Highly efficient and stable solar cells based on two-dimensional perovskite

Abstract

차세대 태양전지로 페로브스카이트 태양전지가 발돋움 하기 위해서는 효율과 안정성을 동시에 얻으면서 대면적화를 실현시켜줄 기술에 대한 연구가 필요하다. 이 때, 페로브스카이트의 유기 양이온을 조금 더 큰 스페이서로 바꾸는 것만으로도 할라이드 구조물은 파괴되지 않고 결정의 배열만 바꿔, 그 결과로 차원이 달라진 물질을 얻을 수 있는 점이 아주 흥미롭다. 이러한 방식으로 제작되는 이차원 페로브스카이트는 스페이서의 종류에 따라 그 다양성이 무궁무진함에도, 대부분의 이차원 페로브스카이트는 삼차원 페로브스카이트 보다 좀 더 유기화된 표면 상태를 가지고 있다. 이 특별한 표면은 외부 환경과 내부층을 차단하여 광활성층에 외부환경에 대한 저항성을 부여한다. 이러한 성질 때문에 이차원 페로브스카이트는 태양전지가 고질적으로 앓고 있던 안정성 문제를 해결하고자 했던 많은 연구자들의 관심을 받게 되었고, 해당 물질의 적절한 사용 방법에 대한 수많은 연구가 이루어 졌다. 그 과정에서 이차원 페로브스카이트 단독으로는 안정성과 효율의 상충효과가 있으나, 삼차원 페로브스카이트와 이차원 페로브스카이트 사이의 결합을 잘 조율하면 각 물질의 장점만을 얻을 수 있음이 발견된다. 그 구조를 이차원 페로브스카이트:삼차원 페로브스카이트 접합 구조라고 부르며, 해당 구조가 주는 추가적인 표면 결함제어효과로 페로브스카이트 단일 물질로 20프로 이상의 상용화 수준의 효율을 가지는 태양전지가 제작되었다. 그러나, 이차원 페로브스카이트에 대한 미숙한 수준의 이해에 기반한 공정들을 통해서는 여전히 소자의 구동상태의 안정성까지 얻기엔 부족했다. 이에 필자는 고전적인 결정형성 이론에 근거한 고상전구체를 사용, 평면방향 성장방식(SIG 프로세스)을 고안하고, 이를 통해 온전한 이차원 페로브스카이트:삼차원 페로브스카이트 구조를 만드는데 성공한다. 해당 구조를 만드는 과정에서 계면손상을 제거할 뿐만 아니라 정공우세 물질이라는 특성을 이용하여 공핍층 최적화를 이루어 동일 물질을 통해 최적화된 소자 구조를 제시하였다. 해당 소자는 현재까지 이차원 페로브스카이트:삼차원 페로브스카이트 접합 구조를 이용한 태양전지 소자 중 가장 높은 효율을 국제 인증으로서 기록하고 있으며, 안정성 또한 세계 최고 수준을 보여주었다. 해당 기술은 이차원 페로브스카이트에 대한 성질을 이해하고, 성장원리를 수치화 하는 경우 단계적으로 추가로 발전 가능하며, 다양한 디바이스에 적용가능하다. 태양전지 소자는 현재 이미 샤클리-퀘이사 이론에 기반한 효율 이상의 구동성능을 보여주고 있다. 이는 소자 내부의발광 메커니즘에서 광재활용과 산란과 같은 빛을 여러 단계로 흡수하고 방출하기 때문이다. 이 사실을 인식한다면 우리는 태양전지를 좋은 발광체라는 관점에서 이해해야 하며, 이는 ELQE (Electroluminescence Quantum Efficiency)라는 전자가 얼마나 잘 빛으로 방출되는지 에 대한 값을 올리기 위해 더 노력해야 한다. 이를 위해 나는 샤클리-퀘이사 한계값을 넘어선 소자내에서 일어나는 광재활용과 산란에 대해 이해하고 이차원 페로브스카이트와 삼차원 페로브스카이트 내의 전하 확산도에 관한 측정법에 관해 연구하였다. SIG 프로세스 또한 두께 조절을 통해 소자내에서 분산손실되는 방출광의 양을 제어할 수 있는 방식이다. 또한 소자내로 입사되는 빛의 양을 늘릴 수 있는 빛 반사 방지막에 대한 연구도 수행하였다. 앞으로 2D 페로브스카이트의 합성이나 물성에 대한 연구를 지속하여 얻은 정보를 기반으로 이차원 페로브스카이트 : 삼차원 페로브스카이트 구조를 대면적 상용화 소자에 까지 이용가능한 수준으로 올리려는 시도를 계속할 것이다. 고안정성과 고효율을 유지하면서 상용화 가능한 소자를 구현하려면 페로브스카이트를 좋은 발광체로서 인식하고 소자 구조를 설계해야 하며, 이차원 페로브스카이트의 물성에 대한 연구가 필수적으로 선행되어야 한다.

In order for the perovskite solar cell to emerge as a next-generation solar cell, it is necessary to research a technology that can realize large-area while obtaining efficiency and stability at the same time. At this time, it is very interesting that a material with a different dimension can be obtained as a result of only changing the crystal arrangement without destroying the halide structure by changing the organic cation of perovskite to a slightly larger spacer. Although the diversity of the two-dimensional (2D) perovskite produced in this way is infinite depending on the type of spacer, most of the 2D perovskite has a more organic surface state than the three-dimensional (3D) perovskite. This special surface blocks the external environment and the inner layer, giving the photoactive layer resistance to the external environment. Because of these properties, 2D perovskite has attracted the attention of many researchers who have tried to solve the stability problem that solar cells have suffered from, and numerous studies have been conducted on how to properly use the material. In the process, it is found that the 2D perovskite alone has a conflicting effect of stability and efficiency, but only the advantages of each material can be obtained by well-coordinating the bonding between the 3D perovskite and the 2D perovskite. The structure is called a 2D perovskite : 3D perovskite junction structure, and with the additional surface defect control effect provided by the structure, a solar cell with a commercial level of efficiency of 20% or more was produced with only perovskite material. However, processes based on an inexperienced level of understanding of 2D perovskite were still insufficient to obtain the operating stability of the device Therefore, I devised a Solid state In-plane Growth method (SIG process) using a solid-state precursor based on the classical crystal formation theory, and through this, I succeeded in making a whole 2D perovskite : 3D perovskite structure. In the process of making the structure, interface damage was not only removed, but also the depletion layer was optimized using the property of a hole-dominant material, and an optimized device structure was presented through the same material. The device has recorded the highest efficiency as an international certification among solar cell devices using a 2D perovskite : 3D perovskite junction structure so far, and also showed the world's highest level of stability. The technology can be further developed in stages when the properties of two-dimensional perovskite are understood and the growth principle is quantified, and it can be applied to various devices. Solar cell devices already show driving performance beyond efficiency based on the Shockley-Queisser theory. This is because the light emitting mechanism inside the device absorbs and emits light in several stages, such as light recycling and scattering. Recognizing this fact, we should understand solar cells from the perspective of a good luminous body, which requires more effort to raise the value of how well electrons are emitted as light, called ELQE (Electroluminescence Quantum Efficiency). To this end, I studied light recycling and scattering in devices beyond the Shockley-Queisser threshold and methods for measuring charge diffusivity in two-dimensional perovskites and 3D perovskites. The SIG process is also a method that can control the amount of emission light that is lost in dispersion in the device through thickness control. In addition, research on an anti-reflection film capable of increasing the amount of light incident into the device was also conducted. With the information obtained by continuing research on the synthesis or physical properties of 2D perovskite, I will continue to try to utilize the structure of 2D perovskite: 3D perovskite to a level that can be used for large-area commercial devices. In order to realize a commercially available device while maintaining high stability and high efficiency, the device structure must be designed under the concept that the perovskite is a good light emitting material, and research on the physical properties of 2D perovskite must be preceded.