Cs₂CO₃ 변형 TiO₂ 전자 수송층으로 평면 Sb₂S₃ 태양전지 효율 향상

초록

작업 함수 상승, 표면 거칠기 감소로 평면형 Sb₂S₃ 태양전지 전력 변환 효율(PCE)을 2.83%에서 3.97%로 40% 향상시키는 콤팩트 TiO₂(c-TiO₂) Cs₂CO₃ 표면 변조의 간단하고 용액 공정 가능한 방법을 입증했습니다. 이 연구는 고성능, 풍부한 흡수체 물질용 전자 수송층 향상을 위한 단순하고 확장 가능한 경로로 Cs₂CO₃을 확립합니다.

배경

저비용, 무독성 박막 태양전지 탐구에서 CuZnSnSe₂, PbS, Cu₂S, SnS, Sb₂S₃ 등 풍부한 칼코게나이드가 CIGS, CdTe 대안으로 탐색됩니다. CuZnSnSe₂와 PbS는 독성 전구체나 복잡한 화학량론 제어 문제 있지만, Sb₂S₃은 적절한 밴드갭(~1.65 eV), 높은 흡수 계수(>10⁵ cm⁻¹), 엑시톤 해리 촉진 높은 유전율, 우수한 안정성, 저독성으로 두드러집니다.

평면 Sb₂S₃ 소자(FTO/c-TiO₂/Sb₂S₃/HTL/Au)는 메조다공성 TiO₂ 사용하는 염료감응형 소자보다 단순한 구조로 산업적 확장에 매력적입니다. 그러나 평면 셀은 현재 효율(2.5-5.8%) 뒤처지는데, Sb₂S₃ 층 내 전하 수송이 입자 크기, 결정성, 계면 접촉에 의존하기 때문입니다.

이전 노력은 화학 욕 증착, 열 증착, ALD, 나노입자 잉크 등으로 Sb₂S₃ 박막 형태 최적화에 집중. 부틸디티오카바메이트 산 전구체 사용 고속 화학 접근법(FCA)이 최근 단일 스핀코팅 단계로 큰 입자 달성, 고품질 흡수체 산출.

전자 수송층에서 표면 엔지니어링은 에너지 장벽 낮추고 전하 추출 개선 가능. Cs₂CO₃은 유기 태양전지, OLED, 페로브스카이트 셀에서 TiO₂ 작업 함수 낮춤에 효과적 입증. 하지만 Sb₂S₃ 소자 적용 보고된 바 없음.

방법/실험

재료 및 Sb 착물 합성

모든 시약 Sigma-Aldrich에서 수령 그대로 사용. Sb 착물은 Sb₂O₃을 CS₂, n-부틸아민, 에탄올과 반응시켜 제조, 스핀코팅용 안티모니 부틸디티오카바메이트 전구체 얻기 위해 희석.

소자 제작

평면 소자 적층: FTO/c-TiO₂/Sb₂S₃/P3HT/Au. c-TiO₂는 TTIP/에탄올 용액 스핀코팅 후 500 °C 어닐링으로 증착. Cs₂CO₃(1-10 mg mL⁻¹) 메탄올 용해 후 UV-오존 처리된 c-TiO₂에 스핀코팅, Sb₂S₃ 증착 전 150 °C 어닐링. Sb₂S₃ 박막은 FCA 전구체로 스핀코팅 후 200 °C/1분, 350 °C/2분 어닐링. P3HT(10 mg mL⁻¹ o-DCB) 스핀코팅 후 100 °C 어닐링, 5 × 10⁻⁶ Torr 하 열증착 Au 증착. 활성 영역: 0.16 cm².

특성 분석

형태: FE-SEM(Hitachi S-4800), AFM(Park NX10). 광학 특성: UV-Vis(Lambda 750). 광전 성능: AM 1.5G(100 mW cm⁻²) 하 J-V 곡선, Keithley 2400, Newport 91192. EQE: Newport QuantX-300. XRD: PANalytical Empyrean. XPS 및 UPS: Thermo Scientific ESCALAB 250Xi, He I(21.2 eV), Al Kα(1486.6 eV). XPS 깊이 프로파일링 Ar⁺ 클러스터 1 Å s⁻¹ 사용.

결과 및 논의

그림 1a는 소자 개요도: FTO상 콤팩트 TiO₂ 층이 전자 수송층, Sb₂S₃ 광흡수, P3HT 정공 수송해 Au 전극으로.

FCA 전구체는 높은 결정성 Sb₂S₃ 박막과 큰 입자 산출, SEM으로 확인(그림 2). 입자는 Wang 등 보고와 유사, 높은 박막 품질 나타냄.

Cs₂CO₃ 농도 최적화 중요: 1 mg mL⁻¹은 불완전 피복, 5-10 mg mL⁻¹은 유전체로 작용해 직렬 저항 증가. 최적 3 mg mL⁻¹ 최고 성능(그림 3a, 표 1).

처리 없이 셀: V_OC = 0.549 V, J_SC = 10.71 mA cm⁻², FF = 48.14%(PCE = 2.83%). 3 mg mL⁻¹ Cs₂CO₃ 후 V_OC 0.596 V, J_SC 11.71 mA cm⁻², FF 56.89%로 상승, PCE 3.97%(≈40% 향상). 전체 스펙트럼 EQE 개선으로 더 효율적 광-전류 변환 확인.

XRD는 Cs₂CO₃ 처리 후 새 상 없음, c-TiO₂ 결정성 변화 없음 나타냄(그림 4). XPS 깊이 프로파일링으로 2-3 nm Cs₂CO₃ 층 확인(그림 5d). AFM은 근방제곱평균 거칠기 9.89 nm에서 8.03 nm로 감소 보여줌, 직렬 저항 감소(11.14 Ω cm² → 8.82 Ω cm²) 및 높은 FF(48.14% → 56.89%)와 상관관계(그림 6a).

UPS 측정으로 Cs₂CO₃ 처리 후 c-TiO₂ 작업 함수 0.3 eV 하락 확인(그림 7a). 이 이동은 c-TiO₂ 전도대를 Sb₂S₃ 전도대 가까이 정렬, 내장 전위(V_BI) 향상 및 전자 추출 장벽 감소. 결과적으로 V_OC, J_SC 모두 증가. 에너지 밴드 다이어그램(그림 7b) 및 제안 작동 원리(그림 7c)는 Cs₂CO₃ 유도 밴드 벤딩이 전하 수집 개선하는 방식 보여줌.

결론

c-TiO₂ Cs₂CO₃ 표면 변조는 작업 함수 효과적 하강, 표면 평활화, Sb₂S₃과 물리적 접촉 개선. 이 변화는 직렬 저항 감소, V_OC, J_SC, FF 증가로 이어져 40% PCE 향상(2.83% → 3.97%) 달성. 이 연구는 Cs₂CO₃ 같은 무기 표면 변조제가 평면형 Sb₂S₃ 태양전지 고효율화 및 확장 생산 발전에 중추적 역할 할 수 있음을 입증.

약어

AFM:

원자력 현미경

c-TiO₂:

콤팩트 TiO₂

EQE:

외부 양자 효율

ETLs:

전자 수송층

FCA:

고속 화학 접근법

FF:

충전율

FTO:

플루오린 도핑 산화주석

HTLs:

정공 수송층

J_SC:

단락 전류 밀도

J-V:

전류 밀도-전압

m-TiO₂:

메조다공성 TiO₂

P3HT:

폴리(3-헥실티오펜)

PCE:

전력 변환 효율

R_S:

직렬 저항

R_SH:

분로 저항

SEM:

주사 전자 현미경

UPS:

자외선 광전자 분광법

UV-Vis:

자외선-가시광 분광계

V_BI:

내장 전위

V_OC:

개방회로 전압

XPS:

X-선 광전자 분광법

XRD:

X-선 회절