ZnCl₂–MnCl₂ 이중 도핑으로 CsPbI₂Br 페로브스카이트 태양전지 성능 향상

요약

전무기 CsPbI₂Br 페로브스카이트 태양전지(PSC)는 하이브리드 소자에 비해 우수한 열 안정성을 보이지만, 전력 변환 효율(PCE)은 최첨단 하이브리드 소자보다 낮습니다. 본 연구에서는 CsPbI₂Br 전구체에 ZnCl₂와 MnCl₂를 공동 도입하는 이중 도핑 전략으로 결정화 역학을 제어했습니다. 도펀트는 박막 성장 중 간극 부위에 침투하여 급속 핵생성을 억제하고 더 큰 결정립 형성을 유도합니다. 이러한 형태학적 개선으로 단락 전류 밀도(Jsc) 15.66mA/cm², 충진율(FF) 73.37%를 달성했습니다. 결과적으로 PCE가 무도핑 13.47%에서 14.15%로 상승하여 보고된 CsPbI₂Br PSC 중 최고 효율군에 진입했습니다. 성능 향상은 정밀한 조성 공학을 통해 결함 밀도 감소, 표면 형태 개선, 캐리어 재결합 억제를 달성한 덕분입니다.

서론

하이브리드 유무기 페로브스카이트는 높은 캐리어 이동도와 조절 가능한 밴드갭 덕분에 큰 주목을 받아왔으며, 양이온 치환 전략으로 PCE가 3.8%에서 23.3%까지 향상되었습니다[12-17]. 그러나 환경 안정성은 여전히 핵심 걸림돌입니다[18]. CsPbI₂Br 같은 전무기 세슘 납 할라이드는 약 1.91eV의 유리한 밴드갭과 상온에서 견고한 흑상 안정성을 제공하는 매력적 대안입니다[19-20]. 결정립 크기와 결함 밀도는 소자 효율에 결정적 영향을 미칩니다. 큰 결정립은 결정립계 재결합을 줄이고, 낮은 트랩 밀도는 전하 추출을 용이하게 합니다[27-33]. 격자 내 이종 이온 도입인 조성 도핑은 박막 결정성과 전자적 특성을 조절하는 강력한 도구로 부상했습니다[34-36]. 이 기반 위에서 ZnCl₂–MnCl₂ 공동 도핑이 CsPbI₂Br PSC에 미치는 영향을 체계적으로 조사하여 형태학, 캐리어 역학, 장기 안정성에서 현저한 개선을 입증했습니다.

결과 및 고찰

1.0M CsBr/PbI₂ 전구체 용액을 1.4:1 DMF/DMSO 혼합물에 제조하고, ZnCl₂와 MnCl₂를 0%, 0.25%, 0.50% 몰비로 첨가했습니다(CsPbI₂Br-0%, CsPbI₂Br-0.25%, CsPbI₂Br-0.50%). 원스텝 스핀코팅으로 약 350nm 두께 박막을 만들고 150°C에서 어닐링했습니다. SEM 미세사진(Fig. 1a-c)에서 0.25% 도핑 박막은 매우 균일하고 핀홀 없는 표면을 보인 반면, 0.50% 박막은 소자 성능을 저해하는 희소한 핀홀을 보였습니다.

XRD 분석(Fig. 2a)에서 0.25% 도핑 박막의 (100) 피크가 높은 각도 쪽으로 이동하여 Zn²⁺/Mn²⁺에 의한 Pb²⁺ 부분 치환으로 인한 격자 수축을 나타냈습니다. XPS 스펙트럼(Fig. 2c-f)은 Pb 4f, I 3d, Br 3d 결합 에너지의 이동을 확인하여 도펀트의 격자 내 합입을 추가로 뒷받침했습니다.

J-V 특성(Fig. 3a)에서 0.25% 도핑 소자가 챔피언 PCE 14.15%(Jsc=15.66mA/cm², Voc=1.23V, FF=73.37%)를 달성했습니다. EQE 측정(Fig. 3b)은 높은 Jsc 값을 뒷받침합니다. 전기화학적 임피던스 분광(EIS)은 도핑 박막의 재결합 저항(Rrec)이 1,016Ω으로 무도핑 620Ω보다 높게 나타나 결함 매개 재결합이 감소했음을 보여줍니다. 순방향과 역방향 J-V 스캔에서 최소한의 히스테리시스가 관측되었습니다(Fig. 3d).

장기 안정성 테스트(Fig. 4a)에서 0.25% 소자는 N₂ 분위기에서 30일 후 초기 PCE의 87%를 유지했으며 Voc는 안정적이었습니다. 80°C 열 사이클링 150분 후 원래 PCE의 96%를 보존했습니다(Fig. 4c). UV-vis 흡수(Fig. 4d)는 밴드갭이 600nm 근처에서 변하지 않아 도핑이 광수확 능력을 해치지 않음을 확인했습니다.

실험 섹션

재료 및 방법

재료

SnO₂, CsBr, ZnCl₂, MnCl₂, DMSO, DMF, spiro-OMeTAD, PbI₂는 Alfa Aesar, Sigma-Aldrich, Xi'an Polymer Light Technology Corp.에서 구매했습니다.

소자 제작

ITO 유리 기판을 세제, 이소프로필알코올, 아세톤, 탈염수로 순차 세척 후 10분 산소 플라즈마 처리했습니다. 1:6 SnO₂ 수용액 분산을 3,000rpm(40초) 스핀코팅하고 150°C(30분) 어닐링했습니다. 페로브스카이트 전구체(1.0M)를 0.22μm 필터로 여과 후 70°C에서 2시간 교반했습니다. 스핀코팅은 1,000rpm(12초) 후 5,000rpm(30초)로 진행하며 100μL 클로로벤젠을 적하했습니다. 박막을 50°C(1분) 후 150°C(5분) 어닐링했습니다. spiro-OMeTAD HTL(72.3mg/mL, Li-TFSI, TBP, 클로로벤젠 포함)을 4,000rpm(30초) 스핀코팅한 뒤 80nm Au를 열증착했습니다.

특성 분석

XRD는 Rigaku-2500 회절계로 수행했습니다. SEM 이미징은 HITACHI 2100을 사용했습니다. 태양전지 성능은 AM 1.5(100mW/cm²) 조명 하에서 Keithley 2420으로 측정했으며 실리콘 기준 셀로 보정했습니다. EIS는 Zahner Zennium 시스템으로 수행했습니다. EQE는 Newport Oriel IQE-200 장비로 기록했습니다. 소자 면적은 0.044cm²입니다.

결론

0.25% ZnCl₂–MnCl₂ 공동 도핑으로 CsPbI₂Br 페로브스카이트 박막 품질이 현저히 개선되어 트랩 밀도 감소와 재결합 억제를 달성했습니다. 결과 소자는 PCE 14.15%, Jsc=15.66mA/cm², Voc=1.23V, FF=73.37%를 기록했습니다. 이러한 결과는 조성 공학이 전무기 페로브스카이트 태양전지의 성능과 안정성 발전에 효과적임을 입증합니다.

목차 항목

비용 효율적이고 재현 가능한 도핑 전략으로 CsPbI₂Br 박막 형태학과 소자 성능을 향상시켜 기록적인 14.15% 효율과 견고한 장기 안정성을 달성했습니다.

약어

DMF

N,N-디메틸포름아미드

DMSO

디메틸 설폭사이드

EQE

외부 양자 효율

SEM

주사 전자 현미경

XPS

X선 광전자 분광법

XRD

X선 회절