Study on defect passivation effects of organic additive for high performance perovskite solar cells

Abstract

페로브스카이트 태양전지(PeSC)는 지난 10년 동안 전력 변환 효율(PCE)이 26%까지 급증하면서 빠르게 발전해 왔습니다. 그러나 안정성이 상대적으로 부족하여 높은 효율을 보이더라도 산업적 상용화가 크게 지연되고 있습니다. 본 논문에서는 실용적인 적용을 위해 일부 유기 첨가물을 도입하여 효율성과 안정성을 향상시켰습니다. 우선, 고품질 페로브스카이트 필름을 제조하기 위한 간단하고 효과적인 다기능 적층 엔지니어링 전략을 제시하였습니다. 2-hexyl-thiophene (2HT)이라는 유기 첨가물을 사용하여 페로브스카이트 전구체 용액에 티오펜 전자-쌍 공여체와 긴 소수성 알킬 사슬을 첨가합니다. 이로써 결정성이 높고 트랩 밀도가 감소하며 이온 이동이 제어되는 페로브스카이트 필름을 얻을 수 있습니다. 이러한 특징은 2HT의 황 원자와 페로브스카이트 필름의 Pb2+ 사이의 강력한 상호 작용에 기인합니다. 2HT 첨가제의 긴 알킬 사슬은 입자 크기의 증가, 매끄러운 표면 형성, 그리고 우수한 소수성을 통해 페로브스카이트 필름의 생산을 지원했습니다. 결과적으로, 2HT 첨가제를 사용한 MAPbI3 PeSC는 향상된 효율성과 장기적인 운영 안정성을 동시에 달성했습니다. 2HT 첨가한 태양전지는 기존 태양전지(18.65%)에 비해 20.61%라는 더 높은 전력 변환 효율을 제공하며, 무시할 정도의 이력 현상을 나타냈습니다. 또한, 2HT 첨가제를 사용하는 장치는 다양한 시험 조건에서 제어 장치보다 우수한 안정성을 보여주었습니다. 두번째로, 4-하이드록시피콜린산(4HPA)을 사용하여 FAPbI3 필름과 정공 수송층 사이의 인터페이스를 조정하여 페로브스카이트 필름의 표면 구조와 에너지 수준 정렬을 제어하는 용이한 전략을 개발하였습니다. 4HPA는 페로브스카이트 필름 표면에 고정되며, 계면에서 전하 전달을 촉진할 수 있는 뚜렷한 전자 비편재 분포 특성을 갖추고 있습니다. 이러한 특성을 통해 4HPA는 수소 결합, Pb-O 및 Pb-N 유도 결합 등을 통해 페로브스카이트 층과의 다중 결합 상호 작용을 가능하게 하여 트랩 밀도를 크게 감소시키고 비방사선 재결합을 효율적으로 억제합니다. 실험 결과로부터 얻은 페로브스카이트 필름은 향상된 결정성, 순수한 α상 FAPbI3 및 유리한 에너지 밴드 벤딩을 보여 우수한 광전자 특성을 나타내었습니다. 이러한 전략을 적용한 4HPA 후처리 페로브스카이트 태양전지는 환경 및 열적 안정성이 우수한 0.12 cm2 셀에서 23.28%의 변환 효율과 36 cm2 모듈에서 19.26%의 최고 전력 변환 효율을 달성하였습니다. 마지막으로, 매우 안정적인 페로브스카이트 태양전지를 위한 효과적인 캡슐화 방법을 개발하고 그 성능을 평가하였습니다. 이 방법은 FTO 기판의 뒷면에 생체 모방 텍스처를 가진 UV 흡수체와 환원된 산화 그래핀(rGO), 그리고 상용화된 Norland Optical Adhesive (NOA)의 열 추출 복합층을 Au 전극에 동시에 도입하여 효율성이 높고 안정적인 PeSC를 성공적으로 구현하였습니다. 마이크로 및 나노 계층 구조의 UV 흡수층은 효과적으로 UV 빛을 차단하면서도 가시광선의 투과율을 증가시킴으로써 발생하는 광전류를 희생 없이 장치의 안정성을 향상시켰습니다. 또한, Au 전극에 rGO와 NOA의 복합층을 도입함으로써 에폭시의 소수성과 산소 또는 물의 확산 경로의 복잡성으로부터 우수한 보호 성능을 얻을 수 있었습니다. 게다가, rGO의 우수한 열전도율은 캡슐화층을 통해 열 분산을 촉진하였습니다. 최종적으로, 캡슐화된 PeSC는 2개월 동안의 엄격한 노화 테스트를 거쳐도 장기 작동 중에 일관된 성능을 유지할 수 있었습니다. |Perovskite solar cells (PeSCs) have developed rapidly in the past decade and its certified power conversion efficiency (PCE) has skyrocketed to 26%. Though high PCE has been obtained, the relatively poor long-term device stability still significantly retards the industrial commercialization of this photovoltaic technology. In this dissertation, some organic additive materials were developed toward the PeSCs with the aim of improving their efficiency as well as stability, for practical application in ambient conditions. Firstly, a simple and effective multifunctional additive engineering strategy is reported for producing high-quality perovskite films. By including 2-hexyl-thiophene (2HT) with a thiophene electron-pair donor and a long hydrophobic alkyl chain as an additive in the perovskite precursor solution, a perovskite film with high crystallinity, decreased trap density, and hindered ion migration is successfully obtained. These features are attributed to the strong coordinative interaction between the sulfur atom in 2HT and Pb2+ in the perovskite film. The long alkyl chain of the 2HT additive assisted the production of a superior perovskite film with enlarged grain size, smooth surface topography, and hydrophobicity. Consequently, improved efficiency and prolonged operational stability are realized simultaneously for an inverted MAPbI3 PeSC with the 2HT additive. The device with 2HT delivers a higher power conversion efficiency of 20.61% compared with that of the control device (18.65%) and exhibits negligible hysteresis. Moreover, the stability of the device with the 2HT additive is superior to that of the control device under various testing conditions. Secondly, a facile interface engineering strategy to control the surface structure and energy-level alignment of perovskite films by tailoring the interface between the FAPbI3 film and hole-transporting layer using 4-hydroxypicolinic acid (4HPA) is reported. According to density functional theory studies, 4HPA has prominent electron delocalization distribution properties that enable it to anchor to the perovskite film surface and facilitate charge transfer at the interface. By enabling multiple bonding interactions with the perovskite layer, including hydrogen bonds, Pb‒O, and Pb‒N dative bonds, 4HPA passivation significantly reduces the trap density and efficiently suppresses nonradiative recombination. The obtained perovskite films exhibit superior optoelectronic properties with improved crystallinity, pure α-phase FAPbI3, and favorable energy band bending. Following this strategy, 4HPA post-treatment PeSCs achieve a champion power conversion efficiency of 23.28% in 0.12 cm2 cells and 19.26% in 36 cm2 modules with excellent environmental and thermal stabilities. Lastly, we developed an effective encapsulation method for highly stable PeSCs. By simultaneously introducing UV absorbers with biomimetic textures on the backside of the FTO substrate and a heat-extraction composite layer of reduced graphene oxide (rGO) and commercially available Norland Optical Adhesive (NOA) on the Au electrode, we successfully demonstrated highly efficient and stable PeSCs. The UV-absorbing layer with micro- and nano hierarchical structures effectively cut UV light but increased the transmittance of visible light, resulting in enhanced device stability without sacrificing the photocurrent caused by cutting the incident UV light. In addition, introducing a composite layer of rGO and NOA on the Au electrode led to a superior protection performance owing to the hydrophobicity of the epoxy and the increased complexity of the oxygen or water diffusion pathway. Moreover, the excellent thermal conductivity of rGO facilitated heat dissipation through the encapsulation layer. The encapsulated PeSCs reproducibly maintained their performance during long-term operation, even after a series of rigorous aging tests over 2 months.