STABILITY ANALYSIS OF PEROVSKITE SOLAR CELLS AND LIGHT-EMITTING DIODES

Abstract

페로브스카이트는 차세대 광전소자로서 각광받는 물질이다. ABX3 (A: larger cation, B: smaller cation, X: halide anion) 구조를 갖는 유기 무기 하이브리드 페로브스카이트는 구조의 차원에 따라 반도체 특성부터 금속 전이 특성까지 다양한 성질을 나타낸다. 페로브스카이트 구조의 2차원에서 3차원으로의 상 변이는 넓은 범위의 밴드 갭 변화를 보이며 광전 소자로 적용하는데 있어서 여러 광학, 전기적 특성을 제공한다. 이온화된 페로브스카이트의 결정은 높은 흡광 계수 (1.5x104 cm-1 at 550 nm for CH3NH3PbI3)를 보이는데, 이는 550 nm 파장의 빛이 통과할 수 있는 박막의 두께가 0.66 μm 정도임을 나타낸다. 이런 우월한 흡광 특성은 페로브스카이트가 박막 태양전지에 적용 가능함을 시사한다. 2009년 첫번째 페로브스카이트 태양전지가 보고된 이래로 태양전지의 전력 변환 효율은 빠르게 증가했다. 나아가 최근에는 페로브스카이트 태양전지가 실리콘 태양전지를 능가하는 차세대 지속 가능한 에너지원으로 여겨지고 있다. 게다가 페로브스카이트의 원소 조합 변경을 통한 밴드 갭의 조절 가능성은 발광 파장의 조절 가능성을 의미하며 페로브스카이트를 발광 다이오드 같은 여러 광원으로의 적용 가능함을 나타낸다. 실 예로, 페로브스카이트 발광다이오드의 발광 반치폭은 약 20 nm로 특성이 매우 우수하다. 이러한 높은 색 순도는 유기발광다이오드 등의 상업화된 광원들에 비해 큰 강점이다. <br/> 페로브스카이트는 DMF, DMSO, 에탄올, 물 등 여러 극성 용매에 쉽게 분해되는 성질을 갖는다. 다습한 환경에서 페로브스카이트는 심각한 열화 과정을 겪는다. 페로브스카이트의 열화는 페로브스카이트를 기반으로 하는 광전소자들의 안정성과 수명을 저해한다. 차세대 에너지원 혹은 광원으로의 성공을 위해서는 페로브스카이트의 안정성 문제를 해결해야한다. 미량의 cesium 혹은 formamidinium을 페로브스카이트에 첨가한 연구와 페로브스카이트의 구조적 발전 연구들이 페로브스카이트 광전소자들의 수명 안정성을 높이기 위해 보고되었다. 그럼에도 불구하고, 페로브스카이트 광전소자들을 소자들이 봉지 된 (encapsulated) 상태에서도 열화가 진행되었다. 따라서 열화의 원인과 그에 작용하는 열화 원리에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 페로브스카이트 광전소자의 상업화를 위해서는 열화에 대한 연구가 선행되어야 한다. <br/> 본 논문에서는 페로브스카이트 태양전지 및 발광다이오드의 열화 원리에 대한 체계적인 연구가 논의되었다. 페로브스카이트 광전소자의 구조적인 부분에서는 역구조 (inverted structure)가 사용되었다. 역구조란 전자가 상단 금속 전극으로부터 주입 혹은 추출되며 정공이 하단의 투명 전극인 ITO로부터 주입 혹은 추출되는 구조를 말한다. <br/> 첫번째 파트에서는 페로브스카이트 태양전지에 대해 기술하였다. 역구조 페로브스카이트 태양전지의 이온 확산에 의한 계면 열화의 직접적인 증거가 제시되었다. 1000시간이 넘는 장 시간 소자 열화 기간 동안 페로브스카이트 태양전지는 전류 밀도와 fill factor에서 큰 열화를 나타낸다. Ag 전극과 PCBM 사이의 계면 열화를 분석하기 위해 소자 열화 10, 20, 30, 40일차에 Ag 전극을 물리적으로 제거하고 다시 전극을 증착하는 기법을 도입했다. Ag전극의 재 증착을 통해 태양전지의 전력 변환 효율이 회복되는 현상을 볼 수 있었다. 전극 재 증착을 통해 태양전지의 개방 전압과 fill factor가 복구되는 반면에 전류 밀도는 약간 감소하는 추세를 나타냈다. 전극 재증착에 따른 활성화에너지 (activation energy)의 감소는 fill factor의 회복으로 나타났다. 페로브스카이트 태양전지의 열화의 결과로 인한 확산된 요오드 이온은 PCBM 분자들과 반응을 하며 PCBM의 quasi n 도핑 효과를 보였다. 전극 재증착 과정에 따라 요오드 이온과 PCBM 분자들의 가역반응은 태양전지 전류 밀도의 변화와 관련이 있다. 저온 측정을 통한 energetic disorder 모델은 전극 재증착에 따른 태양전지의 개방 전압 증가를 설명하고있다. 마지막으로 제시된 재결합 구조하의 역구조 페로브스카이트 태양전지의 열화 메커니즘이 제시되었다. <br/> 두번째 파트에서는 페로브스카이트 발광다이오드에 대해 기술하였다. 페로브스카이트 발광다이오드 연구 분야에서 중요한 이슈는 조밀하고 핀홀 없는 페로브스카이트 박막을 형성하는 것이다. 본 논문에서는 연속 증착 방법을 페로브스카이트 박막 형성 과정에 도입했다. PbBr2 용액과 MABr 용액이 차례대로 스핀 코팅 되고 가열 되었으며 조밀하고 핀홀 없는 페로브스카이트 박막을 형성하는데 사용되었다. 그 결과 페로브스카이트 발광다이오드는 67,557 cd/m2의 휘도와 2.02%의 EQE를 나타냈다. 효율적인 페로브스카이트 발광다이오드를 기반으로 열화의 원인에 대한 연구가 진행되었다. 발광다이오드 구동에 따른 이온 확산의 직접적 증거가 관찰되었으며 열화 원인과 Al 전극 사이의 전기 화학적 반응을 토대로 한 페로브스카이트 발광다이오드의 열화 메커니즘이 제시되었다. <br/> 본 학위 논문은 페로브스카이트 광전소자의 열화 메커니즘을 분석하기 위한 실용적 접근법을 다뤘다. 이온 확산을 기저로 한 금속 전극 계면에 대한 열화 메커니즘은 페로브스카이트 광전소자의 수명 안정성 발전에 기여를 할 것이라 기대된다.<br/>