KR20240022314A - Solar cell including nano-patterned mesoporous titanium dioxide thin film and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 이의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는, FTO 기판, 상기 FTO 기판 상에 배치된 조밀한 TiO2 박막을 포함하는 정공차단층, 상기 정공차단층 상에 배치된 메조포러스 TiO2 박막을 포함하는 전자수송층, 상기 전자수송층 상에 배치된 광활성층, 상기 광활성층 상에 배치된 정공수송층, 및 상기 정공수송층 상에 배치된 전극을 포함하고, 상기 광활성층과 접하는 상기 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 나노패턴이 형성된 것을 특징으로 한다.Provided is a solar cell and a method for manufacturing the same. A solar cell according to an embodiment of the present invention includes an FTO substrate, a hole blocking layer including a dense TiO 2 thin film disposed on the FTO substrate, and An electron transport layer comprising a mesoporous TiO 2 thin film disposed on a hole blocking layer, a photoactive layer disposed on the electron transport layer, a hole transport layer disposed on the photoactive layer, and an electrode disposed on the hole transport layer; , Characterized in that a nanopattern is formed on the surface of the mesoporous TiO 2 thin film in contact with the photoactive layer.
Description
본 발명은 나노 패턴이 형성된 메조포러스 이산화티탄 박막을 포함하는 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell comprising a mesoporous titanium dioxide thin film on which a nanopattern is formed and a method of manufacturing the same.
재생 에너지는 다른 기존 자원에 비해 탄소 발자국이 적으면서 저렴한 전기를 생산할 수 있는 지속 가능한 방법이며, 환경 문제로 인해 태양 전지 산업은 최근 몇년 동안 빠르게 발전하고 있다.Renewable energy is a sustainable way to produce cheap electricity with a lower carbon footprint than other conventional resources, and the solar cell industry has been developing rapidly in recent years due to environmental concerns.
태양전지는 햇빛을 전기로 바꾸는 장치로 환경에 미치는 영향이 매우 적은 장점이 있으나, 낮은 효율성으로 인해 태양 전지의 효율을 향상시키는 것을 목표로 한 연구가 진행되고 있다. 특히, 페로브스카이트 반도체 물질을 사용한 태양전지는 높은 효율성, 안정성 및 낮은 생산 비용과 같은 다양한 이점으로 인해 활발한 연구가 진행되고 있다.Solar cells are devices that convert sunlight into electricity and have the advantage of having very little impact on the environment. However, due to their low efficiency, research is being conducted aimed at improving the efficiency of solar cells. In particular, solar cells using perovskite semiconductor materials are undergoing active research due to their various advantages such as high efficiency, stability, and low production costs.
종래에는, 이러한 페로브스카이트 태양전지의 전자수송층으로, 메조포러스 TiO2 박막을 활용하였으나, 메조포러스 TiO2 박막은 열악한 광흡수(light harvesting)로 인해 태양전지의 에너지 변환 효율을 낮추는 문제점이 존재한다.Conventionally, mesoporous TiO 2 thin films were used as the electron transport layer of such perovskite solar cells, but mesoporous TiO 2 thin films have the problem of lowering the energy conversion efficiency of solar cells due to poor light harvesting. do.
본 발명의 일 목적은 나노 패턴이 형성된 메조포러스 이산화티탄 박막을 포함하여 광흡수율과 에너지 변환 효율이 향상된 태양전지를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a solar cell with improved light absorption and energy conversion efficiency including a mesoporous titanium dioxide thin film on which a nanopattern is formed.
본 발명의 다른 목적은 나노임프린팅 공정을 통해 상기 태양전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the solar cell through a nanoimprinting process.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 패턴이 형성된 메조포러스 이산화티탄 박막을 포함하는 태양전지는, FTO 기판, 상기 FTO 기판 상에 배치된 조밀한 TiO2 박막을 포함하는 정공차단층, 상기 정공차단층 상에 배치된 메조포러스 TiO2 박막을 포함하는 전자수송층, 상기 전자수송층 상에 배치된 광활성층, 상기 광활성층 상에 배치된 정공수송층, 및 상기 정공수송층 상에 배치된 전극을 포함하고, 상기 광활성층과 접하는 상기 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 나노패턴이 형성된 것을 특징으로 한다.A solar cell including a mesoporous titanium dioxide thin film on which a nanopattern is formed according to an embodiment of the present invention includes an FTO substrate, a hole blocking layer including a dense TiO 2 thin film disposed on the FTO substrate, and An electron transport layer comprising a mesoporous TiO 2 thin film disposed on a hole blocking layer, a photoactive layer disposed on the electron transport layer, a hole transport layer disposed on the photoactive layer, and an electrode disposed on the hole transport layer; , Characterized in that a nanopattern is formed on the surface of the mesoporous TiO 2 thin film in contact with the photoactive layer.
일 실시예에 있어서, 상기 나노 패턴은 오목한 반구 형상을 가진 복수 개의 기공(pore)이 균일하게 정렬된 나방눈 나노 구조(moth-eye nanostructure)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the nanopattern may include a moth-eye nanostructure in which a plurality of pores having a concave hemispherical shape are uniformly aligned.
일 실시예에 있어서, 상기 기공의 직경은 260 내지 300 nm 이고, 깊이는 75 nm 내지 127 nm 이며, 상기 기공들 간의 거리는 210 내지 230 nm 일 수 있다.In one embodiment, the diameter of the pores may be 260 to 300 nm, the depth may be 75 nm to 127 nm, and the distance between the pores may be 210 to 230 nm.
일 실시예에 있어서, 상기 기공의 종횡비(깊이/직경)는 0.25 내지 0.5 일 수 있다.In one embodiment, the aspect ratio (depth/diameter) of the pores may be 0.25 to 0.5.
일 실시예에 있어서, 상기 태양전지는 페로브스카이트 태양전지, 염료 감응형 태양전지 또는 유기 태양전지를 포함할 수 있다.In one embodiment, the solar cell may include a perovskite solar cell, a dye-sensitized solar cell, or an organic solar cell.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 패턴이 형성된 메조포러스 이산화티탄 박막을 포함하는 태양전지 제조 방법은, FTO 기판 상에 조밀한 TiO2 박막으로 이루어진 정공차단층을 형성하는 단계, 상기 정공차단층 상에 메조포러스 TiO2 박막을 형성한 후 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드를 이용한 나노임프린팅 공정을 통해 상기 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 나노 패턴을 형성하여 전자수송층을 형성하는 단계, 상기 나노 패턴이 형성된 전자수송층 표면 상에 광활성층을 형성하는 단계, 상기 광활성층 상에 정공수송층을 형성하는 단계, 및 상기 정공수송층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Meanwhile, a solar cell manufacturing method including a mesoporous titanium dioxide thin film with a nanopattern formed according to another embodiment of the present invention includes forming a hole blocking layer made of a dense TiO 2 thin film on an FTO substrate, the hole blocking Forming an electron transport layer by forming a mesoporous TiO 2 thin film on the layer and then forming a nano pattern on the surface of the mesoporous TiO 2 thin film through a nanoimprinting process using a polymer mold in which a nano pattern is formed, the nano pattern It may include forming a photoactive layer on the surface of the formed electron transport layer, forming a hole transport layer on the photoactive layer, and forming an electrode on the hole transport layer.
일 실시예에 있어서, 상기 전자수송층을 형성하는 단계는, 상기 정공차단층 상에 TiO2 나노입자 분산액을 도포한 후 건조시키는 제1 단계, 및 상기 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드를 임프린팅하여 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 상기 나노 패턴을 형성하는 제2 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, forming the electron transport layer includes a first step of applying a TiO 2 nanoparticle dispersion on the hole blocking layer and drying it, and imprinting a polymer mold in which the nano pattern is formed to form a mesoporous A second step of forming the nanopattern on the surface of the TiO 2 thin film may be included.
일 실시예에 있어서, 상기 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드는 퍼플루오로폴리에테르(PFPE)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the polymer mold on which the nanopattern is formed may include perfluoropolyether (PFPE).
일 실시예에 있어서, 상기 전자수송층을 형성하는 단계에서 형성된 나노 패턴은, 오목한 반구 형상을 가진 복수 개의 기공(pore)이 균일하게 정렬된 나방눈 나노 구조(moth-eye nanostructure)를 포함하고, 상기 기공의 종횡비(깊이/직경)는 0.25 내지 0.5 일 수 있다.In one embodiment, the nanopattern formed in the step of forming the electron transport layer includes a moth-eye nanostructure in which a plurality of pores having a concave hemispherical shape are uniformly aligned, The aspect ratio (depth/diameter) of the pores may be 0.25 to 0.5.
일 실시예에 있어서, 상기 기공의 직경은 260 내지 300 nm 이고, 깊이는 75 nm 내지 127 nm 이며, 상기 기공들 간의 거리는 210 내지 230 nm 일 수 있다.In one embodiment, the diameter of the pores may be 260 to 300 nm, the depth may be 75 nm to 127 nm, and the distance between the pores may be 210 to 230 nm.
본 발명에 따른 태양전지는 광활성층과 접하는 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 나노패턴이 형성되기 때문에, 광 투과율이 향상되고 광흡수율이 향상되고 광전자 발생이 향상되면서 태양전지의 에너지 변환 효율이 향상되는 효과가 있다. 특히, 상기 나노패턴은 오목한 반구 형상을 가진 복수 개의 기공(pore)이 균일하게 정렬된 나방눈 나노 구조(moth-eye nanostructure)를 포함하며, 본 발명은 상기 기공의 종횡비(깊이/직경)를 0.25 내지 0.5 로 최적화함으로써 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.In the solar cell according to the present invention, since a nanopattern is formed on the surface of the mesoporous TiO 2 thin film in contact with the photoactive layer, the light transmittance is improved, the light absorption rate is improved, and photoelectron generation is improved, thereby improving the energy conversion efficiency of the solar cell. It works. In particular, the nanopattern includes a moth-eye nanostructure in which a plurality of pores having a concave hemispherical shape are uniformly aligned, and the present invention sets the aspect ratio (depth/diameter) of the pores to 0.25. By optimizing it to 0.5, the energy conversion efficiency of solar cells can be improved.
또한, 본 발명에 따르면, 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드를 이용한 나노임프린팅 공정을 통해, 저비용으로 상기 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 정밀한 오목한 반구 형상을 가진 복수 개의 기공(pore)이 균일하게 정렬된 나방눈 나노 구조(moth-eye nanostructure)를 포함하는 나노 패턴을 형성할 수 있다.In addition, according to the present invention, through a nanoimprinting process using a polymer mold with a nanopattern, a plurality of pores with a precise concave hemispherical shape are uniformly aligned on the surface of the mesoporous TiO 2 thin film at low cost. A nanopattern containing a moth-eye nanostructure can be formed.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노패턴이 형성된 메조포러스 이산화티탄 박막을 포함하는 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노패턴이 형성된 메조포러스 이산화티탄 박막을 포함하는 태양전지 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴화된 Si 마스터(a), PFPE 몰드(b) 및 PFPE 몰드의 기울어진 모습(c)을 FE-SEM 로 분석한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비나노패턴(a) 및 나노패턴(b) mp-TiO2 박막층의 FE-SEM 이미지 및 광학 이미지를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 나노패터닝 깊이를 적용한 mp-TiO2 박막층의 FE-SEM 이미지를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양 전지의 단면 이미지 및 색상이 강화된 층 경계가 있는 FE-SEM 이미지를 각각 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노패턴 mp-TiO2 박막층과 페로브스카이트 활성층의 X선 회절(XRD) 패턴을 나타낸다.
도 8의 (a)는 비나노패턴 mp-TiO2 박막층과, 서로 다른 종횡비를 갖는 나노패턴 mp-TiO2 박막층의 투과율을 UV-vis 스펙트럼을 사용하여 측정한 결과, (b)는 나노패턴 mp-TiO2 박막층의 투과율과 반사율을 나타내는 개략도를 나타낸다.
도 9A는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 전류-전압(I-V) 그래프, 9B는 비나노패턴 mp-TiO2 박막층과, 나노패턴 mp-TiO2 박막층의 겉보기 페르미 준위의 전자평형을 나타낸다.
도 10A - B는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노패턴 mp-TiO2 박막층이 없는 태양전지(a) 및 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 태양전지(b)를 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 및 광발광(PL) 분광법으로 특성화한 결과를 각각 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 36개의 페로브스카이트 태양전지의 성능을 측정한 결과를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노패턴 mp-TiO2 박막층이 없는 태양전지(a) 및 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 태양전지의 IPCE 측정 결과 및 통합 전류밀도(Jsc) 값을 나타낸 그래프이다.Figure 1 is a cross-sectional view showing a solar cell including a mesoporous titanium dioxide thin film on which a nanopattern is formed according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a flowchart schematically showing a method of manufacturing a solar cell including a mesoporous titanium dioxide thin film on which a nanopattern is formed according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an image of a patterned Si master (a), a PFPE mold (b), and an inclined view (c) of the PFPE mold according to an embodiment of the present invention analyzed by FE-SEM.
Figure 4 shows FE-SEM images and optical images of non-nanopattern (a) and nanopattern (b) mp-TiO 2 thin film layers according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows a FE-SEM image of an mp-TiO 2 thin film layer to which various nanopatterning depths were applied according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows a cross-sectional image and a FE-SEM image with color-enhanced layer boundaries, respectively, of a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows an X-ray diffraction (XRD) pattern of a nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer and a perovskite active layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 (a) shows the results of measuring the transmittance of a non-nanopattern mp-TiO 2 thin film layer and a nanopattern mp-TiO 2 thin film layer with different aspect ratios using a UV-vis spectrum, and (b) shows the results of measuring the transmittance of a nanopattern mp-TiO 2 thin film layer with different aspect ratios. -A schematic diagram showing the transmittance and reflectance of the TiO 2 thin film layer is shown.
9A is a current-voltage (IV) graph of a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention, and 9B is a graph of the apparent Fermi level of the non-nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer and the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer. It represents electronic balance.
10A-B show electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of a solar cell (a) without a nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer and a solar cell (b) including a nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer according to an embodiment of the present invention. ) and photoluminescence (PL) spectroscopy respectively.
Figure 11 shows the results of measuring the performance of 36 perovskite solar cells according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 shows the IPCE measurement results and integrated current density (J sc ) of a solar cell without a nanopatterned mp- TiO2 thin film layer (a) and a solar cell including a nanopatterned mp- TiO2 thin film layer according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing the values.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Since the present invention can be subject to various changes and can have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the attached drawings, the dimensions of the structures are enlarged from the actual size for clarity of the present invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component without departing from the scope of the present invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or steps. , it should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노패턴이 형성된 메조포러스 이산화티탄 박막을 포함하는 태양전지를 나타낸 단면도이다.Figure 1 is a cross-sectional view showing a solar cell including a mesoporous titanium dioxide thin film on which a nanopattern is formed according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노패턴이 형성된 메조포러스 이산화티탄 박막을 포함하는 태양전지(100)는, FTO 기판(110), 정공차단층(120), 전자수송층(130), 광활성층(140), 정공수송층(150) 및 전극(160)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a solar cell 100 including a mesoporous titanium dioxide thin film with a nanopattern formed according to an embodiment of the present invention includes an FTO substrate 110, a hole blocking layer 120, and an electron transport layer 130. , a photoactive layer 140, a hole transport layer 150, and an electrode 160.
상기 FTO 기판(110)은 투명한 재질로 이루어진 무기질 기판 또는 유기질 기판 상에 투명 전도성 물질인 FTO(Fluorine doped Tin Oxide)가 형성된 기판(110)일 수 있다. 구체적으로, 상기 무기질 기판은 예를 들어, 유리, 석영, 실리콘(Si) 등을 사용할 수 있고, 유기질 기판은 예를 들어, 폴리이미드, 폴리카보네이트 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The FTO substrate 110 may be an inorganic substrate made of a transparent material or a substrate 110 in which FTO (Fluorine doped Tin Oxide), a transparent conductive material, is formed on an organic substrate. Specifically, the inorganic substrate may use, for example, glass, quartz, silicon (Si), etc., and the organic substrate may use, for example, polyimide, polycarbonate, etc., but are not limited thereto.
상기 정공차단층(120)은 FTO 기판(110) 상에 배치되고, 조밀한 TiO2 박막(compact TiO2 layer)을 포함하며, 정공(hole)의 이동을 저지하여 전자와 정공의 재결합(recombination)을 방지할 수 있다.The hole blocking layer 120 is disposed on the FTO substrate 110, includes a compact TiO 2 thin film, and prevents the movement of holes to allow recombination of electrons and holes. can be prevented.
상기 전자수송층(130)은 정공차단층(120) 상에 배치되고, 메조포러스 TiO2 박막(mesoporous TiO2 layer)을 포함하며, 광활성층(140)에서 생성된 전자가 FTO 기판(110)으로 용이하게 전달되도록 한다. 이러한 전자수송층(130)은 상기 광활성층(140)과 접하는 상기 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 나노 패턴이 형성될 수 있다. 상기 전자수송층(130)은 이러한 나노 패턴 구조로 인해 표면 거칠기가 증가되며, 매질을 통한 광 투과율에 영향을 미치는 굴절률의 변화로 인해 광투과율이 변화되게 된다. 또한, 나노 패턴 구조로 인한 회절 격자로 인해 광투과율이 변화할 수 있다.remind The electron transport layer 130 is disposed on the hole blocking layer 120 and includes a mesoporous TiO 2 thin film, and allows electrons generated in the photoactive layer 140 to easily transfer to the FTO substrate 110. Make sure it is delivered. This electron transport layer 130 may have a nano-pattern formed on the surface of the mesoporous TiO 2 thin film in contact with the photoactive layer 140. The surface roughness of the electron transport layer 130 increases due to this nano-pattern structure, and the light transmittance changes due to a change in the refractive index that affects the light transmittance through the medium. Additionally, the light transmittance may change due to the diffraction grating due to the nano-pattern structure.
일 실시예에 있어서, 상기 나노 패턴은 오목한 반구 형상을 가진 복수 개의 기공(pore)이 균일하게 정렬된 나방눈 나노 구조(moth-eye nanostructure)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 태양전지의 광투과율을 증가시켜 광흡수율을 최적화하기 위해, 상기 기공의 직경 또는 깊이를 조절하여 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.In one embodiment, the nanopattern may include a moth-eye nanostructure in which a plurality of pores having a concave hemispherical shape are uniformly aligned. At this time, in order to optimize the light absorption rate by increasing the light transmittance of the solar cell, the energy conversion efficiency of the solar cell can be improved by adjusting the diameter or depth of the pore.
일 실시예에 있어서, 상기 기공의 직경은 260 내지 300 nm 이고, 깊이는 75 nm 내지 127 nm 이며, 상기 기공들 간의 거리는 210 내지 230 nm 인 것이 바람직하다. 상기 기공의 깊이가 75 nm 미만인 경우 광투과율에는 큰 변화가 없어 태양전지 에너지 변환 효율을 향상시키는 효과가 미미하고, 상기 기공의 깊이가 127 nm를 초과하는 경우 빛의 굴절률의 증가로 인해 광투과율이 감소하여 오히려 태양전지의 에너지 변환 효율이 저하되게 된다.In one embodiment, the pores preferably have a diameter of 260 to 300 nm, a depth of 75 nm to 127 nm, and a distance between the pores of 210 to 230 nm. If the depth of the pore is less than 75 nm, there is no significant change in light transmittance, so the effect of improving solar cell energy conversion efficiency is minimal, and if the depth of the pore exceeds 127 nm, the light transmittance decreases due to an increase in the refractive index of light. As this decreases, the energy conversion efficiency of the solar cell deteriorates.
일 실시예에 있어서, 상기 기공의 종횡비(깊이/직경)를 조절하여 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 구체적으로, 상기 기공의 종횡비(깊이/직경)는 0.25 내지 0.5 인 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나는 경우 빛의 굴절률의 증가로 인해 광투과율이 감소하여 오히려 태양전지의 에너지 변환 효율이 저하되는 문제점이 있다.In one embodiment, the energy conversion efficiency of a solar cell can be improved by adjusting the aspect ratio (depth/diameter) of the pores. Specifically, the aspect ratio (depth/diameter) of the pores is preferably 0.25 to 0.5. . If it is outside the above range, the light transmittance decreases due to an increase in the refractive index of light, which causes a problem in that the energy conversion efficiency of the solar cell decreases.
상기 광활성층(140)은 상기 전자수송층(130) 상에 배치되고, 전자(electron)과 정공(hole)을 분리시켜 전류를 만들어내는 역할을 한다. 이때, 상기 광활성층(140)은 유기금속 할로겐화합물을 이용한 페로브스카이트 구조인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것이 아니라, 공지된 광흡수가 가능한 물질을 포함할 수 있다.The photoactive layer 140 is disposed on the electron transport layer 130 and serves to separate electrons and holes to generate current. At this time, the photoactive layer 140 is preferably a perovskite structure using an organometallic halide compound, but is not limited thereto, and may include a known material capable of absorbing light.
상기 정공수송층(150)은 상기 광활성층(140) 상에 배치되어 광활성층(140)에서 생성된 정공이 전극(160)으로 용이하게 전달되게 하는 역할을 한다. 이러한 정공수송층(150)은 예를 들어, 2,2′,7,7′-tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9′-spirobifluorene (sprio-OMeTAD), poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), NiO, CuI, Cu2O, CuSCN, polytriarylamine (PTAA) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The hole transport layer 150 is disposed on the photoactive layer 140 and serves to easily transfer holes generated in the photoactive layer 140 to the electrode 160. This hole transport layer 150 is, for example, 2,2′,7,7′-tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9′-spirobifluorene (sprio-OMeTAD), poly(3 -hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene): may include poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), NiO, CuI, Cu 2 O, CuSCN, polytriarylamine (PTAA), etc. However, it is not limited to this.
상기 전극(160)은 상기 정공수송층(150) 상에 배치되며, 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu) 등과 같은 금속으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The electrode 160 is disposed on the hole transport layer 150 and may be made of a metal such as gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), copper (Cu), etc., but is limited thereto. It doesn't work.
본 발명에 따른 태양전지는 상기 광활성층(140)과 접하는 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 나노패턴이 형성되기 때문에, 광 투과율이 향상되고 광흡수율이 향상되고 광전자 발생이 향상되면서 태양전지의 에너지 변환 효율이 향상되는 효과가 있다.In the solar cell according to the present invention, a nanopattern is formed on the surface of the mesoporous TiO 2 thin film in contact with the photoactive layer 140, so the light transmittance is improved, the light absorption rate is improved, and photoelectron generation is improved, thereby improving energy conversion of the solar cell. This has the effect of improving efficiency.
특히, 본 발명의 나노패턴은 오목한 반구 형상을 가진 복수 개의 기공(pore)이 균일하게 정렬된 나방눈 나노 구조(moth-eye nanostructure)를 포함하며, 상기 기공의 종횡비(깊이/직경)를 0.25 내지 0.5 로 최적화함으로써 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.In particular, the nanopattern of the present invention includes a moth-eye nanostructure in which a plurality of pores having a concave hemispherical shape are uniformly aligned, and the aspect ratio (depth/diameter) of the pores is 0.25 to 0.25. By optimizing it to 0.5, the energy conversion efficiency of solar cells can be improved.
이러한 본 발명의 태양전지는 페로브스카이트 태양전지, 염료 감응형 태양전지 또는 유기 태양전지를 포함하는 다양한 태양전지에서 적용될 수 있다.The solar cell of the present invention can be applied to various solar cells including perovskite solar cells, dye-sensitized solar cells, or organic solar cells.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노패턴이 형성된 메조포러스 이산화티탄 박막을 포함하는 태양전지 제조 공정을 개략적으로 나타낸 순서도이다.Figure 2 is a flowchart schematically showing a solar cell manufacturing process including a mesoporous titanium dioxide thin film on which a nanopattern is formed according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노패턴이 형성된 메조포러스 이산화티탄 박막을 포함하는 태양전지 제조 방법은, FTO 기판 상에 조밀한 TiO2 박막으로 이루어진 정공차단층을 형성하는 단계(S110), 상기 정공차단층 상에 메조포러스 TiO2 박막을 형성한 후 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드를 이용한 나노임프린팅 공정을 통해 상기 메조포러스 TiO2 박막 표면에 나노 패턴을 형성하여 전자수송층을 형성하는 단계(S120), 상기 나노 패턴이 형성된 전자수송층 표면 상에 광활성층을 형성하는 단계(S130), 상기 광활성층 상에 정공수송층을 형성하는 단계(S140), 및 상기 정공수송층 상에 전극을 형성하는 단계(S150)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the method of manufacturing a solar cell including a mesoporous titanium dioxide thin film on which a nanopattern is formed according to an embodiment of the present invention includes forming a hole blocking layer made of a dense TiO 2 thin film on an FTO substrate ( S110), after forming a mesoporous TiO 2 thin film on the hole blocking layer, a nano-pattern is formed on the surface of the mesoporous TiO 2 thin film through a nanoimprinting process using a polymer mold in which a nano pattern is formed to form an electron transport layer. Step (S120), forming a photoactive layer on the surface of the electron transport layer on which the nanopattern is formed (S130), forming a hole transport layer on the photoactive layer (S140), and forming an electrode on the hole transport layer. It may include step S150.
상기 S110 단계에 있어서, 조밀한 TiO2 박막으로 이루어진 정공차단층은 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)를 포함하는 TiO2 전구체 용액을 상기 FTO 기판 상에 스핀 코팅한 후 약 250℃에서 10 ~ 15분간 어닐링하여 형성할 수 있으나, 특별히 제한되지 않는다. 일 실시예에 있어서, 상기 정공차단층은 약 185 nm 의 두께로 형성될 수 있다.In step S110, the hole blocking layer made of a dense TiO 2 thin film is formed by spin coating a TiO 2 precursor solution containing titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) on the FTO substrate at about 250°C. It can be formed by annealing for 10 to 15 minutes, but is not particularly limited. In one embodiment, the hole blocking layer may be formed to have a thickness of about 185 nm.
일 실시예에 있어서, 상기 S120 단계는 상기 정공차단층 상에 TiO2 나노입자 분산액을 도포한 후 건조시키는 제1 단계, 및 상기 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드를 임프린팅하여 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 상기 나노 패턴을 형성하는 제2 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the S120 step is a first step of applying a TiO 2 nanoparticle dispersion on the hole blocking layer and then drying it, and imprinting the polymer mold on which the nano pattern is formed to imprint the surface of the mesoporous TiO 2 thin film. may include a second step of forming the nanopattern.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 단계에서 TiO2 나노입자 분산액은 스핀 코팅 방식을 통해 상기 정공차단층 상에 도포할 수 있으나 특별히 제한되지 않는다. 이후, 용매의 증발을 위해 약 60℃ ~ 80℃ 의 온도로 건조시켜 메조포러스 TiO2 박막을 형성할 수 있다.In one embodiment, in the first step, the TiO 2 nanoparticle dispersion may be applied on the hole blocking layer through spin coating, but is not particularly limited. Afterwards, the mesoporous TiO 2 thin film can be formed by drying at a temperature of about 60°C to 80°C to evaporate the solvent.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계에서 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드는 퍼플루오로폴리에테르(PFPE)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드는 전자수송층의 나노 패턴과 상응되는 구조를 가질 수 있다.In one embodiment, the polymer mold in which the nanopattern is formed in the second step may include perfluoropolyether (PFPE), but is not limited thereto. The polymer mold in which the nanopattern is formed may have a structure corresponding to the nanopattern of the electron transport layer.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계는 상기 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드를 상기 메조포러스 TiO2 박막 상에 배치한 후, 고온(약 70℃)에서 압력을 가하는 나노 임프린팅 공정을 통해 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 상기 나노 패턴을 형성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 나노 패턴 형성 후 약 500℃ 의 온도로 어닐링하는 제3 단계를 추가로 포함할 수 있다.In one embodiment, the second step is to place the polymer mold in which the nano-pattern is formed on the mesoporous TiO 2 thin film and then apply pressure at a high temperature (about 70°C) to form the mesoporous TiO 2 through a nanoimprinting process. 2 The nanopattern can be formed on the surface of the thin film. In one embodiment, a third step of annealing at a temperature of about 500° C. after forming the nano pattern may be further included.
일 실시예에 있어서, 상기 S120 단계에서 형성된 나노 패턴은, 오목한 반구 형상을 가진 복수 개의 기공(pore)이 균일하게 정렬된 나방눈 나노 구조(moth-eye nanostructure)일 수 있다. 또한, 바람직한 상기 기공의 종횡비(깊이/직경)는 0.25 내지 0.5 일 수 있다. 상기 기공의 종횡비(깊이/직경)가 상기 범위를 벗어나는 경우 상기 범위를 벗어나는 경우 빛의 굴절률의 증가로 인해 광투과율이 감소하여 오히려 태양전지의 에너지 변환 효율이 저하되는 문제점이 있다.In one embodiment, the nanopattern formed in step S120 may be a moth-eye nanostructure in which a plurality of pores having a concave hemispherical shape are uniformly aligned. Additionally, the preferred aspect ratio (depth/diameter) of the pores may be 0.25 to 0.5. When the aspect ratio (depth/diameter) of the pores is outside the above range, there is a problem in that the light transmittance decreases due to an increase in the refractive index of light, which reduces the energy conversion efficiency of the solar cell.
일 실시예에 있어서, 상기 기공의 직경은 260 내지 300 nm 이고, 깊이는 75 nm 내지 127 nm 이며, 상기 기공들 간의 거리는 210 내지 230 nm 일 수 있다. 상기 기공의 깊이가 75 nm 미만인 경우 광투과율에는 큰 변화가 없어 태양전지 에너지 변환 효율을 향상시키는 효과가 미미하고, 상기 기공의 깊이가 127 nm를 초과하는 경우 빛의 굴절률의 증가로 인해 광투과율이 감소하여 오히려 태양전지의 에너지 변환 효율이 저하되게 된다.In one embodiment, the diameter of the pores may be 260 to 300 nm, the depth may be 75 nm to 127 nm, and the distance between the pores may be 210 to 230 nm. If the depth of the pore is less than 75 nm, there is no significant change in light transmittance, so the effect of improving solar cell energy conversion efficiency is minimal, and if the depth of the pore exceeds 127 nm, the light transmittance decreases due to an increase in the refractive index of light. As this decreases, the energy conversion efficiency of the solar cell deteriorates.
일 실시예에 있어서, 상기 전자수송층은 약 130 nm 의 두께로 형성될 수 있다.In one embodiment, the electron transport layer may be formed to have a thickness of about 130 nm.
상기 S130 단계에 있어서, 상기 광활성층은 페로브스카이트 전구체 물질을 포함하는 용액을 스핀 코팅하고 약 130℃에서 1 ~ 2 시간 동안 어닐링하여 형성할 수 있으나 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. 여기서, 상기 페로브스카이트 전구체 물질은 예를 들어, 유기 양이온으로는 메틸암모늄 (Methylammonium), 에틸암모늄(Ethylammonium), n-부틸암모늄 (n-Butylammonium), 사이크로프로필암모늄 (Cyclopropylammonium), t-부틸암모늄 (t-Butylammonium), n-프로필암모늄 (n-Propylammonium), 에탄 1,2-다이암모늄 (Ethane-1,2 diaamonium) 등을 포함하고, 금속 이온으로는 납 (Pb), 마그네슘 (Mg), 카드뮴(Cd), 저마늄 (Ge), 주석 (Sn), 아연 (Zn) 등이 있고, 마지막으로 플루오린 (F), 염소 (Cl), 브로민 (Br), 아이오딘 (I) 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 광활성층은 약 480 nm 의 두께로 형성될 수 있다.In step S130, the photoactive layer may be formed by spin coating a solution containing a perovskite precursor material and annealing at about 130° C. for 1 to 2 hours, but is not particularly limited thereto. Here, the perovskite precursor material includes, for example, organic cations such as methylammonium, ethylammonium, n-Butylammonium, cyclopropylammonium, and t- It includes butylammonium (t-Butylammonium), n-Propylammonium, and ethane-1,2-diamonium (Ethane-1,2 diaamonium), and metal ions include lead (Pb) and magnesium (Mg). ), cadmium (Cd), germanium (Ge), tin (Sn), zinc (Zn), etc., and finally, fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), and iodine (I). It may include etc. In one embodiment, the photoactive layer may be formed to have a thickness of about 480 nm.
상기 S140 단계에 있어서, 상기 정공수송층은 정공 수송 물질을 포함하는 용액을 스핀 코팅하고 건조시켜 형성할 수 있으나 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 정공 수송 물질은 예를 들어, 2,2′,7,7′-tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9′-spirobifluorene (sprio-OMeTAD), poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), NiO, CuI, Cu2O, CuSCN, polytriarylamine (PTAA) 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 정공수송층은 약 247 nm 의 두께로 형성될 수 있다.In step S140, the hole transport layer may be formed by spin coating and drying a solution containing a hole transport material, but is not particularly limited thereto. The hole transport material is, for example, 2,2′,7,7′-tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9′-spirobifluorene (sprio-OMeTAD), poly(3-hexylthiophene) -2,5-diyl) (P3HT), Poly(3,4-ethylenedioxythiophene): May include poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), NiO, CuI, Cu 2 O, CuSCN, polytriarylamine (PTAA), etc. . In one embodiment, the hole transport layer may be formed to have a thickness of about 247 nm.
상기 S150 단계에 있어서, 상기 전극은 전자빔 증착 공정을 통해 형성할 수 있으나 이에 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 전극은 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu) 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 전극은 약 262 nm 의 두께로 형성될 수 있다.In step S150, the electrode may be formed through an electron beam deposition process, but is not particularly limited thereto. For example, the electrode may include a metal such as gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), copper (Cu), etc. In one embodiment, the electrode may be formed to have a thickness of about 262 nm.
본 발명에 따르면, 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드를 이용한 나노임프린팅 공정을 통해, 저비용으로 상기 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 정밀한 오목한 반구 형상을 가진 복수 개의 기공(pore)이 균일하게 정렬된 나방눈 나노 구조(moth-eye nanostructure)를 포함하는 나노 패턴을 형성할 수 있다.According to the present invention, through a nanoimprinting process using a polymer mold on which a nanopattern is formed, a plurality of pores with a precise concave hemispherical shape are uniformly aligned on the surface of the mesoporous TiO 2 thin film at low cost. A nanopattern containing a nanostructure (moth-eye nanostructure) can be formed.
이하 본 발명의 구체적인 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 일부 실시형태에 불과할 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail. However, the following examples are only some embodiments of the present invention and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
<실시예1: 나노패턴 메조포러스 TiO<Example 1: Nanopatterned mesoporous TiO 22 (mp-TiO(mp-TiO 22 ) 박막층을 포함하는 태양전지 제조>) Manufacturing a solar cell containing a thin film layer>
도 2는 나노 패턴 메조포러스 TiO2(mp-TiO2) 박막을 포함하는 태양전지 제조 공정을 개략적으로 나타낸 순서도이다.Figure 2 is a flowchart schematically showing a solar cell manufacturing process including a nano-patterned mesoporous TiO 2 (mp-TiO 2 ) thin film.
도 2A는 Si 마스터로부터 퍼플루오로폴리에테르(PFPE) 몰드를 제작하는 과정을 나타낸다. 먼저, PFPE 수지(Fluorolink MD700, Solvay Solexis, Milan, Italy)를 3% w/w 광개시제((Darocur 1173, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA))와 혼합한 후 혼합물을 패터닝된 실리콘 기판(즉, Si 마스터)에 떨어뜨리고 유연한 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름으로 덮었다.Figure 2A shows the process of fabricating a perfluoropolyether (PFPE) mold from a Si master. First, PFPE resin (Fluorolink MD700, Solvay Solexis, Milan, Italy) was mixed with 3% w/w photoinitiator ((Darocur 1173, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)) and then the mixture was applied to the patterned silicon substrate. (i.e., Si master) and covered with a flexible polyethylene terephthalate (PET) film.
다음으로, PET 필름과 Si 마스터 사이에 UV 경화성 수지를 넓게 분산시키기 위해 PET 필름을 롤링시킨 후, 365 nm에서 5분 동안 UV를 조사하여 PFPE 수지를 경화시켰다. PET 필름에는 UV 경화를 통해 얻은 PFPE 몰드가 포함되며, 이후, Si 마스터로부터 분리시켜 PFPE 몰드를 제작하였다.Next, the PET film was rolled to widely disperse the UV-curable resin between the PET film and the Si master, and then the PFPE resin was cured by irradiating UV at 365 nm for 5 minutes. The PET film included a PFPE mold obtained through UV curing, and then the PFPE mold was manufactured by separating it from the Si master.
도 2B는 상기 PFPE 몰드를 이용하여 나노패턴 메조포러스 TiO2(mp-TiO2) 박막을 포함하는 태양전지를 제작하는 과정을 나타낸다.Figure 2B shows the process of manufacturing a solar cell containing a nanopatterned mesoporous TiO 2 (mp-TiO 2 ) thin film using the PFPE mold.
먼저, 불소-도핑된 산화주석(FTO) 유리를 물, 에탄올 및 아세톤으로 세척한 후, 6mL 의 부탄올(99%, Daejung Chemicals, Siheung-si, Korea)에 1mL 의 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)(이소프로판올 중 75wt%, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 포함하는 TiO2 전구체 용액을 상기 FTO 유리 상에 4000 rpm에서 20초 동안 스핀 코팅한 다음 250℃에서 10 분 동안 어닐링하였다. 이러한 과정을 두 번 반복하여 조밀한 TiO2 층(compact TiO2 층)을 형성하였다.First, fluorine-doped tin oxide (FTO) glass was washed with water, ethanol, and acetone, and then 1 mL of titanium diisopropoxide bis() was added to 6 mL of butanol (99%, Daejung Chemicals, Siheung-si, Korea) A TiO 2 precursor solution containing acetylacetonate (75 wt% in isopropanol, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) was spin coated on the FTO glass at 4000 rpm for 20 seconds and then at 250°C for 10 minutes. Annealed for a while. This process was repeated twice to form a compact TiO 2 layer .
다음으로, 메조다공성 TiO2(mp-TiO2) 박막층을 형성하기 위해, TiO2 페이스트(Ti-Nanoxide T/SP, Solaronix, Aubonne, Switzerland) 1g을 무수 에탄올(99.9%, Daejung Chemicals, Siheung-si, Korea) 12mL 에 희석하여 TiO2 나노입자 분산 용액을 제조하였다. 이후, 분산 용액을 조밀한 TiO2/FTO 상에 스핀 코팅하였다.Next, to form a mesoporous TiO 2 (mp-TiO 2 ) thin film layer, 1 g of TiO 2 paste (Ti-Nanoxide T/SP, Solaronix, Aubonne, Switzerland) was mixed with absolute ethanol (99.9%, Daejung Chemicals, Siheung-si). , Korea) was diluted to 12mL to prepare a TiO 2 nanoparticle dispersion solution. Afterwards, the dispersion solution was spin-coated onto dense TiO 2 /FTO.
이후, 용매를 증발시키기 위해 70℃에서 1분 동안 베이킹한 후, mp-TiO2 박막층 상에 상기 PFPE 몰드를 배치하고, 기판을 70℃ 로 가열한 후, 2 bar 의 압력을 5분 동안 가하는 임프린팅 공정을 통해, 나노 패터닝하였다. 이후, 500℃에서 1시간 동안 어닐링하여 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 형성하였다.After baking at 70°C for 1 minute to evaporate the solvent, the PFPE mold was placed on the mp-TiO 2 thin film layer, the substrate was heated to 70°C, and a pressure of 2 bar was applied for 5 minutes. Nano patterning was performed through the printing process. Afterwards, it was annealed at 500°C for 1 hour to form a nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer.
다음으로, 나노패턴 mp-TiO2 박막층 상에 페로브스카이트 전구체 용액(MAI 및 염화납(II)(99.999%, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)을 N,N-디메틸포름아미드(99.8% , Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)에서 90℃에서 1시간 동안 혼합시켜 제조)을 90℃, 핫-캐스팅 기술을 이용하여 스핀 코팅하고 130℃에서 1시간 동안 어닐링하여 페로브스카이트 층을 형성하였다.Next, a perovskite precursor solution (MAI and lead(II) chloride (99.999%, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) was added onto the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer using N,N-dimethylformamide. (99.8%, manufactured by Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) by mixing at 90°C for 1 hour) was spin-coated at 90°C using hot-casting technology and annealed at 130°C for 1 hour. A lobskite layer was formed.
이후, 정공 수송 물질인 sprio-OMeTAD(99.62%, Feiming Chemical Limited, Shenzhen, China)과, 17 μL의 Bis(trifluoromethane)sulfonamide 리튬염(Li-TFSI, 99.95%, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) 용액(1mL의 아세토니트릴 중 574.2mg의 Li-TFSI) 및 1mL의 36.2μL의 4-tert-부틸피리딘(98%, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)를 실온에서 2시간 동안 클로로벤젠(99.8%, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)에서 혼합시킨 용액을 4000 rpm에서 60초 동안 스핀 코팅하고 건조시킨 후, Au 전극을 증착시켜 페로브스카이트 태양전지를 제작하였다. 제작된 태양전지의 구조는 FTO 기판/compact TiO2/나노패턴 mp-TiO2/페로브스카이트/sprio-OMeTAD/Au 이다. (도 6 참조)Afterwards, the hole transport material sprio-OMeTAD (99.62%, Feiming Chemical Limited, Shenzhen, China) and 17 μL of Bis(trifluoromethane)sulfonamide lithium salt (Li-TFSI, 99.95%, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO). , USA) solution (574.2 mg of Li-TFSI in 1 mL of acetonitrile) and 1 mL of 36.2 μL of 4-tert-butylpyridine (98%, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) at room temperature for 2 h. A solution mixed with chlorobenzene (99.8%, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) was spin-coated at 4000 rpm for 60 seconds, dried, and then an Au electrode was deposited to produce a perovskite solar cell. did. The structure of the manufactured solar cell is FTO substrate/compact TiO 2 /nanopattern mp-TiO 2 /perovskite/sprio-OMeTAD/Au. (see Figure 6)
도 3은 패턴화된 Si 마스터(a), PFPE 몰드(b) 및 PFPE 몰드의 기울어진 모습(c)을 FE-SEM 로 분석한 이미지이다. 도 3을 참조하면, PFPE 몰드의 기공 크기는 250 nm 이고, 기공 간 거리는 250 nm 로 측정되었다.Figure 3 is an image of the patterned Si master (a), PFPE mold (b), and tilted view of the PFPE mold (c) analyzed by FE-SEM. Referring to Figure 3, the pore size of the PFPE mold was measured to be 250 nm, and the distance between pores was measured to be 250 nm.
도 4는 비나노패턴(a) 및 나노패턴(b) mp-TiO2 박막층의 FE-SEM 이미지 및 광학 이미지를 나타낸다.Figure 4 shows FE-SEM images and optical images of non-nanopatterned (a) and nanopatterned (b) mp-TiO 2 thin film layers.
도 4a를 참조하면, 나노패턴이 없는 mp-TiO2 박막층은 TiO2 나노입자로만 이루어진 것을 확인할 수 있다. 반면, 나노패턴의 mp-TiO2 박막층(b)은 나방눈 나노구조체(moth-eye nanostructure)와 같이, 표면에 균일하고 잘 정렬된 기공을 나타낸다. 이러한 나노패턴 mp-TiO2 박막층의 기공 크기는 280 nm 이고, 기공 간 거리는 도 4b에 나타나듯이 220 nm 로 측정되었다.Referring to Figure 4a, it can be seen that the mp-TiO 2 thin film layer without nanopatterns consists only of TiO 2 nanoparticles. On the other hand, the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer (b) exhibits uniform and well-aligned pores on the surface, like a moth-eye nanostructure. The pore size of this nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer was 280 nm, and the distance between pores was measured to be 220 nm, as shown in Figure 4b.
도 4c, 4d 는 빛 아래에서의 광학 이미지를 나타내며, 나노 패턴이 없는 mp-TiO2 박막층은 빛 아래에서 FTO 패턴을 보이나(도 4c), 나노 패턴의 mp-TiO2 박막층은 나노 패턴에 의해 생성된 회절 격자로 인해 빛 아래에서 무지개 색상을 나타냈다(도 4d).Figures 4c and 4d show optical images under light, and the mp-TiO 2 thin film layer without nanopatterns shows an FTO pattern under light (Figure 4c), but the mp-TiO 2 thin film layer with nanopatterns is created by nanopatterning. Due to the diffraction grating, rainbow colors appeared under light (Figure 4d).
<실시예2: 다양한 종횡비를 가진 나노패턴 메조포러스 TiO<Example 2: Nanopatterned mesoporous TiO with various aspect ratios 22 (mp-TiO(mp-TiO 22 ) 박막을 포함하는 태양전지 제조>) Manufacture of solar cells containing thin films>
한편, 본 발명에서는 태양전지의 투과율을 최적화하기 위해, 나노패턴 mp-TiO2 박막층의 깊이와 직경의 비로 정의되는 종횡비(깊이/직경)를 깊이를 다양하게 하여 제어하였다.Meanwhile, in the present invention, in order to optimize the transmittance of the solar cell, the aspect ratio (depth/diameter), defined as the ratio of the depth and diameter of the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer, was controlled by varying the depth.
도 5는 다양한 나노패터닝 깊이를 적용한 mp-TiO2 박막층의 FE-SEM 이미지를 나타낸다. 도 5를 보면, mp-TiO2 박막층들의 기공의 직경은 280 nm 이고, 기공의 깊이는 각각 75, 97, 127, 167 nm 였다(이하, 순서대로 실시예 1-1 내지 1-4로 명명).Figure 5 shows FE-SEM images of mp-TiO 2 thin film layers to which various nanopatterning depths were applied. Referring to Figure 5, the pore diameter of the mp-TiO 2 thin film layers was 280 nm, and the pore depth was 75, 97, 127, and 167 nm, respectively (hereinafter referred to in that order as Examples 1-1 to 1-4). .
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양 전지의 단면 이미지 및 색상이 강화된 층 경계가 있는 FE-SEM 이미지를 각각 나타낸다.Figure 6 shows a cross-sectional image and a FE-SEM image with color-enhanced layer boundaries, respectively, of a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하여 각 층의 두께를 측정한 결과, compact TiO2 박막층, mp-TiO2 박막층, 페로브스카이트 광활성층, Spiro-OMeTAD 정공수송층 및 Au 전극의 두께는 각각 185 nm, 130 nm, 480 nm, 247 nm 및 262 nm 로 나타났다.As a result of measuring the thickness of each layer with reference to Figure 6, the thicknesses of the compact TiO 2 thin film layer, mp-TiO 2 thin film layer, perovskite photoactive layer, Spiro-OMeTAD hole transport layer, and Au electrode were 185 nm, 130 nm, respectively. It was found to be 480 nm, 247 nm and 262 nm.
또한, mp-TiO2 박막층이 있는 페로브스카이트 태양 전지의 단면 이미지(b)는 콤팩트 TiO2 박막층(파란색), 나노 패턴 mp-TiO2 박막층(녹색) 및 페로브스카이트층(보라색)을 보여준다.Additionally, the cross-sectional image (b) of the perovskite solar cell with mp-TiO 2 thin film layer shows the compact TiO 2 thin film layer (blue), the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer (green) and the perovskite layer (purple). .
한편, 나노패턴 mp-TiO2 박막층과 페로브스카이트 활성층의 결정도 값은 X선 회절(XRD) 패턴에 의해 확인하였다.Meanwhile, the crystallinity values of the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer and the perovskite active layer were confirmed by X-ray diffraction (XRD) patterns.
그 결과를 나타낸 도 7을 보면, 나노패턴의 mp-TiO2 박막층은 25.2°, 38°, 48°, 54°, 55.5° 및 62.5°의 2θ에서 (101), (004), (200), (105), (211), (118) 피크에 기인한 아나타제 상(anatase phases)을 나타낸다.Looking at Figure 7 showing the results, the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer has (101), (004), (200) at 2θ of 25.2°, 38°, 48°, 54°, 55.5°, and 62.5°. Shows anatase phases resulting from peaks (105), (211), and (118).
반면, 페로브스카이트 활성층은 14.15°, 20.05°, 23.5°, 24.6°, 28.4°, 31.9°, 35.3°, 40.6°, 43.2°의 2θ에서 (110), (112), (211), (202), (220), (310), (312), (224) 및 (314) 피크에 기인한 입방체 상(cubic phases)을 나타낸다. 특히, 14.1° 및 28.4°의 고강도 피크는 결정질의 페로브스카이트를 나타낸다. 이러한 XRD 결과는 나노패턴 mp-TiO2 박막층 상에 결정질 페로브스카이트가 잘 형성되었음을 보여준다. 따라서, 본 발명에 따른 태양 전지는 높은 에너지 변환 효율을 달성할 수 있다.On the other hand, the perovskite active layer has (110), (112), (211), ( It shows cubic phases resulting from peaks 202), (220), (310), (312), (224) and (314). In particular, the high intensity peaks at 14.1° and 28.4° represent crystalline perovskite. These XRD results show that crystalline perovskite was well formed on the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer. Therefore, the solar cell according to the present invention can achieve high energy conversion efficiency.
<실험예1: 나노패턴 mp-TiO<Experimental Example 1: Nanopattern mp-TiO 22 박막층의 투과율 데이터> Transmittance data of thin film layer>
비나노패턴 mp-TiO2 박막층과, 서로 다른 종횡비를 갖는 나노패턴 mp-TiO2 박막층의 투과율은 UV-vis 스펙트럼을 사용하여 측정하였다(도 8A 참조). 한편, 나노패턴 mp-TiO2 박막층의 투과율과 반사율을 나타내는 개략도는 도 8B에 도시하였다.The transmittance of the non-nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer and the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer with different aspect ratios were measured using UV-vis spectra (see Figure 8A). Meanwhile, a schematic diagram showing the transmittance and reflectance of the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer is shown in Figure 8B.
도 8A 및 8B를 참조하면, 나노패턴이 없는 mp-TiO2 박막층(a)의 투과율은 380 nm 파장에서 나노패턴이 적용된 mp-TiO2 박막층(b - e)의 투과율보다 높다. 그러나, 380 nm 파장보다 높은 파장에서는, 나노패턴이 없는 mp-TiO2 박막층(a)의 투과율은 나노패턴 mp-TiO2 박막층(b - e)의 투과율보다 낮은 결과를 보였다.Referring to Figures 8A and 8B, the transmittance of the mp-TiO 2 thin film layer (a) without the nanopattern is higher than the transmittance of the mp-TiO 2 thin film layer (b - e) to which the nanopattern is applied at a wavelength of 380 nm. However, at a wavelength higher than 380 nm, the transmittance of the mp-TiO 2 thin film layer without nanopatterns (a) was lower than that of the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layers (b - e).
나노패턴 mp-TiO2 박막층(b - e)은 표면 거칠기를 증가시키고 광학 효과를 변화시키며, 매질을 통한 빛의 투과율에 영향을 미치는 굴절률의 변화를 유도한다. 굴절률이 감소하면 투과율이 증가하고 그 반대의 경우도 마찬가지이다.The nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer (b - e) increases the surface roughness, changes the optical effect, and induces a change in the refractive index that affects the transmittance of light through the medium. As the refractive index decreases, the transmittance increases and vice versa.
구체적으로, 종횡비가 서로 다른 나노패턴 mp-TiO2 박막층(b - e)에서, 나노패턴 기공이 75 nm, 97 nm 및 127 nm 깊이를 갖는 경우 깊이가 커질수록 투과율이 증가했지만, 167 nm 깊이에서는 오히려 감소했다. 이러한 결과는 75 nm, 97 nm 및 127 nm 나노패턴 깊이에서는 굴절률이 감소하지만 167 nm 에서는 증가함을 의미하며, 나노패턴 구조의 종횡비가 투과율에 영향을 미친다는 것을 보여준다.Specifically, in nanopatterned mp-TiO 2 thin film layers with different aspect ratios (b - e), when nanopatterned pores had depths of 75 nm, 97 nm, and 127 nm, the transmittance increased with increasing depth, but at a depth of 167 nm. Rather, it decreased. These results indicate that the refractive index decreases at nanopattern depths of 75 nm, 97 nm, and 127 nm, but increases at 167 nm, showing that the aspect ratio of the nanopattern structure affects the transmittance.
또한, 반사/회절된 빛의 각도가 임계각보다 크면, 공기에 대한 TiO2 층의 굴절률 값의 감소로 인해 내부 전반사가 발생한다(TiO2(～2.1), FTO(～1.9), 유리(～1.5), 공기(=1.0)의 굴절률). 이 경우 빛이 mp-TiO2 박막층 쪽으로 반사되면서 페로브스카이트 층에 대한 투과율이 증가한다. 흡광도 파장이 300 nm에서 800 nm 까지 변화하는 페로브스카이트 물질을 고려하면, 나노패턴 mp-TiO2 박막층의 투과율 증가는 페로브스카이트 태양전지의 전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc), 충진율(ff), 에너지 변환 효율(ECE(η)) 에 영향을 미친다.Additionally, if the angle of reflected/diffracted light is greater than the critical angle, total internal reflection occurs due to a decrease in the refractive index value of the TiO 2 layer relative to air (TiO 2 (∼2.1), FTO (∼1.9), glass (∼1.5) ), refractive index of air (=1.0)). In this case, as light is reflected toward the mp-TiO 2 thin film layer, the transmittance to the perovskite layer increases. Considering the perovskite material whose absorbance wavelength changes from 300 nm to 800 nm, the increase in transmittance of the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer increases the current density (J sc ) and open-circuit voltage (V oc ) of the perovskite solar cell. ), filling rate (ff), and energy conversion efficiency (ECE(η)).
<실험예2: 나노패턴 mp-TiO<Experimental Example 2: Nanopattern mp-TiO 22 박막층을 포함하는 태양전지의 특성> Characteristics of solar cells containing thin film layers>
페로브스카이트 태양전지의 전류-전압(I-V) 그래프를 도 9A에 나타냈다. 또한, 페로브스카이트 태양전지의 전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc), 충진율(ff), ECE(η) 측정 결과는 하기 표 1에 나타냈다.The current-voltage (IV) graph of the perovskite solar cell is shown in Figure 9A. In addition, the current density (J sc ), open-circuit voltage (V oc ), filling factor (ff), and ECE (η) measurement results of the perovskite solar cell are shown in Table 1 below.
그 결과를 보면, 나노패턴 mp-TiO2 박막층이 없는 페로브스카이트 태양전지(a)의 ECE는 14.07%인 반면, 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지(b - d)의 ECE는 깊이가 75 nm에서 127 nm로 증가함에 따라, 14.50%에서 15.83%로 증가하였다. 이는 나노패턴 mp-TiO2 박막층이 전자 생성을 향상시키는 투과율이 높아짐에 따라 전류밀도(Jsc)가 23.50 mA/cm2 에서 24.62 mA/cm2 로 증가하기 때문이다.Looking at the results, the ECE of the perovskite solar cell without a nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer (a) is 14.07%, while the ECE of the perovskite solar cell containing a nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer (b - The ECE of d) increased from 14.50% to 15.83% as the depth increased from 75 nm to 127 nm. This is because the current density (J sc ) increases from 23.50 mA/cm 2 to 24.62 mA/cm 2 as the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer increases the transmittance that improves electron generation.
한편, 개방전압(Voc) 또한 전류밀도(Jsc)가 증가함에 따라 증가하게 된다. 이는 도 9B에 도시된 바와 같이, 전자 생성이 증가함에 따라 나노 패턴 mp-TiO2 박막층의 전자 밀도 및 페르미 준위가 증가하기 때문이다. 개방전압(Voc)은 나노 패턴 mp-TiO2 박막층의 전도대와 페로브스카이트층의 가전자대에 의해 결정되며, 따라서, 개방전압(Voc) 또한 나노패턴의 깊이가 75 nm에서 127 nm로 증가함에 따라 0.879V에서 0.896V 로 증가하였다.Meanwhile, the open-circuit voltage (V oc ) also increases as the current density (J sc ) increases. This is because, as shown in FIG. 9B, as electron generation increases, the electron density and Fermi level of the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer increase. The open-circuit voltage (V oc ) is determined by the conduction band of the nano-patterned mp-TiO 2 thin film layer and the valence band of the perovskite layer, and therefore, the open-circuit voltage (V oc ) also increases with the depth of the nanopattern from 75 nm to 127 nm. As a result, it increased from 0.879V to 0.896V.
그 결과를 확인하기 위해, 나노패턴 mp-TiO2 박막층이 없는 태양전지(a) 및 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 태양전지(b)를 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 및 광발광(PL) 분광법으로 특성화한 후 그 결과를 도 10A 및 10B에 도시하였다.To confirm the results, a solar cell without a nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer (a) and a solar cell containing a nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer (b) were subjected to electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and photoluminescence (PL). ) After characterization by spectroscopy, the results are shown in Figures 10A and 10B.
전기화학적 임피던스 분광법(EIS)에서, 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지(b)의 재결합저항(Rrec)은 나노패턴 mp-TiO2 박막층이 없는 태양전지(a)에 비해 억제되었다. 이러한 재결합의 감소는 전자 밀도의 증가에 의해 영향을 받았고, 개방전압(Voc)의 증가에도 영향을 준다. 따라서, 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 태양전지(b)의 개방전압(Voc)은 증가한 결과를 보였다.In electrochemical impedance spectroscopy (EIS), the recombination resistance (R rec ) of the perovskite solar cell containing the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer (b) was significantly higher than that of the solar cell without the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer (a). was suppressed compared to This decrease in recombination is influenced by the increase in electron density, which also affects the increase in open-circuit voltage (V oc ). Accordingly, the open-circuit voltage (V oc ) of the solar cell (b) containing the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer showed an increase.
또한, PL 스펙트럼을 나타낸 도 10B를 보면, 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 태양전지(b)의 경우, 나노패턴 mp-TiO2 박막층이 없는 태양전지(a)에 비해 더 많이 퀀칭된 결과를 확인할 수 있다. 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 페로브스카이트 태양 전지(b)에서 생성된 전자는 비나노패턴 mp-TiO2 박막층 태양전지에 비해 더 많이 소광되었으며, 이는 생성된 전자가 재결합 전에 페로브스카이트에서 나노패턴 mp-TiO2 박막층으로 효과적으로 전달되었음을 의미하며, 전달된 전자는 나노패턴 mp-TiO2 박막층의 전자 밀도를 증가시키는 것을 확인하였다.In addition, looking at FIG. 10B showing the PL spectrum, the solar cell (b) containing the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer was quenched more than the solar cell (a) without the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer. You can check. The electrons generated in the perovskite solar cell (b) containing the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer were quenched to a greater extent compared to the non-nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer solar cell, which means that the generated electrons were transferred to the perovskite before recombination. This means that the electrons were effectively transferred from the skyte to the nanopatterned mp- TiO2 thin film layer, and it was confirmed that the transferred electrons increased the electron density of the nanopatterned mp- TiO2 thin film layer.
또한, 전도성 밴드로 인해 나노패턴 mp-TiO2 박막층의 페르미 준위는 변화하게 되며, 개방전압(Voc)은 TiO2의 전도대와 페로브스카이트 물질의 가전자대에 의해 결정되기 때문에, 개방전압(Voc)이 변하게 된다. 그러나, 167 nm 깊이를 갖는 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 태양전지의 ECE(η)는, 개방전압(Voc) 및 ff 가 감소함에 따라 14.24% 로 감소한 결과를 보였다. 이러한 결과를 보면, 나노패턴의 종횡비(깊이/직경)가 0.25 내지 0.5 인 것이 바람직하다.In addition, the Fermi level of the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer changes due to the conductive band, and since the open-circuit voltage (V oc ) is determined by the conduction band of TiO 2 and the valence band of the perovskite material, the open-circuit voltage ( V oc ) changes. However, the ECE(η) of the solar cell containing the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer with a depth of 167 nm decreased to 14.24% as the open-circuit voltage (V oc ) and ff decreased. Looking at these results, it is preferable that the aspect ratio (depth/diameter) of the nanopattern is 0.25 to 0.5.
<실험예3: 나노패턴 mp-TiO<Experimental Example 3: Nanopattern mp-TiO 22 박막층을 포함하는 태양전지의 재현성> Reproducibility of solar cells containing thin film layers>
나노패턴 mp-TiO2 박막층이 없는 태양전지(비교예) 및 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 태양전지의 재현성을 입증하기 위해, 36개의 페로브스카이트 태양전지의 특성을 측정하고, 그 결과를 도 11에 도시하였다. 또한, 나노패턴 mp-TiO2 박막층이 없는 태양전지(a) 및 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 태양전지(실시예 1-1 내지 1-4, b-e)의 IPCE 를 측정하고 그 결과를 도 12에 도시하였다.In order to demonstrate the reproducibility of a solar cell without a nanopatterned mp- TiO2 thin film layer (comparative example) and a solar cell containing a nanopatterned mp- TiO2 thin film layer, the characteristics of 36 perovskite solar cells were measured, and the The results are shown in Figure 11. In addition, the IPCE of a solar cell (a) without a nanopatterned mp- TiO2 thin film layer and a solar cell containing a nanopatterned mp- TiO2 thin film layer (Examples 1-1 to 1-4, b) were measured and the results were measured. It is shown in Figure 12.
도 12를 보면, 페로브스카이트 태양전지의 IPCE 스펙트럼 패턴은 나노패턴 mp-TiO2 박막층과 유사한 값을 나타내며, 이는 투과율이 페로브스카이트 태양전지의 전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc), 충진율(ff), ECE(η)에 영향을 주기 때문이다.Looking at Figure 12, the IPCE spectrum pattern of the perovskite solar cell shows similar values to the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer, which means that the transmittance is dependent on the current density (J sc ) and open-circuit voltage (V) of the perovskite solar cell. oc ), filling factor (ff), and ECE (η).
구체적으로 보면, 나노패턴이 없는 mp-TiO2 박막층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지(a)의 IPCE 스펙트럼의 강도는 430 nm 파장에서 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 태양전지보다 더 높다. 그러나, 430 nm에서 800 nm 범위의 파장에서는 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 태양전지(b - e)의 IPCE 스펙트럼 강도가 더 높았다. IPCE 스펙트럼의 강도가 높을수록 430nm에서 800nm 파장에서 더 많은 전자가 생성됨을 의미하며, 더 많은 전자 생성은 mp-TiO2 박막층의 전자 밀도를 향상시키고, 이는 차례로 전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc), 충진율(ff)을 증가시킨다. 따라서, 나노패턴의 mp-TiO2 박막층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 에너지 변환 효율(ECE)은 증가하게 된다.Specifically, the intensity of the IPCE spectrum of the perovskite solar cell (a) containing an mp-TiO 2 thin film layer without nanopatterns is higher than that of the solar cell containing a nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer at a wavelength of 430 nm. . However, the IPCE spectral intensity of solar cells containing nanopatterned mp-TiO 2 thin film layers (b – e) was higher at wavelengths ranging from 430 nm to 800 nm. The higher intensity of the IPCE spectrum means that more electrons are generated at wavelengths from 430 nm to 800 nm, and more electron generation improves the electron density of the mp-TiO 2 thin film layer, which in turn increases the current density (J sc ), open-circuit voltage ( V oc ), increasing the filling factor (ff). Therefore, the energy conversion efficiency (ECE) of the perovskite solar cell including the nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer increases.
한편, 도 12는 추가적으로, 나노패턴 mp-TiO2 박막층이 없는 태양전지(a) 및 나노패턴 mp-TiO2 박막층을 포함하는 태양전지(실시예 1-1 내지 1-4, b-e)의 통합 전류밀도(Jsc) 그래프를 도시한다. 여기서, 통합 전류밀도(Jsc) 값은 하기 식 1로 계산될 수 있다.Meanwhile, Figure 12 additionally shows the integrated current of a solar cell without a nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer (a) and a solar cell including a nanopatterned mp-TiO 2 thin film layer (Examples 1-1 to 1-4, be). A density (J sc ) graph is shown. Here, the integrated current density (J sc ) value can be calculated using Equation 1 below.
[식 1][Equation 1]
(여기서, F는 패러데이 상수, Eeλ 는 태양 스펙트럼 복사 조도, NA 는 아보가드로 상수이다.)(Where F is Faraday's constant, E eλ is the solar spectral irradiance, and N A is Avogadro's constant.)
그 결과, 통합 전류밀도(Jsc) 는 비나노패턴 또는 나노패턴 mp-TiO2 박막층이 있는 페로브스카이트 태양전지의 측정된 전류밀도(Jsc)와 일치하는 결과를 보였다.As a result, the integrated current density (J sc ) was consistent with the measured current density (J sc ) of perovskite solar cells with non-nanopatterned or nanopatterned mp-TiO 2 thin film layers.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art can make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following patent claims. You will understand that it is possible.
Claims (10)
상기 FTO 기판 상에 배치된 조밀한 TiO2 박막을 포함하는 정공차단층;
상기 정공차단층 상에 배치된 메조포러스 TiO2 박막을 포함하는 전자수송층;
상기 전자수송층 상에 배치된 광활성층;
상기 광활성층 상에 배치된 정공수송층; 및
상기 정공수송층 상에 배치된 전극;을 포함하고,
상기 광활성층과 접하는 상기 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 나노패턴이 형성된 것을 특징으로 하는,
나노 패턴이 형성된 메조포러스 이산화티탄 박막을 포함하는 태양전지.FTO substrate;
A hole blocking layer including a dense TiO 2 thin film disposed on the FTO substrate;
remind An electron transport layer including a mesoporous TiO 2 thin film disposed on the hole blocking layer;
A photoactive layer disposed on the electron transport layer;
A hole transport layer disposed on the photoactive layer; and
It includes an electrode disposed on the hole transport layer,
Characterized in that a nanopattern is formed on the surface of the mesoporous TiO 2 thin film in contact with the photoactive layer,
A solar cell containing a mesoporous titanium dioxide thin film with a nanopattern formed.
상기 나노 패턴은 오목한 반구 형상을 가진 복수 개의 기공(pore)이 균일하게 정렬된 나방눈 나노 구조(moth-eye nanostructure)를 포함하는,
태양전지.According to paragraph 1,
The nanopattern includes a moth-eye nanostructure in which a plurality of pores having a concave hemispherical shape are uniformly aligned,
solar cell.
상기 기공의 직경은 260 내지 300 nm 이고, 깊이는 75 nm 내지 127 nm 이며, 상기 기공들 간의 거리는 210 내지 230 nm 인 것인,
태양전지.According to paragraph 2,
The diameter of the pores is 260 to 300 nm, the depth is 75 nm to 127 nm, and the distance between the pores is 210 to 230 nm,
solar cell.
상기 기공의 종횡비(깊이/직경)는 0.25 내지 0.5 인 것인,
태양전지.According to paragraph 2,
The aspect ratio (depth/diameter) of the pores is 0.25 to 0.5,
solar cell.
상기 태양전지는 페로브스카이트 태양전지, 염료 감응형 태양전지 또는 유기 태양전지를 포함하는,
태양전지.According to paragraph 1,
The solar cell includes a perovskite solar cell, a dye-sensitized solar cell, or an organic solar cell.
solar cell.
상기 정공차단층 상에 메조포러스 TiO2 박막을 형성한 후 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드를 이용한 나노임프린팅 공정을 통해 상기 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 나노 패턴을 형성하여 전자수송층을 형성하는 단계;
상기 나노 패턴이 형성된 전자수송층 표면 상에 광활성층을 형성하는 단계;
상기 광활성층 상에 정공수송층을 형성하는 단계; 및
상기 정공수송층 상에 전극을 형성하는 단계;를 포함하는,
나노 패턴이 형성된 메조포러스 이산화티탄 박막을 포함하는 태양전지 제조 방법.Forming a hole blocking layer made of a dense TiO 2 thin film on the FTO substrate;
Forming a mesoporous TiO 2 thin film on the hole blocking layer and then forming an electron transport layer by forming a nano pattern on the surface of the mesoporous TiO 2 thin film through a nanoimprinting process using a polymer mold in which a nano pattern is formed;
Forming a photoactive layer on the surface of the electron transport layer on which the nanopattern is formed;
Forming a hole transport layer on the photoactive layer; and
Including, forming an electrode on the hole transport layer.
A method of manufacturing a solar cell comprising a mesoporous titanium dioxide thin film with a nanopattern formed.
상기 전자수송층을 형성하는 단계는,
상기 정공차단층 상에 TiO2 나노입자 분산액을 도포한 후 건조시키는 제1 단계; 및
상기 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드를 임프린팅하여 메조포러스 TiO2 박막의 표면에 상기 나노 패턴을 형성하는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
태양전지 제조 방법.According to clause 6,
The step of forming the electron transport layer is,
A first step of applying a TiO 2 nanoparticle dispersion on the hole blocking layer and drying it; and
A second step of forming the nanopattern on the surface of a mesoporous TiO 2 thin film by imprinting the polymer mold on which the nanopattern is formed,
Solar cell manufacturing method.
상기 나노 패턴이 형성된 고분자 몰드는 퍼플루오로폴리에테르(PFPE)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
태양전지 제조 방법.According to clause 6,
The polymer mold in which the nanopattern is formed is characterized in that it contains perfluoropolyether (PFPE),
Solar cell manufacturing method.
상기 전자수송층을 형성하는 단계에서 형성된 나노 패턴은, 오목한 반구 형상을 가진 복수 개의 기공(pore)이 균일하게 정렬된 나방눈 나노 구조(moth-eye nanostructure)를 포함하고,
상기 기공의 종횡비(깊이/직경)는 0.25 내지 0.5 인 것을 특징으로 하는,
태양전지 제조 방법.According to clause 6,
The nanopattern formed in the step of forming the electron transport layer includes a moth-eye nanostructure in which a plurality of pores having a concave hemispherical shape are uniformly aligned,
Characterized in that the aspect ratio (depth/diameter) of the pores is 0.25 to 0.5,
Solar cell manufacturing method.
상기 기공의 직경은 260 내지 300 nm 이고, 깊이는 75 nm 내지 127 nm 이며, 상기 기공들 간의 거리는 210 내지 230 nm 인 것인,
태양전지 제조 방법.According to clause 9,
The diameter of the pores is 260 to 300 nm, the depth is 75 nm to 127 nm, and the distance between the pores is 210 to 230 nm,
Solar cell manufacturing method.
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|---|---|---|---|---|
| CN117881257A (en) * | 2024-03-11 | 2024-04-12 | 浙江省白马湖实验室有限公司 | Preparation method of high-efficiency carbon electrode perovskite solar cell |
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2022
- 2022-08-11 KR KR1020220100841A patent/KR20240022314A/en not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117881257A (en) * | 2024-03-11 | 2024-04-12 | 浙江省白马湖实验室有限公司 | Preparation method of high-efficiency carbon electrode perovskite solar cell |
| CN117881257B (en) * | 2024-03-11 | 2024-05-28 | 浙江省白马湖实验室有限公司 | Preparation method of high-efficiency carbon electrode perovskite solar cell |
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