Study on Cathode Interlayers for High-Performance Organic and Perovskite Solar Cells

Abstract

세계적으로 화석 연료의 사용으로 인한 환경 문제가 심화되면서, 화석 연료를 대체할 수 있는 재 생 가능 에너지의 필요성이 갈수록 증가하고 있다. 이 중 태양 에너지는 무한한 잠재력을 지닌 깨끗한 청정에너지로 크게 주목받고 있다. 태양 에너지 발전 시스템에서 널리 사용되는 태양전지 기술은 광전자효과를 통해 태양빛을 전기 에너지로 변환하는 기술이며, 여러 세대의 발전을 거치며 지속적으로 진화해 왔다. 유기태양전지와 페로브스카이트 태양전지와 같은 3세대 태양전지는 경제적, 우수한 전기적 및 광 학적 특성으로 차세대 에너지원으로서 두각을 나타낸다. 이들은 얇은 필름 형태이며 유연한 특성을 가져 다양한 환경과 형태로 적용이 가능하다. 이러한 태양전지는 활성층에서 전하를 생성하며 이를 효율적으로 수집하기 위해 전자 및 정공 수송층, 버퍼레이어 등 여러 기능층을 포함한다. 이 기능층은 태양전지의 활성층에서 생성된 전하들을 각 전극으로 효율적으로 수집하도록 에너지 레벨을 정렬하여 성능을 직접적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 기능층은 수분과 산소로부터 소자를 보호하는 역 할을 하여 소자의 안정성을 향상시킴으로써 구동 수명을 증가시킬 뿐만 아니라, 기능성 소재의 특성에 따라 환경적인 안정성도 제공할 수 있다. 본 연구에서는 특히 p-i-n 구조의 유기 및 페로브스카이트 태양전지에 초점을 맞춘 기능성 음극 삽입층이 연구되었다. 그 방법으로, 음극과 활성층 사이의 인터페이스를 제어할 수 있는 새로운 저온 용액 공정 기술을 통해 금속 산화물 기반의 기능성 소재가 개발되었다. 해당 소재는 금속 산화물 전 구체의 공기 안정성 문제를 해결할 수 있는 새로운 합성 방법을 통해 제작되었고, 해당 소재가 적용 된 유기 및 페로브스카이트 태양전지 소자의 특성변화가 자세히 분석되었다. 해당 소재를 사용함으로써 유기 및 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성이 현저히 향상되었으며, 이 합성 방법은 다 양한 금속 산화물과 활성층을 가진 박막형 태양전지에 적용 가능한 가능성을 보여주었다. 또한, 본 연구에서는 크라운 에테르 구조를 포함하는 기능성 소재를 전자수송층과 음극 사이의 버퍼 레이어 로 적용하여 유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 특성 변화를 상세히 분석하였다. 이 결과는 크라운 에테르 기반의 기능성 소재가 전하 수송 특성을 개선하고, 소자의 수명을 연장하는 데 크게 기여한다는 것을 보여주며, 박막형 태양전지 기술의 수명 및 효율성 향상에 중요한 역할로 작용됨을 나타내었다.