Study on Interface Properties for High Efficiency Organic and Organic-Inorganic Hybrid Perovskite Solar Cells

Abstract

현재 전세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 화석연료는 연소과정에서 배출되는 오염물질로 인해 대기중 미세먼지 농도를 높이고 각종 호흡기 질환을 유발하여 생명에 위협적이다. 무엇보다, 화석연료는 머지않아 고갈될 확률이 높기 때문에 우리는 미래세대에도 안정적으로 사용할 수 있는 다른 에너지원이 절실히 필요하다. 화석연료의 이용을 줄이고 동시에 이를 대체할 수 있는 신재생에너지 중 태양에너지는 지구상에서 제공되는 에너지자원 중 가장 풍부하여 오래전부터 중요한 에너지원으로 주목받아왔다. 특히, 태양빛을 전기에너지로 변환시켜주는 태양전지는 공해가 없고 유지보수 비용이 거의 들지 않는 장점으로 전세계에서 활발히 개발되고 있다. 3세대 태양전지는 1세대와 2세대의 단점을 모두 극복한 차세대 태양전지로, 이 필드에서 현재 가장 주목받고 있다. 용액공정 기반 3세대 적층형 태양전지는 활성층에서 전하이동층으로 전하들이 이동하고 전극쪽으로 수집되는 형태로, 각층 내부 계면과 층간 계면 특성에 의해 소자 효율 및 안정성이 크게 변화된다. 이에 계면공학에 대한 연구는 소자의 효율과 안정성 향상을 위해 꼭 필요한 연구이다. 3세대 태양전지의 활성층 물질로 가장 각광받고 있는 페로브스카이트와 유기물은 제작시, 각기 다른 기하학적구조를 가져, 계면특성과 이를 조절하기 위한 계면의 목표대상이 다르다. 페로브스카이트 태양전지에서는 용액공정을 통해 다결정 페로브스카이트 박막을 형성하고 전하수송층이 그 위에 적층된 구조로, 이때 결정립 계면에서는 불안정한 화학결합에 의한 결함이 존재하여 전하의 이동이 방해되고 공기중에 구조분해가 빠르게 일어난다. 반면, 유기 태양전지에서는 무작위적으로 상분리된 도너와 억셉터가 벌크 이종접합으로 형성되고 그 위에 전하수송층이 적층된 구조로, 도너와 억셉터의 네트워크 구성이 전하의 이동에 가장 큰 영향을 준다. 따라서, 본 연구에서는 페로브스카이트와 유기 태양전지 소자의 각기 다른 계면을 타겟으로 하여, 계면 제어에 따른 전기적, 광학적 특성을 분석하였고, 분석을 통해 효율과 안정성향상을 위한 최적의 계면형성 방법을 고안하였다. 특히 페로브스카이트 태양전지소자에서는 간단한 스핀코팅 제어방법을 통해 페로브스카이트 결정립계를 전하 추출을 위한 채널 역할로 바꾸었고, 유기 태양전지에서는 모폴로지 최적화를 위해 도너 물질의 백본곡률과 전자끌기 및 전자공여성 그룹의 치환기를 조절하여 전하 추출특성을 향상시켰다. 더 나아가, 활성층 내부의 계면특성과, 활성층과 전하수송층 사이의 계면특성을 동시에 향상시킬 수 있는 방법으로, 표면리간드 올레산과 공액 저분자 전해질을 활성층 생성과정에 투입하였다. 이를 통해 활성층 모폴로지를 최적화시키고 동시에 층간 표면저항을 감소시켜 소자 효율과 안정성을 향상시켰다.