KR102602858B1 - High-performance perovskite solar cells using as a hole transport layer and Method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

높은 효율 및 안정성을 갖는 고성능 페로브스카이트 태양전지가 개시된다. 상기 고성능 페로브스카이트 태양전지는, 제 1 전극, 상기 제 1 전극의 상부면에 형성되는 정공 수송층, 상기 정공 수송층의 상부면에 형성되며, 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물을 포함하는 광활성층, 상기 광 활성층의 상부면에 형성되는 전자 수송층, 및 상기 전자 수송층의 상부면에 형성되는 제 2 전극을 포함한다. 이때, 상기 정공 수송층은 NiO:BN 분산액이 상기 제 1 전극의 상부면에 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 한다.A high-performance perovskite solar cell with high efficiency and stability is disclosed. The high-performance perovskite solar cell includes a first electrode, a hole transport layer formed on the upper surface of the first electrode, and a perovskite structure compound formed on the upper surface of the hole transport layer. It includes a photoactive layer, an electron transport layer formed on the upper surface of the photoactive layer, and a second electrode formed on the upper surface of the electron transport layer. At this time, the hole transport layer is formed by coating the upper surface of the first electrode with a NiO:BN dispersion.

Description

정공 수송층을 이용한 고성능 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법{High-performance perovskite solar cells using as a hole transport layer and Method for manufacturing the same}High-performance perovskite solar cells using a hole transport layer and method for manufacturing the same {High-performance perovskite solar cells using as a hole transport layer and Method for manufacturing the same}

본 발명은 페로브스카이트 태양전지 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 질화붕소가 포함된 NiO 정공 수송층을 이용한 고성능 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 대한 것이다.The present invention relates to perovskite solar cell technology, and more specifically, to a high-performance perovskite solar cell using a NiO hole transport layer containing boron nitride and a method of manufacturing the same.

최근에는 높은 흡광도(high absorption coefficient), 낮은 엑시톤 결합 에너지(low exciton binding energy), 긴 전자 및 정공 확산 거리, 빠른 전하 이동속도, 긴 광생성 전하 수명 등 우수한 광전자 특성을 갖는 유기-금속 할라이드 페로브스카이트(Organo-metal halide perovskite; OMHP)가 광전 반도체 재료로 주목을 받고 있다.Recently, organic-metal halide perrobes have excellent optoelectronic properties such as high absorption coefficient, low exciton binding energy, long electron and hole diffusion distance, fast charge transfer rate, and long photogenerated charge lifetime. Organo-metal halide perovskite (OMHP) is attracting attention as an optoelectronic semiconductor material.

특히, OMHP는 저온 용액공정을 통한 광전자 특성이 우수한 박막의 제조를 가능하게 하였으며, 이를 포함한 페로브스카이트 태양전지는 25.2%의 높은 효율을 보고하였고, 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지의 실현 가능성을 높이고 있다.In particular, OMHP enabled the production of thin films with excellent optoelectronic properties through a low-temperature solution process, and perovskite solar cells containing it reported a high efficiency of 25.2%, making it a next-generation solar cell that can replace silicon solar cells. is increasing the feasibility of realization.

페로브스카이트 태양전지는 메조포러스 구조와 평면형 구조로 나뉘며, 평면형 페로브스카이트 태양전지는 계면층의 순서에 따라 n-i-p와 p-i-n 구조로 구분되고, 최근에 확장성과 안정성 문제로 인해 p-i-n 구조를 갖는 페로브스카이트 태양전지에 대한 연구가 보다 활발하게 진행되고 있다.Perovskite solar cells are divided into mesoporous structures and planar structures. Planar perovskite solar cells are divided into n-i-p and p-i-n structures depending on the order of the interfacial layer, and recently have p-i-n structures due to scalability and stability issues. Research on perovskite solar cells is progressing more actively.

평면형 페로브스카이트 태양전지는 유기 벌크 이종 접합 태양전지와 유사한 구조를 가지며, 전자 및 정공 수송층을 포함한 다층 박막으로 구성되고, 특히 p-i-n 구조는 저온 공정을 통해 히스테리시스가 거의 없는 고성능 대면적 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있어 상업화에 적합한 것으로 여겨지고 있다.Planar perovskite solar cells have a structure similar to organic bulk heterojunction solar cells and are composed of multilayer thin films including electron and hole transport layers. In particular, the p-i-n structure is a high-performance, large-area perovskite with almost no hysteresis through a low-temperature process. It is considered suitable for commercialization as it can manufacture solar cells.

p-i-n 평면형 페로브스카이트 태양전지를 위한 정공 수송층 소재로서 다양한 유기 및 무기 p 형 반도체가 사용되어 왔다. 제조 공정의 용이성과 높은 효율로 인해 PEDOT:PSS, PloyTPD, PTAA 등과 같은 유기물 정공 수송층 소재가 p-i-n 평면 페로브스카이트 태양전지에 가장 일반적으로 사용되고 있으나 유기물 소재의 열악한 안정성과 높은 비용은 상업화 측면에서 적합하지 않다.Various organic and inorganic p-type semiconductors have been used as hole transport layer materials for p-i-n planar perovskite solar cells. Due to the ease of manufacturing process and high efficiency, organic hole transport layer materials such as PEDOT:PSS, PloyTPD, PTAA, etc. are most commonly used in p-i-n planar perovskite solar cells, but the poor stability and high cost of organic materials make them unsuitable for commercialization. don't do it

이에, 몰리브덴 산화물(MoOx), 텅스텐 산화물(WOx), 티오시안산구리(CuSCN), 환원 그래핀(rGO), 니켈 산화물(NiOx) 등과 같은 무기물 정공 수송층 소재가 p-i-n 평면형 페로브스카이트 태양전지에 적용되었다.Accordingly, molybdenum oxide (MoO x ), tungsten oxide (WO x ), copper thiocyanate (CuSCN), reduced graphene (rGO), and nickel oxide (NiO x ). Inorganic hole transport layer materials such as pin planar perovskite solar cells have been applied.

NiOx는 ~5.4eV의 일함수 (work function)와 3.6 ~ 4.0eV의 넓은 밴드갭을 갖고 있어 p-i-n 평면 페로브스카이트 태양전지에 적용이 가능한 가장 유망한 정공 수송층 소재 중 하나로 여겨지고 있다. NiO

그러나, 정공 수송층으로 NiOx가 도입된 페로브스카이트 태양전지의 광전기적 성능은 낮은 단락 전류 밀도(short-circuit current density; JSC) 및 충전 계수(fill factor; FF)로 인해 여전히 만족스럽지 못하며, 이는 NiOx 필름의 낮은 전도성, 페로브스카이트와의 접촉 불량, NiOx와 페로브스카이트 사이의 에너지 레벨 불일치에 기인하는 것으로 알려져 있다.However, the photoelectric performance of perovskite solar cells with NiO x introduced as a hole transport layer is still unsatisfactory due to low short-circuit current density (J SC ) and fill factor (FF). , it is known that this is due to the low conductivity of the NiO x film, poor contact with the perovskite, and energy level mismatch between NiO x and perovskite.

도핑은 반도체의 광학 및 전기적 특성을 개선할 수 있는 효과적인 방법으로, NiOx의 투명성, 밴드 구조, 일함수, 전도성 등 광전기적 특성을 개선하기 위해 Cu, Fe, Cs 등 다양한 도핑 원소(dopant)가 적용되었다.Doping is an effective method to improve the optical and electrical properties of semiconductors. Various doping elements (dopants) such as Cu, Fe, and Cs are used to improve the photoelectric properties such as transparency, band structure, work function, and conductivity of NiO x . applied.

그러나 상기의 도핑 방법에 있어, NiOx 결정 내에 중대한 결정 격자 장애와 결함이 유발될 수 있으며, 이로 인해 전하의 이동성이 저하되고 기생 재조합이 발생할 수 있다. However, in the above doping method, significant crystal lattice disorders and defects may be caused in the NiO x crystal, which may reduce charge mobility and cause parasitic recombination.

더욱이 도핑은 제조 절차를 복잡하게 하고, 공정의 범위를 좁게 만들며, 비용을 증가시킨다. 특히, 도핑 원소의 원자의 크기가 모상의 원자 크기보다 너무 크거나 작으면 도핑이 어렵다. 따라서, p-i-n 평면형 페로브스카이트 태양전지를 상업화에 적합하게 발전시키기 위해서는 기존 도핑 기술의 문제점을 해결할 필요가 없다. 궁극적으로 보다 향상된 광전기적 특성을 갖는 고품질 NiOx 정공 수송층의 박막 형성 및 이를 이용한 페로브스카이트 태양전지 제조 응용 기술 개발이 요구된다.Moreover, doping complicates manufacturing procedures, narrows the process scope, and increases costs. In particular, doping is difficult if the size of the atom of the doping element is too larger or smaller than the size of the atom of the base phase. Therefore, in order to develop pin planar perovskite solar cells suitable for commercialization, there is no need to solve the problems of existing doping technology. Ultimately, there is a need to form a thin film of a high-quality NiO

한국공개특허번호 제10-2016-0083850호Korean Patent Publication No. 10-2016-0083850

본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 높은 효율 및 안정성을 갖는 고성능 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was proposed to solve the problems caused by the above background technology, and its purpose is to provide a high-performance perovskite solar cell with high efficiency and stability and a method for manufacturing the same.

또한, 본 발명은 전기적 특성이 우수한 고품질 NiOx 기반 정공 수송층 박막 형성을 유도 또는 촉진할 수 있는 첨가제(additive)의 발견과 이를 포함하는 NiOx NPs(nanoparticles) 분산용액을 제조하는 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, the present invention provides the discovery of an additive that can induce or promote the formation of a high-quality NiO There is a purpose.

또한, 본 발명은 상기 첨가제를 포함하는 NiOx NPs 분산용액의 코팅 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for coating a NiO x NPs dispersion solution containing the above additives.

본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 높은 효율 및 안정성을 갖는 고성능 페로브스카이트 태양전지를 제공한다.In order to achieve the problems presented above, the present invention provides a high-performance perovskite solar cell with high efficiency and stability.

상기 고성능 페로브스카이트 태양전지는,The high-performance perovskite solar cell,

제 1 전극;first electrode;

상기 제 1 전극의 상부면에 형성되는 정공 수송층;a hole transport layer formed on the upper surface of the first electrode;

상기 정공 수송층의 상부면에 형성되며, 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물을 포함하는 광활성층;A photoactive layer formed on the upper surface of the hole transport layer and including a perovskite structure compound;

상기 광 활성층의 상부면에 형성되는 전자 수송층; 및an electron transport layer formed on the upper surface of the photoactive layer; and

상기 전자 수송층의 상부면에 형성되는 제 2 전극;을 포함하며, 상기 정공 수송층은 분산액이 상기 제 1 전극의 상부면에 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 한다.and a second electrode formed on the upper surface of the electron transport layer, wherein the hole transport layer is formed by coating the upper surface of the first electrode with a dispersion liquid.

또한, 상기 분산액은 NiO:BN 분산액이며, 상기 NiO:BN 분산액은 NiOx 분산액에 1 vol% 내지 5 vol%의 질화붕소 분산액을 첨가하여 미리 설정되는 제 1 일정 시간동안 교반에 의해 생성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the dispersion is a NiO:BN dispersion, and the NiO:BN dispersion is produced by adding 1 vol% to 5 vol% of boron nitride dispersion to the NiO x dispersion and stirring for a first preset time. Do it as

또한, 상기 제 1 일정 시간은 23 ~ 25시간인 것을 특징으로 한다.Additionally, the first constant time is characterized in that it is 23 to 25 hours.

또한, 상기 NiOx 분산액은 0.5mg의 질화붕소 분말을 1ml의 이소프로필 알코올(IPA: Isopropyl alcohol) 용액에 넣고 미리 설정되는 제 2 일정 시간 동안 초음파 처리하여 생성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the NiO

또한, 상기 제 2 일정 시간은 3 내지 4시간인 것을 특징으로 한다.Additionally, the second constant time is characterized in that it is 3 to 4 hours.

또한, 상기 코팅은 3,500 내지 4,500rpm(revolutions per minute)으로 35 내지 45초 동안 실행되는 것을 특징으로 한다.Additionally, the coating is performed at 3,500 to 4,500 rpm (revolutions per minute) for 35 to 45 seconds.

또한, 페로브스카이트 구조의 상기 화합물은 CH3NH3PbI3-xClx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3-xBrx(0≤x≤3인실수), CH3NH3PbCl3-xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3-xFx(0≤x≤3인 실수), 및 Cs1-x-yFAxMAyPb(I1-zBrz)3 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤1-x-y≤1, 0≤z≤1인 실수)(여기서, Cs는 세슘(Cesium), FA는 포름아미디늄(Formamidinium), MA는 메틸암모늄(Methylammonium), Pb는 납(lead), I는 아이오다이드(Iodide), Br은 브로마이드(Bromide)를 의미한다) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In addition, the compounds of perovskite structure are CH 3 NH 3 PbI 3-x Cl x (real number with 0≤x≤3), CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x (real number with 0≤x≤3) , CH 3 NH 3 PbCl 3-x Br x (real number with 0≤x≤3), CH 3 NH 3 PbI 3-x F x (real number with 0≤x≤3), and Cs 1-xy FA x MA y Pb(I 1-z Br z ) 3 (real number of 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤1-xy≤1, 0≤z≤1) (where Cs is cesium, FA is Formamidinium, MA is Methylammonium, Pb is Lead, I is Iodide, and Br is Bromide. do.

또한, 상기 화합물을 위한 페로브스카이트 전구체 용매의 중량 퍼센트 농도는 20wt% 내지 56wt%인 것을 특징으로 한다.Additionally, the weight percent concentration of the perovskite precursor solvent for the above compound is characterized in that it is 20 wt % to 56 wt %.

또한, 상기 페로브스카이트 전구체 용매로는 N,N-Dimethylformamide (DMF), G-butyrolactone(GBL), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylsulfoxide (DMSO), 및 N,N-dimethylacetamide(DMAc)를 포함하는 극성용매 중 어느 하나 또는 상기 극성용매를 혼합한 혼합 용매인 것을 특징으로 한다.Additionally, the perovskite precursor solvent includes N,N-Dimethylformamide (DMF), G-butyrolactone (GBL), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylsulfoxide (DMSO), and N,N-dimethylacetamide (DMAc). It is characterized in that it is one of the following polar solvents or a mixed solvent mixed with the above polar solvents.

또한, 상기 광활성층은 페로브스카이트 전구체 용액을 사용하여 형성되며, 상기 페로브스카이트 전구체 용액은 포르마미듐 아이오다이드(Formamidinium Iodide, FAI), 메틸암모늄 브로마이드(Methylammonium Bromide, MABr), 및 요오드화 세슘(Cesium Iodide, CsI), 브롬화 납(Lead Bromide, PbBr2), 요오드화 납(Lead Iodide, PbI2)을 Cs0.175FA0.750MA0.075Pb(I0.880Br0.120)3의 비율로 혼합한 용질 및 다이메틸포름아마이드(Dimethylformamide, DMF): 디메틸 일산화황(Dimethyl sulfoxide, DMSO)=8:2인 혼합용매로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the photoactive layer is formed using a perovskite precursor solution, and the perovskite precursor solution includes formamidinium iodide (FAI), methylammonium bromide (MABr), and A solute mixed with Cesium Iodide (CsI), Lead Bromide (PbBr 2 ), and Lead Iodide (PbI 2 ) in a ratio of Cs 0.175 FA 0.750 MA 0.075 Pb (I 0.880 Br 0.120 ) 3 and Dimethylformamide (DMF): It is characterized by being composed of a mixed solvent of dimethyl sulfoxide (DMSO) = 8:2.

또한, 상기 페로브스카이트 전구체 용액은 상기 정공 수송층의 상부면에 500 내지 550rpm으로 4 내지 6초 동안 1차 코팅된 후, 4,500 내지 5,500rpm으로 40 내지 50초 동안 2차 코팅되는 것을 특징으로 한다.In addition, the perovskite precursor solution is first coated on the upper surface of the hole transport layer at 500 to 550 rpm for 4 to 6 seconds, and then secondarily coated at 4,500 to 5,500 rpm for 40 to 50 seconds. .

또한, 상기 코팅은 스핀 코팅법, 스프레이 코팅법, 슬롯다이 코팅법, 바코팅법, 및 닥터 블레이드법 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In addition, the coating is characterized in that it is one of spin coating method, spray coating method, slot die coating method, bar coating method, and doctor blade method.

다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 제 1 전극을 준비하는 단계; (b) 상기 제 1 전극의 상부면에 정공 수송층이 형성되는 단계; (c) 상기 정공 수송층의 상부면에 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물을 포함하는 광활성층이 형성되는 단계; (d) 상기 광 활성층의 상부면에 전자 수송층이 형성되는 단계; 및 (e) 상기 전자 수송층의 상부면에 제 2 전극이 형성되는 단계;를 포함하며, 상기 정공 수송층은 분산액이 상기 제 1 전극의 상부면에 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 정공 수송층을 이용한 고성능 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 제공한다.On the other hand, another embodiment of the present invention includes (a) preparing a first electrode; (b) forming a hole transport layer on the upper surface of the first electrode; (c) forming a photoactive layer containing a perovskite structure compound on the upper surface of the hole transport layer; (d) forming an electron transport layer on the upper surface of the photoactive layer; and (e) forming a second electrode on the upper surface of the electron transport layer, wherein the hole transport layer is formed by coating the upper surface of the first electrode with a dispersion liquid. A method for manufacturing a perovskite solar cell is provided.

본 발명에 따르면, NiO 정공 수송층의 분산액에 소량의 질화붕소를 첨가제로 혼합함으로써 광전기적 특성이 우수한 고품질 NiOx 기반 정공 수송층 박막 형성을 유도 또는 촉진할 수 있고, 상기 첨가제를 통해 높은 결정화도와 최대한 결정입자를 갖는 페로브스카이트 박막을 형성할 수 있다.According to the present invention, by mixing a small amount of boron nitride as an additive in the dispersion of the NiO hole transport layer, the formation of a high-quality NiO A perovskite thin film with particles can be formed.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는, 페로브스카이트 광흡수층과 정공 수송층 사이의 계면 저항을 낮추고 트랩에 의한 광 생성 전하의 재결합을 낮추어 소자의 성능을 향상시킬 수 있다는 점을 들 수 있다. In addition, another effect of the present invention is that the performance of the device can be improved by lowering the interfacial resistance between the perovskite light absorption layer and the hole transport layer and lowering the recombination of photogenerated charges by traps.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는, 이를 통해, 20% 이상의 높은 효율을 갖는 대면적 페로브스카이트 태양전지 제조를 가능하게 할 수 있으며, 또한 상기 첨가제를 통해 대기중 안정성이 향상된 페로브스카이트 태양전지를 제공할 수 있다는 점을 들 수 있다.In addition, as another effect of the present invention, it is possible to manufacture a large-area perovskite solar cell with a high efficiency of 20% or more, and the perovskite stability in the air is improved through the additive. One example is that solar cells can be provided.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 광전기적 특성이 우수한 고품질 NiOx 기반 정공 수송층 박막 형성을 유도 또는 촉진할 수 있는 첨가제(additive) 및 이를 포함하는 NiOx 기반 정공 수송층 분산용액을 제조하는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that it is possible to prepare an additive that can induce or promote the formation of a high-quality NiO x- based hole transport layer thin film with excellent photoelectric properties and a NiO x- based hole transport layer dispersion solution containing the same. points can be mentioned.

또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 첨가제를 포함하는 NiOx 기반 정공 수송층 분산용액의 코팅이 가능하고, 이를 기반으로 한 고효율 고안정성 페로브스카이트 태양전지의 제조를 가능하게 한다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that it is possible to coat a NiO .

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 분산액을 제조하는 과정을 보여주는 공정도이다.
도 3은 도 2에 의해 제조된 분산액을 이용하여 페로브스카이트 태양전지의 과정을 보여주는 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 NiO:BN 정공 수송층 박막에 대한 에너지 분산형 X-선 분광 (Energy-dispersive X-ray spectroscopy; EDS) 원소 맵핑 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 NiO:BN 정공 수송층 박막에 대한 고해상도 X-선 광전자 분광 (High-resolution X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 또는 NiO:BN 박막을 정공 수송층으로 갖는 페로브스카이트 태양전지의 전류-전압 곡선 및 광전변환효율(power conversion efficiency; PCE)의 통계를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 또는 NiO:BN 박막을 정공 수송층으로 갖는 페로브스카이트 태양전지의 최대 전력점 전압에서 정상 상태 광전류 출력, 외부양자효율 (external quantum efficiency; EQE), 및 내부양자효율 (internal quantum efficiency; IQE)를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층 박막에 대한 자외선 분광 스펙트럼, NiO 및 NiO:BN 정공 수송층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층 박막에 대한 원자 현미경(Atomic Force Microscope; AFM) 분석 이미지를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층의 박막 위에 형성된 페로브스카이트 광활성층에 대한 X-선 회절(XRD: X-ray Diffraction) 패턴을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층 박막 위에 형성된 페로브스카이트 광활성층에 대한 주사전자현미경(SEM:Scanning Electron Microscope)) 이미지와 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층 박막 위에 형성된 페로브스카이트의 결정립 크기 분포를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층 박막의 수접촉 각(contact angle)을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 직렬 및 병렬 저항 변화, 빛의 세기에 따른 개방 회로 전압 변화, 광발광(Photoluminescence, PL) 특성, photo-CELIV(charge extraction by linearly increasing voltage) 측정 곡선, 광전전압과 광전전류 감소 시간 측정 곡선을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 시간에 따른 대기중 안정성을 나타낸 도면이다.
1 is a schematic diagram of a perovskite solar cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a process chart showing the process of preparing a dispersion according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a process chart showing the process of perovskite solar cell using the dispersion prepared in Figure 2.
Figure 4 is a diagram showing an energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) element mapping image for a NiO:BN hole transport layer thin film according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram showing high-resolution X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of a NiO:BN hole transport layer thin film according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram showing the current-voltage curve and statistics of photoelectric conversion efficiency (PCE) of a perovskite solar cell having a NiO or NiO:BN thin film as a hole transport layer according to an embodiment of the present invention. .
Figure 7 shows the steady-state photocurrent output, external quantum efficiency (EQE), and external quantum efficiency (EQE) at the maximum power point voltage of a perovskite solar cell having a NiO or NiO:BN thin film as a hole transport layer according to an embodiment of the present invention. This is a diagram showing the internal quantum efficiency (IQE).
FIG. 8 is a diagram showing an ultraviolet spectral spectrum of a NiO and NiO:BN hole transport layer thin film and an energy band diagram of a perovskite solar cell including a NiO and NiO:BN hole transport layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram showing an atomic force microscope (AFM) analysis image of the NiO and NiO:BN hole transport layer thin films according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a diagram showing an X-ray diffraction (XRD) pattern for a perovskite photoactive layer formed on a thin film of NiO and NiO:BN hole transport layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 shows a scanning electron microscope (SEM) image of the perovskite photoactive layer formed on the NiO and NiO:BN hole transport layer thin film according to an embodiment of the present invention and the NiO and NiO:BN hole transport layer thin film This is a diagram showing the grain size distribution of the perovskite formed above.
Figure 12 is a diagram showing the water contact angle of NiO and NiO:BN hole transport layer thin films according to an embodiment of the present invention.
Figure 13 shows series and parallel resistance changes, open circuit voltage changes according to light intensity, and photoluminescence (PL) of perovskite solar cells containing NiO and NiO:BN hole transport layers according to an embodiment of the present invention. ) This is a diagram showing the characteristics, photo-CELIV (charge extraction by linearly increasing voltage) measurement curve, and photoelectric voltage and photoelectric current reduction time measurement curve.
Figure 14 is a diagram showing the stability in air over time of a perovskite solar cell including NiO and NiO:BN hole transport layers according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것 뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.In the drawing, the thickness is enlarged to clearly express various layers and areas. Throughout the specification, similar parts are given the same reference numerals. When a part of a layer, membrane, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only being "directly on top" of the other part, but also parts in between. Conversely, when a part is said to be “right on top” of another part, it means that there is no other part in between. Also, when a part is said to be formed “wholly” on top of another part, it means not only that it is formed on the entire surface (or front) of the other part, but also that some of the edges are not formed.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 정공 수송층을 이용한 고성능 페로브스카이트 태양전지 및 이의 제조방법에 대해 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a high-performance perovskite solar cell using a hole transport layer and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 페로브스카이트 태양전지(100)의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 페로브스카이트 태양전지(100)는, 제 1 전극(110), 제 1 전극(110)의 상부면에 형성되는 정공 수송층(120), 정공 수송층(120)의 상부면에 형성되는 광 활성층(130), 광 활성층(130)의 상부면에 형성되는 전자 수송층(140), 전자 수송층(140)의 상부면에 형성되는 제 2 전극(150) 등을 포함하여 구성될 수 있다.Figure 1 is a schematic diagram of a perovskite solar cell 100 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the perovskite solar cell 100 includes a first electrode 110, a hole transport layer 120 formed on the top surface of the first electrode 110, and a top surface of the hole transport layer 120. It may be configured to include a photoactive layer 130 formed on the photoactive layer 130, an electron transport layer 140 formed on the top surface of the photoactive layer 130, and a second electrode 150 formed on the top surface of the electron transport layer 140. there is.

상기 페로브스카이트 태양전지(100)는 상기 정공 수송층(120)에 대향하는 방향의 반대 방향으로 제1 전극(110)상에 기재를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 기재는 전도성 투명기재 또는 플라스틱 기재일 수 있다. 예를 들어, 유리(glass) 기판, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylenenaphthelate), PP(polypropylene),PI(polyamide), TAC(tri acetyl cellulose), PES(polyethersulfone) 등을 포함하는 플라스틱 중 어느 하나를 포함하는 플라스틱 기판, 알루미늄 포일(aluminum foil), 스테인리스 스틸 포일(stainlessteel foil) 중 어느 하나를 포함하는 플렉서블(flexible) 기판 등을 이용할 수 있다.The perovskite solar cell 100 may further include a substrate on the first electrode 110 in a direction opposite to the hole transport layer 120, and the substrate may be a conductive transparent substrate or plastic. It may be a description. For example, any one of plastics including glass substrate, PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylenenaphthelate), PP (polypropylene), PI (polyamide), TAC (tri acetyl cellulose), PES (polyethersulfone), etc. A flexible substrate containing any one of a plastic substrate containing, aluminum foil, and stainless steel foil may be used.

제 1 전극(110)은 투명전극으로는 투명 전도성 산화물층의 소재가 사용될 수 있다. 예를 들면, 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 산화아연 등을 사용될 수 있다.The first electrode 110 may be a transparent electrode made of a transparent conductive oxide layer. For example, fluorine tin oxide (FTO), indium tin oxide (ITO), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , tin-based oxide, zinc oxide, etc. may be used.

정공 수송층(120)은 NiOx 화학조성의 나노입자를 포함하며, NiOx 정공 수송층은 계면이 분리되는 곳 없이 제1 전극의 표면을 따라 치밀한 박막을 형성하여 두층 간의 저항을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 정공 수송층(120)은 질화붕소를 포함한 NiO:BN 복합체를 형성할 수 있으며, 질화붕소를 포함한 NiO:BN은 페로브스카이트 층으로부터 보다 효과적으로 정공을 추출하고 이동시킴으로써 전하의 수집 효율을 높이고 전하의 재결합은 억제할 수 있다.The hole transport layer 120 includes nanoparticles with a NiOx chemical composition, and the NiOx hole transport layer forms a dense thin film along the surface of the first electrode without separation at the interface, thereby reducing the resistance between the two layers. In addition, the hole transport layer 120 can form a NiO:BN complex containing boron nitride, and NiO:BN containing boron nitride improves charge collection efficiency by more effectively extracting and moving holes from the perovskite layer. It can increase the charge and suppress recombination of charges.

상기 NiO:BN 내 질화붕소의 함량은 1 vol% 내지 5 vol%(vol: volume)인 것이 바람직하고, 대략 2 vol%인 것이 가장 바람직하다.The content of boron nitride in the NiO:BN is preferably 1 vol% to 5 vol% (vol: volume), and most preferably approximately 2 vol%.

광 활성층(130)은 주로 페로브스카이트(Perovskite)로 이루어진다. 광 활성층 형성을 위하여, 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물을 포함할 수 있으며, 상기 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물로는 CH3NH3PbI3-xClx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3-xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbCl3-xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3-xFx(0≤x≤3인 실수), Cs1-x-yFAxMAyPb(I1-zBrz)3 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤1-x-y≤1, 0≤z≤1인 실수)등 이 가능하다. 이 경우, Cs는 세슘(Cesium), FA는 포름아미디늄(Formamidinium), MA는 메틸암모늄(Methylammonium), Pb는 납(lead), I는 아이오디드(Iodide), Br은 브로마이드(Bromide)를 의미하며, Cs0.175FA0.750MA0.075Pb(I0.880Br0.120)3 조성의 페로브스카이트 광흡수층이 가장 바람직할 수 있다. The photoactive layer 130 is mainly made of perovskite. To form a photoactive layer, a perovskite structure compound may be included, and the perovskite structure compound includes CH 3 NH 3 PbI 3-x Cl x (0≤x≤ 3 real numbers), CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x (real numbers with 0≤x≤3), CH 3 NH 3 PbCl 3-x Br x (real numbers with 0≤x≤3), CH 3 NH 3 PbI 3-x F x (real number with 0≤x≤3), Cs 1-xy FA x MA y Pb(I 1-z Br z ) 3 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤1- real numbers (xy≤1, 0≤z≤1), etc. are possible. In this case, Cs is Cesium, FA is Formamidinium, MA is Methylammonium, Pb is lead, I is Iodide, and Br is Bromide. This means that a perovskite light absorption layer with a composition of Cs 0.175 FA 0.750 MA 0.075 Pb(I 0.880 Br 0.120 ) 3 may be most preferable.

이때, 페로브스카이트 전구체 용매의 중량 퍼센트 농도는 출발물질인 포르마미듐 아이오다이드(Formamidinium Iodide, FAI), 메틸암모늄 브로마이드(Methylammonium Bromide, MABr), 및 요오드화 세슘(Cesium Iodide, CsI), 브롬화 납(Lead Bromide, PbBr2), 요오드화 납(Lead Iodide, PbI2)을 Cs0.175FA0.750MA0.075Pb(I0.880Br0.120)3의 비율로 혼합한 혼합 용질과 다이메틸포름아마이드(Dimethylformamide, DMF): 디메틸 일산화황(Dimethyl sulfoxide, DMSO)=8:2인 혼합용매 1 mL의 무게를 기준으로 [용질의 무게/(용질의 무게 + 용액의 무게) X 100]의 관계를 통해 계산된다.At this time, the weight percent concentration of the perovskite precursor solvent is the starting materials formamidinium iodide (FAI), methylammonium bromide (MABr), and cesium iodide (CsI), bromide. A mixed solute of Lead Bromide (PbBr 2 ) and Lead Iodide (PbI 2 ) in a ratio of Cs 0.175 FA 0.750 MA 0.075 Pb (I 0.880 Br 0.120 ) 3 and dimethylformamide (DMF). : Calculated through the relationship [Weight of solute/(Weight of solute + Weight of solution)

페로브스카이트 전구체 용매로는 N,N-Dimethylformamide (DMF), G-butyrolactone (GBL), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylsulfoxide (DMSO), N,N-dimethylacetamide (DMAc)를 포함한 극성용매와 이들을 혼합한 용매 등이 사용될 수 있다. Perovskite precursor solvents include polar solvents including N,N-Dimethylformamide (DMF), G-butyrolactone (GBL), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylsulfoxide (DMSO), and N,N-dimethylacetamide (DMAc). Mixed solvents, etc. may be used.

전자 수송층(140)은 플러렌 유도체(C60) 및 금속 산화물층을 포함할 수 있으며, 금속 산화물층은 SnO2, ZnO, MgO, WO3, PbO, In2O3, Bi2O3, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, ZrO3 등일 수 있다. 전자 수송층(140)은 제 1 전자 수송층(미도시)과 제 2 전자 수송층(미도시)으로 구성될 수 있다. 제 1 전자 수송층(미도시)은 PCBM([6,6]-페닐-C61-뷰티르산 메틸 에스테르 ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PC61BM)으로 이루어지고, 제 2 전자 수송층은 ZnOx 등이 될 수 있다.The electron transport layer 140 may include a fullerene derivative (C60) and a metal oxide layer, and the metal oxide layer is SnO 2 , ZnO, MgO, WO 3 , PbO, In2O 3 , Bi2O 3 , Ta 2 O 5 , BaTiO 3 , BaZrO 3 , ZrO 3 , etc. The electron transport layer 140 may be composed of a first electron transport layer (not shown) and a second electron transport layer (not shown). The first electron transport layer (not shown) is made of PCBM ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PC61BM), and the second electron The transport layer may be ZnO x or the like.

제 2 전극(150)은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자 등일 수 있으며, 바람직하게는 Ag일 수 있다. The second electrode 150 may be made of Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, conductive polymer, etc., and is preferably Ag.

도 1에서는 역구조의 태양전지를 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 정구조에서도 본 발명의 일실시예가 적용될 수 있다. 즉, 전자 수송층이 하부 투명 전극의 상부면에 형성되고, 정공 수송층이 광 활성층의 상부면에 형성될 수 있다.Although FIG. 1 shows a solar cell with an inverted structure, it is not limited thereto, and an embodiment of the present invention can also be applied to a positive structure. That is, the electron transport layer may be formed on the upper surface of the lower transparent electrode, and the hole transport layer may be formed on the upper surface of the photoactive layer.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 분산액을 제조하는 과정을 보여주는 공정도이다. 도 2를 참조하면, 먼저 질화붕소 분말 및 IPA(IsoPropyl Alcohol) 용액을 준비한다(단계 S210).Figure 2 is a process chart showing the process of preparing a dispersion according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 2, first prepare boron nitride powder and IPA (IsoPropyl Alcohol) solution (step S210).

0.5 mg의 질화붕소 분말을 1 ml의 IPA 용액에 넣고 약 3~4 시간 동안 초음파 처리하여 질화붕소 분산액을 제조한다(단계 S220).Add 0.5 mg of boron nitride powder to 1 ml of IPA solution and sonicate for about 3 to 4 hours to prepare a boron nitride dispersion (step S220).

이후, 질화붕소 분산액을 NiOx 분산액에 1 vol% 내지 5 vol% 첨가하고 약 23 ~ 25 시간 동안 교반하여 최종적으로 NiO:BN 분산액을 제조한다(단계 S230,S240). NiOx 분산액은 IPA 용액에 2.5 wt%의 NiOx 가 혼합된 형태이다.Thereafter, 1 vol% to 5 vol% of the boron nitride dispersion is added to the NiO NiOx dispersion is a mixture of 2.5 wt% NiO x in IPA solution.

도 3은 도 2에 의해 제조된 분산액을 이용하여 페로브스카이트 태양전지의 과정을 보여주는 공정도이다. 도 3을 참조하면, 제 1 전극(110)이 되는 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 기판을 아세톤, 증류수 및 이소프로필 알콜 순서로 초음파 기계에서 20 분간 세척한 후 80 ℃의 오븐에서 10 분간 건조하였다. 이후, 상기 기판에 대한 젖음성 향상과 불순물 제거를 위해 30분 동안 자외선-오존 처리를 하였다(단계 S310). Figure 3 is a process chart showing the process of perovskite solar cell using the dispersion prepared in Figure 2. Referring to FIG. 3, the indium tin oxide (ITO) substrate, which becomes the first electrode 110, is washed in an ultrasonic machine for 20 minutes in the order of acetone, distilled water, and isopropyl alcohol, and then placed in an oven at 80° C. for 10 minutes. It was dried. Afterwards, the substrate was treated with ultraviolet rays and ozone for 30 minutes to improve wettability and remove impurities (step S310).

상기와 같이 준비된 제 1 전극(110)의 상부면에 NiO:BN 분산액을 3500 내지 4500rpm(revolutions per minute)(바람직하게는 4000rpm), 35 내지 45초(바람직하게는 40초)로 코팅하여 정공 수송층(120)을 생성하였다(단계 S320). 이때 코팅은 상온에서 진행하였으며 열처리는 약 300 내지 350℃(바람직하게는 300℃)에서 약 25 내지 35분(바람직하게는 30분)간 진행하였다. 코팅은 스핀 코팅법이 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니며, 스프레이 코팅법, 슬롯다이 코팅법, 바코팅법, 닥터 블레이드법 등이 사용될 수 있다.The NiO:BN dispersion was coated on the upper surface of the first electrode 110 prepared as above at 3500 to 4500 rpm (revolutions per minute) (preferably 4000 rpm) for 35 to 45 seconds (preferably 40 seconds) to form a hole transport layer. (120) was generated (step S320). At this time, coating was performed at room temperature, and heat treatment was performed at about 300 to 350°C (preferably 300°C) for about 25 to 35 minutes (preferably 30 minutes). The coating method is spin coating, but is not limited to this, and spray coating, slot die coating, bar coating, doctor blade, etc. may be used.

이후, 상기 정공 수송층(120)의 상부면에 광활성층(130)을 형성하기 위해, 먼저 포르마미듐 아이오다이드(Formamidinium Iodide, FAI), 메틸암모늄 브로마이드(Methylammonium Bromide, MABr), 요오드화 세슘(Cesium Iodide, CsI), 브롬화 납(Lead Bromide, PbBr2), 요오드화 납(Lead Iodide, PbI2)을 Cs0.175FA0.750MA0.075Pb(I0.880Br0.120)3의 비율로 다이메틸포름아마이드(Dimethylformamide, DMF): 디메틸 일산화황(Dimethyl sulfoxide, DMSO)=8:2인 혼합용액에 용해시켜 페로브스카이트 전구체 용액을 제조하였다.Then, in order to form the photoactive layer 130 on the upper surface of the hole transport layer 120, first formamidinium iodide (FAI), methylammonium bromide (MABr), and cesium iodide (Cesium iodide) Iodide, CsI), Lead Bromide (PbBr 2 ), and Lead Iodide (PbI 2 ) are mixed with dimethylformamide (DMF) in the ratio of Cs 0.175 FA 0.750 MA 0.075 Pb(I 0.880 Br 0.120 ) 3 ): A perovskite precursor solution was prepared by dissolving in a mixed solution of dimethyl sulfoxide (DMSO) = 8:2.

부연하면, 포르마미듐 아이오다이드(Formamidinium Iodide, FAI), 메틸암모늄 브로마이드(Methylammonium Bromide, MABr), 요오드화 세슘(Cesium Iodide, CsI), 브롬화 납(Lead Bromide, PbBr2), 요오드화 납(Lead Iodide, PbI2)을 모두 포함하며, 이들을 기반하는 페로브스카이트 조정이 모두 가능하다.To elaborate, Formaminium Iodide (FAI), Methylammonium Bromide (MABr), Cesium Iodide (CsI), Lead Bromide (PbBr 2 ), Lead Iodide (Lead Iodide) , PbI 2 ), and perovskite tuning based on them is all possible.

페로브스카이트 전구체 용액을 NiO:BN의 정공 수송층(120) 상에 450 내지 550rpm(바람직하게는 500rpm)으로 4 내지 6초(바람직하게는 5초)동안 1차 코팅하고, 4500 내지 5500rpm(바람직하게는 5000rpm)으로 40 내지 50초 (바람직하게는 45초)동안 2차 코팅하였고, 코팅 종료 25 내지 35초(바람직하게는 30초) 전에 클로로벤젠 (Chlorobenzene, CB)를 분사하였다. 다음으로 95 내지 105℃(바람직하게는 100℃)에서 25 내지 35분(바람직하게는 30분)간 열처리하여 페로브스카이트 구조를 갖는 광활성층(130)을 형성하였다(단계 S330,S340). The perovskite precursor solution was first coated on the hole transport layer 120 of NiO:BN at 450 to 550 rpm (preferably 500 rpm) for 4 to 6 seconds (preferably 5 seconds), and then coated at 4500 to 5500 rpm (preferably 5 seconds). A secondary coating was performed at 5000 rpm for 40 to 50 seconds (preferably 45 seconds), and chlorobenzene (CB) was sprayed 25 to 35 seconds (preferably 30 seconds) before the end of coating. Next, heat treatment was performed at 95 to 105°C (preferably 100°C) for 25 to 35 minutes (preferably 30 minutes) to form a photoactive layer 130 having a perovskite structure (steps S330 and S340).

이후, 광활성층(130)의 상부면에 제 1 전자수송층의 형성을 위해 1,2-다이클로로 벤젠 (1,2-Dichlorobenzene, CB)에 20 mg/ml으로 분산된 [6,6]-페닐-C61-뷰티르산 메틸 에스테르 ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PC61BM=PCBM)를 5500 내지 6500rpm(바람직하게는 6000rpm)으로 45 내지 55초(바람직하게는 50초) 동안 스핀 코팅하였고, 이후 95 내지 105℃(바람직하게는 100℃)에서 9 내지 11분(바람직하게는 10분)간 열처리를 진행하였다. 제 2 전자수송층인 ZnOx 나노파티클 분산액을 7500 내지8500rpm(바람직하게는 8000rpm)으로 35 내지 45초(바람직하게는 40초) 동안 스핀코팅하였다(단계 S350,S360).Thereafter, [6,6]-phenyl dispersed at 20 mg/ml in 1,2-dichlorobenzene (CB) to form a first electron transport layer on the upper surface of the photoactive layer 130. -C61-butyric acid methyl ester ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PC61BM=PCBM) at 5500 to 6500 rpm (preferably 6000 rpm) for 45 to 55 seconds (preferably 50 seconds) Spin coating was performed, and then heat treatment was performed at 95 to 105°C (preferably 100°C) for 9 to 11 minutes (preferably 10 minutes). The ZnOx nanoparticle dispersion, which is the second electron transport layer, was spin-coated at 7500 to 8500 rpm (preferably 8000 rpm) for 35 to 45 seconds (preferably 40 seconds) (steps S350 and S360).

마지막으로 열 증발 증착기(Thermal Evaporator)를 사용하여 제 2 전극(150)인 은 (Ag) 95 내지 105nm(바람직하게는 100nm)의 두께에, 4.00 내지 5.00mm2(바람직하게는 4.64 mm2의 유효 면적을 가지도록 속도 0.5 내지 1.5Å/s(바람직하게는 1.0Å/s)로 증착하였다(단계 S370).Finally, using a thermal evaporator, the silver (Ag) of the second electrode 150 has a thickness of 95 to 105 nm (preferably 100 nm) and an effective thickness of 4.00 to 5.00 mm 2 (preferably 4.64 mm 2 ) . It was deposited at a speed of 0.5 to 1.5 Å/s (preferably 1.0 Å/s) to have an area (step S370).

<실시예 1><Example 1>

본 발명에 따른 광전기적 특성이 우수한 고품질 NiOx 정공 수송층 박막 형성을 유도 또는 촉진할 수 있는 첨가제인 질화붕소가 혼합된 NiOx NPs 정공 수송층 분산용액의 제조과정을 하기의 내용에서 상세히 설명한다.The manufacturing process of the NiO

(1) 0.5 mg의 질화붕소 분말을 1 ml의 IPA 용액에 넣고 3~4 시간 동안 초음파 처리하여 질화붕소 분산액을 제조하였다.(1) 0.5 mg of boron nitride powder was added to 1 ml of IPA solution and sonicated for 3 to 4 hours to prepare a boron nitride dispersion.

(2) 상기 질화붕소 분산액을 NiOx (2.5 wt%NiOx in IPA)분산액에 1 vol% 내지 5 vol% 첨가하고 24 시간 동안 교반하여 최종적으로 NiO:BN 분산액을 제조하였다.(2) 1 vol% to 5 vol% of the boron nitride dispersion was added to the NiO x (2.5 wt% NiO x in IPA) dispersion and stirred for 24 hours to finally prepare a NiO:BN dispersion.

<비교예 1><Comparative Example 1>

본 발명의 비교 예로써, 순수한 NiOx (2.5 wt%NiO in IPA) 분산액은 상기에서 제시한 질화붕소를 첨가하지 않음에 차이가 있다. As a comparative example of the present invention, the pure NiO

<실시예 2><Example 2>

본 발명의 페로브스카이트 태양전지는 제 1 전극(110); 상기 제 1 전극(110)의 상부면에 형성된 정공 수송층(120); 상기 정공 수송층(120)의 상부면에 형성되는 페로브스카이트 광활성층(130); 페로브스카이트 광활성층(130)의 상부면에 형성되는 전자 수송층(140); 상기 전자 수송층(140)의 상부면에 형성되는 제 2 전극(150)을 포함할 수 있다. The perovskite solar cell of the present invention includes a first electrode (110); A hole transport layer 120 formed on the upper surface of the first electrode 110; A perovskite photoactive layer 130 formed on the upper surface of the hole transport layer 120; An electron transport layer 140 formed on the upper surface of the perovskite photoactive layer 130; It may include a second electrode 150 formed on the upper surface of the electron transport layer 140.

상기 제 1 전극(110)은 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 산화아연 등을 사용할 수 있다. 상기 정공 수송층(120)은 NiOx 화학조성의 나노입자를 포함하며, NiOx 정공 수송층은 계면이 분리되는 곳 없이 제 1 전극(110)의 표면을 따라 치밀한 박막을 형성하여 두층 간의 저항을 감소시킬 수 있다. The first electrode 110 may be made of fluorine tin oxide (FTO), indium tin oxide (ITO), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , tin-based oxide, zinc oxide, etc. The hole transport layer 120 contains nanoparticles of NiOx chemical composition, and the NiOx hole transport layer forms a dense thin film along the surface of the first electrode 110 without separation at the interface, thereby reducing the resistance between the two layers. .

또한, 상기 정공 수송층(120)은 질화붕소를 포함한 NiO:BN 복합체를 형성할 할 수 있으며, 질화붕소를 포함한 NiO:BN은 페로브스카이트 층으로부터 보다 효과적으로 정공을 추출하고 이동시킴으로써 전하의 수집 효율은 높이고 전하의 재결합은 억제할 수 있다. 상기 NiO:BN 내 질화붕소의 함량은 1 vol% 내지 5 vol%인 것이 바람직하고, 대략 2 vol%인 것이 가장 바람직하다.In addition, the hole transport layer 120 can form a NiO:BN complex containing boron nitride, and NiO:BN containing boron nitride extracts and moves holes from the perovskite layer more effectively, thereby increasing the charge collection efficiency. can increase and suppress recombination of charges. The content of boron nitride in the NiO:BN is preferably 1 vol% to 5 vol%, and most preferably approximately 2 vol%.

상기 페로브스카이트 광활성층(130)이 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물을 포함할 수 있으며, 상기 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물은 CH3NH3PbI3-xClx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3-xBrx(0≤x≤3인실수), CH3NH3PbCl3-xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3-xFx(0≤x≤3인 실수), Cs1-x-yFAxMAyPb(I1-zBrz)3 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤1-x-y≤1, 0≤z≤1인 실수)등 이 가능하다. 이 경우, Cs는 Cesium, FA는 Formamidinium, MA는 Methylammonium, Pb는 lead, I는 Iodide, Br은 Bromide를 의미하며, Cs0.175FA0.750MA0.075Pb(I0.880Br0.120)3 조성의 페로브스카이트 광흡수층이 가장 바람직할 수 있다. The perovskite photoactive layer 130 may include a compound with a perovskite structure, and the compound with the perovskite structure is CH 3 NH 3 PbI 3-x Cl x ( real number with 0≤x≤3), CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x (real number with 0≤x≤3), CH 3 NH 3 PbCl 3-x Br x (real number with 0≤x≤3), CH 3 NH 3 PbI 3-x F x (real number with 0≤x≤3), Cs 1-xy FA x MA y Pb(I 1-z Br z ) 3 (0≤x≤1, 0≤y≤1, Real numbers such as 0≤1-xy≤1, 0≤z≤1) are possible. In this case, Cs stands for Cesium, FA stands for Formamidinium, MA stands for Methylammonium, Pb stands for lead, I stands for Iodide, and Br stands for Bromide, and the perovskite has a composition of Cs 0.175 FA 0.750 MA 0.075 Pb (I 0.880 Br 0.120 ) 3 . A light absorbing layer may be most desirable.

페로브스카이트 전구체 용매의 중량 퍼센트 농도는 20 wt% 내지 56 wt%인 것이 바람직하고, 대략 48 wt%인 것이 가장 바람직하다.The weight percent concentration of the perovskite precursor solvent is preferably between 20 wt% and 56 wt%, and most preferably approximately 48 wt%.

<비교예2><Comparative Example 2>

실시예 1에 따라 제조된 NiO:BN 분산액 대신에 비교예 1에 따라 제조된 순수한 NiOx 분산액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방식으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.A perovskite solar cell was prepared in the same manner as Example 2, except that pure NiO x dispersion prepared according to Comparative Example 1 was used instead of the NiO:BN dispersion prepared according to Example 1.

상기 전자 수송층(140)은 플러렌유도체(C60) 및 금속산화물층을 포함할 수 있으며, 금속산화물층은 SnO2, ZnO, MgO, WO3, PbO, In2O3, Bi2O3, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, ZrO3 등일 수 있다.The electron transport layer 140 may include a fullerene derivative (C60) and a metal oxide layer, and the metal oxide layer is SnO 2 , ZnO, MgO, WO 3 , PbO, In2O 3 , Bi2O 3 , Ta 2 O 5 , BaTiO 3 , BaZrO 3 , ZrO 3 , etc.

상기 제 2 전극(150)은 Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자 등일 수 있으며, 바람직하게는 Ag일 수 있다. The second electrode 150 may be Ag, Au, Pt, Ni, Cu, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, conductive polymer, etc., and preferably Ag.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 NiO:BN 정공 수송층 박막에 대한 에너지 분산형 X-선 분광 (Energy-dispersive X-ray spectroscopy; EDS) 원소 맵핑 이미지를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 발명에 의해 제조된 NiO:BN 정공 수송층 내에 NiO 나노 입자(210,220)와 질화붕소 나노입자(230,240)가 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.Figure 4 is a diagram showing an energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) element mapping image for a NiO:BN hole transport layer thin film according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, it can be seen that NiO nanoparticles (210,220) and boron nitride nanoparticles (230,240) are uniformly distributed in the NiO:BN hole transport layer manufactured according to the invention.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 NiO:BN 정공 수송층 박막에 대한 고해상도 X-선 광전자 분광 (High-resolution X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, Ni2p3/2 및 O1s 특성 피크가 NiO 및 NiO:BN 박막에서 동시에 관찰되었으며, 각 피크가 동일한 위치에 있는 것을 확인하였다. 반면에, B1s 및 N1s 특성 피크는 NiO:BN 박막에서만 관찰되었다. 이로부터, NiO와 BN 사이에 화학적인 반응은 없으며, NiO:BN 박막에만 BN이 존재함을 알 수 있다. Figure 5 is a diagram showing high-resolution X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of a NiO:BN hole transport layer thin film according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 5, Ni2p 3/2 and O1s characteristic peaks were observed simultaneously in the NiO and NiO:BN thin films, and it was confirmed that each peak was located at the same position. On the other hand, B1s and N1s characteristic peaks were observed only in NiO:BN thin films. From this, it can be seen that there is no chemical reaction between NiO and BN and that BN exists only in the NiO:BN thin film.

도 5에서 "satellite"는 주피크 주변에 나타나는 위성 피크로 성분원소 중 일부가 산화(또는 환원)된 경우에 성분원소의 주피크와 산화(또는 환원)에 의한 위성피크가 나타난다. In Figure 5, "satellite" is a satellite peak that appears around the main peak, and when some of the component elements are oxidized (or reduced), the main peak of the component elements and a satellite peak due to oxidation (or reduction) appear.

"cps(counts per second)"는 스펙트럼 검출기에 들어오는 신호의 수를 나타내며, 신호의 빈도수가 높을 수록 cps가 높게 나타나고 스펙트럼에서 피크의 강도가 세다고 말할 수 있다.“CPS (counts per second)” refers to the number of signals entering the spectrum detector. The higher the frequency of the signal, the higher the cps appears and the stronger the intensity of the peak in the spectrum.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 또는 NiO:BN 박막을 정공 수송층으로 갖는 페로브스카이트 태양전지의 전류-전압 곡선 및 광전변환효율(power conversion efficiency; PCE)의 통계를 나타낸 도면이다. 즉, 도 6의 (a)는 전류 밀도-전압 곡선을 나타내고, 도 6의 (b)는 광전변환효율(PCE)-BN 함유량 관계를 나타낸다. 도 6을 참조하면, NiO:BN 정공 수송층을 도입하였을 때 페로브스카이트 태양전지의 성능이 향상되며, 2 vol%의 질화붕소를 포함한 NiO:BN 정공 수송층에 있어서 가장 우수한 광전변환효율을 나타냈었다. 이로부터, 2 vol%의 질화붕소를 포함한 NiO:BN이 가장 바람직함을 알 수 있다. 이를 이해하기 쉽게 표로 나타내면 다음과 같다. 즉, 표 1은 도 6에 도시된 NiO 및 2 vol%BN을 포함한 NiO:BN 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 세부적인 성능 데이터를Figure 6 is a diagram showing the current-voltage curve and statistics of photoelectric conversion efficiency (PCE) of a perovskite solar cell having a NiO or NiO:BN thin film as a hole transport layer according to an embodiment of the present invention. . That is, Figure 6(a) shows the current density-voltage curve, and Figure 6(b) shows the photoelectric conversion efficiency (PCE)-BN content relationship. Referring to Figure 6, the performance of the perovskite solar cell improved when the NiO:BN hole transport layer was introduced, and the NiO:BN hole transport layer containing 2 vol% of boron nitride showed the best photoelectric conversion efficiency. . From this, it can be seen that NiO:BN containing 2 vol% of boron nitride is most preferable. To make this easier to understand, this can be expressed in a table as follows. That is, Table 1 shows detailed performance data of the perovskite solar cell with a NiO:BN hole transport layer containing NiO and 2 vol%BN shown in FIG. 6.

여기서, HTL은 Hole Transporting Layer(정공 수송층), Voc는 개방 전압, Jsc는 단락 전류 밀도(Short-circuit current density), FF는 Fill Factor이다.Here, HTL is the Hole Transporting Layer, Voc is the open-circuit voltage, Jsc is the short-circuit current density, and FF is the Fill Factor.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 또는 NiO:BN 박막을 정공 수송층으로 갖는 페로브스카이트 태양전지의 최대 전력점 전압에서 정상 상태 광전류 출력, 외부양자효율 (external quantum efficiency; EQE), 및 내부양자효율 (internal quantum efficiency; IQE)를 나타낸 도면이다. 즉, 도 7의 (a)는 전류 밀도-시간 관계이고, 도 7의 (b)는 외부양자효율(EQE)-파장 곡선이고, 도 7의 (c)는 내부양자효율-파장 곡선이다. Figure 7 shows the steady-state photocurrent output, external quantum efficiency (EQE), and external quantum efficiency (EQE) at the maximum power point voltage of a perovskite solar cell having a NiO or NiO:BN thin film as a hole transport layer according to an embodiment of the present invention. This is a diagram showing the internal quantum efficiency (IQE). That is, Figure 7(a) is the current density-time relationship, Figure 7(b) is the external quantum efficiency (EQE)-wavelength curve, and Figure 7(c) is the internal quantum efficiency-wavelength curve.

도 7을 참조하면, NiO:BN 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지가 최대 전력점 전압에서 보다 높은 정상 상태 광전류 출력을 갖는 것으로 나타났다. 또한, 질화붕소를 포함하지 않는 NiO 정공 수송층에 비해 질화붕소를 포함한 NiO:BN 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 외부양자효율(EQE) 스펙트럼이 모든 파장에서 개선된 것으로 나타났으며, 이는 NiO:BN 정공 수송층이 더 나은 광 수확성능을 제공할 수 있음을 나타낸다. Referring to Figure 7, perovskite solar cells with NiO:BN hole transport layer were shown to have higher steady-state photocurrent output at the maximum power point voltage. In addition, the external quantum efficiency (EQE) spectrum of the perovskite solar cell with a NiO:BN hole transport layer containing boron nitride was found to be improved at all wavelengths compared to the NiO hole transport layer without boron nitride. This indicates that the NiO:BN hole transport layer can provide better light harvesting performance.

도 7을 계속 참조하면, 내부양자효율(IQE) 스펙트럼에 있어서도 NiO:BN 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지가 높은 값을 나타냈으며, 그 향상된 정도가 유사한 것으로 볼 때 NiO:BN 정공 수송층의 도입으로 인한 효율 개선이 주로 전하 추출 및 전달 특성의 개선에 기인함을 알 수 있다.Continuing to refer to FIG. 7, the perovskite solar cell with the NiO:BN hole transport layer also showed a high value in the internal quantum efficiency (IQE) spectrum, and considering that the degree of improvement was similar, the NiO:BN hole transport layer showed a high value. It can be seen that the efficiency improvement resulting from the introduction is mainly due to the improvement of charge extraction and transfer characteristics.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층 박막에 대한 자외선 분광 스펙트럼, NiO 및 NiO:BN 정공 수송층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다. 즉, 도 8의 (a)는 세기-결합 에너지간 그래프이고, 도 8의 (b)는 에너지 밴드 다이어그램이다. 도 8을 참조하면, 전자 수송층(140)은 제 1 전자 수송층(841)과 제 2 전자 수송층(842)로 구성된다. FIG. 8 is a diagram showing an ultraviolet spectral spectrum of a NiO and NiO:BN hole transport layer thin film and an energy band diagram of a perovskite solar cell including a NiO and NiO:BN hole transport layer according to an embodiment of the present invention. That is, Figure 8(a) is a graph between intensity and binding energy, and Figure 8(b) is an energy band diagram. Referring to FIG. 8, the electron transport layer 140 is composed of a first electron transport layer 841 and a second electron transport layer 842.

도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, NiO:BN 정공 수송층의 일함수가 4.9eV로 NiO 정공 수송층의 4.6 eV보다 높게 나타났으며, 가전자대의 에너지 준위에 있어서는 NiO 정공 수송층 보다 0.3eV 낮은 ~5.7 eV를 갖는 것으로 나타났다. As shown in (a) of Figure 8, the work function of the NiO:BN hole transport layer was 4.9 eV, which was higher than the 4.6 eV of the NiO hole transport layer, and the valence band energy level was 0.3 eV lower than that of the NiO hole transport layer. It was found to have ~5.7 eV.

이로부터, 도 6의 (b)에 도시된 것과 같이 NiO:BN 정공 수송층이 페로브스카이트와 보다 에너지 준위가 잘 일치함을 알 수 있고, 이는 NiO:BN 정공 수송층이 정공의 이동에 보다 용이하고 태양전지의 효율 향상에 보다 적합함을 의미한다.From this, as shown in (b) of Figure 6, it can be seen that the energy level of the NiO:BN hole transport layer matches well with the perovskite, which means that the NiO:BN hole transport layer facilitates the movement of holes. This means that it is more suitable for improving the efficiency of solar cells.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층 박막에 대한 원자 현미경(Atomic Force Microscope; AFM) 분석 이미지를 나타낸 도면이다. 도 9를 참조하면, 균일하지 않은 필름 표면이나 균질하지 않은 필름 형태는 전하의 재조합, 높은 저항, 정공 추출 감소 등을 야기하여 채움 인자를 저하시키고 결과적으로 소자 성능을 감소시키는 요인으로 작용할 수 있다.Figure 9 is a diagram showing an atomic force microscope (AFM) analysis image of the NiO and NiO:BN hole transport layer thin films according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9, non-uniform film surface or non-homogeneous film shape may cause charge recombination, high resistance, reduced hole extraction, etc., thereby lowering the filling factor and ultimately acting as a factor in reducing device performance.

도 9에 도시된 바와 같이, NiO 및 NiO:BN 정공 수송층 박막의 표면 거칠기(root-means-square roughness; rms)는 각각 ~3.42nm 및 ~2.40nm로 측정되었으며, 결과적으로 NiO:BN 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지 성능이 보다 우수할 수 있음을 알 수 있다. As shown in Figure 9, the surface roughness (root-means-square roughness; rms) of the NiO and NiO:BN hole transport layer thin films were measured to be ~3.42nm and ~2.40nm, respectively, and as a result, the NiO:BN hole transport layer It can be seen that the performance of perovskite solar cells can be superior.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층의 박막 위에 형성된 페로브스카이트 광활성층에 대한 X-선 회절(XRD: X-ray Diffraction) 패턴을 나타낸 도면이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 NiO:BN 정공 수송층을 위해 형성된 페로브스카이트와 종래의 NiO 정공 수송층 위에 형성된 페로브스카이트에서 동일한 특성 회절 피크를 가짐을 알 수 있다. Figure 10 is a diagram showing an X-ray diffraction (XRD) pattern for a perovskite photoactive layer formed on a thin film of NiO and NiO:BN hole transport layer according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10, it can be seen that the perovskite formed for the NiO:BN hole transport layer prepared according to an embodiment of the present invention and the perovskite formed on the conventional NiO hole transport layer have the same characteristic diffraction peak. there is.

이를 통해 NiO:BN 정공 수송층을 도입하였을 때 페로브스카이트 결정구조에 영향이 없다는 것을 확인할 수 있다. 반면, 반치폭 (full width at half maximum; FWHM)에 있어서는 NiO:BN (~0.252)가 NiO (~0.269) 보다 작게 나타났으며, NiO:BN 정공 수송층 위에 형성된 페로브스카이트의 결정성이 보다 우수함을 알 수 있다. Through this, it can be confirmed that there is no effect on the perovskite crystal structure when the NiO:BN hole transport layer is introduced. On the other hand, the full width at half maximum (FWHM) of NiO:BN (~0.252) was smaller than that of NiO (~0.269), and the crystallinity of the perovskite formed on the NiO:BN hole transport layer was superior. can be seen.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층 박막 위에 형성된 페로브스카이트 광활성층에 대한 주사전자현미경(SEM:Scanning Electron Microscope) 이미지와 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층 박막 위에 형성된 페로브스카이트의 결정립 크기 분포를 나타낸 도면이다. 즉, 도 11의 (a)는 NiO 정공 수송층 박막 위에 형성된 페로브스카이트 광활성층에 대한 주사전자현미경 (SEM) 이미지이고, 도 11의 (b)는 NiO:BN 정공 수송층 박막 위에 형성된 페로브스카이트 광활성층에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지이고, 도 11의 (c)는 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층 박막 위에 형성된 페로브스카이트의 결정립 크기 분포를 나타낸 도면이다.11 is a scanning electron microscope (SEM) image of a perovskite photoactive layer formed on a NiO and NiO:BN hole transport layer thin film according to an embodiment of the present invention and a scanning electron microscope (SEM) image of the perovskite photoactive layer formed on the NiO and NiO:BN hole transport layer thin film according to an embodiment of the present invention. This is a diagram showing the grain size distribution of the formed perovskite. That is, Figure 11 (a) is a scanning electron microscope (SEM) image of a perovskite photoactive layer formed on a NiO hole transport layer thin film, and Figure 11 (b) is a perovskite photoactive layer formed on a NiO:BN hole transport layer thin film. This is a scanning electron microscope (SEM) image of the photoactive layer, and Figure 11 (c) is a diagram showing the grain size distribution of perovskite formed on the NiO and NiO:BN hole transport layer thin films.

도 11을 참조하면, NiO와 NiO:BN 정공 수송층 위에 형성된 페로브스카이트 박막의 입자 크기 분포 및 형성에는 다소 차이가 있는 것으로 나타났다. NiO 정공 수송층 위에 형성된 페로브스카이트 박막은 입자 크기가 작은 데에 비해, NiO:BN 정공 수송층 위에 형성된 페로브스카이트 박막의 입자 크기는 12.5% 증가하였다. Referring to Figure 11, there appeared to be some differences in the particle size distribution and formation of the perovskite thin films formed on the NiO and NiO:BN hole transport layers. While the perovskite thin film formed on the NiO hole transport layer had a small particle size, the particle size of the perovskite thin film formed on the NiO:BN hole transport layer increased by 12.5%.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층 박막의 수접촉 각(contact angle)을 나타낸 도면이다. 도 12를 참조하면, NiO:BN 정공 수송층의 수접촉 각(1120)이 NiO 정공 수송층의 수접촉 각(110) 보다 10°가량 작을 것을 확인할 수 있다. 따라서, 페로브스카이트 박막의 결정립 크기 변화가 질화붕소의 첨가에 따른 NiO 정공 수송층의 수접촉 각 변화에 기인할 수 있음을 알 수 있다. Figure 12 is a diagram showing the water contact angle of NiO and NiO:BN hole transport layer thin films according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 12, it can be seen that the water contact angle 1120 of the NiO:BN hole transport layer is about 10° smaller than the water contact angle 110 of the NiO hole transport layer. Therefore, it can be seen that the change in grain size of the perovskite thin film may be due to the change in the water contact angle of the NiO hole transport layer due to the addition of boron nitride.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 직렬 및 병렬 저항 변화, 빛의 세기에 따른 개방 회로 전압 변화, 광발광 (Photoluminescence, PL) 특성, photo-CELIV(charge extraction by linearly increasing voltage) 측정 곡선, 광전전압과 광전전류 감소 시간 측정 곡선을 나타낸 도면이다. 즉, 도 13의 (a)는 직렬 (Rs) 및 병렬(Rsh) 저항 변화, (b)는 빛의 세기에 따른 개방 회로 전압 변화, (c)는 광발광 (Photoluminescence, PL) 특성, (d)는 photo-CELIV 측정 곡선, (e)는 광전전류 감소 시간 측정 곡선, (f)는 광전전압 감소 시간 측정 곡선을 나타낸다.Figure 13 shows series and parallel resistance changes, open circuit voltage changes according to light intensity, and photoluminescence (PL) of perovskite solar cells containing NiO and NiO:BN hole transport layers according to an embodiment of the present invention. ) This is a diagram showing the characteristics, photo-CELIV (charge extraction by linearly increasing voltage) measurement curve, and photoelectric voltage and photoelectric current reduction time measurement curve. That is, in Figure 13 (a) is the series (R s ) and parallel (R sh ) resistance change, (b) is the open circuit voltage change according to the intensity of light, (c) is the photoluminescence (PL) characteristics, (d) shows the photo-CELIV measurement curve, (e) shows the photoelectric current reduction time measurement curve, and (f) shows the photoelectric voltage reduction time measurement curve.

도 13을 참조하면, 상기 도 13의 (a)에서, 직렬 (Rs) 및 병렬(Rsh) 저항은 전류-전압 곡선의 개방 회로 전압과 단락 전류 지점에서 1/기울기로 계산되었다. 부연하면, 직렬저항은 도6의 (a)에서 J-V 곡선의 전류밀도가 0인 지점에서의 기울기의 역수 (1/기울기)를 하여 계산되었다. 또한, 병렬저항은 도6의 (a)에서 J-V 곡선의 전류밀도가 최대이고 전압이 0인 지점에서의 기울기의 역수 (1/기울기)를 하여 계산되었다.Referring to FIG. 13, in (a) of FIG. 13, the series (R s ) and parallel (R sh ) resistances were calculated as 1/slope at the open circuit voltage and short circuit current points of the current-voltage curve. To elaborate, the series resistance was calculated by taking the reciprocal of the slope (1/slope) at the point where the current density of the JV curve is 0 in Figure 6 (a). In addition, the parallel resistance was calculated by taking the reciprocal of the slope (1/slope) at the point where the current density of the JV curve is maximum and the voltage is 0 in Figure 6 (a).

NiO:BN이 정공 수송층으로 도입되었을 때, 태양전지의 평균 Rs가 ~ 2.5에서 ~ 1.9 Ω cm2로 감소하고 태양전지의 평균 Rsh가 ~ 4599에서 ~ 7192 Ω cm2로 증가한 것으로 관찰되었다. 따라서, NiO:BN을 정공 수송층으로 사용함으로써 계면 저항 및 누설 전류가 감소되고, NiO:BN 기반 페로브스카이트 태양전지에서 FF 및 VOC가 향상되는 것으로 생각된다.When NiO:BN was introduced as the hole transport layer, it was observed that the average R s of the solar cell decreased from ~ 2.5 to ~ 1.9 Ω cm 2 and the average R sh of the solar cell increased from ~ 4599 to ~ 7192 Ω cm 2 . Therefore, it is believed that using NiO:BN as a hole transport layer reduces the interfacial resistance and leakage current, and improves FF and V OC in NiO:BN-based perovskite solar cells.

상기 도 13의 (b)에서 제시한 빛의 세기에 따른 개방 회로 전압 변화 값은 1에 가까울수록 트랩에 기인한 전하 재결합 (trap-assisted recombination)이 억제됨을 제시한다. NiO 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 빛의 세기에 따른 개방 회로 전압 변화 값은 1.26 kT/q이나, NiO:BN 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지는 1.18 kT/q로 감소하였으며 트랩에 기인한 전하 재결합이 효과적으로 억제됨을 알 수 있다. The closer the open circuit voltage change value according to the light intensity shown in (b) of FIG. 13 is to 1, the more suppressed the trap-assisted recombination is. The open circuit voltage change value according to the light intensity of the perovskite solar cell with a NiO hole transport layer is 1.26 kT/q, but the perovskite solar cell with a NiO:BN hole transport layer decreases to 1.18 kT/q. It can be seen that charge recombination due to the trap is effectively suppressed.

이는 NiO:BN 정공 수송층과 페로브스카이트 광활성층 사이의 계면 또는 정공 수송층 내에 존재하는 trap이 효과적으로 억제되었음을 나타내며, 결과적으로 트랩에 기인한 전하 재결합이 감소하여 Voc가 개선되었음을 알 수 있다. This indicates that traps present at the interface between the NiO:BN hole transport layer and the perovskite photoactive layer or within the hole transport layer were effectively suppressed. As a result, charge recombination due to the trap was reduced, thereby improving Voc.

상기 도 13의 (c)에서, NiO:BN 정공 수송층 위에 형성된 페로브스카이트 박막의 광발광 세기가 NiO 정공 수송층 위에 형성된 페로브스카이트 박막의 광발광 세기보다 작게 나타났으며, 이는 NiO:BN 정공 수송층을 도입함에 따라 전하 재결합이 억제됨을 의미하고, 결과적으로 태양전지의 Jsc와 Voc가 개선될 수 있다. In (c) of FIG. 13, the photoluminescence intensity of the perovskite thin film formed on the NiO:BN hole transport layer was smaller than the photoluminescence intensity of the perovskite thin film formed on the NiO:BN hole transport layer. This means that charge recombination is suppressed by introducing a hole transport layer, and as a result, the Jsc and Voc of the solar cell can be improved.

또한, 상기 도 13의 (d)는 광 생성 전하 운반체의 이동성을 나타내는 데, NiO:BN 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지가 NiO 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지 보다 높은 전하 이동도를 나타내다. 이러한 이동성의 증가는 재조합의 감소를 나타내며, 이로부터 NiO:BN 정공 수송층의 도입으로 페로브스카이트 태양전지 내 트랩에 의한 전하 재결합이 감소하였음을 알 수 있다.In addition, (d) of FIG. 13 shows the mobility of the light-generated charge carrier, and the perovskite solar cell with a NiO:BN hole transport layer has a higher charge mobility than the perovskite solar cell with a NiO hole transport layer. indicate This increase in mobility indicates a decrease in recombination, and from this, it can be seen that charge recombination by traps in the perovskite solar cell was reduced with the introduction of the NiO:BN hole transport layer.

또한, 상기 도 13의 (e)와 (f)는 광전전류 및 광전전압 감소 시간 측정 곡선을 나타내며, 광전전압과 광전전류 감소 시간은 실제로 작동중인 태양전지에서 전하 운반체의 수명과 전하 추출 및 전달 특성을 나타낸다. NiO:BN 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 광전전압 값이 증가하였는데, 이는 전하 재결합 수명이 증가했음을 나타내고, 전하 재결합 수명은 전하 재결합에 반비례하기 때문에 NiO:BN 정공 수송층 도입에 의해 태양전지 내 전하 재결합이 효과적으로 억제됨을 알 수 있다.In addition, (e) and (f) of FIG. 13 show the photoelectric current and photovoltage reduction time measurement curves, and the photovoltage and photocurrent reduction time are related to the life of the charge carrier and charge extraction and transfer characteristics in an actually operating solar cell. represents. The photovoltage value of perovskite solar cells with a NiO:BN hole transport layer increased, indicating that the charge recombination lifetime increased, and since the charge recombination lifetime is inversely proportional to charge recombination, the solar cell was increased by introducing a NiO:BN hole transport layer. It can be seen that charge recombination is effectively suppressed.

대조적으로, NiO:BN 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 광전전류 값은 감소하였는데, 이는 NiO:BN 정공 수송층 도입으로 전하 추출 및 전달 특성이 향상되었음을 나타낸다. In contrast, the photocurrent value of the perovskite solar cell with the NiO:BN hole transport layer decreased, indicating that the charge extraction and transfer characteristics were improved with the introduction of the NiO:BN hole transport layer.

결과적으로, NiO:BN 정공 수송층 도입으로 전하 재결합 수명과 전하 추출 및 전달 특성이 향상됨을 알 수 있으며, 이로 인한 Voc, Jsc, FF의 개선으로 NiO:BN을 정공 수송층으로 갖는 페로브스카이트 태양전지의 성능이 개선되었음을 알 수 있다.As a result, it can be seen that the introduction of the NiO:BN hole transport layer improves the charge recombination lifetime and charge extraction and transfer characteristics, and the resulting improvements in Voc, Jsc, and FF enable the perovskite solar cell with NiO:BN as the hole transport layer. It can be seen that the performance has been improved.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 NiO 및 NiO:BN 정공 수송층을 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 시간에 따른 대기중 안정성을 나타낸 도면이다. 도 14를 참조하면, 25℃, 30~60%의 공기조건에서 60일 이후 종래의 NiO 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 효율은 초기 대비 ~57%의 효율을 유지하고 있었으나, NiO:BN 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 효율은 초기 대비 ~85%를 유지하고 있었다. 상기의 결과는 NiO:BN 정공 수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지에 있어서 대기중 안정성이 더 우수함을 나타낸다. Figure 14 is a diagram showing the stability in air over time of a perovskite solar cell including NiO and NiO:BN hole transport layers according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 14, the efficiency of the perovskite solar cell with a conventional NiO hole transport layer after 60 days at 25°C and 30 to 60% air condition was maintained at ~57% compared to the initial efficiency, but NiO: The efficiency of the perovskite solar cell with a BN hole transport layer was maintained at ~85% compared to the initial level. The above results indicate that perovskite solar cells with a NiO:BN hole transport layer have better stability in air.

100: 고성능 페로브스카이트 태양전지
110: 제 1 전극
120: 정공 수송층
130: 광활성층
140: 전자 수송층
150: 제 2 전극
100: High-performance perovskite solar cell
110: first electrode
120: hole transport layer
130: Photoactive layer
140: electron transport layer
150: second electrode

Claims (1)

고성능 페로브스카이트 태양전지에 있어서,
제 1 전극(110);
상기 제 1 전극(110)의 상부면에 형성되는 정공 수송층(120);
상기 정공 수송층(120)의 상부면에 형성되며, 페로브스카이트(perovskite) 구조의 화합물을 포함하는 광활성층(130);
상기 광 활성층(130)의 상부면에 형성되는 전자 수송층(140); 및
상기 전자 수송층(140)의 상부면에 형성되는 제 2 전극(150);을 포함하며,
상기 정공 수송층(120)은 분산액이 제 1 전극(110)의 상기 상부면에 코팅되어 형성되며,
상기 광활성층(130)과 상기 정공 수송층(120) 사이의 계면 저항을 낮추고 트랩에 의한 광 생성 전하의 재결합을 낮추기 위해, 상기 분산액은 NiO:BN 분산액이고,
상기 NiO:BN 분산액은 NiOx 분산액에 1 vol% 내지 5 vol%의 질화붕소 분산액을 첨가하여 23 ~ 25시간 동안 교반에 의해 생성되고,
상기 NiOx 분산액은 질화붕소 분말을 이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol) 용액에 넣고 3 내지 4시간 동안 초음파 처리하여 생성되며,
페로브스카이트 구조의 상기 화합물은 CH3NH3PbI3-xClx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3-xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbCl3-xBrx(0≤x≤3인 실수), CH3NH3PbI3-xFx(0≤x≤3인 실수), 및 Cs1-x-yFAxMAyPb(I1-zBrz)3 (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤1-x-y≤1, 0≤z≤1인 실수)(여기서, Cs는 세슘(Cesium), FA는 포름아미디늄(Formamidinium), MA는 메틸암모늄(Methylammonium), Pb는 납(lead), I는 아이오다이드(Iodide), Br은 브로마이드(Bromide)를 의미한다) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 정공 수송층을 이용한 고성능 페로브스카이트 태양전지.
In high-performance perovskite solar cells,
first electrode 110;
A hole transport layer 120 formed on the upper surface of the first electrode 110;
A photoactive layer 130 formed on the upper surface of the hole transport layer 120 and containing a perovskite structure compound;
an electron transport layer 140 formed on the upper surface of the photoactive layer 130; and
It includes a second electrode 150 formed on the upper surface of the electron transport layer 140,
The hole transport layer 120 is formed by coating the upper surface of the first electrode 110 with a dispersion liquid,
In order to lower the interfacial resistance between the photoactive layer 130 and the hole transport layer 120 and to reduce recombination of photo-generated charges by traps, the dispersion is a NiO:BN dispersion,
The NiO:BN dispersion is produced by adding 1 vol% to 5 vol% of boron nitride dispersion to the NiOx dispersion and stirring for 23 to 25 hours,
The NiOx dispersion is produced by placing boron nitride powder in an isopropyl alcohol solution and sonicating it for 3 to 4 hours.
The above compounds of perovskite structure are CH 3 NH 3 PbI 3-x Cl x (real number with 0≤x≤3), CH 3 NH 3 PbI 3-x Br x (real number with 0≤x≤3), CH 3 NH 3 PbCl 3-x Br x (real number 0≤x≤3), CH 3 NH 3 PbI 3-x F x (real number 0≤x≤3), and Cs 1-xy FA x MA y Pb( I 1-z Br z ) 3 (real number 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤1-xy≤1, 0≤z≤1) (where Cs is cesium and FA is form A hole characterized in that it is one of amidinium (formamidinium), MA means methylammonium (Methylammonium), Pb means lead, I means Iodide (Iodide), Br means bromide) High-performance perovskite solar cell using a transport layer.
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