WO2021162215A1 - 페로브스카이트 용액, 이를 이용한 페로브스카이트 막의 제조방법 및 이를 이용한 페로브스카이트 태양전지의 제조방법 - Google Patents

페로브스카이트 용액, 이를 이용한 페로브스카이트 막의 제조방법 및 이를 이용한 페로브스카이트 태양전지의 제조방법 Download PDF

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film
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서장원
양태열
방수미
전남중
신성식
박헬렌혜진
송슬기
김영윤
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한국화학연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a perovskite solution, a method for manufacturing a perovskite film using the same, and a method for manufacturing a perovskite solar cell using the same, and more particularly, to a perovskite solution containing a specific solvent, using the same It relates to a method for manufacturing a perovskite film and a method for manufacturing a perovskite solar cell using the same.
  • the solar cell refers to a cell that generates current-voltage using the photovoltaic effect of absorbing light energy from sunlight to generate electrons and holes.
  • a single junction solar cell including an absorber layer having a relatively large band gap and a single junction solar cell including an absorber layer having a relatively small band gap are interlayer (or junction layer, tunnel junction layer, inter-layer). Tunnel junctions are carried out through the interlayer (or junction layer, tunnel junction layer, inter-layer). Tunnel junctions are carried out through the interlayer (or junction layer, tunnel junction layer, inter-layer). Tunnel junctions are carried out through the interlayer (or junction layer, tunnel junction layer, inter-layer). Tunnel junctions are carried out through the
  • a perovskite/crystalline silicon tandem solar cell using a single junction solar cell including an absorber layer having a relatively large bandgap as a perovskite solar cell achieves a high photoelectric conversion efficiency of 30% or more. It can get a lot of attention.
  • the perovskite solar cell has a layer structure including a cathode, an electron transport layer, a perovskite layer (photoactive layer), a hole transport layer, and an anode.
  • perovskite solar cells are fragile and have low flexibility due to the rigidity of metal oxides such as ITO, FTO and TiO2 used as anode and electron transport layer roll-to-roll Continuous production by (roll-to-roll) process or the like is difficult.
  • metal oxides such as ITO, FTO and TiO2 used as anode and electron transport layer roll-to-roll Continuous production by (roll-to-roll) process or the like is difficult.
  • a high heat treatment temperature of about 500° C. and heat treatment facilities are required, so the conventional perovskite solar cells based on metal oxides have high manufacturing costs due to high temperature heat treatment and inflexibility. And there is a problem that productivity and the like fall.
  • perovskite solar cells based on metal oxides such as TiO2 have low stability to air, so that when exposed to air for a long period of time, deterioration occurs and performance is rapidly reduced.
  • the perovskite solar cell has the advantage of being able to be used in a wide range of applications as a large-area and flexible device because solution processing is possible like an organic solar cell, and thus it is still attracting a lot of attention.
  • the present invention provides a perovskite solution having excellent stability, a high-quality and uniform perovskite film having a large crystal size, economically inexpensive, and an eco-friendly perovskite solution.
  • the present invention also provides a method for producing a perovskite membrane using the perovskite solution of the present invention.
  • the present invention provides a method of manufacturing a perovskite solar cell having excellent photoelectric conversion efficiency and stability.
  • the present invention provides a perovskite solution containing a specific solvent, the perovskite solution of the present invention,
  • Dimethylsulfone is included as a solvent.
  • the solvent according to an embodiment of the present invention may be a mixed solvent further comprising gamma-butyrolactone.
  • the mixed solvent according to an embodiment of the present invention is a mixed solvent of dimethyl sulfone and gamma-butyrolactone, and the molar ratio of dimethyl sulfone and gamma-butyrolactone may be 1: 3 to 9.
  • the perovskite compound prepared by the perovskite precursor according to an embodiment of the present invention may be represented by the following formula (1).
  • R is a C1-C20 alkyl group, a C3-C20 cycloalkyl group, or a C6-C20 aryl group,
  • R 1 to R 5 are each independently hydrogen, a C1-C20 alkyl group, a C3-C20 cycloalkyl group, or a C6-C20 aryl group, M is a divalent metal ion, and X a is is a bromine ion, X b is an iodine ion, and x is a real number such that 0.1 ⁇ x ⁇ 0.3.)
  • the present invention also provides a method for producing a perovskite film using the perovskite solution of the present invention, the method for producing a perovskite film of the present invention,
  • the solvent according to an embodiment of the present invention is gamma-butyrolactone, 2-butoxyethanol, 2-propoxyethanol, acetonitrile, dihydrolevo glucoxenone, dimethyl carbonate, ethylene carbonate, dimethylformamide (DMF) And it may be a mixed solvent further comprising one or two or more solvents selected from propylene carbonate.
  • the perovskite solution according to an embodiment of the present invention is a mixed solvent of dimethyl sulfone and gamma-butyrolactone, and the molar ratio of dimethyl sulfone and gamma-butyrolactone may be 1: 3 to 9.
  • the non-solvent according to an embodiment of the present invention may be one or two or more selected from ethyl acetate, anisole, tert-butanol, butyl acetate, 2-methylanisole, tert-pentanol, and tert-hexanol.
  • the perovskite compound according to an embodiment of the present invention may be of Formula 1 above.
  • the method of manufacturing a perovskite film according to an embodiment of the present invention may further include heat-treating the perovskite film at 100 to 180° C. for 1 to 80 minutes.
  • the present invention provides a method for manufacturing a perovskite solar cell using the perovskite solution of the present invention, the method for manufacturing a perovskite solar cell of the present invention,
  • the perovskite solution of the present invention can control the density and size of the perovskite compound crystals by using a specific solvent, dimethylsulfone, because the solubility of the perovskite compound is high and the solubility can be controlled.
  • the perovskite solution of the present invention has a large and uniform perovskite compound crystal, it is possible to prepare a perovskite film with improved photoelectric conversion efficiency and stability.
  • the dimethyl sulfone solvent used in the perovskite solution of the present invention is inexpensive and harmless compared to the conventional dimethyl sulfoxide, and is odorless, environmentally friendly and economical.
  • the method of manufacturing a perovskite film using the perovskite solution of the present invention and the method of manufacturing a perovskite solar cell are solution processes, and perovskite having extremely improved photoelectric conversion efficiency and stability in an environment-friendly working environment.
  • Membrane and perovskite solar cells can be fabricated.
  • Example 1 is a SEM photograph of a perovskite film prepared with the perovskite solution of Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.
  • the perovskite solution of the present invention a method for manufacturing a perovskite film using the same, and a method for manufacturing a perovskite solar cell using the same will be described in detail, but if there is no other definition in the technical and scientific terms used at this time , has a meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the gist of the present invention in the following description will be omitted.
  • alkyl when the number of carbon atoms is not particularly limited, has 1 to 20 carbon atoms, preferably 1 to 15 carbon atoms, more preferably 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 7 carbon atoms, even more preferably Rho means a saturated straight-chain or branched acyclic hydrocarbon having 1 to 4 carbon atoms.
  • “Lower alkyl” means straight-chain or branched alkyl having 1 to 4 carbon atoms.
  • saturated straight chain alkyls are -methyl, -ethyl, -n-propyl, -n-butyl, -n-pentyl, -n-hexyl, -n-heptyl, -n-octyl, -n-nonyl and -n- contains decyl
  • saturated branched alkyl is -isopropyl, -sec-butyl, -isobutyl, -tert-butyl, isopentyl, 2-methylhexyl, 3-methylbutyl, 2-methylpentyl, 3- Methylpentyl, 4-methylpentyl, 2-methylhexyl, 3-methylhexyl, 2-methylpentyl, 3-methylpentyl, 4-methylpentyl, 2-methylhexyl, 3-methylhexyl, 4-methylpentyl, 2-methylhexyl, 3-methylhexyl, 4-methylhexyl, 5-
  • C1-C6 When described as “C1-C6" in the present specification, it means that the number of carbon atoms is 1 to 6 carbon atoms.
  • C 1 -C 6 alkyl means alkyl having 1 to 6 carbon atoms.
  • halogen and “halo” refer to fluorine, chlorine, bromine or iodine.
  • cycloalkyl refers to a monocyclic or polycyclic saturated ring having carbon and hydrogen atoms and no carbon-carbon multiple bonds.
  • cycloalkyl groups include, but are not limited to, (C3-C10)cycloalkyl (eg, cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, and cycloheptyl). Cycloalkyl groups may be optionally substituted.
  • the cycloalkyl group is a monocyclic or bicyclic ring (ring).
  • aryl refers to a carbocyclic aromatic group containing 6 to 12 ring atoms. Representative examples include phenyl, tolyl, xylyl, naphthyl, tetrahydronaphthyl, anthracenyl, fluorenyl, indenyl, azulenyl, etc. including, but not limited to. Carbocyclic aromatic groups may be optionally substituted.
  • the present invention provides a perovskite solution comprising a specific solvent, dimethylsulfone.
  • the perovskite solution according to an embodiment of the present invention has high solubility by including dimethylsulfone, a specific solvent, so that the crystal size is large and a uniform perovskite film is prepared by controlling the solubility of the perovskite compound.
  • DMSO which is a conventional solvent
  • the bond with the perovskite compound is weak, and the solvent can be easily removed, so that a high-quality perovskite membrane can be prepared.
  • the perovskite solution of the present invention contains dimethyl sulfone, which is present as a solid in powder form at room temperature, as a solvent, so that it is very easy to remove the solvent after forming the perovskite film. Therefore, it is possible to prepare a more improved perovskite film and perovskite solar cell compared to the conventional dimethyl sulfoxide (DMSO), which is a solid at room temperature.
  • DMSO dimethyl sulfoxide
  • dimethyl sulfone (DMS) according to an embodiment of the present invention is odorless, inexpensive, and has low toxicity, so it is more eco-friendly and economical compared to conventional dimethyl sulfoxide (DMSO).
  • the solvent according to an embodiment of the present invention is gamma-butyrolactone, 2-butoxyethanol, 2-propoxyethanol, acetonitrile, dihydrolevo glucoxenone, dimethyl carbonate, ethylene carbonate, dimethylformamide and It may be a mixed solvent further comprising one or two or more solvents selected from propylene carbonate, and more preferably, the mixed solvent may be a mixed solvent of dimethyl sulfone and gamma-butyrolactone.
  • the molar ratio of dimethyl sulfone and gamma-butyrolactone is 1: 3 to 9, and more preferably 1: 4 to 8 in terms of having excellent photoelectric conversion efficiency and high thermal stability.
  • the perovskite solution according to an embodiment of the present invention uses a mixed solvent of dimethyl sulfone and gamma-butyrolactone, so that a perovskite film having large and uniform perovskite crystal grains can be prepared.
  • the lobskite thin film has excellent thermal stability and durability, and furthermore, it is eco-friendly and economical.
  • the non-solvent according to an embodiment of the present invention may be one or two or more selected from ethyl acetate, anisole, tert-butanol, butyl acetate, 2-methylanisole, tert-pentanol and tert-hexanol, and perovs
  • it may be one or two or more selected from anisole, ethyl acetate, tert-butanol, tert-pentanol and butyl acetate.
  • the method for producing a perovskite film according to an embodiment of the present invention is to prepare a perovskite film having more improved properties by using a combination of a specific solvent controlled with dimethylsulfone and a non-solvent as a solvent of the perovskite solution. can do.
  • the mass ratio of the perovskite compound and the mixed solvent according to an embodiment of the present invention may be 10: 90 to 90: 10, and more preferably 30: 70 to 70: It can be 30 days.
  • the perovskite compound according to an embodiment of the present invention may be any compound capable of forming a perovskite structure.
  • it refers to a compound containing a monovalent organic cation, a divalent metal cation and a halogen anion as an example, and having a perovskite structure.
  • the compound having a perovskite structure of the present invention may be one or two or more materials selected from perovskite compounds satisfying the following Chemical Formulas 11 to 12.
  • A is a monovalent organic ammonium ion or Cs+, M is a divalent metal ion, and X is a halogen ion.
  • A is a monovalent organic ammonium ion or Cs+, M is a divalent metal ion, and X is a halogen ion.
  • M is located at the center of the unit cell in the perovskite structure
  • X is located at the center of each side of the unit cell to form an octahedron structure with M as the center
  • A may be located at each corner of the unit cell.
  • the perovskite compound may be each independently selected from one or two or more compounds satisfying the following Chemical Formulas 13 to 16.
  • R 11 is C1-C20 alkyl, C3-C20 cycloalkyl, or C6-C20 aryl
  • M is Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Ge 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ and one or more metal ions selected from Yb 2+
  • X is one or two from Cl - , Br - and I - These are the selected halogen ions.
  • R 11 is C1-C20 alkyl, C3-C20 cycloalkyl, or C6-C20 aryl
  • M is Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Ge 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ and one or more metal ions selected from Yb 2+
  • X is one or two from Cl - , Br - and I - These are the selected halogen ions.
  • R 12 is C1-C20 alkyl, C3-C20 cycloalkyl or C6-C20 aryl
  • R 13 is hydrogen or C1-C24 alkyl
  • M is Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Ge 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ and Yb 2+ are one or more metal ions selected from
  • X is one or more halogen ions selected from Cl - , Br - and I -.
  • R 12 is C1-C20 alkyl, C3-C20 cycloalkyl, or C6-C20 aryl
  • R 13 is hydrogen or C1-C20 alkyl
  • M is Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Ge 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ and Yb 2+ are one or more metal ions selected from
  • X is one or more halogen ions selected from Cl - , Br - and I -.
  • the general formula 13 or the formula 14 R 1 is alkyl of C1-C10, preferably from C1-C7 alkyl, more preferably from can be a methyl.
  • R 12 may be C1-C20 alkyl and R 13 may be hydrogen or C1-C20 alkyl, preferably R 12 may be C1-C7 alkyl and R 13 is hydrogen or C1-C7-alkyl may be, more preferably from R 12 may be methyl, and R 13 may be hydrogen.
  • the perovskite compound of the present invention may be represented by the following formula (1).
  • R is a C1-C20 alkyl group, a C3-C20 cycloalkyl group, or a C6-C20 aryl group,
  • R 1 to R 5 are each independently hydrogen, a C1-C20 alkyl group, a C3-C20 cycloalkyl group, or a C6-C20 aryl group, M is a divalent metal ion, X a is a bromine ion, X b is an iodine ion, x is a real number with 0 ⁇ x ⁇ 1, and y is an integer from 0 to 3.)
  • R is a C1-C20 alkyl group
  • R 1 to R 5 are each independently hydrogen, a C1-C20 alkyl group
  • M is a divalent metal ion
  • X a is an iodine ion
  • X b is a bromine ion
  • x may be a real number of 0 ⁇ x ⁇ 0.3
  • R is a C1-C10 alkyl group
  • R 1 to R 5 are each independently hydrogen, C1-C10 alkyl group
  • M is Cu 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ , Cr 2+ , Pd 2+ , Cd 2+ , Ge 2+ , Sn 2+ , Pb 2+ or Yb 2+ , preferably Pb 2+
  • X a is an iodine ion
  • X b is a bromine ion
  • x may be a real number of 0 ⁇ x ⁇ 0.3
  • NH 2 CH NH 2 PbI x Br y
  • NH 2 C(CH 3 ) NH 2 PbI x Br y
  • NH 2 CH 2 CH 2 NH 2 PbI x Br y
  • the present invention also provides a method for producing a perovskite film using the perovskite solution of the present invention, the method for producing a perovskite film of the present invention,
  • the method for producing a perovskite membrane according to an embodiment of the present invention uses a perovskite solution containing a specific solvent, dimethylsulfone, to have high solubility and control the solubility of a high-density perovskite membrane is possible
  • the perovskite film prepared by using the perovskite solution containing dimethyl sulfone as a specific solvent of the present invention has excellent photoelectric conversion efficiency and thermal stability, and has improved lifespan characteristics.
  • the method for producing a perovskite film of the present invention uses DMS, an eco-friendly solvent, as an essential solvent instead of DMSO, which is a conventionally used solvent, so that the photoelectric conversion efficiency is equal or superior, and stability is extremely improved. It is very economical and eco-friendly because it is possible to manufacture lobskite solar cells and the price is low.
  • the solvent according to an embodiment of the present invention is one selected from gamma-butyrolactone, 2-butoxyethanol, 2-propoxyethanol, acetonitrile, dihydrolevo glucoxenone, dimethyl carbonate, ethylene carbonate, and propylene carbonate. Or it may be a mixed solvent further comprising two or more solvents, preferably gamma-butyrolactone, acetonitrile, 2-propoxyethanol, dihydrolevo glucoxenone, or a mixture thereof.
  • the perovskite solution may have a mass ratio of the perovskite compound and the mixed solvent of 10: 90 to 90: 10, more preferably 30: 70 to 70: 30.
  • the mixed solvent according to an embodiment of the present invention is a mixed solvent of dimethyl sulfone and gamma-butyrolactone, and the molar ratio of dimethyl sulfone and gamma-butyrolactone may be 1: 3 to 9, preferably 1: 4 to 8 can be
  • the non-solvent according to an embodiment of the present invention may be one or two or more selected from anisole, ethyl acetate, tert-butanol, butyl acetate, 2-methylanisole, tert-pentanol and tert-hexanol, and more particles It may be one or two or more selected from anisole, ethyl acetate, tert-butanol, tert-pentanol and butyl acetate in terms of obtaining a large and uniform perovskite film and easy removal.
  • the method of manufacturing a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention may further include a step of heat treatment at 100 to 180 ° C. for 1 minute to 80 minutes after the step of treating with a non-solvent, preferably 120 to It may include the step of heat-treating at 150 °C for 5 minutes to 30 minutes.
  • the perovskite compound in a preferred combination with dimethylsulfone as a specific solvent may be represented by the above formula (1).
  • the coating according to an embodiment of the present invention may be carried out at 100 to 180 ° C. for 10 seconds to 60 minutes, preferably at 120 to 150 ° C. for 10 seconds to 30 minutes, and the coating is screen printing.
  • spin coating, bar-coating, gravure-coating, blade coating, and roll-coating may be performed by one or two or more methods selected from, but not limited thereto.
  • the present invention also provides a method for manufacturing a perovskite solar cell using the method for manufacturing a perovskite film of the present invention.
  • the perovskite solar cell includes a first electrode, an electron transport layer formed on the first electrode, and a perovskite solution formed on the electron transport layer.
  • a light absorption layer including a skyte film, formed on the light absorption layer may include a hole transport layer and a second electrode formed on the hole transport layer.
  • the first electrode according to an embodiment of the present invention may be any conductive electrode that is ohmically bonded to the electron transport layer
  • the second electrode may be any conductive electrode that is ohmically bonded to the hole transport layer.
  • the first electrode and the second electrode may be used as long as they are materials commonly used as electrode materials for the front electrode or the rear electrode in the solar cell.
  • the first electrode and the second electrode are electrode materials of the rear electrode
  • the first electrode and the second electrode are gold, silver, platinum, palladium, copper, aluminum, carbon, cobalt sulfide, copper sulfide, It may be one or more materials selected from nickel oxide and composites thereof.
  • the first electrode and the second electrode are transparent electrodes, the first electrode and the second electrode are fluorine-containing tin oxide (FTO), indium-containing tin oxide (ITO; indium doped tin oxide).
  • Oxide), ZnO, CNT (carbon nanotube), may be an inorganic conductive electrode such as graphene (Graphene), may be an organic conductive electrode such as PEDOT:PSS.
  • the first electrode and the second electrode are transparent electrodes, and when the first electrode and the second electrode are organic conductive electrodes, it is better than when providing a flexible solar cell or a transparent solar cell .
  • the first electrode may be formed using deposition or coating on a rigid substrate or a flexible substrate.
  • the deposition may be formed using physical vapor deposition or chemical vapor deposition, and may be formed by thermal evaporation.
  • the application may be performed by applying a solution of an electrode material or a dispersion of an electrode material to a substrate and then drying, or optionally, heat-treating the dried film.
  • the first electrode and the second electrode may be formed using a method used for forming a front electrode or a rear electrode in a conventional solar cell.
  • the electron transport layer formed on the first electrode of the present invention may be an electron conductive organic layer or an inorganic layer.
  • the electron conductive organic material may be an organic material used as an n-type semiconductor in a typical organic solar cell.
  • the electronically conductive organic material is fullerene (C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM ([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester) and C71-PCBM, Fulleren-derivative, including C84-PCBM, PC70BM ([6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester), PBI (polybenzimidazole), PTCBI (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole) , F4-TCNQ (tetra uorotetracyanoquinodimethane) or a mixture thereof.
  • the electron-conducting inorganic material may be an electron-conducting metal oxide used for electron transfer in a conventional quantum dot-based solar cell or a dye-sensitized solar cell.
  • the electron conductive metal oxide may be an n-type metal oxide semiconductor.
  • the n-type metal oxide semiconductor include Ti oxide, Zn oxide, In oxide, Sn oxide, W oxide, Nb oxide, Mo oxide, Mg oxide, Ba oxide, Zr oxide, Sr oxide, Yr oxide, La
  • One or more materials selected from oxide, V oxide, Al oxide, Y oxide, Sc oxide, Sm oxide, Ga oxide, In oxide and SrTi oxide may be mentioned, and mixtures or composites thereof may be used. have.
  • the hole transport layer of the perovskite solar cell necessarily includes a hole transport material compound, and may include it alone, and in addition to the hole transport material, an organic hole transport material, an inorganic hole transport material, or It may further include a mixture thereof.
  • the hole transport material is an inorganic hole transport material
  • the inorganic hole transport material may be an oxide semiconductor, a sulfide semiconductor, a halide semiconductor, or a mixture thereof having hole conductivity, that is, a p-type semiconductor.
  • oxide semiconductor examples include NiO, CuO, CuAlO 2 , and CuGaO 2
  • sulfide semiconductor examples include PbS
  • the example of the halide semiconductor examples include PbI 2 , but is not limited thereto.
  • the hole transport material is an organic hole transport material
  • it may include a single molecule or a high molecular organic hole transport material (hole conductive organic material).
  • the organic hole transport material can be used as long as it is an organic hole transport material used in conventional inorganic semiconductor-based solar cells using inorganic semiconductor quantum dots as dyes.
  • Non-limiting examples of single to low molecular weight organic hole transport materials include pentacene, coumarin 6, 3-(2-benzothiazolyl)-7-(diethylamino)coumarin), ZnPC (zinc phthalocyanine), CuPC (copper phthalocyanine), TiOPC (titanium oxide phthalocyanine), Spiro-MeOTAD(2,2',7,7'-tetrakis(N,Np-dimethoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene), F16CuPC(copper(II) 1 ,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro-29H,31H-phthalocyanine), SubPc (boron subphthalocyanine chloride) and N3 (cis) -di(thiocyanato)-bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarbox
  • the hole transport layer according to an embodiment of the present invention may be formed by a solution process using a hole transport material.
  • the solution process performed according to an embodiment of the present invention is, for example, screen printing, spin coating, bar-coating, gravure-coating, blade coating. ) and roll-coating (Roll coating), but is not limited thereto.
  • a perovskite solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that DMS:DMF (molar ratio: 1:8) was used instead of DMS:gamma-butyrolactone (GBL) in Example 1.
  • Example 1 a perovskite solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that DMSO:DMF was used instead of DMS:gamma-butyrolactone.
  • a perovskite solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that DMSO:gamma-butyrolactone was used instead of DMS:gamma-butyrolactone in Example 1.
  • FTO substrate first electrode
  • a metal oxide thin film on the cut portion, and etching FTO substrate was prepared a film of 50 nm thick TiO 2 by spray pyrolysis dense. Spray pyrolysis was performed using 20 mM titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) solution (Aldrich), and the thickness was controlled by repeating the method of spraying for 3 seconds on the FTO substrate placed on a hot plate maintained at 450 °C and stopping for 10 seconds. did.
  • TiO 2 powder with an average particle size (diameter) of 50 nm prepared by hydrothermal treatment of an aqueous titanium peroxocomplex solution in which 1 wt% of TiO 2 is dissolved at 250 ° C for 12 hours), ethyl cellulose is 10 wt % acetate the ethyl cellulose solution in an alcohol, then a solution was added 5 ml per TiO 2 powder 1g, adding the hotel pinol (terpinol) 5 g per 1 g TiO 2 powder, and the ethanol removed by vacuum distillation TiO 2 A paste was prepared.
  • 2-methoxyethanol was added to the prepared TiO 2 powder paste to prepare a TiO 2 slurry for spin coating.
  • spin coating method using TiO 2 slurry for spin coating heat treatment at 500 °C for 60 minutes, immerse the heat-treated substrate in 30 mM TiCl 4 aqueous solution at 60 °C, 30 minutes After leaving for a while, it was washed with deionized water and ethanol, dried, and again heat-treated at 500° C. for 30 minutes to prepare a porous TiO 2 thin film (porous electron transporter, thickness; 100 nm).
  • the porous TiO 2 thin-film substrate (mp-TiO 2 / bl- TiO 2 / FTO) were prepared in heat-treated at 150 °C for 10 minutes.
  • the perovskite solutions prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were coated at 1000 rpm for 10 seconds, then coated at 5000 rpm for 20 seconds, and dried at 150° C. for 10 minutes.
  • a perovskite film was prepared.
  • 0.3 mL of ethyl acetate was dripped onto the substrate in the second spin coating step.
  • each of Spiro-OMeTAD was dissolved in chlorobenzene to prepare a hole conductor solution with a concentration of 89 mg/ml, and 23 ⁇ l Li-bis(trifluoromethanesulfonyl) imide (Li-TFSI)/acetonitrile (Li-TFSI)/acetonitrile ( 540 mg/1 ml), 39 ⁇ l TBP(4-tert-Butylpyridine), 10 ⁇ l FK209(Tris(2-(1H-pyrazol-1-yl)-4-tert-butylpyridine)-cobalt(III)Tris(bis) (trifluoromethylsulfonyl)imide)/
  • a hole conductive layer solution was prepared by adding acetonitrile (376 mg/1 ml).
  • the hole conducting layer solution prepared above was spin-coated at 2000 rpm for 30 seconds on the composite layer on which the perovskite film prepared above was formed on the prepared porous electrode to form a hole conducting layer. Then, Au/Spiro-OMeTAD was formed by vacuum-depositing Au on the hole conducting layer with a thermal evaporator of high vacuum (5x10 -6 torr or less) to form an Au electrode (second electrode) having a thickness of 70 nm.
  • / (FAPbI 3) / (HTM ) / mp-TiO 2 / bl-TiO 2 / FTO was prepared in the form of solar cells. The active area of these electrodes was 0.16 cm 2 .
  • the characteristics of the prepared solar cell are shown in Table 1 and FIG. 1 below.
  • Example 3 the perovkite solution of Example 1 was used, and 0.3 mL of the non-solvent as shown in Table 2 below was dripped onto the substrate in the second spin coating step when the perovskite film was prepared.
  • a perovskite solar cell was prepared in the same manner as in 3, and the properties are shown in Table 2.
  • the perovskite solar cell containing DMS of the present invention has better properties than ethyl acetate and anisole, which are environmentally friendly non-solvents.
  • the photoelectric conversion efficiency of the perovskite solar cell of Example 3 of the present invention did not change significantly over time and maintained high photoelectric conversion efficiency compared to the initial value, but the photoelectric conversion efficiency of Comparative Example 2 It can be seen that the conversion efficiency is markedly lowered in the initial stage and significantly decreased after 3 days.

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Abstract

본 발명은 페로브스카이트 용액, 이를 이용하는 페로브스카이트 막의 제조방법 및 이를 이용하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게 본 발명은 페로브스카이트 화합물 및 용매로 디메틸술폰을 포함하는 페로브스카이트 용액. 이를 이용하는 페로브스카이트 막의 제조방법 및 이를 이용하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공한다.

Description

페로브스카이트 용액, 이를 이용한 페로브스카이트 막의 제조방법 및 이를 이용한 페로브스카이트 태양전지의 제조방법
본 발명은 페로브스카이트 용액, 이를 이용하는 페로브스카이트 막의 제조방법 및 이를 이용하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 특정한 용매를 포함하는 페로브스카이트 용액, 이를 이용하는 페로브스카이트 막의 제조방법 및 이를 이용하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
최근 재생 가능한 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이중 태양광으로부터 직접 전기적 에너지를 변화시키는 태양전지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다.
태양전지란 태양광으로부터 광 에너지를 흡수하여 전자와 정공을 발생시키는 광기전 효과를 이용하여 전류-전압을 생성하는 전지를 의미한다.
즉, 태양전지는 상대적으로 큰 밴드갭을 갖는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지와 상대적으로 밴드갭이 작은 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지가 중간층(또는 접합층, 터널 접합층, inter-layer 라고도 한다)을 매개로 하여 터널 접합된다.
이에 따라 상대적으로 큰 밴드갭을 가지는 흡수층을 포함하는 단일접합 태양전지를 페로브스카이트(perovskite) 태양전지로 사용하는 페로브스카이트/결정질 실리콘 텐덤 태양전지는 30% 이상의 높은 광전 변환 효율을 달성할 수 있어 많은 주목을 받고 있다.
페로브스카이트 태양전지는 음극, 전자 수송층, 페로브스카이트층(광활성층), 정공 수송층 및 양극을 포함하는 층 구조를 갖는다.
그러나 높은 광전 변환 효율을 가짐에도 불구하고 페로브스카이트 태양전지는 음극과 전자 수송층으로 사용된 ITO, FTO 및 TiO2 등의 금속산화물이 강성(rigidity)으로서, 깨지기 쉽고 유연성이 낮아 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정 등에 의한 연속적인 생산이 어렵다. 또한, TiO2을 음극 상에 박막으로 형성하기 위해서는 약 500℃의 높은 열처리 온도와 열처리 설비가 필요함에 따라 금속산화물을 기반으로 하는 종래의 페로브스카이트 태양전지는 고온 열처리 및 비유연성 등으로 제조비용 및 생산성 등이 떨어지는 문제점이 있다.
더구나 TiO2 등의 금속산화물을 기반으로 하는 페로브스카이트 태양전지는 공기에 대한 안정성이 낮아 공기 중에서 장기간 노출될 경우 열화가 발생되어 성능이 급격하게 저하되는 문제점을 가진다.
이러한 문제점에도 불구하고, 페로브스카이트 태양전지는 유기태양전지와 같이 용액 공정이 가능하기 때문에 대면적 및 플랙서블 소자로의 다양한 활용이 가능한 장점을 가지고 있어, 여전히 많은 주목을 받고 있다.
상기에 언급한 바와 같은 문제점을 극복하는 동시에 높은 광전 변환 효율을 유지할 수 있는 페로브스카이트 태양전지에 대한 연구가 필요한 실정이다.
특히 페로브스카이트 태양전지에서 고효율을 달성하기 위한 핵심 기술이 균일한 페로브스카이트 막의 제조에 기인함으로 균일한 페로브스카이트 막을 제조하기 위한 기술개발이 절실하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 극복하고자 안정성이 우수하며, 결정크기가 크고 균일한 양질의 페로브스카이트 막을 제조할 수 있으며, 경제적으로 저렴하고, 친환경적인 페로브스카이트 용액을 제공한다.
또한 본 발명은 본 발명의 페로브스카이트 용액을 이용하는 페로브스카이트 막의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 우수한 광전변환효율 및 안정성이 우수한 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 특정한 용매를 포함하는 페로브스카이트 용액을 제공하는 것으로, 본 발명의 페로브스카이트 용액은,
페로브스카이트 화합물; 및
용매로 디메틸술폰을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용매는 감마-부티로락톤을 더 포함하는 혼합용매일 수 있다.
바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합용매는 디메틸술폰과 감마-부티로락톤의 혼합용매로 디메틸술폰과 감마-부티로락톤은 몰비가 1: 3 내지 9일 수 있다.
바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 전구체에 의해 제조된 페로브스카이트 화합물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
(R-NH 3 +) 1-x(
Figure PCTKR2020017143-appb-img-000001
) xM(X a (1-x)X b x) 3
(화학식 1에서, R은 C1-C20의 알킬기, C3-C20의 시클로알킬기 또는 C6-C20의 아릴기이며,
R 1 내지 R 5는 서로 독립적으로, 수소, C1-C20의 알킬기, C3-C20의 시클로알킬기 또는 C6-C20의 아릴기이고, M은 2가의 금속 이온이며, X a는 브롬 이온이고, X b는 요오드 이온이며, x는 0.1≤x≤0.3인 실수이다.)
또한 본 발명은 본 발명의 페로브스카이트 용액을 이용하는 페로브스카이트 막의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명의 페로브스카이트 막의 제조방법은,
페로브스카이트 화합물을 디메틸술폰을 포함하는 용매에 첨가하여 페로브스카이트 용액을 제조하는 단계;
기재 상에 상기 페로브스카이트 용액을 코팅하여 박막을 제조하는 단계; 및
상기 박막을 비용매로 처리하여 페로브스카이트 막을 제조하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용매는 감마-부티로락톤, 2-부톡시에탄올, 2-프로폭시에탄올, 아세토니트릴, 디하이드로레보그루코세논, 디메틸카보네이트, 에틸렌카보네이트, 디메틸폼아마이드(DMF) 및 프로필렌카보네이트에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 용매를 더 포함하는 혼합용매일 수 있다.
바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 용액은 디메틸술폰과 감마-부티로락톤의 혼합용매로 디메틸술폰과 감마-부티로락톤의 몰비가 1: 3 내지 9일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비용매는 에틸아세테이트, 아니솔, tert-부탄올, 부틸아세테이트, 2-메틸아니솔, tert-펜탄올 및 tert-헥산올에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 화합물은 상기 화학식 1일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 막의 제조방법은 페로브스카이트 막을 100 내지 180℃에서 1 내지 80분동안 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 본 발명의 페로브스카이트 용액을 이용하는 페로브스카이트태양전지의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명의 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은,
페로브스카이트 화합물을 디메틸술폰을 포함하는 용매에 첨가하여 페로브스카이트 용액을 제조하는 단계;
제1 전극상에 상기 페로브스카이트 용액을 코팅하여 박막을 제조하는 단계;
상기 박막을 비용매로 처리하여 페로브스카이트 막을 제조하는 단계; 및
상기 페로브스카이트 막상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 페로브스카이트 용액은 특정용매인 디메틸술폰을 사용함으로써 페로브스카이트 화합물의 용해도가 높아 용해도 조절이 가능함으로써 페로브스카이트 화합물 결정의 밀도 및 크기를 조절할 수 있다.
또한 본 발명의 페로브스카이트 용액은 페로브스카이트 화합물 결정의 크기가 크고 균일하여 광전 변환 효율 및 안정성이 향상된 페로브스카이트 막의 제조가 가능하다.
또한 본 발명의 페로브스카이트 용액에 사용되는 디메틸술폰 용매는 종래의디메틸술폭사이드와 대비하여 값이 저렴하고 무해하며, 무취로 친환경적이고 경제적이다.
따라서 본 발명의 페로브스카이트 용액을 이용하는 페로브스카이트 막의 제조방법 및 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은 용액공정으로 친환경적인 작업환경에서 극히 향상된 광전변환효율 및 안정성을 갖는 페로브스카이트 막 및 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 페로브스카이트 용액으로 제조된 페로브스카이트 막의 SEM사진이다.
이하 본 발명의 페로브스카이트 용액, 이를 이용하는 페로브스카이트 막의 제조방법 및 이를 이용하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법에 대하여 상술하나, 이때 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "알킬"은 (탄소수가 특별히 한정되지 않은 경우) 탄소수 1 내지 20, 바람직하게 탄소수 1 내지 15, 보다 바람직하게 탄소수 1 내지 10, 보다 좋기로는 탄소수 1 내지 7, 더욱 좋기로는 탄소수 1 내지 4를 가진 포화된 직쇄상 또는 분지상의 비-고리(cyclic) 탄화수소를 의미한다. "저급 알킬"은 탄소수가 1 내지 4인 직쇄상 또는 분지상 알킬을 의미한다. 대표적인 포화 직쇄상 알킬은 -메틸, -에틸, -n-프로필, -n-부틸, -n-펜틸, -n-헥실, -n-헵틸, -n-옥틸, -n-노닐 과 -n-데실을 포함하고, 반면에 포화 분지상 알킬은 -이소프로필, -sec-부틸, -이소부틸, -tert-부틸, 이소펜틸, 2-메틸헥실, 3-메틸부틸, 2-메틸펜틸, 3-메틸펜틸, 4-메틸펜틸, 2-메틸헥실, 3-메틸헥실, 2-메틸펜틸, 3-메틸펜틸, 4-메틸펜틸, 2-메틸헥실, 3-메틸헥실, 4-메틸헥실, 5- 메틸헥실, 2,3-디메틸부틸, 2,3-디메틸펜틸, 2,4-디메틸펜틸, 2,3-디메틸헥실, 2,4-디메틸헥실, 2,5-디메틸헥실, 2,2-디메틸펜틸, 2,2-디메틸헥실, 3,3-디메틸펜틸, 3,3-디메틸헥실, 4,4-디메틸헥실, 2-에틸펜틸, 3-에틸펜틸, 2-데틸헥실, 3-에틸헥실, 4-에틸헥실, 2-메틸-2-에틸펜틸, 2-메틸-3-에틸펜틸, 2-메틸-4-에틸펜틸, 2-메틸-2-에틸헥실, 2-메틸-3-에틸헥실, 2-메틸-4-에틸헥실, 2,2-디에틸펜틸, 3,3-디에틸헥실, 2,2-디에틸헥실, 및 3,3-디에틸헥실을 포함한다.
본 명세서에서 "C1-C6"와 같이 기재될 경우 이는 탄소수가 1 내지 6개임을 의미한다. 예를 들어, C1-C6알킬은 탄소수가 1 내지 6인 알킬을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "할로겐" 및 "할로"는 플루오린, 클로린, 브로민 또는 아이오딘을 의미한다.
본 명세서에 사용된 용어 "시클로알킬(cycloalkyl)"은 탄소 및 수소 원자를 가지며 탄소-탄소 다중 결합을 가지지 않는 모노시클릭 또는 폴리시클릭 포화 고리(ring)를 의미한다. 시클로알킬 그룹의 예는 (C3-C10)시클로알킬(예를 들어, 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 시클로헥실 및 시클로헵틸)을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 시클로알킬 그룹은 선택적으로 치환될 수 있다. 일 실시예에서, 시클로알킬 그룹은 모노시클릭 또는 바이시클릭 링(고리)이다.
본 명세서에서 사용된 용어 "아릴"은 6 내지 12의 고리 원자를 함유하는 탄소고리 방향족 그룹을 의미한다. 대표적인 예는 페닐, 톨일(tolyl), 자이릴(xylyl), 나프틸, 테트라하이드로나프틸, 안트라세닐(anthracenyl), 플루오레닐(fluorenyl), 인데닐(indenyl), 아주레닐(azulenyl) 등을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 탄소고리 방향족 그룹은 선택적으로 치환될 수 있다.
본 발명은 특정한 용매인 디메틸술폰을 포함하는 페로브스카이트 용액을 제공한다.
본 발명의 페로브스카이트 용액은,
페로브스카이트 화합물; 및
용매로 디메틸술폰;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 용액은 특정한 용매인 디메틸술폰을 포함함으로써 높은 용해도를 가져 페로브스카이트 화합물의 용해도를 조절함으로써 결정의 크기가 크고 균일한 페로브스카이트 막을 제조할 수 있으며, 종래의 용매인 DMSO 등과 대비해 페로브스카이트 화합물과의 결합이 약해 용이하게 용매제거가 가능해 양질의 페로브스카이트 막을 제조할 수 있다.
또한 본 발명의 페로브스카이트 용액은 상온에서 파우더형태인 고체로 존재하는 디메틸술폰을 용매로 포함함으로써 페로브스카이트 막 형성 후 용매의 제거가 매우 용이하다. 따라서 종래의 상온에서 고체인 디메틸설폭사이드(DMSO)와 대비하여 보다 향상된 페로브스카이트 막 및 페로브스카이트 태양전지의 제조가 가능하다.
더불어 본 발명의 일 실시예에 따른 디메틸술폰(DMS)은 무취로 값이 저렴하고 유해도가 낮아 종래의 디메틸설폭사이드(DMSO) 등과 대비하여 보다 친환경적이며, 경제적이다.
바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 용매는 감마-부티로락톤, 2-부톡시에탄올, 2-프로폭시에탄올, 아세토니트릴, 디하이드로레보그루코세논, 디메틸카보네이트, 에틸렌카보네이트, 디메틸폼아마이드 및 프로필렌카보네이트에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 용매를 더 포함하는 혼합용매일 수 있으며, 보다 바람직하게 혼합용매는 디메틸술폰과 감마-부티로락톤의 혼합용매일 수 있다.
바람직하게 디메틸술폰과 감마-부티로락톤의 몰비가 1: 3 내지 9이며, 우수한 광전 변환 효율을 가지는 동시에 높은 열안정성을 가지기위한 측면에서 보다 바람직하게 1: 4 내지 8일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 용액은 디메틸술폰과 감마-부티로락톤의 혼합용매를 사용함으로서 페르보스카이트 결정입자가 크고 균일한 페로브스카이트 막을 제조할 수 있으며, 제조된 페로브스카이트 박막은 열안정성 및 내구성이 우수하고 나아가 친환경적이고 경제적이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비용매는 에틸아세테이트, 아니솔, tert-부탄올, 부틸아세테이트, 2-메틸아니솔, tert-펜탄올 및 tert-헥산올 에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 페로브스카이트 결정 입자크기가 크고 균일한 페로브스카이트 막을 제조하기 위한 측면에서 아니솔, 에틸아세테아트, tert-부탄올, tert-펜탄올 및 부틸아세테이트에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 막의 제조방법은 페로브스카이트 용액의 용매로 디메틸술폰 및 비용매로 제어된 특정한 용매의 조합을 사용함으로써 보다 향상된 특성을 가지는 페로브스카이트 막을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 화합물과 혼합용매는 질량비가 10: 90 내지 90: 10일 수 있으며, 보다 우수한 용해도 및 밀도를 가지기위한 측면에서 보다 바람직하게는 30: 70 내지 70: 30일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 화합물은 페로브스카이트 구조를 형성할 수 있는 화합물이라면 모두 가능하다.
일례로, 일례로 1가의 유기 양이온, 2가의 금속 양이온 및 할로겐 음이온을 함유하며, 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물을 의미한다.
구체적인 일례로 본 발명의 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물은 하기 화학식 11 내지 12를 만족하는 페로브스카이트 화합물에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 물질일 수 있다.
[화학식 11]
AMX 3
(화학식 11에서 A는 1가의 유기 암모늄 이온 또는 Cs+이며, M은 2가의 금속 이온이며, X는 할로겐 이온이다.)
[화학식 12]
A 2MX 4
(화학식 12에서 A는 1가의 유기 암모늄 이온 또는 Cs+이며, M은 2가의 금속 이온이며, X는 할로겐 이온이다.)
이때, M은 페로브스카이트 구조에서 단위셀(unit cell)의 중심에 위치하며, X는 단위셀의 각 면 중심에 위치하여, M을 중심으로 옥타헤드론(octahedron) 구조를 형성하며, A는 단위셀의 각 코너(corner)에 위치할 수 있다.
상세하게, 페로브스카이트 화합물은 서로 독립적으로, 하기 화학식 13 내지 16을 만족하는 화합물에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.
[화학식 13]
(R 11-NH 3 +)MX 3
(화학식 13에서 R 11은 C1-C20의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이며, M은 Cu 2+, Ni 2+, Co 2+, Fe 2+, Mn 2+, Cr 2+, Pd 2+, Cd 2+, Ge 2+, Sn 2+, Pb 2+ 및 Yb 2+에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속 이온이며, X는 Cl -, Br - 및 I -에서 하나 또는 둘 이상 선택된 할로겐 이온이다.)
[화학식 14]
(R 11-NH 3 +) 2MX 4
(화학식 14에서 R 11은 C1-C20의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이며, M은 Cu 2+, Ni 2+, Co 2+, Fe 2+, Mn 2+, Cr 2+, Pd 2+, Cd 2+, Ge 2+, Sn 2+, Pb 2+ 및 Yb 2+에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속 이온이며, X는 Cl -, Br - 및 I -에서 하나 또는 둘 이상 선택된 할로겐 이온이다.)
[화학식 15]
(R 12-C 3H 3N 2 +-R 13)MX 3
(화학식 15에서 R 12는 C1-C20의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이며, R 13은 수소 또는 C1-C24의 알킬이며, M은 Cu 2+, Ni 2+, Co 2+, Fe 2+, Mn 2+, Cr 2+, Pd 2+, Cd 2+, Ge 2+, Sn 2+, Pb 2+ 및 Yb 2+에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속 이온이며, X는 Cl -, Br - 및 I -에서 하나 또는 둘 이상 선택된 할로겐 이온이다.)
[화학식16]
(R 12-C 3H 3N 2 +-R 3) 2MX 4
(화학식 16에서 R 12는 C1-C20의 알킬, C3-C20의 시클로알킬 또는 C6-C20의 아릴이며, R 13은 수소 또는 C1-C20의 알킬이며, M은 Cu 2+, Ni 2+, Co 2+, Fe 2+, Mn 2+, Cr 2+, Pd 2+, Cd 2+, Ge 2+, Sn 2+, Pb 2+ 및 Yb 2+에서 하나 또는 둘 이상 선택된 금속 이온이며, X는 Cl -, Br - 및 I -에서 하나 또는 둘 이상 선택된 할로겐 이온이다.)
일례로, 페로브스카이트 구조의 화합물은 AMX a xX b y 혹은 A 2MX a xX b y(0<x<3인 실수, 0<y<3인 실수, x+y=3이며, X a와 X b는 서로 상이한 할로겐이온)일 수 있다.
일례로, 화학식 13 또는 화학식 14에서 R 1은 C1-C10의 알킬, 좋게는 C1-C7 알킬, 보다 좋게는 메틸일 수 있다. 구체적인 일례로, 페로브스카이트 구조의 화합물은 CH 3NH 3PbI xCl y(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), CH 3NH 3PbI xBr y(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3), CH 3NH 3PbCl xBr y(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3) 및 CH 3NH 3PbI xF y(0≤x≤3인 실수, 0≤y≤3인 실수 및 x+y=3)에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있으며, 또한 (CH 3NH 3) 2PbI xCl y(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수 및 x+y=4), CH 3NH 3PbI xBr y(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수 및 x+y=4), CH 3NH 3PbCl xBr y(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수 및 x+y=4) 및 CH 3NH 3PbI xF y(0≤x≤4인 실수, 0≤y≤4인 실수 및 x+y=4)에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.
일례로, 화학식 15 또는 화학식 16에서 R 12는 C1-C20의 알킬일 수 있고 R 13은 수소 또는 C1-C20의 알킬일 수 있으며, 좋게는 R 12는 C1-C7알킬일 수 있고 R 13은 수소 또는 C1-C7알킬일 수 있으며, 보다 좋게는 R 12는 메틸일 수 있고 R 13는 수소일 수 있다.
본 발명의 디메틸술폰과 바람직한 조합으로 본 발명의 페로브스카이트 화합물은 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.
[화학식 1]
(R-NH 3 +) 1-x(
Figure PCTKR2020017143-appb-img-000002
) xMX a (3-y)X b y
(화학식 1에서, R은 C1-C20의 알킬기, C3-C20의 시클로알킬기 또는 C6-C20의 아릴기이며,
R 1 내지 R 5는 서로 독립적으로, 수소, C1-C20의 알킬기, C3-C20의 시클로알킬기 또는 C6-C20의 아릴기이고, M은 2가의 금속 이온이며, X a는 브롬 이온이고, X b는 요오드 이온이며, x는 0≤x≤1인 실수이며, y는 0 내지 3의 정수이다.)
바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학식 1에서 R은 C1-C20의 알킬기이며, R 1 내지 R 5는 서로 독립적으로, 수소, C1-C20의 알킬기이고, M은 2가의 금속 이온이며, X a 요오드 이온이고, X b는 브롬 이온이며, x는 0≤x≤0.3인 실수일 수 있으며, 바람직하게는 R은 C1-C10의 알킬기이며, R 1 내지 R 5는 서로 독립적으로, 수소, C1-C10의 알킬기이고, M은 Cu 2+, Ni 2+, Co 2+, Fe 2+, Mn 2+, Cr 2+, Pd 2+, Cd 2+, Ge 2+, Sn 2+, Pb 2+ 또는 Yb 2+이며, 바람직하게 Pb 2+이며, X a는 요오드 이온이고, X b는 브롬 이온이며, x는 0≤x≤0.3인 실수일 수 있다.
구체적인 일례로 NH 2CH=NH 2PbI xBr y, NH 2C(CH 3)=NH 2PbI xBr y, NH 2CH 2CH 2=NH 2PbI xBr y, 및 NH 2CH(CH 3)CH 2=NH 2PbI xBr y (0≤x≤3인 정수, 0≤y≤3인 정수 및 x+y=3) 일 수 있다.
또한 본 발명은 본 발명의 페로브스카이트 용액을 이용하는 페로브스카이트 막의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명의 페로브스카이트 막의 제조방법은,
페로브스카이트 화합물을 디메틸술폰을 포함하는 용매에 첨가하여 페로브스카이트 용액을 제조하는 단계;
기재 상에 상기 페로브스카이트 용액을 코팅하여 박막을 제조하는 단계; 및
상기 박막을 비용매로 처리하여 페로브스카이트 막을 제조하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 막의 제조방법은 특정한 용매인 디메틸술폰을 포함하는 페로브스카이트 용액을 사용함으로써 용해도가 높고 용해도의 조절이 가능하여 밀도가 높은 페로브스카이트 막의 제조가 가능하다.
따라서 본 발명의 특정용매인 디메틸술폰을 포함하는 페로브스카이트 용액을 사용하여 제조되는 페로브스카이트 막은 광전 변환 효율 및 열안정성이 우수하며, 향상된 수명특성을 가진다.
뿐만 아니라 본 발명의 페로브스카이트 막의 제조방법은 종래에 사용되는 용매인 DMSO 등 대신에 보다 친환경적인 용매인 DMS를 필수용매로 사용함으로써 광전 변환 효율이 동등하거나 보다 우수하며, 안정성이 극히 향상된 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 가격이 저렴하여 매우 경제적이며 친환경적이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용매는 감마-부티로락톤, 2-부톡시에탄올, 2-프로폭시에탄올, 아세토니트릴, 디하이드로레보그루코세논, 디메틸카보네이트, 에틸렌카보네이트 및 프로필렌카보네이트에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 용매를 더 포함하는 혼합용매일 수 있으며, 바람직하게 감마-부티로락톤, 아세토니트릴, 2-프로폭시에탄올, 디하이드로레보그루코세논 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
바람직하게 페로브스카이트 용액은 페로브스카이트 화합물과 혼합용매의 질량비가 10: 90 내지 90 : 10일 수 있으며, 보다 바람직하게는 30 : 70 내지 70 : 30일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 혼합용매는 디메틸술폰과 감마-부티로락톤의 혼합용매로 디메틸술폰과 감마-부티로락톤의 몰비가 1: 3 내지 9일 수 있으며, 바람직하게 1 : 4 내지 8일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비용매는 아니솔, 에틸아세테이트, tert-부탄올, 부틸아세테이트, 2-메틸아니솔, tert-펜탄올 및 tert-헥산올에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 보다 입자의 크기가 크고 균일한 페로브스카이트 막을 얻고 제거가 용이한 측면에서 아니솔, 에틸아세테이트, tert-부탄올, tert-펜탄올 및 부틸아세테이트에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은 비용매로 처리하는 단계 후에 100 내지 180℃에서 1분 내지 80분동안 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 바람직하게 120 내지 150 ℃에서 5분 내지 30분동안 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지에서 특정용매인 디메틸술폰과 바람직한 조합의 페로브스카이트 화합물은 상기 화학식 1로 표시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 코팅은 100 내지 180 ℃에서 10초 내지 60분동안 수행될 수 있으며, 바람직하게 바람직하게 120 내지 150 ℃에서 10초 내지 30분 동안 수행될 수 있고, 코팅은 스크린 프린팅, 스핀코팅, 바-코팅, 그라비아-코팅, 블레이드 코팅 및 롤-코팅에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 한정이 있는 것은 아니다.
또한 본 발명은 본 발명의 페로브스카이트 막의 제조방법을 이용하여 페로브스카이트 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 페로브스카이트 태양전지의 제조방법은,
페로브스카이트 화합물을 디메틸술폰을 포함하는 용매에 첨가하여 페로브스카이트 용액을 제조하는 단계;
제1 전극상에 상기 페로브스카이트 용액을 코팅하여 박막을 제조하는 단계;
상기 박막을 비용매로 처리하여 페로브스카이트 막을 제조하는 단계; 및
상기 페로브스카이트 막상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
보다 상세하게 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지는 제 1전극, 상기 제 1전극 상에 형성된 전자전달층, 상기 전자전달층 상에 형성된 페로브스카이트 용액으로 제조된 페로브스카이트 막을 포함하는 광흡수층, 상기 광흡수층상에 형성되며, 정공전달층 및 정공전달층 상에 형성된 제 2전극을 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1전극은 전자전달층과 오믹 접합되는 전도성 전극이면 모두 가능하며, 제 2전극은 정공전달층과 오믹 접합되는 전도성 전극이면 모두 가능하다.
또한 제 1전극 및 제 2전극은 태양전지에서 전면전극 또는 후면전극의 전극물질로 통상적으로 사용되는 물질이면 사용 가능하다. 비 한정적인 일례로, 제 1전극 및 제 2전극이 후면전극의 전극물질인 경우, 제1전극 및 제 2전극은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 탄소, 황화코발트, 황화구리, 산화니켈 및 이들의 복합물에서 하나 이상 선택된 물질일 수 있다. 비 한정적인 일례로, 제 1전극 및 제 2전극이 투명전극일 경우, 제 1전극 및 제 2전극은 불소 함유 산화주석(FTO; Fouorine doped Tin Oxide), 인듐 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide), ZnO, CNT(카본 나노튜브), 그래핀(Graphene)과 같은 무기계 전도성 전극일 수 있으며, PEDOT:PSS와 같은 유기계 전도성 전극일 수 있다. 투명 태양전지를 제공하고자 하는 경우, 제 1전극 및 제 2전극이 투명전극인 것이 좋고, 제 1전극 및 제 2전극이 유기계 전도성 전극인 경우, 플렉시블 태양전지나 투명 태양전지를 제공하고자 할 때 보다 좋다.
제 1전극은 딱딱한(rigid) 기판 또는 유연성(flexible) 기판에 증착 또는 도포를 이용하여 형성될 수 있다. 증착은 물리적 증착(physical vapor deposition) 또는 화학적 증착(chemical vapor deposition)을 이용하여 형성될 수 있으며, 열 증착(thermal evaporation)에 의해 형성될 수 있다. 도포는 전극 물질의 용해액 또는 전극 물질의 분산액을 기판에 도포한 후 건조하거나, 선택적으로 건조된 막을 열처리함으로써 수행될 수 있다. 그러나, 제 1전극 및 제 2전극이 통상의 태양전지에서 전면전극 또는 후면 전극을 형성하는데 사용하는 방법을 이용하여 형성될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 제 1전극의 상부에 형성된 전자전달층은 전자 전도성 유기물 층 또는 무기물 층일 수 있다. 전자 전도성 유기물은 통상의 유기 태양전지에서, n형 반도체로 사용되는 유기물일 수 있다. 구체적이며 비 한정적인 일례로, 전자 전도성 유기물은 풀러렌(C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95), PCBM([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester)) 및 C71-PCBM, C84-PCBM, PC70BM([6,6]-phenyl C70-butyric acid methyl ester)을 포함하는 풀러렌-유도체(Fulleren-derivative), PBI(polybenzimidazole), PTCBI(3,4,9,10-perylenetetracarboxylic bisbenzimidazole), F4-TCNQ(tetra uorotetracyanoquinodimethane) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 전자전도성 무기물은 통상의 양자점 기반 태양전지 또는 염료 감응형 태양전지에서, 전자 전달을 위해 사용되는 전자전도성 금속산화물일 수 있다. 구체적인 일례로, 전자전도성 금속산화물은 n-형 금속산화물 반도체일 수 있다. n-형 금속산화물 반도체의 비한정적인 일례로, Ti산화물, Zn산화물, In산화물, Sn산화물, W산화물, Nb산화물, Mo산화물, Mg산화물, Ba 산화물, Zr산화물, Sr산화물, Yr산화물, La산화물, V산화물, Al산화물, Y산화물, Sc산화물, Sm산화물, Ga산화물, In산화물 및 SrTi산화물에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 들 수 있으며, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체(composite)를 들 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 정공전달층은 정공전달물질 화합물을 반드시 포함하며, 이를 단독으로 포함할 수 있으며, 정공전달물질 외에 유기 정공전달물질, 무기 정공전달물질 또는 이들의 혼합물을 더 포함할 수 있다. 정공전달물질이 무기 정공전달물질인 경우, 무기 정공전달물질은 정공 전도도를 갖는, 즉, p형 반도체인, 산화물 반도체, 황화물 반도체, 할로겐화물 반도체 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 산화물 반도체의 예로는 NiO, CuO, CuAlO 2, CuGaO 2 등을 들 수 있으며, 황화물 반도체의 예로는 PbS, 할로겐화물 반도체의 예로는 PbI 2 등을 들 수 있으나, 이에 한정이 있는 것은 아니다.
정공전달물질이 유기 정공전달물질인 경우, 단분자 내지 고분자 유기 정공전달물질(정공전도성 유기물)을 포함할 수 있다. 유기 정공전달물질은 무기 반도체 양자점을 염료로 사용하는 통상의 무기 반도체 기반 태양전지에서 사용되는 유기 정공전달물질이면 사용 가능하다. 단분자 내지 저분자 유기 정공전달물질의 비 한정적인 일 예로, 펜타센(pentacene), 쿠마린 6(coumarin 6, 3-(2-benzothiazolyl)-7-(diethylamino)coumarin), ZnPC(zinc phthalocyanine), CuPC(copper phthalocyanine), TiOPC(titanium oxide phthalocyanine), Spiro-MeOTAD(2,2',7,7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxyphenylamino)-9,9'-spirobifluorene), F16CuPC(copper(II) 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-hexadecafluoro-29H,31H-phthalocyanine), SubPc(boron subphthalocyanine chloride) 및 N3(cis-di(thiocyanato)-bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)-ruthenium(II))중에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 물질을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 물질에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정공전달층은 정공전달물질을 이용하여 용액공정으로 형성된 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 전행되는 용액공정은 일례로 스크린 프린팅(screen printing), 스핀코팅(Spin coating), 바-코팅(Bar coating), 그라비아-코팅(Gravure coating), 블레이드 코팅(Blade coating) 및 롤-코팅(Roll coating)등을 들 수 있으나, 이에 한정이 있는 것은 아니다.
이하 본 발명의 구체적인 실시예를 예시로 들어 본 발명을 구체적으로 설명하나, 이는 본 발명의 특허청구범위를 한정하고자하는 것을 아니다.
[실시예 1] 페로브스카이트 용액의 제조
250 mL 2구 둥근 플라스크에 DMS:감마-부티로락톤(GBL)(몰비 :1:8) 혼합용매를 첨가하고 여기에 PbI 2를 첨가하여 용해시키고 NH 2CH=NH 2I(=FAI)를 혼합하여, 1.4 M 농도의 (FAPbI 3)페로브스카이트 용액을 제조하였다.
[실시예 2] 페로브스카이트 용액의 제조
실시예 1에서 DMS:감마-부티로락톤(GBL) 대신 DMS:DMF(몰비: 1:8)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 페로브스카이트 용액을 제조하였다.
[비교예 1] 페로브스카이트 용액의 제조
실시예 1에서 DMS:감마-부티로락톤 대신 DMSO:DMF를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 페로브스카이트 용액을 제조하였다.
[비교예 2] 페로브스카이트 용액의 제조
실시예 1에서 DMS:감마-부티로락톤 대신 DMSO:감마-부티로락톤를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 페로브스카이트 용액을 제조하였다.
[실시예 3]페로브스카이트 태양전지의 제조
다공성 TiO2 박막 기판 제조
불소 함유 산화주석이 코팅된 유리 기판(FTO; F-doped SnO 2, 8 ohms/cm 2, Pilkington, 이하 FTO 기판(제1전극))을 25 x 25 mm 크기로 절단한 후, 끝 부분을 에칭하여 부분적으로 FTO를 제거 하였다.
절단 및 부분 에칭된 FTO 기판 위에 금속산화물 박막으로서 50 nm 두께의 TiO 2 치밀막을 분무 열분해법으로 제조하였다. 분무 열분해는 20 mM titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) 용액(Aldrich)을 이용하여 수행되었으며, 450 ℃로 유지된 열판위에 올려진 FTO 기판위에 3초간 분무하고 10초간 정지하는 방법을 되풀이하는 방법으로 두께를 조절하였다.
평균 입자크기(직경) 50 nm의 TiO 2 분말 (TiO 2 기준으로 1 중량%가 용해된 titanium peroxocomplex 수용액을 250℃에서 12시간 수열처리하여 제조)에, 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose)가 10 중량 %로 에틸알콜에 용해된 에틸 셀룰로오스 용액을, TiO 2 분말 1g당 5 ml 첨가하고, 테르피놀(terpinol)을 TiO 2 분말 1 g당 5 g 첨가하여 혼합한 후, 에틸 알콜을 감압 증류법으로 제거하여 TiO 2 페이스트를 제조하였다.
제조된 TiO 2 분말 페이스트에 2-메톡시에탄올을 첨가하여 스핀 코팅용 TiO 2 슬러리를 제조하였다. FTO 기판의 TiO 2 박막 위에, 스핀 코팅용 TiO 2 슬러리를 이용하여 스핀 코팅 방법으로 코팅하고 500 ℃에서 60 분 동안 열처 리한 후, 60 ℃의 30 mM TiCl 4 수용액에 열처리된 기판을 담그고, 30 분 동안 방치한 후, 탈이온수와 에탄올로 세척 및 건조하고 다시 500 ℃에서 30분 동안 열처리하여 다공성 TiO 2 박막(다공성 전자전달체, 두께; 100 nm)을 제조하였다.
페로브스카이트 막의 제조
상기에서 제조된 다공성 TiO 2 박막 기판(mp-TiO 2/bl-TiO 2/FTO)을 150℃에서 10분동안 열처리하였다. 열처리된 기판상에 상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 페로브스카이트 용액을 1000 rpm으로 10초 동안 코팅하고 다시 5000 rpm으로 20초동안 코팅하여 150℃에서 10분동안 건조하여 페로브스카이트 막을 제조하였다. 여기서 두 번째 스핀코팅단계에서 기재상에 0.3mL의 에틸아세테이트를 dripping하였다.
홀 전도층 형성을 위한 홀 전도층 용액제조
홀 전도층을 형성하기위해 Spiro-OMeTAD를 각각 클로로벤젠에 녹여 농도가 89 mg/ml인 정공전도체 용액을 제조하고 여기에 첨가제로 23 ㎕ Li-bis(trifluoromethanesulfonyl) imide (Li-TFSI)/acetonitrile (540 mg/1 ml), 39 ㎕ TBP(4-tert-Butylpyridine), 10 ㎕ FK209(Tris(2-(1H -pyrazol-1-yl)-4-tert-butylpyridine)-cobalt(III)Tris(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)/
acetonitrile (376 mg/1 ml)를 첨가하여 홀전도층 용액를 제조하였다.
[Spiro-OMeTAD]
Figure PCTKR2020017143-appb-img-000003
무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지제조
상기에서 제조된 다공성 전극에 상기에서 제조된 페로브스카이트 막이 형성된 복합층상에 상기에서 제조된 홀 전도층 용액을 2000 rpm으로 30초 동안 스핀코팅하여 홀 전도층을 형성하였다. 이후, 홀 전도층의 상부에 고진공(5x10 -6 torr 이하)의 열 증착기(thermal evaporator)로 Au를 진공 증착하여, 두께가 70 nm인 Au 전극(제2전극)을 형성하여 Au/Spiro-OMeTAD/(FAPbI 3)/(HTM)/mp-TiO 2/bl-TiO 2/FTO 형태의 태양전지를 제조하였다. 이러한 전극의 활성면적은 0.16 cm 2이었다.
제조된 태양전지의 특성은 하기 표 1 및 도 1에 나타내었다.
페로브스카이트 용액 R F
혼합용매
(몰비)		 Voc (V) Jsc
(mA/cm 2)		 FF (%) PCE (%) Voc
(V)		 Jsc (mA/cm 2) FF
(%)		 PCE
(%)
실시예 1 DMS:GBL
(1:8)		 1.11 23.5 79.1 20.6 1.06 23.5 73.8 18.4
실시예 2 DMS:DMF
(1:8)		 1.12 23.6 76.3 20.1 1.09 23.5 71.2 18.2
비교예 1 DMSO:DMF(1:8) 1.11 23.5 79.3 20.7 1.06 23.4 74.4 18.4
비교예 2 DMSO:GBL(1:8) 1.08 23.5 79.9 20.3 1.05 23.5 71.6 17.6
도 1에서 보이는 바와 같이 본 발명의 실시예 1의 페로브스카이트 용액으로제조된 페로브스카이트 막의 SEM 사진으로부터 비교예 1의 페로브스카이트 용액으로 제조된 페로브스카이트 막과 대비하여 입자의 크기가 크고 균일한 것을 알 수 있다.또한 표 1에서 보이는 바와 같이 본 발명의 실시예의 용매를 채용한 페로브스카이트 태양전지가 기존의 용매 대비 친환경적인 용매를 사용했음에도 불구하고 유사한 수준의 효율을 가지는 것을 알 수 있다.
[실시예 4 내지 6] 페로브스카이트 태양전지의 제조
실시예 3에서 실시예 1의 페로브카이트 용액을 사용하고 페로브스카이트 막 제조시 두 번째 스핀코팅단계에서 기재상에 하기 표 2와 같은 0.3 mL의 비용매를 dripping한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 제조하여 페로브스카이트 태양전지를 제조하였으며, 표 2에 그 특성을 나타내었다.
R F
페로브스카이트 용액의 혼합용매
(몰 비)		 비용매 Voc
(V) 		Jsc
(mA/cm 2)		 FF
(%)		 PCE
(%)		 Voc
(V)		 Jsc (mA/cm 2) FF
(%)		 PCE
(%)
실시예 4 DMS:GBL
(1:8)		 디에틸에테르 1.07 23.1 77.4 19.1 1.00 23.0 70.0 16.1
실시예 5 DMS:GBL (1:8) 에틸아세테이트 1.07 24 78.3 20.1 1.03 23.9 72.7 18.1
실시예 6 DMS:GBL (1:8) 아니솔 1.07 23.7 77.2 19.5 1.04 23.6 71.6 17.6
표 2에서와 같이 본 발명의 DMS를 포함하는 페로브스카이트 태양전지가 친환경적인 비용매인 에틸아세테이트 및 아니솔에서 보다 우수한 특성을 가지는 것을 알 수 있다.
<태양전지의 내구성 평가>
본 발명의 실시예 3 및 비교예 3에서 제조된 페로브스카이트 태양전지의 습도에 대한 내구성을 측정하기위해 온도 21.5℃, 평균 상대습도 53.3%에서 2일동안 유지한 후 광전 변환 효율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
용매
(몰비)		 최초 3일 후
Voc
(V)
Jsc (mA/cm 2) FF
(%)		 광전 변환 효율
(%)		 Voc
(V)
Jsc (mA/cm 2) FF
(%)		 광전 변환 효율(%)
실시예 3 DMS:GBL (1:8) 1.08 23.9 74.8 19.3 1.09 23.9 76.7 20.0
비교예 2 DMSO:GBL (1:8) 1.10 23.8 76.1 19.9 1.10 23.9 71.1 18.7
표 3에서 보이는 바와 같이 본 발명의 실시예 3의 페로브스카이트 태양전지의 광전 변환 효율은 시간이 지남에도 큰 변화가 없이 초기값에 대비하여 높은 광전 변환 효율을 유지하였으나, 비교예 2의 광전 변환 효율은 초기 효율 저하가 뚜렷하며 3일 이후 현저하게 감소하는 것을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. 페로브스카이트 화합물; 및
    용매로 디메틸술폰;을 포함하는 페로브스카이트 용액.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 용매는 감마-부티로락톤을 더 포함하는 혼합용매인 페로브스카이트 용액.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 혼합용매는 디메틸술폰과 감마-부티로락톤의 몰비가 1: 3 내지 9인 페로브스카이트 용액.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 페로브스카이트 용액.
    [화학식 1]
    (R-NH 3 +) 1-x(
    Figure PCTKR2020017143-appb-img-000004
    ) xMX a 3-yX b y
    (화학식 1에서, R은 C1-C20의 알킬기, C3-C20의 시클로알킬기 또는 C6-C20의 아릴기이며,
    R 1 내지 R 5는 서로 독립적으로, 수소, C1-C20의 알킬기, C3-C20의 시클로알킬기 또는 C6-C20의 아릴기이고, M은 2가의 금속 이온이며, X a는 브롬 이온이고, X b는 요오드 이온이며, x는 0≤x≤1인 실수이며, y는 0 내지 3의 정수이다.)
  5. 페로브스카이트 화합물을 디메틸술폰을 포함하는 용매에 첨가하여 페로브스카이트 용액을 제조하는 단계;
    기재 상에 상기 페로브스카이트 용액을 코팅하여 박막을 제조하는 단계; 및
    상기 박막을 비용매로 처리하여 페로브스카이트 막을 제조하는 단계;를 포함하는 페로브스카이트 막의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 용매는 감마-부티로락톤, 2-부톡시에탄올, 2-프로폭시에탄올, 아세토니트릴, 디하이드로레보그루코세논, 디메틸카보네이트, 에틸렌카보네이트, 디메틸폼아마이드 및 프로필렌카보네이트에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 용매를 더 포함하는 혼합용매인 페로브스카이트 막의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 혼합용매는 디메틸술폰과 감마-부티로락톤의 혼합용매이며, 디메틸술폰과 감마-부티로락톤의 몰 비가 1 : 3 내지 9인 페로브스카이트 막의 제조방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 비용매는 에틸아세테이트, 아니솔, tert-부탄올, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, 2-메틸아니솔, tert-펜탄올 및 tert-헥산올에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 페로브스카이트 막의 제조방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 페로브스카이트 막의 제조방법.
    [화학식 1]
    (R-NH 3 +) 1-x(
    Figure PCTKR2020017143-appb-img-000005
    ) xMX a 3-yX b y
    (화학식 1에서, R은 C1-C20의 알킬기, C3-C20의 시클로알킬기 또는 C6-C20의 아릴기이며,
    R 1 내지 R 5는 서로 독립적으로, 수소, C1-C20의 알킬기, C3-C20의 시클로알킬기 또는 C6-C20의 아릴기이고, M은 2가의 금속 이온이며, X a는 브롬 이온이고, X b는 요오드 이온이며, x는 0≤x≤1인 실수이며, y는 0 내지 3의 정수이다.)
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 막을 100 내지 180℃에서 1 내지 80분동안 열처리하는단계를 더 포함하는 페로브스카이트 막의 제조방법.
  11. 페로브스카이트 화합물을 디메틸술폰을 포함하는 용매에 첨가하여 페로브스카이트 용액을 제조하는 단계;
    제1 전극상에 상기 페로브스카이트 용액을 코팅하여 박막을 제조하는 단계;
    상기 박막을 비용매로 처리하여 페로브스카이트 막을 제조하는 단계; 및
    상기 페로브스카이트 막상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 제조방법.
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