저온 UV 경화 SnO₂ 전자 수송층으로 평면 페로브스카이트 태양전지 14.4% 효율 달성

초록

90 °C 이하 저온에서 제조된 산화 주석(SnO₂) 전자 수송층(ETL)용 간편한 자외선(UV) 오존(UVO) 처리 프로토콜을 소개합니다. SnO₂ 전구체 농도 최적화로 막 두께 제어, 높은 결정성 달성, 유기 잔류물 제거하여 우수한 전도도와 광투과율을 가진 ETL 확보. 평면 페로브스카이트 태양전지(PSC) 구조(Glass/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au)에 적용 시 20% SnO₂ 농도에서 최대 전력 변환 효율(PCE) 14.36% 달성. 이 저온 UV 기반 접근법은 고성능 PSC의 확장 가능하고 비용 효율적인 제조 경로 제공.

배경

페로브스카이트 태양전지(PSC)는 최근 수년간 3.8%에서 22.1% PCE로 급속 발전. 메조포러스 및 평면 구조 모두에서 페로브스카이트 흡수층이 전자 수송층(ETL)과 정공 수송층(HTL) 사이에 위치, 이들 계면 품질이 소자 성능 직접 영향. 기존 치밀 ETL 제조는 고온 어닐링/소결 필요(TiO₂ 최대 450 °C, SnO₂ 180 °C)하여 대면적 저비용 생산 제한.

본 연구에서는 SnO₂ 전구체 스핀코팅 후 UVO 처리로 90 °C 이하에서 완전 치밀 ETL 구현. 고온 공정 불필요, 공정 복잡도 감소, 제조비 절감. CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃) 기반, 1단계 반용매법(OSAS)으로 제조한 평면 이종접합 구조: Glass/ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. 최적 소자 PCE 14.5% 달성.

방법

재료 및 전구체 제조

메틸암모늄 요오드화물(MAI, 99.5%), 요오드화 납(PbI₂, 99.9%)은 Xi'an Polymer Light Technology Corp. 산화 주석(SnO₂, 물분산 15 wt%, 미량 유기 용매)은 Alfa Aesar. 1,2-디클로로벤젠(DCB, 99.5%) 등 용매류 Sigma Aldrich. 모든 시약 정제 없이 사용.

소자 제조

소자 적층: ITO/SnO₂/MAPbI₃/Spiro-OMeTAD/Au. ITO 유리(<15 Ω/□) 초음파 세척(아세톤, 에탄올, DI 물 각 15분), 질소 건조. 후속 UVO 세척(15분, ~60 °C) 잔류 유기물 제거. SnO₂ 막은 전구체 용액(10, 15, 20, 30% 부피비)에서 5000 rpm, 30초 스핀코팅, 50 °C 5분 건조, 이후 UVO(60분, ~60 °C). 1 M MAPbI₃ 전구체(MAI:PbI₂ = 1:1 M)를 DMF:DMSO = 9:1(v/v)에 50 °C에서 하룻밤 교반/가열. 페로브스카이트 층 4000 rpm, 30초 스핀코팅, 종료 5초 전 디에틸 에테르 적하. 90 °C, 10분 글러브박스 내 어닐링. HTL: 70 mM Spiro-OMeTAD, 28.8 mM Li-TFSI, 55 mM TBP in DCB, 5000 rpm, 20초 스핀코팅. 마지막으로 100 nm Au 열증착(~5 Å/s, 5×10⁻⁴ Pa). 활성 면적 4 mm².

특성 분석 및 측정

전류-전압(J-V) 곡선: Keithley 2400, AM1.5G 조명(100 mW/cm²), Newport 94043A 태양 모의기, 기준 Si 셀로 보정. UV-vis 투과 스펙트럼: Cary 5000 분광기. 표면 형태 및 단면 구조: SEM(JSM-7001F). XRD(DX-2700)로 루틸 SnO₂ 상 확인. EDS로 원소 조성 분석.

결과 및 토의

UV/오존은 185, 254 nm 광자(647, 472 kJ/mol) 방출, C-C, C-O, C-H 결합(346-411 kJ/mol) 절단 충분. UVO 처리 후 20% SnO₂ 막 EDS에서 >99% Sn, O, 잔류 C <1%로 유기물 제거, 고순도 ETL 확인(표 1).

UVO 처리 막 XRD에서 2θ = 26.5°, 34.0°, 38.1°, 51.6°, 65.9°(면 (110), (101), (200), (211), (301)) 특성 루틸 피크, JCPDS 41-1445와 일치. Debye-Scherrer 분석으로 평균 결정립 크기 5.5 nm(그림 2).

SnO₂ 표면 SEM 이미지 (a) 및 ITO/SnO₂ 막 해당 EDX 스펙트럼

UV 처리 후 SnO₂ XRD 패턴

그림 3a 소자 개략도. 활성층 SEM(그림 3b)에서 연속 MAPbI₃ 막(~384 nm 두께), 1 µm 이상 단결정 관찰, 고품질 페로브스카이트 형성 지시. SnO₂(20%) 층 ~65 nm 두께로 전도도와 투과율 최적 균형.

페로브스카이트 태양전지 구조도 (a) 및 활성층 SEM 이미지 (b)

J-V 특성(그림 4) 및 상세 파라미터(표 2): 20% SnO₂ 소자에서 J_sc 최대 20.11 mA/cm², V_oc와 충진율(FF)도 20%까지 농도 증가에 따라 개선. 해당 PCE 14.36%, 직렬 저항(R_s) 232.8 Ω, 병렬 저항(R_sh) 15,868 Ω. 과량 SnO₂(30%)는 투명도 저하, 재결합 증가, 성능 저하.

소자 J-V 특성. 인셋: PCE-V_oc 곡선.

단면 SEM(그림 5): 막 두께 34 nm(10%), 48 nm(15%), 66 nm(20%), 97 nm(30%). ITO/SnO₂/Au 구조 I-V 측정에서 수직 저항 98.6 Ω(10%) → 33.7 Ω(20%) 감소 후 50.8 Ω(30%) 증가, 막 연속성 및 결정성과 상관관계.

단면 SEM: a ITO/SnO₂(10%), b ITO/SnO₂(15%), c ITO/SnO₂(20%), d ITO/SnO₂(30%)

ITO/SnO₂(x)/Au I-V 곡선, x = 10, 15, 20, 30%

평면 SEM(그림 7): 모든 농도에서 균일 매끄러운 막, 결정립 크기 ~6.8 nm로 XRD 추정치와 일치. 10%에서 미세 아일랜드 결함(그림 7a, e) 전도도 저하, 20% 최적 연속성. 30%에서 약간 응집, 저항 증가.

준비된 ITO/SnO₂(x) 막 평면 SEM: a-d ×50,000, e-h ×200,000 배율

UV-vis 투과 스펙트럼(그림 8): 400-800 nm 전역 >75% 투과율. 피크 파장 SnO₂ 두께 증가에 따라 장파장 이동(10% → 616 nm, 15% → 662 nm, 20% → 718 nm, 30% → >800 nm). MAPbI₃ 흡수대(300-760 nm)는 10-20% SnO₂ 막과 최적 중첩, 광수확 극대화. 과도 두께(30%)는 투과율 저하, PCE 감소 유발.

ITO/SnO₂(x) 막 UV-vis 투과 스펙트럼

결론

저온 UVO 처리로 스핀코팅 SnO₂ 전구체로부터 치밀, 고순도 ETL 제조, 우수한 전도도와 투명성 확보. SnO₂ 농도 20% 최적화로 평면 PSC PCE 14.36% 달성. 성능은 막 두께, 균일성, 광투과율 균형에 의해 지배. 이 확장 가능, 저비용 공정은 산업적 PSC 제조에 적합.

약어

ETLs:

전자 수송층

FF:

충진율

HTLs:

정공 수송층

J_sc:

단락 광전류

OSAS:

1단계 반용매법

PCE:

전력 변환 효율

PSCs:

페로브스카이트 태양전지

UVO:

자외선 오존

V_oc:

개방 회로 전압