순차적 증기 성장 하이브리드 페로브스카이트 층을 통한 고효율 평면 페로브스카이트 태양전지

초록

신뢰할 수 있는 고품질 페로브스카이트 층은 효율적인 평면 태양전지에 필수적이다. 우리는 물리적 진공 증착으로 PbCl₂ 층을 먼저 증착한 후 제어된 MAI 증기 확산 단계를 거치는 순차적 증기 처리 전략을 제시한다. 결과 페로브스카이트 박막은 조밀하고 핀홀 프리이며 약 320 nm의 균일한 입자 크기를 보인다. TiO₂와 spiro-OMeTAD를 전하 수송층으로 사용해 n-i-p 평면 헤테로접합 소자를 제작했으며, 최대 전력 변환 효율 11.5%에 도달하고 소자 간 변동이 최소화되어 이 증기 성장 접근법의 재현성을 입증했다.

배경

하이브리드 페로브스카이트는 강한 광흡수, 조절 가능한 밴드갭, 높은 캐리어 이동도, 긴 확산 길이, 낮은 결함 밀도로 차세대 광전지의 선두 주자 물질로 부상했다. 중공 구조와 평면 소자 구조 모두와 호환된다. 그러나 평면 기판上에 핀홀 프리하고 균일하게 결정화된 페로브스카이트 층을 생성하는 것은 여전히 큰 과제다. 반용매 드리핑, 순차적 딥 코팅, 이중 소스 진공 증착 등 기존 습식 공정 기술은 대면적에서 균일성과 재현성에 어려움을 겪는다.

진공 증착은 박막 두께와 균일성에 대한 우수한 제어를 제공하며, 증기 보조 결정화는 유기 전구체의 신중하게 조절된 확산을 통해 조밀하게 패킹된 미세구조를 생성할 수 있다. 이러한 장점을 바탕으로 우리는 진공 증착 PbCl₂와 MAI 증기 확산을 결합한 새로운 순차적 증기 처리 경로를 도입해 평면 n-i-p 태양전지에 적합한 완전 피복, 고균일 페로브스카이트 층을 생성한다. TiO₂와 spiro-OMeTAD 수송층으로 제작된 소자는 11.5% 전력 변환 효율(PCE)에 도달해 이 경로의 확장 가능하고 재현 가능한 페로브스카이트 태양전지 생산 가능성을 강조한다.

방법/실험 절차

소자 제작

모든 소자는 플루오린 도핑 산화주석(FTO) 코팅 유리 위에 조립되었다. 기판을 아세톤, 메탄올, 이소프로판올, 탈수로 초음파 욕조에서 순차 세척한 후 15분 UV-오존 처리했다. TiO₂ 전자 수송층은 티타늄 디이소프록사이드비스(아세틸아세토네이트) 용액(이소프로판올 내 75 wt%, 450 mM 및 600 mM)을 2500 rpm, 20초 스핀 코팅 후 500°C에서 30분 공기 중 어닐링해 조밀한 TiO₂ 박막을 얻었다.

TiO₂ 증착 후 기판을 고진공 챔버에 놓고 1 Å/s PbCl₂ 플럭스를 실온에서 ~16분 증착해 균일한 PbCl₂ 층을 형성했다. 코팅된 기판을 밀봉된 유리 페트리 접시에 놓고 주변에 MAI 분말을 배치했다. 진공 오븐에서 시스템을 150°C로 가열해 2-4시간 동안 MAI 증기가 확산되어 PbCl₂ 층과 반응, CH₃NH₃I₃ 페로브스카이트로 전환시켰다. MAI 노출 후 이소프로판올로 세척해 과량 MAI를 제거하고 100°C에서 1시간 어닐링해 결정화를 완료했다.

정공 수송층으로 스피로-OMeTAD 용액을 클로로벤젠에 용해하고 테르트-부틸피리딘과 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(LiTFSI)를 아세토니트릴에 첨가해 제조했다. 이 혼합물을 4000 rpm, 40초 스핀 코팅 후 실온에서 하룻밤 산화시켰다. 마지막으로 금 전극을 열증착해 n-i-p 소자 스택을 완성했다.

특성 분석

결정 구조는 X선 회절(XRD, Rigaku Ultima IV)로 조사했다. 형태와 미세구조는 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM, Hitachi S-4300)으로 시각화했다. 광흡수 스펙트럼은 UV-Vis 분광광도계(Shimadzu UV-1601PC)로 기록했다. 광전 성능(J-V 곡선)은 AM 1.5 G(100 mW cm⁻²) 조명 하에서 Newport 94021A 태양 모의기로 측정했으며, 개구부 0.09 cm²를 사용했다.

결과 및 논의

순차적 증기 처리 접근법은 전체 기판에 걸쳐 핀홀 프리하고 조밀하게 패킹된 페로브스카이트 박막을 제공한다. 그림 1a는 단계적 제작을 보여준다: PbCl₂ 진공 증착, MAI 기화, 확산, 최종 어닐링. PbCl₂ 박막은 투명하고 균질하며, 최종 페로브스카이트 층은 785 nm 근처 명확한 흡수 에지를 가진 암갈색으로 완전 결정화를 확인한다.

a 제작 개략도: PbCl₂ 증착 → MAI 기화/확산 → 후 어닐링. b PbCl₂와 페로브스카이트 층의 UV-Vis 스펙트럼(삽화 사진).

온도 최적화 결과 150°C가 최적 MAI 처리 온도로, MAI 기화와 페로브스카이트 결정화 균형을 맞춘다. XRD 패턴(그림 2)은 2θ ≈ 14°, 28°, 31°에서 특성 페로브스카이트 피크 출현을 보여주며 사방정계 상에 대응한다. 2시간 MAI 노출 후 어닐링 없이 관찰된 11°-12° 미세 피크는 일시적 H₂O-포함 복합체를 나타내며, 100°C 어닐링 후 사라지고 PbI₂ 반사피크로 대체되어 CH₃NH₃I₃ 완전 전환을 확인한다. MAI 증기 노출을 4시간으로 연장하고 어닐링하면 완전 페로브스카이트 전환을 얻는다.

다양한 MAI 노출 시간과 어닐링 후 페로브스카이트 박막 XRD. 페로브스카이트(δ), PbI₂(*), FTO(#) 피크 표시.

SEM 이미징은 균일하고 핀홀 프리한 형태를 확인한다(그림 3). 저배율 이미지는 완전한 표면 피복을, 고배율은 빽빽하게 패킹된 입자를 보여준다. 입자 크기 분포 분석은 평균 입자 크기 ~320 nm를 산출한다(그림 3c). 단면도(그림 3d)는 ~220 nm 박막 두께를 나타내며, 입자 크기보다 약간 얇아 수직 캐리어 수송을 촉진한다.

220-nm 페로브스카이트 층 SEM: a 저배율, b 고배율, c 입자 크기 히스토그램, d 단면.

소자 성능은 페로브스카이트 두께와 강하게 연관된다(그림 4a,b). 최적화된 220-nm 박막은 평균 PCE 11.2%(표 1)를 제공한다. 세 소자 간 작은 표준 편차는 증기 경로가 제공하는 우수한 균일성을 나타낸다. 히스테리시스 거동을 주사 속도별로 특성화했다; 300 mV s⁻¹에서 히스테리시스는 무시 가능하고 평균 PCE 7.5%다. n-i-p 구성에서 더 높은 역방향 스캔 효율은 계면 전하 축적에 의한 효율적 캐리어 수집을 반영한다. 최대 전력점에서 안정 상태 측정은 안정화 PCE 7.5%와 Jsc 14 mA cm⁻²를 산출하며 동적 J-V 데이터와 일치한다.

a 소자 스택. b 다양한 페로브스카이트 두께 J-V 곡선(1000 mV s⁻¹, 역방향). c 주사 속도 의존 히스테리시스(220 nm). d 최대 전력점에서 안정화 출력.

결론

우리는 진공 증착 PbCl₂를 고품질, 핀홀 프리 CH₃NH₃I₃ 페로브스카이트 층으로 전환하는 견고한 순차적 증기 처리 방법을 입증했다. XRD와 광학 데이터는 상 순도와 결정성을 확인하며, SEM은 균일 미세구조를 검증한다. TiO₂와 spiro-OMeTAD로 n-i-p 평면 헤테로접합에 통합 시 소자는 11.5% 기록 효율에 최소 변동성으로 도달해 증기 성장 박막의 재현성을 강조한다. 향후 연구는 페로브스카이트 형태와 계면 공학 추가 개선으로 효율 향상과 히스테리시스 억제에 초점을 맞출 것이며, 이 합성 경로의 확장성 이점을 유지할 것이다.