페로브스카이트 태양전지(PSC)의 표면 패시베이션은 효율을 높이지만, 불완전한 계면 기능성은 장기 신뢰성을 저해하는 요인입니다. 본 연구는 전략적인 계면 공학 접근법을 통해 페로브스카이트 표면을 완전히 기능화하여 이러한 문제를 해결합니다.
연구팀은 소듐 헵타플루오로뷰티레이트(sodium heptafluorobutyrate)를 사용하여 이온 차폐막을 형성했습니다. 이는 페로브스카이트 표면의 일함수를 조절하고 결함 형성 에너지를 증가시켜 전자 수송층과의 계면 특성을 개선합니다. 결과적으로 재결합이 최소화되고 작동 중 전자 추출 효율이 극대화됩니다.
소듐 헵타플루오로뷰티레이트로 기능화된 페로브스카이트 표면은 균일하고 밀집된 C60 층 형성을 촉진하며, 이는 이온 확산을 효과적으로 차단하여 소자 스택의 안정성을 높입니다. 이 접근법을 통해 p-i-n 페로브스카이트 태양전지는 27.02%의 기록적인 전력 변환 효율(PCE)을 달성했으며, 1 cm² 활성 영역 소자에서도 25.95%의 PCE를 보였습니다.
이 소자들은 최대 전력점에서 1,200시간 연속 1-sun 조명 후 초기 효율의 100%를 유지하는 뛰어난 안정성을 입증했습니다. 또한, 85°C에서 1,800시간 노화 후 초기 PCE의 92%, -40°C에서 +85°C 사이 200회 열 주기 후 94%를 유지하는 탁월한 열 안정성을 보였습니다. 본 연구는 고효율 및 고안정성 페로브스카이트 태양전지 개발에 중요한 기여를 합니다.
아이오딘-브롬 혼합 할라이드 기반의 넓은 밴드갭 페로브스카이트는 탠덤 태양전지(TSC)의 핵심 요소입니다. 그러나 브롬이 풍부한 종의 결정화 과정이 제대로 제어되지 않으면 페로브스카이트 필름의 결정립 크기가 작아지고 결함 밀도가 높아지는 문제가 발생합니다.
본 연구에서는 메틸암모늄(MA)이 없는 넓은 밴드갭 페로브스카이트 필름의 결정성을 향상시키고 결함을 비활성화하기 위해 다기능 첨가제 3,4,5-트리플루오로벤즈아마이드(TFBZ)를 도입했습니다. TFBZ는 벤즈아마이드보다 우수한 비활성화 능력을 보여주며, 불소 강화 상호작용을 통해 아이오딘 공공 및 불완전하게 배위된 Pb2+ 결함을 효과적으로 완화합니다.
또한 TFBZ의 불소 치환체는 폼아미디늄 아이오딘과 N-H···F 수소 결합을 형성하여 페로브스카이트의 결정화 속도를 지연시킬 수 있습니다. 이 방법은 1.67 및 1.79 전자볼트 MA-free 넓은 밴드갭 페로브스카이트 모두에서 결함 비활성화 및 결정 성장 조절에 효과적입니다.
이 기술을 통해 MA-free 올-페로브스카이트 탠덤 태양전지는 29.01%(공인 28.52%)의 높은 전력 변환 효율을 달성했습니다. 이는 차세대 고효율 태양전지 개발에 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다.
페로브스카이트 태양전지(PSC)의 계면 엔지니어링에 자가 조립 단분자막(SAM) 소재가 유망하지만, 분자 밀도, 전하 수송 효율, 결함 비활성화 간의 최적 균형 달성은 여전히 과제입니다. 본 연구는 유연한 헤드 그룹과 견고한 연결 그룹을 결합한 SAM 소재 설계 전략을 제안합니다.
모델 분자로 (4-(diphenylamino)phenyl)phosphonic acid를 사용하여, 기존 소재 대비 고품질 페로브스카이트 층을 형성하는 것을 확인했습니다. 이 설계는 우수한 에너지 준위 정렬, 향상된 정공 추출, 그리고 전하 수송 효율 증대를 통해 비방사성 재결합을 효과적으로 감소시킵니다.
그 결과, (4-(diphenylamino)phenyl)phosphonic acid 기반 소자는 소면적(0.0715 cm2)에서 26.21%, 대면적(1 cm2)에서 24.49%의 전력 변환 효율을 달성했습니다. 이는 26% 이상의 최대 소자 효율을 보여줍니다.
본 연구는 SAM 분자 설계에 효과적인 접근 방식을 제시하며, 계면 엔지니어링을 통해 페로브스카이트 태양전지의 효율 및 장기 안정성을 향상시키는 명확한 경로를 제공합니다.
고성능 페로브스카이트 태양전지(PSC) 구현을 위해 흑색상 폼아미디늄 납 삼아이오다이드(FAPbI3)의 안정화가 필수적입니다. 본 연구는 공증착된 세슘 납 아이오다이드(CsPbI3) 캡핑층을 활용한 새로운 안정화 전략을 제안합니다. 결정 격자 정합성을 통해 FAPbI3 표면에 입방상 CsPbI3가 자발적으로 형성되며, 이는 하부 FAPbI3의 흑색상과 상호 위상 안정화를 이룹니다.
암모늄염 계면 변형과 결합된 CsPbI3 중간층은 적층된 페로브스카이트 층 사이의 이온(FA+ 및 F-PEA+) 확산을 효과적으로 억제합니다. 이러한 FAPbI3/CsPbI3 이중층 구조 소자는 27.17%의 공인된 역방향 스캔 전력 변환 효율을 달성했으며, 26.62%의 안정화된 전력 출력 효율을 유지했습니다.
특히, 소자는 1500시간의 고온다습 테스트 후 초기 효율의 93.5%를 유지했으며, 85°C에서 최대 전력점 추적(MPPT) 조건 하에 1185시간 연속 조명 후 최대 PCE의 94.2% 이상을 유지하여 2352시간의 T90 외삽값을 보였습니다. 이중층 3D/3D 페로브스카이트 설계는 밴드갭 전반에 걸쳐 효율 향상을 가능하게 합니다.
본 연구는 페로브스카이트 태양전지의 장기 안정성과 고효율을 동시에 확보하는 데 기여하며, 차세대 고성능 광전 소자 개발에 중요한 기반을 제공합니다.
