황인찬 교수 연구팀(전자재료공학과),

페로브스카이트 태양전지의 계면 결정화와 개방 전압과의 관계 연구

본교 황인찬 교수(전자재료공학과)는 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 개방전압을 향상시킨다는 연구 결과를 발표했다.

Figure 1. ACS Applied Materials & Interfaces의 supplementary cover로 선정된 이미지

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 기인된다. 하지만, 강한 계면 전하재결합의 원인은 명확히 규명되지 않았었다.

Figure 2. CPE-K와 과량으로 첨가된 페로브스카이트 MAI와의 시너지 효과로 향상된 계면 결정화 이미지

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 연구결과는 재료 및 계면 분야의 국제학술지 ACS Applied Materials & Interfaces 에 2020년 1월에 발표된 한편 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.