크기 제어 Ag 나노입자 TiO₂ 치밀층 도입으로 페로브스카이트 태양전지 효율 최적화

초록

크기와 농도 제어된 은(Ag) 나노입자(Ag NPs)를 폴리올 합성법으로 TiO₂ 치밀층에 도입하여 페로브스카이트 태양전지(PSC) 성능 향상. X선 회절로 Ag 첨가 후 아나타제 TiO₂ 격자 변화 없음 확인, 투과 전자 현미경으로 Ag NP 크기 페로브스카이트 흡수층 광수확 능력 직접 영향 확인. 10 nm Ag NPs, 1.5 mol%(Ag:Ti) 로딩에서 최고 전력 변환 효율(PCE) 13.26% 달성, 전하 전달 가속, 재결합 감소, 가시광 흡수 증폭 덕분.

배경

페로브스카이트 태양전지 지난 10년 3.8%에서 22.1% PCE 급증, 직접 밴드갭, 높은 캐리어 이동도, 강한 흡수 계수 덕분. 평면 PSC 구조에서 치밀 TiO₂ 층 정공 차단 장벽 역할, 메조포러스 TiO₂ 또는 ZrO₂ 스캐폴드 페로브스카이트 증착용 고면적 계면 제공. 나노구조 금속, 특히 Ag, Au 국소 표면 플라즈몬 공진(LSPR)으로 인접 반도체 광흡수 증대. 플라즈모닉 PSC 보고되었으나 Ag NPs 치밀 TiO₂ 층 내 매립 구체적 영향 미탐구.

방법

Ag NPs 10, 30, 40, 55 nm 직경 폴리올 법 합성: 에틸렌 글라이콜 내 AgNO₃ 폴리비닐피롤리돈(PVP, K30)으로 120-150 °C 환원. 생성 콜로이드 세척, 건조 단분산 입자 획득. TiO₂ 전구체 용액(1 ml 티타늄 이소프록시드 비스(75%) in 19 ml 에탄올)에 Ag NPs 혼합, 0.5-2.5 mol% Ag:Ti 비율, 1시간 교반. FTO 유리 기판 순차 코팅: Ag 도핑 TiO₂ 치밀막(4000 rpm, 20초; 150 °C, 10분; 500 °C, 30분), 500 °C 30분 어닐링. 메조포러스 TiO₂/ZrO₂ 층 1:5 TiO₂/ZrO₂ 콜로이드 스핀코팅 증착, 페로브스카이트 FA₀.₄MA₀.₆PbI₃ 층(1000 rpm/10초, 4000 rpm/30초 스핀코팅; 1 ml 디에틸 에테르 적하; 100 °C, 10분). 탄소 대향 전극(30 µm) 스크린 프린팅, 100 °C 30분 어닐링.

구조 분석 FE-SEM, TEM, XRD, XPS. 소자 성능 AM 1.5G(100 mW/cm²) 조명 하 측정, UV-vis 스펙트럼 흡수 평가. 입사 광자-전자 변환 효율(IPCE) Newport 300 W 제논 램프로 측정.

결과 및 토의

TiO₂ XRD 패턴 Ag 포함 여부 무관 아나타제 유지, 구조적 무결성 확인. XPS Ag 3d 피크 368.3, 374.3 eV서 금속 Ag 확인, 화학 반응 없음. TEM 이미지 단분산 Ag NPs, TiO₂ 매트릭스 내 균일 분산 확인.

UV-vis 스펙트럼 플라즈몬 흡수 피크 ~400 nm(10 nm NP)→~420 nm(55 nm NP) 이동. 소형 Ag NPs 강한 LSPR, 가시광 영역 높은 흡수, 페로브스카이트 층 광생성 증대. Ag 함량 증가 시 흡수 강화 2.5 mol%까지, 과량 로딩 전하 트랩 부위 도입 성능 저하.

J-V 측정: 모든 Ag 도핑 소자 유사 개방 회로 전압(≈1.0 V) 유지, 단락 전류 증가. 10 nm Ag NPs, 1.5 mol% PCE 13.26%로 순수 소자(12.08%) 및 타 크기/농도 조합 능가. IPCE 스펙트럼 10 nm NP 소자 380-780 nm 전역 최대 향상 확인, LSPR 유도 흡수 이점 입증.

결론

TiO₂ 치밀층에 10 nm 은 나노입자 1.5 mol% 로딩 도입 최적 플라즈몬 흡수-전하 수송 균형, PSC 효율 13.26% 달성. 나노입자 크기, 농도 조절로 페로브스카이트 소자 성능 최대화 명확한 경로 제시.