Understanding the Trap Characteristics of Perovskite Solar Cells via Drive-Level Capacitance Profiling

Abstract

Perovskite solar cells (PSCs) are gaining significant interest as the future of photovoltaics owing to their superior performance and cost-effectiveness. Nonetheless, the commercialization of perovskite solar cells faces significant hurdles due to the susceptibility to degradation from moisture, light, and heat, as well as the adverse impact of traps on device efficiency and stability. Therefore, trap suppression through the passivation process is important for implementing perovskite solar cells with high efficiency and stability. It is also important to track trap changes inside perovskite solar cells to confirm the effectiveness of the passivation process. In this study, methylammonium chloride (MACl) additive and phenyltrimethylammonium iodide (PTMAI) posttreatment were applied to passivate bulk and surface defects. Furthermore, variations of the traps quantitative spatial arrangement have been monitored using the drive-level capacitance profiling (DLCP) analysis. A similar magnitude of trap reduction was observed for the bulk perovskite layer and two interfaces (electron transport layer (ETL)/perovskite and hole transport layer (HTL)/perovskite) when employing an optimal concentration of MACl additive. However, the effect of perovskite posttreatment in reducing the trap density was much more noticeable at the HTL/perovskite interface, compared to the bulk and ETL/perovskite regions. This observation was reinforced by the outcomes of the 500 h thermal stability tests at 60 °C from seven independent batches, which demonstrated a substantial suppression of trap accumulation, particularly at the HTL/perovskite interface by an order of magnitude.

페로브스카이트 태양전지는 우수한 성능 및 낮은 제작비용으로 인해 차세대 태양전지로 주목 받고 있다. 하지만 수분, 빛, 열 등에 의해 쉽게 열화가 일어난다는 점과, 장치의 효율과 안정성에 악영향을 미치는 내부 결함은 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 큰 문제점으로 여겨진다. 이러한 문제를 해결하고 높은 효율 및 안정성을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 구현하기 위해, 부동태 공정을 통한 결함 억제가 중요하다. 또한 부동태 공정의 효과 확인 및 효율성 판단을 위해, 페로브스카이트 태양전지 내부 결함의 밀도 및 분포를 추적하는 연구 역시 함께 논의되어야 한다. 본 연구에서는 페로브스카이트 층 내부 및 표면 결함을 부동태화 하기 위하여 MACl 첨가제 및 PTMAI 후처리 공정을 적용하였다. 더 나아가, 페로브스카이트 층 내부 결함의 분포 및 밀도 변화 추이를 DLCP 분석을 통해 정량화 하였다. 최적화된 MACl 농도로 첨가제 공정을 진행한 소자의 경우, 페로브스카이트 층 내부와 전자전달층 및 정공전달층과 맞닿아 있는 두 계면에서 유사한 크기의 전자적 결함 밀도 감소가 관찰되었다. 그러나 PTMAI 후처리 공정을 진행한 소자의 경우, 결함 밀도 감소 효과가 페로브스카이트 층 내부 및 전자전달층/페로브스카이트 계면에 비해 정공전달층/페로브스카이트 계면에서 두드러지게 나타났다. 이러한 결과는 60 °C, 500시간 열 안정성 시험을 거친 독립적인 7번의 배치에 의해 강화되었으며, 특히 정공전달층/페로브스카이트 계면에서 온도에 의한 열화 이후 결함 축적이 상당히 억제되었음을 확인하였다.