CH3NH3PbI3 Based Perovskite Solar Cell Prepared by All Vacuum Process and its Application for Tandem Solar Cells

Abstract

In chapter I, two types of vacuum deposition methods were used to form perovskite films and their characteristics were analyzed. Also, to check how the film changes during the heat treatment process, the presence or absence of annealing was compared. The co-deposition process has a limitation in crystal size growth by the annealing process because the layer is formed on the substrate in a state where PbI2 and CH3NH3I are previously combined in the chamber. However, it is an advantage that the film thickness can be freely controlled only by changing the deposition time. On the other hand, the sequential deposition method required a longer time to process and was more difficult to optimize to obtain a CH3NH3PbI3 thin film to avoid excess CH3NH3I due to stoichiometric inconsistency. However, due to the large change of the film by heat treatment, there is a possibility of forming a large crystal size. The crystal size appears to be very large in the cross-sectional SEM image, and XRD peak intensity was the highest. When the device was fabricated, the co-deposition method achieved 14.66% and the sequential deposition process achieved 9.92% of power conversion efficiency. Overall, the co-deposition process is better for forming perovskite thin films. Furthermore, instead of Spiro-OMeTAD, which uses a solution process, to fabricate solar cells using vacuum deposition in all layers, Spiro-TTB is incorporated that can be thermally evaporated. As a result, a solar cell with a power conversion efficiency of 13.38% was fabricated in a device with a 12nm layer of Spiro-TTB. In chapter II, perovskite/Si tandem (heterojunction) solar cells using vacuum deposition are fabricated and analyzed. Tandem cells were fabricated by sequentially stacking a hole transport material (HTM)/CH3NH3PbI3/C60/BCP/Ag on a p-type crystalline silicon cell, and a CH3NH3PbI3 layer was formed by co-depositing PbI2 and CH3NH3I. A Spiro-TTB single layer as a HTM resulted in the shorting of the top cell in the device. Thus, the device was fabricated by coating another HTM before the layer of Spiro-TTB. As a result, when PEDOT:PSS was used, the open-circuit voltage of the two solar cells was connected. Finally, when the tandem solar cell using a double layer with PEDOT:PSS and P3HT were fabricated, the open-circuit voltage was 1.64V and the power conversion efficiency was 14.64%. By applying the double layer of the hole transport layer, it was confirmed that higher VOC and fill factor can be secured. ;이 논문은 페로브스카이트 층을 진공 증착 방법으로 형성하여 모든 층을 증착 공정으로 단일 태양전지를 제작한 내용과 이 페로브스카이트 태양전지를 실리콘 태양전지에 접목시킨 이중 접합(탠덤) 태양전지 연구에 관한 내용으로 구성되어 있다. 첫 번 째 장에서는 열 증착기로 페로브스카이트 층을 형성할 수 있는 두 가지 방식인 동시 증착(Co-deposition)과 순차적 증착(Sequential deposition)으로 박막을 형성하여 각각의 특성을 비교 분석하였다. 그리고 열처리 과정을 거치면서 필름이 어떻게 변하는지 확인하기 위해 공정 방식과 함께 열처리 유무도 비교 분석하였다. 동시 증착 공정은 챔버 내에서 PbI2와 CH3NH3I가 미리 결합된 상태로 기판에 층을 형성하기 때문에 열처리 공정에 의한 결정 크기 성장에 한계가 있다. 그러나 증착 시간만 조절하면 박막 두께 조절이 자유롭다는 것이 장점이다. 반면 순차적 증착 방법은 공정에 필요한 시간이 더 길고, 화학 양론적으로 맞지 않아 초과된 CH3NH3I가 생기지 않도록 하기 위해 CH3NH3PbI3 박막을 얻기 위한 최적화 단계가 더 까다로웠다. 하지만 열처리에 따른 필름의 변화가 크기 때문에 더 큰 사이즈의 결정을 형성할 수 있는 가능성이 있고, 단면 주사전자현미경 이미지에서 결정 크기가 아주 큰 것으로 보이며 X-선 회절분석법 피크 강도가 가장 높았다. 앞선 페로브스카이트 박막의 조건으로 디바이스를 만들어 태양전지 특성 평가를 진행하였을 때 동시 증착 공정은 14.66%, 순차적 증착 공정은 9.92%의 광전 변환 효율을 구현한 결과를 얻었다. 종합적으로 공증착 공정이 페로브스카이트 박막을 형성하는 데에 더 유리하다. 더 나아가 모든 층을 진공 증착 방식으로 한 태양전지를 제작하기 위해 용액 공정을 이용하는 Spiro-OMeTAD를 대신하여 증착이 가능한 정공 수송 물질인 Spiro-TTB를 접목하였다. 그 결과 12nm의 Spiro-TTB 층으로 제작한 디바이스에서 광전 변환 효율이 13.38%인 태양전지를 제작하였다. 두 번 째 장에서는 진공증착법을 이용한 페로브스카이트/실리콘탠덤(이종접합) 태양전지를 제작하여 분석한다. P형 결정질 실리콘 전지 위에 정공 수송 물질/CH3NH3PbI3/C60/BCP/Ag를 차례로 쌓아 탠덤 전지를 제작하였으며, CH3NH3PbI3 층은 PbI2와 CH3NH3I를 동시 증착시켜 형성하였다. 정공 수송 물질로 Spiro-TTB 단독으로 층을 형성시켰을 때 상부 전극이 단락된 결과가 나왔다. 그리하여 다른 정공 수송 물질을 Spiro-TTB 층 형성 전에 코팅하여 디바이스를 제작하였고, 그 결과 PEDOT:PSS를 이용하였을 때 두 전지가 연결된 개방 전압을 보였다. 마지막으로 PEDOT:PSS와 P3HT 더블레이어를 적용한 탠덤 태양전지를 제작하였을 때 개방 전압 1.64V, 광전 변환 효율 14.64%를 구현하였다. 이처럼 이중으로 정공 수송층을 탠덤 전지에 적용하면 더 높은 개방 전압과 충진율(fill factor)을 확보할 수 있다는 것을 확인하였다.