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KR20190001157A - 페로브스이트 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

페로브스이트 태양전지 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20190001157A
KR20190001157A KR1020170080698A KR20170080698A KR20190001157A KR 20190001157 A KR20190001157 A KR 20190001157A KR 1020170080698 A KR1020170080698 A KR 1020170080698A KR 20170080698 A KR20170080698 A KR 20170080698A KR 20190001157 A KR20190001157 A KR 20190001157A
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KR
South Korea
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perovskite
group
layer
electrode
alkali
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KR1020170080698A
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Inventor
박남규
손대용
Original Assignee
성균관대학교산학협력단
재단법인 멀티스케일 에너지시스템 연구단
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Publication date
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Abstract

제 1전극; 상기 제 1전극 상에 형성된 재결합 방지층; 상기 재결합 방지층 상에 알칼리 요오드 및 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트층; 상기 페로브스카이트층 상에 형성된 정공 전달층; 및 상기 정공 전달층 상에 형성된 제 2전극을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다.

Description

페로브스이트 태양전지 및 이의 제조 방법 {PEROVSKITE SOLAR CELL AND PREPARING METHOD THEREOF}
본원은 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 차세대 태양전지로서 유무기 페로브스카이트 구조를 가진 광흡수체를 적용한 유무기 페로브스카이트 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 유무기 복합 페로브스카이트 물질은 2009년 일본의 츠토무 미야사키 그룹이 처음으로 태양전지에 적용한 이후(J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050-6051), 흡광 계수가 높고, 용액 공정을 통해 쉽게 합성이 가능한 특성 때문에 태양전지 광 흡수물질로서 각광 받고 있다.
페로브스카이트 구조(ABX3)를 가지는 물질은 무기금속산화물이다.
이러한 무기금속산화물은 일반적으로 산화물(oxide)로서, A, B 위치에 서로 다른 크기를 가지는 티타늄(Ti), 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 세슘(Cs), 바륨(Ba), 이트륨(Y), 가돌리늄(Gd), 란타넘(La), 철(Fe), 망간(Mn) 등의 금속(알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속 및 란타넘 족 등) 양이온들이 위치하고 X 위치에는 산소(oxygen) 음이온이 위치하고, B 위치의 금속 양이온들이 X 위치의 산소 음이온들과6-fold coordination의 corner-sharing octahedron 형태로서 결합되어 있는 물질이다. 그 예로서, 스트론튬페라이트(SrFeO3), 란타늄 망가나이트 (LaMnO3), 칼슘페라이트 (CaFeO3) 등이 있다.
무기금속산화물 페로브스카이트는 초전도성 (superconductivity), 강유전성 (ferroelectricity), 거대한 자기저항 (colossal magnetoresistance) 등의 특성을 보인다. 이러한 특성을 이용하여 일반적으로 센서 및 연료 전지, 메모리 소자 등에 응용되어 연구가 진행되고 있다.
유무기 하이브리드 할라이드 페로브스카이트는 ABX3 구조에서 A 위치에 유기 암모늄(RNH3) 양이온 또는 알칼리 금속 양이온이 위치하게 되고, X 위치에는 할로젠화물 (Cl, Br, I)가 위치하게 되어 할라이드 페로브스카이트 재료를 형성하게 된다.
유무기 하이브리드 할라이드 페로브스카이트 (혹은 유기금속 및 무기금속 할라이드 페로브스카이트)는 유기평면 (혹은 알칼리금속평면)과 무기평면이 교대로 적층이 되어 있어 라멜라 구조와 유사하고 무기평면 내에 엑시톤의 속박이 가능하기 때문에, 본질적으로 물질의 사이즈보다는 결정구조 자체에 의해서 매우 높은 색순도의 빛을 발광하는 이상적인 발광체가 될 수 있다.
유무기 페로브스카이트 물질 중에서 주로 CH3NH3PbI3 및 CH3NH3PbI3 - xClx이 태양전지의 광 활성층으로 사용되고 있다. 이러한 메틸암모늄 납 할라이드 페로브스카이트는 높은 전하 수송 특성과 광 흡수 특성으로 우수한 광전 성능을 나타낸다. 또한, 상온에서 정방정계 상 (tetragonal phase)으로 안정화되며, 이는 약 1.5 eV의 밴드갭을 갖는다.
메틸암모늄 납 할라이드 페로브스카이트는 투명 전도성 기재에서 반사에 의한 입사광의 손실이 없다고 가정할 때, 이론적으로 최대 광전류 밀도는 약 27.2 mA/cm2였으며, 입사 광전 변환 효율(incident photon-to-electron conversion efficiency, IPCE)에 의해 측정된 흡수 개시 파장(absorption onset wavelength)은 약 800 nm였다. 그러나, 실제 장치에서 약 15% 내지 약 20% 광 손실이 발생할 것을 고려해야 하며, 이는 약 23.1 mA/cm2내지 약 21.8 mA/cm2으로 이어진다. 따라서, 메틸암모늄 납 할라이드 기반의 페로브스카이트 전지는 약 1.1 V의 전압 및 약 0.8의 충진율(fill factor)이 달성될 경우, 약 20%의 PCE를 송달할 수 있다.
그러나, 상기 메틸암모늄 양이온을 기반으로 한 유·무기 복합 페로브스카이트 물질은 밴드갭이 약 1.55 eV로 약 800 nm 파장의 빛까지 흡수할 수 있어, 광전류 생성량이 약 21 mA/cm2으로 제한된다. 또한, 기존의 메틸암모늄 양이온을 기반으로 한 유·무기 복합 페로브스카이트 태양전지의 경우, 외부 전압에 의한 이력 현상이 존재하기 때문에, 정확한 광전 특성을 파악하기가 어려운 문제점이 있다.
이력 현상이 나타나게 되면, 태양전지의 효율은 역방향 및 순방향 바이어스의 평균 값에 의해 결정된다. 결국 이력 현상이 크게 나타나는 페로브스카이트 태양전지는 낮은 효율을 나타나게 된다.
본원의 배경이 되는 기술인 한국등록특허공보 제 10-1666563호는 페로브스카이트 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 그러나, 상기 등록특허는 페로브스카이트 태양전지의 이력 현상을 제거하는 것에 대해 언급하고 있지 않다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1측면은, 제 1전극; 상기 제 1전극 상에 형성된 재결합 방지층; 상기 재결합 방지층 상에 알칼리 요오드 및 하기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트층; 상기 페로브스카이트층 상에 형성된 정공 전달층; 및 상기 정공 전달층 상에 형성된 제 2전극을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.
<화학식 1>
(RMX3)1-y- z(R'MX'3)z(AMX''3)y
상기 화학식 1 중,
R 및 R' 은 각각 독립적으로 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 R 및 R' 이 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고,
M은 Pb, Sn, 또는 Ge 이고,
A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고,
X, X' 및 X''는 각각 독립적으로 F, Cl, Br, 또는 I 이고,
y 는 0 초과 내지 0.2 이하 이고, z 는 0 이상 0.2 이하임.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리 요오드는 0.1 mmol 내지 10 mmol의 농도로 포함되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리 요오드는 Na, K, Rb, Cs, Fr 또는 Li 금속을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트층은 ((HC(NH2)2)MX3)1-y(AMX''3)y (여기서, M은 Pb, Sn 또는 Ge이고, A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고, X 및 X''는 각각 독립적으로 F, Cl, Br, 또는 I 이고, y는 0초과 내지 0.2이하임)를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트층은 ((HC(NH2)2)PbI3)1-y(CsPbBr3)y (여기서, y는 0초과 내지 0.2이하임)를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1전극 및 상기 제 2전극은 각각 독립적으로 금속, 전도성 고분자, 탄소물질, 주석계 산화물, 산화아연 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 재결합 방지층은 유기 반도체, 무기반도체, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 정공 전달층은 단분자 정공 전달 물질, 고분자 정공 전달 물질 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2측면은, 제 1전극 상에 재결합 방지층을 형성하는 단계; 상기 재결합 방지층 상에 알칼리 요오드 및 하기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트층을 형성하는 단계; 상기 페로브스카이트층 상에 정공 전달층을 형성하는 단계; 및 상기 정공 전달층 상에 제 2전극을 형성하는 단계를 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
<화학식 1>
(RMX3)1-y- z(R'MX'3)z(AMX''3)y
상기 화학식 1 중,
R 및 R' 은 각각 독립적으로 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 R 및 R' 이 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고,
M은 Pb, Sn, 또는 Ge이고,
A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고,
X, X' 및 X''는 각각 독립적으로 F, Cl, Br, 또는 I 이고,
y 는 0 초과 내지 0.2 이하 이고, z 는 0 이상 0.2 이하임.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트층을 형성하는 것은, (MX2)1-y-z, (MX'2)z, (MX''2)y (여기서, M은 Pb, Sn, 또는 Ge이고, X, X' 및 X''는 각각 독립적으로 F, Cl, Br, 또는 I 이고, y는 0 초과 내지 0.2 이하 이고, z 는 0 이상 0.2 이하임), (AX'')y (여기서, A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고, X''는 F, Cl, Br, 또는 I 임), 페로브스카이트 제조용 전구체 (RX)1-y-z 및 (R'X)1-y-z (여기서, R 및 R' 은 각각 독립적으로 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 R및 R' 이 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고, X는 F, Cl, Br 또는 I 이고, y 는 0 초과 내지 0.2 이하 이고, z 는 0 이상 0.2 이하임), 및 상기 알칼리 요오드를 상기 재결합 방지층 상에 코팅함으로써 수행되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리 요오드는 0.1 mmol 내지 10 mmol의 농도로 포함되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리 요오드는 Na, K, Rb, Cs, Fr 또는 Li 금속을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 제조용 전구체는 (HC(NH2)2)X (여기서, X는 F, Cl, Br, 또는 I 임)를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 제조용 전구체는 (HC(NH2)2)I를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 재결합 방지층 상에 상기 (MX2)1-y-z, (MX'2)z, (MX''2)y, (AX'')y, (RX)1-y-z 및 (R'X)1-y-z, 및 알칼리 요오드를 코팅하는 것은 스핀 코팅법, 캐스트법, 량뮤어-블로젯 (Langmuir-Blodgett, LB)법, 잉크젯 프린팅법, 노즐 프린팅법, 슬롯 다이 코팅법, 닥터블레이드 코팅법, 스크린 프린팅법, 딥 코팅법, 그래비어 프린팅법, 리버스 오프센 프린팅법, 물리적 전사법, 스프레이 코팅법, 화학기상증착법, 열증착법, 진공증착법 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 코팅에 의해 수행되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 페로브스카이트 태양전지는 기존의 페로브스카이트층 상에 알칼리 요오드를 첨가함으로써 이력 현상을 제거할 수 있다. 이력 현상이 나타날 때의 태양전지의 효율은 역방향 및 순방향의 결과값의 평균 값에 의해 결정된다. 결국 이력 현상이 크게 나타나는 페로브스카이트 태양전지는 낮은 효율을 나타나게 되는데, 이러한 이력 현상을 제거함으로써 역방향 및 순방향 바이어스의 평균이 증가하였고, 이를 통해 18.4%의 고효율을 가지는 태양전지를 개발하였다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 구조이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트층에 KI을 각각 0 mmol, 2 mmol, 4 mmol, 6 mmol, 8 mmol, 및 10 mmol을 첨가한 페로브스카이트 태양전지의 전압(V)에 따른 전류밀도(mA/cm2)를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 는 페로브스카이트층에 KI을 각각 0 mmol, 2 mmol, 4 mmol, 6 mmol, 8 mmol, 및 10 mmol을 첨가한 페로브스카이트 태양전지의 KI의 농도에 따른 광전변환효율(PCE), 충진 계수(FF), 전압(V) 및 단락 전류 밀도(Jsc)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 KI의 농도에 따른 트랩 밀도, 유전 상수, 및 VTFL을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 KI의 농도에 따른 에너지(tail energy, Eu)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트층 상에 KI가 첨가된 것과 첨가되지 않은 트리플 및 페로브스카이트층 상에 KI가 첨가된 것과 첨가되지 않은 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하에서는 본원의 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 1측면은, 제 1전극; 상기 제 1전극 상에 형성된 재결합 방지층; 상기 재결합 방지층 상에 알칼리 요오드 및 하기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트층; 상기 페로브스카이트층 상에 형성된 정공 전달층; 및 상기 정공 전달층 상에 형성된 제 2전극을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지에 관한 것이다.
<화학식 1>
(RMX3)1-y- z(R'MX'3)z(AMX''3)y
상기 화학식 1 중,
R 및 R' 은 각각 독립적으로 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 R 및 R' 이 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고,
M은 Pb, Sn, 또는 Ge 이고,
A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고,
X, X' 및 X''는 각각 독립적으로 F, Cl, Br, 또는 I 이고,y 는 0 초과 내지 0.2 이하 이고, z 는 0 이상 0.2 이하이다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 구조이다.
도 1을 참조하면, 상기 페로브스카이트 태양전지는 제 1전극(110), 상기 제 1전극(110) 상에 형성된 재결합 방지층(120), 상기 재결합 방지층(120) 상에 형성된 페로브스카이트층(130), 상기 페로브스카이트층(130) 상에 형성된 정공 전달층(140), 및 상기 정공 전달층(140) 상에 형성된 제 2전극(150)을 포함할 수 있다.
상기 페로브스카이트 태양전지는 감응형 구조, 메조스코픽 구조, 또는 헤테로 접합구조를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 페로브스카이트 태양전지는 두 개의 전극, 즉, 제 1전극(110)과 제 2전극(150)이 서로 면 접합된 샌드위치 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 1전극(110)은 작업 전극(working electrode) 또는 반도체 전극으로서 표현될 수 있으며, 상기 제 2전극 (150)은 상대 전극(counter electrode)으로서 표현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 알칼리 요오드가 상기 페로브스카이트 층에 포함됨으로써 상기 페로브스카이트층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 이력 현상이 제거될 수 있다. 이력 현상이 나타날 때의 태양전지의 효율은 역방향 및 순방향의 결과값의 평균 값에 의해 결정된다. 결국 이력 현상이 크게 나타나는 페로브스카이트 태양전지는 낮은 효율을 나타나게 되는데, 이러한 이력 현상을 제거함으로써 역방향 및 순방향 바이어스의 평균이 증가하였고, 이를 통해 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리 요오드는 0.1 mmol 내지 10 mmol의 농도로 포함되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리 요오드는 Na, K, Rb, Cs, Fr 또는 Li 금속을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 알칼리 요오드는 예를 들면, KI, NaI, RbI, CsI, FrI, LiI 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 화학식 1 중, R 및 R'은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 선형 또는 분지형 알칼기를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 R 및 R'은 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 또는 이들의 이성질체를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 R 및 R'이 각각 독립적으로 치환되는 경우 한 개 이상의 상기 치환기를 가지는 알킬기일 수 있다. 상기 R 및 R'이 각각 독립적으로 치환된 알킬기인 경우 한 개 이상의 아미노기(-NH2)에 의해 치환될 수 있으며, 예를 들어, 상기 아미노기를 한 개, 두 개, 또는 세 개 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 화학식 1에서 상기 R, R', M 및 A는 양이온 형태로 존재하는 것 일 수 있고, 상기 X는 음이온 형태로 존재하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 화학식 1 중 상기 R 및 R'는 각각 독립적으로 +1가의 유기 양이온일 수 있으며, M은 +2가 양이온, A는 +1가 양이온 형태로 존재하는 것 일 수 있고, 상기 X는 -1가 음이온 형태로 존재하는 것 일 수 있다.
상기 화학식 1에서 상기 R 및 R'은 각각 독립적으로 (R1R2R3R4N)+을 가지며, R1은 수소, 치환되지 않거나 치환된 C1-20 알킬(alkyl), 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴(aryl)이며; R2는 수소, 치환되지 않거나 치환된 C1-20 알킬 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴이며; R3는 수소, 치환되지 않거나 치환된 C1-20 알킬 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴이며; 그리고 R4는 수소, 치환되지 않거나 치환된 C1-20 알킬 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 화학식 1에서 상기 R 및 R'은 각각 독립적으로 (R5R6N=CH-NR7R8)+을 가지며, R5는 수소, 치환되지 않거나 치환된 C1-20 알킬 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴이며; R6은 수소, 치환되지 않거나 치환된 C1-20 알킬 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴이며; R7은 수소, 치환되지 않거나 치환된 C1-20 알킬 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴이며; 그리고 R8은 수소, 치환되지 않거나 치환된 C1-20 알킬 또는 치환되지 않거나 치환된 아릴일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서 사용된 알킬 그룹은 치환되거나 치환되지 않으며, 선형이거나 또는 분지형 사슬 포화 라디칼(branched chain saturated radical)일 수 있으며, 치환되지 않은 선형 사슬 포화 라디칼일 수 있다. C1-20 알킬 그룹은 치환되거나 치환되지 않은, 선형 또는 분지형 사슬 포화 탄화수소 라디칼이다. 보통 C1-10 알킬은, 예를 들면, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸, 옥틸, 노닐 또는 데실, 또는 C1-C4 알킬, 예를 들면, 메틸, 에틸, i-프로필, n-프로필, t-부틸, s-부틸 또는 n-부틸이다.
알킬 그룹이 치환될 때에, 보통은 다음으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 치환체들을 가진다: 치환된 또는 치환되지 않은 C1-C20 알킬, 치환된 또는 치환되지 않은 아릴, 시안(cyano), 아미노, C1-C10 알킬아미노, di(C1-C10)알킬아미노, 아릴아미노, 디아릴아미노, 아릴알킬아미노, 아미드, 아실아미드, 수산기, 옥소, 할로겐, 카르복시, 에스테르, 아실, 아실록시, C1-C20 알콕시, 아릴록시, 할로겐알킬, 슬폰산, 슬폰기, C1-C10 알킬시오, 아릴시오, 슬포닐기, 인산, 인산염 에스테르, 포스폰산 및 포스포네이트 에스테르.
치환된 알킬 그룹들의 예들은 할로겐알킬, 수산알킬, 아미노알킬, 알콕시알킬 및 알카릴 그룹들을 포함한다. 여기에서 사용된 알카릴의 용어는 C1-C20 알킬 그룹에 속하며, 이 그룹에서 적어도 하나의 수소원자가 아릴 그룹으로 치환된다. 각 그룹들의 예들은, 벤질, 벤즈히드릴, 트리페닐메틸, 펜에틸, 스티릴, 및 신나밀을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 치환된 알킬 그룹은 1, 2 또는 3개의, 예를 들면, 1개 또는 2개의 치환체들을 지닐 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
아릴 그룹은 치환되거나 치환되지 않은, 단일 고리 또는 이중 고리 방향 그룹으로, 이 그룹은 6개 내지 14개의 탄소 원자들, 바람직하게는 링 부분에 6개 내지 10개의 탄소 원자들을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 페닐, 나프틸, 인데닐, 및 인다닐 그룹을 포함한다. 알리 그룹은 치환되지 않거나 또는 치환된다. 상기에서 정의된 아릴 그룹이 치환될 때에, 하기의 치환체가 하나 또는 그 이상 치환되는 것이다: 치환되지 않은 C1-C6 알킬, 치환되지 않은 아릴, 시안(cyano), 아미노, C1-C10 알킬아미노, di(C1-C10)알킬아미노, 아릴아미노, 디아릴아미노, 아릴알킬아미노, 아미드, 아실아미드, 수산기, 옥소, 할로겐, 카르복시, 에스테르, 아실, 아실록시, C1-C20 알콕시, 아릴록시, 할로겐알킬, 슬폰산, 슬폰기, C1-C10 알킬시오, 아릴시오, 슬포닐기, 인산, 인산염 에스테르, 포스폰산 및 포스포네이트 에스테르.
치환된 아릴 그룹은 단일의 C1-C6 알킬렌 그룹과 함께, 또는 화학식 -X-(C1-C6) 알킬렌, 또는 -X-(C1-C6) 알킬렌-X-으로 표현되는 이자배위자(bidentate) 그룹과 함께 두 개의 위치들에서 치환될 수 있으며, 이 경우 X는 O, S 및 NR로부터 선택되며, R은 H, 아릴 또는 C1-C6 알킬이다. 그래서 치환된 아릴 그룹은 사이클로 알킬 그룹이나 헤테로사이크릴 그룹과 융해된 아릴 그룹일 수 있다. 아릴 그룹의 링형 원자들은 하나 또는 그 이상의 헤테로 원자들을 포함할 수 있다. 이러한 아릴 그룹은 치환된 또는 그 치환되지 않은 단일 또는 이중 사이클릭 복소고리 방향족 그룹이며, 이 방향족 그룹은 하나 또는 그 이상의 헤테로 원자들을 포함하는 링형 부분에 6개 내지 10개의 원자들을 포함할 수 있다. 5- 또는 6-부분으로 갈라진 링이고, O, S, N, P, Se 및 Si 로부터 선택된 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 1, 2 또는 3개의 헤테로 원자들ㅇ르 포함할 수 있다. 헤테로아릴 그룹은, 예를 들면, 피리딜, 피라진일, 피리미딘일, 파리다지닐, 후라닐, 티에닐, 피라졸리디닐, 피롤릴, 옥사졸릴, 옥사디아졸릴, 이소옥사졸릴, 티아디아졸릴, 티아졸릴, 이소티아졸릴, 이미다졸릴, 피라졸릴, 쿠이놀릴, 이소퀴놀리 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 헤테로아릴 그룹은 치환되지 않거나 또는, 예를 들면, 상기에 아릴에 대해서 규정한 것처럼 치환될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트층은 ((HC(NH2)2)MX3)1-y(AMX''3)y (여기서, M은 Pb, Sn, 또는 Ge이고, A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고, X 및 X''는 각각 독립적으로 F, Cl, Br, 또는 I 이고, y는 0초과 내지 0.2이하임)를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트층은 ((HC(NH2)2)PbI3)1-y(CsPbBr3)y (여기서, y는 0초과 내지 0.2이하임)를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1전극 및 상기 제 2전극은 각각 독립적으로 금속, 전도성 고분자, 탄소물질, 주석계 산화물, 산화아연 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 1전극(110)은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속은 Cu, Ni, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Cn 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) (PEDOT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) 폴리스티렌 설포네이트 (PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리사이오펜, 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리풀러렌 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소물질은 탄소나노튜브, 그래핀, 풀러렌, 카본나노섬유 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된탄소물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 재결합 방지층은 유기 반도체, 무기반도체, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 재결합 방지층은 예를 들어, TiO2, SnO2, ZnO, WO3, NB2O5, TiSrO3 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 정공 전달층은 단분자 정공 전달 물질, 고분자 정공 전달 물질 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 정공 전달층(140)은 예를 들어, 스피로(spiro)-MeOTAD (2, 2', 7, 7'-tetrakis(N,N-p-dimethoxy-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene), P3HT (poly(3-hexylthiophene)), PTAA(polytriarylamine), PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2측면은, 제 1전극 상에 재결합 방지층을 형성하는 단계; 상기 재결합 방지층 상에 알칼리 요오드 및 하기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트층을 형성하는 단계; 상기 페로브스카이트층 상에 정공 전달층을 형성하는 단계; 및 상기 정공 전달층 상에 제 2전극을 형성하는 단계를 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.
<화학식 1>
(RMX3)1-y- z(R'MX'3)z(AMX''3)y
상기 화학식 1 중,
R 및 R' 은 각각 독립적으로 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 R 및 R' 이 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고,
M은 Pb, Sn, 또는 Ge이고,
A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고,
X, X' 및 X''는 각각 독립적으로 F, Cl, Br, 또는 I 이고,
y 는 0 초과 내지 0.2 이하 이고, z 는 0 이상 0.2 이하이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법의 순서도이다.
먼저, 제 1전극 상에 재결합 방지층을 형성한다(S100).
상기 재결합 방지층은 유기 반도체, 무기반도체, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 재결합 방지층은 예를 들어, TiO2, SnO2, ZnO, WO3, NB2O5, TiSrO3 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 상기 재결합 방지층 상에 알칼리 요오드 및 상기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트 층을 형성한다(S200).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트층을 형성하는 것은, (MX2)1-y-z, (MX'2)z, (MX''2)y (여기서, M은 Pb, Sn, 또는 Ge이고, X, X' 및 X''는 각각 독립적으로 F, Cl, Br 또는 I 이고,y는 0 초과 내지 0.2 이하 이고, z 는 0 이상 0.2 이하임), (AX'')y (여기서, A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고, X''는 F, Cl, Br, 또는 I 임), 페로브스카이트 제조용 전구체 (RX)1-y-z 및 (R'X)1-y-z (여기서, R 및 R' 은 각각 독립적으로 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 R및 R' 이 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고, X는 F, Cl, Br, I 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하고, y 는 0 초과 내지 0.2 이하 이고, z 는 0 이상 0.2 이하임), 및 상기 알칼리 요오드를 상기 재결합 방지층 상에 코팅함으로써 수행되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리 요오드는 0.1 mmol 내지 10 mmol의 농도로 포함되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리 요오드는 Na, K, Rb, Cs, Fr, 또는 Li 금속을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 제조용 전구체는 (HC(NH2)2)X (여기서, X는 F, Cl, Br, 또는 I 임)를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 페로브스카이트 제조용 전구체는 (HC(NH2)2)I를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 페로브스카이트층은 ((HC(NH2)2)PbI3)1- y(CsPbBr3)y (여기서, y는 0초과 내지 0.2이하임)를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 재결합 방지층 상에 상기 (MX2)1-y-z, (MX'2)z, (MX''2)y, (AX'')y, (RX)1-y-z 및 (R'X)1-y-z, 및 알칼리 요오드를 코팅하는 것은 스핀 코팅법, 캐스트법, 량뮤어-블로젯 (Langmuir-Blodgett, LB)법, 잉크젯 프린팅법, 노즐 프린팅법, 슬롯 다이 코팅법, 닥터블레이드 코팅법, 스크린 프린팅법, 딥 코팅법, 그래비어 프린팅법, 리버스 오프센 프린팅법, 물리적 전사법, 스프레이 코팅법, 화학기상증착법, 열증착법, 진공증착법 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 코팅에 의해 수행되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 재결합 방지층 상에 상기 페로브스카이트층을 형성하고, 50 ℃ 내지 200 ℃에서 열처리하는 것을 추가 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 상기 페로브스카이트층 상에 정공 전달층을 형성한다(S300).
상기 정공 전달층은 단분자 정공 전달 물질, 고분자 정공 전달 물질 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 정공 전달층(140)은 예를 들어, 스피로(spiro)-MeOTAD (2,2', 7, 7'-tetrakis(N, N-p-dimethoxy-phenylamino)-9,9'-spirobifluorene), P3HT (poly(3-hexylthiophene)), PTAA(polytriarylamine), PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 상기 정공 전달층 상에 제 2전극을 형성한다(S400).
상기 제 2전극은 예를 들어, 안정성이 높은 금속인 금(Au)을 사용함으로써, 본원의 페로브스카이트 태양전지의 장기 안정성을 향상시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예1]
HC(NH2)2I(FAI)는 0℃에서 30 mL 요오드화 수소산(57 wt% in water, Sigma-Aldrich, HI)과 15 g의 포름아미디늄 아세테이트(99%, Aldrich)의 반응에 의해 합성되었다. 2 시간 동안 교반 후, 어두운 황색 침전물을 회전 증발기를 사용하여 60℃에서 용매를 증발시킴으로써 회수하였다. 이 침전물을 디에틸에테르(SAMCHUN, 99.0%)를 이용하여 약 2시간 가량 세척하여 반응하지 않고 남은 HI 및 포름아미드늄 아세테이트를 제거하였다. 상기 침전물이 노랗게 변할 때, 에탄올을 이용하여 재결정화 하여 얻어낸다. 생성된 백색 침전물은 24 시간 동안 60 oC 진공 하에서 건조되었고, Ar으로 채워진 글로브 박스에 저장하였다.
불소-도핑된 산화 주석(FTO) 유리 기재(Pilkington, TEC-8, 8Ω/sq)는 세제를 이용하여 세척하였고, 15 분 동안 에탄올 베스에서 초음파 처리에 의해 UV-오존 처리를 수행하였다.
약 60 nm 두께의 조밀 TiO2 층을 0.15 M 1-부탄올(Aldrich, 99.8%), 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트) 용액을 1 회 스핀-코팅함으로써 FTO 기재 상에 증착하였다. 각 코팅 사이에, 상기 기재는 125℃에서 5 분 동안 핫 플레이트 상에서 건조되었고, 마지막으로 TiO2 나노 파티클을 스핀-코팅 한 후 50℃에서 30 분 동안 어닐링하였다.
조밀 TiO2-코팅된 FTO 유리는 페로브스카이트 용액의 스핀-코팅 전 10 분 동안 UV-오존으로 처리되었다.
페로브스카이트 용액은 N, N-디메틸포름아마이드(DMF) (Sigma-Aldrich, 99.8%) 및 디메틸 술폭사이드(DMSO)에 PbI2, FAI, CsBr, PbBr2를 당량에 맞춰 혼합하여 용해시킴으로써 제조하였다. 상기 용액은 0.45 μm 기공 크기를 갖는 시린지 필터(Whatman)에 의해 필터링되었다.
페로브스카이트 용액의 25 μL는 4,000 rpm에서 30 초 동안 스핀-코팅되었고, 400 μL의 디에틸에테르(SAMCHUN, 99.0%)가 스핀되는 기재 상에 10 초 후에 떨어트렸다.
상기 페로브스카이트 용액이 코팅된 기재 상에 KI를 각각 2 mmol, 4 mmol, 6 mmol, 8 mmol, 및 10 mmol을 첨가하였다.
상기 기재를 50℃에서 3 분 및 15℃에서 5 분 동안 열처리하였다.
spiro-MeOTAD는 20 μL의 spiro-MeOTAD 용액을 3,000 rpm으로 회전하는 기재 상에 떨어트림으로써 증착하였다.
상대 전극을 위해, Au는 약 110 분 동안 0.3 Å/s의 증착 속도로 열적으로 증착(thermally evaporate)시켜 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
[실시예 2]
CsI 0.05 mol, MABr 0.1 mmol, FAI 0.85 mmol, PbBr2 0.1 mmol, 및 PbI2 0.9 mmol 상에 DMSO 1 mmol을 첨가 후, 0.5 mL DMF 용액 내에서 1시간 동안 교반시켜 페로브스카이트 용액을 제조하였다.
상기 페로브스카이트 용액을 이용하여 상기 실시예 1의 제조 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였고, 이를 트리플이라고 칭하였다.
[실시예 3]
FAI, PbI2 0.85 mmol, MABr, PbBr2 0.15 mmol 및 DMSO 1 mmol 을 0.5 mL DMF용액 내에서 1시간 동안 교반 시켜 페로브스카이트 용액을 제조하였다.
상기 페로브스카이트 용액을 이용하여 상기 실시예 1의 제조방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였고, 이를 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15라고 칭하였다.
[실험예]
상기 실시예에서 제조된 페로브스카이트 태양전지의 특성을 확인하였고, 그 결과를 도 3 내지 도 6으로서 나타내었다.
구체적으로, 전류 밀도-전압 곡선은 450 W Xenon 램프(Newport 6280NS)를 장착한 태양 시뮬레이터(Oriel [0093] Sol 3A classAAA)에 의해 시뮬레이션된 하나의 태양 조명(AM 1.5G, 100 mW/cm2) 하에서 Keithley 2400 소스 미터를 이용하여 측정되었다. 광 세기는 KG-2 필터를 장착한 NREL-보정 Si 태양전지에 의해 조정되었다. 측정 동안, 디바이스는0.125 cm2의 활성 영역을 갖는 금속 애퍼처(aperture) 마스크로 덮여있었다.
도 3은 페로브스카이트층에 KI을 각각 0 mmol, 2 mmol, 4 mmol, 6 mmol, 8 mmol, 및 10 mmol을 첨가한 페로브스카이트 태양전지의 전압(V)에 따른 전류밀도(mA/cm2)를 나타낸 그래프이다.
도 3에 나타난 결과에 따르면, KI를 첨가하지 않은 페로브스카이트 태양전지의 I-V 데이터는 히스테리시스(Hysteresis, 이력 현상)이 나타나 역방향 및 순방향의 값의 차이가 많이 나는 반면, KI를 첨가한 페로브스카이트 태양전지의 I-V 데이터는 히스테리시스가 현저하게 줄어들어 역방향 및 순방향의 값이 거의 일치하였다.
도 4는 페로브스카이트층에 KI을 각각 0 mmol, 2 mmol, 4 mmol, 6 mmol, 8 mmol, 및 10 mmol을 첨가한 페로브스카이트 태양전지의 KI의 농도에 따른 광전변환효율(PCE), 충진 계수(FF), 전압(V) 및 단락 전류 밀도(Jsc)를 나타낸 그래프이다.
도 4에 나타난 결과에 따르면, 광전변환효율(PCE), 충진 계수(FF), 전압(V) 및 단락 전류 밀도(Jsc)는 KI의 농도가 증가할수록 역방향 및 순방향의 차이가 작아지며, 평균 값이 증가하는 경향이 나타났다. 이는 KI를 첨가함으로써 페로브스카이트 태양전지의 이력현상을 줄일 수 있고, 페로브스카이트 태양전지의 효율을 높일 수 있다는 것을 의미한다.
도 5는 페로브스카이트 태양전지의 KI의 농도에 따른 트랩 밀도, 유전 상수, 및 VTFL을 나타낸 그래프이다.
도 6은 페로브스카이트 태양전지의 KI의 농도에 따른 에너지(tail energy, Eu)를 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6은 페로브스카이트 내의 결함(defect)이 KI의 농도에 따른 감소를 나타낸 그래프이다. 상기 KI를 [KI]/[PbI2]=0.001~0.01의 농도로 도핑할 때, 페로브스카이트층의 형성 과정에서 상기 KI가 페로브스카이트 격자 안으로 들어가게 된다. 이를 통해 페로브스카이트 벌크 내부의 침입형 자리(interstitial site) 또는 쇼트키 결함(schottky defect)를 패시베이션(passivation) 시켜 결함을 감소시킬 수 있다.
상기 실시예 2 및 3에서 제조된 (CsPbI3) 0.05 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.10트리플 및 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15의 특성을 확인하였고, 그 결과를 도 7로서 나타내었다.
도 7은 페로브스카이트층 상에 KI가 첨가된 것과 첨가되지 않은 트리플 및 페로브스카이트층 상에 KI가 첨가된 것과 첨가되지 않은 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15의 전압에 따른 전류밀도를 나타낸 그래프이다.
도7에 나타난 결과에 따르면, 트리플 및 (FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15의 태양전지 또한 KI가 첨가됨으로써 페로브스카이트 태양전지의 이력현상이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 제 1전극
120: 재결합 방지층
130: 페로브스카이트층
140: 정공전달층
150: 제 2전극

Claims (15)

  1. 제 1전극;
    상기 제 1전극 상에 형성된 재결합 방지층;
    상기 재결합 방지층 상에 알칼리 요오드 및 하기 화학식 1 로서 표시되는 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트층;
    상기 페로브스카이트층 상에 형성된 정공 전달층; 및;
    상기 정공 전달층 상에 형성된 제 2전극을 포함하는 것인;
    페로브스카이트 태양전지:
    <화학식 1>
    (RMX3)1-y-z(R'MX'3)z(AMX''3)y
    상기 화학식 1 중,
    R 및 R' 은 각각 독립적으로 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 R 및 R' 이 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고,
    M은 Pb, Sn, 또는 Ge 이고,
    A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고,
    X, X' 및 X''는 각각 독립적으로 F, Cl, Br, 또는 I 이고,
    y 는 0 초과 내지 0.2 이하 이고, z 는 0 이상 0.2 이하임.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 알칼리 요오드는 0.1 mmol 내지 10 mmol의 농도로 포함되는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 알칼리 요오드는 Na, K, Rb, Cs, Fr, 또는 Li 금속을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트층은 ((HC(NH2)2)MX3)1- y(AMX''3)y (여기서, M은 Pb, Sn, 또는 Ge이고, A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고, X 및 X''는 각각 독립적으로 F, Cl, Br, 또는 I 이고, y는 0초과 내지 0.2이하임)를 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 페로브스카이트층은 ((HC(NH2)2)PbI3)1- y(CsPbBr3)y (여기서, y는 0초과 내지 0.2이하임)를 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1전극 및 상기 제 2전극은 각각 독립적으로 금속, 전도성 고분자, 탄소물질, 주석계 산화물, 산화아연 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 재결합 방지층은 유기 반도체, 무기반도체, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 정공 전달층은 단분자 정공 전달 물질, 고분자 정공 전달 물질 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
  9. 제 1전극 상에 재결합 방지층을 형성하는 단계;
    상기 재결합 방지층 상에 알칼리 요오드 및 하기 화학식 1로서 표시되는 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트층을 형성하는 단계;
    상기 페로브스카이트층 상에 정공 전달층을 형성하는 단계; 및
    상기 정공 전달층 상에 제 2전극을 형성하는 단계를 포함하는 것인,
    페로브스카이트 태양전지의 제조 방법:
    <화학식 1>
    (RMX3)1-y-z(R'MX'3)z(AMX''3)y
    상기 화학식 1 중,
    R 및 R' 은 각각 독립적으로 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 R 및 R' 이 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고,
    M은 Pb, Sn, Ge, 또는 Ge 이고,
    A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고,
    X, X' 및 X''는 각각 독립적으로 F, Cl, Br, 또는 I 이고,
    y 는 0 초과 내지 0.2 이하 이고, z 는 0 이상 0.2 이하임.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 페로브스카이트층을 형성하는 것은, (MX2)1-y-z, (MX'2)z, (MX''2)y (여기서, M은 Pb, Sn, 또는 Ge 이고, X, X' 및 X''는 각각 독립적으로 F, Cl, Br, 또는 I 이고, y는 0 초과 내지 0.2 이하 이고, z 는 0 이상 0.2 이하임), (AX'')y (여기서, A는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이고, X''는 F, Cl, Br, 또는 I 임), 페로브스카이트 제조용 전구체 (RX)1-y-z 및 (R'X)1-y-z (여기서, R 및 R' 은 각각 독립적으로 치환된 또는 비치환된 알킬기이고, 상기 R및 R' 이 치환된 경우, 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기 또는 메톡시기이고, X는 F, Cl, Br, 또는 I 이고, y 는 0 초과 내지 0.2 이하 이고, z 는 0 이상 0.2 이하임), 및 상기 알칼리 요오드를 상기 재결합 방지층 상에 코팅함으로써 수행되는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 알칼리 요오드는 0.1 mmol 내지 10 mmol의 농도로 포함되는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 알칼리 요오드는 Na, K, Rb, Cs, Fr, 또는 Li 금속을 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 제조용 전구체는 (HC(NH2)2)X (여기서, X는 F, Cl, Br 또는 I 임)를 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 제조용 전구체는 (HC(NH2)2)I를 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 재결합 방지층 상에 상기 (MX2)1-y-z, (MX'2)z, (MX''2)y, (AX'')y, (RX)1-y-z 및 (R'X)1-y-z, 및 알칼리 요오드를 코팅하는 것은 스핀 코팅법, 캐스트법, 량뮤어-블로젯 (Langmuir-Blodgett, LB)법, 잉크젯 프린팅법, 노즐 프린팅법, 슬롯 다이 코팅법, 닥터블레이드 코팅법, 스크린 프린팅법, 딥 코팅법, 그래비어 프린팅법, 리버스 오프센 프린팅법, 물리적 전사법, 스프레이 코팅법, 화학기상증착법, 열증착법, 진공증착법 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 코팅에 의해 수행되는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
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