비스듬한 각도 스퍼터링 ITO 전극으로 MAPbI₃ 페로브스카이트 태양전지 최적화

요약

인듐 주석 산화물(ITO)의 스퍼터링 각도와 시간이 메틸암모늄 납 트리요오다이드(MAPbI₃) 페로브스카이트 박막의 형태와 성능에 미치는 영향을 조사했습니다. 비스듬한 스퍼터링 각도를 0°에서 80°로 증가시키면 PEDOT:PSS 중간층의 표면 습윤성 변화로 페로브스카이트 결정립 크기가 커집니다. 30° 비스듬한 ITO 박막을 15분 증착했을 때 가장 높은 효율(11.3% 전력 변환 효율)을 달성했으며, 이는 전도성과 빛 산란 특성 간의 균형을 보여줍니다.

배경

인듐 주석 산화물(ITO)은 ~96% 가시광 투과율과 ~10Ω/sq 시트 저항으로 광전자 소자에서 가장 널리 사용되는 투명 전도성 산화물(TCO)입니다. 어닐링, 가스 비율 제어, glancing-angle deposition(GLAD) 등을 통해 ITO의 광학 및 전기적 특성을 조절하면 기둥형 미세구조와 방향 의존적 특성을 가진 이방성 박막을 얻을 수 있습니다. CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃) 기반 페로브스카이트 태양전지(PSC)는 놀라운 효율을 달성했으나, 대부분 등방성 TCO 기판을 사용합니다. 본 연구는 비스듬한 스퍼터링 ITO를 평면 MAPbI₃ PSC의 기판으로 사용하여 표면 이방성이 박막 성장과 소자 성능에 미치는 영향을 탐구합니다.

방법

ITO 유리(1.5×1.5cm²)를 아세톤, 에탄올, 탈수에서 초음파 세척(5분)하고 질소로 건조했습니다. 5mTorr Ar 분위기에서 100nm ITO 층을 증착각(0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 80°)과 시간(5-30분)을 변화시켜 스퍼터링했습니다. 증착 후 300°C에서 30분 어닐링했습니다. PEDOT:PSS(Clevios™ PH 1000)를 비스듬한 ITO 위에 스핀 코팅(5000rpm, 30초)하고 110°C에서 10분 어닐링했습니다. MAPbI₃는 2단계 스핀 코팅 공정(1000rpm, 10초; 5000rpm, 20초)으로 1mL DMSO/GBL(1:1) 전구체 용액(1.25mmol PbI₂, 1.25mmol MABr)을 사용하여 증착했습니다. 5000rpm 단계에서 무수 톨루엔 100µL를 떨어뜨려 급속 결정화를 유도했습니다. 100°C에서 10분 어닐링했습니다. 50nm PCBM 층(20mg/mL 클로로벤젠)을 스핀 코팅(3000rpm, 30초)하고, 진공에서 20nm Ag를 증착했습니다. 소자 활성 영역은 0.5×0.2cm²로 섀도 마스크로 정의했습니다. 구조 분석은 XRD(Cu Kα)와 FESEM, 습윤성은 물 접촉각으로 평가. J-V 특성은 Keithley 2420으로 1000W/m² AM 1.5G 조명 하에서 측정했습니다.

결과 및 논의

MAPbI₃ 박막의 결정성은 스퍼터링 각도에 관계없이 동일했습니다. XRD 피크는 14.28°, 28.5°, 30.61°, 31.93°에서 (110) MAPbI₃, (220) MAPbI₃, (110) SnO₂, (222) In₂O₃에 해당하며, Scherrer 공식으로 계산된 결정립 크기는 ≈71.8nm입니다. FESEM은 스퍼터링 각도 증가에 따른 결정립 성장을 보여주며, ITO 표면 거칠기와 습윤성이 PEDOT:PSS 습윤과 페로브스카이트 핵형성을 조절함을 확인했습니다. 물 접촉각 측정은 각도와 결정립 크기 간 선형 상관관계를 보이며, 더 높은 비스듬한 각도로 달성된 더 소수성인 PEDOT:PSS 표면이 더 큰 페로브스카이트 결정립을 촉진함을 나타냅니다.

광발광 스펙트럼은 768nm에서 주요 방출을 보이며, 기본 ITO에 영향받지 않습니다. PL 퀀칭은 더 높은 스퍼터링 각도에서 심화되어 PEDOT:PSS/페로브스카이트 계면에서 향상된 엑시톤 분리를 입증하며, 최적의 습윤성으로 80°에서 가장 두드러집니다.

소자 성능은 30° 스퍼터링 각도에서 최고조에 달했습니다. 15분 증착은 충분한 빛 산란을 유지하면서 최적의 전도성을 제공했습니다. 표 1에 주요 성능 지표: J_SC = 20.46mA/cm², V_OC = 0.92V, FF = 60%, Eff = 11.30%. 30° 이상으로 각도 증가 시 시트 저항 상승과 효율 저하로, 광학 및 전기적 특성 간의 트레이드오프를 보여줍니다.

스퍼터링 시간 변화로 성능을 추가 최적화했습니다(표 2). 15분 증착이 최적의 박막 두께와 전도성을 제공하여 30° 각도와 동일한 11.3% 효율을 달성했습니다.

결론

비스듬한 스퍼터링 ITO 기판이 MAPbI₃ 박막 형태와 PSC 성능을 조절함을 입증했습니다. 최적 구성(30° 스퍼터링 각도, 15분 증착)은 11.3% 효율을 제공하며, 전도성과 빛 산란의 균형을 맞춥니다. 30° 이상에서는 시트 저항 증가가 광학적 이점을 상쇄하여 소자 수율 감소. 이 연구는 페로브스카이트 광전지 성능 향상을 위해 TCO 미세구조 조절의 중요성을 강조합니다.

약어

FESEM

전계 방출 주사 전자 현미경

GLAD

글랜싱 앵글 증착

ITO

인듐 주석 산화물

J-V

전류 밀도-전압

MAPbI₃

CH₃NH₃PbI₃

PEDOT:PSS

폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 술포네이트

TCO

투명 전도성 산화물

XRD

X선 회절계