페로브스카이트 태양 전지의 전자 수송 재료로서 황화인듐의 광전지 특성에 대한 통찰

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9076(2023) 이 기사 인용

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최근 보고서에 따르면 평면 구조 기반 유기금속 페로브스카이트 태양전지(OPSC)는 놀라운 전력 변환 효율(PCE)을 달성해 기존 실리콘 광전지에 비해 경쟁력이 매우 높다고 합니다. PCE를 더욱 향상시키려면 OPSC와 개별 부품에 대한 완전한 이해가 여전히 필요합니다. 본 연구에서는 황화인듐(In2S3) 기반 평면 이종접합 OPSC를 제안하고 SCAPS(Solar Cell Capacitance Simulator)-1D 프로그램을 사용하여 시뮬레이션했습니다. 처음에는 각 레이어의 최적 매개변수를 평가하기 위해 실험적으로 제작된 아키텍처(FTO/In2S3/MAPbI3/Spiro-OMeTAD/Au)를 사용하여 OPSC 성능을 보정했습니다. 수치 계산은 MAPbI3 흡수체 재료의 두께와 결함 밀도에 대한 PCE의 상당한 의존성을 보여주었습니다. 결과는 페로브스카이트 층 두께가 증가함에 따라 PCE가 점진적으로 개선되었지만 이후 500nm 이상의 두께에서 최대값에 도달했음을 보여주었습니다. 또한, 병렬 저항뿐만 아니라 직렬 저항과 관련된 매개변수도 OPSC의 성능에 영향을 미치는 것으로 인식되었습니다. 가장 중요한 것은 낙관적인 시뮬레이션 조건에서 20%가 넘는 챔피언 PCE가 산출되었다는 것입니다. 전반적으로 OPSC는 20~30°C 사이에서 더 나은 성능을 발휘했으며 해당 온도 이상에서는 효율이 급격히 감소합니다.

The scientific community has shown a great deal of interest in researching perovskite solar cells (OPSCs), which are mainly comprised of organic–inorganic metal halide compounds and are used to produce high-efficiency and inexpensive photovoltaic (PV) technologies1,2,3. These semiconductors have a number of important characteristics, including high charge carrier mobility, long carrier diffusion length, adjustable bandgaps, and a high absorption coefficient4,5,6,7. Due to such exceptional properties, photoconversion efficiency (PCE) values spiked substantially, from 3.8% in 2009 to over 25% in 20218, 25% conversion efficiency. Joule 5, 1033–1035 (2021)." href="#ref-CR9" id="ref-link-section-d8458561e671_1"> 9,10,11. OPSC는 순서대로 전면전극, 전자수송물질(ETM), 광수확층, 정공수송물질(HTM), 후면전극으로 구성된다. OPSC의 수확기 재료는 햇빛에 노출되면 전하 캐리어를 생성합니다. 이러한 광캐리어는 ETM 및 HTM에 의해 적절한 전극으로 전달됩니다. 전하 수송 물질의 관련성은 페로브스카이트 층의 역할 외에도 OPSC의 전체 PV 성능에 매우 중요합니다. 예를 들어, 일반적인 ETM인 이산화티타늄(TiO2)은 400°C 이상의 작동 온도를 요구하기 때문에 대형 장치 제조에는 적합하지 않습니다. 고효율 OPSC에서 TiO2의 사용은 재료의 열악한 전자 이동도(μe)와 UV 불안정성으로 인해 더욱 제한됩니다16,17,18. 이는 높은 μe, 우수한 전기 전도성(σ) 및 저온 제조와 같은 적절한 특성을 가진 후보 ETM 레이어를 찾아야 할 필요성을 강조합니다.

소형 ETM 기반 평면 PSC는 레이아웃이 단순화되어 제작이 더 쉽습니다. TiO2와 ZnO는 평면 닙 OPSC용 ETM으로 널리 사용되었습니다. 그럼에도 불구하고 압축된 TiO2 및 ZnO를 기반으로 하는 평면 OPSC는 재료의 제한된 캐리어 이동성, 페로브스카이트와의 오프셋 에너지 수준 정렬 및 표면의 결함 트랩으로 인해 낮은 안정성을 나타내는 경우가 많습니다24,25,26,27,28. 따라서 OPSC용 최첨단 ETM 구성요소를 제공하는 것이 중요합니다. 황화인듐(In2S3)은 우수한 캐리어 이동도, 무독성, 적절한 밴드갭, 조정 가능한 전기적 특성 및 우수한 열 내구성을 갖춘 n형 반도체로, 이 모두는 태양 전지의 ETM으로 활용하기에 이상적입니다. Hou et al.은 화학욕 증착 기간을 2시간으로 조정함으로써. CH3NH3PbI3 OPSC용 ETM으로 In2S3 나노플레이크 어레이를 구성하여 18.22%의 성능을 달성할 수 있었습니다. 그러나 In2S3-OPSC의 장기 안정성은 이 연구에서 조사되지 않았습니다. 1년 후, Xu et al. 2시간 동안 용매-열 접근법을 사용하여 CH3NH3PbI3 장치용 ETM으로 In2S3 시트를 준비하고 18.83%33의 효율을 달성했습니다. 이후 Yang et al. In2S3 필름을 사용하기 위해 추가 노력을 기울였으며 반투명 CsPbIBr2 OPSC용 ETM으로 스프레이 보조 증착 기술을 개발했습니다. 최적화된 장치는 향상된 주변 안정성34과 함께 5.59%의 성능을 얻었습니다. 한편, 우리가 알 수 있는 한, 페로브스카이트 태양전지의 ETM으로 In2S3를 채택하는 것과 관련된 이론적 연구는 보고된 바가 없습니다.