Cation Exchange Strategy for Fabrication of CsPbBr3 Perovskite Solar Cell

Abstract

전무기 CsPbBr3 페로브스카이트 태양전지는 유-무기 페로브스카이트 태양전지에 비해 높은 전압 출력을 가지며 습도 및 온도에 대한 높은 안정성으로 주목받고 있다. 그러나, CsBr의 제한된 용해도는 페로브스카이트 태양 전지에 사용하기 위한 CsPbBr3 박막 생산에 장애물로 남아 있다. 본 연구에서는 전 무기 CsPbBr3 박막의 합성을 위한 양이온 교환 전략을 제시한다. 우리는 메탄올에 대한 CsAc (cesium acetate)의 높은 용해도와 two-step spin coating을 이용해 유기 DMA0.3MA0.7PbBr3 박막 (DMA = Dimethylammonium cation, MA = Methylammonium cation)을 전무기 CsPbBr3 박막으로 전환했다. 따라서, 균일하고 평평하며 상당한 크기의 결정립과 최소한의 2차 상을 가지는 고품질의 CsPbBr3 박막이 성공적으로 제조되었다. 또한 CsPbBr3 박막의 재료적 특성과 광학적 특성, 형성 mechanism에 대해서도 분석되었다. 마지막으로 CsPbBr3 필름을 이용해 페로브스카이트 태양전지를 구현했으며 이는 현저하게 높은 Voc (1.4 V)와 5.9 %에 달하는 광전 효율을 보여준다.

All-inorganic CsPbBr3 perovskite solar cell is attracting attention due to its high voltage output and negligible level of stability against humidity and temperature compared to organic-inorganic perovskite solar cells. However, the limited solubility of CsBr remains an obstacle for the production of CsPbBr3 films intended for use in perovskite solar cells. In this study, we present a cation exchange strategy for the synthesis of all-inorganic CsPbBr3 films. By exploiting the high solubility of CsAc (Cesium Acetate) in methanol, we have achieved the conversion of the organic DMA0.3MA0.7PbBr3 film (DMA = Dimethylammonium cation, MA = Methylammonium cation) to an all-inorganic CsPbBr3 film by facile two-step spin coating. Therefore, a high-quality CsPbBr3 film featuring a uniform, flat, sizable grain structure, and minimal secondary phase was successfully produced. The material property of the as made CsPbBr3 film is studied. And its formation mechanism is proposed. Moreover, as an application, a perovskite solar cell is realized using the CsPbBr3 film, demonstrating an efficiency as high as 5.9% with remarkably high Voc (1.4 V).