지난 몇 년 동안 금속 할라이드 페로브스카이트는 매우 유망한 PV 소재로써 태양전지연구 분야에서 큰 주목을 받고 있다. 페로브스카이트 소재는 낮은 트랩 밀도로 인한 장거리 전하 캐리어의 확산 길이, 직접 밴드 갭으로 인한 높은 흡수 계수, 높은 ...
지난 몇 년 동안 금속 할라이드 페로브스카이트는 매우 유망한 PV 소재로써 태양전지연구 분야에서 큰 주목을 받고 있다. 페로브스카이트 소재는 낮은 트랩 밀도로 인한 장거리 전하 캐리어의 확산 길이, 직접 밴드 갭으로 인한 높은 흡수 계수, 높은 개방 회로 전압 & 작은 엑시톤 결합 에너지와 같은 우수한 광전지 특성을 보인다. 또한 페로브스카이트 태양전지는 용액 및 저 비용 공정을 통해 제조될 수 있다. 최근, 페로브스카이트 태양전지의 기록 효율은 1 sun condition에서 24.2% 이상에 도달하였다고 국립 신 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)에 의해 보고 되었다. 효율적인 페로브스카이트 태양전지를 만들기 위해서는 많은 요구사항들을 필요로 한다. 그중, 페로브스카이트 필름의 quality는 선행적으로 만족되어야 하는 필수 사항이다. 소재 자체의 조성을 제어하는 것 이상으로, 기판상에 치밀하고 균일한 필름을 형성하는 것이 고성능 페로브스카이트 태양전지의 제조에 결정적이다. 특히, 용액공정에 의해 제조되는 페로브스카이트 필름의 quality는 coating 방법에 따라 크게 달라질 수 있다. 태양전지의 고효율을 달성하기 위해, 페로브스카이트 필름은 적절한 형태학적 특성을 가져야 한다. 충분히 큰 입자, 전체 표면 커버리지, 낮은 표면 거칠기 및 양호한 입자간 연결을 포함한다. 하자만, 일반 유기 필름과는 다르게 MAI or FAI와 PbI2 간의 빠른 반응 및 자기 조립 성질로 인해 다양한 필름 형태가 나타나기 때문에 단순 스핀 코팅을 이용하여 균일하고 치밀한 필름을 형성하기는 매우 어렵다. 따라서 빠른 결정화 거동을 제어함으로써 표면 평탄도를 개선하고 표면 결합을 완전하게 하는 증착 방법의 개발이 중요하다. 1 장에서는 스핀 코팅 공정 중 저온에서 FAI와의 분자 교환 능력이 우수한 PbI2(DMSO) 전구체 합성 및 20 %를 초과하는 인증된 PCE를 갖춘 고효율 FAPbI3 기반 PSC의 제조에 대해 보고한다. 사전 증착 된 PbI2(DMSO) 필름과 FAI (MABr) 용액을 사용하여 DMSO와 FAI (MABr) 사이의 분자 내 교환을 통해 FAPbI3 기반 PSC를 제조한다. PbI2(DMSO)로부터 유래된 FAPbI3 필름은 보다 큰 입자를 갖는 고밀도이고 잘 발달된 입자 구조를 나타냈다. 약 500 nm의 두께로 FAPbI3 기반 필름을 증착하고 불소가 도핑 된 산화 주석 (FTO) - 유리 / blocking layer (bl) -TiO2 / mesoporous (mp) -TiO2 / perovskite / poly-triarylamine (PTAA) / Au구조의 태양전지를 제작하였다. FAPbI3 기반 층을 갖는 제조된 소자의 전류 밀도 - 전압(J-V) 곡선을 표준 공기 질량 1.5 글로벌 (AM 1.5G) 조명 하에서 측정하고 외부 양자 효율 (EQE) 스펙트럼을 측정하였다. 최고 성능의 태양 전지 중 하나에 대해 역방향 및 순방향 바이어스 스윕을 통해 J-V 곡선을 측정하였다. 제작한 장치에서 히스테리시스 현상은 나타나지 않는다. J-V 곡선으로부터 결정된 JSC, VOC 및 FF는 각각 24.7 mA / ㎠, 1.06 V 및 77.5 %였고 표준 AM 1.5G 조명 하에서 20.2 %의 PCE에 해당한다. 이 연구는 효율적이고 비용 효율적인 무기 - 유기 하이브리드 접합 태양 전지를 제작하기위한 효과적인 프로토콜을 제공한다. 2 장에서는 분자 내 교환 법 (IEPs)의 첨가물을 제어하여 소자의 광전지 변환 효율을 증가시키기 위한 실험을 진행하였다. PbI2, FAI 및 MAC1의 순도와 첨가 농도를 제어하였다. 집광, 전자 전달, 전자 확산 등의 광학적 물성을 향상시키기 위해서는 균일하고 큰결정립을 가지고 결함이 거의 없는 필름 형상을 제어하는 것이 중요하다. PbI2, FAI 및 MACl은 IEP에서 균일하고 큰 결정 성 FAPbI3 필름을 만드는데 중요한 기여를 한다. 각 물질의 조건에 따른 FAPbI3 필름의 형태 변화를 ESEM을 통해 관찰하였고, 고효율 페로브스카이트 태양 전지의 제조를 위한 물질 조건을 확인하였다. 3 장에서 결함 제어된 페로브스카이트 필름의 조성을 사용하여 인증된 PCE를 소형 셀에서 22.1 %, 1cm2 셀에서 19.7 %를 달성하였다. Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) 및 시간 상관 단일 광자 계수 (TCSPC) 측정을 사용하여 IEPs 방법으로 생성된 페로브스카이트 필름을 분석하였다. 페로브스카이트 필름을 형성하기 위해 사용된 유기 양이온 용액 에 아이오다이드 이온을 첨가하면 미세 구조 현상, 딥 결함의 집중 및 전하 캐리어 재조합에 상당한 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 우리는 페로브스카이트 층에서 할로겐화물 음이온의 관리가 고효율 PSC 생산의 새로운 방향을 제공할 것이라고 생각한다. 궁극적으로, 분자 내 교환 법 (IEPs)을 통해 deep level 결함 및 전하 캐리어 재결합의 농도를 제어함으로써 phase-pure & high-quality morphology FAPbI3 필름을 제조할 수 있었고, 이는 고효율 페로브스카이트 태양 전지 제조를 위한 방향성을 제공할 것이라고 생각한다3
지난 몇 년 동안 금속 할라이드 페로브스카이트는 매우 유망한 PV 소재로써 태양전지연구 분야에서 큰 주목을 받고 있다. 페로브스카이트 소재는 낮은 트랩 밀도로 인한 장거리 전하 캐리어의 확산 길이, 직접 밴드 갭으로 인한 높은 흡수 계수, 높은 개방 회로 전압 & 작은 엑시톤 결합 에너지와 같은 우수한 광전지 특성을 보인다. 또한 페로브스카이트 태양전지는 용액 및 저 비용 공정을 통해 제조될 수 있다. 최근, 페로브스카이트 태양전지의 기록 효율은 1 sun condition에서 24.2% 이상에 도달하였다고 국립 신 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)에 의해 보고 되었다. 효율적인 페로브스카이트 태양전지를 만들기 위해서는 많은 요구사항들을 필요로 한다. 그중, 페로브스카이트 필름의 quality는 선행적으로 만족되어야 하는 필수 사항이다. 소재 자체의 조성을 제어하는 것 이상으로, 기판상에 치밀하고 균일한 필름을 형성하는 것이 고성능 페로브스카이트 태양전지의 제조에 결정적이다. 특히, 용액공정에 의해 제조되는 페로브스카이트 필름의 quality는 coating 방법에 따라 크게 달라질 수 있다. 태양전지의 고효율을 달성하기 위해, 페로브스카이트 필름은 적절한 형태학적 특성을 가져야 한다. 충분히 큰 입자, 전체 표면 커버리지, 낮은 표면 거칠기 및 양호한 입자간 연결을 포함한다. 하자만, 일반 유기 필름과는 다르게 MAI or FAI와 PbI2 간의 빠른 반응 및 자기 조립 성질로 인해 다양한 필름 형태가 나타나기 때문에 단순 스핀 코팅을 이용하여 균일하고 치밀한 필름을 형성하기는 매우 어렵다. 따라서 빠른 결정화 거동을 제어함으로써 표면 평탄도를 개선하고 표면 결합을 완전하게 하는 증착 방법의 개발이 중요하다. 1 장에서는 스핀 코팅 공정 중 저온에서 FAI와의 분자 교환 능력이 우수한 PbI2(DMSO) 전구체 합성 및 20 %를 초과하는 인증된 PCE를 갖춘 고효율 FAPbI3 기반 PSC의 제조에 대해 보고한다. 사전 증착 된 PbI2(DMSO) 필름과 FAI (MABr) 용액을 사용하여 DMSO와 FAI (MABr) 사이의 분자 내 교환을 통해 FAPbI3 기반 PSC를 제조한다. PbI2(DMSO)로부터 유래된 FAPbI3 필름은 보다 큰 입자를 갖는 고밀도이고 잘 발달된 입자 구조를 나타냈다. 약 500 nm의 두께로 FAPbI3 기반 필름을 증착하고 불소가 도핑 된 산화 주석 (FTO) - 유리 / blocking layer (bl) -TiO2 / mesoporous (mp) -TiO2 / perovskite / poly-triarylamine (PTAA) / Au구조의 태양전지를 제작하였다. FAPbI3 기반 층을 갖는 제조된 소자의 전류 밀도 - 전압(J-V) 곡선을 표준 공기 질량 1.5 글로벌 (AM 1.5G) 조명 하에서 측정하고 외부 양자 효율 (EQE) 스펙트럼을 측정하였다. 최고 성능의 태양 전지 중 하나에 대해 역방향 및 순방향 바이어스 스윕을 통해 J-V 곡선을 측정하였다. 제작한 장치에서 히스테리시스 현상은 나타나지 않는다. J-V 곡선으로부터 결정된 JSC, VOC 및 FF는 각각 24.7 mA / ㎠, 1.06 V 및 77.5 %였고 표준 AM 1.5G 조명 하에서 20.2 %의 PCE에 해당한다. 이 연구는 효율적이고 비용 효율적인 무기 - 유기 하이브리드 접합 태양 전지를 제작하기위한 효과적인 프로토콜을 제공한다. 2 장에서는 분자 내 교환 법 (IEPs)의 첨가물을 제어하여 소자의 광전지 변환 효율을 증가시키기 위한 실험을 진행하였다. PbI2, FAI 및 MAC1의 순도와 첨가 농도를 제어하였다. 집광, 전자 전달, 전자 확산 등의 광학적 물성을 향상시키기 위해서는 균일하고 큰결정립을 가지고 결함이 거의 없는 필름 형상을 제어하는 것이 중요하다. PbI2, FAI 및 MACl은 IEP에서 균일하고 큰 결정 성 FAPbI3 필름을 만드는데 중요한 기여를 한다. 각 물질의 조건에 따른 FAPbI3 필름의 형태 변화를 ESEM을 통해 관찰하였고, 고효율 페로브스카이트 태양 전지의 제조를 위한 물질 조건을 확인하였다. 3 장에서 결함 제어된 페로브스카이트 필름의 조성을 사용하여 인증된 PCE를 소형 셀에서 22.1 %, 1cm2 셀에서 19.7 %를 달성하였다. Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS) 및 시간 상관 단일 광자 계수 (TCSPC) 측정을 사용하여 IEPs 방법으로 생성된 페로브스카이트 필름을 분석하였다. 페로브스카이트 필름을 형성하기 위해 사용된 유기 양이온 용액 에 아이오다이드 이온을 첨가하면 미세 구조 현상, 딥 결함의 집중 및 전하 캐리어 재조합에 상당한 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 우리는 페로브스카이트 층에서 할로겐화물 음이온의 관리가 고효율 PSC 생산의 새로운 방향을 제공할 것이라고 생각한다. 궁극적으로, 분자 내 교환 법 (IEPs)을 통해 deep level 결함 및 전하 캐리어 재결합의 농도를 제어함으로써 phase-pure & high-quality morphology FAPbI3 필름을 제조할 수 있었고, 이는 고효율 페로브스카이트 태양 전지 제조를 위한 방향성을 제공할 것이라고 생각한다3
Over the last few years, the metal halide perovskite has attracted considerable attention in the solar cell research field as a promising PV material. Perovskite materials exhibit excellent photovoltaic properties such as diffusion length of long charge carriers due to low trap density, high abs...
Over the last few years, the metal halide perovskite has attracted considerable attention in the solar cell research field as a promising PV material. Perovskite materials exhibit excellent photovoltaic properties such as diffusion length of long charge carriers due to low trap density, high absorption coefficient due to the direct bandgap, high open circuit voltage and small exciton binding energy. In addition, perovskite solar cells can be manufactured at a low cost through solution processes. Recently, the recording efficiency of perovskite solar cells reached 24.2% in 1 sun condition, reported by the National Renewable Energy Laboratory. In order to produce an efficient perovskite solar cell, many requirements are required. Among them, the quality of the perovskite film is a necessity that must be satisfied. Control of the composition of the material is also important, but forming a dense and uniform thin film on the substrate is critical to the production of high-performance perovskite solar cells. Particularly, the quality of the perovskite thin film produced by the solution process can be greatly changed according to the process method. In order to achieve high efficiency of the solar cell, the perovskite thin film should have appropriate morphological characteristics. As its characteristics, it includes sufficiently large particles, total surface coverage, low surface roughness, and good inter-particle connectivity. However, unlike conventional organic thin films, it is very difficult to form a uniform and dense film by using simple spin-coating because of the rapid reaction between MAI or FAI and PbI2 and self-assembling properties. Therefore, it is important to develop coating methods that improve surface roughness and reduce surface defects by controlling fast crystallization behavior.
In chapter 1, report on the synthesis of a PbI2(DMSO) precursor with excellent capabilities for molecular exchange with FAI at low temperatures during the spinning process, as well as the fabrication of highly efficient FAPbI3-based PSCs with certified PCEs exceeding 20 %. To fabricate FAPbI3-based PSCs through intramolecular exchange between DMSO and FAI (MABr) using pre-deposited PbI2(DMSO) layers and a FAI (MABr) solution. The FAPbI3 film derived from PbI2(DMSO) exhibited a dense and well-developed grain structure with larger grains. I deposited FAPbI3–based layers with a thickness of ~ 500 nm, and fabricated devices consisting of fluorine-doped tin oxide (FTO)-glass/barrier layer (bl)-TiO2/mesoporous (mp)-TiO2/perovskite/poly-triarylamine(PTAA)/Au. The current density-voltage (J-V) curves of the fabricated cells with FAPbI3-based layers were measured under a standard air mass 1.5 global (AM 1.5G) illumination and the external quantum efficiency (EQE) spectra were measured. The J–V curves measured via reverse and forward bias sweep for one of the best-performing solar cell. The devices we fabricated also showed no hysteresis. JSC, VOC, and FF determined from the J–V curves were 24.7 mA / cm2, 1.06 V, and 77.5 %, respectively, and correspond to a PCE of 20.2 % under standard AM 1.5G illumination. This study provides an effective protocol for fabricating efficient and cost-effective inorganic-organic hybrid heterojunction solar cells. In chapter 2, I intend to increase the photovoltaic conversion efficiency of devices by controlling the added substances of intramolecular exchange process (IEPs). PbI2, FAI, and MACl. In order to improve the optical-cell-physical properties such as light collection, electron transport, and electron diffusion, it is important to control a thin film shape with a uniform and large crystal grains and having few defects. PbI2, FAI, and MACl make a significant contribution to making uniform and large crystalline FAPbI3 films in IEPs. The morphology changes of FAPbI3 films according to each material were observed through FESEM and the light conversion efficiency of the device was confirmed to confirm the conditions for producing high-efficiency perovskite solar cell. In chapter 3, report the certified PCE of 22.1% in small cells and 19.7% in 1 cm2 cells using the composition of defect-controlled perovskite films. Analyzed the perovskite films produced by the IEPs method using deep-level transient spectroscopy (DLTS) and time-correlated single photon counting (TCSPC) measurements. The addition of iodide ion to the organic cation solution used to form the perovskite thin film shows that it has a significant effect on the microstructure development, the concentration of the deep defect and hence the charge carrier recombination. I believe that the management of halide anions in the perovskite layer will provide a new direction for the production of high-efficiency PSCs.
Ultimately, the phase-pure FAPbI3 and high-quality morphology of the perovskite layer formed through intramolecular exchange (IEPs) and control of concentration of deep defect and charge carrier recombination will provide directionality for high efficiency perovskite solar cell fabrication.
Over the last few years, the metal halide perovskite has attracted considerable attention in the solar cell research field as a promising PV material. Perovskite materials exhibit excellent photovoltaic properties such as diffusion length of long charge carriers due to low trap density, high absorption coefficient due to the direct bandgap, high open circuit voltage and small exciton binding energy. In addition, perovskite solar cells can be manufactured at a low cost through solution processes. Recently, the recording efficiency of perovskite solar cells reached 24.2% in 1 sun condition, reported by the National Renewable Energy Laboratory. In order to produce an efficient perovskite solar cell, many requirements are required. Among them, the quality of the perovskite film is a necessity that must be satisfied. Control of the composition of the material is also important, but forming a dense and uniform thin film on the substrate is critical to the production of high-performance perovskite solar cells. Particularly, the quality of the perovskite thin film produced by the solution process can be greatly changed according to the process method. In order to achieve high efficiency of the solar cell, the perovskite thin film should have appropriate morphological characteristics. As its characteristics, it includes sufficiently large particles, total surface coverage, low surface roughness, and good inter-particle connectivity. However, unlike conventional organic thin films, it is very difficult to form a uniform and dense film by using simple spin-coating because of the rapid reaction between MAI or FAI and PbI2 and self-assembling properties. Therefore, it is important to develop coating methods that improve surface roughness and reduce surface defects by controlling fast crystallization behavior.
In chapter 1, report on the synthesis of a PbI2(DMSO) precursor with excellent capabilities for molecular exchange with FAI at low temperatures during the spinning process, as well as the fabrication of highly efficient FAPbI3-based PSCs with certified PCEs exceeding 20 %. To fabricate FAPbI3-based PSCs through intramolecular exchange between DMSO and FAI (MABr) using pre-deposited PbI2(DMSO) layers and a FAI (MABr) solution. The FAPbI3 film derived from PbI2(DMSO) exhibited a dense and well-developed grain structure with larger grains. I deposited FAPbI3–based layers with a thickness of ~ 500 nm, and fabricated devices consisting of fluorine-doped tin oxide (FTO)-glass/barrier layer (bl)-TiO2/mesoporous (mp)-TiO2/perovskite/poly-triarylamine(PTAA)/Au. The current density-voltage (J-V) curves of the fabricated cells with FAPbI3-based layers were measured under a standard air mass 1.5 global (AM 1.5G) illumination and the external quantum efficiency (EQE) spectra were measured. The J–V curves measured via reverse and forward bias sweep for one of the best-performing solar cell. The devices we fabricated also showed no hysteresis. JSC, VOC, and FF determined from the J–V curves were 24.7 mA / cm2, 1.06 V, and 77.5 %, respectively, and correspond to a PCE of 20.2 % under standard AM 1.5G illumination. This study provides an effective protocol for fabricating efficient and cost-effective inorganic-organic hybrid heterojunction solar cells. In chapter 2, I intend to increase the photovoltaic conversion efficiency of devices by controlling the added substances of intramolecular exchange process (IEPs). PbI2, FAI, and MACl. In order to improve the optical-cell-physical properties such as light collection, electron transport, and electron diffusion, it is important to control a thin film shape with a uniform and large crystal grains and having few defects. PbI2, FAI, and MACl make a significant contribution to making uniform and large crystalline FAPbI3 films in IEPs. The morphology changes of FAPbI3 films according to each material were observed through FESEM and the light conversion efficiency of the device was confirmed to confirm the conditions for producing high-efficiency perovskite solar cell. In chapter 3, report the certified PCE of 22.1% in small cells and 19.7% in 1 cm2 cells using the composition of defect-controlled perovskite films. Analyzed the perovskite films produced by the IEPs method using deep-level transient spectroscopy (DLTS) and time-correlated single photon counting (TCSPC) measurements. The addition of iodide ion to the organic cation solution used to form the perovskite thin film shows that it has a significant effect on the microstructure development, the concentration of the deep defect and hence the charge carrier recombination. I believe that the management of halide anions in the perovskite layer will provide a new direction for the production of high-efficiency PSCs.
Ultimately, the phase-pure FAPbI3 and high-quality morphology of the perovskite layer formed through intramolecular exchange (IEPs) and control of concentration of deep defect and charge carrier recombination will provide directionality for high efficiency perovskite solar cell fabrication.
주제어
#High quality phase-pure FAPbI3 Perovskite Perovskite solar cell Intramolecular exchange Morphology High efficiency Iodide management Defect
학위논문 정보
저자
Woon Seok Yang
학위수여기관
Graduate School of UNIST
학위구분
국내박사
학과
Chemistry
지도교수
Seok, Sang Il
발행연도
2019
총페이지
112
키워드
High quality phase-pure FAPbI3 Perovskite Perovskite solar cell Intramolecular exchange Morphology High efficiency Iodide management Defect
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