CH₃NH₃PbI₃ 형태 최적화로 페로브스카이트 태양전지 성능 향상

요약

2단계 습식 공정에서 메틸암모늄 요오드화물(MAI) 농도 변화가 CH₃NH₃PbI₃ 페로브스카이트 박막의 형태와 광전 성능에 미치는 영향을 조사했습니다. 소자 구조(유리/FTO/TiO₂-메조다공성/CH₃NH₃PbI₃/스피로-OMeTAD/Ag)를 1.5×1.5 cm² FTO 기판에 제작했습니다. 스핀코팅 속도와 어닐링 온도를 체계적으로 조절해 박막 품질을 최적화하고, 17.42%의 기록적인 전력 변환 효율(PCE)을 달성했습니다. 개방회로 전압(Voc) 0.97 V, 단락전류 밀도(Jsc) 24.06 mA/cm², 충전율(FF) 0.747을 기록했습니다.

배경

유무기 페로브스카이트는 차세대 박막 태양전지 유력 후보로, 지난 10년간 PCE가 3.8%에서 22% 이상으로 급상승했습니다. PbI₂를 먼저 증착한 뒤 MAI 노출로 CH₃NH₃PbI₃로 변환하는 2단계 공정은 우수한 박막 균일성과 확장성으로 선호됩니다.

전구체 화학과 증착 파라미터 최적화 연구는 많지만, MAI 농도가 결정립 성장, 표면 커버리지, 궁극적으로 소자 성능에 미치는 구체적 영향은 충분히 탐구되지 않았습니다. 여기서는 MAI 농도(10 vs 40 mg/mL)를 체계적으로 변화시키고 결과 형태, 결정성, 광전 특성을 분석해 PCE에 미치는 영향을 규명했습니다.

방법

FTO 유리(1.5×1.5 cm²)를 아세톤, 에탄올, 탈이온수로 순차 세척하고 질소 하에서 건조했습니다. 50 nm TiO₂ 치밀층을 500°C 스프레이 피로분해로 증착하고, 메조다공성 TiO₂층(Dyesol 18NR-T)을 스핀코팅 후 450°C 어닐링했습니다. PbI₂(1 M DMF, 70°C)를 7000 rpm으로 스핀코팅한 후, 10 mg/mL 또는 40 mg/mL MAI/IPA 용액에 30초 침지하고 건조, 어닐링(100-120°C, 20분)했습니다.

정공 수송층(스피로-OMeTAD, 0.170 M)은 LiTFSI(60 mM)와 TBP(200 mM)로 도핑해 4000 rpm 스핀코팅했습니다. 100 nm Ag 전극을 섀도 마스크(2×5 mm² 활성 영역)로 열증착했습니다. J-V 측정은 AM1.5G 조명(100 mW/cm²) 하에서 Keithley 2400으로 수행했습니다. SEM, XRD, UV-Vis, PL(정상 및 시간분해) 분석으로 형태, 결정성, 광흡수, 캐리어 동역학을 특성화했습니다.

결과 및 논의

SEM 이미지(그림 2)에서 저농도 MAI 박막은 크고 사각형 결정립을 가지나 표면 커버리지가 보통인 반면, 고농도 MAI 박막은 조밀하고 매끄러운 200-600 nm 결정체를 형성합니다(그림 3). XRD(그림 4)는 최적 어닐링(고농도 MAI에서 >80°C)이 단일 CH₃NH₃PbI₃ 상을 주지만, 낮은 온도에서는 잔류 PbI₂가 남아 효율을 떨어뜨림을 확인했습니다.

광발광 데이터(그림 5)에서 저농도 MAI 박막은 768 nm 피크 방출(수명 25 ns), 고농도 MAI 박막은 773 nm로 적색편이하며 수명 14 ns로 단축되어 TiO₂ 계면에서 효율적인 캐리어 추출을 시사합니다.

소자 성능(그림 8)에서 고농도 MAI 소자가 저농도보다 Jsc 약 2 mA/cm² 높았으며(흡수 및 전하 수송 개선), 저농도 소자는 잔류 PbI₂로 인해 약간 높은 Voc를 보였습니다. 50개 소자에서 고농도 MAI 공정은 평균 PCE 13.7%(σ=1.28%)를 달성했으며 75% 이상이 1일조 조명에서 13% 초과했습니다. 최적 소자는 17.42% 효율, 0.97 V Voc, 24.06 mA/cm² Jsc, 0.747 FF를 기록했습니다.

결론

2단계 페로브스카이트 증착법에서 MAI 농도 조절로 결정립 크기와 표면 형태를 효과적으로 제어해 광전 지표에 직접 영향을 미칩니다. 고농도 MAI 공정은 조밀하고 결함 없는 박막을 만들어 17.42% 고효율, 재현성 좋은 페로브스카이트 태양전지를 가능케 합니다. 이 연구는 고성능 페로브스카이트 광전 소자 확장에서 전구체 화학양론과 열처리의 결정적 역할을 강조합니다.

약어

FTO

불소 도핑 산화주석

J-V

전류 밀도-전압

MAI

CH₃NH₃I

MAPbI₃

CH₃NH₃PbI₃

PCE

전력 변환 효율

PL

광발광

SEM

주사전자현미경

TRPL

시간분해 광발광

XRD

X선 회절