide reaction solution including a metal oxide intermediate combined with a linker by reacting the oxide precursor solution with oxygen may be 1 hour to 12 hours.
상기 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계의 반응 온도는 10℃ 내지 30℃ 일 수 있다.A reaction temperature in the step of reacting the oxide precursor solution with oxygen to prepare a metal oxide reaction solution including a metal oxide intermediate bonded to a linker may be 10°C to 30°C.
상기 금속 산화물 전구체는 금속 할로겐화물을 포함할 수 있다.The metal oxide precursor may include a metal halide.
상기 연결체는 티올(thiol)기를 작용기로 포함하는 카르복시산을 포함할 수 있다.The conjugate may include a carboxylic acid containing a thiol group as a functional group.
상기 연료는 아세틸아세톤, CF3COCH2COCF3, CH3COCHFCOCH3, CH3COCH2C(=NH)CF3, CH3C(=NH)CHFC(=NH)CH3, CH3COCH2C(=NCH3)CF3, CH3C(=NCH3)CHFC(=NCH3)CH3, CH3C(=NH)CHFC(=NCH3)CH3, Ph2POCH2COCH3, 우레아, 싸이오우레아, N-메틸우레아, 시트르산, 아스코르브산, 스테아르산, 나이트로메테인, 하이드라진, 카보하이드라자이드, 옥살릴 다이하이드라자이드, 말론산 다이하이드라자이드, 테트라 폼알 트리스 아진, 헥사메틸렌테트라민 및 말론산 무수물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The fuel is acetylacetone, CF3COCH2COCF3, CH3COCHFCOCH3, CH3COCH2C(=NH)CF3, CH3C(=NH)CHFC(=NH)CH3, CH3COCH2C(=NCH3)CF3, CH3C(=NCH3)CHFC(=NCH3)CH3, CH3C(=NH)CHFC(=NCH3)CH3, Ph2POCH2COCH3, urea, thiourea, N-methylurea, citric acid, ascorbic acid, stearic acid, nitromethane, hydrazine, carbohydrazide, oxalyl dihydrazide, malonic acid dihydrazide, tetra formal tris azine, hexamethylenetetramine, and malonic anhydride.
상기 산용액은 염산, 질산 및 황산 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The acid solution may include at least one of hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid.
상기 기판은 불소 함유 산화주석(FTO: fluorine doped tin oxide)일 수 있다.The substrate may be fluorine-doped tin oxide (FTO).
상기 기판은 실리콘(Si)일 수 있다.The substrate may be silicon (Si).
상기 기판은 표면에 제1 전극을 포함할 수 있다.The substrate may include a first electrode on a surface.
본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막은 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법으로 제조된다.A metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention is manufactured by a method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자의 제조방법은 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극이 형성된 기판 상에 제1 전하 수송층을 형성하는 단계; 상기 제1 전하 수송층 상에 페로브스카이트 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 페로브스카이트 광흡수층 상에 제2 전하 수송층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 전하 수송층 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 전하 수송층은 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법을 통해 제조된다.A method of manufacturing a perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention includes forming a first electrode on a substrate; forming a first charge transport layer on the substrate on which the first electrode is formed; Forming a perovskite light absorption layer on the first charge transport layer; forming a second charge transport layer on the perovskite light absorption layer; and forming a second electrode on the second charge transport layer, wherein the first charge transport layer is manufactured by the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
상기 제1 전하 수송층 및 상기 제2 전하 수송층은 전자 수송층 또는 정공 수송층일 수 있다.The first charge transport layer and the second charge transport layer may be an electron transport layer or a hole transport layer.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자의 제조방법으로 제조된다.A perovskite optoelectronic device according to an embodiment of the present invention is manufactured by a method for manufacturing a perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따르면, 금속 산화물 전구체 용액 내에 연결체와 우선적으로 결합한 금속 산화물 전구체와 기판 간의 결합을 높여 기판에 물리적 결함 형성 없이 균일한 박막을 형성할 수 있는 금속 산화물 박막의 제조 방법 및 이를 통하여 제조된 금속 산화물 박막, 페로브스카이트 광전소자의 제조방법, 페로브스카이트 광전소자를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a metal oxide thin film capable of forming a uniform thin film without forming physical defects on a substrate by increasing the bond between the metal oxide precursor preferentially bonded to a connector in a metal oxide precursor solution and a substrate, and a metal oxide thin film manufactured through the method, a method for manufacturing a perovskite photoelectric device, and a perovskite photoelectric device.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예에 따르면, 금속 산화물 박막의 표면 형상의 거칠기를 제어하여 입사된 빛의 광경로(optical path) 제어를 통한 반사 손실 저감 효과, 다시 말해 반사 방지(Anti-reflection) 효과를 통해 페로브스카이트 광전소자에서 나타날 수 있는 광흡수 손실을 최소화할 수 있는 금속 산화물 박막의 제조 방법 및 이를 통하여 제조된 금속 산화물 박막, 페로브스카이트 광전소자의 제조방법, 페로브스카이트 광전소자를 제공할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, a method for manufacturing a metal oxide thin film capable of minimizing light absorption loss that may appear in a perovskite optoelectronic device through an anti-reflection effect, that is, through an anti-reflection effect by controlling the roughness of the surface shape of the metal oxide thin film and controlling the optical path of incident light, and a metal oxide thin film manufactured through the method, a method of manufacturing a perovskite photoelectric device, and a perovskite photoelectric device can be provided. .
본 발명의 실시예에 따르면, 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 선택적 결합을 유도하는 동시에 큰 결정핵이 생성(nucleation)된 금속 산화물 중간체를 형성하여 물리적 결함 형성 없이 균일하면서 동시에 표면 형상의 거칠기가 제어되어 반사 손실이 최소화된 금속 산화물 박막의 제조 방법 및 이를 통하여 제조된 금속 산화물 박막, 페로브스카이트 광전소자의 제조방법, 페로브스카이트 광전소자를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an oxide precursor solution is reacted with oxygen to induce selective bonding with a linker and at the same time form a metal oxide intermediate in which large crystal nuclei are generated to form a metal oxide intermediate without formation of physical defects and at the same time, a method for manufacturing a metal oxide thin film with minimized reflection loss by controlling the roughness of the surface shape, a metal oxide thin film manufactured through the method, a method for manufacturing a perovskite photoelectric device, and a perovskite photoelectric device.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자를 도시한 단면도이다.
도 4는 비교예 1에 따른 금속 산화물 박막의 주사전자현미경 및 주사전자투과현미경을 통해 관찰된 이미지이고, 도 5는 실시예 1에 따른 금속 산화물 박막의 주사전자현미경 및 주사전자투과현미경을 통해 관찰된 이미지이다.
도 6은 비교예 2에 따른 페로브스카이트 광전소자 및 실시예 2에 따른 페로브스카이트 광전소자의 전류-전압 특성을 도시한 그래프(왼쪽)와 각각에 따른 페로브스카이트 광전소자의 외부양자효율(External Quantum Efficiency)을 도시한 그래프(오른쪽)이다.
도 7은 본 발명의 제조예 1과 제조예 2에 따른 금속 산화물 전구체 용액의 FT-IR(Fourier transform infrared spectroscopy) 분석을 통한 적외선 스펙트럼(IR Spectrum)을 도시한 그래프이다.
도 8은 비교예 3에 따른 금속 산화물 박막의 주사전자현미경을 통해 관찰된 이미지이고, 도 9은 실시예 3에 따른 금속 산화물 박막의 주사전자현미경을 통해 관찰된 이미지이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view showing a perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention.
4 is an image observed through a scanning electron microscope and a scanning electron transmission microscope of a metal oxide thin film according to Comparative Example 1, and FIG. 5 is an image observed through a scanning electron microscope and a scanning electron transmission microscope of a metal oxide thin film according to Example 1.
6 is a graph (left) showing current-voltage characteristics of a perovskite photoelectric device according to Comparative Example 2 and a perovskite photoelectric device according to Example 2 (left), and external quantum efficiencies of each perovskite photoelectric device (External Quantum Efficiency) is a graph (right).
7 is a graph showing infrared spectrum (IR Spectrum) through FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) analysis of metal oxide precursor solutions according to Preparation Examples 1 and 2 of the present invention.
8 is an image observed through a scanning electron microscope of a metal oxide thin film according to Comparative Example 3, and FIG. 9 is an image observed through a scanning electron microscope of a metal oxide thin film according to Example 3.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other elements or steps in a stated component or step.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다."Embodiments," "examples," "aspects," "examples," and the like used herein are not to be construed as preferred or advantageous over any aspect or design described.
또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.Also, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'. That is, unless otherwise stated or clear from the context, the expression 'x employs a or b' means any one of the natural inclusive permutations.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Also, the singular expressions “a” or “an” used in this specification and claims should generally be construed to mean “one or more,” unless indicated otherwise or clear from context to refer to the singular form.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.The terms used in the description below have been selected as general and universal in the related technical field, but there may be other terms depending on the development and / or change of technology, convention, preference of technicians, etc. Therefore, terms used in the following description should not be understood as limiting technical ideas, but should be understood as exemplary terms for describing the embodiments.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.In addition, in certain cases, there are also terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, their meanings will be described in detail in the corresponding description section. Therefore, terms used in the following description should be understood based on the meaning of the term and the contents throughout the specification, not simply the name of the term.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used in a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless explicitly specifically defined.
한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Meanwhile, in the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the terminology used in this specification is a term used to appropriately express the embodiment of the present invention, which may vary according to the intention of a user or operator or customs in the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms will have to be made based on the content throughout this specification.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법을 도시한 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법은 금속 산화물을 형성할 수 있는 금속 산화물 전구체 용액에 금속 산화물 박막을 증착하고자 하는 기판을 담지한 상태에서 외부 반응을 가하여 기판 표면에 금속 산화물 박막 형성이 곧바로 이뤄지게 하는 것이 가능한 화학 용액 증착법을 이용한 금속 산화물 박막 증착법으로, 화학 용액 증착법을 적용하고자 하는 기판의 특성(기판이 갖고 있는 굴곡, 기판의 소재 특성(산화물 기판, 실리콘 기판 등 소재의 특성) 등을 고려한 금속 산화물 박막(예; 주석 산화물 박막)의 화학 용액 증착법이다.The method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention is a metal oxide thin film deposition method using a chemical solution deposition method capable of directly forming a metal oxide thin film on the surface of a substrate by applying an external reaction while supporting a substrate to be deposited with a metal oxide thin film in a metal oxide precursor solution capable of forming a metal oxide. A metal oxide thin film (e.g., tin oxide thin film taking into consideration the characteristics of the substrate to which the chemical solution deposition method is applied (curvature of the substrate, material characteristics of the substrate (oxide substrate, silicon substrate, etc. material characteristics)), etc. ) is a chemical solution deposition method.
본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법은 금속 산화물 전구체, 연료, 산용액 및 연결체를 포함하는 금속 산화물 전구체 용액을 제조하는 단계(S110), 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계(S120) 및 금속 산화물 반응 용액에 기판을 침지시켜 금속 산화물 박막을 제조하는 단계(S130)를 포함한다.The method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention includes preparing a metal oxide precursor solution including a metal oxide precursor, a fuel, an acid solution, and a linker (S110), reacting the oxide precursor solution with oxygen to prepare a metal oxide reaction solution including a metal oxide intermediate bound to the linker (S120), and preparing a metal oxide thin film by immersing a substrate in the metal oxide reaction solution (S130).
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법은 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 선택적 결합을 유도하는 동시에 큰 결정핵이 생성(nucleation)된 금속 산화물 중간체를 형성하여 물리적 결함 형성 없이 균일하면서 동시에 표면 형상의 거칠기가 제어된 박막을 형성할 수 있다.Therefore, the method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention reacts an oxide precursor solution with oxygen to induce selective bonding with a linker and at the same time forms a metal oxide intermediate in which large crystal nuclei are generated (nucleation) to form physical defects. It is possible to form a uniform thin film with controlled roughness of the surface shape at the same time.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법은 금속 산화물 전구체, 연료, 산용액 및 연결체를 포함하는 금속 산화물 전구체 용액을 제조하는 단계(S110)를 포함한다.First, the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention includes preparing a metal oxide precursor solution including a metal oxide precursor, a fuel, an acid solution, and a connector (S110).
금속 산화물 전구체는 금속 산화물을 형성하기 위한 전 단계의 화합물을 의미한다.A metal oxide precursor means a compound in a previous step for forming a metal oxide.
금속 산화물 전구체는 금속의 유기 화합물, 금속의 무기 화합물(예; 금속 할로겐화물), 또는 이들의 조합을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 금속 산화물 전구체는 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 함유하는 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal oxide precursor may include an organic compound of a metal, an inorganic compound of a metal (eg, a metal halide), or a combination thereof, but is not limited thereto. For example, the metal oxide precursor may include a compound containing a metal selected from the group consisting of Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, Ga, and combinations thereof, but is not limited thereto.
바람직하게는, 금속 산화물 전구체는 금속 할로겐화물일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 금속 할로겐화물은 SnCl2, SnF2, SnCl2, SnBr2, SnI2 등과 같은 주석 할로겐화물을 적어도 어느 하나 포함할 수 있고, 더더욱 바람직하게는, 금속 산화물 전구체는 SnCl2를 포함할 수 있다.Preferably, the metal oxide precursor may be a metal halide, more preferably, the metal halide may include at least one tin halide such as SnCl 2 , SnF 2 , SnCl 2 , SnBr 2 , SnI 2 , and the like, and even more preferably, the metal oxide precursor may include SnCl 2 .
연결체(Linker)는 기판과 금속 산화물 박막 간의 결합력을 증가시키기 위한 것으로, 금속 산화물 전구체와 선택적으로 결합되어 금속 산화물 중간체를 형성할 수 있다.The linker is for increasing bonding strength between the substrate and the metal oxide thin film, and may be selectively combined with a metal oxide precursor to form a metal oxide intermediate.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법은 금속 산화물 전구체 용액 내에 연결체를 포함하여 금속 산화물 전구체(또는 금속 산화물 중간체)와 기판 간의 결합을 높여 기판에 물리적 결함 형성 없이 균일한 박막을 형성할 수 있다.Therefore, in the method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention, a uniform thin film can be formed without formation of physical defects on the substrate by increasing the bonding between the metal oxide precursor (or metal oxide intermediate) and the substrate by including a linker in the metal oxide precursor solution.
보다 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법은 금속 산화물 전구체 용액 내에 연결체를 포함하여 금속 산화물 전구체 용액을 제조하고, 연결체는 적용하고자 하는 기판과의 결합력이 높은 작용기와, 금속 산화물 전구체와의 결합력이 높은 작용기를 동시에 갖고 있는 형태일 수 있다. 따라서, 연결체가 갖고 있는 금속 산화물 전구체와의 결합력이 높은 작용기와 금속 산화물 전구체가 우선적으로 결합되도록 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 금속 산화물 중간체를 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 금속 산화물 중간체는 연결체에 포함된 기판과의 결합력이 높은 작용기로 기판과의 결합력이 보다 향상될 수 있다.More specifically, in the method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention, a metal oxide precursor solution is prepared by including a linking body in a metal oxide precursor solution, and the linking body may have a functional group having high bonding strength with a substrate to be applied and a functional group having high bonding strength with the metal oxide precursor. Therefore, the metal oxide intermediate may be formed by reacting the oxide precursor solution with oxygen so that the metal oxide precursor is preferentially bonded to a functional group having a high bonding strength with the metal oxide precursor. The metal oxide intermediate thus formed is a functional group included in the connector and has a high bonding strength with the substrate, and bonding strength with the substrate can be further improved.
연결체는 티올(thiol)기를 작용기로 포함하는 카르복시산을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 연결체는 티오글리콜산(Thioglycolic acid)이 사용될 수 있다.The coupling body may include a carboxylic acid containing a thiol group as a functional group, and preferably, thioglycolic acid may be used as the coupling body.
연료는 아세틸아세톤, CF3COCH2COCF3, CH3COCHFCOCH3, CH3COCH2C(=NH)CF3, CH3C(=NH)CHFC(=NH)CH3, CH3COCH2C(=NCH3)CF3, CH3C(=NCH3)CHFC(=NCH3)CH3, CH3C(=NH)CHFC(=NCH3)CH3, Ph2POCH2COCH3, 우레아, 싸이오우레아, N-메틸우레아, 시트르산, 아스코르브산, 스테아르산, 나이트로메테인, 하이드라진, 카보하이드라자이드, 옥살릴 다이하이드라자이드, 말론산 다이하이드라자이드, 테트라 폼알 트리스 아진, 헥사메틸렌테트라민 및 말론산 무수물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 연료로는 우레아가 사용될 수 있다.The fuel is acetylacetone, CF.3COCH2COCF3, CH3COCHFCOCH3, CH3COCH2C(=NH)CF3, CH3C(=NH)CHFC(=NH)CH3, CH3COCH2C(=NCH3)CF3, CH3C(=NCH3)CHFC(=NCH3)CH3, CH3C(=NH)CHFC(=NCH3)CH3, Ph2POCH2COCH3, urea, thiourea, N-methylurea, citric acid, ascorbic acid, stearic acid, nitromethane, hydrazine, carbohydrazide, oxalyl dihydrazide, malonic acid dihydrazide, tetraformal tris azine, hexamethylenetetramine, and malonic acid anhydride. Preferably, urea may be used as a fuel.
연료는 금속 산화물 전구체 용액 내의 pH를 조절하거나 금속 산화물 전구체 간에 생길 수 있는 응집을 억제할 수 있다.The fuel can adjust the pH in the metal oxide precursor solution or inhibit aggregation that may occur between the metal oxide precursors.
산용액은 염산, 질산 및 황산 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 산용액은 염산이 사용될 수 있다.The acid solution may include at least one of hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid, and preferably, hydrochloric acid may be used as the acid solution.
산용액은 금속 산화물 전구체 용액 내의 pH를 조절하거나 금속 산화물 전구체의 용해도를 높일 수 있다.The acid solution can adjust the pH in the metal oxide precursor solution or increase the solubility of the metal oxide precursor.
이 후, 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법은 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계(S120)를 포함한다.Thereafter, the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention includes preparing a metal oxide reaction solution including a metal oxide intermediate combined with a connector by reacting the oxide precursor solution with oxygen (S120).
화학 용액 증착법은 금속 산화물 전구체 용액 속의 금속 산화물 전구체가 외부 반응에 의해 결정핵이 형성된 뒤에 기판에 부착되면서 박막화가 일어나게 되기 때문에 기판과 결정핵이 생성된 금속 산화물 전구체(금속 산화물 중간체) 간의 화학적 결합력이 낮은 경우 금속 산화물 박막과 기판 사이에 물리적인 결함을 형성하면서 박막화가 진행되거나 기판 전면에 균일한 박막이 형성되지 않는 문제가 있다.In the chemical solution deposition method, since the metal oxide precursor in the metal oxide precursor solution is attached to the substrate after crystal nuclei are formed by an external reaction, thinning occurs. When the chemical bonding strength between the substrate and the metal oxide precursor (metal oxide intermediate) is low, there is a problem in that thinning proceeds while forming a physical defect between the metal oxide thin film and the substrate, or a uniform thin film is not formed on the entire surface of the substrate.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법은 금속 산화물 전구체 용액 내에 연결체를 도입하고, 산화물 전구체 용액을 대기 중의 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계(S120)를 진행하여 연결체가 금속 산화물 전구체(또는 금속 산화물 중간체)와 잘 결합되도록 반응시킴으로써, 금속 산화물 박막과 기판 사이에 물리적인 결함을 형성하지 않으면서 기판 상에 고품질의 금속 산화물 박막을 형성할 수 있다.However, the method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention introduces a linker into a metal oxide precursor solution and reacts the oxide precursor solution with oxygen in the air to prepare a metal oxide reaction solution including a metal oxide intermediate bonded to the linker (S120). By proceeding with the reaction so that the linker is well bonded to the metal oxide precursor (or metal oxide intermediate), a high-quality metal oxide thin film can be formed on the substrate without forming a physical defect between the metal oxide thin film and the substrate.
따라서, 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계(S120)는 금속 산화물 전구체와 연결체와의 선택적인 결합을 유도하여, 금속 산화물 전구체 표면에 연결체가 선택적으로 결합된 금속 산화물 중간체를 형성할 수 있다.Therefore, in the step of preparing a metal oxide reaction solution including a metal oxide intermediate coupled to a linker by reacting the oxide precursor solution with oxygen (S120), selective bonding between the metal oxide precursor and the linker is induced to form a metal oxide intermediate in which the linker is selectively bonded to the surface of the metal oxide precursor.
본 선택적 결합 반응의 과정은 다음의 화학반응을 통해 유도될 수 있다.The process of this selective coupling reaction can be induced through the following chemical reaction.
앞서 정의한 연결체는 금속산화물의 금속 이온과 결합하는 작용기(금속 이온과 결합하기 쉬운 작용기)와 부착하려는 기판과 결합하는 작용기(결합하기 쉬운 작용기)를 동시에 갖고 있는 물질이다. 이러한 특성을 활용하고자 산화물 전구체 용액에 연결체를 첨가한 뒤 산소와 반응을 시켜서 우선적으로 연결체가 갖고 있는 금속산화물의 금속 이온과 결합하는 작용기(금속 이온과 결합하기 쉬운 작용기)와 금속 산화물 전구체 속 금속이온이 결합되는 반응을 유도할 수 있다.The linkage defined above is a substance that has a functional group that binds to the metal ion of a metal oxide (a functional group that is easy to combine with a metal ion) and a functional group that binds to a substrate to be attached to (a functional group that is easy to bind to). In order to take advantage of these characteristics, a linker is added to the oxide precursor solution and then reacted with oxygen to induce a reaction in which the metal ion in the metal oxide precursor is combined with a functional group that binds to the metal ion of the metal oxide that the linker has (a functional group that is easy to combine with the metal ion).
따라서, 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계(S120)는 금속 산화물 중간체를 형성하는 선택적 결합 반응이 진행될 수 있다.Accordingly, in the step of preparing a metal oxide reaction solution including a metal oxide intermediate bonded to a linker by reacting the oxide precursor solution with oxygen (S120), a selective coupling reaction to form the metal oxide intermediate may proceed.
금속 산화물 중간체는 금속 산화물 전구체 표면에 연결체가 결합될 수 있다.The metal oxide intermediate may be bonded to the surface of the metal oxide precursor.
앞서 언급한 선택적 결합반응을 통한 금속 산화물 중간체는 연결체가 갖고 있는 금속산화물의 금속 이온과 결합하는 작용기(금속 이온과 결합하기 쉬운 작용기)와 금속 산화물 전구체 속 금속이온이 결합된 형태이다. 그 예시는 다음과 같다.The metal oxide intermediate through the above-mentioned selective bonding reaction is a combination of a metal ion-binding functional group of a metal oxide (a functional group that is easy to combine with a metal ion) and a metal ion in a metal oxide precursor. An example is as follows.
연결체 기능을 할 수 있는 티오글리콜산(Thioglycolic acid)의 티올(thiol)기에서 수소이온이 떨어져 나오면서 형성되는 황(sulfur) 이온과 금속 산화물 전구체에 포함 되어 있는 주석(tin) 이온이 반응하여 형성하는 Sn-S 결합이 형성된 형태이다.It is a form in which a Sn-S bond is formed by the reaction of sulfur ions formed when hydrogen ions are released from the thiol group of thioglycolic acid, which can function as a linker, and tin ions included in metal oxide precursors.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막 제조 방법은 산소와 반응시키는 반응 단계를 통해 금속 산화물 전구체 표면에 연결체가 결합되어 굴곡(예; 패턴 등)을 포함하는 기판(예: FTO 기판 또는 Si 기판)에 물리적인 결함 없이 표면 거칠기가 확보되는 금속 산화물 박막을 형성할 수 있다.Therefore, in the method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention, a linker is bonded to the surface of a metal oxide precursor through a reaction step of reacting with oxygen to form a metal oxide thin film in which surface roughness is secured without physical defects on a substrate (eg, an FTO substrate or a Si substrate) including curves (eg, patterns, etc.).
즉, 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막 제조 방법은 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 선택적 결합을 유도하는 동시에 큰 결정핵이 생성(nucleation)된 금속 산화물 중간체를 형성하여 금속 산화물 박막의 표면 거칠기를 제어하여 반사 손실을 최소화시킬 수 있다. 따라서, 입사된 빛의 광경로(optical path) 제어를 통한 반사 손실 저감 효과, 다시 말해 반사 방지(Anti-reflection) 효과를 통해 페로브스카이트 광전소자에서 나타날 수 있는 광흡수 손실을 최소화시킬 수 있다.That is, in the method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention, an oxide precursor solution reacts with oxygen to induce selective bonding with a linker, and at the same time, a metal oxide intermediate having large crystal nuclei is formed to control the surface roughness of the metal oxide thin film, thereby minimizing reflection loss. Therefore, it is possible to minimize light absorption loss that may occur in a perovskite optoelectronic device through a reflection loss reduction effect through control of an optical path of incident light, that is, an anti-reflection effect.
금속 산화물 중간체는 결정핵 생성(nucleation)된 금속 산화물 전구체일 수 있다.The metal oxide intermediate may be a nucleated metal oxide precursor.
보다 구체적으로, 산화물 반응 용액은 금속 산화물 전구체 용액을 대기 중의 산소와 반응시킴으로써 금속 산화물 전구체가 폴리-콘덴싱(poly-condensing)을 하면서 전구체 결정핵등(nuclei)이 커져 입자가 큰 금속 산화물 전구체 결정핵(nuclei)이 형성된 금속 산화물 중간체가 형성될 수 있다.More specifically, the oxide reaction solution reacts the metal oxide precursor solution with oxygen in the air, so that the metal oxide precursor is poly-condensed and the nuclei of the precursor grow, thereby forming a metal oxide intermediate in which nuclei of the metal oxide precursor are formed.
따라서, 금속 산화물 중간체의 크기는 수 나노미터 내지 수 마이크로미터일 수 있다.Thus, the size of the metal oxide intermediate may be several nanometers to several micrometers.
금속 산화물 반응 용액의 농도는 0.002 M 이상 일수 있고, 바람직하게는, 금속 산화물 반응 용액의 농도는 0.002M 내지 0.1M일 수 있다.The concentration of the metal oxide reaction solution may be 0.002 M or more, and preferably, the concentration of the metal oxide reaction solution may be 0.002 M to 0.1 M.
만약, 금속 산화물 반응 용액의 농도가 0.002 M 미만이면, 결정을 형성하기에 지나치게 적은 농도로써 문제가 생길 수 있다. 그러나 본 농도보다 적다고 하여서 상기 반응이 일어나지 않는 것은 아니며 본 반응을 유도하려는 목적과 구현하고자 하는 금속 산화물 박막의 종류에 따라서는 더 적은 농도에서도 상기 반응을 유도하여 치밀한 금속산화물 박막을 구현할 수 있다.If the concentration of the metal oxide reaction solution is less than 0.002 M, a problem may arise as the concentration is too small to form crystals. However, the reaction does not occur even if the concentration is less than this concentration, and depending on the purpose of inducing the reaction and the type of metal oxide thin film to be implemented, the reaction can be induced even at a lower concentration to realize a dense metal oxide thin film.
만약, 금속 산화물 반응 용액의 농도가 0.1 M 이상이면, 용액 내에 결정핵이 과량으로 형성됨에 따라 오히려 치밀한 박막을 구현하는 데에 문제가 생길 수 있다. 그러나, 본 농도보다 높다고 하여서 상기 반응이 일어나지 않는 것은 아니며 본 반응을 유도하려는 목적과 구현하고자 하는 금속산화물 박막의 종류에 따라서는 더 높은 농도에서도 상기 반응을 유도하여 치밀한 금속산화물 박막을 구현할 수 있다. If the concentration of the metal oxide reaction solution is 0.1 M or more, excessive formation of crystal nuclei in the solution may cause problems in realizing a rather dense thin film. However, higher than this concentration does not mean that the reaction does not occur, and depending on the purpose of inducing this reaction and the type of metal oxide thin film to be implemented, the reaction can be induced even at a higher concentration to realize a dense metal oxide thin film.
금속 산화물 반응 용액의 pH는 0 내지 5일 수 있다. 그러나 상기 pH 이상이라고 하여 본 반응이 유도되지 않는 것은 아니며, 형성하고자 하는 금속산화물의 금속 종류에 따라서는 보다 높은 pH에서도 상기 반응을 통해 치밀한 금속 산화물 박막을 구현할 수 있다.The pH of the metal oxide reaction solution may be 0 to 5. However, the above pH does not mean that the reaction is not induced, and depending on the type of metal of the metal oxide to be formed, a dense metal oxide thin film can be realized through the above reaction even at a higher pH.
산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계(S120)의 반응 시간(제1 반응 시간)은 1시간 이상일 수 있고, 바람직하게는, 반응 시간(제1 반응 시간)은 1시간 내지 12시간일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 반응 시간(제1 반응 시간)은 3시간일 수 있다.The reaction time (first reaction time) of the step (S120) of preparing a metal oxide reaction solution including a metal oxide intermediate bonded to a linker by reacting the oxide precursor solution with oxygen may be 1 hour or more, preferably. The reaction time (first reaction time) may be 1 hour to 12 hours, more preferably, the reaction time (first reaction time) may be 3 hours.
다만, 반응 시간(제1 반응 시간)이 3시간 이하라고 하여 본 반응이 유도되지 않는 것은 아니며, 형성하고자 하는 금속산화물의 금속 종류에 따라서는 보다 적은 시간에서도 상기 반응을 통해 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 구현할 수 있다.However, the fact that the reaction time (first reaction time) is 3 hours or less does not mean that the reaction is not induced, and depending on the metal type of the metal oxide to be formed, the metal oxide reaction solution including the metal oxide intermediate bound to the linker can be implemented through the reaction even in less time.
또한, 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계(S120)의 반응 시간(제1 반응 시간)은 12시간 이내일 수 있으나, 반응 이산이 12시간 이상이라고 하여 본 반응이 유도되지 않는 것은 아니며, 형성하고자 하는 금속산화물의 금속 종류에 따라서는 보다 긴 시간에서도 상기 반응을 통해 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 구현할 수 있다.In addition, the reaction time (first reaction time) in the step of preparing a metal oxide reaction solution containing a metal oxide intermediate bound to a linker by reacting the oxide precursor solution with oxygen (S120) may be within 12 hours, but the reaction dioxidation is 12 hours or more This does not mean that the reaction is not induced, and depending on the metal type of the metal oxide to be formed, a metal oxide reaction solution containing a metal oxide intermediate bound to a linker can be implemented even for a longer time depending on the metal type of the metal oxide to be formed.
산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계(S120)의 반응 온도는 10℃ 내지 30℃일 수 있다.The reaction temperature in the step (S120) of preparing a metal oxide reaction solution including a metal oxide intermediate combined with a linker by reacting the oxide precursor solution with oxygen may be 10 °C to 30 °C.
이는 상온에 가까운 환경에서 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응용액을 제조하기 위한 조건으로, 앞서 전술한 온도 범위 밖이라고 하여 본 반응이 유도되지 않는 것은 아니며, 형성하고자 하는 금속산화물의 금속 종류에 따라서는 보다 높은 온도 또는 보다 낮은 온도에서도 상기 반응을 통해 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제작할 수 있다.This is a condition for preparing a metal oxide reaction solution containing a metal oxide intermediate in an environment close to room temperature, and this reaction is not induced even if the temperature is outside the above-mentioned temperature range. Depending on the type of metal of the metal oxide to be formed, a metal oxide reaction solution containing a metal oxide intermediate bound to a linker can be prepared through the above reaction at a higher or lower temperature.
마지막으로, 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법은 금속 산화물 반응 용액에 기판을 침지시켜 금속 산화물 박막을 제조하는 단계(S130)를 포함한다.Finally, the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention includes a step of preparing a metal oxide thin film by immersing a substrate in a metal oxide reaction solution (S130).
금속 산화물 반응 용액에 기판을 침지시켜 금속 산화물 박막을 제조하는 단계(S130)는 금속 산화물 전구체가 폴리-콘덴싱(poly-condensing)을 하면서 금속 산화물 전구체 결정핵(nuclei)이 커지고, 그로 인해 입자가 큰 금속 산화물 전구체 결정핵(nuclei)가 형성된 금속 산화물 중간체가 박막화되는 것으로, 이때, 금속 산화물 중간체 표면에 선택적 결합된 연결체에 의해 기판과의 결합력 및 금속 산화물 중간체 간의 결합력이 증가되어 기판 전면에 균일도가 확보된 금속 산화물 박막을 형성할 수 있다.In the step of preparing a metal oxide thin film by immersing the substrate in a metal oxide reaction solution (S130), poly-condensing of the metal oxide precursor increases the nuclei of the metal oxide precursor, thereby thinning the metal oxide intermediate in which the nuclei of the metal oxide precursor having large particles are formed. A secured metal oxide thin film can be formed.
기판은 유리, 불소 함유 산화주석(Fluorine doped Tin Oxide, FTO), 석영(Quartz), Si, Al2O3, SiC, GaAs 및 InP 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 기판은 불소 함유 산화주석(Fluorine doped Tin Oxide, FTO) 및 실리콘 (Si) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The substrate may include at least one of glass, fluorine-doped tin oxide (FTO), quartz, Si, Al 2 O 3 , SiC, GaAs, and InP, and preferably, the substrate may include at least one of fluorine-doped tin oxide (FTO) and silicon (Si).
실시예에 따라, 기판은 유기물 기판이 사용될 수 있고, 유기물 기판은 켑톤 호일, 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate, PAR), 폴리에테르 이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide, PPS), 폴리아릴레이트(polyarylate), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate, CTA) 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate, CAP) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the embodiment, an organic substrate may be used as the substrate, and the organic substrate may include kapton foil, polyimide (PI), polyethersulfone (PES), polyacrylate (PAR), polyetherimide (PEI), polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), and polyphenylene sulfide ( It may include at least one of polyphenylene sulfide (PPS), polyarylate, polycarbonate (PC), cellulose triacetate (CTA), and cellulose acetate propionate (CAP), but is not limited thereto.
바람직하게는, 기판은 불소 함유 산화주석(FTO: fluorine doped tin oxide)을 포함할 수 있다. FTO의 경우 일반적으로 표면에 굴곡이 있는 표면 형상을 갖기 때문에 이때 해당 기판 상부에 용액 공정을 기반으로 금속산화물 박막 구현을 하고자 할 때, 굴곡 사이사이에 물리적인 결함을 형성하면서 박막이 형성되는 문제가 있다.Preferably, the substrate may include fluorine doped tin oxide (FTO). In the case of FTO, since it generally has a surface shape with curves, when trying to implement a metal oxide thin film based on a solution process on the substrate, there is a problem in that the thin film is formed while forming physical defects between the curves.
또한 용액 공정 중에서, 본 발명에서 사용하고자 하는 화학 용액 증착법의 경우, 적용하고자 하는 기판과 금속 산화물의 특성이 서로 상이할 경우 전면에 균일한 박막을 형성하지 못하고 물리적인 결함을 형성하면서 박막이 형성되는 문제가 있다. In addition, in the case of the solution process, in the case of the chemical solution deposition method to be used in the present invention, when the properties of the substrate and the metal oxide to be applied are different from each other, a uniform thin film cannot be formed on the entire surface and physical defects are formed. There is a problem in that the thin film is formed.
실시예에 따라, 기판은 표면에 제1 전극을 포함할 수 있고, 제1 전극은 기판 상에 굴곡을 갖는 패턴으로 형성될 수 있다.According to an embodiment, the substrate may include a first electrode on a surface thereof, and the first electrode may be formed on the substrate in a curved pattern.
제1 전극은 불소 함유 산화주석(Fluorine doped Tin Oxide, FTO), 인듐 함유 산화주석(Indium doped Tin Oxide, ITO), 알루미늄 함유 산화아연(Al-doped Zinc Oxide, AZO) 및 인듐 함유 산화아연(Indium doped Zinc Oxide, IZO) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The first electrode may include at least one of fluorine doped tin oxide (FTO), indium doped tin oxide (ITO), aluminum doped zinc oxide (AZO), and indium doped zinc oxide (IZO), but is not limited thereto.
금속 산화물 반응 용액에 기판을 침지시켜 금속 산화물 박막을 제조하는 단계(S130)의 반응 시간(제2 반응 시간)은 2시간 이상일 수 있고, 바람직하게는, 반응 시간(제2 반응 시간)은 2시간 내지 24시간일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 기판으로 실리콘 기판을 사용하는 경우, 반응 시간(제2 반응 시간)은 4시간일 수 있고, 기판으로 FTO 기판을 사용하는 경우, 반응 시간(제2 반응 시간)은 12시간일 수 있다. The reaction time (second reaction time) of preparing a metal oxide thin film by immersing the substrate in a metal oxide reaction solution (S130) may be 2 hours or more, preferably, the reaction time (second reaction time) may be 2 hours to 24 hours, more preferably, when a silicon substrate is used as a substrate, the reaction time (second reaction time) may be 4 hours, and when an FTO substrate is used, the reaction time (second reaction time) may be 12 hours. .
다만, 반응 시간(제2 반응 시간)이 해당 범위 밖이라고 하여 본 반응이 유도되지 않는 것은 아니며, 본 반응을 유도하려는 목적(구현하고자 하는 박막의 두께 조절 등의 목적)에 따라서는 더 적은 시간 또는 더 긴 시간에서도 상기 반응을 유도하여 치밀한 금속산화물 박막을 구현할 수 있다.However, even if the reaction time (second reaction time) is outside the corresponding range, this does not mean that the reaction is not induced, and depending on the purpose of inducing the reaction (the purpose of controlling the thickness of the thin film to be implemented), the reaction can be induced even for a longer time to implement a dense metal oxide thin film.
금속 산화물 반응 용액에 기판을 침지시켜 금속 산화물 박막을 제조하는 단계(S130)의 반응 온도는 70℃ 이상일 수 있으나, 상기 온도 이하라고 하여 본 반응이 유도되지 않는 것은 아니며, 형성하고자 하는 금속산화물의 금속 종류에 따라서는 보다 낮은 온도에서도 상기 반응을 통해 치밀한 금속산화물 박막을 구현할 수 있다.The reaction temperature in the step of preparing a metal oxide thin film by immersing the substrate in the metal oxide reaction solution (S130) may be 70 ° C. or higher, but the reaction is not induced if the temperature is lower than the above temperature.
바람직하게는, 반응 온도는 50℃ 내지 200℃일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 반응 온도는 70℃일 수 있다.Preferably, the reaction temperature may be 50 °C to 200 °C, more preferably, the reaction temperature may be 70 °C.
실시예에 따라, 금속 산화물 반응 용액에 기판을 침지시켜 금속 산화물 박막을 제조하는 단계(S130)는 기판 상에 형성된 금속 산화물 박막을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, preparing a metal oxide thin film by immersing the substrate in a metal oxide reaction solution (S130) may further include heat-treating the metal oxide thin film formed on the substrate.
본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법은 금속 산화물 박막을 열처리 함으로써 결정성 높은 금속 산화물 박막을 형성할 수 있다. 형성된 금속 산화물 박막을 추가적으로 열처리 하는 것은 단계(S130)에서 금속산화물 박막에 포함되었을 수 있는 불순물을 제거하고 금속산화물의 결정성을 높이기 위한 공정이다.In the method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention, a highly crystalline metal oxide thin film may be formed by heat-treating the metal oxide thin film. Additional heat treatment of the formed metal oxide thin film is a process for removing impurities that may be included in the metal oxide thin film and increasing the crystallinity of the metal oxide thin film in step S130.
열처리 시간은 1시간 이상일 수 있으나, 상기 시간 이하라고 하여 본 열처리 반응의 효과가 나타나지 않는 것은 아니며, 형성하고자 하는 금속 산화물의 금속 종류에 따라서는 보다 적은 시간에서도 상기 열처리 반응을 통해 고품질의 금속 산화물 박막을 얻을 수 있다. 바람직하게는, 열처리 시간은 1시간 내지 3시간일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 열처리 시간은 1시간일 수 있다.The heat treatment time may be 1 hour or more, but the effect of the heat treatment reaction does not appear if the time is less than the above, and a high-quality metal oxide thin film can be obtained through the heat treatment reaction even in a shorter time depending on the metal type of the metal oxide to be formed. Preferably, the heat treatment time may be 1 hour to 3 hours, more preferably, the heat treatment time may be 1 hour.
열처리 온도는 150℃ 이상일 수 있으나, 상기 온도 이하라고 하여 본 열처리 반응의 효과가 나타나지 않는 것은 아니며, 형성하고자 하는 금속 산화물의 금속 종류에 따라서는 보다 적은 시간에서도 상기 열처리 반응을 통해 고품질의 금속 산화물 박막을 얻을 수 있다. 바람직하게는, 열처리 온도는 100℃ 내지 500℃일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 열처리 온도는 150℃일 수 있다.The heat treatment temperature may be 150 ° C. or higher, but the effect of the heat treatment reaction does not appear if the temperature is lower than the above temperature, and a high-quality metal oxide thin film can be obtained through the heat treatment reaction even in less time depending on the metal type of the metal oxide to be formed. Preferably, the heat treatment temperature may be 100 °C to 500 °C, more preferably, the heat treatment temperature may be 150 °C.
본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조 방법을 통하여 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막이 제조될 수 있다.A metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention may be manufactured through the method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막은 연결체 및 연결체의 선택적 결합 공정에 의해 금속 산화물 박막에 포함되는 금속 산화물 결정 입자의 직경이 증가될 수 있다.In the metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention, the diameter of the metal oxide crystal particles included in the metal oxide thin film may be increased by a process of selective bonding of the connecting body and the connecting body.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막은 큰 금속 산화물 결정 입자에 의해 표면 거칠기가 증가되어, 캐리어 수집능이 향상되고, 입사된 빛의 광경로(optical path) 제어를 통한 반사 손실 저감 효과, 다시 말해 반사 방지(Anti-reflection) 효과를 통해 페로브스카이트 광전소자에서 나타날 수 있는 광흡수 손실을 저감시킬 수 있다.Therefore, the metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention has surface roughness increased by large metal oxide crystal particles, thereby improving carrier collection ability, and reducing reflection loss through control of the optical path of incident light.
본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막은 페로브스카이트 광전소자의 전하 수송층으로 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 전하 수송층 중에서 전자 수송층을 예시로 들었으나, 본 발명의 방법이 전자 수송층에만 국한되는 것은 아니며, 금속 산화물계 정공 수송층으로도 활용될 수 있다.The metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention may be used as a charge transport layer of a perovskite optoelectronic device. In the embodiment of the present invention, the electron transport layer is exemplified among the charge transport layers, but the method of the present invention is not limited to the electron transport layer, and may also be used as a metal oxide-based hole transport layer.
이하에서는 도 2 및 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자의 제조방법 및 이를 통하여 제조된 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 2 and 3, a method for manufacturing a perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention and a perovskite photoelectric device manufactured through the method according to an embodiment of the present invention will be described.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자의 제조방법은 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계(S210), 제1 전극이 형성된 기판 상에 제1 전하 수송층을 형성하는 단계(S220), 제1 전하 수송층 상에 페로브스카이트 광흡수층을 형성하는 단계(S230), 페로브스카이트 광흡수층 상에 제2 전하 수송층을 형성하는 단계(S240) 및 제2 전하 수송층 상에 제2 전극을 형성하는 단계(S250)를 포함한다.The method of manufacturing a perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention includes forming a first electrode on a substrate (S210), forming a first charge transport layer on the substrate on which the first electrode is formed (S220), forming a perovskite light absorption layer on the first charge transport layer (S230), forming a second charge transport layer on the perovskite light absorption layer (S240), and a second charge transport layer. and forming a second electrode thereon (S250).
제1 전하 수송층 및 제2 전하 수송층은 전자 수송층 또는 정공 수송층의 기능을 할 수 있으며, 이때, 페로브스카이트 광흡수층의 하부에 위치하게 되는 제1 전하 수송층은 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법을 통해 제조될 수 있다.The first charge transport layer and the second charge transport layer may function as an electron transport layer or a hole transport layer, and at this time, the first charge transport layer positioned below the perovskite light absorption layer may be manufactured through the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자의 제조 방법은 제1 전하 수송층 및 제2 전하 수송층이 전자 수송층 또는 정공 수송층일 수 있고, 제1 전하 수송층으로 전자 수송층이 사용되면, 제2 전하 수송층으로는 정공 수송층이 사용될 수 있다. 또한, 제1 전하수송층으로 정공 수송층이 사용되면, 제2 전하 수송층으로는 전자 수송층이 사용될 수 있다. In the method of manufacturing a perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention, the first charge transport layer and the second charge transport layer may be an electron transport layer or a hole transport layer, and when an electron transport layer is used as the first charge transport layer, a hole transport layer may be used as the second charge transport layer. Also, when a hole transport layer is used as the first charge transport layer, an electron transport layer may be used as the second charge transport layer.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자의 제조 방법에서 페로브스카이트 광흡수층 하부에 위치하는 제1 전하 수송층은 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조 방법을 통하여 제조될 수 있으며, 본 제1 전하 수송층은 제 1 전극이 형성된 기판 상부 또는 기판 상부에 위치할 수 있다. In addition, in the method of manufacturing a perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention, the first charge transport layer positioned below the perovskite light absorption layer may be manufactured through the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention. The first charge transport layer may be positioned on the substrate on which the first electrode is formed or on the substrate.
예를 들어, FTO 기판 상에 금속산화물 박막을 형성할 수 있고, 단순히 기판만 존재하는 Si 상에도 금속 산화물 박막이 형성될 수 있다.For example, a metal oxide thin film may be formed on an FTO substrate, and a metal oxide thin film may also be formed on Si where only the substrate exists.
만약, 제1 전하 수송층이 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조 방법을 통하여 제조되는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조 방법을 통하여 제조되지 않는 제2 전하 수송층은 당분야에 사용되는 전자 수송층 또는 정공 수송층이 사용될 수 있다.If the first charge transport layer is manufactured through the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention, the second charge transport layer that is not manufactured through the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention may be an electron transport layer or a hole transport layer used in the art.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자의 제조방법은 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계(S210) 및 제1 전극이 형성된 기판 상에 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법을 통해 제1 전하 수송층을 형성하는 단계(S220)를 진행한다.First, the method of manufacturing a perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention includes forming a first electrode on a substrate (S210) and forming a first charge transport layer on the substrate on which the first electrode is formed (S220) through the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention.
제1 전극은 하기와 같은 물질 또는 방법으로 형성될 수 있다.The first electrode may be formed of the following materials or methods.
제1 전극은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 인듐주석산화물(ITO, Indium Tin Oxide), 인듐아연산화물(IZO, Indium Zinc Oxide), 알루미늄아연산화물(AZO, Aluminum Zinc Oxide), 불소 함유 산화주석(FTO, Fluorine Tin Oxide), 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene) 및 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The first electrode is aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), palladium (Pd), platinum (Pt), indium tin oxide (ITO, indium zinc oxide), indium zinc oxide (IZO, aluminum zinc oxide), aluminum zinc oxide (AZO, aluminum zinc oxide), fluorine-containing tin oxide (FTO, fluorine tin oxide), carbon nanotube (CNT, Carbon Nano Tube), graphene, and may include at least one of, but is not limited thereto.
제1 전극은 용액코팅 방법 또는 증착 방법을 통해 형성될 수 있다.The first electrode may be formed through a solution coating method or a deposition method.
용액코팅 방법은 스핀코팅, 스프레이코팅, 울트라스프레이코팅, 전기방사코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아코팅, 바코팅, 롤코팅, 딥코팅, 쉬어코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 및 노즐 프린팅 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The solution coating method may include any one of spin coating, spray coating, ultra spray coating, electrospinning coating, slot die coating, gravure coating, bar coating, roll coating, dip coating, shear coating, screen printing, inkjet printing, and nozzle printing.
증착 방법은 감압, 상압 또는 가압조건에서, 스퍼터링, 원자층증착, 화학기상증착, 열증착, 동시증발법 및 플라즈마 강화 화학기상증착 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The deposition method may include any one of sputtering, atomic layer deposition, chemical vapor deposition, thermal deposition, co-evaporation, and plasma-enhanced chemical vapor deposition under reduced pressure, normal pressure, or pressurized conditions.
제1 전하 수송층은 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법을 통해 제조된 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막이 사용될 수 있다. 제1 전하 수송층은 전자 수송층 또는 정공 수송층일 수 있고, 전자 수송층은 페로브스카이트 광흡수층에서 생성된 전자를 전극으로 용이하게 전달되도록 할 수 있다. 또한 정공 수송층은 페로브스카이트 광흡수층에서 생성된 정공을 전극으로 용이하게 전달되도록 할 수 있다.The first charge transport layer may be a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention manufactured through a method for manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention. The first charge transport layer may be an electron transport layer or a hole transport layer, and the electron transport layer may allow electrons generated in the perovskite light absorption layer to be easily transferred to the electrode. In addition, the hole transport layer may allow holes generated in the perovskite light absorption layer to be easily transferred to the electrode.
이 후, 제1 전하 수송층 상에 페로브스카이트 광흡수층을 형성하는 단계(S230)를 진행한다.Thereafter, a step of forming a perovskite light absorption layer on the first charge transport layer (S230) is performed.
페로브스카이트 광흡수층은 제1 전하 수송층 상에 형성되고, 페로브스카이트 광흡수층은 태양광의 광자를 흡수하여 형성된 전자(e)와 정공(h)을 분리시켜 전류를 만들어내는 광전변환층으로의 역할을 수행할 수 있다.The perovskite light absorption layer is formed on the first charge transport layer, and the perovskite light absorption layer separates electrons (e) and holes (h) formed by absorbing photons of sunlight to generate current. It can serve as a photoelectric conversion layer.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자에 포함되는 페로브스카이트 광흡수층은 하기 화학식 1의 페로브스카이트 화합물을 포함할 수 있다.The perovskite light absorption layer included in the perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention may include a perovskite compound represented by Formula 1 below.
[화학식 1][Formula 1]
ABX3 ABX 3
(상기 화학식 1에서, 상기 A는 1가 양이온이고, 상기 M은 2가 금속 양이온이며, 상기 X는 1가 할로겐 음이온이다.)(In Formula 1, A is a monovalent cation, M is a divalent metal cation, and X is a monovalent halide anion.)
구체적으로, A는 1가의 유기 리간드, 1가의 무기 양이온 또는 이들의 조합일 수 있다.Specifically, A may be a monovalent organic ligand, a monovalent inorganic cation, or a combination thereof.
페로브스카이트 화합물은 화학식 1 중 A의 종류에 따라, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물(organic/inorganic hybrid perovskite compound) 또는 무기금속할라이드 페로브스카이트 화합물(inorganic metal halide perovskite compound)일 수 있다.The perovskite compound may be an organic/inorganic hybrid perovskite compound or an inorganic metal halide perovskite compound, depending on the type of A in Formula 1.
보다 구체적으로, 화학식 1에서 A가 1가의 유기 리간드일 경우, 페로브스카이트 화합물은 유기물인 A와, 무기물인 B 및 X로 구성되어 유기물과 무기물이 복합 구성된 유무기 하이브리드 페로브스카이트 화합물일 수 있다.More specifically, when A in Formula 1 is a monovalent organic ligand, the perovskite compound may be an organic-inorganic hybrid perovskite compound composed of organic A, inorganic materials B and X, and a combination of organic and inorganic materials.
반면, 화학식 1에서 A가 1가의 무기 양이온일 경우, 페로브스카이트 화합물은 무기물인 A, B 및 X로 구성되어 전부 무기물로 구성된 무기 금속 할라이드 페로브스카이트 화합물일 수 있다.On the other hand, when A in Formula 1 is a monovalent inorganic cation, the perovskite compound may be an inorganic metal halide perovskite compound composed of inorganic materials A, B, and X, and composed entirely of inorganic materials.
예를 들어, A가 유기 리간드일 경우 C1~24의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 아민기(-NH3), 수산화기(-OH), 시아노기(-CN), 할로겐기, 니트로기(-NO), 메톡시기(-OCH3) 또는 이미다졸리움기가 치환된 C1~24의 직쇄 또는 측쇄 알킬 또는 이들의 조합일 수 있다.For example, when A is an organic ligand, it may be a C 1-24 straight or branched alkyl, an amine group (-NH 3 ), a hydroxyl group (-OH), a cyano group (-CN), a halogen group, a nitro group (-NO), a methoxy group (-OCH 3 ) or a C 1-24 straight or branched chain alkyl substituted with an imidazolium group, or a combination thereof.
또는, A가 무기 양이온일 경우 Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Fr+, Cu(I) +, Ag(I)+, Au(I)+ 또는 이들의 조합일 수 있다.Alternatively, when A is an inorganic cation, it may be Li + , Na + , K + , Rb + , Cs + , Fr + , Cu(I) + , Ag(I) + , Au(I) + or a combination thereof.
B는 Pb2+, Sn2+, Ge2+, Cu2+, Co2+, Ni2+, Ti2+, Zr2+, Hf2+ 및 Rf2+ 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.B may include at least one of Pb 2+ , Sn 2+ , Ge 2+ , Cu 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Ti 2+ , Zr 2+ , Hf 2+ and Rf 2+ .
X는 F-, Cl-, Br- 및 I- 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이온의 크기가 과도하게 큰 물질만 아니라면 상기 물질에 제한되는 것은 아니다.X may include any one of F - , Cl - , Br - and I - , and is not limited to the above materials unless the size of the ion is excessively large.
실시예에 따라서, 페로브스카이트 화합물은 단일(single) 구조, 이중(double) 구조, 삼중(triple) 구조, 또는 루들스덴-포퍼(Ruddlesden-Popper) 구조일 수 있다.According to embodiments, the perovskite compound may have a single structure, a double structure, a triple structure, or a Ruddlesden-Popper structure.
단일 구조의 페로브스카이트 화합물은 화학식 1의 페로브스카이트 화합물은 3차원의 단일상을 가지는 것이며, 이중 구조의 페로브스카이트 화합물은 (A1)a(B1)b(X1)c 와 (A2)a(B2)b(X2)c 가 교대로 쌓여서 광흡수층을 형성한 것을 말한다.The perovskite compound of formula 1 has a three-dimensional single phase, and the perovskite compound of the double structure is (A1) a (B1) b (X1) c and (A2) a (B2) b (X2) c is alternately stacked to form a light absorption layer.
이때, (A1)a(B1)b(X1)c 와 (A2)a(B2)b(X2)c에서의 A1 및 A2는 동일하거나 서로 다른 1가 양이온이며, B1 및 B2는 동일하거나 서로 다른 2가의 금속 양이온이고, X1 및 X2는 동일하거나 서로 다른 1가 음이온을 의미한다. 여기서, A1, B1, X1은 A2, B2, X2 와 적어도 1 가지 이상이 다를 수 있다.In this case, A1 and A2 in (A1) a (B1) b (X1) c and (A2) a (B2) b (X2) c are the same or different monovalent cations, B1 and B2 are the same or different divalent metal cations, and X1 and X2 mean the same or different monovalent anions. Here, A1, B1, and X1 may differ from A2, B2, and X2 in at least one or more ways.
삼중 구조의 페로브스카이트 화합물은 (A1)a(B1)b(X1)c 와 (A2)a(B2)b(X2)c 와 (A3)a(B3)b(X3)c 가 교대로 쌓여서 광흡수층(130)을 형성한 것이며, 이때 A1, A2, A3는 동일하거나 서로 다른 1가 양이온이며, B1, B2, B3는 동일하거나 서로 다른 2가의 금속 양이온 또는 3가 금속 양이온이고, X1, X2, X3는 동일하거나 서로 다른 1가 음이온을 의미한다. 여기서 A1, B1, X1 와 A2, B2, X2 및 A3, B3, X3는 적어도 서로 1 가지 이상이 다를 수 있다.In the perovskite compound having a triple structure, (A1) a (B1) b (X1) c and (A2) a (B2) b (X2) c and (A3) a (B3) b (X3) c are alternately stacked to form the light absorption layer 130, wherein A1, A2, and A3 are the same or different monovalent cations, and B1, B2, and B3 are the same or different divalent metal cations or It is a trivalent metal cation, and X1, X2, and X3 mean the same or different monovalent anions. Here, A1, B1, X1 and A2, B2, X2 and A3, B3, X3 may differ by at least one or more from each other.
루들스텐-포퍼 구조는 (A1)a(B1)b(X1)c{(A2)a(B2)b(X2)c}n(A1)a(B1)b(X1)c 인 구조이며, 이때 n은 자연수이다.The Ludlesten-Popper structure is (A1) a (B1) b (X1) c {(A2) a (B2) b (X2) c } n (A1) a (B1) b (X1) c , where n is a natural number.
페로브스카이트 광흡수층은 용액코팅 방법을 통해 형성될 수 있고, 용액코팅 방법은 스핀코팅, 스프레이코팅, 울트라스프레이코팅, 전기방사코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아코팅, 바코팅, 롤코팅, 딥코팅, 쉬어코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 및 노즐 프린팅 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The perovskite light absorption layer may be formed through a solution coating method, and the solution coating method may include any one of spin coating, spray coating, ultra spray coating, electrospinning coating, slot die coating, gravure coating, bar coating, roll coating, dip coating, shear coating, screen printing, inkjet printing, and nozzle printing.
이 후, 페로브스카이트 광흡수층 상에 제2 전하 수송층을 형성하는 단계(S240)를 진행한다.Thereafter, a step of forming a second charge transport layer on the perovskite light absorption layer (S240) is performed.
제2 전하 수송층은 전자 수송층 또는 정공 수송층일 수 있고, 전자 수송층은 페로브스카이트 광흡수층에서 생성된 전자를 전극으로 용이하게 전달되도록 할 수 있다. 또한 정공 수송층은 페로브스카이트 광흡수층에서 생성된 정공을 전극으로 용이하게 전달되도록 할 수 있다. The second charge transport layer may be an electron transport layer or a hole transport layer, and the electron transport layer may allow electrons generated in the perovskite light absorption layer to be easily transferred to the electrode. In addition, the hole transport layer may allow holes generated in the perovskite light absorption layer to be easily transferred to the electrode.
본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법을 통해 제조된 금속 산화물 박막이 사용되지 않는 제2 전하 수송층의 경우, 당분야에 공지된 전자 수송층 또는 정공 수송층이 사용될 수 있다.In the case of the second charge transport layer in which the metal oxide thin film manufactured by the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention is not used, an electron transport layer or a hole transport layer known in the art may be used.
전자 수송층은 플러렌 (fullerene, C60), 플러렌 유도체, TPBi(2,2′,2"-(1,3,5-benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole)), PBI (polybenzimidazole) 및 PTCBI (3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic bis-benzimidazole), NDI (Naphthalene diimide) 및 이들의 유도체, TiO2, SnO2, ZnO, ZnSnO3, 2,4,6-Tris(3-(pyrimidin-5-yl)phenyl)-1,3,5-triazine, 8-Hydroxyquinolinolato-lithium, 1,3,5-Tris(1-phenyl-1Hbenzimidazol- 2-yl)benzene, 6,6'-Bis[5-(biphenyl-4-yl)-1,3,4-oxadiazo-2-yl]-2,2'-bipyridyl, 4,4'-Bis(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)biphenyl(BTB), Rb2CO3 (Rubidium carbonate), ReO3(Rhenium(VI) oxide) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 플러렌 유도체는 PCBM ((6,6)-phenyl-C61-butyric acid-methylester) 또는 PCBCR ((6,6)-phenyl-C61-butyric acid cholesteryl ester)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The electron transport layer is fullerene (C60), a fullerene derivative, TPBi (2,2′,2"-(1,3,5-benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole)), PBI (polybenzimidazole) and PTCBI (3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic bis-benzimidazole), NDI (naphthalene diimide) and their derivatives, TiO2, SnO2, ZnO, ZnSnO3, 2,4,6-Tris(3-(pyrimidin-5-yl)phenyl)-1,3,5-triazine, 8-Hydroxyquinolinolato-lithium, 1,3,5-Tris(1-phenyl-1Hbenzimidazol-2-yl)benzene, 6,6'-Bis[5-(biphenyl-4-yl)-1,3,4-oxadiazo-2-yl]-2,2'- bipyridyl, 4,4'-Bis(4,6-diphenyl-1,3,5-triazin-2-yl)biphenyl(BTB), Rb2CO3(Rubidium carbonate), ReO3(Rhenium(VI) oxide), and the fullerene derivative may be PCBM ((6,6)-phenyl-C61-butyric acid-methylester) or PCBCR ((6,6)-phenyl-C61-butyric acid cholesteryl ester), but is not limited thereto.
전자 수송층은 용액코팅 방법을 통해 형성될 수 있고, 용액코팅 방법은 스핀코팅, 스프레이코팅, 울트라스프레이코팅, 전기방사코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아코팅, 바코팅, 롤코팅, 딥코팅, 쉬어코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 및 노즐 프린팅 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The electron transport layer may be formed through a solution coating method, and the solution coating method may include any one of spin coating, spray coating, ultra spray coating, electrospinning coating, slot die coating, gravure coating, bar coating, roll coating, dip coating, shear coating, screen printing, inkjet printing, and nozzle printing.
정공 수송층은 정공 수송층은 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, Spiro-MeOTAD ([2,22′,7,77′-tetrkis (N,N-dipmethoxyphenylamine)-9,9,9′-spirobi fluorine]), CuSCN, CuI, MoOx, VOx, NiOx, CuOx, 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-cobenzothiadiazole), PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT:PSS, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate), PTAA (poly(triarylamine)), poly(4-butylphenyldiphenyl-amine), 4,4'-bis[N-(1-naphtyl)-N-phenylamino]-biphenyl (NPD), 비스(N-(1-나프틸-n-페닐))벤지딘(α-NPD), N,N'-디(나프탈렌-1-일)-N,N'-디페닐-벤지딘 (NPB), N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-1,1'-디페닐-4,4'-디아민 (TPD), 구리 프탈로시아닌(CuPc), 4,4',4"-트리스(3-메틸페닐아미노)트리페닐아민(m-MTDATA), 4,4',4"-트리스(3-메틸페닐아미노)페녹시벤젠(m-MTDAPB), 스타버스트(starburst)형 아민류인 4,4',4"-트리(N-카바졸릴)트리페닐아민(TCTA), 4,4',4"-트리스(N-(2-나프틸)-N-페닐아미노)-트리페닐아민(2-TNATA) 및 이들의 공중합체에서 적어도 하나 이상 선택될 수 있으나, 상기 물질들에 한정되는 것은 아니다.The hole transport layer is 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, Spiro-MeOTAD ([2,22′,7,77′-tetrki s (N,N-dipmethoxyphenylamine)-9,9,9′-spirobi fluorine]), CuSCN, CuI, MoOx, V.O.x, NiOx, CuOx, 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]), P FB (poly(9,9′′-dioctylfluorene-co-bis(N,N′′-(4,butylphenyl))bis(N,N′′-phenyl-1,4-phenylene)diamine), F8BT (poly(9,9′′-dioctylfluorene-cobenzothiadiazole), PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT:PSS, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfo nate), PTAA (poly(triarylamine)), poly(4-butylphenyldiphenyl-amine), 4,4'-bis[N-(1-naphtyl)-N-phenylamino]-biphenyl (NPD), bis(N-(1-naphthyl-n-phenyl))benzidine (α-NPD), N,N'-di(naphthalen-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine (NPB), N,N'- Diphenyl-N,N'-bis(3-methylphenyl)-1,1'-diphenyl-4,4'-diamine (TPD), copper phthalocyanine (CuPc), 4,4',4"-tris(3-methylphenylamino)triphenylamine (m-MTDATA), 4,4',4"-tris(3-methylphenylamino)phenoxybenzene (m-MTDAPB), starburst amines 4,4 ', 4 "-tri (N-carbazolyl) triphenylamine (TCTA), 4,4 ', 4 "-tris (N- (2-naphthyl) -N-phenylamino) -triphenylamine (2-TNATA), and at least one or more copolymers thereof may be selected, but is not limited to the above materials.
정공 수송층은 용액코팅 방법을 통해 형성될 수 있고, 용액코팅 방법은 스핀코팅, 스프레이코팅, 울트라스프레이코팅, 전기방사코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아코팅, 바코팅, 롤코팅, 딥코팅, 쉬어코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 및 노즐 프린팅 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The hole transport layer may be formed through a solution coating method, and the solution coating method may include any one of spin coating, spray coating, ultra spray coating, electrospinning coating, slot die coating, gravure coating, bar coating, roll coating, dip coating, shear coating, screen printing, inkjet printing, and nozzle printing.
마지막으로, 제2 전하 수송층 상에 제2 전극을 형성하는 단계(S250)를 진행한다.Finally, a step of forming a second electrode on the second charge transport layer (S250) proceeds.
제2 전극은 전기적 특성이 우수한 전도성 물질로 형성될 수 있다. 제2 전극은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO), 알루미늄아연산화물(AZO), 불소 함유 산화주석(FTO), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphene) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The second electrode may be formed of a conductive material having excellent electrical characteristics. The second electrode may include at least one of aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), palladium (Pd), platinum (Pt), indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), aluminum zinc oxide (AZO), fluorine-containing tin oxide (FTO), carbon nanotube (CNT), and graphene.
제2 전극은 용액코팅 방법 또는 증착 방법을 통해 형성될 수 있다.The second electrode may be formed through a solution coating method or a deposition method.
용액코팅 방법은 스핀코팅, 스프레이코팅, 울트라스프레이코팅, 전기방사코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아코팅, 바코팅, 롤코팅, 딥코팅, 쉬어코팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 및 노즐 프린팅 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 증착 방법은 감압, 상압 또는 가압조건에서, 스퍼터링, 원자층증착, 화학기상증착, 열증착, 동시증발법 및 플라즈마 강화 화학기상증착 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The solution coating method may include any one of spin coating, spray coating, ultra spray coating, electrospinning coating, slot die coating, gravure coating, bar coating, roll coating, dip coating, shear coating, screen printing, inkjet printing, and nozzle printing, and the deposition method may include any one of sputtering, atomic layer deposition, chemical vapor deposition, thermal deposition, simultaneous evaporation, and plasma enhanced chemical vapor deposition under reduced pressure, normal pressure, or pressurized conditions. can
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자를 도시한 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자는 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자의 제조방법으로 제조되므로, 중복되는 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.Since the perovskite photoelectric device according to the embodiment of the present invention is manufactured by the method of manufacturing the perovskite photoelectric device according to the embodiment of the present invention, description of overlapping components will be omitted.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자는 기판(110) 상에 형성되는 제1 전극(120), 제1 전극 상에 형성되는 제1 전하 수송층(130), 제1 전하 수송층(130) 상에 형성되는 페로브스카이트 광흡수층(140), 페로브스카이트 광흡수층(140) 상에 형성되는 제2 전하 수송층(150) 및 제2 전하 수송층(150) 상에 형성되는 제2 전극(160)을 포함할 수 있다.A perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention includes a first electrode 120 formed on a substrate 110, a first charge transport layer 130 formed on the first electrode, a perovskite light absorption layer 140 formed on the first charge transport layer 130, a second charge transport layer 150 formed on the perovskite light absorption layer 140, and a second charge transport layer 15 0) may include a second electrode 160 formed on it.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자에서 제1 전하 수송층은 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조 방법을 통하여 제조된 금속 산화물 박막이 사용될 수 있다.In the perovskite optoelectronic device according to an embodiment of the present invention, a metal oxide thin film manufactured by the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention may be used as the first charge transport layer.
본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자는 제1 전하 수송층(130) 이 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법으로 제조된 금속 산화물 박막을 포함함으로써, FTO 기판 또는 Si 기판에 물리적인 결함 형성 없이 표면 거칠기가 확보된 전자 수송층 또는 정공 수송층을 형성하여 균일도를 향상시킬 수 있다.In the perovskite optoelectronic device according to an embodiment of the present invention, since the first charge transport layer 130 includes a metal oxide thin film manufactured by the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention, it is possible to improve uniformity by forming an electron transport layer or a hole transport layer having surface roughness secured without formation of physical defects on the FTO substrate or Si substrate.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 페로브스카이트 광전소자는 제1 전하 수송층(130)이 본 발명의 실시예에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법으로 제조된 금속 산화물 박막을 포함함으로써, 세계 최고효율 수준인 25.21%의 우수한 광전변환효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지가 구현할 수 있다.In addition, in the perovskite photoelectric device according to an embodiment of the present invention, since the first charge transport layer 130 includes a metal oxide thin film manufactured by the method of manufacturing a metal oxide thin film according to an embodiment of the present invention, a perovskite solar cell having an excellent photoelectric conversion efficiency of 25.21%, which is the world's highest efficiency level, can be implemented.
제조예 1: 금속 산화물 전구체 용액Preparation Example 1: Metal Oxide Precursor Solution
0.012 M의 SnCl2 수용액 400ml에 우레아(urea) 5g, HCl 3~5ml를 용해시킨 뒤, 100l의 티오글리콜 산( Thioglycolic acid)를 용액에 첨가하여 금속 산화물 전구체 용액을 제조한다.After dissolving 5 g of urea and 3-5 ml of HCl in 400 ml of 0.012 M SnCl 2 aqueous solution, A metal oxide precursor solution is prepared by adding l of Thioglycolic acid to the solution.
제조예 2: 금속 산화물 반응 용액Preparation Example 2: Metal oxide reaction solution
0.012 M의 SnCl2 수용액 400ml에 우레아(urea), HCl 3~5ml를 용해시킨 뒤, 100l의 티오글리콜 산( Thioglycolic acid)를 용액에 첨가하여 금속 산화물 전구체 용액을 제조한 다음, 금속 산화물 전구체 용액을 대기 중 산소와 반응할 수 있도록 3시간 이상 상온 반응을 하여 금속 산화물 반응 용액을 제조한다.After dissolving 3-5 ml of urea and HCl in 400 ml of 0.012 M SnCl 2 aqueous solution, A metal oxide precursor solution is prepared by adding l of thioglycolic acid to the solution, and then the metal oxide reaction solution is prepared by reacting the metal oxide precursor solution at room temperature for 3 hours or more to react with oxygen in the air.
제조예 3: [CHPreparation Example 3: [CH 33 NHNH 33 PbBrPbBr 33 ]] 0.050.05 -[HC(NH-[HC(NH 22 )) 22 PbIPbI 33 ]] 0.950.95 용액 solution
1.4M 농도의 [CH3NH3PbBr3]0.05-[HC(NH2)2PbI3]0.95 용액은 혼합 용매(용매로는 다이메틸설폭사이드와 디메틸포름아미드를 1:8 비율로 혼합한 혼합 용매를 사용)에 HC(NH2)2I와 PbI2를 1;:1 몰 비로 몰농도에 맞게 용해시키고 CH3NH3Br와 PbBr2를 1:1 몰 비로 몰농도에 맞게 용해시켜 제조하였다.[CH 3 NH 3 PbBr 3 ] 0.05 -[HC(NH 2 ) 2 PbI 3 ] 0.95 solution of 1.4M concentration was dissolved in a mixed solvent (a mixed solvent in which dimethyl sulfoxide and dimethylformamide were mixed in a ratio of 1:8 was used as the solvent) HC(NH 2 ) 2 I and PbI 2 in a 1::1 molar ratio to match the molar concentration, and CH 3 NH It was prepared by dissolving 3 Br and PbBr 2 in a 1:1 molar ratio according to the molar concentration.
비교예 1Comparative Example 1
1 in * 1 in 크기의 불소 함유 산화주석이 코팅된 유리 기판(FTO; F-doped SnO2, 이하 FTO 기판)을 계면활성제 증류수, 에탄올, 아세톤 순으로 세척을 진행한다. 자외선-오존 클리너(UV ozone clearner)를 이용하여 세척되어진 FTO 기판을 30분 동안 세정(cleaning)해준다. 세정(cleaning)된 FTO 기판을 기판 트레이에 꽂아 수직 방향으로 세워 제조예 1에서 제조한 반응 용액에 해당 기판 트레이를 침지시킨다.A glass substrate (FTO; F-doped SnO 2 , hereinafter referred to as FTO substrate) coated with fluorine-containing tin oxide having a size of 1 in * 1 in is washed in the order of surfactant distilled water, ethanol, and acetone. The cleaned FTO substrate is cleaned using a UV ozone clearner for 30 minutes. The cleaned FTO substrate is inserted into a substrate tray, placed vertically, and the substrate tray is immersed in the reaction solution prepared in Preparation Example 1.
기판 트레이가 담긴 위 용액 그릇을 4시간 이상 70 ℃로 설정된 오븐에 보관한다. 상기 언급한 침지시간 동안 침지된 기판 트레이를 반응 용액으로부터 꺼내어 증류수로 세척을 진행하고 150 ℃의 온도 및 상압 조건이 유지된 핫플레이트(Hot plate)에서 1 시간 동안 열처리 과정을 진행하여 SnO2 박막을 형성하였다.Store the above solution bowl containing the substrate tray in an oven set at 70 °C for at least 4 hours. During the above-mentioned immersion time, the immersed substrate tray was taken out of the reaction solution, washed with distilled water, and subjected to a heat treatment process for 1 hour on a hot plate maintained at a temperature of 150 ° C. and atmospheric pressure to form a SnO 2 thin film.
실시예 1: FTO/금속 산화물 박막Example 1: FTO/metal oxide thin film
1 in * 1 in 크기의 불소 함유 산화주석이 코팅된 유리 기판(FTO; F-doped SnO2, 이하 FTO 기판)을 계면활성제 증류수, 에탄올, 아세톤 순으로 세척을 진행한다. 자외선-오존 클리너(UV ozone clearner)를 이용하여 세척되어진 FTO 기판을 30분 동안 세정(cleaning)해준다. 세정(cleaning)된 FTO 기판을 기판 트레이에 꽂아 수직 방향으로 세워 제조예 2에서 제조한 반응 용액에 해당 기판 트레이를 침지시킨다.A glass substrate (FTO; F-doped SnO 2 , hereinafter referred to as FTO substrate) coated with fluorine-containing tin oxide having a size of 1 in * 1 in is washed in the order of surfactant distilled water, ethanol, and acetone. The cleaned FTO substrate is cleaned using a UV ozone clearner for 30 minutes. The cleaned FTO substrate is inserted into a substrate tray, placed vertically, and the substrate tray is immersed in the reaction solution prepared in Preparation Example 2.
기판 트레이가 담긴 위 용액 그릇을 4시간 이상 70 ℃로 설정된 오븐에 보관한다. 상기 언급한 침지시간 동안 침지된 기판 트레이를 반응 용액으로부터 꺼내어 증류수로 세척을 진행하고 150 ℃의 온도 및 상압 조건이 유지된 핫플레이트(Hot plate)에서 1 시간 동안 열처리 과정을 진행하여 SnO2 박막을 형성하였다.Store the above solution bowl containing the substrate tray in an oven set at 70 °C for at least 4 hours. During the above-mentioned immersion time, the immersed substrate tray was taken out of the reaction solution, washed with distilled water, and subjected to a heat treatment process for 1 hour on a hot plate maintained at a temperature of 150 ° C. and atmospheric pressure to form a SnO 2 thin film.
비교예 2Comparative Example 2
비교예 1에서 제작한 SnO2 박막 상의 회전 중심에 제조예 3에서 제조한 용액을 일괄 도포(주입)하고, 5000rpm으로 스핀 코팅을 시작하였다. 스핀 코팅 시간이 25초가 된 시점에 스핀 중인 기판의 회전 중심에 비용매인 다이에틸에테르를 일괄 도포(주입)한 후, 5초 동안 스핀 코팅을 더 진행하였다.The solution prepared in Preparation Example 3 was collectively applied (injected) to the center of rotation on the SnO 2 thin film prepared in Comparative Example 1, and spin coating was started at 5000 rpm. When the spin coating time reached 25 seconds, diethyl ether, a non-solvent, was collectively applied (injected) to the center of rotation of the substrate being spun, and then spin coating was further performed for 5 seconds.
스핀 코팅이 수행된 후, 150 ℃의 온도 및 상압 조건이 유지된 핫플레이트(Hot plate)에서 10분 동안 처리하여 할로겐화물 페로브스카이트 막을 형성하였다. 제작한 할로겐화물 페로브스카이트 막의 회전 중심에 90 g/L 농도의 Spiro-MeOTAD 용액(클로로벤젠에 농도에 맞게 Spiro-MeOTAD를 용해시켜서 제작한다.)을 일괄 도포(주입)하고, 2000 rpm으로 34초간 스핀 코팅을 진행하였다.After spin coating was performed, a halide perovskite film was formed by treatment on a hot plate at 150° C. and atmospheric pressure for 10 minutes. A 90 g/L concentration of Spiro-MeOTAD solution (prepared by dissolving Spiro-MeOTAD in chlorobenzene according to the concentration) was collectively applied (injected) to the center of rotation of the prepared halide perovskite film, and spin coating was performed at 2000 rpm for 34 seconds.
제작한 막에 마스킹을 한 뒤 진공증착기(진공도가 5 Х 10-6 torr로 유지되는 진공증착기를 사용)를 이용해 금 전극을 100 nm 증착시켰다.After masking the fabricated film, a 100 nm gold electrode was deposited using a vacuum evaporator (a vacuum evaporator maintained at 5 Х 10 -6 torr).
실시예 2: 페로브스카이트 태양전지Example 2: Perovskite Solar Cell
실시예 1에서 제작한 SnO2 박막 상의 회전 중심에 제조예 3에서 제조한 용액을 일괄 도포(주입)하고, 5000rpm으로 스핀 코팅을 시작하였다. 스핀 코팅 시간이 25초가 된 시점에 스핀 중인 기판의 회전 중심에 비용매인 다이에틸에테르를 일괄 도포(주입)한 후, 5초 동안 스핀 코팅을 더 진행하였다. 스핀 코팅이 수행된 후, 150 ℃의 온도 및 상압 조건이 유지된 핫플레이트(Hot plate)에서 10분 동안 처리하여 할로겐화물 페로브스카이트 막을 형성하였다.The solution prepared in Preparation Example 3 was collectively applied (injected) to the center of rotation on the SnO 2 thin film prepared in Example 1, and spin coating was started at 5000 rpm. When the spin coating time reached 25 seconds, diethyl ether, a non-solvent, was collectively applied (injected) to the center of rotation of the substrate being spun, and then spin coating was further performed for 5 seconds. After spin coating was performed, a halide perovskite film was formed by treatment on a hot plate at 150° C. and atmospheric pressure for 10 minutes.
제작한 할로겐화물 페로브스카이트 막의 회전 중심에 90 g/L 농도의 Spiro-MeOTAD 용액(클로로벤젠에 농도에 맞게 Spiro-MeOTAD를 용해시켜서 제작한다.)을 일괄 도포(주입)하고, 2000 rpm으로 34초간 스핀 코팅을 진행하였다.A 90 g/L concentration of Spiro-MeOTAD solution (prepared by dissolving Spiro-MeOTAD in chlorobenzene according to the concentration) was collectively applied (injected) to the center of rotation of the prepared halide perovskite film, and spin coating was performed at 2000 rpm for 34 seconds.
제작한 막에 마스킹을 한 뒤 진공증착기(진공도가 5 Х 10-6 torr로 유지되는 진공증착기를 사용)를 이용해 금 전극을 100 nm 증착시켰다.After masking the fabricated film, a 100 nm gold electrode was deposited using a vacuum evaporator (a vacuum evaporator maintained at 5 Х 10 -6 torr).
비교예 3Comparative Example 3
1 in * 1 in 크기의 실리콘 기판(Silicon, 이하 Si 기판)을 계면활성제 증류수, 에탄올, 아세톤 순으로 세척을 진행한다. 세정(cleaning)된 Si 기판을 기판 트레이에 꽂아 수직 방향으로 세워 제조예 1에서 제조한 반응 용액에 해당 기판 트레이를 침지시킨다.A 1 in * 1 in size silicon substrate (Silicon, hereinafter Si substrate) is washed in the order of surfactant distilled water, ethanol, and acetone. The cleaned Si substrate is inserted into a substrate tray and placed in a vertical direction to immerse the substrate tray in the reaction solution prepared in Preparation Example 1.
기판 트레이가 담긴 위 용액 그릇을 4시간 이상 70 ℃로 설정된 오븐에 보관한다. 상기 언급한 침지시간 동안 침지된 기판 트레이를 반응 용액으로부터 꺼내어 증류수로 세척을 진행하고 150 ℃의 온도 및 상압 조건이 유지된 핫플레이트(Hot plate)에서 1 시간 동안 열처리 과정을 진행하여 SnO2 박막을 형성하였다.Store the above solution bowl containing the substrate tray in an oven set at 70 °C for at least 4 hours. During the above-mentioned immersion time, the immersed substrate tray was taken out of the reaction solution, washed with distilled water, and subjected to a heat treatment process on a hot plate maintained at a temperature of 150 ° C. and atmospheric pressure for 1 hour to form a SnO 2 thin film.
실시예 3: Si/금속 산화물 박막Example 3: Si/metal oxide thin film
1 in * 1 in 크기의 실리콘 기판(Silicon, 이하 Si 기판)을 계면활성제 증류수, 에탄올, 아세톤 순으로 세척을 진행한다. 세정(cleaning)된 Si 기판을 기판 트레이에 꽂아 수직 방향으로 세워 제조예 2에서 제조한 반응 용액에 해당 기판 트레이를 침지시킨다.A 1 in * 1 in size silicon substrate (Silicon, hereinafter Si substrate) is washed in the order of surfactant distilled water, ethanol, and acetone. The cleaned Si substrate is inserted into a substrate tray and placed in a vertical direction to immerse the substrate tray in the reaction solution prepared in Preparation Example 2.
기판 트레이가 담긴 위 용액 그릇을 4시간 이상 70 ℃로 설정된 오븐에 보관한다. 상기 언급한 침지시간 동안 침지된 기판 트레이를 반응 용액으로부터 꺼내어 증류수로 세척을 진행하고 150 ℃의 온도 및 상압 조건이 유지된 핫플레이트(Hot plate)에서 1 시간 동안 열처리 과정을 진행하여 SnO2 박막을 형성하였다.Store the above solution bowl containing the substrate tray in an oven set at 70 °C for at least 4 hours. During the above-mentioned immersion time, the immersed substrate tray was taken out of the reaction solution, washed with distilled water, and subjected to a heat treatment process on a hot plate maintained at a temperature of 150 ° C. and atmospheric pressure for 1 hour to form a SnO 2 thin film.
도 4는 비교예 1에 따른 금속 산화물 박막의 주사전자현미경 및 주사투과전자현미경을 통해 관찰된 이미지이고, 도 5는 실시예 1에 따른 금속 산화물 박막의 주사전자현미경 및 주사투과전자현미경을 통해 관찰된 이미지이다.4 is an image observed through a scanning electron microscope and a scanning transmission electron microscope of a metal oxide thin film according to Comparative Example 1, and FIG. 5 is an image observed through a scanning electron microscope and a scanning transmission electron microscope of a metal oxide thin film according to Example 1.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제조예 1에 따른 금속 산화물 전구체 용액을 이용한 화학 용액 증착법을 통해 FTO 기판 상에 제조된 비교예 1에 따른 금속 산화물 박막은 FTO의 움푹 패인 표면에 물리적인 결함이 형성되는 것을 알 수 있다.4 and 5, in the metal oxide thin film according to Comparative Example 1 prepared on the FTO substrate through a chemical solution deposition method using a metal oxide precursor solution according to Preparation Example 1, physical defects are formed on the concave surface of the FTO. It can be seen that.
반면, 실시예 1에 따른 금속 산화물 박막은 연결체(Thioglycolic acid) 와의 선택적인 결합을 유도하는 제조예 2에 따른 금속 산화물 반응 용액을 이용한 화학 용액 증착법을 통해 제조되었기에, FTO에 물리적인 결함을 형성하지 않으면서 주석 산화물 박막이 형성되는 것을 알 수 있다.On the other hand, since the metal oxide thin film according to Example 1 was prepared through a chemical solution deposition method using a metal oxide reaction solution according to Preparation Example 2 that induces selective bonding with a linker (thioglycolic acid), physical defects are not formed in the FTO. It can be seen that a tin oxide thin film is formed.
이는, FTO와 주석 산화물 전구체 간에 화학적결합을 높이고자 연결체(linker)와의 선택적인 결합이 생긴 금속 산화물 반응 용액을 통해 화학 용액 증착법을 하여서 나타난 결과로 볼 수 있다.This can be seen as a result of the chemical solution deposition method through a metal oxide reaction solution in which selective bonding with a linker has occurred in order to enhance the chemical bonding between the FTO and the tin oxide precursor.
또한, 실시예 1에 따른 금속 산화물 박막은 비교예 1에 따른 금속 산화물 박막과 달리 주석 산화물 박막의 표면 형상이 더 거칠게 나타나는 것을 알 수 있다.In addition, it can be seen that, unlike the metal oxide thin film according to Comparative Example 1, the surface shape of the tin oxide thin film according to Example 1 is more rough.
이는, 연결체와의 선택적인 결합을 유도하고자 대기 중 산소와 만나는 반응이 일어나는 동시에 주석 산화물 전구체가 폴리-콘덴싱(poly-condensing)을 하면서 전구체 핵들(nuclei)이 커졌고 그로 인해 입자가 큰 전구체 핵들(금속 산화물 중간체)이 형성된 뒤에 박막화가 이뤄진 결과로 볼 수 있다.This can be seen as a result of thinning after the formation of precursor nuclei (metal oxide intermediate).
도 6은 비교예 2에 따른 페로브스카이트 광전소자 및 실시예 2에 따른 페로브스카이트 광전소자의 전류-전압 특성을 도시한 그래프(왼쪽)와 각각에 따른 페로브스카이트 광전소자의 외부양자효율(External Quantum Efficiency)을 도시한 그래프(오른쪽)이다.6 is a graph (left) showing current-voltage characteristics of a perovskite photoelectric device according to Comparative Example 2 and a perovskite photoelectric device according to Example 2 (External Quantum Efficiency) of each graph (right).
표 1은 도 6에 따른 결과를 통하여 광전변환효율을 도시한 표이다.Table 1 is a table showing the photoelectric conversion efficiency through the results according to FIG. 6 .
도 6 및 표 1은 인공태양장치(ORIEL class A solar simulator, Newport, model 91195A)와 소스-미터(source-meter, Kethley, model 2420)를 사용하였으며, 표준시험조건인 1,000 W/㎡의 일조 강도 및 25의 항온 조건으로 측정하였다. 또한 도 6의 외부양자효율은 QE Measurement 장치(Newport, model QUANTX-300)로 측정하였다.6 and Table 1 show that an artificial solar device (ORIEL class A solar simulator, Newport, model 91195A) and a source-meter (source-meter, Kethley, model 2420) were used, and standard test conditions of 1,000 W/m2 of sunlight intensity and 25 was measured under constant temperature conditions. In addition, the external quantum efficiency of FIG. 6 was measured with a QE Measurement device (Newport, model QUANTX-300).
[표 1][Table 1]
도 6 및 표 1을 참조하면, 실시예 2에 따른 페로브스카이트 광전소자는 비교예 2에 따른 페로브스카이트 광전소자보다 높은 광전변환효율을 나타내는 것을 알 수 있다. 특히, 실시예 2에 따른 페로브스카이트 광전소자는 더 높은 전류밀도 (Jsc)를 갖는다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6 and Table 1, it can be seen that the perovskite photoelectric device according to Example 2 exhibits higher photoelectric conversion efficiency than the perovskite photoelectric device according to Comparative Example 2. In particular, it can be seen that the perovskite photoelectric device according to Example 2 has a higher current density (Jsc).
이는 실시예 2에 따른 페로브스카이트 광전소자에서 사용된 실시예 1에 따른 금속 산화물 박막이 물리적인 결함이 없어서 나타나는 결과로 볼 수 있다.This can be seen as a result of the metal oxide thin film according to Example 1 used in the perovskite optoelectronic device according to Example 2 having no physical defects.
또한, 도 6의 광전변환효율과 외부양자효율 평가결과를 살펴 보면, 실시예 1에 따른 금속 산화물 박막이 비교예 1에 따른 금속 산화물 박막보다 표면 형상이 보다 거칠게 제어되면서 생긴 효과(거친 표면에 따른 페로브스카이트 층과의 접촉면적 증가에 따른 광흡수층에서 생성된 캐리어의 수집능력 증가와 거친 표면에 의한 광경로 제어 효과에 의한 반사 저감 효과에 따른 광손실 저감)로 인해 페로브스카이트 광전소자로 구현될 경우 보다 높은 전류밀도를 얻는 것이 가능함을 확인할 수 있다.In addition, looking at the photoelectric conversion efficiency and external quantum efficiency evaluation results of FIG. 6, the metal oxide thin film according to Example 1 has a more rough control of the surface shape than the metal oxide thin film according to Comparative Example 1. Due to the effect (increase in the collecting ability of carriers generated in the light absorption layer due to the increase in the contact area with the perovskite layer according to the rough surface and reduction in light loss due to the reflection reduction effect due to the optical path control effect by the rough surface), the perovskite photoelectric device is implemented. It can be confirmed that it is possible to obtain a high current density.
또한, 외부양자효율 평가 결과 실시예 1에 따른 금속 산화물 박막을 적용한 페로브스카이트 태양전지가 더 높은 외부양자효율을 갖는 것을 알 수 있다. 이 역시 표면 형상을 거칠게 제어하여 나타나는 광손실 저감을 입증하는 결과로 볼 수 있다. 외부양자효율이 의미하는 바는 외부양자효율이 보다 클수록 같은 빛을 흡수했을 때 반사가 더 적어 광흡수층으로 더 많은 광자가 입사되어 더 많은 전자/정공을 생산하여 전력으로 변환할 수 있다는 것을 입증할 수 있으므로, 외부양자효율을 통해 광전소자에서 반사저감에 따른 광손실 저감을 대변할 수 있다.In addition, as a result of evaluating the external quantum efficiency, it can be seen that the perovskite solar cell to which the metal oxide thin film according to Example 1 is applied has a higher external quantum efficiency. This can also be seen as a result of proving the light loss reduction caused by rough control of the surface shape. What the external quantum efficiency means is that the higher the external quantum efficiency, the smaller the reflection when the same light is absorbed, so it can be proven that more photons are incident to the light absorption layer and more electrons/holes are produced and converted into power.
도 7은 본 발명의 제조예 1과 제조예 2에 따른 금속 산화물 전구체 용액의 FT-IR(Fourier transform infrared spectroscopy) 분석을 통한 적외선 스펙트럼(IR Spectrum)을 도시한 그래프이다.7 is a graph showing infrared spectrum (IR Spectrum) through FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) analysis of metal oxide precursor solutions according to Preparation Examples 1 and 2 of the present invention.
도 7을 참조하면, 산화물 전구체 용액이 산소와의 3시간 반응을 하여야만 연결체와 전구체 간의 결합(Sn-S 결합)이 나타나는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7 , it can be seen that the bond between the connector and the precursor (Sn—S bond) appears only when the oxide precursor solution reacts with oxygen for 3 hours.
즉, 상온에서 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계를 진행하지 않고, 70℃의 고온 반응을 진행하게 되면 70℃ 고온 반응 초기에 연결체가 금속산화물 전구체(또는 금속산화물 중간체)와 결합되지 않은 상태에서 고온 반응이 진행되기 때문에 기판과 결합하기에 불리하여, 도 4에서와 같이 물리적인 결함이 형성될 수 있다.That is, when a high-temperature reaction of 70 ° C. is performed without performing the step of preparing a metal oxide reaction solution containing a metal oxide intermediate bonded to a linker by reacting the oxide precursor solution with oxygen at room temperature, the high-temperature reaction at 70 ° C. is performed. Since the high-temperature reaction proceeds in a state where the linker is not bonded to the metal oxide precursor (or metal oxide intermediate), it is disadvantageous for bonding with the substrate, and physical defects may be formed as shown in FIG. 4.
도 8은 비교예 3에 따른 금속 산화물 박막의 주사전자현미경을 통해 관찰된 이미지이고, 도 9은 실시예 3에 따른 금속 산화물 박막의 주사전자현미경을 통해 관찰된 이미지이다.8 is an image observed through a scanning electron microscope of a metal oxide thin film according to Comparative Example 3, and FIG. 9 is an image observed through a scanning electron microscope of a metal oxide thin film according to Example 3.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제조예 1에 따른 금속 산화물 전구체 용액을 이용한 화학 용액 증착법을 통해 실리콘 기판 상에 제조된 비교예 3에 따른 금속 산화물 박막은 실리콘 기판의 전면에 주석 산화물이 증착되지 못하고 불균일한 박막이 형성됨을 알 수 있다.Referring to FIGS. 8 and 9, in the metal oxide thin film according to Comparative Example 3 prepared on a silicon substrate through a chemical solution deposition method using a metal oxide precursor solution according to Preparation Example 1, tin oxide is not deposited on the entire surface of the silicon substrate. It can be seen that a non-uniform thin film is formed.
반면, 실시예 3에 따른 금속 산화물 박막의 경우 연결체(Thioglycolic acid) 와의 선택적인 결합을 유도하는 제조예 2에 따른 금속 산화물 전구체 용액을 이용한 화학 용액 증착법을 통해 제조되었기에, 실리콘 기판의 전면에 균일하게 주석 산화물 박막이 형성 가능함을 알 수 있다.On the other hand, in the case of the metal oxide thin film according to Example 3, since it was prepared through a chemical solution deposition method using the metal oxide precursor solution according to Preparation Example 2, which induces selective bonding with the connector (thioglycolic acid), it can be seen that a tin oxide thin film can be formed uniformly on the entire surface of the silicon substrate.
이는 실리콘 기판과 주석 산화물 전구체 간에 화학적결합을 높이고자 연결체(linker)와의 선택적인 결합이 생긴 금속 산화물 반응 용액을 통해 화학 용액 증착법을 하여서 나타난 결과로 볼 수 있다. This can be seen as a result of the chemical solution deposition method through a metal oxide reaction solution in which selective bonding with a linker has occurred in order to enhance the chemical bonding between the silicon substrate and the tin oxide precursor.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, although the present invention has been described by the limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art can make various modifications and variations from these descriptions. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, and should be defined by not only the claims to be described later, but also those equivalent to these claims.
110: 기판 120: 제1 전극
130: 제1 전하 수송층 140: 페로브스카이트 광흡수층
150: 제2 전하 수송층 160: 제2 전극110: substrate 120: first electrode
130: first charge transport layer 140: perovskite light absorption layer
150: second charge transport layer 160: second electrode
Claims (18)
상기 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 상기 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계; 및
상기 금속 산화물 반응 용액에 기판을 침지시켜 금속 산화물 박막을 제조하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
preparing a metal oxide precursor solution including a metal oxide precursor, a fuel, an acid solution, and a connector;
reacting the oxide precursor solution with oxygen to prepare a metal oxide reaction solution including a metal oxide intermediate bonded to the linking body; and
preparing a metal oxide thin film by immersing a substrate in the metal oxide reaction solution;
Method for producing a metal oxide thin film comprising a.
상기 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 상기 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계에서,
상기 금속 산화물 전구체 표면에 상기 연결체가 선택적으로 결합되어 상기 금속 산화물 중간체가 형성되는 것을 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of reacting the oxide precursor solution with oxygen to prepare a metal oxide reaction solution containing a metal oxide intermediate bound to the linker,
Method for producing a metal oxide thin film in which the linker is selectively bonded to the surface of the metal oxide precursor to form the metal oxide intermediate.
상기 금속 산화물 중간체는 결정핵이 생성(nucleation)된 금속 산화물 전구체인 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a metal oxide thin film, characterized in that the metal oxide intermediate is a metal oxide precursor in which crystal nuclei are generated (nucleation).
상기 금속 산화물 반응 용액의 농도는 0.002 M 내지 0.1 M인 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing a metal oxide thin film, characterized in that the concentration of the metal oxide reaction solution is 0.002 M to 0.1 M.
상기 금속 산화물 반응 용액의 pH는 0 내지 5인 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
Method for producing a metal oxide thin film, characterized in that the pH of the metal oxide reaction solution is 0 to 5.
상기 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계의 반응 시간은 1시간 내지 12시간인 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing a metal oxide thin film, characterized in that the reaction time of preparing a metal oxide reaction solution containing a metal oxide intermediate bonded to a linker by reacting the oxide precursor solution with oxygen is 1 hour to 12 hours.
상기 산화물 전구체 용액을 산소와 반응시켜 연결체와 결합된 금속 산화물 중간체를 포함하는 금속 산화물 반응 용액을 제조하는 단계의 반응 온도는 10℃ 내지 30℃인 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing a metal oxide thin film, characterized in that the reaction temperature in the step of preparing a metal oxide reaction solution containing a metal oxide intermediate combined with a linker by reacting the oxide precursor solution with oxygen is 10 ℃ to 30 ℃.
상기 금속 산화물 전구체는 금속 할로겐화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a metal oxide thin film, characterized in that the metal oxide precursor comprises a metal halide.
상기 연결체는 티올(thiol)기를 작용기로 포함하는 카르복시산을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The method of producing a metal oxide thin film, characterized in that the linkage comprises a carboxylic acid containing a thiol group as a functional group.
상기 연료는 아세틸아세톤, CF3COCH2COCF3, CH3COCHFCOCH3, CH3COCH2C(=NH)CF3, CH3C(=NH)CHFC(=NH)CH3, CH3COCH2C(=NCH3)CF3, CH3C(=NCH3)CHFC(=NCH3)CH3, CH3C(=NH)CHFC(=NCH3)CH3, Ph2POCH2COCH3, 우레아, 싸이오우레아, N-메틸우레아, 시트르산, 아스코르브산, 스테아르산, 나이트로메테인, 하이드라진, 카보하이드라자이드, 옥살릴 다이하이드라자이드, 말론산 다이하이드라자이드, 테트라 폼알 트리스 아진, 헥사메틸렌테트라민 및 말론산 무수물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
상기 연료는 아세틸아세톤, CF 3 COCH 2 COCF 3 , CH 3 COCHFCOCH 3 , CH 3 COCH 2 C(=NH)CF 3 , CH 3 C(=NH)CHFC(=NH)CH 3 , CH 3 COCH 2 C(=NCH 3 )CF 3 , CH 3 C(=NCH 3 )CHFC(=NCH 3 )CH 3 , CH 3 C(=NH)CHFC(=NCH 3 )CH 3 , Ph 2 POCH 2 COCH 3 , 우레아, 싸이오우레아, N-메틸우레아, 시트르산, 아스코르브산, 스테아르산, 나이트로메테인, 하이드라진, 카보하이드라자이드, 옥살릴 다이하이드라자이드, 말론산 다이하이드라자이드, 테트라 폼알 트리스 아진, 헥사메틸렌테트라민 및 말론산 무수물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
상기 산용액은 염산, 질산 및 황산 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The method of producing a metal oxide thin film, characterized in that the acid solution contains at least one of hydrochloric acid, nitric acid and sulfuric acid.
상기 기판은 불소 함유 산화주석(FTO: fluorine doped tin oxide)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a metal oxide thin film, characterized in that the substrate comprises fluorine doped tin oxide (FTO).
상기 기판은 실리콘(Si)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a metal oxide thin film, characterized in that the substrate comprises silicon (Si).
상기 기판은 표면에 제1 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 산화물 박막의 제조방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a metal oxide thin film, characterized in that the substrate comprises a first electrode on the surface.
A metal oxide thin film manufactured by the method of manufacturing a metal oxide thin film according to claim 1.
상기 제1 전극이 형성된 기판 상에 제1 전하 수송층을 형성하는 단계;
상기 제1 전하 수송층 상에 페로브스카이트 광흡수층을 형성하는 단계;
상기 페로브스카이트 광흡수층 상에 제2 전하 수송층을 형성하는 단계; 및
상기 제2 전하 수송층 상에 제2 전극을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 제1 전하 수송층은 제1항에 따른 금속 산화물 박막의 제조방법을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 광전소자의 제조방법.
forming a first electrode on the substrate;
forming a first charge transport layer on the substrate on which the first electrode is formed;
Forming a perovskite light absorption layer on the first charge transport layer;
forming a second charge transport layer on the perovskite light absorption layer; and
forming a second electrode on the second charge transport layer;
including,
The method of manufacturing a perovskite optoelectronic device, characterized in that the first charge transport layer is manufactured by the method of manufacturing a metal oxide thin film according to claim 1.
상기 제1 전하 수송층 및 상기 제2 전하 수송층은 전자 수송층 또는 정공 수송층인 것을 특징으로 하는 페로브스카이트 광전소자의 제조방법.
According to claim 16,
The method of manufacturing a perovskite photoelectric device, characterized in that the first charge transport layer and the second charge transport layer is an electron transport layer or a hole transport layer.
Priority Applications (1)
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KR1020220006609A KR102660702B1 (en) | 2022-01-17 | Manufacturing method of metal oxide thin film and metal oxide thin film manufactured using these, manufacturing method of perovskite optoelectronic device comprising the same and perovskite optoelectronic device manufactured using these |
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