페로브스카이트 태양전지 소자의 전극 증착 시, 증착조건에 따라 유기물층인 HTM 층이 손상되는 문제점이 발생한다. 그러나 현재까지 이러한 문제점에 대한 보고가 없었다. 따라서 본 연구는 정량적인 전극 증착조건에 따른 유기 HTM 층의 손상 유무를 확인하여, 최종적으로 전극 증착시 유기 HTM 손상이 없는 최적화된 전극 증착 공정 개발을 위해 진행하였다. 본 연구에서는 페로브스카이트 ...
페로브스카이트 태양전지 소자의 전극 증착 시, 증착조건에 따라 유기물층인 HTM 층이 손상되는 문제점이 발생한다. 그러나 현재까지 이러한 문제점에 대한 보고가 없었다. 따라서 본 연구는 정량적인 전극 증착조건에 따른 유기 HTM 층의 손상 유무를 확인하여, 최종적으로 전극 증착시 유기 HTM 손상이 없는 최적화된 전극 증착 공정 개발을 위해 진행하였다. 본 연구에서는 페로브스카이트 태양전지(perovskitesolar cell) 소자의 Au 전극 형성시 이용되는 열증착기의 증착에너지와 공정시간을 조절하여 제작하고, 제작된 소자의 광전기적 특성과 물리적 특성 변화를 확인하였다. 보트부와 기판 사이 거리가 50cm인 열증착기를 사용하여, 6.0x10-6torr 이하의 진공 조건에서 각각 60W, 70W, 80W, 90W, 100W 증착에너지 조건으로 20x20mm2 실리콘 기판 위에 10분간 Au 증착 공정을 진행하여 Au 전극을 형성하였다. 파트 3-1에서 각 증착에너지에 따른 신뢰성 있는 증착속도를 확인하기 위해 alpha step(α-step), atomic force microscope(AFM), field emission scanning electron microscope(FE-SEM) 분석을 이용하였다. α-step 분석 결과, 전극 증착시 패턴 마스크 부분에서 발생하는 엣지 이펙트로 인해 신뢰성 있는 증착속도 확인이 불가능하여 AFM, FE-SEM 분석 시편의 경우 엣지 이펙트부를 에칭 후 분석하였다. AFM 분석 결과, 60W-100W의 시편에서 각각 0.02nm/sec, 0.03nm/sec, 0.05nm/sec, 0.12nm/sec, 0.16nm/sec의 증착속도를 확인하였으며, FE-SEM 분석 결과, 각 증착에너지 조건에서 AFM 결과와 유사한 0.02nm/sec, 0.03nm/sec, 0.06nm/sec, 0.13nm/sec, 0.17nm/sec의 증착속도를 확인하였다. 파트 3-2에서 신뢰성 있는 증착속도를 확인한 각 증착에너지에 따른 증착속도 조건으로 70nm의 Au 전극을 증착하기 위해 60W-90min, 70W-60min, 80W-25min, 90W-10min, 100W-7min 조건으로 전극 증착하였다. 형성된 페로브스카이트의 미세구조와 결정성을 확인하기 위해 FE-SEM, XRD 분석을 하였으며, 각 증착조건에서 소자 표면이 받는 열에너지를 정량적으로 분석하기 위해 소자표면온도를 분석하였다. 완성된 소자에 대해 solar simulator와 potentiostat을 통해 단락전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc), 필팩터(FF), 에너지변환효율(ECE)을 확인하였으며, 제작된 소자의 각 층별 성분 분석을 위해 제작된 소자 수직단면 시편을 electron probe X-ray microanalyzer(EPMA) 분석하였다. FE-SEM과 XRD 결과, 형성된 페로브스카이트 결정은 400nm 이상의 평균 입도를 가졌으며, 우수한 결정성을 보였다. 소자의 표면 온도 분석결과 60W-90min, 70W-60min의 경우 100℃이하의 온도를 보였으며, 80W-25min의 경우 120℃ 이하, 90W-10min, 100W-7min의 경우 120℃ 이상의 온도를 확인하였다. 이후 제작된 소자의 광전기적 분석 결과, 60W-90min, 70W-60min, 80W-25min, 90W-10min, 100W-7min 조건에서 각각 0.00003%, 0.15%, 5.48%, 3.79%, 0.19%의 에너지변환효율을 확인하였으며, 단락전류밀도, 개방전압, 필팩터도 에너지변환효율과 유사한 경향을 보였다. Au 전극 부분을 박리하여 전극 하부층 표면을 FE-SEM으로 분석한 결과, 80W-25min 조건에서는 하부 HTM 층의 손상을 확인되지 않았으며, 60W-90min, 70W-60min, 90W-10min, 100W-7min 조건에서는 하부 HTM 층의 손상이 확인되었다. 이러한 장시간의 공정이나 높은 증착에너지로 인해 하부 HTM 층이 손상되어 소자의 광전기적 특성이 감소된 것으로 확인하였다. EPMA 결과, 60W-90min, 100W-7min 조건에서 Au와 페로브스카이트 내 Pb의 상호확산이 확인되었다. 이는 전극 증착 공정시 발생한 열에너지에 의한 것으로 판단하였으며, Au-Pb의 상호확산으로 인해 소자의 광전기적 특성이 감소한 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 열증착기를 이용하여 Au 전극 형성 시 증착에너지에 따른 신뢰성있는 증착속도를 확인하였다. 이후 각 증착에너지와 공정시간 조건으로 Au를 페로브스카이트 태양전지의 전극으로 채용하였으며, 이때 HTM 층이 손상되지 않고 우수한 광전기적 특성을 확보한 Au 전극 증착조건을 확인하였다.
페로브스카이트 태양전지 소자의 전극 증착 시, 증착조건에 따라 유기물층인 HTM 층이 손상되는 문제점이 발생한다. 그러나 현재까지 이러한 문제점에 대한 보고가 없었다. 따라서 본 연구는 정량적인 전극 증착조건에 따른 유기 HTM 층의 손상 유무를 확인하여, 최종적으로 전극 증착시 유기 HTM 손상이 없는 최적화된 전극 증착 공정 개발을 위해 진행하였다. 본 연구에서는 페로브스카이트 태양전지(perovskite solar cell) 소자의 Au 전극 형성시 이용되는 열증착기의 증착에너지와 공정시간을 조절하여 제작하고, 제작된 소자의 광전기적 특성과 물리적 특성 변화를 확인하였다. 보트부와 기판 사이 거리가 50cm인 열증착기를 사용하여, 6.0x10-6torr 이하의 진공 조건에서 각각 60W, 70W, 80W, 90W, 100W 증착에너지 조건으로 20x20mm2 실리콘 기판 위에 10분간 Au 증착 공정을 진행하여 Au 전극을 형성하였다. 파트 3-1에서 각 증착에너지에 따른 신뢰성 있는 증착속도를 확인하기 위해 alpha step(α-step), atomic force microscope(AFM), field emission scanning electron microscope(FE-SEM) 분석을 이용하였다. α-step 분석 결과, 전극 증착시 패턴 마스크 부분에서 발생하는 엣지 이펙트로 인해 신뢰성 있는 증착속도 확인이 불가능하여 AFM, FE-SEM 분석 시편의 경우 엣지 이펙트부를 에칭 후 분석하였다. AFM 분석 결과, 60W-100W의 시편에서 각각 0.02nm/sec, 0.03nm/sec, 0.05nm/sec, 0.12nm/sec, 0.16nm/sec의 증착속도를 확인하였으며, FE-SEM 분석 결과, 각 증착에너지 조건에서 AFM 결과와 유사한 0.02nm/sec, 0.03nm/sec, 0.06nm/sec, 0.13nm/sec, 0.17nm/sec의 증착속도를 확인하였다. 파트 3-2에서 신뢰성 있는 증착속도를 확인한 각 증착에너지에 따른 증착속도 조건으로 70nm의 Au 전극을 증착하기 위해 60W-90min, 70W-60min, 80W-25min, 90W-10min, 100W-7min 조건으로 전극 증착하였다. 형성된 페로브스카이트의 미세구조와 결정성을 확인하기 위해 FE-SEM, XRD 분석을 하였으며, 각 증착조건에서 소자 표면이 받는 열에너지를 정량적으로 분석하기 위해 소자표면온도를 분석하였다. 완성된 소자에 대해 solar simulator와 potentiostat을 통해 단락전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc), 필팩터(FF), 에너지변환효율(ECE)을 확인하였으며, 제작된 소자의 각 층별 성분 분석을 위해 제작된 소자 수직단면 시편을 electron probe X-ray microanalyzer(EPMA) 분석하였다. FE-SEM과 XRD 결과, 형성된 페로브스카이트 결정은 400nm 이상의 평균 입도를 가졌으며, 우수한 결정성을 보였다. 소자의 표면 온도 분석결과 60W-90min, 70W-60min의 경우 100℃이하의 온도를 보였으며, 80W-25min의 경우 120℃ 이하, 90W-10min, 100W-7min의 경우 120℃ 이상의 온도를 확인하였다. 이후 제작된 소자의 광전기적 분석 결과, 60W-90min, 70W-60min, 80W-25min, 90W-10min, 100W-7min 조건에서 각각 0.00003%, 0.15%, 5.48%, 3.79%, 0.19%의 에너지변환효율을 확인하였으며, 단락전류밀도, 개방전압, 필팩터도 에너지변환효율과 유사한 경향을 보였다. Au 전극 부분을 박리하여 전극 하부층 표면을 FE-SEM으로 분석한 결과, 80W-25min 조건에서는 하부 HTM 층의 손상을 확인되지 않았으며, 60W-90min, 70W-60min, 90W-10min, 100W-7min 조건에서는 하부 HTM 층의 손상이 확인되었다. 이러한 장시간의 공정이나 높은 증착에너지로 인해 하부 HTM 층이 손상되어 소자의 광전기적 특성이 감소된 것으로 확인하였다. EPMA 결과, 60W-90min, 100W-7min 조건에서 Au와 페로브스카이트 내 Pb의 상호확산이 확인되었다. 이는 전극 증착 공정시 발생한 열에너지에 의한 것으로 판단하였으며, Au-Pb의 상호확산으로 인해 소자의 광전기적 특성이 감소한 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 열증착기를 이용하여 Au 전극 형성 시 증착에너지에 따른 신뢰성있는 증착속도를 확인하였다. 이후 각 증착에너지와 공정시간 조건으로 Au를 페로브스카이트 태양전지의 전극으로 채용하였으며, 이때 HTM 층이 손상되지 않고 우수한 광전기적 특성을 확보한 Au 전극 증착조건을 확인하였다.
When the electrode of the perovskite solar cell is deposited, the HTM layer, which is an organic layer, may be damaged depending on the deposition conditions. However, until now there has been no report of this problem. Therefore, this study investigated the damage of organic HTM layer according to ...
When the electrode of the perovskite solar cell is deposited, the HTM layer, which is an organic layer, may be damaged depending on the deposition conditions. However, until now there has been no report of this problem. Therefore, this study investigated the damage of organic HTM layer according to quantitative electrode deposition conditions, and finally proceeded to develop an optimized electrode deposition process without organic HTM damage during electrode deposition. In this study, the deposition energy and the process time of the thermal evaporator used in the formation of the Au electrode of the perovskite solar cell were controlled and the photovoltaic and physical properties of the fabricated device were observed. Au electrodes were formed on a 20x20mm2 silicon substrate at 60W, 70W, 80W, 90W, and 100W deposition conditions under a vacuum of 6.0x10-6 torr or less using a thermal evaporator with a distance of 50cm between the boat and the substrate. At this time, the deposition process was performed for 10 minutes under the conditions of 60W, 70W, 80W, 90W, and 100W deposition energy. In Part 3-1, alpha-step, atomic force microscope(AFM), and field emission scanning electron microscope(FE-SEM) analyzes were used to confirm the reliable deposition rate for each deposition energy. As a result of the α-step analysis, reliable deposition rate can not be confirmed due to the edge effect generated in the pattern mask portion during the electrode deposition. In the case of the AFM and FE-SEM analysis samples, the edge effect portion was analyzed after etching. As a result of the AFM analysis, the deposition rates of 0.02nm/sec, 0.03nm/sec, 0.05nm/sec, 0.12nm/sec and 0.16nm/sec were confirmed in the specimens of 60W to 100W. As a result of the FE-SEM analysis, deposition rates of 0.02nm/sec, 0.03nm/sec, 0.06nm/sec, 0.13nm/sec and 0.17nm/sec similar to those of the AFM were observed under the respective deposition energy conditions. In order to deposit a 70nm Au electrode on the deposition rate according to the depositing energy of each deposition energy which confirmed the reliable deposition rate in Part 3-2, the electrode was deposited at 60W-90min, 70W-60min, 80W-25min, 90W-10min, 100W-7min, Respectively. FE-SEM and XRD analyzes were performed to confirm the microstructure and crystallinity of the formed perovskite. The surface temperature of the device was analyzed in order to quantitatively analyze the thermal energy received by the device surface at each deposition condition. The short circuit current density(Jsc), open voltage(Voc), fill factor(FF) and energy conversion efficiency(ECE) were confirmed through the solar simulator and the potentiostat for the completed device. The electron probe X-ray microanalyzer(EPMA) analysis of the fabricated vertical section specimens was performed. As a result of FE-SEM and XRD, the perovskite crystals formed had an average grain size of 430nm and showed excellent crystallinity. As a result of analyzing the surface temperature of the device, the temperature was 100°C or less for 60W-90min and 70W-60min, 120°C or less for 80W-25min, 90W-10min for 100W-7min and 120 °C or more for 100W-7min. As a result of the photovoltaic analysis of the fabricated device, the energy conversion efficiency of 0.00005%, 0.15%, 5.48%, 3.79% and 0.19% at 60W-90min, 70W-60min, 80W-25min, 90W-10min and 100W-7min and short circuit current density, open circuit voltage, and fill factor showed similar tendencies to energy conversion efficiency. As a result of FE-SEM analysis of the surface of the HTM layer by peeling off the Au electrode part, the damage of the lower HTM layer was not observed under the condition of 80W-25min. However, the conditions of 60W-90min, 70W-60min, 90W-10min, 100W-7min, Damage of the lower HTM layer was confirmed. It has been confirmed that the long time of the Au deposition process or the high surface temperature caused the lower HTM layer to be damaged, thereby reducing the photoelectric characteristics of the device. As a result of EPMA, counter diffusion of Au and Pb in perovskite was confirmed at 60W-90min and 100W-7min. This is attributed to the thermal energy generated during the electrode deposition process, and the photovoltacic characteristics of the device were decreased due to the counter diffusion of Au-Pb. Therefore, in this study, reliable deposition rate according to the deposition energy in the formation of Au electrode was confirmed using a thermal evaporator. Then, Au was used as the electrode of the perovskite solar cell under the conditions of the each deposition energy and the process time. At this time, the deposition conditions of the Au electrode ensuring excellent photovoltaic characteristics without damaging the HTM layer were confirmed.
When the electrode of the perovskite solar cell is deposited, the HTM layer, which is an organic layer, may be damaged depending on the deposition conditions. However, until now there has been no report of this problem. Therefore, this study investigated the damage of organic HTM layer according to quantitative electrode deposition conditions, and finally proceeded to develop an optimized electrode deposition process without organic HTM damage during electrode deposition. In this study, the deposition energy and the process time of the thermal evaporator used in the formation of the Au electrode of the perovskite solar cell were controlled and the photovoltaic and physical properties of the fabricated device were observed. Au electrodes were formed on a 20x20mm2 silicon substrate at 60W, 70W, 80W, 90W, and 100W deposition conditions under a vacuum of 6.0x10-6 torr or less using a thermal evaporator with a distance of 50cm between the boat and the substrate. At this time, the deposition process was performed for 10 minutes under the conditions of 60W, 70W, 80W, 90W, and 100W deposition energy. In Part 3-1, alpha-step, atomic force microscope(AFM), and field emission scanning electron microscope(FE-SEM) analyzes were used to confirm the reliable deposition rate for each deposition energy. As a result of the α-step analysis, reliable deposition rate can not be confirmed due to the edge effect generated in the pattern mask portion during the electrode deposition. In the case of the AFM and FE-SEM analysis samples, the edge effect portion was analyzed after etching. As a result of the AFM analysis, the deposition rates of 0.02nm/sec, 0.03nm/sec, 0.05nm/sec, 0.12nm/sec and 0.16nm/sec were confirmed in the specimens of 60W to 100W. As a result of the FE-SEM analysis, deposition rates of 0.02nm/sec, 0.03nm/sec, 0.06nm/sec, 0.13nm/sec and 0.17nm/sec similar to those of the AFM were observed under the respective deposition energy conditions. In order to deposit a 70nm Au electrode on the deposition rate according to the depositing energy of each deposition energy which confirmed the reliable deposition rate in Part 3-2, the electrode was deposited at 60W-90min, 70W-60min, 80W-25min, 90W-10min, 100W-7min, Respectively. FE-SEM and XRD analyzes were performed to confirm the microstructure and crystallinity of the formed perovskite. The surface temperature of the device was analyzed in order to quantitatively analyze the thermal energy received by the device surface at each deposition condition. The short circuit current density(Jsc), open voltage(Voc), fill factor(FF) and energy conversion efficiency(ECE) were confirmed through the solar simulator and the potentiostat for the completed device. The electron probe X-ray microanalyzer(EPMA) analysis of the fabricated vertical section specimens was performed. As a result of FE-SEM and XRD, the perovskite crystals formed had an average grain size of 430nm and showed excellent crystallinity. As a result of analyzing the surface temperature of the device, the temperature was 100°C or less for 60W-90min and 70W-60min, 120°C or less for 80W-25min, 90W-10min for 100W-7min and 120 °C or more for 100W-7min. As a result of the photovoltaic analysis of the fabricated device, the energy conversion efficiency of 0.00005%, 0.15%, 5.48%, 3.79% and 0.19% at 60W-90min, 70W-60min, 80W-25min, 90W-10min and 100W-7min and short circuit current density, open circuit voltage, and fill factor showed similar tendencies to energy conversion efficiency. As a result of FE-SEM analysis of the surface of the HTM layer by peeling off the Au electrode part, the damage of the lower HTM layer was not observed under the condition of 80W-25min. However, the conditions of 60W-90min, 70W-60min, 90W-10min, 100W-7min, Damage of the lower HTM layer was confirmed. It has been confirmed that the long time of the Au deposition process or the high surface temperature caused the lower HTM layer to be damaged, thereby reducing the photoelectric characteristics of the device. As a result of EPMA, counter diffusion of Au and Pb in perovskite was confirmed at 60W-90min and 100W-7min. This is attributed to the thermal energy generated during the electrode deposition process, and the photovoltacic characteristics of the device were decreased due to the counter diffusion of Au-Pb. Therefore, in this study, reliable deposition rate according to the deposition energy in the formation of Au electrode was confirmed using a thermal evaporator. Then, Au was used as the electrode of the perovskite solar cell under the conditions of the each deposition energy and the process time. At this time, the deposition conditions of the Au electrode ensuring excellent photovoltaic characteristics without damaging the HTM layer were confirmed.
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