Design of Coating and Electrode for Large-area Perovskite Solar Cells

Abstract

Perovskite solar cells have been actively researched, demonstrating a high conversion efficiency of more than 25% in a short amount of time. Perovskite solar cells have so far primarily been produced in small-area configurations, and a large-area process is needed to speed up commercialization. As a result, two different types of research on the large-area process were carried out. First, a large-area perovskite thin film was created through bar coating using a gas with thermal energy. A high crystalline perovskite thin film with large grains and no voids or pinholes could be produced using 75 °C nitrogen gas, which provided sufficient energy to evaporate solvents and proceed with proper crystallization, when gas blowing under three temperature conditions (25 °C, 75 °C, and 125 °C) was conducted. Accordingly, the solar cell created with the 75 °C gas demonstrated the highest performance among the conditions; for solar cells with an area of 5x5 cm2, the PCE was 20.85%, and for solar modules, it was 15.4%. Second, a conductive and light-weight flexible electrode substrate was created by adding a metal mesh to the commercially available ITO electrode flexible substrate. A 50 μm thick PEN substrate is used to photolithograph a 100 nm Au mesh that is then completely covered by a 160 nm thick ITO layer that was deposited using sputtering. This led to the formation of an electrode with a transmittance of 76.7% and a sheet resistance of 12.98 ohm/sq, as well as the fabrication of a thin, flexible, transparent electrode with a large surface area of 100 cm2. Additionally, it was discovered that the flexible transparent electrode with the metal mesh conductivity changes depending on how many paths lead from a given point. As a result, we were able to fabricate the perovskite light absorption layer and the flexible electrode substrate, two crucial elements of perovskite solar cells on a large area. This research will hopefully help perovskite solar cells become widely commercialized in the future.

페로브스카이트 태양전지는 최근 활발한 연구로 단기간에 25% 이상의 높은 변환 효율을 갖게 되었다. 현재까지는 주로 소면적 페로브스카이트 태양전지를 제조하여 높은 성능을 확인했으며, 상용화를 실현시키기 위해서는 페로브스카이트의 대면적화 공정이 필요하다. 이에 본 논문에서는 바코팅을 통한 대면적 페로브스카이트 박막 제조에 있어 열에너지를 가진 가스를 활용하였다. 세 가지 온도 조건(25 ℃, 75 ℃, 125 ℃)의 가스 블로잉을 진행했을 때, 75 ℃의 질소 가스로 적절한 에너지를 주었을 때 보이드나 핀홀 없이 큰 결정립의 페로브스카이트 박막을 제조할 수 있었다. 이에 따라 75 ℃ 가스로 제작한 태양전지가 조건들 중 가장 높은 성능을 보여주었으며, 소자의 경우 20.85%, 5x5 cm2 모듈의 경우 15.4%의 효율을 구현하였다. 또한, 기존 상용화된 ITO 전극 유연기판에 금속 메쉬를 도입하여 고전도성의 전극 및 경량화된 유연전극기판을 제작하였다. 50 μm 두께의 PEN 기판에 100 nm의 Au 메쉬를 포토리소그래피로 제작하고 그 위에 스퍼터링을 통해 ITO를 160nm 전면 증착한다. 그 결과로 투과도 76.7% 및 12.98 ohm/sq 의 면저항을 갖는 전극을 형성하고, 100 cm2 의 대면적에서 1g 이하의 무게를 갖는 초경량 유연투명전극을 제작하였다. 추가로 금속 메쉬 패턴의 설계를 통해 한 지점으로부터의 경로의 수가 메쉬가 포함된 유연투명전극의 전도도에 주는 영향을 확인하였다. 결과적으로 태양전지에 중요한 구성요소인 광흡수층과 전극 기판의 대면적화를 성공하였으며, 향후 대면적화를 통한 페로브스카이트 태양전지 상용화에 기여할 수 있는 연구가 될 것이다.