고체 상태 CuInS₂ 양자점 태양전지 효율 향상: 제어된 SILAR 증착과 어닐링으로 전하 재결합 최적화

초록

CuInS₂ 양자점(QD)을 스핀코팅 보조 연속 이온층 흡착 반응(SILAR) 프로토콜로 중공 TiO₂ 박막에 통합하여 고체 상태 QD 감광 광양극을 제조했습니다. 결과 QD 감광 태양전지(QDSSC) 광전 출력은 SILAR 사이클 수에 강하게 의존하며, 이는 TiO₂ 위 QD 커버리지와 표면 결함 밀도를 지배합니다. 후속 고온 어닐링은 전하 재결합을 추가 감소시키고 전자 수송을 가속화합니다. 400°C 어닐링 시 3.13% 최고 전력 변환 효율(PCE)을 달성했으며, 개방회로 전압 0.68V, 단락 광전류 밀도 11.33mA/cm², 충진율 0.41로, 재결합 억제와 전자 주입 향상에 기인합니다.

배경

양자점 감광 태양전지(QDSSC)는 다중 엑시톤 생성과 조절 가능한 밴드갭으로 차세대 광전지 유력 후보입니다. 고효율을 위해 최적 밴드갭 감광제 선택이 필수적입니다. CuInS₂(CIS)는 ~1.5eV 직접 밴드갭, ~10⁵cm⁻¹ 흡수 계수, 무독성, 우수 안정성을 지닌 I-III-VI₂ 반도체로 매력적 감광제입니다. 후합성 조립 방식 CIS 기반 QDSSC는 8.5% 효율 보고되었으나[참고], 이 방식은 QD 로딩과 TiO₂ 전자 결합을 제한합니다. SILAR 직접 증착으로 QD 밀집 로딩과 계면 전자 결합 개선 가능. 고체 상태 QDSSC 구조는 액체 전해질 장기 안정성 문제 회피하나 보고 효율은 아직 미미. 본 연구는 SILAR 증착과 어닐링 최적화로 고체 상태 CIS-QDSSC 효율 3% 돌파.

실험 방법

재료

인듐 아세테이트, 구리(II) 염화물 이수화물, 황화나트륨 9수화물, 티타늄 이소프록사이드, 염산, 스피로-OMeTAD, 클로로벤젠, 터트-뷰틸피리딘, 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 아세토니트릴을 Alfa Aesar와 Sigma-Aldrich에서 조달. TiO₂ 페이스트(DSL 18NR-T)는 Dyesol에서 구입. 모든 화학약품 추가 정제 없이 사용. 초순수 탈수 수용액용으로 사용.

제조

세척된 FTO 유리(4000rpm, 30초)에 350µL 티타늄 이소프록사이드와 35µL HCl을 5mL 에탄올에 혼합해 70nm 조밀 TiO₂ 층 스핀코팅, 다단계 공기 어닐링(단계적 500°C, 500°C 1시간). 희석 18NR-T 페이스트(800rpm, 10초) 스핀코팅과 열처리로 2µm 중공 TiO₂ 층 증착. CIS QD를 스핀코팅 보조 SILAR로 중공 층에 증착: 25mM CuCl₂ + 50mM In(OAc)₃ 용액 80µL 도포 후 스핀(800rpm, 20초), 이어 100mM Na₂S 80µL 동일 조건 스핀. 1 SILAR 사이클은 이 두 단계 구성. 사이클 간 탈수로 세척 및 N₂ 건조. 원하는 사이클 수 후 광양극을 N₂ 하 200-500°C 30분 어닐링해 CIS 결정성 개선. 정공 수송 물질(HTM) 용액(300mg 스피로-OMeTAD, 2.91µL 클로로벤젠, 28.77µL tBP, 126µL Li-TFSI) N₂ 하 스핀코팅. 금 대향 전극(0.09cm² 활성 영역) 열증착.

특성 분석

UV-vis 흡수 스펙트럼 Perkin Elmer Lambda 950 기록. 단면 SEM FEI nova nano SEM450, 에너지 분산 분광법(EDS) 매핑 수행. 전류-전압(J-V) 특성 AM1.5(100mW/cm²) 조명 하 300W 제논 램프(XES-100S1)로 측정. 입사 광자-전류 효율(IPCE) 스펙트럼 Enlitech QER3011 시스템(150W 제논) 취득. 전기화학 임피던스 분광법(EIS) Zahner Zennium 워크스테이션(-0.1~-0.5V 바이어스, 20mV AC, 0.1-1Hz). 시간 분해 광발광(TRPL) Edinburgh Instruments FLS 900, 543nm 여기로 측정.

결과 및 고찰

소자 구조는 CIS QD 감광 TiO₂ 광양극, 스피로-OMeTAD HTM, 금 대향 전극으로 구성(그림 1). SEM 단면은 균일한 QD 분포와 층간 밀착 접촉 드러냄. EDS 매핑으로 중공 TiO₂ 매트릭스 전체 Cu, In, S 균일 분산 확인.

그림 2는 스핀코팅 보조 SILAR 절차 예시. UV-vis 스펙트럼(그림 3a) 흡광도 사이클 수 증가 따라 상승, 약간 적색 이동으로 CIS 층 성장 지시. 박막 색상 4사이클 연노랑에서 20사이클 진한 검정으로 변화. J-V 곡선(그림 3b) J_SC와 PCE가 4사이클 2.49mA/cm²/0.14%에서 20사이클 4.21mA/cm²/0.75%로 상승 후 24사이클에서 약간 하락, 두꺼운 CIS 층 재결합 최소화하며 빛 수확 최대화하는 최적 QD 로딩 반영.

어닐링 연구(그림 5) 흡광도 400°C에서 피크, 이후 응집과 산화로 광학 응답 감소. J-V 측정(그림 6a) 400°C에서 최고 PCE 3.13%, V_OC=0.68V, J_SC=11.33mA/cm², FF=0.41. IPCE 스펙트럼(그림 6b) 400-550nm 범위 강한 응답(≈66%), 200°C 소자 대비 20% 향상, 빛 수확과 전자 주입 강화 입증.

EIS(그림 7a) 400°C 어닐링 소자에서 더 큰 재결합 저항(R_r)과 긴 전자 수명(τ_n≈117ms) 나타내 계면 재결합 감소 일치. TRPL(그림 8) 어닐링 온도 증가 따라 PL 수명 단축, CIS에서 TiO₂로 빠른 전자 전달 의미. 전자 전달 속도(k_et) 400°C에서 1.17×10⁷s⁻¹ 도달, 우월한 전하 수송 역학 뒷받침.

결론

스핀코팅 보조 SILAR로 TiO₂ 위 CIS QD 로딩 정밀 제어, 고온 어닐링(400°C)으로 CIS/TiO₂ 계면 최적화, 재결합 억제, 전자 주입 가속. 결과 고체 상태 CIS-QDSSC는 PCE 3.13%, V_OC 0.68V, J_SC 11.33mA/cm², FF 0.41, IPCE 66%(400-550nm), 전자 전달 속도 1.17×10⁷s⁻¹ 달성. 본 연구는 고성능 고체 상태 QDSSC 실현 가능 경로 입증, 추가 안정성 개선 가이드라인 제공.