[논문]수열합성법으로 제막한 MoO3 나노 구조체를 정공수송층으로 갖는 페로브스카이트 태양전지 특성분석

송재관; 안준섭; 한은미

doi:10.3740/mrsk.2020.30.2.81

수열합성법으로 제막한 MoO3 나노 구조체를 정공수송층으로 갖는 페로브스카이트 태양전지 특성분석
Characteristics of Perovskite Solar Cell with Nano-Structured MoO3 Hole Transfer Layer Prepared by Hydrothermal Synthesis 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.30 no.2, 2020년, pp.81 - 86

송재관 (전남대학교 공과대학 신화학소재공학과) , 안준섭 (전남대학교 공과대학 신화학소재공학과) , 한은미 (전남대학교 공과대학 화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

MoO3 metal oxide nanostructure was formed by hydrothermal synthesis, and a perovskite solar cell with an MoO3 hole transfer layer was fabricated and evaluated. The characteristics of the MoO3 thin film were analyzed according to the change of hydrothermal synthesis temperature in the range of 100 ℃ to 200 ℃ and mass ratio of AMT : nitric acid of 1 : 3 ~ 15 wt%. The influence on the photoelectric conversion efficiency of the solar cell was evaluated. Nanorod-shaped MoO3 thin films were formed in the temperature range of 150 ℃ to 200 ℃, and the chemical bonding and crystal structure of the thin films were analyzed. As the amount of nitric acid added increased, the thickness of the thin film decreased. As the thickness of the hole transfer layer decreased, the photoelectric conversion efficiency of the perovskite solar cell improved. The maximum photoelectric conversion efficiency of the perovskite solar cell having an MoO3 thin film was 4.69 % when the conditions of hydrothermal synthesis were 150 ℃ and mass ratio of AMT : nitric acid of 1 : 12 wt%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험은 수열합성법으로 제막한 MoO₃ 금속산화물의박막 특성을 분석하고 이를 정공수송층으로 사용한 페로브스카이트 태양전지의 전기적 특성을 평가하였다. 제작한 페로브스카이트 태양전지의 구조는 FTO/MoO₃/CH₃NH₃PbI₃/PCBM/Ag로서 Fig.
본 연구는 기존에 사용하고 있는 PEDOT: PSS, SpiroOMeTAD와 같은 정공수송층 대신 수열합성법으로 제막한 MoO₃ 금속산화물을 수열합성 온도와 질산의 양 등 합성 조건에 따라 박막의 특성을 확인하였다. 이를 정공수송층으로 도입한 페로브스카이트 태양전지의 전기적 특성을 평가하였다.
이를 정공수송층으로 도입한 페로브스카이트 태양전지의 전기적 특성을 평가하였다. 수열합성 조건에 따른 박막의 특성이 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율에 어떤 영향을 미치는지를 조사하였다.
수열합성법으로 제막한 MoO₃ 금속산화물을 페로브스카이트 태양전지에 적용한 사례는 없었으며, 본 논문에서 수열합성법으로 제막한 MoO₃ 정공수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 제작 및 평가를 처음으로 적용하고자 했다.

제안 방법

100 ~ 200 ºC의 수열합성 온도 범위와 AMT : 질산의 질량비를 1 : 3 ~ 15 wt%로 변화에 따라 제막한 MoO3 금속산화물의 박막특성을 평가하고 소자의 광전변환효율에 미치는 영향을 분석하였다.
3125 g, 20 mL 증류수, 질산을 혼합한 후 1시간 동안 초음파기를 이용하여 혼합하였다. AMT : 질산의 질량비는 1 : 3, 6, 9, 12, 15 wt%로 변화시켰다. 오토클레이브에 FTO 기판과 제조한 용액을 넣고 수열합성 온도는 100 ~ 200 ºC의 범위에서 변화시켰으며 3시간 동안 수열합성하였다.
CH3NH3PbI3 광활성층을 제조하기 위하여 다음 두 가지 용액을 각각 준비한 후 다음 2단계로 적층 제조하였다.
FTO 기판 위에 질산의 양을 일정하게 하고 수열합성100 ~ 200 ºC 범위에서 온도 변화에 따른 박막의 특성을 포토이미지를 통해 조사하였다.
본 연구에서는 수열합성법을 사용하여 MoO₃ 나노 구조체를 형성시켰고, 이를 정공수송층으로 갖는 페로브스카이트 태양전지의 전기적 특성을 분석하였다.
수열합성 조건 중 수열 합성 온도와 사용한 질산의 양의 변화에 따라 MoO₃ 박막의 특성을 조사하였다.
수열합성법으로 제막한 MoO₃ 금속산화물을 정공수송층으로 갖는 페로브스카이트 태양전지의 특성을 평가하였다. 100 ~ 200 ºC의 수열합성 온도 범위와 AMT : 질산의 질량비를 1 : 3 ~ 15 wt%로 변화에 따라 제막한 MoO₃ 금속산화물의 박막특성을 평가하고 소자의 광전변환효율에 미치는 영향을 분석하였다.
수열합성법으로 제막한 MoO₃ 박막의 모폴로지 분석은FE-SEM, 화학적 결합 분석은 XPS, 결정 구조 분석은XRD, 두께 측정은 Alpha-step photometer를 이용하였다. 제작한 페로브스카이트 태양전지의 전기적 특성을 분석하기 위해 Keithley 2400 source meter를 이용하여 J-V곡선과 광전변환효율 등 소자의 성능을 측정하였다.
금속산화물을 수열합성 온도와 질산의 양 등 합성 조건에 따라 박막의 특성을 확인하였다. 이를 정공수송층으로 도입한 페로브스카이트 태양전지의 전기적 특성을 평가하였다. 수열합성 조건에 따른 박막의 특성이 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율에 어떤 영향을 미치는지를 조사하였다.
박막의 모폴로지 분석은FE-SEM, 화학적 결합 분석은 XPS, 결정 구조 분석은XRD, 두께 측정은 Alpha-step photometer를 이용하였다. 제작한 페로브스카이트 태양전지의 전기적 특성을 분석하기 위해 Keithley 2400 source meter를 이용하여 J-V곡선과 광전변환효율 등 소자의 성능을 측정하였다. 백색광은 AM 1.

대상 데이터

1 M PbI2(Sigma Aldrich)와 N,N-dimethylformamide용매를 60 ºC에서 12시간 동안 교반하였다.
금속산화물의박막 특성을 분석하고 이를 정공수송층으로 사용한 페로브스카이트 태양전지의 전기적 특성을 평가하였다. 제작한 페로브스카이트 태양전지의 구조는 FTO/MoO₃/CH₃NH₃PbI₃/PCBM/Ag로서 Fig. 1에 보인다. MoO₃는정공수송층, CH₃NH₃PbI₃는 광활성층, PCBM([6,6]-PhenylC61 butyric acid methyl ester)는 전자수송층, Ag은 전극으로 사용한다.

이론/모형

제작한 페로브스카이트 태양전지의 전기적 특성을 분석하기 위해 Keithley 2400 source meter를 이용하여 J-V곡선과 광전변환효율 등 소자의 성능을 측정하였다. 백색광은 AM 1.5 solar simulator(Thermo-Oriel)를 이용하였다.

성능/효과

질산의 양이 증가함에 따라 박막이 얇게 형성되었고, AMT : 질산의 질량비가 1 : 15 wt%일 때는 박막이 형성되지 않았다. 150 ºC에서 AMT : 질산의 질량비가 1 : 12 wt%인 조건에서 제작한 수열합성법으로 제막한 MoO₃ 정공수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율은 4.69 %이었다. 정공수송층 제막 조건을 최적화하여 제막 가능한 조건에서 막 두께가 얇을수록 높은 광전변환효율을 얻을 수 있었다.
150 ºC에서 AMT : 질산의 질량비가 1:12 wt%인 수열합성 조건에서 제막한 MoO3를 정공수송층으로 갖는 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율이4.69 %로 가장 높았다.
200 ºC의 수열합성 온도일 때 더 작은 막대 형상을 가지며 많은 막대들이 형성되는 것을 확인하였다.
수열합성법으로 제막한 MoO₃ 정공수송층은 나노 로드 형태로 형성되는 것을 확인하였다. Hexagonal 구조를 가지는 MoO₃이 형성되었으며 온도 변화에 따라 MoO₃가 가지는 피크의 위치 변하지 않는 것을 확인하였다. 질산의 양이 증가함에 따라 박막이 얇게 형성되었고, AMT : 질산의 질량비가 1 : 15 wt%일 때는 박막이 형성되지 않았다.
MoO3 정공수송층이 Fig.2와 같이 형성되었고 150 ~ 200 ºC 범위의 온도에서 정공수송층이 형성되었고 150 ºC 미만의 온도에서 수열합성법에 의해 정공수송층이 형성되지 않았음을 확인하였다.
200 ºC의 수열합성 조건에서는SEM 이미지에서 알 수 있듯이 나노 로드 형태의 구조가 쌓여 박막이 두껍게 형성되었다. 결과적으로 형성된 박막의 두께 차이는 사용한 질산의 양에 따라 변하는 것을 확인하였다. 수열합성 온도가 150 ºC이며 AMT : 질산의 질량비가 1 : 12 wt%인 조건에서 제막한 MoO₃ 박막은 형성된 박막 중 가장 작은 막 두께를 보였다.
100 ~ 200 ºC의 수열합성 온도 범위와 AMT : 질산의 질량비를 1 : 3 ~ 15 wt%로 변화에 따라 제막한 MoO₃ 금속산화물의 박막특성을 평가하고 소자의 광전변환효율에 미치는 영향을 분석하였다. 수열합성법으로 제막한 MoO₃ 정공수송층은 나노 로드 형태로 형성되는 것을 확인하였다. Hexagonal 구조를 가지는 MoO₃이 형성되었으며 온도 변화에 따라 MoO₃가 가지는 피크의 위치 변하지 않는 것을 확인하였다.
69 %이었다. 정공수송층 제막 조건을 최적화하여 제막 가능한 조건에서 막 두께가 얇을수록 높은 광전변환효율을 얻을 수 있었다.
90 mA/cm², 충진율은 57 %이다. 질산의 양이 증가함에 따라 MoO₃ 정공수송층 박막의 두께가 얇아짐에 따라 광전변환효율이 향상되는 것으로 판단하였다.
Hexagonal 구조를 가지는 MoO₃이 형성되었으며 온도 변화에 따라 MoO₃가 가지는 피크의 위치 변하지 않는 것을 확인하였다. 질산의 양이 증가함에 따라 박막이 얇게 형성되었고, AMT : 질산의 질량비가 1 : 15 wt%일 때는 박막이 형성되지 않았다. 150 ºC에서 AMT : 질산의 질량비가 1 : 12 wt%인 조건에서 제작한 수열합성법으로 제막한 MoO₃ 정공수송층을 갖는 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율은 4.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	페로브스카이트 태양전지의 장점은?	그 중에서도 페로브스카이트 태양전지는 저렴한 비용과 간단한 공정을 장점으로 한 효율적인 태양전지로서 많은 연구가 진행 중이다. 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율은 2009년 3.
	MoO3 금속산화물 박막 제조 방법 중 수열합성법의 장점은?	MoO3 금속산화물 박막은 CVD,17) 전기 증착법,18) Ebeam,19) Sputtering20) 스프레이 열분해법21)과 같은 다양한 방법을 통해 제조할 수 있다. 그 중에서도 수열합성법은 고온 고압에서 용액으로 물질을 성장시키는 화학적 방법이며 나노 구조 재료의 합성에도 사용하기도 한다. 반응물, 반응 온도, 반응 시간, 반응 첨가제의 변화를 통해 결정 구조, 모양 및 크기를 제어할 수 있다는 장점이 있다. 또한 수열합성법은 환경 친화적이고 저렴하며 분자 수준에서 높은 수준의 화학적 균질성을 갖는다.22-23)
	수열합성법이란?	MoO3 금속산화물 박막은 CVD,17) 전기 증착법,18) Ebeam,19) Sputtering20) 스프레이 열분해법21)과 같은 다양한 방법을 통해 제조할 수 있다. 그 중에서도 수열합성법은 고온 고압에서 용액으로 물질을 성장시키는 화학적 방법이며 나노 구조 재료의 합성에도 사용하기도 한다. 반응물, 반응 온도, 반응 시간, 반응 첨가제의 변화를 통해 결정 구조, 모양 및 크기를 제어할 수 있다는 장점이 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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