KR20160004220A - Perovskite solar cell and preparing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본원은, 페로브스카이트 태양전지 및 상기 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a perovskite solar cell and a method for manufacturing the perovskite solar cell.
지난 2 년 동안, 메틸암모늄납할라이드(methylammonium lead halide) 기반 페로브스카이트 태양전지는 광전변환효율(power conversion efficiencies, PCE)에서 주목할만한 발전을 나타냈다. 염료감응형 태양전지 구조 기반의 전해질 내의 감응제로서 미야자카 연구팀(Miyasaka et.al)에 의한 CH3NH3PbX3 (X = Br, I)의 도입은 광전지 기반 최초의 페로브스카이트로서 기록되었다. 그러나, 상기 페로브스카이트 감응제는 극성 액체 전해질에서 용해되었고, 3% 내지 6%의 낮은 PCE를 수득하였다. 장기간 내구력있는 9.7% 전고상(all-solid-state) 페로브스카이트 태양전지의 보고는 연구 활동을 활성화시켰다. 그 결과, PCE는 15%로 빠르게 향상되었다. 페로브스카이트 태양전지의 첫 버전은 감응제 개념에 근거하였고, CH3NH3PbI3 페로브스카이트 나노점(nanodot)은 TiO2 표면 상에 형성되었다. 상기 페로브스카이트 그 자체가 상기 TiO2로 광-산출된 전자를 이동시킬 수 있음을 불활성 전자-차단 Al2O3 스캐폴드(scaffold)를 이용하여 확인함으로써 발견되었다. 표면 감광 개념은 그 이후에 발전하였고, 일 구현에 있어서, 페로브스카이트-메조기공 옥사이드로 채워진 구조는 12%의 PCE로 이어졌다. 나노결정화 필름의 감광에서 평면 접합으로의 구조적 변형은 1 μm 이상의 긴 확산 길이에 따른 상기 페로브스카이트의 전자와 정공의 이동성의 균형에 의해 가능하게 되었다.Over the past two years, methylammonium lead halide-based perovskite solar cells have made remarkable progress in power conversion efficiencies (PCE). The introduction of CH 3 NH 3 PbX 3 (X = Br, I) by Miyazaka et al. (Miyasaka et al) as a sensitizer in the electrolyte based on the dye-sensitized solar cell structure was recorded as the first perovskite based on photovoltaic cells . However, the perovskite sensitizer was dissolved in the polar liquid electrolyte and a low PCE of 3% to 6% was obtained. The report of long-term durability 9.7% all-solid-state perovskite solar cells has activated research activities. As a result, the PCE has improved rapidly to 15%. The first version of the perovskite solar cell was based on the concept of sensitizer, and a CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite nanodot was formed on the TiO 2 surface. The perovskite itself was found to be able to transfer photo-generated electrons to the TiO 2 by using an inert electron-blocking Al 2 O 3 scaffold. The surface photoresponse concept developed thereafter, and in one implementation, the structure filled with perovskite-mesoporous oxides led to a PCE of 12%. Structural deformation of the nanocrystalline film from the photosensitive to the planar junction is made possible by balancing the electron and hole mobility of the perovskite with a long diffusion length of 1 μm or more.
메조기공 TiO2 필름의 기공 내에 페로브스카이트 CH3NH3PbI3 형성을 위한 방법에 관하여, 순차적인 2-스텝 증착이 재생가능한 고성능 페로브스카이트 태양전지를 수득하기 위해 제안되었다. PbI2 용액이 메조기공 TiO2 박막 상에 스핀-코팅된 후, 상기 PbI2-코팅 기재는 CH3NH3I 용액 내에 침지되었다. 상기 2-스텝 증착 방법을 이용하여 최고 15%의 PCE를 수득하였다. 진공-증착된 CH3NH3PbI3 - xClx을 사용한 페로브스카이트 태양전지는 15.4%의 가장 높은 PCE를 나타냈다. 그러나, 평균 PCE는 12%이었고, 표준편차는 12.3% ± 2.0%로서 크게 나타났다. 이러한 평면 페로브스카이트 디바이스의 정확한 효율을 측정하는 것은 매우 어려운데, J-V 커브의 유명한 자기 이력 현상 효과 때문이다. 따라서, 15% 이상의 평균 PCE와 작은 표준편차를 보유하는 페로브스카이트 광전지를 실현하기 위한 재생산 가능하고 효과적인 방법이 보장되어야 한다.In the pores of the mesoporous TiO 2 film, perovskite CH 3 NH 3 PbI 3 With respect to the method for forming, sequential two-step deposition has been proposed to obtain a renewable high-performance perovskite solar cell. PbI 2 After the solution was spin-coated on the mesoporous TiO 2 thin film, the PbI 2 -coated substrate was CH 3 NH 3 I Lt; / RTI > Up to 15% PCE was obtained using the two-step deposition method. Perovskite solar cells with vacuum-deposited CH 3 NH 3 PbI 3 - x C x showed the highest PCE of 15.4%. However, the mean PCE was 12% and the standard deviation was 12.3% ± 2.0%. It is very difficult to measure the exact efficiency of such a planar perovskite device because of the well-known magnetic hysteresis effect of the JV curve. Therefore, a reproducible and effective method for realizing a perovskite photocell having an average PCE of 15% or more and a small standard deviation must be ensured.
대한민국 공개특허 제10-2003-0073138호는 초상자성 나노복합분말을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 초음파분무 열분해법을 이용하여 초상자성을 갖는 균일한 크기의 금속산화물 나노입자를 세라믹 기지상에 균일하게 분산시킨 금속산화물/세라믹 나노복합분말을 경제적으로 제조하는 방법에 대해서 개시하고 있다.
Korean Patent Laid-Open No. 10-2003-0073138 discloses a method for preparing a superpowder nanocomposite powder by uniformly dispersing uniformly sized metal oxide nanoparticles having a superparamagnetic property on a ceramic matrix by using ultrasonic spray pyrolysis And a method for economically producing the metal oxide / ceramic nanocomposite powder.
이에, 본원은 페로브스카이트 태양전지 및 상기 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention provides a perovskite solar cell and a method for manufacturing the perovskite solar cell.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본원의 제 1 측면은, 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극에 재결합 방지층을 형성하는 단계; 상기 재결합 방지층에 MX2 (여기서, M은 Pb, Sn, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하고, X는 할로겐임)를 스핀-코팅하고, 상기 스핀-코팅된 MX2에 페로브스카이트 제조용 전구체 RX (여기서, R은 치환된 또는 비치환된 알킬기를 포함하고, 상기 R이 치환된 경우 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기, 또는 메톡시기이고, X는 할로겐임)를 스핀-코팅하여 입방형 페로브스카이트를 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 상기 광활성층에 정공 전달층을 형성하는 단계; 및, 상기 정공 전달층에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 제공한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a light emitting device, comprising: forming a recombination preventing layer on a first electrode including a conductive transparent substrate; The recombination layer MX 2 spin (where, M represents Pb, Sn, Ge, and include those selected from the group consisting of the combinations thereof, and, X is a halogen Im) coating, and the spin-coated MX 2 Wherein R is a substituted or unsubstituted alkyl group, and when the R is substituted, the substituent is an amino group, a hydroxyl group, a cyano group, a halogen group, a nitro group, or a methoxy group , And X is a halogen) to form a photoactive layer comprising cubic perovskite; Forming a hole transporting layer on the photoactive layer; And forming a second electrode in the hole transporting layer. The present invention also provides a method of manufacturing a perovskite solar cell,
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따라 제조되는 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 형성된 재결합 방지층; 상기 재결합 방지층에 형성된 하기 화학식 1로서 표시되는 입방형 페로브스카이트를 포함하는 광활성층; 상기 광활성층에 형성된 정공 전달층; 및, 상기 정공 전달층에 형성된 제 2 전극을 포함하는, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다:According to a second aspect of the present invention, there is provided a perovskite solar cell manufactured according to the first aspect of the present invention, comprising: a first electrode including a conductive transparent substrate; An anti-recombination layer formed on the first electrode; A photoactive layer including a cubic perovskite represented by the following
[화학식 1][Chemical Formula 1]
RMX3 RMX 3
상기 화학식 1 중, R 은 치환된 또는 비치환된 알킬기를 포함하고, 상기 R이 치환된 경우 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기, 또는 메톡시기이고, M은 Pb, Sn, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하고, X는 할로겐임.
Wherein R is a substituted or unsubstituted alkyl group, and when R is substituted, the substituent is an amino group, a hydroxyl group, a cyano group, a halogen group, a nitro group, or a methoxy group, M is Pb, Sn , Ge, and combinations thereof, wherein X is a halogen.
본원의 일 구현예에 있어서, 2-스텝 스핀-코팅 처리를 이용하여 페로브스카이트를 제조함으로써 높은 효율을 가지는 CH3NH3PbI3-기반 페로브스카이트 태양전지를 재생산 가능한 방법에 의해 제조할 수 있다. 이에 따라, 제조된 상기 페로브스카이트 태양전지는 약 16%의 평균 PCE를 가지며, 2-스텝 스핀-코팅 처리를 매개로 입방형 CH3NH3PbI3의 결정 크기 조절에 의하여 PCE가 최대 17%에 육박할 수 있다. 더불어, 페로브스카이트의 제조 시, MX2의 스핀-코팅 후, 상이한 농도의 페로브스카이트 제조용 전구체 용액을 스핀-코팅하여 입방형 CH3NH3PbI3 페로브스카이트를 제조할 수 있으며, 상기 입방형 페로브스카이트의 결정 크기는 페로브스카이트 제조용 전구체의 농도에 강하게 의존한다. 입방형 페로브스카이트의 결정 크기 조절에 기반하여, 본원은 21.64 mA/cm2 의 광전류 밀도(photocurrent density), 최대 17.01%의 PCE, 1.056 V의 개방 회로 광전압(open circuit photovoltage), 및 0.741의 충진계수(fill factor, FF)를 수득하는 효과를 나타낼 수 있다.
In one embodiment of the present invention, a high efficiency CH 3 NH 3 PbI 3 -based perovskite solar cell is manufactured by a process capable of reproduction by producing perovskite using a two-step spin- can do. Accordingly, the perovskite solar cell produced had an average PCE of about 16%, and the crystal size of the cubic CH 3 NH 3 PbI 3 was controlled by a two-step spin-coating treatment to have a PCE of 17 %. In addition, in the manufacture of perovskite, after spin-coating of MX 2 , different concentrations of perovskite- The solution was spin-coated cubic CH 3 NH 3 PbI 3 And the crystal size of the cubic perovskite is in the range of 10 < RTI ID = 0.0 > It strongly depends on the concentration. Based on the crystal size control of the cubic perovskite, the present invention provides a photocurrent density of 21.64 mA / cm 2 , a PCE of up to 17.01%, an open circuit photovoltage of 1.056 V, The fill factor (FF) can be obtained.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 페로브스카이트 태양전지의 2-스텝 스핀-코팅 처리를 나타내는 개략도이다.
도 2의 (a) 내지 (e)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 2-스텝 스핀-코팅 처리에 의해 메조기공 TiO2 필름 상에 성장된 CH3NH3PbI3 입방형 표면(좌) 및 횡단면(우) SEM 이미지이고, 도 2의 (f)는 본원의 일 실시예에 있어서, CH3NH3I 농도에 따른 CH3NH3PbI3 입방형 크기 분포 그래프이고, 도 2의 (g)는 본원의 일 실시예에 있어서, CH3NH3I 농도에 따른 CH3NH3PbI3 입방형 크기 플롯이다.
도 3의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 0.032 M(5 mg/mL) CH3NH3I 및 0.038 M(6 mg/mL) CH3NH3I로부터 성장된 CH3NH3PbI3 입방형의 SEM 이미지이다.
도 4의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 PbI2 코팅된 필름의 표면 및 횡단면 SEM 이미지이다.
도 5의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 0.038 M 및 0.063 M CH3NH3I로부터 성장된 CH3NH3PbI3 고용된 페로브스카이트 태양전지의 횡단면 SEM 이미지이다.
도 6a 및 도 6b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 0.038 M CH3NH3I 용액 및 0.063 M CH3NH3I 용액에서 로딩 시간에 따른 표면 SEM 이미지이고, 도 6c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 페로브스카이트 태양전지의 개략도와 그에 따른 표면 및 횡단면 SEM 이미지이다.
도 7의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 CH3NH3I 농도 및 유리/FTO/조밀 TiO2/100 nm-두께 메조기공 TiO2 구조를 갖는 기재에 의존하는 FTO 유리 코팅된 페로브스카이트에 대한 투과도 및 반사율을 나타내는 그래프이고, 도 7의 (c)는, 본원의 일 실시예에 있어서, CH3NH3I 농도에 의존하는 페로브스카이트에 대한 흡수 계수 그래프이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, 0.032 M CH3NH3I에서 성장된 CH3NH3PbI3 고용된 페로브스카이트 태양전지에 대해 99.43 mA/cm2 강도를 갖는 AM 1.5G 조명 하에 측정된 전류 밀도-전압 곡선이고, 삽입도는 IPCE 스펙트럼이다.
도 9의 (a) 내지 (f)는, 각각 본원의 일 실시예에 있어서, (a, b) 0.038 M, (c, d) 0.050 M, 및 (e, f) 0.063 M의 I-V 곡선 및 IPCE 스펙트럼이고, 청색 선은 적분된 JSC 로서 대표되는 IPCE 스펙트럼이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, 0.044 M 및 0.057 M CH3NH3I로부터 성장된 CH3NH3PbI3 결정이 고용된 페로브스카이트 태양전지의 전류 밀도-전압 곡선 그래프이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, CH3NH3I 농도에 의존하는 단락전류밀도(JSC), 개로전압(VOC), 충진계수(FF), 및 광전변환효율(PCE) 그래프이다.
도 12의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 20 초 및 60 초의 로딩 시간 동안 성장된 페로브스카이트의 표면 SEM 이미지이고, 도 12의 (c)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 0.038 M CH3NH3I에서 20 초 및 60 초의 로딩 시간 동안 성장된 CH3NH3PbI3가 고용된 페로브스카이트 태양전지의 전류 밀도-전압 곡선 그래프이다.
도 13의 (a)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 유입 태양 전력 99.54 mW/cm2 과 AM 1.5G 조건 하에 측정된 전류 밀도-전압 곡선 그래프이고, 도 13의 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 0.038 M CH3NH3I 로부터 형성된 CH3NH3PbI3 와 최대 성능 페로브스카이트 태양전지에서 IPCE 스펙트럼 및 적분된 광전류밀도(JSC) 그래프이다.1 is a schematic diagram showing a two-step spin-coating process of a perovskite solar cell in one embodiment of the present invention.
(A) to (e) of Figure 2, according to one embodiment of the invention, each 2-step spin-coating process by mesopores TiO 2 CH 3 NH 3 PbI 3 grown on the film Cuboid surface (left) and cross section (R) and the SEM image, FIG. In one embodiment of the (f) is present in the 2, CH 3 NH 3 according to the concentration I CH 3 NH 3 PbI 3 Figure 2 (g) is a graph of the cubic size distribution of CH 3 NH 3 PbI 3 according to the concentration of CH 3 NH 3 I It is a cubic size plot.
(A) and (b) of Figure 3, in one embodiment of the present application, each of 0.032 M (5 mg / mL) CH 3 NH 3 I , and 0.038 M (6 mg / mL) grown from CH 3 NH 3 I SEM image of the CH 3 NH 3 PbI 3 cubic.
Figures 4 (a) and 4 (b) illustrate, in one embodiment of the present application, PbI 2 Surface and cross-sectional SEM images of the coated film.
Figures 5 (a) and 5 (b) show, in an embodiment of the present invention, CH 3 NH 3 PbI 3 grown from 0.038 M and 0.063 M CH 3 NH 3 I, respectively Sectional SEM image of the perovskite solar cell employed.
Figures 6a and 6b, according to an embodiment of the present application, each of 0.038 M CH 3 NH 3 I solution and 0.063 M CH 3 NH 3, and a surface SEM image of the loading time on the I solution, Figure 6c, one of the present In the embodiment, a schematic view of a perovskite solar cell and corresponding surface and cross-sectional SEM images are shown.
(A) and (b) of Figure 7, depending on according to an embodiment of the present application, each of CH 3 NH 3 I concentration and the glass / FTO / dense TiO 2/100 nm- thick mesoporous substrate having a TiO 2 structure FIG. 7C is a graph showing the transmittance and reflectance for perovskite which is dependent on the concentration of CH 3 NH 3 I in one embodiment of the present invention. FIG. Absorption coefficient graph.
Figure 8 shows that, in one embodiment of the invention, CH 3 NH 3 PbI 3 grown in 0.032 M CH 3 NH 3 I Voltage curves measured under AM 1.5G illumination with a power of 99.43 mA / cm 2 against the perovskite solar cell being employed, and the degree of insertion is the IPCE spectrum.
Figures 9 (a) to 9 (f) illustrate the IV curves of (a, b) 0.038 M, (c, d) 0.050 M and (e, And the blue line is the IPCE spectrum represented by the integrated J SC .
10 is a graph of current density-voltage curves of a perovskite solar cell in which CH 3 NH 3 PbI 3 crystals grown from 0.044 M and 0.057 M CH 3 NH 3 I are solved, in one embodiment of the present invention.
11 is a graph showing the relationship between the short circuit current density (J SC ), open-circuit voltage (V OC ), filling factor (FF) and photoelectric conversion efficiency (PCE) dependence of CH 3 NH 3 I concentration to be.
Figures 12 (a) and 12 (b) are surface SEM images of perovskite grown for loading times of 20 and 60 seconds, respectively, in one embodiment of the invention, and Figure 12 (c) Voltage curve of a perovskite solar cell in which CH 3 NH 3 PbI 3 grown at 0.038 M CH 3 NH 3 I for 20 seconds and 60 seconds of loading time is solid.
13 (a) is a graph of current density-voltage curve measured under conditions of an incoming solar power of 99.54 mW / cm 2 and AM 1.5G in one embodiment of the present application, and Fig. 13 (b) In one embodiment, CH 3 NH 3 PbI 3 formed from 0.038 M CH 3 NH 3 I And IPCE spectra and integrated photocurrent density (J SC ) graphs for maximum performance perovskite solar cells.
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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, the same reference numbers are used throughout the specification to refer to the same or like parts.
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. Throughout this specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not limited to a case where it is "directly connected," but also includes the case where it is "electrically connected" do.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is " on " another member, it includes not only when the member is in contact with the other member, but also when there is another member between the two members.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 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. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.Throughout this specification, when an element is referred to as " including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise. The terms " about ", " substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the specification are used to refer to the manufacturing and material tolerances inherent in the meanings mentioned, Accurate or absolute numbers are used to help prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure. The word " step (or step) " or " step " used to the extent that it is used throughout the specification does not mean " step for.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”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.Throughout this specification, the term " combination (s) thereof " included in the expression of the machine form means a mixture or combination of one or more elements selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the form of a marker, Quot; means at least one selected from the group consisting of the above-mentioned elements.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.Throughout this specification, the description of "A and / or B" means "A or B, or A and B".
본원 명세서 전체에서, “알킬기”는 통상적으로, 1 내지 20 개의 탄소 원자, 1 내지 10 개의 탄소 원자, 1 내지 8 개의 탄소 원자, 1 내지 5 개의 탄소 원자, 또는 1 내지 3 개의 탄소 원자를 갖는, 선형 또는 분지형의 알킬기를 나타낸다. 상기 알킬기가 알킬기로 치환되는 경우, 이는 “분지형의 알킬기”로도 상호교환하여 사용된다. 상기 알킬기에 치환될 수 있는 치환기로는, 할로(예를 들어, F, Cl, Br, I), 할로알킬(예를 들어, CC13 또는 CF3), 알콕시, 알킬티오, 히드록시, 카르복시(-C(O)-OH), 알킬옥시카르보닐(-C(O)-O-R), 알킬카르보닐옥시(-O-C(O)-R), 아미노(-NH2), 카르바모일(-NHC(O)OR- 또는 -O-C(O)NHR-), 우레아(-NH-C(O)-NHR-) 및 티올(-SH)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 들 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 아울러, 앞서 기술된 상기 알킬기 중 탄소수 2 이상의 알킬기는 적어도 하나의 탄소 대 탄소 이중 결합 또는 적어도 하나의 탄소 대 탄소 삼중 결합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵실, 옥틸, 노닐, 데실, 운데실, 도데실, 트리데실, 테트라데실, 펜타데실, 헥사데실, 헵타데실, 옥타데실, 노나데실, 에이코사닐, 또는 이들의 가능한 모든 이성질체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.Throughout this specification, an "alkyl group" is typically an alkyl group having from 1 to 20 carbon atoms, from 1 to 10 carbon atoms, from 1 to 8 carbon atoms, from 1 to 5 carbon atoms, or from 1 to 3 carbon atoms, Represents a linear or branched alkyl group. When the alkyl group is substituted with an alkyl group, it is also used interchangeably as a " branched alkyl group ". Examples of the substituent which may be substituted on the alkyl group include halo (for example, F, Cl, Br, I), haloalkyl (for example, CC1 3 or CF 3 ), alkoxy, alkylthio, -C (O) -OH), alkyloxycarbonyl (-C (O) -OR), alkylcarbonyloxy (-OC (O) -R), amino (-NH 2), carbamoyl (-NHC (O) OR- or -OC (O) NHR-), urea (-NH-C (O) -NHR-) and thiol (-SH). . In addition, the alkyl group having 2 or more carbon atoms in the alkyl group described above may include, but not limited to, at least one carbon to carbon double bond or at least one carbon to carbon triple bond. For example, methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl, decyl, undecyl, dodecyl, tridecyl, tetradecyl, pentadecyl, hexadecyl, heptadecyl, octadecyl, , Eicosanyl, or any of the possible isomers thereof, but is not limited thereto.
본원 명세서 전체에서, 용어 “할로겐” 또는 “할로”는 주기율표의 17 족에 속하는 할로겐 원자가 작용기의 형태로서 화합물에 포함되어 있는 것을 의미하는 것으로서, 예를 들어, 염소, 브롬, 불소 또는 요오드일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
Throughout this specification, the term " halogen " or " halo " means that the halogen atom belonging to
이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
Hereinafter, embodiments of the present invention are described in detail, but the present invention is not limited thereto.
본원의 제 1 측면은, 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극에 재결합 방지층을 형성하는 단계; 상기 재결합 방지층에 MX2 (여기서, M은 Pb, Sn, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하고, X는 할로겐임)를 스핀-코팅하고, 상기 스핀-코팅된 MX2에 페로브스카이트 제조용 전구체 RX (여기서, R은 치환된 또는 비치환된 알킬기를 포함하고, 상기 R이 치환된 경우 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기, 또는 메톡시기이고, X는 할로겐임)를 스핀-코팅하여 입방형 페로브스카이트를 포함하는 광활성층을 형성하는 단계; 상기 광활성층에 정공 전달층을 형성하는 단계; 및, 상기 정공 전달층에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법을 제공한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a light emitting device, comprising: forming a recombination preventing layer on a first electrode including a conductive transparent substrate; The recombination layer MX 2 spin (where, M represents Pb, Sn, Ge, and include those selected from the group consisting of the combinations thereof, and, X is a halogen Im) coating, and the spin-coated MX 2 Wherein R is a substituted or unsubstituted alkyl group, and when the R is substituted, the substituent is an amino group, a hydroxyl group, a cyano group, a halogen group, a nitro group, or a methoxy group , And X is a halogen) to form a photoactive layer comprising cubic perovskite; Forming a hole transporting layer on the photoactive layer; And forming a second electrode in the hole transporting layer. The present invention also provides a method of manufacturing a perovskite solar cell,
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전도성 투명 기재는 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, 주석계 산화물, 산화아연, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 함유하는 유리 기재 또는 플라스틱 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 전도성 투명 기재는 전도성 및 투명성을 가지는 물질이라면 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 플라스틱 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 트리아세틸셀룰로오스, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the conductive transparent substrate comprises at least one of indium tin oxide (ITO), fluorine tin oxide (FTO), ZnO-Ga 2 O 3 , ZnO-Al 2 O 3 , tin oxide, But are not limited to, glass substrates or plastic substrates containing materials selected from the group consisting of combinations of these. The conductive transparent substrate is not particularly limited as long as it is a conductive and transparent material. For example, the plastic substrate may be selected from the group consisting of polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polypropylene, polyimide, triacetylcellulose, and combinations thereof. .
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 재결합 방지층에 상기 MX2를 먼저 스핀-코팅하고, 이어서 페로브스카이트 제조용 전구체 RX를 스핀-코팅하는 2-스텝 스핀-코팅에 의해 상기 페로브스카이트가 입방형으로 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the two -step spin-coating is performed by spin-coating the MX 2 first with the anti-recombination layer followed by spin-coating the precursor RX for the production of perovskite, But the present invention is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광활성층을 형성하는 단계는 상기 MX2가 코팅된 상기 재결합 방지층에 상기 페로브스카이트 제조용 전구체 RX를 로딩한 후 대기하는 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present invention, the step of forming the photoactive layer may further include waiting after loading the perovskite-forming precursor RX on the MX 2 -coated anti-recombination layer, .
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 대기 시간은 약 30 초 이하인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 대기 시간은 약 30 초 이하, 약 25 초 이하, 약 20 초 이하, 약 15 초 이하, 약 10 초 이하, 약 5 초 이하, 또는 약 1 초 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 입방형 페로브스카이트의 결정 크기가 상기 대기 시간에 비례하여 성장하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the waiting time may be less than about 30 seconds, but may not be limited thereto. For example, the latency may be less than or equal to about 30 seconds, less than or equal to about 25 seconds, less than or equal to about 20 seconds, less than or equal to about 15 seconds, less than or equal to about 10 seconds, less than or equal to about 5 seconds, . For example, the crystal size of the cubic perovskite may be grown in proportion to the waiting time, but the present invention is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트 제조용 전구체 RX의 농도는 약 0.03 M 내지 약 0.07 M의 범위에서 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 페로브스카이트 제조용 전구체 RX의 농도는 약 0.03 M 내지 약 0.07 M, 약 0.03 M 내지 약 0.063 M, 약 0.03 M 내지 약 0.057 M, 약 0.03 M 내지 약 0.05 M, 약 0.03 M 내지 약 0.044 M, 약 0.03 M 내지 약 0.038 M, 약 0.38 M 내지 약 0.07 M, 약 0.044 M 내지 약 0.07 M, 약 0.05 M 내지 약 0.07 M, 약 0.057 M 내지 약 0.07 M, 또는 약 0.063 M 내지 약 0.07 M의 범위에서 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment herein, the concentration of the perovskite-forming precursor RX may be controlled within a range of about 0.03 M to about 0.07 M, but may not be limited thereto. For example, the concentration of the perovskite-forming precursor RX may range from about 0.03 M to about 0.07 M, from about 0.03 M to about 0.063 M, from about 0.03 M to about 0.057 M, from about 0.03 M to about 0.05 M, from about 0.03 M From about 0.044 M to about 0.07 M, from about 0.05 M to about 0.07 M, from about 0.057 M to about 0.07 M, or from about 0.063 M to about 0.063 M, from about 0.044 M to about 0.044 M, from about 0.03 M to about 0.038 M, from about 0.38 M to about 0.07 M, 0.0 > M, < / RTI >
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트 제조용 전구체 RX의 농도 조절에 의해 상기 입방형 페로브스카이트의 결정 크기가 약 90 nm 내지 약 720 nm 범위에서 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 입방형 페로브스카이트의 결정 크기는 약 90 nm 내지 약 720 nm, 약 100 nm 내지 약 720 nm, 약 200 nm 내지 약 720 nm, 약 300 nm 내지 약 720 nm, 약 400 nm 내지 약 720 nm, 약 500 nm 내지 약 720 nm, 약 600 nm 내지 약 720 nm, 약 700 nm 내지 약 720 nm, 약 90 nm 내지 약 700 nm, 약 90 nm 내지 약 600 nm, 약 90 nm 내지 약 500 nm, 약 90 nm 내지 약 400 nm, 약 90 nm 내지 약 300 nm, 약 90 nm 내지 약 200 nm, 또는 약 90 nm 내지 약 100 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트 제조용 전구체 RX의 농도가 감소함에 따라 상기 입방형 페로브스카이트의 결정 크기가 커지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the crystal size of the cubic perovskite may be controlled in the range of about 90 nm to about 720 nm by controlling the concentration of the perovskite-forming precursor RX, . For example, the crystal size of the cubic perovskite may be from about 90 nm to about 720 nm, from about 100 nm to about 720 nm, from about 200 nm to about 720 nm, from about 300 nm to about 720 nm, from about 400 nm From about 500 nm to about 720 nm, from about 600 nm to about 720 nm, from about 700 nm to about 720 nm, from about 90 nm to about 700 nm, from about 90 nm to about 600 nm, from about 90 nm to about 700 nm But may be, but not limited to, about 500 nm, about 90 nm to about 400 nm, about 90 nm to about 300 nm, about 90 nm to about 200 nm, or about 90 nm to about 100 nm. In one embodiment of the present invention, the crystal size of the cubic perovskite may be increased as the concentration of the perovskite-forming precursor RX decreases, but the present invention is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광활성층은 다공성 구조를 가지는 반도체층을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the photoactive layer may further include a semiconductor layer having a porous structure, but the present invention is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 반도체층은 유기 반도체, 무기 반도체, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the semiconductor layer may include, but is not limited to, an organic semiconductor, an inorganic semiconductor, or a mixture thereof.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 반도체층은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the semiconductor layer is a TiO 2, SnO 2, ZnO, WO 3, Nb 2
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 반도체층은 상기 재결합 방지층에 금속 산화물 반도체 나노입자의 페이스트를 코팅하여 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the semiconductor layer may be formed by coating a paste of metal oxide semiconductor nanoparticles on the recombination preventing layer, but the present invention is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 입방형 페로브스카이트는 상기 반도체층의 상부 또는 상기 반도체층의 기공 내에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cubic perovskite may be formed on the semiconductor layer or in the pores of the semiconductor layer, but the present invention is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 정공 전달층은 단분자 정공 전달 물질 또는 고분자 정공 전달 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 단분자 정공 전달 물질로서, spiro-MeOTAD[2,2’7,7’tetrakis(N,N-p-dimethoxy-phenylamino)-9,9’-spirobifluorene]를 사용할 수 있고, 상기 고분자 정공 전달 물질로서 P3HT[poly(3-hexylthiophene)]를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 정공 전달층에는 도핑 물질로서 Li 계열 도펀트, Co 계열 도펀트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 도펀트를 사용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 정공 전달 물질로서, spiro-MeOTAD, 4-tert-부틸 피리딘(4-tert-butyl pyridine, tBP), 및 리튬비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드[lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, Li-TFSI]의 혼합물질을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the hole transport layer may include a single molecule hole transport material or a polymer hole transport material, but the present invention is not limited thereto. For example, spiro-MeOTAD (2,2'7,7'etetrakis (N, Np-dimethoxy-phenylamino) -9,9'-spirobifluorene] can be used as the monomolecular hole- P3HT [poly (3-hexylthiophene)] may be used as the transferring material, but it may not be limited thereto. In addition, for example, the hole transport layer may be doped with a dopant selected from the group consisting of a Li-based dopant, a Co-based dopant, and combinations thereof, but is not limited thereto. For example, spiro-MeOTAD, 4-tert-butyl pyridine (tBP), and lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide as the hole- imide, Li-TFSI] may be used, but the present invention is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 전극은 Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 전도성 고분자, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 안정성인 높은 금속인 금(Au)을 상기 제 2 전극으로서 사용함으로써, 본원의 페로브스카이트 태양전지의 장기안정성을 향상시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
In one embodiment of the present invention, the second electrode is selected from the group consisting of Pt, Au, Ni, Cu, Ag, In, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, conductive polymers, , But may not be limited thereto. For example, by using gold (Au), which is a high-stability metal, as the second electrode, the long-term stability of the perovskite solar cell of the present invention can be improved, but the present invention is not limited thereto.
본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 따라 제조되는 페로브스카이트 태양전지에 있어서, 전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 형성된 재결합 방지층; 상기 재결합 방지층에 형성된 하기 화학식 1로서 표시되는 입방형 페로브스카이트를 포함하는 광활성층; 상기 광활성층에 형성된 정공 전달층; 및, 상기 정공 전달층에 형성된 제 2 전극을 포함하는, 페로브스카이트 태양전지를 제공한다:According to a second aspect of the present invention, there is provided a perovskite solar cell manufactured according to the first aspect of the present invention, comprising: a first electrode including a conductive transparent substrate; An anti-recombination layer formed on the first electrode; A photoactive layer including a cubic perovskite represented by the following
[화학식 1][Chemical Formula 1]
RMX3 RMX 3
상기 화학식 1 중, R은 치환된 또는 비치환된 알킬기를 포함하고, 상기 R이 치환된 경우 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기, 또는 메톡시기이고, M은 Pb, Sn, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하고, X는 할로겐임.Wherein R is a substituted or unsubstituted alkyl group, and when R is substituted, the substituent is an amino group, a hydroxyl group, a cyano group, a halogen group, a nitro group, or a methoxy group, M is Pb, Sn , Ge, and combinations thereof, wherein X is a halogen.
본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Although a detailed description of the parts overlapping with the first aspect of the present application is omitted, the description of the first aspect of the present application may be applied to the second aspect of the present invention.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1로서 표시되는 입방형 페로브스카이트 결정의 크기는 약 90 nm 내지 약 720 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present invention, the size of the cubic perovskite crystal represented by
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1로서 표시되는 입방형 페로브스카이트는 CH3NH3PbI3를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the cubic perovskite teuneun represented as the above general formula (1) may be, including the CH 3N H 3P bI 3, but may not be limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 광활성층은 다공성 구조를 가지는 반도체층을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the photoactive layer may further include a semiconductor layer having a porous structure, but the present invention is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 반도체층은 유기 반도체, 무기 반도체, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the semiconductor layer may include, but is not limited to, an organic semiconductor, an inorganic semiconductor, or a mixture thereof.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 반도체층은 TiO2, SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the invention, the semiconductor layer is a TiO 2, SnO 2, ZnO, WO 3, Nb 2
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 입방형 페로브스카이트는 상기 반도체층의 상부 또는 상기 반도체층의 기공 내에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cubic perovskite may be formed on the semiconductor layer or in the pores of the semiconductor layer, but the present invention is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 페로브스카이트 태양전지는 평균 PCE가 약16%를 초과하고 약 0.4 미만의 작은 표준 편차를 보유한다. 또한, 입방형 페로브스카이트의 결정 크기 조절에 의해 최고 17%의 PCE를 가지는 태양전지의 제조가 가능하다. 상기 입방형 페로브스카이트는 2-스텝 스핀-코팅 처리에 의해 형성되며, 페로브스카이트 제조용 전구체의 농도에 의해 상기 입방형 페로브스카이트의 결정 크기가 조절될 수 있다.
In one embodiment herein, the perovskite solar cell has an average PCE of greater than about 16% and a small standard deviation of less than about 0.4. Further, it is possible to manufacture a solar cell having a PCE of up to 17% by controlling the crystal size of the cubic perovskite. The cubic perovskite is formed by a two-step spin-coating process, and the crystal size of the cubic perovskite can be controlled by the concentration of the precursor for producing perovskite.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are given for the purpose of helping understanding of the present invention, but the present invention is not limited to the following Examples.
[[ 실시예Example ] ]
<< CHCH 33 NHNH 33 II 의 합성>Synthesis of >
메틸아민(27.86 mL, 메탄올 중 40%, TCI) 및 요오드화수소산(30 mL, 물 중 57 중량부, Aldrich)을 0℃에서 혼합하였고, 2 시간 동안 교반시켰다. 침전물은 50℃에서 1 시간 동안 증발시킴으로써 회수하였다. 생성물은 디에틸에테르로 3 회 세척한 후, 마지막으로 24 시간 동안 진공 오븐에서 60℃로 건조하였다.
Methylamine (27.86 mL, 40% in methanol, TCI) and hydroiodic acid (30 mL, 57 parts by weight in water, Aldrich) were mixed at 0 占 and stirred for 2 hours. The precipitate was recovered by evaporation at 50 < 0 > C for 1 hour. The product was washed three times with diethyl ether and finally dried at 60 DEG C in a vacuum oven for 24 hours.
<< TiOTiO 22 페이스트(paste)의 제조>Preparation of paste >
직경 약 40 nm 아나타아제(anatase) TiO2 나노입자는 2-스텝 수열(hydrothermal)법으로 합성하였다. 아세트산에 의해 합성된 직경 약 20 nm의 시드(seed) 입자는 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide)(97%, Aldrich)의 가수분해로 촉매화되었고, 230℃에서 12 시간 동안 오토클레이브로 소독하였다. 상기 시드 입자는 에탄올로 세척하고, 원심분리에 의해 수집하였다. 수열 처리는 크기를 증가시키기 위해 시드 입자와 다시 수행하였다. TiO2 페이스트는 TiO2 입자(약 40 nm), 테르피네올(terpineol, TP)(99.5%, Aldirich), 에틸 셀룰로오스(ethyl cellulose, EC)(46 cp, Aldrich), 및 라우린산(lauric acid, LA)(96%, Fluka)의 명목상의 비 TiO2 : TP : EC : LA = 1.25 : 6 : 0.6 : 0.1로 혼합함으로써 제조하였다. 상기 페이스트는 40 분 동안 삼본롤밀(three-roll-mill)을 이용하여 추가 처리하였다.
Diameter of about 40 nm Anatase TiO 2 The nanoparticles were synthesized by a two-step hydrothermal method. Seed particles of about 20 nm in diameter, synthesized by acetic acid, were catalysed by hydrolysis of titanium isopropoxide (97%, Aldrich) and autoclaved at 230 ° C for 12 hours . The seed particles were washed with ethanol and collected by centrifugation. The hydrothermal treatment was carried out again with the seed particles to increase the size. TiO 2 The paste contains TiO 2 (96%), lauric acid (LA) (96%), and polyvinylpyrrolidone (99.5%, Aldirich) Ti: 2 : TP: EC: LA = 1.25: 6: 0.6: 0.1. The paste was further processed using a three-roll-mill for 40 minutes.
<태양전지 제작>≪ Production of solar cell &
FTO 유리(Pilkington, TEC-8, 8Ω/sq)는 20 분 동안 에탄올을 포함한 초음파 배스(bath)로 세척하였고, 20 분 동안 UVO 클리너로 처리하였다. TiO2 차단층(BL)은 1-부탄올(99.8%, Aldrich) 용액 중 0.15 M 티타늄 디이소프로폭사이드 비스(아세틸아세토네이트)(이소프로판올 중 75 중량부, Aldrich)를 이용하여 2,000 rpm에서 20 초 동안 FTO 기재 상에 스핀-코팅하였고, 125℃에서 5 분 동안 열처리하였다. 실온으로 냉각시킨 후, 상기 TiO2 페이스트는 10 초 동안 2,000 rpm에서 상기 BL 층 상에 스핀-코팅하였고, 초기 페이스트는 에탄올(0.1 g/mL) 중에 희석시켰다. 100℃에서 5 분 동안 건조시킨 후, 필름은 550℃에서 30 분 동안 어닐링하였고, 이는 약 100 nm의 두께로 이어졌다. 메조기공 TiO2 필름은 90℃에서 10 분 동안 0.02 M 수성 TiCl4(>98%, Aldrich) 용액 중에 침지하였다. 탈이온수로 세척 및 건조 후, 상기 필름은 500℃에서 30 분 동안 가열하였다. CH3NH3PbI3는 2-스텝 스핀-코팅 처리를 이용하여 형성하였다. 1 M PbI2 용액은 70℃에서 교반 하에 1 mL N,N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide, DMF)(99.8%, Sigma-Aldrich) 중 용해된 462 mg PbI2(99%, Aldrich)를 용해시킴으로써 제조하였다. 20 μL PbI2 용액은 메조 기공 TiO2 필름 상에 3,000 rpm에서 5 초 및 6,000 rpm에서 5 초 동안 스핀-코팅하였다(로딩 시간없음). 상기 스핀-코팅 후, 상기 필름은 40℃에서 3 분 동안 건조시킨 다음, 100℃에서 5 분 동안 건조하였다. 실온으로 냉각시킨 후, 2-프로판올 중 200 μL 0.038 M(6 mg/mL), 0.044 M(7 mg/mL), 0.050 M(8 mg/mL), 0.057 M(9 mg/mL), 또는 0.063 M(10 mg/mL)의 CH3NH3I 용액은 20 초(로딩 시간) 동안 PbI2-코팅된 기재 상에 로딩하였고, 4,000 rpm에서 20 초 동안 스핑-코팅하였고, 5 분 동안 100℃에서 건조하였다. 20 μL 2,2',7,7'-테트라키스(N,N-di-p-메톡시페닐아민)-9,9-스파이로바이플루오렌[2,2',7,7'-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9-spirobifluorene, spiro-MeOTAD] 용액은 CH3NH3PbI3 페로브스카이트 층 상에 4,000 rpm으로 30 초 동안 스핀-코팅하였다. 상기 spiro-MeOTAD 용액은 1 mL 클로로벤젠 중 72.3 mg spiro-MeOTAD을 용해시킴으로써 제조하였다. 여기에 28.8 μL 4-tert-부틸 피리딘(4-tert-butyl pyridine) 및 17.5 μL 리튬비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드[lithiumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide, Li-TFSI] 용액[1 mL 아세토니트릴(Sigma-Aldrich, 99.8%) 중 520 mg LI-TSFI]이 첨가시켰다. 마지막으로, 80 nm의 금을 spiro-MeOTAD 코팅된 필름 상에 열적 증발시켰다(evaporating).
FTO glass (Pilkington, TEC-8, 8? / Sq) was washed with an ultrasonic bath containing ethanol for 20 minutes and treated with UVO cleaner for 20 minutes. TiO2 The blocking layer (BL) was treated with 0.15 M titanium diisopropoxide bis (acetylacetonate) (75 parts by weight in isopropanol, Aldrich) in 1-butanol (99.8%, Aldrich) solution at 2,000 rpm for 20 seconds with FTO Coated on a substrate and heat-treated at 125 캜 for 5 minutes. After cooling to room temperature, the TiO2 The paste was spin-coated on the BL layer at 2,000 rpm for 10 seconds and the initial paste was diluted in ethanol (0.1 g / mL). After drying at 100 DEG C for 5 minutes, the film was annealed at 550 DEG C for 30 minutes, which led to a thickness of about 100 nm. Mesoporous TiO2 The films were dried at < RTI ID = 0.0 > 90 C <4(≫ 98%, Aldrich). After washing with deionized water and drying, the film was heated at 500 占 폚 for 30 minutes. CH3NH3PbI3Was formed using a two-step spin-coating process. 1 M PbI2 The solution was stirred at 70 < 0 > C with 1 mL N, N-dimethylformamide (N, N-dimethylformamide, DMF) (99.8%, Sigma-Aldrich)2(99%, Aldrich). 20 μL PbI2 The solution was mesoporous TiO2Coated on the film at 3,000 rpm for 5 seconds and 6,000 rpm for 5 seconds (no loading time). After the spin-coating, the film was dried at 40 DEG C for 3 minutes and then at 100 DEG C for 5 minutes. After cooling to room temperature, 200 μL 0.038 M (6 mg / mL), 0.044 M (7 mg / mL), 0.050 M (8 mg / mL), 0.057 M M (10 mg / mL) in CH3NH3I solution was loaded for 20 seconds (loading time) with PbI2-Coated substrate, spun-coated at 4,000 rpm for 20 seconds, and dried at 100 < 0 > C for 5 minutes. 20
<< 디바이스device 특성 분석> Characteristic Analysis>
광전류 및 전압은 450 W Xenon Lamp(Newport 6279 NS) 및 Keithley 2400 source meter 설비를 갖춘 태양 시뮬레이터로부터 측정되었다. 광밀도는 단일 태양 광밀도(100 mW/cm2)에 가까운 KG-2 필터를 보유하는 NREL-조정된 Si 태양전지를 이용하여 보정되었다. 전류 및 전압을 측정하는 동안, 상기 전지는 개구(aperture)(개구 영역은 실제 디바이스 영역에 가까움)를 보유하는 블랙 마스크로 덮여있었다. 입사 광전 변환 효율(incident photon-to-electron conversion efficiency, IPCE) 스펙트럼은 백색광 발광 다이오드의 배열에 의해 공급된 약 10 mW/cm2의 일정한 백색광 바이어스(bias) 하에 AC 모드에서 파장의 함수로서 기록되었다. 300-W Xenon lamp(ILC Technology)에서 나오는 여기 빔은 Gemini-180 이중 단색광분광기(double monochromator)(JobinYvon Ltd)를 통해 집중되었고, 약 2 Hz에서 줄어들었다. 상기 신호는 Model SR830 DSP Lock-In Amplifier(Stanford Research Systems)를 이용하여 기록되었다. 모든 측정은 디바이스의 실제 영역을 한정하고 측면을 통해 광산란을 피하기 위해, 0.159 cm2의 비-반사 금속 개구를 이용하여 수행되었다. 전계-방출 주사전자현미경(FE-SEM, Jeol JSM 6700F)은 페로브스카이트 태양전지의 표면 및 횡단면 형태를 조사하기 위해 사용되었다.
Photocurrent and voltage were measured from a solar simulator equipped with a 450 W Xenon Lamp (Newport 6279 NS) and a Keithley 2400 source meter. The optical density was calibrated using a NREL-tuned Si solar cell with a KG-2 filter close to a single photonic density (100 mW / cm 2 ). During the measurement of current and voltage, the cell was covered with a black mask holding an aperture (the aperture area is close to the actual device area). The incident photon-to-electron conversion efficiency (IPCE) spectrum was recorded as a function of wavelength in AC mode under a constant white light bias of about 10 mW / cm 2 supplied by an array of white light emitting diodes . The excitation beam from a 300-W Xenon lamp (ILC Technology) was focused through a Gemini-180 dual monochromator (JobinYvon Ltd) and shrunk at about 2 Hz. The signal was recorded using Model SR830 DSP Lock-In Amplifier (Stanford Research Systems). All measurements were performed using a non-reflective metal aperture of 0.159 cm < 2 > to define the actual area of the device and avoid light scattering through the sides. Field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Jeol JSM 6700F) was used to investigate surface and cross-sectional shapes of perovskite solar cells.
2-스텝 스핀-코팅 처리는 도 1에 도시되었다. 메조기공 TiO2(직경 약 40 nm) 필름은 얇고 촘촘한 TiO2 차단층 상에 증착된 후, N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide, DMF) 중 PbI2 의 1 M 용액 20 μL가 스핀-코팅되었다. 다음 단계로서, 200 μL(8 μL/cm2) CH3NH3I 용액이 건조된 PbI2 필름 상에 스핀-코팅된 후, 마지막으로 100℃ 에서 건조되어 CH3NH3PbI3(이하, ‘MAPbI3’라고도 함)를 형성했다. 상기 CH3NH3I 용액의 스핀-코팅 전에 상기 CH3NH3I 코팅을 위한 20 초의 로딩(loading) 시간이 필요했던 반면, PbI2 코팅을 위한 로딩 시간은 필요하지 않았다. 상기 CH3NH3I 용액의 농도는 0.038 M(1 mL 2-프로판올 중 CH3NH3I 6 mg) 내지 0.063 M(10 mg/L) 로 다양했고, 상기 0.063 M은 이전의 보고에서 사용되었다[Burschka,J.,Pellet,N.,Moon,S.-J.,Humphry-Baker,R.,Gao,P.,Nazeeruddin, M.K.,Gratzel, M. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature 499,316-319(2013)]. 본원의 2-스텝 스핀-코팅 방법은 정량적 관리 절차(quantitatively managed procedure)때문에 2-스텝 침지법과 비교하여 더 정확한 방법을 제공할 것으로 예상되었다.A two-step spin-coating process is shown in Fig. Mesoporous TiO 2 (diameter about 40 nm) after the film is deposited on a thin, dense TiO 2 barrier layer, N, N - dimethylformamide, 1 M of PbI 2 of (N, N -dimethylformamide, DMF) 20 μL of the solution was spin-coated. As the next step, 200 μL (8 μL / cm 2 ) of CH 3 NH 3 I solution was added to dried PbI 2 Spin-coated on the film, and finally dried at 100 ° C to form CH 3 NH 3 PbI 3 (hereinafter also referred to as 'MAPbI 3 '). Spins of the CH 3 NH 3 I solution - that is, while the NH 3 CH 3 I 20 seconds of loading (loading) the time required for the coating before coating, PbI 2 No loading time was required for the coating. The concentration of the CH 3 NH 3 I solution varied from 0.038 M (CH 3 NH 3 I 6 mg in 1 mL 2-propanol) to 0.063 M (10 mg / L), and the 0.063 M was used in previous reports [Burschka, J., Pellet, N., Moon, S.-J., Humphry-Baker, R., Gao, P., Nazeeruddin, MK, Gratzel, M. Sequential deposition as a route to high- sensitized solar cells. Nature 499, 316-319 (2013)]. The two-step spin-coating method of the present invention was expected to provide a more accurate method compared to the two-step immersion method because of the quantitatively managed procedure.
본원은 2-스텝 스핀-코팅 처리가 MAPbI3 입방형의 형성으로 이어지며, 크기 및 MAPbI3 입방형의 모양 또한 CH3NH3I의 농도에 의해 크게 영향을 받는다는 것을 발견했다. 도 2의 (a) 내지 (e)의 SEM 이미지에서 확인된 바와 같이, MAPbI3 입방형의 크기는 CH3NH3I의 농도가 감소함에 따라 증가한다. 상기 평균 입방형 크기는 0.038 M에서 약 720 nm, 0.044 M에서 약 360 nm, 0.050 M에서 약 190 nm, 0.057 M에서 약 130 nm, 및 0.063 M에서 약 90 nm로 측정되었다. SEM 단면도에서, 증가된 입방형의 두께는 약 300 nm 내지 약 400 nm이었고, 이는 c-축 증가와 함께 증가율은 0.038 M 최저 농도의 a-축 및 b-축 방향보다 더 느리다. 도 2의 (f)에 나타낸 바와 같이, 크기 분포는 CH3NH3I의 농도 감소(증가)만큼 넓다(좁다). MAPbI3 입방형 크기는 도 2의 (g)에서 CH3NH3I의 농도 함수로서 플롯되었고, 이는 CH3NH3I의 농도와 입방형 크기의 지수적 감쇠(exponential decay)를 나타낸다. 점근 안정(asymptotic plateau)에서 지수 함수는 데이터를 위한 좋은 형태를 제공하며, MAPbI3 결정 성장이 CH3NH3I의 농도와 매우 관련있음을 시사한다. 본원은 0.032 M(5 mg/mL)처럼 더 낮은 농도에서의 분석을 추가 확장하였다. 도 3의 (a) 및 (b)는 CH3NH3I 용액의 농도가 각각 0.032 M 및 0.038 M인 입방형 페로브스카이트를 비교한다. 0.032 M(로딩 시간 60 초)의 더 낮은 농도의 경우에서는 더 긴 로딩 시간이 걸린다. 0.032 M 보다 더 낮은 농도는 평균 부피 1 μm를 초과하는 더 큰 입방형 크기로 이어진다. 그러므로 상기 입방형 페로브스카이트의 결정 크기는 도 2의 (g)에서 지수 곡선의 외삽(extrapolation)으로부터 기인될 수 있다.Herein are 2-step spin-coating process is MAPbI 3 Leading to the formation of a cuboid, the size and the MAPBI 3 It was also found that the shape of the cuboid was also strongly influenced by the concentration of CH 3 NH 3 I. As was confirmed in the SEM images of FIGS. 2 (a) to 2 (e), MAPBI 3 The size of the cuboid is increased with the decrease of the concentration of CH 3 NH 3 I. The average cubic size was measured from 0.038 M to about 720 nm, from 0.044 M to about 360 nm, from 0.050 M to about 190 nm, from 0.057 M to about 130 nm, and from 0.063 M to about 90 nm. In the SEM cross section, the thickness of the increased cubic was from about 300 nm to about 400 nm, which is much slower than the a-axis and b-axis directions of the lowest concentration of 0.038 M along with the c-axis increase. As shown in FIG. 2 (f), the size distribution is wide (narrow) as the concentration decrease (increase) of CH 3 NH 3 I. The MAPbI 3 cubic size was plotted as a function of CH 3 NH 3 I concentration in Figure 2 (g), which represents the concentration of CH 3 NH 3 I and the exponential decay of the cubic size. In asymptotic plateau, the exponential function provides a good form for the data, and MAPbI 3 This suggests that the crystal growth is very related to the concentration of CH 3 NH 3 I. We further expanded the assay at lower concentrations, such as 0.032 M (5 mg / mL). Figures 3 (a) and 3 (b) compare cubic perovskites with concentrations of 0.032 M and 0.038 M, respectively, of the CH 3 NH 3 I solution. At lower concentrations of 0.032 M (
입방형 페로브스카이트의 결정 크기가 TiO2 나노입자(약 40 nm)보다 훨씬 크기 때문에, 페로브스카이트는 spiro-MeOTAD에 끼워진 상기 TiO2 나노입자를 덮는 얇은 등각층(conformal layer)이 아니다. 도 4의 (a) 및 (b)에 보여지는 바와 같이, 상기 TiO2 기공은 PbI2 로 채워져있고, PbI2 의 캐핑층(capping layer) 또한 첫 번째 코팅 스텝 동안 형성되었다. 코팅 처리의 두 번째 스텝 동안, XRD에서 확인하였듯이(데이터 미도시), 모든 PbI2는 페로브스카이트로 전환되었다. 그러므로 상기 페로브스카이트는 TiO2 기공 내 뿐만 아니라 TiO2 층의 상부에도 형성된다. TiO2 필름의 기공 크기로 인하여, 페로브스카이트의 성장은 기공 내로 제한된 반면, 더 큰 결정 성장은 TiO2 필름의 상부에서도 가능하다. 완전한 전지(full cell)를 위한 SEM 단면도[도 5의 (a) 및 (b)]는 입방형 페로브스카이트의 결정 크기가 spiro-MeOTAD 및 Au 층의 거칠기(roughness)에 영향을 주는 것을 나타낸다. 상기 spiro-MeOTAD 및 상기 Au 층은 결정 크기가 큰 입방형 페로브스카이트와의 접촉으로 인해 더 거칠어진다. 상기 층 구조가 광전변환효율에 영향을 줄 것을 예상했음에도 불구하고, 페로브스카이트 형태는 최종적으로 주어진 전지 구조에서 더 중요한 역할을 하는 것이 발견되었다.When the crystal size of the cubic perovskite is TiO 2 Because of its size much larger than nanoparticles (about 40 nm), the perovskite can be formed from the TiO 2 It is not a thin conformal layer covering nanoparticles. As shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the TiO 2 The pores were filled with PbI 2 and the capping layer of PbI 2 was also formed during the first coating step. During the second step of the coating process, as confirmed by XRD (data not shown), all PbI 2 was converted to perovskite. Therefore, the perovskite has a TiO 2 TiO 2 as well as in pores Lt; / RTI > layer. TiO 2 Due to the pore size of the film, the growth of perovskite is limited to pores, while the larger crystal growth is due to TiO 2 It is also possible on the top of the film. 5 (a) and 5 (b) show SEM cross sections for a full cell showing that the crystal size of the cubic perovskite influences the roughness of the spiro-MeOTAD and Au layers . The spiro-MeOTAD and the Au layer are made rougher due to contact with the cubic perovskite having a large crystal size. Although the layer structure was expected to affect the photoelectric conversion efficiency, it was found that the perovskite form ultimately plays a more important role in a given cell structure.
본원은 PbI2 침투 스캐폴드(infiltrated scaffold) 상에 상기 CH3NH3I 용액의 로딩 시간 함수로서 표면 형태 변화를 조사하였고, CH3NH3I 농도 및 결정 성장 거동에서 MAPbI3 입방형 크기의 의존도를 추가 조사하였다. 상기 결정 성장을 추적하기 위해, SEM 이미지는 1 초, 5 초, 10 초, 및 20 초의 상이한 로딩 시간에서 모니터되었다. 도 6a 내지 도 6c에서 상이한 로딩 시간을 위한 SEM 이미지 샘플은 하기와 같이 제조되었다. 결정 성장 연구를 위해, CH3NH3I 용액 100 μL가 PbI2-코팅된 TiO2 스캐폴드에 로딩된 후, 1 초, 5 초, 10 초, 및 20 초의 대기 단계(20 초는 실험 조건)가 이어졌다. 상기 단계에서, 상기 샘플은 4,000 rpm에서 20 초 동안 회전된 후, 마지막으로 100℃에서 5 분간 가열되었다. 상기 대기 시간과 결정 성장은 0.038 M CH3NH3I 용액을 위해 명백한 반면, 결정 성장은 더욱 고농도인 0.063 M의 시간에서 발생하지 않았다. 0.038 M의 경우에는 크기 성장이 낮은 CH3NH3I 농도에서 가능하게 되는데, 시드 결정(seed crystals)이 희박하게 분산되었기 때문이다(도 6a). 이는 또한 국지적인 핵형성을 나타낸다. 저농도와 대조적으로, 추가 결정 성장은 고농도에서 억제되었는데, 핵형성 및 성장은 도 6b에 나타낸 바와 같이, 1 초의 초기 단계에서 이미 종결되었기 때문이다. 0.038 M의 경우에서 연한 갈색에서 짙은 흑색으로 변한 반면, 0.063 M의 경우에서는 어떤 변화도 관찰되지 않은 색상은 핵 밀도에서 중요한 차이가 있다는 개념을 뒷받침한다. 적분구를 이용하여 투과도 및 반사율 측정으로부터 평가된 흡수 계수(absorption coefficient)에 확인된 바와 같이, 밴드 갭 근처의 흡수는 입방형 크기의 증가로 발견되었다[도 7의 (a) 내지 (c)].Herein PbI 2 Infiltration were investigated by surface morphology changes on the scaffold (scaffold infiltrated) as a function of the load time is CH 3 NH 3 solution I, CH 3 NH 3 MAPbI 3 I in a concentration and grain growth behavior Dependence of the cubic size was further investigated. To track the crystal growth, SEM images were monitored at different loading times of 1 second, 5 seconds, 10 seconds, and 20 seconds. Samples of SEM images for different loading times in Figs. 6A-6C were prepared as follows. For crystal growth studies, 100 μL of a CH 3 NH 3 I solution was added to a PbI 2 -coated TiO 2 After loading into the scaffold, atmospheric steps of 1 second, 5 seconds, 10 seconds, and 20 seconds (20 seconds experimental conditions) were followed. In this step, the sample was rotated at 4,000 rpm for 20 seconds and finally heated at 100 DEG C for 5 minutes. On the other hand the waiting time and crystal growth is 0.038 M CH 3 NH 3 I solution to a clear, crystal growth did not occur in the time even in a high concentration of 0.063 M. At 0.038 M, size growth is possible at low concentrations of CH 3 NH 3 I because seed crystals are sparsely dispersed (FIG. 6A). This also indicates local nucleation. In contrast to low concentrations, additional crystal growth was inhibited at high concentrations, since nucleation and growth were already terminated at an initial stage of one second, as shown in Figure 6b. The change from light brown to dark black at 0.038 M supports the notion that there is a significant difference in nuclear density in the 0.063 M case where no change is observed. Absorption near the bandgap was found as an increase in the cubic size (Fig. 7 (a) - (c)), as confirmed by the permeability and the absorption coefficient evaluated from the reflectance measurements using the integrating sphere .
예상했듯이, VOC 및 JSC 모두 각각 0.923 V 및 17 mA/cm2으로 감소하였고(도 8), 중간생성물 입방형 크기는 뛰어난 광수확 및 전하 운반체 이동으로 인해 높은 광전지 성능을 수득하도록 최적화되었음을 확인하였다.As expected, V OC And J SC Respectively, to 0.923 V and 17 mA / cm < 2 > respectively (Fig. 8) and the intermediate product cubic size was optimized to obtain high photovoltaic performance due to excellent light harvesting and charge carrier transport.
가장 높은 1.106 V의 VOC는 0.050 M CH3NH3I 용액에서 관찰되었다. 이것은 직렬저항의 증가로 예상되었고, 낮은 FF로 이어졌다. 직렬저항(Rs)은 하기 다이오드 식 (1)을 이용하여 측정된 J-V 곡선으로부터 추정하였다. 이상적인 다이오드 거동(n=1)은 가정되었고, IL, I0, q, k, T, 및 V는 각각 광-전류, 전하, 역편극 포화 암전류(inverse polarisation dark saturation current), 볼츠만 상수, 절대 온도, 및 바이어스 포텐셜(bias potential)을 나타낸다.V OC of the highest 1.106 V was observed in the 0.050 M CH 3 NH 3 I solutions. This was expected as an increase in series resistance, leading to a lower FF. The series resistance (R s ) was estimated from the JV curve measured using the following diode equation (1). The ideal diode behavior (n = 1) is assumed and I L , I 0 , q, k, T and V are the photo-current, charge, inverse polarization dark saturation current, Temperature, and bias potential.
Rs는 0.038 M, 0.050 M, 및 0.063 M CH3NH3I에서 각각 독립적으로 4.77 Ω cm2, 4.85 Ωcm2, 및 8.51 Ωcm2으로 측정되었다. Rs는 CH3NH3I 농도가 증가할 때(입방형 크기는 감소함) 실질적으로 증가했고, 충진 계수에서 관찰된 감소와 상호 관계가 있다. 직렬저항의 변화는 페로브스카이트 구조와 관계가 있는 것으로 사료된다. 헤테로 구조에서 태양전지 결정립계는 광전지의 파라미터에 영향을 주고, 직렬저항은 결정립계를 거쳐 증가할 수 있음이 보고되었다. 낮은 CH3NH3I 농도에서 형성된 큰-크기 페로브스카이트에서 관찰된 높은 충진 계수는 더 낮은 결정립계로 인하여 낮은 직렬 저항에 원인이 되었다.R s was measured as 4.77 Ω cm 2 , 4.85 Ωcm 2 , and 8.51 Ωcm 2 independently at 0.038 M, 0.050 M, and 0.063 M CH 3 NH 3 I, respectively. R s increased substantially as the CH 3 NH 3 I concentration increased (the cubic size decreased) and correlated with the observed decrease in fill factor. The change in series resistance is considered to be related to the perovskite structure. It has been reported that in the heterostructure, the solar cell grain boundaries affect the parameters of the photovoltaic cell and the series resistance can increase through the grain boundaries. Low CH 3 NH 3 formed in the large I concentration-size page lobe of high fill factor observed in the sky agent became due to the lower grain boundaries cause a low series resistance.
도 9의 (a) 내지 (f)에 나타낸 바와 같이, IPCE 데이터에 근거한 적분된 JSC 수치는 태양 시뮬레이터로부터 수득된 JSC 수치와 매우 일치하여 나타났다. 이는 시뮬레이터 및 AM 1.5 표준 태양 방사 사이의 스펙트럼 미스매치(mismatch)를 무시할만큼 작음을 나타낸다. 16.4%의 높은 평균 PCE는 0.038 M CH3NH3I에 대한 높은 JSC가 주원인이었던 반면, 0.050 M CH3NH3I에 대한 16.3%의 높은 PCE는 주로 더 큰 VOC 때문이다. 0.044 M 및 0.057 M의 중간 생성물 농도에서 광전지 성능 또한 연구되었고, 상기 디바이스의 광전지 파라미터는 전반의 성향과 매우 일치한다(도 10 및 도 11). CH3NH3I의 로딩 시간이 입방형 페로브스카이트의 결정 크기 및 그 광전지 성능에 영향을 줄 수 있기 때문에, 로딩 시간은 0.038 M의 주어진 농도에서 20 초 내지 60 초로 다양화했다. 입방형 크기 및 광전지 성능에서 약간의 변화는 도 12의 (a) 내지 (c)와 같이 관찰되었고, 이는 결정 성장이 20 초에서 완전하며, 60 초 동안 지속된 로딩은 광전지 성능을 감소시키지 않았음을 나타낸다.As shown in Figs. 9 (a) to 9 (f), the integrated J SC The values were obtained from JSC The results were in good agreement with the figures. This indicates that the spectral mismatch between the simulator and the AM 1.5 standard solar radiation is negligible. The high average PCE of 16.4% was the main cause of high J SC for 0.038 M CH 3 NH 3 I, whereas the high PCE of 16.3% for 0.050 M CH 3 NH 3 I is mainly due to the larger V OC . Photovoltaic performance was also studied at intermediate product concentrations of 0.044 M and 0.057 M, and the photovoltaic parameters of the device were very consistent with the overall propensity (FIGS. 10 and 11). The loading time varied from 20 seconds to 60 seconds at a given concentration of 0.038 M, because the loading time of CH 3 NH 3 I could affect the crystal size of the cubic perovskite and its photovoltaic performance. Slight changes in cubic size and photovoltaic performance were observed as in Figures 12 (a) - (c), which indicated that crystal growth was complete at 20 seconds and loading lasted for 60 seconds did not reduce photovoltaic performance .
17.01%의 가장 높은 PCE는 0.038 M CH3NH3I를 이용하여 수득되었고, 21.64 mA/cm2 의 JSC, 1.056 V의 VOC, 및 0.741의 충진 계수가 수득되었다[도 13의 (a) 및 (b)]. IPCE로부터 적분된 JSC 21 mA/cm2은 측정된 수치와 잘 일치한다. 본원의 최적의 실시예에서, 현저하게 높은 17%의 PCE는 MAPbI3-기반 페로브스카이트 태양전지용 최고 효율로 나타낸다.Highest PCE of 17.01% of 0.038 M CH 3 was obtained by using the NH 3 I, the J SC, 1.056 V of V OC, and fill factor of 0.741 of 21.64 mA / cm 2 was obtained [in Fig. 13 (a) And (b). J SC integrated from IPCE 21 mA / cm 2 is in good agreement with the measured values. In a preferred embodiment of the invention, a significantly higher PCE of 17% is exhibited at the highest efficiency for MAPbI 3 -based perovskite solar cells.
결론적으로, 2-스텝 스핀-코팅 처리를 이용함으로써, 본원은 지금까지 보고된 가장 높은 효율을 가진 MAPbI3-기반 페로브스카이트 태양전지를 제조하기 위한 재생산 가능한 방법을 개발하였다. 본 방법은 0.4 미만의 표준편차 및 16.4%의 평균 PCE를 수득한다. 캡핑(capping) 층에서 최적화한 MAPbI3 입방형 크기는 높은 광수확 및 전하 운반체 이동을 수득할 수 있는 핵심이었다. 본원은 입방형 크기가 CH3NH3I 농도에 매우 강하게 의존하였고, CH3NH3I 용액에 PbI2 노출 시간이 스핀-코팅보다 먼저임을 발견했다. MAPbI3의 결정 크기 차이때문에, 광전지 파라미터는 또한 CH3NH3I 농도에 상당히 의존하였다. MAPbI3의 크기 조절된 성장으로부터, 0.038 M 이상 내지 0.050 M 미만 CH3NH3I 농도를 이용한 2-스텝 스핀-코팅으로부터 성장된 입방형은 17%의 PCE 수율을 수득하였다.
In conclusion, by using a two-step spin-coating process, we have developed a reproducible method for producing the highest efficiency MAPbI 3 -based perovskite solar cells reported so far. The method yields a standard deviation of less than 0.4 and an average PCE of 16.4%. MAPBI 3 optimized in the capping layer The cubic size was the key to obtaining high light harvesting and charge carrier transport. Herein was very strongly dependent on the concentration of CH 3 NH 3 I cubic size, CH 3 NH 3 I PbI 2 To a solution We found that the exposure time was earlier than the spin-coating. Due to the difference in crystal size of MAPbI 3 , the photovoltaic parameters also strongly depend on the CH 3 NH 3 I concentration. From the scaled growth of MAPbI 3 , a cubic grown from a two-step spin-coating with a CH 3 NH 3 I concentration of greater than 0.038 M and less than 0.050 M resulted in a PCE yield of 17%.
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 수도 있다.The foregoing description of the disclosure is exemplary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
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.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are included in the scope of the present invention .
Claims (11)
상기 재결합 방지층에 MX2 (여기서, M은 Pb, Sn, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하고, X는 할로겐임)를 스핀-코팅하고, 상기 스핀-코팅된 MX2에 페로브스카이트 제조용 전구체 RX (여기서, R은 치환된 또는 비치환된 알킬기를 포함하고, 상기 R이 치환된 경우 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기, 또는 메톡시기이고, X는 할로겐임)를 스핀-코팅하여 입방형 페로브스카이트를 포함하는 광활성층을 형성하는 단계;
상기 광활성층에 정공 전달층을 형성하는 단계; 및,
상기 정공 전달층에 제 2 전극을 형성하는 단계
를 포함하는, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
Forming a recombination preventing layer on a first electrode including a conductive transparent substrate;
The recombination layer MX 2 spin (where, M represents Pb, Sn, Ge, and include those selected from the group consisting of the combinations thereof, and, X is a halogen Im) coating, and the spin-coated MX 2 Wherein R is a substituted or unsubstituted alkyl group, and when the R is substituted, the substituent is an amino group, a hydroxyl group, a cyano group, a halogen group, a nitro group, or a methoxy group , And X is a halogen) to form a photoactive layer comprising cubic perovskite;
Forming a hole transporting layer on the photoactive layer; And
Forming a second electrode on the hole transport layer
Wherein the perovskite photovoltaic cell is a photovoltaic cell.
상기 광활성층을 형성하는 단계는 상기 MX2가 코팅된 상기 재결합 방지층에 상기 페로브스카이트 제조용 전구체를 로딩한 후 대기하는 것을 추가 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of forming the photoactive layer further includes waiting the loading of the perovskite precursor to the MX 2 -coated anti-recombination layer, followed by waiting.
상기 대기 시간은 30 초 이하인 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the waiting time is 30 seconds or less.
상기 페로브스카이트 제조용 전구체의 농도는 0.03 M 내지 0.07 M의 범위에서 조절되는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the concentration of the perovskite-forming precursor is controlled in the range of 0.03 M to 0.07 M.
상기 페로브스카이트 제조용 전구체의 농도 조절에 의해 상기 입방형 페로브스카이트의 결정 크기가 90 nm 내지 720 nm 범위에서 조절되는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
The method of claim 3,
Wherein the crystal size of the cubic perovskite is controlled in the range of 90 nm to 720 nm by controlling the concentration of the precursor for producing the perovskite.
상기 광활성층은 다공성 구조를 가지는 반도체층을 추가 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the photoactive layer further comprises a semiconductor layer having a porous structure.
상기 반도체층은 상기 재결합 방지층에 금속 산화물 반도체 나노입자의 페이스트를 코팅하여 형성되는 것인, 페로브스카이트 태양전지의 제조 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the semiconductor layer is formed by coating a paste of metal oxide semiconductor nanoparticles on the recombination preventing layer.
전도성 투명 기재를 포함하는 제 1 전극;
상기 제 1 전극에 형성된 재결합 방지층;
상기 재결합 방지층에 형성된 하기 화학식 1로서 표시되는 입방형 페로브스카이트를 포함하는 광활성층;
상기 광활성층에 형성된 정공 전달층; 및,
상기 정공 전달층에 형성된 제 2 전극
을 포함하는, 페로브스카이트 태양전지:
[화학식 1]
RMX3
상기 화학식 1 중,
R은 치환된 또는 비치환된 알킬기를 포함하고, 상기 R이 치환된 경우 그 치환기는 아미노기, 수산화기, 시아노기, 할로겐기, 니트로기, 또는 메톡시기이고,
M은 Pb, Sn, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하고,
X는 할로겐임.
8. A perovskite solar cell produced by the method according to any one of claims 1 to 7,
A first electrode comprising a conductive transparent material;
An anti-recombination layer formed on the first electrode;
A photoactive layer including a cubic perovskite represented by the following Chemical Formula 1 formed in the recombination preventing layer;
A hole transport layer formed on the photoactive layer; And
And a second electrode
A perovskite solar cell comprising:
[Chemical Formula 1]
RMX 3
In Formula 1,
R is a substituted or unsubstituted alkyl group, and when R is substituted, the substituent is an amino group, a hydroxyl group, a cyano group, a halogen group, a nitro group, or a methoxy group,
M is selected from the group consisting of Pb, Sn, Ge, and combinations thereof,
X is a halogen.
상기 화학식 1로서 표시되는 입방형 페로브스카이트 결정의 크기는 90 nm 내지 720 nm인, 페로브스카이트 태양전지.
9. The method of claim 8,
Wherein the size of the cubic perovskite crystal represented by Formula 1 is 90 nm to 720 nm.
상기 화학식 1로서 표시되는 입방형 페로브스카이트는 CH3NH3PbI3를 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.
9. The method of claim 8,
Wherein the cubic perovskite represented by Formula 1 comprises CH 3 NH 3 PbI 3 .
상기 광활성층은 다공성 구조를 가지는 반도체층을 추가 포함하는 것인, 페로브스카이트 태양전지.9. The method of claim 8,
Wherein the photoactive layer further comprises a semiconductor layer having a porous structure.
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