Polystyrene templated multi-porous titanium dioxide layer for inorganic-organic hybrid perovskite solar cells

Abstract

최근 무-유기 하이브리드 페로브스카이트 구조를 가지고 있는 CH3NH3PbX3 물질을 이용한 고체 염료감응 태양전지가 주목을 받고 있다. 페로브스카이트 물질은 높은 빛 흡수계수와 저비용 합성공정을 통해 만들어진다. 이를 이용한 페로브스카이트 태양전지는 단기간에 걸친 급격한 효율증가로부터 차세대 태양전지로써 가능성을 제시하고 있으며, 2014년에는 20%를 뛰어넘는 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지가 보고되었다. 페로브스카이트 태양전지는 “pseudo p-i-n junction” 구조를 가지며, n 타입의 전자전달물질인 TiO2에 i 타입의 페로브스카이트 광감응제가 흡착되어 있고, p 타입의 정공전달물질이 이와 접합을 이루는 구조이다. TiO2층으로는 일반적으로 20 nm 크기의 입자를 스핀 코팅하여 메조기공층을 형성하는데, 페로브스카이트와의 접합면적이 넓지 않아 발생된 전하가 효율적으로 분리되지 못했다. 이 점으로부터 본 연구에서는 메조기공 및 매크로기공을 모두 갖는 다중기공층을 형성함으로써 전자전달효율 증가에 따른 광전류 증가와 더불어 재결합 감소에 따른 fill factor 증가가 태양전지의 효율증가로 이루어질 것을 기대할 수 있다. 따라서, 다중기공 TiO2층을 형성하기 위해서 폴리스티렌을 템플레이트로 활용하여 광결정으로 잘 알려진 역오팔 구조를 적용했다. 역오팔 구조는 Bragg 반사, 공진 모드, 광자 속도 지연 효과를 비롯한 광포집 효과 메커니즘으로부터 효율적인 광제어가 가능하다. 이로부터 크기가 다른 두 종류의 폴리스티렌 구체(100 nm, 250 nm)를 이용하여 다중기공성 TiO2 층을 형성하고 요오드를 할로겐 원소로 포함하는 CH3NH3PbI3 페로브스카이트를 광감응물질로 사용하는 태양전지를 제작하였다. 대조군으로 20 nm TiO2 나노입자로부터 메조기공을 가진 소자를 만들었고, 실험군으로는 100nm, 250 nm 및 혼합조성 (100 nm: 45%, 250 nm: 55%)으로 이루어진 폴리스티렌으로부터 각각 80 nm, 200 nm, 혼합 (80 nm, 200 nm) 크기의 매크로기공을 갖는 역오팔 구조를 형성하였다. 역오팔 구조를 갖는 소자로부터는 푸른계열의 프리즘을 확인하였고, IPCE와 UV-vis 분광법을 통해 같은 두께를 갖는 소자로부터 역오팔 구조를 갖는 소자가 광흡수도가 높고 빛 산란효과 및 광전류 증폭효과가 나타나는 것을 확인하였다. 또한, PL 소멸 분광법을 통해서 전자와 정공의 분리 효율을 PL quenching으로부터 정량적으로 분석하였고, 개방전압 소멸 측정법을 통해서 재결합 속도를 간접적으로 비교하고, 이로부터 전자의 수명을 계산하였다. 그 결과, 역오팔 구조를 갖는 소자의 전자-정공 분리 효율이 높고, 재결합 비율이 낮아 전자 수명이 높게 측정되었다. 전류-전압 특성분석에서는 혼합조성비를 가진 역오팔 구조가 가장 높은 효율을 보였고, 전류전압밀도 (17.18 mA/cm2), fill factor (0.68), 광변환효율 (10.74%)로 대조군 소자에 비해 각각 13.70%, 19.3%, 31.0% 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 하지만, 개방전압은 923mV로 역오팔 구조와 FTO 기판과의 접합면적 소실로부터 발생한 개방전압 손실은 3.4%에 불과했다. 이러한 결과로부터 역오팔 TiO2 전자전달층을 갖는 페로브스카이트 태양전지는 광전류 증폭 및 전하분리 효율의 증대를 가져와 기존의 소자보다 높은 효율을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구 결과는 기존의 다른 연구에서 이루어진 나노시트, 나노파이버, 나노와이어, 나노로드를 이용한 연구와 비교하여 개방전압 손실이 크지 않으면서 전류밀도와 fill factor를 동시에 향상시킨 결과로 개방전압이 높고 빛 흡수계수가 높은 무-유기 하이브리드 페로브스카이트 구조 태양전지의 장점을 극대화하였다는데 의미가 있다.