황인찬 교수 연구팀(전자재료공학과),

페로브스카이트 태양전지의 계면 결정화와 개방 전압과의 관계 연구

전자재료공학과 황인찬 교수는 본교의 김소현(제1저자) 석사과정연구원, 공동연구팀(고려대 우한영 교수, 국민대 이미정 교수)과 함께 K+이온이 사이드체인에 존재하는 CPE-K(conjugated polyelectrolyte)와 별도의 첨가물 없이 페로브스카이트 전구체들의 조성 비율을 달리함으로써, 향상된 계면 결정화가 페로브스카이트 태양전지의 개방 전압을 향상시킨다는 연구 결과를 발표했다.

페로브스카이트 태양전지의 개방전압의 향상을 위해서는 적절한 전하수송층의 선택과 페로브스카이트의 계면에서 일어나는 전하 손실을 줄여야 한다. p-i-n구조의 태양전지에서 가장 흔히 쓰이는 PEDOT:PSS는 1V 이하의 낮은 개방 전압을 가진다. 이는 PEODT:PSS와 페로브스카이트 사이의 에너지레벨 미스매치와 그 계면 사이에서 일어나는 강한 전하재결합으로 기인한다. 하지만 강한 계면 전하재결합의 원인은 명확히 규명되지 않았다.

황인찬 교수 연구팀은 이러한 문제를 개선하기 위해 PEDOT:PSS 층 위에 중성의 pH를 갖는 CPE-K 물질을 이중층으로 한 구조로 하여 1V 이상의 개방전압을 가지는데 성공했다. 기존의 PEDOT:PSS 계면에서는 페로브스카이트의 결정화가 원활히 이루어지지 않아 PbI2 aggregation이 많이 존재하는 것을 발견하였다. 이를 CPE-K의 K+이온과 과량의 methyalmmonium iodide(MAI)의 첨가로 인한 시너지효과로 PbI2 aggregation의 형성을 막아 더 나은 퀄리티의 페로브스카이트 결정이 성장할 수 있음을 보였다. 향상된 계면결정성이 계면에서 전하재결합에 의한 전하 손실을 줄이고 페로브스카이트 결정을 수직으로 성장시켜 큰 그레인 사이즈를 가질 수 있게 함으로서 계면뿐만 아니라 벌크영역에서의 결함을 줄여 소자의 성능이 향상됨을 입증하였다. 그 결과, PEDOT:PSS 층 위에서는 0.88V의 개방전압과 12.00%의 효율을 가지는 반면, CPE-K 층 위에서 과량의 MAI가 첨가되는 페로브스카이트 필름을 기반으로 한 태양전지는 1.04V로 향상된 개방전압과 14.71%의 효율을 보였다.

이 연구 결과는 재료 및 계면 분야의 국제 학술지 ACS Applied Materials & Interfaces에 2020년 1월에 발표되었으며 supplementary cover로 선정되었다.

[논문 정보]

1. Sohyeon Kim et al., Improved Interfacial Crystallization by Synergic effects of Precursor Solution Stoichiometry and Conjugated Polyelectrolyte Interlayer for High Open-Circuit Voltage of Perovskite Photovoltaic Diodes. ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 10, 12328-12336.

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