Development of Megasonic-Spray Coating Technology for Thin-Film Fabrication and Its Solar Cell Application

Abstract

유기금속 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지는 광전에너지변환을 위한 매우 유망한 차세대 태양광 발전원이다. 최근 글라스기판 기반의 페로브스카이트 태양전지 효율은 25% 이상을 달성했고, 플랙서블 페로브스카이트 태양전지 또한 그 다양한 응용 분야로 인해 수요가 증가하고있다. 이러한 추세에 발맞춰서, 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위해서는 스핀코팅기반의 랩스케일 공정을 뛰어넘는 대면적 연속 코팅 공정이 필수적으로 필요하다. 먼저, 우리는 1.7MHz의 메가소닉 진동자를 활용하여, 글라스기판 위에 재현성이 확보된, 우수한 대면적 페로브스카이트 필름 코팅이 가능한 메가소닉 스프레이 코팅 공정을 개발하였다. 그 결과, 우리는 평균 16.4%, 최대 16.9%의 광전변환효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지 소자 제작에 성공하였다. 또한 광전변환효율이 14.2%인 대면적-단일소자 제작(활성영역 : 1cm2, 코팅영역 : 7.5 x 7.5 cm2)에 메가소닉 스프레이 코팅 공정을 성공적으로 적용함으로써, 우리가 개발한 메가소닉 스프레이 코팅 방식이 대면적 코팅 공정에 적합하다는 것을 보여주었다. 둘째, 우리는 넓은 면적의 유연기판위에 페로브스카이트 필름을 균일하게 성장시킬 수 있는 대면적화 가능한 연속공정인 필름성장 메가소닉 스프레이 코팅(Film-Growth-Megasonic-Spray-Coating, FGMSC) 시스템을 개발하였다. 유연기판위에 스프레이 코팅을 했을 때 페로브스카이트 필름이 어떻게 성장하는지에 대한 핵심적인 원리를 심도있게 조사하였고, 그 결과 성공적으로 결함이 없는 균일한 페로브스카이트 필름을 유연기판위에 제작하였다. 또한 35.1cm2의 면적을 갖는 페로브스카이트 유연 태양전지모듈을 제작하여 16.1%의 광전변환효율을 달성함으로써, FGMSC 시스템의 우수한 대면적 코팅 성능을 증명하였다. 이러한 결과는, 개발한 FGMSC 시스템의 대면적 가능성과 효율성이 유연 페로브스카이트 태양전지 상용화에 적합한 자동화 코팅시스템임을 보여준다. 셋째, 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 전하전달층(홀 전달층, 전자 전달층)의 코팅에 우리가 개발한 메가소닉 스프레이 코팅을 적용하였다. 특히, 홀 전달층으로 사용되는 PTAA(poly(triaryl amine))를 스프레이 코팅하여 성공적으로 페로브스카이트 태양전지를 제작하였다. 이는 태양전지를 이루는 모든 층이 대면적 연속공정으로 이루어 진 것에 큰 의미를 가지고, 우리가 개발한 메가소닉 스프레이 코팅 기술이 실제 연속코팅공정에 적용가능한 실용적인 공정임을 보여준다.

Organometallic halide perovskite solar cells (PSCs) are highly promising next-generation photovoltaic power sources for solar energy conversion. State-of-the-art glass-substrates based PSCs have achieved power conversion efficiencies (PCEs) over 25%. This led to the increasing demand for flexible-substrate based PSCs (f-PSCs) which boast a variety of potential applications. In line with this trend, commercialization of PSCs enormously requires large-area continuous coating methods beyond spin-coating based lab-scale process. First, we developed a megasonic-spray coating method utilizing 1.7 MHz megasonic oscillator that could fabricate reproducible large-area planar efficient perovskite films on the glass substrates. As a result, our devices have reached a maximum efficiency of 16.9%, with an average efficiency of 16.4% from 21 samples. We also demonstrate the applicability of megasonic-spray coating to the fabrication of large-single cells, with a power conversion efficiency of 14.2% (active area : 1 cm2, coating area : 7.5 x 7.5 cm2). Our megasonic-spray coating approach is therefore expected to be suitable for large-area coating process. Second, we came up with a Film-Growth-Megasonic-Spray-Coating (FGMSC) method that continuously grows uniform perovskite film on large-area flexible substrates. The fundamental principles of perovskite film growth mechanisms on the flexible substrate via spray-coating were thoroughly investigated. As a result, we successfully fabricated defect-free uniform perovskite film on the flexible substrates via the FGMSC system. The scalability of this system is proved through fabrication of a flexible perovskite solar mini-module with PCE of 16.10% from an active area of 35.1 cm2. These results prove that our FGMSC system is the automated scalable-coating system suitable for commercialization of f-PSCs for its scalability and efficiency. Third, the megasonic-spray method was applied to the coating of charge transport layers (e.g. hole transport layer and electron transport layer). Especially, we coated a PTAA (poly(triaryl amine)) thin-film which is one of the hole transport layers and successfully fabricated highly efficient PSCs. These results have significance in that all layers of the perovskite solar devices are fabricated by large-area continuous coating process. Our megasonic-spray coating system, therefore, is a highly practical, continuous fabrication technique for photovoltaic applications.