WO2016013878A1 - 태양전지 - Google Patents

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김세용
주문규
김종석
장준혁
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present specification relates to a solar cell.
  • solar cells are devices that convert the light energy of the sun into electrical energy.
  • the solar cell is a tool for producing electricity by using solar energy, which is an infinite energy source, and silicon solar cells, which are already widely used in our lives, are typical.
  • dye-sensitized solar cells are being researched as next-generation solar cells.
  • Dye-sensitized solar cells are photoelectrochemical solar cells that have the potential to replace conventional silicon solar cells with higher efficiency and lower manufacturing costs compared to conventional silicon solar cells.
  • Dye-sensitized solar cells are representative of the work of Michael Gratzel of the Swiss National Lausanne Institute of Advanced Technology (EPFL) in 1991 (see US Patent No. 5,350,644 "Photovoltaic cells").
  • one of the two electrodes of the dye-sensitized solar cell is a photoelectrode including a conductive transparent substrate having a semiconductor layer on which the photosensitive dye is adsorbed, and the space between the two electrodes is filled with an electrolyte.
  • the solar energy is absorbed by the photosensitive dye adsorbed to the semiconductor layer of the electrode, the photoelectron is generated, the photoelectron is conducted through the semiconductor layer is transferred to the conductive transparent substrate having a transparent electrode, The dye oxidized by losing the electrons is reduced by redox pairs contained in the electrolyte.
  • the electrons that reach the counter electrode, the opposite electrode through the external wire complete the operation of the solar cell by reducing the oxidation / reduction pair of the oxidized electrolyte again.
  • Dye-sensitized solar cells include several interfaces, such as the interface between semiconductor and dye, the interface between semiconductor and transparent electrode, the interface between semiconductor and transparent electrode, and the interface between electrolyte and counter electrode. Understanding and controlling the physical and chemical effects at the interface is key to dye-sensitized solar cell technology.
  • the energy conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell is proportional to the amount of photoelectrons generated by solar energy absorption, and in order to generate a large amount of photoelectrons, a photoelectrode including a structure capable of increasing the adsorption amount of dye molecules Manufacturing is required.
  • electrolytes used in dye-sensitized solar cells may be classified into liquid electrolytes, gel electrolytes, and solid electrolytes according to their properties.
  • the energy conversion efficiency is increased, but the solvent contained in the liquid electrolyte leaks or volatilizes due to the increase in the external temperature and the sealing state of the solar cell, thereby reducing the life of the solar cell.
  • the disadvantage is that it can.
  • the problem of leakage or volatilization of the electrolyte does not occur, but there is a disadvantage in that the energy conversion efficiency is generally lowered. Therefore, there was a need to develop a new electrolyte to solve the above disadvantages, or to develop and apply a new material to replace the electrolyte.
  • ruthenium metal complexes have been widely used as dyes used in dye-sensitized solar cells.
  • the ruthenium metal complexes are too expensive and difficult to purify.
  • the organic dye containing ruthenium metal has a disadvantage in that it takes a long adsorption time of at least 2 hours to 24 hours to adsorb to the semiconductor layer, which increases the time required for the manufacturing process, the thickness of the semiconductor layer There is a limit that high energy conversion efficiency must be at least about 10 ⁇ m.
  • the thickness of the semiconductor layer is higher than that even when the thickness of the semiconductor layer is about 10 ⁇ m. If thin, there was a problem that does not exhibit a high energy conversion efficiency.
  • the present specification is to provide a solar cell.
  • anode provided opposite the anode; And a photoactive layer comprising a compound of perovskite structure provided between the anode and the cathode,
  • At least one first organic material layer and at least one second organic material layer are alternately provided between the anode and the photoactive layer, and the first organic material layer includes a compound represented by Chemical Formula 1 below, and the second organic material layer is HOMO
  • a solar cell including a hole transport material having an energy level of -5 eV or less.
  • R1 to R6 are each independently hydrogen; Halogen group; Nitrile group; Nitro group; Sulfonyl group; Sulfoxide groups; Sulfonamide groups; Sulfonate groups; Trifluoromethyl group; Ester group; Amide group; Substituted or unsubstituted linear or branched C1-C12 alkoxy group; Substituted or unsubstituted linear or branched C1 to C12 alkyl group; Substituted or unsubstituted linear or branched C2 to C12 alkenyl group; Substituted or unsubstituted aromatic or non-aromatic heterocyclic group; Substituted or unsubstituted aryl group; Substituted or unsubstituted mono- or di-arylamine group; And a substituted or unsubstituted aralkylamine group.
  • the solar cell according to one embodiment of the present specification shows excellent photoelectric conversion efficiency.
  • the solar cell according to the exemplary embodiment of the present specification exhibits high efficiency because of excellent electron transfer due to the organic material layer including the compound represented by Chemical Formula 1.
  • the solar cell according to the exemplary embodiment of the present specification there is an advantage that electrons in an excited state due to light absorption can be smoothly moved to the electrode.
  • the photoactive layer is formed using the compound of the perovskite structure, photoactive activity is minimized by minimizing defective parts such as pinholes, thereby achieving excellent performance.
  • FIG. 1 and 2 illustrate a laminated structure of a solar cell according to an exemplary embodiment of the present specification.
  • Figure 3 shows the light absorption according to the wavelength of the photoactive layer formed as in Example 1 and the appearance photo of the device manufactured according to Example 1.
  • Figure 4 shows a scanning electron microscope (SEM) image of the surface of the photoactive layer prepared as in Example 1.
  • Figure 5 shows the results of measuring the voltage-current density of the solar cell prepared according to Example 2-1 and the solar cell prepared according to Comparative Example 1.
  • Figure 6 shows the results of measuring the voltage-current density of the solar cell prepared according to the solar cell prepared according to Example 2-2.
  • FIG. 7 shows a scanning electron microscope (SEM) image of a cross section of the solar cell of Example 2-2.
  • SEM scanning electron microscope
  • Figure 8 shows the results of measuring the voltage-current density of the solar cell prepared according to Example 2-3.
  • Figure 9 shows the results of measuring the voltage-current density of the solar cell prepared according to Example 2-4.
  • anode provided opposite the anode; And a photoactive layer comprising a compound of perovskite structure provided between the anode and the cathode,
  • At least one first organic material layer and at least one second organic material layer are alternately provided between the anode and the photoactive layer, and the first organic material layer includes a compound represented by Chemical Formula 1 below, and the second organic material layer is HOMO
  • a solar cell including a hole transport material having an energy level of -5 eV or less.
  • R1 to R6 are each hydrogen; Halogen group; Nitrile group (-CN); Nitro group (-NO 2 ); Sulfonyl group (-SO 2 R); Sulfoxide group (-SOR); Sulfonamide groups (-SO 2 NR 2 ); Sulfonate groups (-SO 3 R); Trifluoromethyl group (-CF 3 ); Ester group (-COOR); Amide groups (-CONHR or -CONRR '); Substituted or unsubstituted linear or branched C1-C12 alkoxy group; Substituted or unsubstituted linear or branched C1 to C12 alkyl group; Substituted or unsubstituted linear or branched C2 to C12 alkenyl group; Substituted or unsubstituted aromatic or non-aromatic heterocyclic group; Substituted or unsubstituted aryl group; Substituted or unsubstituted mono- or di-
  • R and R ' are each substituted or unsubstituted C1 to C60 alkyl group; Substituted or unsubstituted aryl group; And it is selected from the group consisting of a substituted or unsubstituted 5 to 7 membered heterocyclic group.
  • the first organic material layer may be formed using a material represented by Chemical Formula 1.
  • the first organic material layer may be formed by including the compound represented by Chemical Formula 1 as a main material.
  • the first organic material layer may further include additional materials or impurities in addition to the compound represented by Chemical Formula 1.
  • the first organic material layer may serve to efficiently transfer electrons from the anode to the second organic material layer.
  • the first organic material layer may serve to evenly form the compound of the perovskite structure constituting the photoactive layer.
  • any one of the first organic material layers may be provided in direct contact with the anode.
  • the first organic material layer provided in direct contact with the anode may be an anode buffer layer.
  • the second organic material layer may be formed using a hole transport material having a HOMO energy level of -5 eV or less.
  • the second organic material layer may be formed by including the hole transport material as a main material.
  • the second organic material layer may further include additional materials or impurities in addition to the hole transport material.
  • the HOMO energy level of the second organic material layer may be -5 eV or less.
  • the second organic material layer may serve to prevent electrons generated in the photoactive layer from moving to the first organic material layer. Specifically, when the second organic material layer is not provided, electrons formed in the photoactive layer move to the interface between the photoactive layer and the first organic material layer, thereby preventing recombination of holes formed in the photoactive layer and electrons injected from the anode. The efficiency of the battery is reduced. That is, the second organic material layer may serve to block electrons formed in the photoactive layer from interfering with the normal hole extraction path.
  • the HOMO energy level of the second organic material layer is -5 eV or less, it is possible to smooth the blocking of electrons formed in the photoactive layer and the movement of electrons injected from the anode.
  • the second organic material layer does not interfere with the role of the first organic material layer to allow the compound of the perovskite structure to be formed evenly. Specifically, even when the second organic material layer is provided on the first organic material layer, the compound having a perovskite structure may be formed evenly.
  • any one of the second organic material layers may be provided in direct contact with the photoactive layer.
  • the first organic material layer and the second organic material layer may be sequentially provided between the anode and the photoactive layer.
  • FIG. 1 An example of a solar cell having such a structure is shown in FIG. 1.
  • FIG. 1 illustrates that the first organic material layer 410 and the second organic material layer 510 are sequentially provided between the anode 100 and the photoactive layer 300, and the cathode 200 is provided on the photoactive layer 300. It is shown.
  • the solar cell according to the exemplary embodiment of the present specification is not limited to the stacked structure of FIG. 1, and may further include additional layers such as a cathode buffer layer.
  • the first organic material layer, the second organic material layer, the first organic material layer and the second organic material layer may be sequentially provided between the anode and the photoactive layer.
  • An example of a solar cell having such a structure is shown in FIG. 2.
  • FIG. 2 illustrates that the first organic material layer 410, the second organic material layer 510, the first organic material layer 420, and the second organic material layer 520 are sequentially provided between the anode 100 and the photoactive layer 300.
  • the cathode 200 is provided on the photoactive layer 300.
  • the solar cell according to the exemplary embodiment of the present specification is not limited to the stacked structure of FIG. 1, and may further include additional layers such as a cathode buffer layer.
  • the difference between the LUMO energy level of the compound represented by Formula 1 and the HOMO energy level of the hole transport material may be 0.5 eV or less.
  • the difference between the LUMO energy level of the compound represented by Formula 1 and the HOMO energy level of the hole transport material may be 0.2 eV or less.
  • the difference between the LUMO energy level of the first organic material layer and the HOMO energy level of the second organic material layer may be 0.5 eV or less.
  • the difference between the LUMO energy level of the first organic material layer and the HOMO energy level of the second organic material layer may be 0.2 eV or less.
  • a built-in potential is formed through band bending in the HOMO of the hole transporting material of the second organic material layer to facilitate hole extraction. Can happen.
  • the difference between the LUMO energy level of the compound represented by Formula 1 and the HOMO energy level of the hole transport material is 0.5 eV or less, hole extraction may occur smoothly, thereby contributing to performance improvement of the solar cell.
  • the difference between the LUMO energy level of the compound represented by Formula 1 and the HOMO energy level of the hole transport material is more than 0.5 eV, the band bending phenomenon in the HOMO of the hole transport material of the second organic material layer is smooth. Since it is not formed, there is a problem that hole extraction is not smooth.
  • At least one second organic material layer may further include a material having a work function of 4.5 eV or less.
  • the material having a work function of 4.5 eV or less may be a metal halide.
  • the material having a work function of 4.5 eV or less may be a halogenated metal such as CuI.
  • the material having a work function of 4.5 eV or less may function as a p-type dopant in the second organic material layer.
  • the hole density may be increased to increase the hole mobility.
  • a material having a work function of 4.5 eV or less is further included in the second organic material layer, a band bending phenomenon in the HOMO of the hole transport material of the second organic material layer may be effectively generated.
  • all of R1 to R6 of Chemical Formula 1 may be a nitrile group (-CN).
  • the compound represented by Formula 1 may be any one of the following Formula 1-1 to 1-6.
  • the HOMO energy level is -5 eV or less may be a compound represented by the formula (A).
  • Ar1, Ar2, and Ar3 are each independently hydrogen or a substituted or unsubstituted hydrocarbon group.
  • at least one of Ar1, Ar2 and Ar3 may include an aromatic hydrocarbon substituent, each substituent may be the same, or may be composed of different substituents.
  • Non-aromatic hydrocarbons of Ar 1, Ar 2 and Ar 3 are hydrogen; Straight, branched or cyclic aliphatic hydrocarbons; Or a substituted or unsubstituted heteroring group including N, O, S or Se.
  • the material having the HOMO energy level of ⁇ 5 eV or less may be the following compound, but is not limited thereto.
  • the thickness of the first organic material layer may be 1 nm or more and 100 nm or less. Specifically, according to one embodiment of the present specification, the thickness of the first organic material layer may be 5 nm or more and 50 nm or less. More specifically, according to the exemplary embodiment of the present specification, the thickness of the first organic material layer may be 5 nm or more and 30 nm or less.
  • the solar cell When the thickness of the first organic material layer is 1 nm or more, the solar cell may be operated. Specifically, when the thickness of the first organic material layer is 5 nm or more, a more suitable layer is formed, and the performance of the solar cell can be improved.
  • the thickness of the second organic material layer may be 5 nm or more and 100 nm or less. Specifically, according to the exemplary embodiment of the present specification, the thickness of the second organic material layer may be 5 nm or more and 50 nm or less. More specifically, according to the exemplary embodiment of the present specification, the thickness of the second organic material layer may be 5 nm or more and 20 nm or less.
  • one or more electron transport layers may be further provided between the cathode and the photoactive layer.
  • a metal compound layer including a metal compound may be further included between the cathode and the photoactive layer.
  • the metal oxide layer provided between the cathode and the photoactive layer may include TiO 2 and / or ZnO 2 .
  • the compound of the perovskite structure may satisfy the following Structural Formula 1-1.
  • A is a monovalent substituted or unsubstituted nitrogen ion, a monovalent substituted or unsubstituted carbon ion, an alkali metal ion or an alkaline earth metal ion, wherein B and B 'are each independently cations of a transition metal, and X And X 'are each independently an anion of an element selected from the group selected from group 16 and group 17, 0 ⁇ y ⁇ 1, and 0 ⁇ z ⁇ 3.
  • the cation of the transition metal may be a cation derived from Pb, Sn, Ti, Nb, Zr or Ce.
  • A may be a monovalent ion represented by the following Chemical Formula 2-1.
  • the A 'and A'' are each independently selected from Li +, Na +, K + , Rb +, Cs +, Be 2 +, Ca 2 +, Sr 2 +, or a Ba + 2, is 0 ⁇ p ⁇ 1 .
  • A may be a monovalent ion represented by the following Chemical Formula 2-2.
  • R11 is a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms,
  • R12 to R14 are each independently hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms.
  • A may be a monovalent ion represented by the following Chemical Formula 2-3.
  • R15 to R16 are a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group having 3 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 20 carbon atoms, or NR'R '',
  • R 'and R' ' are each independently hydrogen, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms.
  • the compound of the perovskite structure may be to satisfy any one of the following structural formulas 2-1 to 2-6.
  • X and X ' are each independently halogen ions
  • y is a real number of 0 or more and 1 or less
  • z is a real number of 0 or more and 3 or less.
  • the photoactive layer may further include a metal oxide.
  • the solar cell further includes a substrate, and the anode or the cathode may be provided on the substrate.
  • the solar cell may be a solar cell having a normal structure in which the anode is provided on the substrate and the cathode is provided to face the anode.
  • the anode may be a conductive oxide such as tin indium oxide (ITO) or zinc indium oxide (IZO).
  • the cathode is silver (Ag), aluminum (Al), platinum (Pt), tungsten (W), copper (Cu), molybdenum (Mo), gold (Au), nickel ( Ni), and palladium (Pd) may be a metal electrode containing one or more selected from the group consisting of.
  • the solar cell may be a solar cell having an inverted structure in which the cathode is provided on the substrate and the anode is provided to face the cathode.
  • the cathode may be a conductive oxide such as tin indium oxide (ITO) or zinc indium oxide (IZO).
  • the anode is silver (Ag), aluminum (Al), platinum (Pt), tungsten (W), copper (Cu), molybdenum (Mo), gold (Au), nickel ( Ni), and palladium (Pd) may be a metal electrode containing one or more selected from the group consisting of.
  • the normal structure and the inverted structure may have the same meaning as the normal structure and the inverted structure in a general organic solar cell.
  • the normal structure or the inverted structure may be determined according to the work function of the electrode provided on the substrate and the work function of the metal electrode provided opposite thereto.
  • a conductive oxide layer such as ITO
  • the work function when adjusted through a post treatment process or the like, it may be an anode or a cathode.
  • the anode and the cathode may further include one or more layers selected from the group consisting of a hole injection layer, a hole transport layer, an electron blocking layer, an electron transport layer and an electron injection layer.
  • the solar cell may be manufactured using a deposition process.
  • the solar cells since the solar cells may be formed by using a deposition process, all the layers provided on the substrate, there is an advantage that can be easily manufactured through one process.
  • UV-O 3 30 minutes was prepared to prepare a substrate on which ITO was formed.
  • a first organic material layer (30 nm) and NPB (N, N'-Di (1-naphthyl) -N, N'-diphenyl- (1,1 ') made of a compound represented by Chemical Formula 1-1 on ITO
  • a second organic material layer consisting of -biphenyl) -4,4'-diamine (20 nm) was sequentially formed through a deposition process.
  • the deposition rate of PbI 2 was fixed at 0.1 nm / sec, and the temperature of CH 3 NH 3 I (MAI; Methylammonium iodide) was gradually increased ( ⁇ 130 ° C.), followed by 7 ⁇ 10 ⁇ 5 to 1 ⁇ 10 ⁇ Deposition in a chamber atmosphere between 4 torr, to form a photoactive layer consisting of a compound of the perovskite structure to a thickness of 160 nm based on the PbI 2 thickness sensor.
  • MAI Methylammonium iodide
  • FIG. 3 shows the light absorption according to the wavelength of the photoactive layer formed as in Example 1 and the appearance photo of the device manufactured according to Example 1. Specifically, FIG. 3 compares the degree of light absorption of the photoactive layer formed of PbI 2 alone with the photoactive layer formed of a compound of perovskite structure.
  • the light absorbency of the photoactive layer manufactured as in Example 1 is excellent. That is, even when the compound of the perovskite structure is formed through the deposition process on the organic material layer it can be seen that excellent light absorption ability.
  • Figure 4 shows a scanning electron microscope (SEM) image of the surface of the photoactive layer prepared as in Example 1. According to FIG. 4, even when the compound having a perovskite structure is formed on the organic layer through a deposition process, it can be seen that the organic layer is evenly formed without a defective area such as a pinhole.
  • SEM scanning electron microscope
  • UV-O 3 30 minutes was prepared to prepare a substrate on which ITO was formed.
  • a first organic material layer (30 nm) and NPB (N, N'-Di (1-naphthyl) -N, N'-diphenyl- (1,1 ') made of a compound represented by Chemical Formula 1-1 on ITO
  • a second organic material layer consisting of -biphenyl) -4,4'-diamine (20 nm) was sequentially formed through a deposition process.
  • the deposition rate of PbI 2 was fixed at 0.1 nm / sec, and the temperature of CH 3 NH 3 I (MAI; Methylammonium iodide) was gradually increased ( ⁇ 130 ° C.), followed by 7 ⁇ 10 ⁇ 5 to 1 ⁇ 10 ⁇ Deposition in a chamber atmosphere between 4 torr, to form a photoactive layer consisting of a compound of the perovskite structure to a thickness of 160 nm based on the PbI 2 thickness sensor.
  • MAI Methylammonium iodide
  • C 60 (90 nm), BCP (Bathocuproine) (8 nm), and Al (100 nm) were deposited on the photoactive layer to prepare a solar cell having a normal structure.
  • a solar cell having a normal structure was manufactured in the same manner as in Example 2-1, except that the second organic material layer was formed.
  • Figure 5 shows the results of measuring the voltage-current density of the solar cell prepared according to Example 2-1 and the solar cell prepared according to Comparative Example 1. 5 was used to test the performance of the solar cell after limiting the area to receive light using a shielding plate with a circular hole of 5 mm in diameter.
  • a solar cell was manufactured in the same manner as in Example 2-1, except that a photoactive layer formed of a compound having a perovskite structure was formed at a thickness of 390 nm.
  • the performance of the solar cell according to Example 2-2 was 1.05 V at the maximum open voltage, 19.3 mA / cm 2 at the maximum short circuit current, 70% at the charge rate (FF), and 14.1% at the maximum energy conversion efficiency (PCE).
  • Figure 6 shows the results of measuring the voltage-current density of the solar cell prepared according to the solar cell prepared according to Example 2-2.
  • FIG. 6 was used to test the performance of the solar cell after limiting the area to receive light by using a shielding plate with a circular hole of 5 mm in diameter.
  • FIG. 7 shows a scanning electron microscope (SEM) image of a cross section of the solar cell of Example 2-2.
  • SEM scanning electron microscope
  • a solar cell having a normal structure was manufactured in the same manner as in Example 2-1, except that the first organic material layer, the second organic material layer, the first organic material layer, and the second organic material layer were sequentially deposited on ITO.
  • Figure 8 shows the results of measuring the voltage-current density of the solar cell prepared according to Example 2-3.
  • FIG. 8 was used to test the performance of the solar cell after limiting the area to receive light by using a shielding plate with a circular hole of 5 mm in diameter.
  • the performance of the solar cell according to Example 2-3 was 1.06 V maximum opening voltage, 21.5 mA / cm 2 maximum short circuit current, 59.5% charging rate (FF), and 13.4% maximum energy conversion efficiency (PCE).
  • the glass substrate coated with ITO was cleaned to prepare a substrate on which ITO was formed (not treated with UV-O 3 ). Then, C 60 (10 nm) and C 60 (20 nm) including 20 wt% of n-type dopant were deposited on ITO, the deposition rate of PbI 2 was fixed at 0.1 nm / sec, and CH 3 NH 3 I ( The temperature of MAI; Methylammonium iodide) was gradually raised ( ⁇ 130 ° C.), and then deposited in a chamber atmosphere between 7 ⁇ 10 ⁇ 5 and 1 ⁇ 10 ⁇ 4 torr, and the perovskite was 160 nm thick based on the PbI 2 thickness sensor. A photoactive layer consisting of the compound of the sky structure was formed.
  • NPB N, N'-Di (1-naphthyl) -N, N'-diphenyl- (1,1'-biphenyl) -4,4'-diamine
  • Figure 9 shows the results of measuring the voltage-current density of the solar cell prepared according to Example 2-4.
  • FIG. 9 was used to test the performance of the solar cell after limiting the area to receive light using a shielding plate with a circular hole of 5 mm in diameter.
  • the performance of the solar cell according to Example 2-4 was 1.03 V maximum open voltage, 17.4 mA / cm 2 maximum short circuit current, 62% charge rate (FF), and 11.1% maximum energy conversion efficiency (PCE).

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 애노드， 상기 애노드에 대향하여 구비된 캐소드 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 포함하는 태양전지를 제시한다. 상기 애노드와 상기 광활성층 사이에， 적어도 하나의 제 1 유기물층 및 적어도 하나의 제 2 유기물층이 교대로 구비된다. 상기 태양전지는 전자 이동이 우수하고， 페 로브스카이트 구조의 화합물은 핀홀 등의 불량한 부분을 최소화하여 높은 광전 변환 효율을 갖는 효과가 있다.

Description

태양전지
본 출원은 2014년 7월 22일에 한국 특허청에 제출된 한국 특허 출원 제 10-2014-0092764호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 명세서는 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 태양의 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키는 소자이다. 태양전지는 무한한 에너지원인 태양광을 이용해 전기를 생산하는 도구로서, 이미 우리 생활에 널리 이용되고 있는 실리콘 태양전지가 대표적이며, 최근 차세대 태양전지로서 염료감응 태양전지가 연구되고 있다. 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 효율이 높고 제조 단가가 현저히 낮아 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있는 광 전기화학적인 태양전지이다.
염료감응 태양전지는, 1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의하여 발표된 것이 대표적이다 (미국등록특허 제 5,350,644 호 "Photovoltaic cells" 참조). 구조적인 측면에서, 염료감응 태양전지의 두 전극 중 하나의 전극은 감광성 염료가 흡착되어 있는 반도체층이 형성된 전도성 투명 기재를 포함하는 광전극이며, 두 전극 사이의 공간에는 전해질이 채워져 있다.
염료감응 태양전지의 작동 원리를 살펴보면, 태양에너지가 전극의 반도체층에 흡착된 감광성 염료에 흡수됨으로써 광전자가 발생하며, 상기 광전자는 반도체층을 통해 전도되어 투명 전극이 형성된 전도성 투명 기재에 전달되고, 전자를 잃어 산화된 염료는 전해질에 포함된 산화환원 쌍에 의해 환원된다. 한편, 외부 전선을 통하여 반대편 전극인 상대 전극에 도달한 전자는 산화된 전해질의 산화·환원 쌍을 다시 환원시킴으로써 태양전지의 작동 과정을 완성한다.
한편, 염료감응 태양전지의 경우 기존 태양전지에 비해, 반도체와 염료의 계면, 반도와 전해질의 계면, 반도체와 투명 전극의 계면, 전해질과 상대 전극의 계면 등, 여러 계면을 포함하고 있으며, 각각의 계면에서의 물리·화학적 작용을 이해하고 조절하는 것이 염료감응 태양전지 기술의 핵심이다. 또한, 염료감응 태양전지의 에너지 전환효율은 태양에너지 흡수에 의해 생성된 광전자의 양에 비례하며, 많은 양의 광전자를 생성하기 위해서는 염료분자의 흡착량을 증가시킬 수 있는 구조를 포함하는 광전극의 제조가 요구되고 있다.
한편, 염료감응 태양전지에 사용되는 전해질은 그 성상에 따라 액체 전해질, 겔형 전해질, 및 고체 전해질로 구분될 수 있다. 액체 전해질을 사용하여 태양전지를 제조할 경우 에너지 전환효율이 높아진다는 장점이 있지만, 액체 전해질에 포함된 용매가 외부 온도의 증가와 태양전지의 밀봉 상태에 따라 누출되거나 휘발됨으로써 태양전지의 수명이 낮아질 수 있다는 단점이 있다. 반면, 고체 전해질을 사용하여 태양전지를 제조할 경우 전해질의 누출이나 휘발의 문제는 발생하지 않지만, 일반적으로 에너지 전환효율이 낮아진다는 단점이 있어 적용상의 어려움이 있었다. 이에, 상기 단점들을 해결할 신규한 전해질을 개발하거나, 또는 전해질을 대체할 신규한 물질을 개발 및 적용할 필요가 있었다.
한편, 염료감응 태양전지에 사용되는 염료로는 일반적으로 루테늄(Ru) 금속 착체가 널리 사용되어 왔으나, 상기 루테늄 금속 착체는 가격이 너무 비싸고 정제하기 어렵다는 단점이 있었다. 또한, 루테늄 금속을 포함하는 유기 염료는 반도체층에 흡착하는데 최소 2 시간에서 길게는 24 시간까지의 긴 흡착 시간이 필요하여, 제조 공정에 소요되는 시간이 길어진다는 단점이 있었으며, 상기 반도체층의 두께가 최소 10 ㎛ 정도는 되어야 높은 에너지 전환효율을 가진다는 한계점이 존재하였다. 이에, 루테늄 금속 착체 이외의 염료를 이용하고자 하는 시도가 있었으나, 이 경우에도 역시 반도체층의 두께가 10 ㎛ 안팎인 경우에 최고 3 % 정도의 에너지 전환효율을 나타내었을 뿐, 반도체층의 두께가 이보다 얇은 경우에는 높은 에너지 전환효율을 나타내지 못한다는 문제점이 있었다.
본 명세서는 태양전지를 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시상태는, 애노드; 상기 애노드에 대향하여 구비된 캐소드; 및 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 포함하고,
상기 애노드와 상기 광활성층 사이에, 적어도 하나의 제1 유기물층 및 적어도 하나의 제2 유기물층이 교대로 구비되며, 상기 제1 유기물층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 제2 유기물층은 HOMO 에너지 준위가 -5 eV 이하인 정공수송물질을 포함하는 태양전지를 제공한다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2015007648-appb-I000001
상기 화학식 1에 있어서,
R1 내지 R6는 각각 독립적으로, 수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 술포닐기; 술폭사이드기; 술폰아미드기; 술포네이트기; 트리플루오로메틸기; 에스테르기; 아미드기; 치환 또는 비치환의 직쇄 또는 분지쇄의 C1 내지 C12의 알콕시기; 치환 또는 비치환의 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C12의 알킬기; 치환 또는 비치환의 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C12의 알케닐기; 치환 또는 비치환의 방향족 또는 비방향족의 이형고리기; 치환 또는 비치환의 아릴기; 치환 또는 비치환의 모노- 또는 디-아릴아민기; 및 치환 또는 비치환의 아랄킬아민기으로 구성된 군에서 선택된다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지는 우수한 광전 변환 효율을 나타낸다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 유기물층으로 인하여, 전자 이동이 우수하므로 높은 효율을 나타낸다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 따르면, 광흡수에 의한 들뜬 상태의 전자가 전극까지 원활하게 이동할 수 있는 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 따르면, 페로브스카이트 구조의 화합물을 이용하여 광활성층을 형성시 핀홀 등의 불량한 부분을 최소화하며 광활성이 형성되어, 우수한 성능을 구현할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 따르면, 애노드로부터 주입된 전자가 광활성층에서 형성된 정공과 재결합이 용이하여 높은 효율을 달성할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지의 적층 구조를 도시한 것이다.
도 3은 실시예 1과 같이 형성된 광활성층의 파장에 따른 광흡수 및 상기 실시예 1에 따라 제조된 소자의 외관 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1과 같이 제조된 광활성층 표면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 2-1에 따라 제조된 태양전지 및 비교예 1에 따라 제조된 태양전지의 전압-전류 밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 2-2에 따라 제조된 태양전지에 따라 제조된 태양전지의 전압-전류 밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 2-2에서의 태양전지의 단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 2-3에 따라 제조된 태양전지의 전압-전류 밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 실시예 2-4에 따라 제조된 태양전지의 전압-전류 밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서의 일 실시상태는, 애노드; 상기 애노드에 대향하여 구비된 캐소드; 및 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 포함하고,
상기 애노드와 상기 광활성층 사이에, 적어도 하나의 제1 유기물층 및 적어도 하나의 제2 유기물층이 교대로 구비되며, 상기 제1 유기물층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고, 상기 제2 유기물층은 HOMO 에너지 준위가 -5 eV 이하인 정공수송물질을 포함하는 태양전지를 제공한다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2015007648-appb-I000002
상기 화학식 1에 있어서,
R1 내지 R6는 각각 수소; 할로겐기; 니트릴기(-CN); 니트로기(-NO2); 술포닐기(-SO2R); 술폭사이드기(-SOR); 술폰아미드기(-SO2NR2); 술포네이트기(-SO3R); 트리플루오로메틸기(-CF3); 에스테르기(-COOR); 아미드기(-CONHR 또는 -CONRR'); 치환 또는 비치환의 직쇄 또는 분지쇄의 C1 내지 C12의 알콕시기; 치환 또는 비치환의 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C12의 알킬기; 치환 또는 비치환의 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C12의 알케닐기; 치환 또는 비치환의 방향족 또는 비방향족의 이형고리기; 치환 또는 비치환의 아릴기; 치환 또는 비치환의 모노- 또는 디-아릴아민기; 및 치환 또는 비치환의 아랄킬아민기으로 구성된 군에서 선택되며,
상기 R 및 R'는 각각 치환 또는 비치환의 C1 내지 C60의 알킬기; 치환 또는 비치환의 아릴기; 및 치환 또는 비치환의 5 내지 7원 이형고리기로 이루어진 군에서 선택된다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기물층은 상기 화학식 1로 표시되는 물질을 이용하여 형성된 것일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기물층은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 주재료로 포함하여 형성된 것일 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기물층은 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 외에 추가적인 물질 또는 불순물을 더 포함할 수도 있다.
상기 제1 유기물층은 상기 애노드로부터 전자를 효율적으로 제2 유기물층으로 전달하는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 제1 유기물층은 상기 광활성층을 구성하는 페로브스카이트 구조의 화합물이 고르게 형성될 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 어느 하나의 상기 제1 유기물층은 상기 애노드에 직접 접하여 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드에 직접 접하여 구비되는 상기 제1 유기물층은 애노드 버퍼층일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기물층은 상기 HOMO 에너지 준위가 -5 eV 이하인 정공수송물질을 이용하여 형성된 것일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기물층은 상기 정공수송물질을 주재료로 포함하여 형성된 것일 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기물층은 상기 정공수송물질 외에 추가적인 물질 또는 불순물을 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기물층의 HOMO 에너지 준위는 -5 eV 이하일 수 있다.
상기 제2 유기물층은 상기 광활성층에서 생성되는 전자가 상기 제1 유기물층으로 이동하는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 유기물층이 구비되지 않는 경우, 광활성층에서 형성된 전자가 광활성층과 제1 유기물층의 계면으로 이동하여 광활성층에서 형성된 정공과 애노드에서 주입된 전자와의 재결합을 방해하게 되어, 태양전지의 효율이 떨어지게 된다. 즉, 상기 제2 유기물층은 광활성층에서 형성된 전자가 정상적인 정공 추출 경로를 방해하는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다.
상기 제2 유기물층의 HOMO 에너지 준위가 -5 eV 이하인 경우, 광활성층에서 형성된 전자의 차단 및 애노드로부터 주입되는 전자의 이동을 원활하게 할 수 있다.
나아가, 상기 제2 유기물층은 페로브스카이트 구조의 화합물이 고르게 형성될 수 있도록 하는 제1 유기물층의 역할을 방해하지 않는다. 구체적으로, 상기 제1 유기물층 상에 제2 유기물층이 구비되더라도, 페로브스카이트 구조의 화합물이 고르게 형성될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 어느 하나의 상기 제2 유기물층은 상기 광활성층에 직접 접하여 구비될 수 있다.
본 명세서에서 "직접 접하여 구비"되는 것은 두 부재 간에 서로 물리적으로 접하여 구비되는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 애노드와 상기 광활성층 사이에, 상기 제1 유기물층 및 상기 제2 유기물층이 순차적으로 구비될 수 있다. 이와 같은 구조의 태양전지의 예시는 도 1에 나타내었다. 구체적으로, 도 1은 애노드(100)와 광활성층(300) 사이에 제1 유기물층(410) 및 제2 유기물층(510)이 순차적으로 구비되고, 광활성층(300) 상에 캐소드(200)이 구비된 것을 도시한 것이다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지는 상기 도 1의 적층 구조에 한정되지 않으며, 캐소드 버퍼층 등의 추가의 층이 더 포함될 수도 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 애노드와 상기 광활성층 사이에, 상기 제1 유기물층, 상기 제2 유기물층, 상기 제1 유기물층 및 상기 제2 유기물층이 순차적으로 구비될 수 있다. 이와 같은 구조의 태양전지의 예시는 도 2에 나타내었다. 구체적으로, 도 2는 애노드(100)와 광활성층(300) 사이에 제1 유기물층(410), 제2 유기물층(510), 제1 유기물층(420) 및 제2 유기물층(520)이 순차적으로 구비되고, 광활성층(300) 상에 캐소드(200)이 구비된 것을 도시한 것이다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지는 상기 도 1의 적층 구조에 한정되지 않으며, 캐소드 버퍼층 등의 추가의 층이 더 포함될 수도 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 LUMO 에너지 준위와 상기 정공수송물질의 HOMO 에너지 준위의 차이는 0.5 eV 이하일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 LUMO 에너지 준위와 상기 정공수송물질의 HOMO 에너지 준위의 차이는 0.2 eV 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기물층의 LUMO 에너지 준위와 상기 제2 유기물층의 HOMO 에너지 준위의 차이는 0.5 eV 이하일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기물층의 LUMO 에너지 준위와 상기 제2 유기물층의 HOMO 에너지 준위의 차이는 0.2 eV 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 태양전지에 따르면, 상기 제2 유기물층의 정공 수송물질의 HOMO 에서의 띠굽음(band bending)을 통한 내부 확산 전위(built-in potential)가 형성되어, 정공 추출이 원활하게 일어날 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 LUMO 에너지 준위와 상기 정공수송물질의 HOMO 에너지 준위의 차이는 0.5 eV 이하인 경우, 정공 추출이 원활하게 일어나므로, 태양전지의 성능 향상에 기여할 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 LUMO 에너지 준위와 상기 정공수송물질의 HOMO 에너지 준위의 차이가 0.5 eV 초과인 경우, 제2 유기물층의 정공 수송물질의 HOMO 에서의 띠굽음(band bending) 현상이 원활하게 형성되지 않으므로, 정공 추출이 원활하지 않게 되는 문제가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 적어도 하나의 상기 제2 유기물층은 일함수가 4.5 eV 이하인 물질을 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 일함수가 4.5 eV 이하인 물질은 할로겐화 금속일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 일함수가 4.5 eV 이하인 물질은 CuI와 같은 할로겐화 금속이 가능하다.
상기 일함수가 4.5 eV 이하인 물질은 상기 제2 유기물층에서 p형 도펀트로 작용할 수 있다. 구체적으로, 상기 일함수가 4.5 eV 이하인 물질이 상기 제2 유기물층에 더 포함되는 경우, 정공 밀도를 상승시켜 정공 이동도를 높일 수 있다. 또한, 상기 일함수가 4.5 eV 이하인 물질이 상기 제2 유기물층에 더 포함되는 경우, 상기 제2 유기물층의 정공수송물질의 HOMO 에서의 띠굽음(band bending) 현상을 효과적으로 발생하게 할 수 있다.
본 명세서의 일 싱시상태에 따르면, 상기 화학식 1의 R1 내지 R6은 모두 니트릴기(-CN)일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 하기 화학식 1-1 내지 1-6 중 어느 하나일 수 있다.
[화학식 1-1]
Figure PCTKR2015007648-appb-I000003
[화학식 1-2]
Figure PCTKR2015007648-appb-I000004
[화학식 1-3]
Figure PCTKR2015007648-appb-I000005
[화학식 1-4]
Figure PCTKR2015007648-appb-I000006
[화학식 1-5]
Figure PCTKR2015007648-appb-I000007
[화학식 1-6]
Figure PCTKR2015007648-appb-I000008
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 HOMO 에너지 준위가 -5 eV 이하인 물질은 하기 화학식 A로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 A]
Figure PCTKR2015007648-appb-I000009
상기 화학식 A에 있어서, Ar1, Ar2 및 Ar3는 각각 독립적으로 수소 또는 치환 또는 비치환된 탄화수소기이다. 이 때, Ar1, Ar2 및 Ar3 중 적어도 하나는 방향족 하이드로카본(aromatic hydrocarbon) 치환체를 포함할 수 있으며, 각 치환체는 동일한 것일 수도 있고, 각기 다른 치환체로 구성될 수도 있다. Ar1, Ar2 및 Ar3 중 방향족 하이드로카본이 아닌 것은 수소; 직쇄, 분지쇄 또는 고리형 지방족 탄화수소; 또는 N, O, S 또는 Se를 포함하는 치환 또는 비치환된 헤테로고리기일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 HOMO 에너지 준위가 -5 eV 이하인 물질은 하기의 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Figure PCTKR2015007648-appb-I000010
Figure PCTKR2015007648-appb-I000011
Figure PCTKR2015007648-appb-I000012
Figure PCTKR2015007648-appb-I000013
Figure PCTKR2015007648-appb-I000014
Figure PCTKR2015007648-appb-I000015
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기물층의 두께는 1 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기물층의 두께는 5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 유기물층의 두께는 5 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하일 수 있다.
상기 제1 유기물층의 두께가 1 ㎚ 이상인 경우, 태양전지에서의 작동이 가능하다. 구체적으로, 상기 제1 유기물층의 두께가 5 ㎚ 이상인 경우, 보다 적절한 층 형성이 이루어지며, 태양전지의 성능을 높일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기물층의 두께는 5 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하일 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기물층의 두께는 5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 유기물층의 두께는 5 ㎚ 이상 20 ㎚ 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 캐소드와 상기 광활성층 사이에 1 층 이상의 전자수송층을 더 구비할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 캐소드와 상기 광활성층 사이에 금속 화합물을 포함하는 금속 화합물층을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 캐소드와 상기 광활성층 사이에 구비되는 금속 산화물층은 TiO2 및/또는 ZnO2 를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 구조식 1-1을 만족할 수 있다.
[구조식 1-1]
A B(1-y)B'y X(3-Z)X'Z
상기 A는 1가의 치환 또는 비치환된 질소 이온, 1가의 치환 또는 비치환된 탄소 이온, 알칼리금속 이온 또는 알칼리토금속 이온이고, 상기 B 및 상기 B'는 각각 독립적으로 전이금속의 양이온이며, 상기 X 및 상기 X'는 각각 독립적으로 16족 및 17족으로 선택되는 군에서 선택되는 원소의 음이온이고, 0≤y≤1이며, 0≤z≤3이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 전이금속의 양이온은 Pb, Sn, Ti, Nb, Zr 또는 Ce으로부터 유래된 양이온일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 A는 하기 화학식 2-1로 표시되는 1가 이온일 수 있다.
[화학식 2-1]
[A'pA''(1-p)]+
상기 A' 및 A''는 각각 독립적으로 Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Be2 +, Ca2 +, Sr2 +, 또는 Ba2 +이고, 0≤p≤1이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 A는 하기 화학식 2-2로 표시되는 1가 이온일 수 있다.
[화학식 2-2]
Figure PCTKR2015007648-appb-I000016
상기 화학식 2-2에 있어서,
R11은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 20의 치환 또는 비치환된 아릴기이고,
R12 내지 R14는 각각 독립적으로, 수소, 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 20의 치환 또는 비치환된 아릴기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 A는 하기 화학식 2-3으로 표시되는 1가 이온일 수 있다.
[화학식 2-3]
Figure PCTKR2015007648-appb-I000017
상기 화학식 2-3에 있어서,
R15 내지 R16은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 20의 치환 또는 비치환된 아릴기, 또는 NR'R''이고,
R' 및 R''은 각각 독립적으로, 수소, 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 또는 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 구조식 2-1 내지 2-6 중 어느 하나를 만족하는 것일 수 있다.
[구조식 2-1]
CH3NH3PbX(3-Z)X' Z
[구조식 2-2]
HC(NH2)2PbX(3-Z)X'Z
[구조식 2-3]
CH3NH3SnX(3-Z)X'Z
[구조식 2-4]
HC(NH2)2SnX(3-Z)X'Z
[구조식 2-5]
CH3NH3PbySn(1-y)X(3-Z)X'Z
[구조식 2-6]
HC(NH2)2PbySn(1-y)X(3-Z)X'Z
상기 구조식 2-1 내지 2-6에 있어서, X 및 상기 X'는 각각 독립적으로 할로겐 이온이고, y는 0 이상 1 이하의 실수이며, z는 0 이상 3 이하의 실수이다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 광활성층은 금속 산화물을 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 기판을 더 포함하고, 상기 기판 상에 상기 애노드 또는 상기 캐소드가 구비될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 상기 기판 상에 상기 애노드가 구비되고, 상기 애노드에 대향하여 상기 캐소드가 구비되는 노말 구조의 태양전지일 수 있다. 구체적으로, 노말 구조의 태양전지의 경우, 상기 애노드는 산화주석인듐(ITO) 또는 산화아연인듐(IZO) 등과 같은 전도성 산화물일 수 있다. 또한, 노말 구조의 태양전지의 경우, 상기 캐소드는 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 니켈(Ni), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 금속 전극일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 상기 기판 상에 상기 캐소드가 구비되고, 상기 캐소드에 대향하여 상기 애노드가 구비되는 인버티드 구조의 태양전지일 수 있다. 구체적으로, 인버티드 구조의 태양전지의 경우, 상기 캐소드는 산화주석인듐(ITO) 또는 산화아연인듐(IZO) 등과 같은 전도성 산화물일 수 있다. 또한, 노말 구조의 태양전지의 경우, 상기 애노드는 은(Ag), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 니켈(Ni), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 금속 전극일 수 있다.
상기 노말 구조 및 인버티드 구조는, 일반적인 유기태양전지에서의 노말 구조 및 인버티드 구조와 동일한 의미일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 노말 구조 또는 인버티드 구조는 기판상에 구비되는 전극의 일함수와 이에 대향하여 구비된 금속 전극의 일함수에 따라 결정될 수 있다. 구체적으로, ITO와 같은 전도성 산화물층의 경우, 후처리 공정등을 통하여 일함수를 조절하는 경우, 애노드 또는 캐소드가 될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 애노드 및 캐소드 사이에 정공주입층, 정공수송층, 전자차단층, 전자수송층 및 전자주입층으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 층을 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 증착 공정을 이용하여 제조할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 태양전지는 기판 상에 구비되는 각층을 모두 증착 공정을 이용하여 형성할 수 있으므로, 하나의 공정을 통하여 손쉽게 제조할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[ 실시예 1]
ITO가 코팅된 유리 기판을 세정 후, UV-O3 30분 처리하여 ITO가 형성된 기판을 준비하였다. 그리고, ITO 상에 상기 화학식 1-1로 표시되는 화합물로 이루어진 제1 유기물층(30 ㎚) 및 NPB (N,N'-Di(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine)(20 ㎚)로 이루러진 제2 유기물층을 증착 공정을 통하여 순차적으로 형성하였다.
그리고, PbI2의 증착 속도를 0.1 nm/sec으로 고정하고, CH3NH3I (MAI; Methylammonium iodide)의 온도를 서서히 상승 (~130 ℃)시킨 후, 7 ×10-5 내지 1×10-4 torr 사이의 챔버 분위기에서 증착하여, PbI2 두께 센서 기준으로 160 ㎚ 두께로 페로브스카이트 구조의 화합물로 이루어진 광활성층을 형성하였다.
도 3은 실시예 1과 같이 형성된 광활성층의 파장에 따른 광흡수 및 상기 실시예 1에 따라 제조된 소자의 외관 사진을 나타낸 것이다. 구체적으로, 도 3은 PbI2 만으로 광활성층을 형성한 것과 페로브스카이트 구조의 화합물로 이루어진 광활성층의 광흡수 정도를 비교한 것이다.
도 3에 따르면, 실시예 1과 같이 제조된 광활성층의 광 흡수도가 우수한 것을 확인할 수 있다. 즉, 유기물층 상에 증착 공정을 통하여 페로브스카이트 구조의 화합물을 형성하더라도 우수한 광흡수 능력을 발휘함을 알 수 있다.
또한, 도 4는 실시예 1과 같이 제조된 광활성층 표면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다. 도 4에 따르면, 유기물층 상에 증착 공정을 통하여 페로브스카이트 구조의 화합물을 형성하더라도 핀홀과 같은 불량 영역 없이 고르게 형성된 것을 알 수 있다.
[ 실시예 2-1]
ITO가 코팅된 유리 기판을 세정 후, UV-O3 30분 처리하여 ITO가 형성된 기판을 준비하였다. 그리고, ITO 상에 상기 화학식 1-1로 표시되는 화합물로 이루어진 제1 유기물층(30 ㎚) 및 NPB (N,N'-Di(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine)(20 ㎚)로 이루어진 제2 유기물층을 증착 공정을 통하여 순차적으로 형성하였다.
그리고, PbI2의 증착 속도를 0.1 nm/sec으로 고정하고, CH3NH3I (MAI; Methylammonium iodide)의 온도를 서서히 상승 (~130 ℃)시킨 후, 7 ×10-5 내지 1×10-4 torr 사이의 챔버 분위기에서 증착하여, PbI2 두께 센서 기준으로 160 ㎚ 두께로 페로브스카이트 구조의 화합물로 이루어진 광활성층을 형성하였다.
나아가, 상기 광활성층 상에 C60(90 ㎚), BCP(Bathocuproine)(8 ㎚) 및 Al(100 ㎚)을 증착하여 노말 구조의 태양전지를 제조하였다.
[ 비교예 1]
제2 유기물층을 형성한 것을 제외하고, 실시예 2-1와 같은 방법으로 노말 구조의 태양전지를 제조하였다.
도 5는 실시예 2-1에 따라 제조된 태양전지 및 비교예 1에 따라 제조된 태양전지의 전압-전류 밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 5는 지름 5 ㎜의 원형 구멍이 뚫린 가림판을 이용하여, 빛을 받는 면적을 한정한 후에 태양전지의 성능을 테스트하였다.
도 5의 결과에 따르면, 제2 유기물층이 구비되지 않은 비교예 1의 태양전지의 성능은 현저히 저하된 것을 알 수 있으며, 이는 제2 유기물층이 광활성층에서 형성된 전자의 이동을 차단하여 태양전지의 재결합을 원활하게 하는 역할을 수행하는 것을 확인할 수 있다.
[ 실시예 2-2]
페로브스카이트 구조의 화합물로 이루어진 광활성층을 390 nm 두께로 형성한 것을 제외하고, 실시예 2-1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
실시예 2-2에 따른 태양전지의 성능은 최대 개방 전압 1.05 V, 최대 단락 전류 19.3 mA/㎠, 충전률(FF) 70 % 및 최대 에너지 변환 효율(PCE) 14.1 % 였다.
도 6은 실시예 2-2에 따라 제조된 태양전지에 따라 제조된 태양전지의 전압-전류 밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 6은 지름 5 ㎜의 원형 구멍이 뚫린 가림판을 이용하여, 빛을 받는 면적을 한정한 후에 태양전지의 성능을 테스트하였다.
도 7은 실시예 2-2에서의 태양전지의 단면의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다. 도 7에 따르면, 광활성층을 형성하는 페로브스카이트 구조의 화합물 결정이 단락되는 영역없이 고르게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 도 7에 있어서, 101은 화학식 1-1로 표시되는 화합물을 의미한다.
[ 실시예 2-3]
ITO 상에 제1 유기물층, 제2 유기물층, 제1 유기물층 및 제2 유기물층을 순차적으로 증착한 것을 제외하고, 실시예 2-1과 동일한 방법으로 노말 구조의 태양전지를 제조하였다.
도 8은 실시예 2-3에 따라 제조된 태양전지의 전압-전류 밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 8은 지름 5 ㎜의 원형 구멍이 뚫린 가림판을 이용하여, 빛을 받는 면적을 한정한 후에 태양전지의 성능을 테스트하였다.
실시예 2-3에 따른 태양전지의 성능은 최대 개방 전압 1.06 V, 최대 단락 전류 21.5 mA/㎠, 충전률(FF) 59.5 % 및 최대 에너지 변환 효율(PCE) 13.4 % 였다.
[ 실시예 2-4]
ITO가 코팅된 유리 기판을 세정하여 ITO가 형성된 기판을 준비하였다(UV-O3 처리 안함). 그리고, ITO 상에 n형 도펀트를 20 wt% 포함한 C60 (10 ㎚) 및 C60 (20 ㎚)을 증착하고, PbI2의 증착 속도를 0.1 nm/sec으로 고정하고, CH3NH3I (MAI; Methylammonium iodide)의 온도를 서서히 상승 (~130 ℃)시킨 후, 7 ×10-5 내지 1×10-4 torr 사이의 챔버 분위기에서 증착하여, PbI2 두께 센서 기준으로 160 ㎚ 두께로 페로브스카이트 구조의 화합물로 이루어진 광활성층을 형성하였다.
상기 광활성층 상에 NPB (N,N'-Di(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine)(20 ㎚)로 이루어진 제2 유기물층 및 상기 화학식 1-1로 표시되는 화합물로 이루어진 제1 유기물층(30 ㎚)을 증착한 후, Al(100 ㎚)을 증착하여 인버티드 구조의 태양전지를 제조하였다.
도 9는 실시예 2-4에 따라 제조된 태양전지의 전압-전류 밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 9는 지름 5 ㎜의 원형 구멍이 뚫린 가림판을 이용하여, 빛을 받는 면적을 한정한 후에 태양전지의 성능을 테스트하였다.
실시예 2-4에 따른 태양전지의 성능은 최대 개방 전압 1.03 V, 최대 단락 전류 17.4 mA/㎠, 충전률(FF) 62 % 및 최대 에너지 변환 효율(PCE) 11.1 % 였다.
[부호의 설명]
100: 애노드
200: 캐소드
300: 광활성층
410, 420: 제1 유기물층
510, 520: 제2 유기물층

Claims (16)

  1. 애노드;
    상기 애노드에 대향하여 구비된 캐소드; 및
    상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 구비된 페로브스카이트 구조의 화합물을 포함하는 광활성층을 포함하고,
    상기 애노드와 상기 광활성층 사이에, 적어도 하나의 제1 유기물층 및 적어도 하나의 제2 유기물층이 교대로 구비되며,
    상기 제1 유기물층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하고,
    상기 제2 유기물층은 HOMO 에너지 준위가 -5 eV 이하인 정공수송물질을 포함하는 태양전지:
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2015007648-appb-I000018
    상기 화학식 1에 있어서,
    R1 내지 R6는 각각 독립적으로, 수소; 할로겐기; 니트릴기; 니트로기; 술포닐기; 술폭사이드기; 술폰아미드기; 술포네이트기; 트리플루오로메틸기; 에스테르기; 아미드기; 치환 또는 비치환의 직쇄 또는 분지쇄의 C1 내지 C12의 알콕시기; 치환 또는 비치환의 직쇄 또는 분지쇄 C1 내지 C12의 알킬기; 치환 또는 비치환의 직쇄 또는 분지쇄 C2 내지 C12의 알케닐기; 치환 또는 비치환의 방향족 또는 비방향족의 이형고리기; 치환 또는 비치환의 아릴기; 치환 또는 비치환의 모노- 또는 디-아릴아민기; 및 치환 또는 비치환의 아랄킬아민기으로 구성된 군에서 선택된다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    어느 하나의 상기 제1 유기물층은 상기 애노드에 직접 접하여 구비된 것인 태양전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    어느 하나의 상기 제2 유기물층은 상기 광활성층에 직접 접하여 구비된 것인 태양전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 애노드와 상기 광활성층 사이에, 상기 제1 유기물층 및 상기 제2 유기물층이 순차적으로 구비된 것인 태양전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 애노드와 상기 광활성층 사이에, 상기 제1 유기물층, 상기 제2 유기물층, 상기 제1 유기물층 및 상기 제2 유기물층이 순차적으로 구비된 것인 태양전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학식 1로 표시되는 화합물의 LUMO 에너지 준위와 상기 정공수송물질의 HOMO 에너지 준위의 차이는 0.5 eV 이하인 것인 태양전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 상기 제2 유기물층은 일함수가 4.5 eV 이하인 물질을 더 포함하는 것인 태양전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유기물층의 두께는 1 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하인 것인 태양전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 유기물층의 두께는 5 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하인 것인 태양전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 구조식 1-1을 만족하는 것인 태양전지:
    [구조식 1-1]
    A B(1-y)B'y X(3-Z)X'Z
    상기 A는 1가의 치환 또는 비치환된 질소 이온, 1가의 치환 또는 비치환된 탄소 이온, 알칼리금속 이온 또는 알칼리토금속 이온이고,
    상기 B 및 상기 B'는 각각 독립적으로 전이금속의 양이온이며,
    상기 X 및 상기 X'는 각각 독립적으로 16족 및 17족으로 선택되는 군에서 선택되는 원소의 음이온이고, 0≤y≤1이며, 0≤z≤3이다.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 A는 하기 화학식 2-1로 표시되는 1가 이온인 것인 태양전지:
    [화학식 2-1]
    [A'pA''(1-p)]+
    상기 A' 및 A''는 각각 독립적으로 Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Be2 +, Ca2 +, Sr2 +, 또는 Ba2+이고, 0≤p≤1이다.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 A는 하기 화학식 2-2로 표시되는 1가 이온인 것인 태양전지:
    [화학식 2-2]
    Figure PCTKR2015007648-appb-I000019
    상기 화학식 2-2에 있어서,
    R11은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 20의 치환 또는 비치환된 아릴기이고,
    R12 내지 R14는 각각 독립적으로, 수소, 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 20의 치환 또는 비치환된 아릴기이다.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 A는 하기 화학식 2-3으로 표시되는 1가 이온인 것인 태양전지:
    [화학식 2-3]
    Figure PCTKR2015007648-appb-I000020
    상기 화학식 2-3에 있어서,
    R15 내지 R16은 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 탄소수 3 내지 20의 치환 또는 비치환된 시클로알킬기, 탄소수 6 내지 20의 치환 또는 비치환된 아릴기, 또는 NR'R''이고,
    R' 및 R''은 각각 독립적으로, 수소, 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알킬기, 또는 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환된 알콕시기이다.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 페로브스카이트 구조의 화합물은 하기 구조식 2-1 내지 2-6 중 어느 하나를 만족하는 것인 태양전지:
    [구조식 2-1]
    CH3NH3PbX(3-Z)X' Z
    [구조식 2-2]
    HC(NH2)2PbX(3-Z)X'Z
    [구조식 2-3]
    CH3NH3SnX(3-Z)X'Z
    [구조식 2-4]
    HC(NH2)2SnX(3-Z)X'Z
    [구조식 2-5]
    CH3NH3PbySn(1-y)X(3-Z)X'Z
    [구조식 2-6]
    HC(NH2)2PbySn(1-y)X(3-Z)X'Z
    상기 구조식 2-1 내지 2-6에 있어서,
    X 및 상기 X'는 각각 독립적으로 할로겐 이온이고, y는 0 이상 1 이하의 실수이며, z는 0 이상 3 이하의 실수이다.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 광활성층은 금속 화합물을 더 포함하는 것인 태양전지.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 태양전지는 기판을 더 포함하고, 상기 기판 상에 상기 애노드 또는 상기 캐소드가 구비되는 것인 태양전지.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002094085A (ja) * 2000-09-13 2002-03-29 Kyocera Corp 有機太陽電池
KR20140049807A (ko) * 2012-10-18 2014-04-28 서울대학교산학협력단 낮은 최고준위점유분자궤도 에너지 준위의 전자 공여체를 사용한 유기 태양전지에서 Ｓ형태의 전류-전압 그래프를 극복하기 위한 효과적인 ｐ형 도펀트, 레늄 산화물
KR20140072830A (ko) * 2010-10-15 2014-06-13 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시간 광전변환 디바이스에서 광활성 층의 에피택셜 성장을 제어하기 위한 물질
KR20140091488A (ko) * 2013-01-10 2014-07-21 한국화학연구원 내구성과 고성능의 무­유기 하이브리드 태양전지

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070044981A (ko) * 2005-10-26 2007-05-02 삼성전자주식회사 태양전지 구동형 표시소자 및 그의 제조방법
CN103383990A (zh) * 2012-05-02 2013-11-06 友达光电股份有限公司 六氮杂苯并菲衍生物在有机发光元件的应用
JP6069987B2 (ja) 2012-09-12 2017-02-01 日本ゼオン株式会社 ペロブスカイト化合物を用いた光電変換素子の製造方法
JP6069989B2 (ja) 2012-09-12 2017-02-01 日本ゼオン株式会社 ペロブスカイト化合物を用いた光電変換素子の製造方法
JP6074962B2 (ja) 2012-09-13 2017-02-08 日本ゼオン株式会社 ペロブスカイト化合物を用いた光電変換素子およびその製造方法
JP6037215B2 (ja) 2012-09-28 2016-12-07 学校法人桐蔭学園 有機無機ハイブリッド構造からなる光電変換素子
GB2508289B (en) * 2012-10-31 2015-09-30 Lg Display Co Ltd Organic light emitting display device
AU2013365633B2 (en) * 2012-12-20 2017-07-27 Yissum Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem Ltd. Perovskite schottky type solar cell
TWI485154B (zh) * 2013-05-09 2015-05-21 Univ Nat Cheng Kung 具鈣鈦礦結構吸光材料之有機混成太陽能電池及其製造方法
WO2014208713A1 (ja) * 2013-06-27 2014-12-31 王子ホールディングス株式会社 有機薄膜太陽電池および有機薄膜太陽電池の製造方法
EP2846371A1 (en) * 2013-09-10 2015-03-11 Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Inverted solar cell and process for producing the same
CN103700776B (zh) * 2013-12-31 2017-07-14 北京维信诺科技有限公司 一种有机发光显示器件

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002094085A (ja) * 2000-09-13 2002-03-29 Kyocera Corp 有機太陽電池
KR20140072830A (ko) * 2010-10-15 2014-06-13 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 미시간 광전변환 디바이스에서 광활성 층의 에피택셜 성장을 제어하기 위한 물질
KR20140049807A (ko) * 2012-10-18 2014-04-28 서울대학교산학협력단 낮은 최고준위점유분자궤도 에너지 준위의 전자 공여체를 사용한 유기 태양전지에서 Ｓ형태의 전류-전압 그래프를 극복하기 위한 효과적인 ｐ형 도펀트, 레늄 산화물
KR20140091488A (ko) * 2013-01-10 2014-07-21 한국화학연구원 내구성과 고성능의 무­유기 하이브리드 태양전지

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIN-WOOK LEE ET AL.: "High-efficiency perovskite solar cells based on the black polymorph of HC(NH2)2PbI3", ADVANCED MATERIALS, vol. 26, no. 29, 13 June 2014 (2014-06-13), pages 4991 - 4998, Retrieved from the Internet <URL:onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201401137/abstract> *

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