트리아진 코어 기반 신규 정공 수송 물질을 사용한 고효율 및 고내구성 페로브스카이트 태양전지 개발에 관한 연구
Study on the Development of High-efficiency and High-durability Perovskite Solar Cells Using Triazine-Based Novel Hole Transport Material
- 주제어 (키워드) perovskite solar cells , hole transport material , ultra-simple synthesis , defects passivation , moisture and thermal stability
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 오세용
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079320
- UCI I804:11029-000000079320
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
최근 에너지 수요 증가와 함께 태양광 산업은 가장 주목받은 친환경 에너지원으로 자리잡고 있으며, 이 중에서 페로브스카이트 태양전지는 높은 효율과 저비용 제조 공정의 장점으로 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위해서는 적절한 밴드 정렬과 단순화된 제조 공정을 제공하는 정공 수송 물질은 필수적이다. 현재 가장 널리 사용되는 정공 수송 물질인 Spiro-OMeTAD는 복잡한 합성 공정, 높은 비용, 그리고 안정성의 한계로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 도너-억셉터-도너 (D-A-D) 구조를 가진 신규 저분자 정공 수송 물질인 PTBC (6-phenyl-1,3,5-triazine-2,4-bis[di(4- methoxyphenyl)amino]carbazole)를 개발하여 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 개선하고자 하였다. 본 연구에서 개발된 PTBC는 저비용 재료를 활용한 단일 단계 합성 공정을 통해 제작되었으며, 페로브스카이트 층의 표면 결함을 효과적으로 수동화하고 뛰어난 정공 추출 능력을 보였다. 또한, 기존 도펀트 사용 시 발생하는 페로브스카이트 층의 열화를 방지하는 소수성 특성을 지녀 더욱 향상된 안정성을 보였다. PTBC를 정공 수송층으로 사용한 페로브스카이트 태양전지는 최대 20.17%의 전력 변환 효율 (PCE)을 기록하였으며, 2568시간 동안 초기 성능의 90.96%를 유지하는 우수한 장기 안정성을 확인하였다. 본 연구에서는 PTBC 기반 페로브스카이트 태양전지는 효율과 안정성을 동시에 향상시켰다. 또한, Spiro-OMeTAD의 한계를 극복할 수 있는 비용 효율적이며 높은 성능과 안정성을 지닌 정공 수송 물질로서, 페로 브스카이트 태양전지의 상용화 가능성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.
more초록 (요약문)
With the increasing demand for energy, the solar energy industry has become one of the most prominent eco-friendly energy sources, and perovskite solar cells (PSCs) are particularly recognized as the next-generation solar cells, known for their high efficiency and low-cost manufacturing process. Hole transport materials (HTMs) with suitable band alignment and simplified fabrication processes are essential to enhance the performance of PSCs with n-i-p structures. Although Spiro-OMeTAD has been a common HTM in PSCs, its complex synthesis process and high cost hinder its commercialization. In this study, we report a novel small-molecule HTM, 6-phenyl-1,3,5-triazine-2,4- bis[di(4-methoxyphenyl)amino]carbazole (PTBC), synthesized using low-cost materials and a simplified one-step process to enhance the performance and stability of PSCs. PTBC effectively passivates surface defects in the perovskite (PVK) layer, enhances hole extraction through appropriate energy band alignment, and prevents the degradation of the PVK layer caused by conventional dopants. The best PTBC-based PSC yielded a power conversion efficiency (PCE) of up to 20.17%, retaining 90.96% of initial performance stored after 2568 h. This novel HTM, PTBC, is expected to pave the way for the commercialization of cost- effective and long-term stable PSCs as an alternative solution to overcome the limitations associated with Spiro-OMeTAD.
more목차
제 Ⅰ 장. 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구내용 3
제 Ⅱ 장. 재료 및 실험방법 5
2.1 시약 5
2.2 전구체 제조 방법 6
2.3 소자 제작 방법 7
2.4 분석 기기 8
제 Ⅲ 장. 결과 및 고찰 10
3.1 PTBC의 구조 및 합성 과정 10
3.2 NMR 분석 12
3.3 PTBC 농도별 실험 14
3.4 광학적 특성 분석 15
3.5 열적 특성 분석 21
3.6 표면 분석 23
3.7 PL 및 TRPL 분석 25
3.8 정공 이동도 분석 27
3.9 XPS 분석 30
3.10 FTIR 분석 32
3.11 전기화학적 특성 분석 33
3.12 소자 안정성 및 단면 분석 35
3.13 도펀트 확산 차단 효과 검증 분석 37
3.14 장기 결정 안정성 검증 분석 39
3.15 Light intensity에 따른 PSCs의 VOC 와 JSC 분석 42
3.16 페로브스카이트 태양전지 전류-전압 특성 분석 44
3.17 페로브스카이트 태양전지 EQE 및 수분 안정성 평가 46
3.18 페로브스카이트 태양전지 출력, 열적 및 장기 안정성 평가 48
제 Ⅳ 장. 결론 52
참고문헌 53
