다중 작용기의 자기조립단분자막을 활용한 NiOX 기반 페로브스카이트 태양전지의 계면 공학 연구
Interfacial Engineering of NiOX-Based Perovskite Solar Cells Using Self-Assembled Monolayers with Multi-Functional Groups
- 주제(키워드) perovskite , perovskite solar cells , nickel oxide , self-assembled monolayer , energy-level alignment , defect passivation , long-term stability , 페로브스카이트 , 페로브스카이트 태양전지 , 니켈산화물 , 자기조립단분자막 , 에너지 준위 정렬 , 결함 패시베이션 , 장기 안정성
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 오세용
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082812
- UCI I804:11029-000000082812
- 본문언어 한국어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
In this study, we focus on the chemical reactivity and energy–level mismatch at the interface between sputtered NiOX layers and the perovskite layer, which are key factors limiting the performance and long–term stability of inverted perovskite solar cells (PSCs). To address these issues, a novel self–assembled monolayer (SAM) called DPA–TXO, incorporating multiple phosphonic acid anchoring groups and a C=O functional group, was introduced at the NiOX/perovskite interface. The DPA–TXO establishes strong bonding with the NiOX surface through its dual phosphonic acid anchoring groups, leading to enhanced interfacial robustness. Notably, the C=O functional groups effectively passivate defect states at the interface by coordinating with uncoordinated Pb2+ ions in the perovskite. In addition, the introduction of C=O groups improves the surface wettability of the NiOX layer, facilitating uniform nucleation and controlling crystal growth of the perovskite film. As a result, compact and uniform perovskite films with reduced defect density were obtained. These interfacial modifications suppress non–radiative recombination and promote efficient hole extraction and transport. Furthermore, the introduction of DPA–TXO leads to improved energy–level alignment at the NiOX/perovskite interface, thereby minimizing interfacial energy losses. Consequently, the DPA–TXO–based PSCs achieved a high power conversion efficiency of 23.50%, a VOC of 1.122 V, and a fill factor of 82.1%. The DPA–TXO–based devices also demonstrated excellent operational durability, retaining 95.8% of their initial efficiency after 2520 h. This study proposes that SAM molecular engineering with multiple anchoring groups and carbonyl functional groups enables effective control of interfacial defect states and energy–level alignment at the sputtered NiOX/perovskite interface, offering a viable interfacial engineering strategy for high–efficiency and durable PSCs.
more초록(요약문)
본 연구에서는 스퍼터링 공정으로 제작된 NiOX 정공수송층과 페로브스카이트 층 사이 계면에서 발생하는 화학적 반응성과 에너지 준위 불일치 문제가 역구조 페로브스카이트 태양전지의 성능 및 장기 안정성을 제한하는 주요 요인임에 주목하였다. 이를 해결하기 위해, 다중 포스포닉산 앵커링 그룹과 C=O 작용기를 동시에 포함하는 신규 자기조립단분자막인 DPA-TXO를 NiOX/페로브스카이트 계면에 도입하였다. DPA-TXO는 두 개의 포스포닉산 앵커링 그룹을 통해 NiOX 표면과 강한 결합을 형성하여 계면 결합 안정성을 확보하였다. 특히, C=O 작용기는 페로브스카이트 내 미배위 Pb2+ 이온과 상호작용을 통해 계면에서의 결함 형성을 효과적으로 억제하였다. 동시에 C=O 작용기의 친수성 특성으로 인해 페로브스카이트 전구체의 젖음성이 개선되었으며, 이를 통해 조밀하고 균일한 결정성을 갖는 페로브스카이트 박막이 형성되었다. 이러한 계면 개질 효과는 비복사 재결합 손실을 감소시키고, 정공 추출 및 수송 특성의 향상으로 이어졌다. 또한, DPA-TXO의 도입은 NiOX/페로브스카이트 계면에서의 에너지 준위 정렬을 개선하여 계면에서 발생하는 에너지 손실을 효과적으로 감소하였다. 그 결과, DPA-TXO 기반 페로브스카이트 태양전지는 23.50%의 PCE, 1.122 V의 VOC, 82.1%의 FF를 달성하였으며, 2520시간 이상의 장기 안정성 평가에서도 초기 효율의 95.8%를 유지한 우수한 안정성을 보였다. 본 연구는 다중 앵커링 구조와 C=O 작용기를 활용한 SAM 분자 설계를 통해 스퍼터링 NiOX/페로브스카이트 계면에서의 결함 특성과 에너지 준위 정렬을 동시에 제어할 수 있음을 제시하며, NiOX 기반 역구조 페로브스카이트 태양전지의 고효율화와 장기 내구성 확보를 위한 효과적인 계면 공학 전략을 제공한다.
more목차
제 I 장. 서론 1
1.1 페로브스카이트 태양전지 개요 1
1.2 연구내용 4
제 II 장. 재료 및 방법 6
2.1 재료 6
2.2 전구체 제조 방법 6
2.2.1 자기조립단분자층 전구체 6
2.2.2 페로브스카이트 전구체 7
2.3 소자 제작 방법 7
2.3.1 스퍼터링 NiOX 박막 제작 7
2.3.2 페로브스카이트 태양전지 제작 7
2.4 분석 기기 8
제 III 장. 결과 및 고찰 10
3.1 계면공학을 위한 DPA-TXO의 합성 및 물성 특성 분석 10
3.2 NiOX와 페로브스카이트 계면에서의 DPA-TXO 상호작용 확인 14
3.3 DPA-TXO 도입을 통한 페로브스카이트 박막 영향 분석 16
3.4 DPA-TXO를 활용한 정공 추출 및 전달 특성 분석 20
3.5 페로브스카이트 태양전지의 성능 평가 26
3.6 페로브스카이트 박막의 안정성 평가 29
3.7 페로브스카이트 태양전지의 안정성 평가 33
제 IV 장. 결론 35
참고문헌 36
