WO2023058979A1 - Ptaa 및 pif8를 포함하는 정공 수송물질 및 이를 이용한 광소자 - Google Patents

Ptaa 및 pif8를 포함하는 정공 수송물질 및 이를 이용한 광소자 Download PDF

Info

Publication number
WO2023058979A1
WO2023058979A1 PCT/KR2022/014446 KR2022014446W WO2023058979A1 WO 2023058979 A1 WO2023058979 A1 WO 2023058979A1 KR 2022014446 W KR2022014446 W KR 2022014446W WO 2023058979 A1 WO2023058979 A1 WO 2023058979A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hole transport
transport material
ptaa
pif8
organic
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/014446
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
전남중
신성식
이진원
Original Assignee
한국화학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국화학연구원 filed Critical 한국화학연구원
Publication of WO2023058979A1 publication Critical patent/WO2023058979A1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/10—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/14—Carrier transporting layers
    • H10K50/15—Hole transporting layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/10—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising heterojunctions between organic semiconductors and inorganic semiconductors
    • H10K30/15—Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2
    • H10K30/151—Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2 the wide bandgap semiconductor comprising titanium oxide, e.g. TiO2
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/10—Organic polymers or oligomers
    • H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Definitions

  • the present disclosure relates to a hole transport material including PTAA and PIF8 and an optical device using the same.
  • Optical devices include both photoelectric conversion devices and electro-optical conversion devices, and a solar cell, one of the photoelectric conversion devices, is attracting attention as a sustainable energy technology as a solution that can actively respond to future energy demand.
  • a solar cell is the most basic unit of photovoltaic power generation and a semiconductor device that converts solar energy into electrical energy, and uses a photovoltaic effect.
  • perovskite solar cells have taken off as one axis of thin-film solar cells to replace conventional silicon solar cells.
  • a perovskite solar cell including a hole transporting material, a light absorbing material, and an electron transporting material exhibits a remarkably high photovoltaic effect by using the perovskite material as a light absorbing material.
  • perovskite solar cells have many limitations because they have instability to light, heat, and humidity. For example, problems such as decomposition by humidity, thermal instability, oxygen induced defects, and hole transport material (HTM) instability have been identified. In particular, when using an organic hole transport material, the stability of the solar cell is greatly reduced.
  • HTM hole transport material
  • Embodiments disclosed herein provide PTAA with high efficiency and high durability.
  • Embodiments disclosed herein provide a perovskite optical device having high efficiency and high durability.
  • Embodiments disclosed herein improve the physical properties of PTAA using PIF8.
  • Embodiments disclosed herein improve the hole mobility of PTAA using PIF8.
  • the hole transport material according to an embodiment of the present disclosure includes PTAA and PIF8.
  • the maximum content of PIF8 to PTAA corresponds to a ratio of PTAA:PIF8 of about 9:1 by weight.
  • PTAA : PIF8 corresponds to about 9.85 : 0.15 to about 9.5 : 0.5.
  • a hole transport material for a perovskite solar cell includes a first organic hole transport material and a second organic hole transport material, and has a maximum ratio of the second organic hole transport material to the first organic hole transport material.
  • the content corresponds to a ratio of the first organic hole transport material to the second organic hole transport material of about 9:1 by weight, and the work function of the first organic hole transport material is smaller than the work function of the second organic hole transport material. .
  • the first organic hole transport material and the second organic hole transport material correspond to a polymer hole transport material.
  • An optical device includes the aforementioned hole transport material.
  • a PTAA having high efficiency and high durability is provided.
  • a perovskite optical device having high efficiency and high durability is provided.
  • physical properties of PTAA are improved using PIF8.
  • hole mobility of PTAA is improved using PIF8.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a perovskite optical device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG 3 is an energy level diagram according to an embodiment and a comparative example of the present disclosure.
  • references to “A and/or B” in this disclosure means A, or B, or A and B.
  • the term “at least one” included in the Markush-type expression means including one or more selected from the group consisting of elements described in the Markush-type expression.
  • perovskite or “PE” means a material having a perovskite crystal structure, and may have various perovskite crystal structures in addition to the crystal structure of ABX 3 .
  • optical device is used to include both photoelectric conversion devices and electro-optical conversion devices.
  • the optical device includes, but is not limited to, a solar cell, a light emitting diode (LED), a photodetector, an X-ray detector, and a laser.
  • halide refers to a material or composition in which a halogen atom belonging to group 17 of the periodic table is included in the form of a functional group, for example, chlorine. , bromine, fluorine or iodine compounds.
  • the term "layer” means a layer form having a thickness.
  • a layer may correspond to porous or non-porous.
  • Porosity means having porosity.
  • the layer as a whole may have a bulk form or correspond to a single crystal thin film, but is not limited thereto.
  • the efficiency means power conversion efficiency (PCE).
  • PIF8 poly-indenofluoren-8-triarylamine
  • An optical device includes a first electrode, a first charge transport layer formed on the first electrode, a perovskite layer formed on the first charge transport layer, and a second charge transport layer formed on the perovskite layer. , and a second electrode formed on the second charge transport layer.
  • the photonic device when an optical device is used in an n-i-p solar cell, the photonic device may have a structure in which a first electrode, an electron transport layer, a perovskite layer, a hole transport layer, and a second electrode are sequentially stacked.
  • the optical device corresponds to a solar cell having a p-i-n structure
  • the solar cell may have a structure in which a first electrode, a hole transport layer, a perovskite layer, an electron transport layer, and a second electrode are sequentially stacked.
  • the optical device may have a planar structure, a Bi-Layer structure, or a Meso-Superstructure structure.
  • the shape of the electrode, the charge transport layer, and the perovskite layer may be modified.
  • the perovskite layer may have a bi-layer structure formed by filling porous TiO 2 with perovskite to have a layered form.
  • the double layer may refer to a structure composed of a first layer of a TiO 2 :Perovskite mixed layer in which all pores of porous TiO 2 are filled with perovskite, and a second layer of a pure perovskite layer thereon.
  • the electrode includes a first electrode and/or a second electrode, and may be an anode or a cathode.
  • An electrode may be an anode or cathode.
  • the second electrode may be a cathode.
  • the electrode may be a conductive oxide such as indium-tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), or fluorine-doped tin oxide (FTO).
  • the electrode may be silver (Ag), gold (Au), magnesium (Mg), aluminum (Al), platinum (Pt), tungsten (W), copper (Cu), molybdenum (Mo), nickel (Ni), palladium (Pd), chromium (Cr), calcium (Ca), samarium (Sm) and lithium (Li), and combinations thereof.
  • the electrode is placed on a flexible and transparent material such as plastic such as PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthelate), PP (polyperopylene), PI (polyimide), PC (polycarbornate), PS (polystylene), POM (polyoxyethylene), etc.
  • a conductive material may be doped.
  • the electrode may correspond to a material commonly used as an electrode material for a front electrode or a rear electrode in an optical device.
  • the electrode may be a material selected from one or more of gold, silver, platinum, palladium, copper, aluminum, carbon, cobalt sulfide, copper sulfide, nickel oxide, and composites thereof, but is not limited thereto.
  • the electrode is any one selected from fluorine-doped tin oxide (FTO), indium-doped tin oxide (ITO), ZnO, CNT (carbon nanotube), and graphene, or the like. It may correspond to two or more inorganic conductive electrodes or organic conductive electrodes such as PEDOT:PSS, but is not limited thereto.
  • an electron transport layer ETL
  • a hole transport layer HTL
  • the second charge transport layer may correspond to a hole transport layer.
  • the second charge transport layer may correspond to an electron transport layer.
  • the electron transport layer may correspond to a semiconductor including “n-type material”.
  • n-type material means an electron transport material.
  • the electron transport material can be a single electron transport compound or elemental material or a mixture of two or more electron transport compounds or elemental materials.
  • the electron transport compound or elemental material may be undoped or doped with one or more dopant elements.
  • the electron transport layer may be an electron conductive organic material layer or an electron conductive inorganic material layer.
  • the electron conductive organic material may be an organic material used as an n-type semiconductor in a typical organic solar cell.
  • electron-conducting organics are fullerenes (C60, C70, C74, C76, C78, C82, C95) and PCBM ([6,6]-phenyl-C61butyric acid methyl ester).
  • the electron-conductive inorganic material may be an electron-conductive metal oxide used for electron transfer in a conventional quantum dot-based solar cell, dye-sensitized solar cell, or perovskite-based solar cell.
  • the electron-conductive metal oxide may be an n-type metal oxide semiconductor.
  • n-type metal oxide semiconductors 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 oxide, V It may be one or more materials selected from oxides, Al oxides, Y oxides, Sc oxides, Sm oxides, Ga oxides, In oxides, and SrTi oxides, mixtures thereof, or composites thereof, but is not limited thereto.
  • the electron transport layer may be a dense layer (dense membrane) or a porous layer (porous membrane).
  • the dense electron transport layer may be the aforementioned electron conductive organic film or electron conductive inorganic dense film.
  • the electron transport layer of the porous film may be a porous film made of the above-described electron conductive inorganic particles.
  • the hole transport layer may correspond to a semiconductor including “p-type material”.
  • p-type material means a hole transporting material.
  • the hole transport material can be a single hole transport compound or elemental material or a mixture of two or more hole transport compounds or elemental materials.
  • the hole transport compound or elemental material may be undoped or doped with one or more dopant elements.
  • the hole transport material may be an organic hole transport material, an inorganic hole transport material, or a combination thereof.
  • the hole transport layer may be prepared by a solution process.
  • the hole transport layer may be a thin film of organic hole transport material.
  • the hole transport layer thin film may have a thickness of 10 nm to 500 nm, but is not limited thereto.
  • the hole transport material may correspond to an organic hole transport material, specifically, a monomolecular or polymer organic hole transport material (hole conductive organic material).
  • organic hole transport material specifically, a monomolecular or polymer organic hole transport material (hole conductive organic material).
  • a high-molecular organic hole transport material one or two or more materials selected from thiophene-based, para-phenylene-vinylene-based, carbazole-based, and triphenylamine-based materials may be included.
  • Monomolecular to low molecular weight organic hole transport materials include pentacene, coumarin 6, 3- (2-benzothiazolyl) -7- (diethylamino) coumarin), zinc phthalocyanine (ZnPC), copper phthalocyanine (CuPC), 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-hexadecafluoro29H,31H-phthalocyanine), SubPc (boron subphthalocyanine chloride) and N3 (cis-di(thiocyanato)-bis (2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid)-rut
  • Polymer organic hole transport materials are P3HT (poly[3-hexylthiophene]), MDMO-PPV (poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH- PPV (poly[2-methoxy-5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT (poly(3-octyl thiophene)), POT (poly(octyl thiophene)), P3DT (poly(3 -decyl thiophene)), P3DDT (poly(3-dodecyl thiophene), PPV (poly(p-phenylene vinylene)), TFB (poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenyl
  • the electron transport layer or the hole transport layer may correspond to or include a buffer layer.
  • the surface of the electron transport layer or hole transport layer may be modified using doping.
  • the electron transport layer or hole transport layer is formed on one side of the electrode through spin coating, dip coating, inkjet printing, gravure printing, spray coating, bar coating, gravure coating, brush painting, thermal evaporation, sputtering, E-Beam, screen printing, blade process, etc. It can be formed by being applied to or coated in the form of a film.
  • the perovskite layer may be formed to directly contact the first electrode. Alternatively, the perovskite layer may be formed to directly contact the electron transport layer or the hole transport layer.
  • the perovskite layer contains perovskite.
  • the perovskite layer may be formed through various processes including a vapor deposition process or a solution process.
  • the perovskite layer may be formed using a vapor deposition process.
  • the vapor deposition process may correspond to a process of depositing a material on a surface of a target object (eg, a substrate) by supplying a material in a vaporized state or a plasma state into a vacuum chamber.
  • the perovskite layer may be formed through a coating process in a solution process. Coating processes include spin coating, bar coating, nozzle printing, spray coating, slot die coating, gravure printing, inkjet printing, screen printing, electrohydrodynamic jet printing, electrospray, and combinations thereof It may be selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
  • perovskite may contain monovalent organic cations, divalent metal cations and halide anions.
  • the perovskite of the present invention may satisfy the following formula.
  • A is a monovalent cation and may correspond to an organic ammonium ion, an amidinium group ion, or a combination of an organic ammonium ion and an amidinium group ion.
  • an organic cation as A may have the formula (R 1 R 2 R 3 R 4 N) + .
  • R 1 to R 4 may correspond to hydrogen, unsubstituted or substituted C1-C20 alkyl, or unsubstituted or substituted aryl.
  • an organic cation as A may have the formula (R 5 NH 3 ) + , where R 5 may correspond to hydrogen or substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl.
  • A is a monovalent metal ion and may correspond to an alkali metal ion.
  • the monovalent metal ion as A may correspond to Li + , Na + , K + , Rb + , or Cs + ion.
  • A may correspond to a combination of a monovalent organic cation and a monovalent metal ion.
  • A may correspond to a form in which a monovalent metal ion is doped with a monovalent organic cation.
  • the monovalent metal ion which is the doped metal ion, may include an alkali metal ion, and the alkali metal ion may be one or two or more selected from Li + , Na + , K + , Rb + , and Cs + ions.
  • M may be a divalent metal ion.
  • 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 metal cations selected from the group consisting of + and combinations thereof, but are not limited thereto.
  • X may correspond to a halogen ion.
  • the halogen ion includes, but is not limited to, a halogen ion selected from the group consisting of I - , Br - , F - , Cl - and combinations thereof.
  • the perovskite may be any one or a mixture of two or more selected from CH 3 NH 3 PbI 3 (methylammonium lead iodide, MAPbI 3 ) and CH(NH 2 ) 2 PbI 3 (formamidinium lead iodide, FAPbI 3 ).
  • X may correspond to an oxygen ion.
  • an object of the present invention is to provide an organic hole transport material capable of securing stability from deterioration factors while maintaining high efficiency.
  • the hole transport material included in the hole transport layer may transport holes from the perovskite layer to the electrode.
  • the hole transport material may be an organic hole transport material, an inorganic hole transport material, or a laminate thereof.
  • the hole transport layer may include an organic hole transport material having excellent hole transport properties.
  • the organic hole transport layer may include an organic hole transport material, specifically, a monomolecular to high molecular organic hole transport material (hole conductive organic material).
  • the organic hole transport material may correspond to a mixture of poly(triarylamine) (PTAA) and poly-indenofluoren-8-triarylamine (PIF8-TAA).
  • PTAA poly(triarylamine)
  • PPF8-TAA poly-indenofluoren-8-triarylamine
  • Monomolecular-based hole transport materials such as spiro-MeOTAD, which are widely used, crystallize at relatively low temperatures and change electrical properties, which can reduce device efficiency, whereas polymeric hole transport materials such as PTAA stability is higher.
  • PIF8-TAA poly-indenofluoren-8-triarylamine
  • PIF8 can improve the physical properties of PTAA, such as improving the hole mobility of PTAA, by regulating the working function of PTAA.
  • the hole transport material according to an embodiment of the present disclosure is a solution to the above problem, in order to increase the hole mobility in the hole transport material and at the same time improve the stability (durability) of the hole transport material, PIF8 can be mixed with a hole transport material such as PTAA.
  • the ratio of PTAA to PIF8 may be adjusted, and the maximum content of PIF8 to PTAA corresponds to a ratio of PTAA:PIF8 to 9:1.
  • a solution method may be used to form the hole transport layer.
  • PTAA and PIF8 are dissolved at a concentration of 10 mg/mL using toluene, chlorobenzene or chloroform as a solvent, respectively. Then, the solution is mixed according to the ratio shown in the table below.
  • the mixture solution can be spin-coated to form a hole transport layer on the perovskite film.
  • An optical device including the formed hole transport layer may have a Bi-Layer structure as shown in FIG. 1 .
  • the optical element includes FTO (TEC8) / mp-TiO 2 / Perovskite (FAPbI 3 ) / hole transport layer / Au.
  • the performance of the optical device was evaluated through the following method using the perovskite optical device including the hole transport layer prepared in the ratio shown in Table 1, and the results are shown in Tables 2 and 3 below.
  • the photoelectric conversion efficiency was highest when PTAA: PIF8 was 9.7: 0.3, and relatively high photoelectric conversion efficiency was maintained in the range of 9.85: 0.15 to 9.5: 0.5.
  • the work function maintains about 5.3 eV while increasing the PIF8 content until PTAA:PIF8 corresponds to 9:1, and this work function value is equivalent to the hole hole for perovskite solar cell. Suitable for transportation materials.
  • the work function of PTAA is about 5.24 eV, and the work function of PIF8 is about 5.73 eV, so the difference between the two materials' work functions is about 0.5 eV. Accordingly, by mixing the two materials, the work function of the hole transport material can be adjusted and physical properties of the hole transport material can be improved.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 개시의 일 실시예에 따른 정공 수송물질은 PTAA 및 PIF8을 포함한다.

Description

PTAA 및 PIF8를 포함하는 정공 수송물질 및 이를 이용한 광소자
본 개시는 PTAA 및 PIF8를 포함하는 정공 수송물질 및 이를 이용한 광소자에 관한 것이다.
기후변화에 대응할 수 있는 환경 친화적이고 지속 가능한 에너지 기술 개발의 필요성이 증가하고 있다. 광소자는 광전변환소자 및 전광변환소자를 모두 포괄하는데, 광전변환소자 중 하나인 태양전지는 지속 가능한 에너지 기술로서 미래의 에너지 수요에 능동적으로 대응할 수 있는 해결책으로 각광받고 있다. 태양전지는 태양광발전의 가장 기본단위이자 태양광에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서, 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용한다.
하지만 오늘날 태양전지 기술은 미래의 에너지 수요를 대체할 정도의 효율을 보이지 못하기 때문에, 현재의 기술 수준을 뛰어넘는 기술 혁신이 필요한 상황이다. 이에 차세대 태양전지로서 염료감응 태양전지, 유기물 태양전지, 양자점 태양전지, 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell, PSC)와 같은 혁신적 소재를 바탕으로 한 기술들이 개발되어 왔다.
그 중에서도 페로브스카이트 태양전지는 종래 실리콘 태양전지를 대체할 박막 태양전지의 한 축으로 도약하였다. 정공 수송물질, 광흡수물질, 및 전자 수송물질을 포함하는 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 물질을 광흡수물질로 이용하여 현저히 높은 광기전 효과를 나타낸다.
그러나 페로브스카이트 태양전지는 빛이나 열, 습도에 대한 불안정성을 가지므로 제한 사항이 많다. 예를 들어, 습도에 의한 분해, 열 불안정성, 산소 유도 결함, 및 정공 수송물질(Hole Transport Material, HTM)의 불안정성과 같은 문제점이 확인되었다. 특히, 유기 정공 수송물질을 이용할 경우 태양전지의 안정성이 크게 떨어졌다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 고효율성과 고내구성을 가지는 PTAA를 제공한다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 고효율성과 고내구성을 가지는 페로브스카이트 광소자를 제공한다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 PIF8을 이용하여 PTAA의 물성을 향상시킨다.
본 명세서에서 개시되는 실시예들은 PIF8을 이용하여 PTAA의 정공 이동도를 향상시킨다.
본 개시의 일 실시예에 따른 정공 수송물질은 PTAA 및 PIF8을 포함한다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, PTAA 대비 PIF8의 최대 함유량은, 중량 기준으로 PTAA : PIF8가 약 9 : 1일 때 해당한다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, PTAA : PIF8는 약 9.85 : 0.15 ~ 약 9.5 : 0.5에 해당한다.
본 개시의 일 실시예에 따르는 페로브스카이트 태양전지용 정공 수송물질은 제1 유기 정공 수송물질 및 제2 유기 정공 수송물질을 포함하고, 제1 유기 정공 수송물질 대비 제2 유기 정공 수송물질의 최대 함유량은, 중량 기준으로 제1 유기 정공 수송물질 : 제2 유기 정공 수송물질이 약 9 : 1 일 때 해당하고, 제1 유기 정공 수송물질의 일함수가 제2 유기 정공 수송물질의 일함수보다 작다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 제1 유기 정공 수송물질 및 제2 유기 정공 수송물질은 고분자 정공 수송물질에 해당한다.
본 개시의 일 실시예에 따르는 광소자는, 상술한 정공 수송물질을 포함한다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 고효율성과 고내구성을 가지는 PTAA를 제공한다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 고효율성과 고내구성을 가지는 페로브스카이트 광소자를 제공한다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, PIF8을 이용하여 PTAA의 물성을 향상시킨다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, PIF8을 이용하여 PTAA의 정공 이동도를 향상시킨다.
본 개시의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 실시예들은, 이하 설명하는 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 여기서 유사한 참조 번호는 유사한 요소들을 나타내지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 광소자를 도시하는 도면이다.
도 2은 본 개시의 일 실시예와 비교예에 따른 전류-전압 특성 그래프이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예와 비교예에 따른 에너지 레벨 다이어그램이다.
본 개시에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 개시에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 복수의 표현은 문맥상 명백하게 복수인 것으로 특정하지 않는 한, 단수의 표현을 포함한다.
본 개시에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 개시에서 "A 및/또는 B"의 기재는 A, 또는 B, 또는 A 및 B를 의미한다.
본 개시에서 사용되는 정도의 용어 "약" 등은 허용오차가 존재할 때 허용오차를 포괄하는 의미로 사용된 것이다.
본 개시에서, 마쿠쉬 형식의 표현에 포함된 "적어도 어느 하나"의 용어는 마쿠쉬 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 개시에서, "페로브스카이트" 또는 "PE"는 페로브스카이트 결정구조를 가지는 물질을 의미하며, ABX3의 결정구조 외에도 다양한 페로브스카이트 결정구조를 가질 수 있다.
본 개시에서, "광소자"는 광전변환 소자와 전광변환 소자를 모두 포함하는 의미로 사용된다. 예컨대, 광소자는 태양광 전지(Solar Cell), LED(Light Emitting Diode), 광검출기(Photodetector), X-선 검출기(X-ray detector), 레이저(Laser)를 포함하며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 개시에서, 용어 "할라이드", "할로겐", "할로겐화물" 또는 "할로"는 주기율표의 17 족에 속하는 할로겐 원자가 작용기의 형태로 포함되어 있는 재질 또는 조성물을 의미하는 것으로서, 예를 들어, 염소, 브롬, 불소 또는 요오드 화합물을 포함할 수 있다.
본 개시에서, 용어 "층"은 두께를 가지는 레이어(layer) 형태를 의미한다. 층은 다공성에 해당하거나 비-다공성에 해당할 수 있다. 다공성은 공극률을 가지는 것을 의미한다. 층은 전체적으로 벌크(bulk) 형태를 가지거나 또는 단결정 박막(single crystal thin film)에 해당할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 개시에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상"에 위치하고 있다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우 뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 개시에서, 별다른 추가 설명 없이 단순히 효율로만 기재되어 있는 경우, 해당 효율은 전력 변환 효율(Power Conversion Efficiency, PCE)을 의미한다.
본 개시에서, 별다른 추가 설명 없이 단순히 PIF8만 기재되어 있는 경우, poly-indenofluoren-8-triarylamine(PIF8-TAA)을 의미한다.
본 개시에서, 별다른 추가 설명 없이 단순히 PTAA : PIF8 또는 PTAA와 PIF8 간의 비율이 기재되어 있을 경우 중량 비율을 의미한다.
이하, 본 개시의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
개시된 실시예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 통상의 기술자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.
첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응되는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.
본 개시의 일 실시예에 따르는 광소자는, 제1 전극, 제1 전극 상에 형성된 제1 전하 수송층, 제1 전하 수송층 상에 형성되는 페로브스카이트층, 페로브스카이트층 상에 형성된 제2 전하 수송층, 및 제2 전하 수송층 상에 형성된 제2 전극을 포함할 수 있다.
예컨대, 광소자가 n-i-p 구조의 태양 전지에 사용되는 경우, 해당 광소자는 제1 전극, 전자 수송층, 페로브스카이트층, 정공 수송층 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 또는 광소자가 p-i-n 구조의 태양 전지에 해당하는 경우, 해당 태양 전지는 제1 전극, 정공 수송층, 페로브스카이트 층, 전자 수송층 및 제2 전극이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
예컨대, 광소자는 평판형 구조(Planar Structure)를 가질 수 있고, 또는 Bi-Layer 구조, 또는 Meso-Superstructure 구조를 가질 수 있다. 광소자의 구조에 따라 전극, 전하 수송층, 및 페로브스카이트층의 형태가 변형될 수 있다.
예컨대, 광소자가 Bi-Layer 구조를 가지는 경우, 페로브스카이트 층은 다공성 TiO2에 페로브스카이트를 채워 넣어 층 형태를 가지도록 형성된 이중층(Bi-layer) 구조를 가질 수 있다. 이중층은, 다공성 TiO2의 기공을 페로브스카이트로 모두 채운 TiO2 : Perovskite 혼합층의 제1 층과 그 위의 순수한 페로브스카이트 층의 제2 층으로 이루어진 구조를 의미할 수 있다.
전극은 제1 전극 및/또는 제2 전극을 포함하고, 애노드 또는 캐소드일 수 있다. 전극은 애노드 또는 캐소드일 수 있다. 제1 전극이 애노드인 경우, 제2 전극은 캐소드일 수 있다. 예컨대, 전극은 인듐주석산화물(indium-tin oxide, ITO) 또는 인듐아연산화물(IZO), 불소함유 산화주석(flourine-doped tin oxide, FTO)등과 같은 전도성 산화물일 수 있다. 또는, 전극은 은(Ag), 금(Au), 마그네슘(Mg), 알루미늄 (Al), 백금(Pt), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 크롬 (Cr), 칼슘(Ca), 사마륨(Sm) 및 리튬 (Li), 및 이들의 조합들로 이루어지는 군으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다. 또는, 전극은 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthelate), PP(polyperopylene), PI(polyimide), PC(polycarbornate), PS(polystylene), POM(polyoxyethylene) 등과 같이 플라스틱과 같은 유연하고 투명한 물질 위에 도전성을 갖는 물질이 도핑된 것에 해당할 수 있다.
전극은 광소자에서 전면전극 또는 후면전극의 전극물질로 통상적으로 사용되는 물질에 해당할 수 있다. 전극은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 탄소, 황화코발트, 황화구리, 산화니켈 및 이들의 복합물에서 하나 이상에서 선택되는 물질일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예컨대, 전극은 불소 함유 산화주석(FTO; Fouorine doped Tin Oxide), 인듐 함유 산화주석(ITO; Indium doped Tin Oxide), ZnO, CNT(카본 나노튜브) 및 그래핀(Graphene) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 무기계 전도성 전극이거나, PEDOT:PSS 등과 같은 유기계 전도성 전극에 해당할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
전하 수송층으로서, 전자 수송층(Electron Transport Layer, ETL) 또는 정공 수송층(Hole Transport Layer, HTL)이 제1 전극 상에 형성될 수 있다. 제1 전하 수송층이 전자 수송층일 경우, 제2 전하 수송층은 정공 수송층에 해당할 수 있다. 또는, 제1 전하 수송층이 정공 수송층일 경우, 제2 전하 수송층은 전자 수송층에 해당할 수 있다.
전자 수송층은 "n형 물질"을 포함하는 반도체에 해당할 수 있다. "n형 물질"은 전자 수송물질을 의미한다. 전자 수송물질은 단일의 전자 수송 화합물 또는 원소 물질, 또는 둘 또는 그 이상의 전자 수송 화합물이나 원소 물질들의 혼합물일 수 있다. 전자 수송 화합물 또는 원소 물질은 도핑되지 않거나 또는 하나 또는 그 이상의 도펀트(dopant) 원소들로 도핑될 수 있다.
예컨대, 전자 수송층은 전자 전도성 유기물층 또는 전자 전도성 무기물층일 수 있다. 전자 전도성 유기물은 통상의 유기 태양전지에서, n형 반도체로 사용되는 유기물일 수 있다. 예를 들어, 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 있으나, 이에 한정되지 않는다.
전자 전도성 무기물은 통상의 양자점 기반 태양전지, 염료 감응형 태양전지 또는 페로브스카이트계 태양전지에서, 전자 전달을 위해 사용되는 전자전도성 금속산화물일 수 있다. 일 실시예에서, 전자전도성 금속산화물은 n형 금속산화물 반도체일 수 있다. 예를 들어, n형 금속산화물 반도체는 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 물질, 이들의 혼합물 또는 이들의 복합체(composite)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
전자 수송층은 치밀층(치밀막) 또는 다공층(다공막)일 수 있다. 치밀한 전자 수송층은 상술한 전자 전도성 유기물의 막 또는 전자 전도성 무기물의 치밀막일 수 있다. 다공막의 전자 수송층은 상술한 전자 전도성 무기물의 입자들로 이루어진 다공막일 수 있다.
정공 수송층은 "p형 물질"을 포함하는 반도체에 해당할 수 있다. "p형 물질"은 정공 수송(hole transporting) 물질을 의미한다. 정공 수송물질은 단일의 정공 수송 화합물 또는 원소 물질, 또는 둘 또는 그 이상의 정공 수송 화합물이나 원소 물질들의 혼합물일 수 있다. 정공 수송 화합물 또는 원소 물질은 도핑되지 않거나 또는 하나 또는 그 이상의 도펀트 원소들로 도핑될 수 있다. 정공 수송물질은, 유기 정공 수송물질, 무기 정공 수송물질 또는 이들의 조합일 수 있다.
정공 수송층은 용액 공정으로 제조 가능할 수 있다. 정공 수송층은 유기 정공 수송물질의 박막일 수 있다. 정공 수송층 박막의 두께는 10 nm 내지 500 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
정공 수송물질은 유기 정공 수송물질, 구체적으로 단분자 내지 고분자 유기 정공 수송물질(정공전도성 유기물)에 해당할 수 있다. 고분자 유기 정공 수송물질로, 티오펜계, 파라페닐렌비닐렌계, 카바졸계 및 트리페닐아민계에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 포함할 수 있다.
단분자 내지 저분자 유기 정공 수송물질은, 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-hexadecafluoro29H,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 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
고분자 유기 정공 수송물질은, P3HT(poly[3-hexylthiophene]), MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3',7'- dimethyloctyloxyl)]-1,4-phenylene vinylene), MEH-PPV(poly[2-methoxy -5-(2''-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene]), P3OT(poly(3-octyl thiophene)), POT( poly(octyl thiophene)), P3DT(poly(3-decyl thiophene)), P3DDT(poly(3-dodecyl thiophene), PPV(poly(p-phenylene vinylene)), TFB(poly(9,9'-dioctylfluorene-co-N-(4-butylphenyl)diphenyl amine), Polyaniline, SpiroMeOTAD ([2,22′,7,77′-tetrkis (N,N-di-p-methoxyphenyl amine)-9,9,9′-spirobi fluorine]), PCPDTBT(Poly[2,1,3-benzothiadiazole- 4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl-4H- cyclopenta [2,1-b:3,4- b']dithiophene-2,6-diyl]], Si-PCPDTBT(poly[(4,4′'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′',3′'-d]silole)- 2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PBDTTPD(poly((4,8-diethylhexyloxyl) benzo([1,2- b:4,5-b']dithiophene)-2,6-diyl)-alt-((5-octylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione)-1,3-diyl)), PFDTBT(poly[2,7-(9-(2-ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4', 7, -di-2-thienyl-2',1', 3'- benzothiadiazole)]), PFO-DBT(poly[2,7-.9,9-(dioctyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-.thienyl-2', 1', 3'- benzothiadiazole)]), PSiFDTBT(poly[(2,7-dioctylsilafluorene)-2,7-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3- benzothiadiazole)-5,5]), PSBTBT(poly[(4,4′'-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′',3′'-d]silole)- 2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl]), PCDTBT(Poly [[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7- diyl] -2,5-thiophenediyl -2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]), PFB(poly(9,9′'- dioctylfluorene-co-bis(N,N′'-(4,butylphenyl))bis(N,N′'-phenyl-1,4-phenylene)diamine), F8BT(poly(9,9′'- dioctylfluorene-co-benzothiadiazole), PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), PEDOT:PSS (poly(3,4- ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)), PTAA (poly(triarylamine)), Poly(4-butylphenyldiphenyl-amine), PIF8-TAA (poly-indenofluoren-8-triarylamine) 및 이들의 공중합체에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
추가적인 정공 수송층에 대한 설명은 별도로 상술하기로 한다.
전자 수송층 또는 정공 수송층은 버퍼층에 해당할 수 있거나, 버퍼층을 포함할 수 있다. 전자 수송층 또는 정공 수송층은 도핑을 이용하여 표면이 개질될 수 있다. 전자 수송층 또는 정공 수송층은 스핀 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅, 스프레이 코팅, 바 코팅, 그라비아 코팅, 브러쉬 페인팅, 열증착, 스퍼터링, E-Beam, 스크린 프린팅, 블레이드 공정 등을 통해 전극의 일면에 도포되거나 필름 형태로 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
페로브스카이트층은 제1 전극에 직접 접하도록 형성될 수 있다. 대체하여, 페로브스카이트층은 전자 수송층 또는 정공 수송층에 직접 접하도록 형성될 수 있다. 페로브스카이트층은 페로브스카이트를 포함한다.
페로브스카이트층은 기상 증착 공정 또는 용액 공정 등을 포함한 다양한 공정을 통해 형성될 수 있다. 페로브스카이트층은 기상 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 기상 증착 공정은 진공 챔버 내로 물질을 증기화된 상태 또는 플라즈마 상태로 공급하여, 타겟 물체 표면(예컨대, 기판) 상에 해당 물질을 증착시키는 공정에 해당할 수 있다. 페로브스카이트층은 용액 공정 중 코팅 공정을 통해 형성될 수 있다. 코팅 공정은 스핀 코팅, 바코팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 젯 프린팅(electrohydrodynamic jet printing), 전기분무(electrospray), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되어 이루어지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 페로브스카이트는 1가의 유기 양이온, 2가의 금속 양이온 및 할로겐 음이온을 함유할 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 페로브스카이트는 하기 화학식을 만족할 수 있다.
[화학식 1]
AMX3
화학식 1에서, A는 1가의 양이온으로, 유기 암모늄 이온, 아미디니움계(amidinium group) 이온, 또는 유기 암모늄 이온 및 아미디니움계 이온의 조합에 해당할 수 있다.
예컨대, A로서 유기 양이온은 화학식 (R1R2R3R4N)+을 가질 수 있다. 이 경우, R1~R4는 수소, 치환되지 않거나 치환된 C1-C20 알킬(alkyl), 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴(aryl)에 해당할 수 있다.
예컨대, A로서 유기 양이온은 화학식 (R5NH3)+을 가질 수 있으며, 이 때 R5는 수소, 또는 치환된 또는 치환되지 않은 C1-C20 알킬에 해당할 수 있다.
예컨대, A로서 유기 양이온은 화학식 (R6R7N=CH-NR8R9)+을 가지며, 이 경우에 R6~R9는 수소, 메틸, 또는 에틸에 해당할 수 있다.
또한, A는 1가의 금속 이온으로, 알칼리 금속 이온에 해당할 수 있다.
예컨대, A로서 1가의 금속 이온은 Li+, Na+, K+, Rb+, 또는 Cs+ 이온에 해당할 수 있다.
또한, A는 1가의 유기 양이온과 1가의 금속 이온의 조합에 해당할 수 있다.
예컨대, A는 1가의 유기 양이온에 1가의 금속 이온이 도핑된 형태에 해당할 수 있다. 도핑된 금속 이온인 1가의 금속 이온은 알칼리 금속 이온을 포함할 수 있으며, 알칼리 금속 이온은 Li+, Na+, K+, Rb+, 및 Cs+ 이온에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.
M은 2가의 금속 이온일 수 있다. 예컨대, M은 Cu2+, Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Ge2+, Sn2+, Pb2+ 및 Yb2+에서 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 양이온을 포함하는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.
X는 할로겐 이온에 해당할 수 있다. 예컨대, 할로겐 이온은 I-, Br-, F-, Cl- 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 할로겐 이온을 포함하는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예컨대, 페로브스카이트는 CH3NH3PbI3(methylammonium lead iodide, MAPbI3) 및 CH(NH2)2PbI3(formamidinium lead iodide, FAPbI3)에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
또한, X는 산소 이온에 해당할 수 있다.
이하에서는, 본 개시의 실시예에 따른 정공 수송층에 포함되는 정공 수송물질에 대해 보다 상세히 설명한다.
강한 햇빛에 노출되는 광소자는 80 ℃ 이상으로 온도가 올라가게 되는 바, 열 안정성이 확보된 소재를 필요로 한다. 특히, 유기 정공 수송물질의 경우 열에 가장 취약한 것으로 알려져 있다. 이에 따라, 고효율을 유지하면서 열화인자로부터 안정성을 확보할 수 있는 유기 정공 수송물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
정공 수송층에 포함되는 정공 수송물질은 페로브스카이트층으로부터 전극으로 정공을 수송할 수 있다. 정공 수송물질은 유기 정공 수송물질, 무기 정공 수송물질 또는 이들의 적층물질일 수 있다. 일 실시예에서, 정공 수송층은 정공 이동 특성이 우수한 유기 정공 수송물질을 포함할 수 있다. 유기 정공 수송층은 유기 정공 수송물질, 구체적으로 단분자 내지 고분자 유기 정공 수송물질(정공전도성 유기물)을 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 유기 정공 수송물질은 PTAA(poly(triarylamine))와 PIF8-TAA(poly-indenofluoren-8-triarylamine)의 혼합물에 해당할 수 있다.
널리 사용되는 spiro-MeOTAD 같은 단분자 기반의 정공 수송물질은 비교적 낮은 온도에서 결정화가 일어나 전기적 특성이 변화하여 소자의 효율을 감소시킬 수 있는 반면, PTAA와 같은 고분자 정공 수송물질은 단분자 소재보다 열 안정성이 더 높다.
유기물 기반 정공 수송물질은 전도율이 낮기 때문에, 정공 이동도(mobility) 향상과 같은 물성 향상을 위해 PIF8-TAA(poly-indenofluoren-8-triarylamine)를 PTAA와 혼합할 수 있다. PIF8는 PTAA의 일함수(working function)을 조절함으로써 PTAA의 정공 이동도를 향상시키는 등 PTAA의 물성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 개시의 일 실시예에 따른 정공 수송물질은, 위의 문제에 대한 해결책으로써 정공 수송물질에서의 정공 이동도를 증가시키면서 그와 동시에 정공 수송물질의 안정도(durability)를 향상시키기 위해, 고분자 정공 수송물질, 예컨대 PTAA에 PIF8를 혼합할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, PTAA과 PIF8의 비율은 조절될 수 있으며, PTAA 대비 PIF8의 최대 함유량은 PTAA : PIF8가 9 : 1일 때 해당한다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 정공 수송층을 형성하기 위해 용액법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 톨루엔, 클로로벤젠 또는 클로로포름을 용매로 하여 10 mg/mL 농도로 PTAA 및 PIF8를 각각 용해시킨다. 이후, 해당 용액을 아래 표의 비율에 따라 혼합을 한다.
No. PTAA : PIF8 (중량 비)
1 10 : 0
2 9.85 : 0.15
3 9.7 : 0.3
4 9.5 : 0.5
5 9.3 : 0.7
6 9 : 1
7 8 : 2
8 5 : 5
9 0 : 10
<PTAA과 PIF8 간의 비율>
혼합물 용액은 페로브스카이트 필름상에 정공 수송층을 형성하기 위해 스핀-코팅 될 수 있다. 형성된 정공 수송층이 포함된 광소자는 도 1에 도시된 바와 같이 Bi-Layer 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 광소자는 FTO(TEC8) / mp-TiO2 / Perovskite (FAPbI3) / 정공수송층 / Au 를 포함한다.
성능 비교
상기 표 1에 표시된 비율로 제조된 정공수송층을 포함하는 페로브스카이트 광소자를 이용하여 하기 방법을 통해 광소자의 성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2 및 표 3에 표기하였다.
1) 전류-전압 특성: 인공태양장치(ORIEL class A solar simulator, Newport, model 91195A)와 소스-미터(source-meter, Kethley, model 2420)를 사용하여, 개방전압(VOC), 단락전류 밀도(JSC) 및 필 팩터(fill factor, FF)를 측정하였다.
2) 광전변환효율(power conversion efficiency, PCE, η): 1,000 W/㎡의 일조 강도와 온도 85℃ 및 습도 85%의 항온 항습 조건에서 제조된 페로브스카이트 광소자를 280 내지 2500 ㎚ 파장의 광원에 노출시켜 PCE 값을 측정하였다(표 2 참고).
3) 첨가제에 따른 정공전달층의 전하전달 특성: 정공전달층에 따라 달라지는 전하전달 특성을 전류-전압 특성으로 측정하였다(표 2 및 도 2 참고).
4) 측정장치 AC2 및 UPS로 측정한 일함수: 정공전달층에 따라 달라지는 일함수를 측정하였다(각각 표 3 및 도 3 참고)
No. PTAA : PIF8 Voc(V) Jsc(mA/cm2) F.F(%) η(%)
R F R F R F R F
1 10 : 0 1.03 1.01 24.54 24.43 80.6 76.33 20.32 18.78
2 9.85 : 0.15 1.03 1.01 24.56 24.66 82.25 79.31 20.96 19.7
3 9.7 : 0.3 1.08 1.02 24.73 24.67 82.71 78.31 22.04 19.84
4 9.5 : 0.5 1.07 1.04 24.72 24.66 82.22 80.29 21.9 20.54
<PTAA과 PIF8의 비율에 따른 광전변환소자의 효율 비교>
R: Reverse, F: Forward
No. PTAA : PIF8 Working Function
1 10 : 0 5.24 5.23
3 9.7 : 0.3 5.31 5.29
4 9.5 : 0.5 5.34 5.33
5 9.3 : 0.7 5.35 5.34
6 9 : 1 5.34 5.35
7 8 : 2 5.47 5.46
8 5 : 5 5.68 5.65
9 0 : 10 5.73 5.74
<PTAA과 PIF8의 비율에 따른 일함수 변화(단위: eV)>
페로브스카이트의 FAPbI3의 일함수는 아래 표와 같다.
Perovskite Working Function
FAPbI3 5.6 5.61
<FAPbI3의 일함수 (단위: eV)>
표 2에서 확인되는 바와 같이 PTAA : PIF8가 9.7 : 0.3에 해당할 때 광전변환효율이 가장 높았고, 9.85 : 0.15 ~ 9.5 : 0.5 범위에서 상대적으로 높은 광전변환효율을 유지하였다. 또한, 표 3에서 확인되는 바와 같이 PTAA : PIF8가 9 : 1에 해당할 때까지 PIF8의 함유량을 증가시키는 동안 일함수가 약 5.3 eV를 유지하며, 이러한 일함수 수치는 페로브스카이트 태양전지용 정공 수송물질에 적합하다.
PTAA의 일함수는 약 5.24 eV이고, PIF8의 일함수는 약 5.73 eV에 해당하여, 양 물질의 일함수 차이는 약 0.5 eV에 해당한다. 그에 따라 양 물질을 혼합함으로써 정공 수송물질의 일함수를 조절할 수 있고, 정공 수송물질의 물성을 개선할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (6)

  1. 정공 수송물질로서,
    PTAA 및 PIF8을 포함하는 정공 수송물질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PTAA 대비 상기 PIF8의 최대 함유량은 중량 기준으로 PTAA : PIF8가 약 9 : 1일 때 해당하는, 정공 수송물질.
  3. 제2항에 있어서,
    PTAA : PIF8는 약 9.85 : 0.15 ~ 약 9.5 : 0.5에 해당하는 정공수송물질.
  4. 페로브스카이트 태양전지용 정공 수송물질로서,
    제1 유기 정공 수송물질 및 제2 유기 정공 수송물질을 포함하고,
    상기 제1 유기 정공 수송물질 대비 상기 제2 정공 수송물질의 최대 함유량은, 중량 기준으로 상기 제1 유기 정공 수송물질 : 상기 제2 유기 정공 수송물질이 약 9 : 1 일 때 해당하고,
    상기 제1 유기 정공 수송물질의 일함수가 상기 제2 정공 유기 수송물질의 일함수보다 작은, 정공 수송물질.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 유기 정공 수송물질 및 상기 제2 유기 정공 수송물질은 고분자 정공 수송물질에 해당하는, 정공 수송물질.
  6. 제1항에 따른 정공 수송물질을 포함하는, 광소자.
PCT/KR2022/014446 2021-10-06 2022-09-27 Ptaa 및 pif8를 포함하는 정공 수송물질 및 이를 이용한 광소자 WO2023058979A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210132761A KR20230049507A (ko) 2021-10-06 2021-10-06 Ptaa 및 pif8를 포함하는 정공 수송물질 및 이를 이용한 광소자
KR10-2021-0132761 2021-10-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023058979A1 true WO2023058979A1 (ko) 2023-04-13

Family

ID=85804467

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2022/014446 WO2023058979A1 (ko) 2021-10-06 2022-09-27 Ptaa 및 pif8를 포함하는 정공 수송물질 및 이를 이용한 광소자

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20230049507A (ko)
WO (1) WO2023058979A1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210050288A (ko) * 2019-10-28 2021-05-07 한국과학기술연구원 공액 고분자 및 이를 포함하는 페로브스카이트 태양전지
US20210143351A1 (en) * 2018-05-25 2021-05-13 The University Of North Carolina At Chapel Hill Interconnection structures for perovskite tandem solar cells

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210143351A1 (en) * 2018-05-25 2021-05-13 The University Of North Carolina At Chapel Hill Interconnection structures for perovskite tandem solar cells
KR20210050288A (ko) * 2019-10-28 2021-05-07 한국과학기술연구원 공액 고분자 및 이를 포함하는 페로브스카이트 태양전지

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Report of Research Program for Global Research Laboratory, Ministry of Science, ICT and Future Planning", 22 July 2016, ULSAN NATIONAL INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY, Korea, article "Key materials for high efficient nanostructured inorganic/organic heterojunction solar cells. ", pages: 1 - 220, XP009553110 *
MALI SAWANTA S, SHIM CHANG SU, HONG CHANG KOOK: "Highly stable and efficient solid-state solar cells based on methylammonium lead bromide (CH3NH3PbBr3) perovskite quantum dots", NPG ASIA MATERIALS, vol. 7, no. 8, 1 August 2015 (2015-08-01), JP , pages e208, XP093057367, ISSN: 1884-4049, DOI: 10.1038/am.2015.86 *
RYU SEUNGCHAN, NOH JUN HONG, JEON NAM JOONG, CHAN KIM YOUNG, YANG WOON SEOK, SEO JANGWON, SEOK SANG IL: "Voltage output of efficient perovskite solar cells with high open-circuit voltage and fill factor", ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE, vol. 7, no. 8, 1 January 2014 (2014-01-01), Cambridge , pages 2614 - 2618, XP093057365, ISSN: 1754-5692, DOI: 10.1039/C4EE00762J *

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230049507A (ko) 2023-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11800726B1 (en) Method of formulating perovskite solar cell materials
US10714270B2 (en) Photoelectric conversion device and method for manufacturing the same
EP2466664B1 (en) Method for producing a hole blocking layer and method for manufacturing a photoelectric conversion element comprising the hole blocking layer
KR101082910B1 (ko) 접합고리계 화합물을 포함하는 유기태양전지
TW201402779A (zh) 用於電子傳輸層之包含離子有機化合物的調配物
KR20140146006A (ko) 유기태양전지 및 이의 제조방법
KR101609588B1 (ko) 광활성층 제조용 코팅조성물 및 이를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법
KR101033304B1 (ko) 발광특성을 가지는 유기 태양전지 및 그 제조방법
EP3024043A2 (en) Solar cell
WO2023058979A1 (ko) Ptaa 및 pif8를 포함하는 정공 수송물질 및 이를 이용한 광소자
WO2022010326A1 (ko) 산염기 부산물로 도핑된 유기 정공 수송물질 및 이를 이용한 광소자
WO2022019618A1 (ko) 보호층을 가지는 광소자
KR20150121407A (ko) 텐덤형 유기태양전지 및 이의 제조방법
KR102670528B1 (ko) SnO2 전자수송층 및 이를 이용한 광소자
KR20220170311A (ko) 후열처리를 이용한 광소자 제조 방법
WO2023171916A1 (ko) 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법
WO2024039134A1 (ko) 계면층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법
WO2024025103A1 (ko) 델타상 페로브스카이트 결정체 합성방법 및 이 방법으로 제조된 델타상 페로브스카이트 결정체
WO2022045847A1 (ko) 와이드 밴드갭 페로브스카이트 광흡수층
KR20220157797A (ko) 보호층을 가지는 광소자
WO2023136442A1 (ko) 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법
KR20220158188A (ko) 광소자 제조 방법
Hu et al. Flexible organic solar cells
WO2021221259A1 (ko) 향상된 안정성을 갖는 유무기 페로브스카이트 화합물
KR20230159925A (ko) 탠덤 태양전지 및 이의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE