NMP 용액 기반 역구조 페로브스카이트 태양전지의 특성에 관한 연구 : Studies on the characteristics of NMP solution-based inverted (p-i-n) perovskite solar cells
- 주제어 (키워드) PEDOT:PSS , 2PACz , self-assembled materials , aging process , MACl , NMP , complex
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 오세용
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000077097
- UCI I804:11029-000000077097
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록
페로브스카이트 태양전지는 태양광 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 친환경 에너지 기술 중 하나로, 기존 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 상용화에 있어서 소자의 안정성 문제는 여전히 해결해야 할 중요한 과제이다. 따라서 정구조 (n-i-p)에 비해 상대적으로 소자 안정성이 우수한 역구조 (p-i-n) 소자에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 또한, 페로브스카이트 전구용액에 첨가하는 공용매는 페로브스카이트 결정 형성에 중요한 역할을 한다. 일반적으로 dimethyl sulfoxide (DMSO)를 공용매로 사용하지만, 최근까지 다양한 공용매를 사용하여 페로브스카이트 결정성과 소자의 전기적 특성을 향상시키려는 시도가 계속되고 있다. 본 연구에서는 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 용액 기반의 역구조 페 로브스카이트 태양전지 특성에 관한 연구를 진행하였다. 첫째로, 자기조립단 분자인 [2-(9H-Carbazol-9-yl)ethyl]phosphonic acid (2PACz)를 정송수송층으로 사용한 NMP 용액 기반 역구조 납 (Pb) 페로브스카이트 태양전지를 제작하였다. NMP를 공용매로 사용할 경우 페로브스카이트 적층 시 사용되는 반용매 양이 크게 감소하는 것을 확인하였으며 이에 따른 소자의 전기적 특성을 분석하였다. 그리고 자기조립 단분자층 형성 메커니즘을 기반으로 한 aging 공정을 구축하여 2PACz를 사용한 소자의 재현성과 효율을 향상시켰다 . 둘째로, NMP 용액 기반의 역구조 주석-납 (Sn-Pb) 페로브스카이트 태양전지를 제작하였다. 해당 연구에서는 methylammonium chloride (MACl)를 페로브스카이트 전구용액에 첨가하여 2가 양이온(Sn, Pb) – NMP 복합체 형성 을 억제하였으며 이에 대한 메커니즘을 규명하였다. 또한, 감압 열처리 공정을 도입하여 주석-납 페로브스카이트를 손상시키지 않고 MACl을 저온에서 효과적으로 제거하여 소자의 효율과 안정성을 향상시켰다.
more초록
Perovskite solar cells, as an environmentally friendly energy technology that utilizes solar energy to generate electricity, are gaining attention as a next-generation solar cell to replace silicon solar cells. However, the stability issues of perovskite solar cells in commercialization remain a critical challenge. Therefore, research on the inverted structure (p-i-n), which exhibits relatively superior stability compared to the normal structure (n-i-p), is actively underway. Additionally, the choice of the cosolvent added to the perovskite precursor solution plays a crucial role in perovskite crystal formation. Typically, dimethyl sulfoxide (DMSO) is commonly employed as a solvent; however, recent efforts have been ongoing to enhance perovskite crystallinity and the electrical properties of devices by exploring various cosolvents beyond DMSO. In this study, we conducted research on the characteristics of N- methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution-based inverted perovskite solar cells. Firstly, we fabricated NMP solution-based inverted lead (Pb) perovskite solar cells using self-assembly monolayers, [2-(9H- Carbazol-9-yl)ethyl]phosphonic acid (2PACz), as the hole transport layer (HTL). It was observed that using NMP as the cosolvent significantly reduced the amount of antisolvent used in the perovskite depositing process, leading to an analysis of the electrical characteristics of the device. Furthermore, by establishing an aging process based on the self- assembly monolayer formation mechanism, we improved the reproducibility and efficiency of the device using 2PACz as the HTL. Secondly, we investigated NMP solution-based inverted tin-lead (Sn- Pb) perovskite solar cells. Here, it was confirmed that adding methylammonium chloride (MACl) to the perovskite precursor solution effectively inhibited the formation of divalent cations (Sn, Pb)-NMP complexes, and the mechanism of this phenomenon was elucidated. Additionally, by introducing a vacuum annealing process (VAP), we successfully removed MACl at low temperatures without compromising the degradation of the tin-lead perovskite films, thereby enhancing the efficiency and stability of the device.
more목차
제 Ⅰ 장. 서 론 1
제 Ⅱ 장. 재료 및 실험방법 4
2.1 시약 4
2.2 전구체 제조 방법 4
2.2.1 납 페로브스카이트 태양전지 전구용액 제조 방법 4
2.2.2 주석-납 페로브스카이트 태양전지 전구용액 제조 방법 5
2.3 소자 제작 방법 6
2.4 분석 기기 7
제 Ⅲ 장. 연구 내용 8
3.1 2PACz 를 HTL 로 사용한 NMP 용액 기반 납 페로브스카이트 태양전지 연구 8
3.1.1 자기조립 단분자층의 HTL 역할 8
3.1.2 2PACz 자기 정렬 공정 11
3.1.3 납 페로브스카이트 태양전지 전류-전압 특성 분석 15
3.1.4 XRD 표면 특성 분석 25
3.1.5 임피던스 분석 28
3.1.6 SCLC 분석 31
3.1.7 결론 및 고찰 33
3.2 MACl 첨가제를 사용한 NMP 용액 기반 주석-납 페로브스카이트 태양전지 연구 34
3.2.1 MACl 첨가제 역할 34
3.2.2 감압 열처리 공정 37
3.2.3 XRD 표면 특성 분석 38
3.2.4 MACl 첨가제의 2 가 양이온 NMP 복합체 형성 억제 메커니즘 44
3.2.5 FTIR 분석 46
3.2.6 FE-SEM 표면 분석 48
3.2.7 EDS 원소 분석 50
3.2.8 AFM 표면 분석 54
3.2.9 주석-납 페로브스카이트 태양전지 전류-전압 특성 분석 57
3.2.10 결론 및 고찰 63
제 Ⅳ 장. 결론 64
참고문헌 65
