Crystal Growth Control of Perovskite via Urea Additives in Vacuum-Processed Peorvskite Solar Cells

Abstract

To form a perovskite thin film of good quality, it is necessary to control crystal growth. The slower the crystal growth, the better-quality thin films can be obtained. This leads to an improvement in photovoltaic parameters in perovskite solar cells (PSCs). In the solution process PSC (S-PSC), crystal growth is controlled by adding a Lewis base such as DMSO. In this study, the crystal growth was controlled by co-evaporation of the precursors (PbI2, MAI) and propylene urea (PU), a Lewis base in vacuum-processed PSC (V-PSC). After co-evaporation, a vacuum annealing process was performed to remove PU. After that, it was confirmed by Scanning Electron Microscope (SEM) analysis that the perovskite grain size increased. Furthermore, it was confirmed by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) that PU affects crystal growth. The charge mobility characteristics were confirmed by conducting a TRMC analysis. The charge recombination decreases after introducing the PU. Compared to V-PSC, V-PSC-PU (V-PSC with PU) improved the open voltage (Voc) by 6.74 % and the power conversion efficiency (PCE) by 6.63 %. These are the result of decreased charge recombination due to a decrease in the number of grain boundaries as the grain size of the perovskite film increases.;유무기 하이브리드 반도체 기반의 페로브스카이트 태양전지(PSC)는 유망한 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있다. PSC 상용화를 위해서는 효율적이고 확장 가능한 제조 방법의 추가 개발이 필수적이다. 현재까지 용액공정 기반의 방법은 비싸고 복잡한 장비가 필요 없어 단순성과 비용 효율성으로 인해 널리 연구되었다. 이러한 장점에도 불구하고 용액 기화에 따른 용액의 의도하지 않은 편차와 습도 및 온도와 같은 코팅 조건에 의해 크게 영향을 받으며 넓은 면적에 대한 안 좋은 재현성과 균일성으로 인해 진공 기반 방법을 대체 방법으로 개발하는 것이 필요하였다. 진공 증착 법은 유기 발광다이오드(OLED)와 같은 다양한 형태의 전자소자 제조에 널리 활용되어 상용화 된 방식이다. 이 방식은 기판 및 제조 조건에 관계없이 필름 두께를 더 잘 제어하여 넓은 면적에 균일하고 균질한 필름을 제조할 수 있다. 또한 무용매 공정으로 재현성이 향상되어 진공 기반 방법이 대규모 및 상업화에 적합하다. PSC에서 페로브스카이트 층은 결정 형성 속도가 느릴수록 결정성이 있는 고품질의 박막이 형성되고 고품질의 페로브스카이트 박막은 태양전지 태양광 발전 매개변수(photovoltaic parameter)를 향상시킨다. 용액공정에서는 이를 위해 DMSO 등의 Lewis base 첨가제를 용액에 첨가하고 스핀 코팅 할 때 Diethyl ether 등의 용매로 첨가제를 제거함으로써 결정 형성 속도를 조절하여 결정 크기를 결정한다. 그러나 진공증착 방식에서는 결정 형성 속도를 조절하기 어려워 작은 그레인 사이즈를 얻게 되는 문제가 발생한다. 이 논문은 진공증착 방식 페로브스카이트 태양전지에 Lewis base 물질을 첨가제로 활용하여 페로브스카이트의 결정 성장을 조절하는 연구에 관한 논문이다. 이 때 페로브스카이트 층은 PbI2 와 MAI(CH3NH3I)를 동시 증착 방식을 통해 MAPbI3 박막을 형성하였다. PbI2, MAI와 첨가제를 동시 증착하여 진공 챔버 내에서의 MAPbI3 페로브스카이트 결정 형성을 제어한 필름과 기존의 증착 공정 필름 제작방법대로 첨가제 없이 PbI2 와 MAI 만 동시 증착한 필름을 비교하였다. 박막 형성 이후 열처리 과정을 통해 필름의 조성과 변화를 분석하였다. 태양전지는 ITO기판 위에 정공수송층(HTL)/MAPbI3(PVSK)/C60/BCP/Ag 순서로 증착하여 제작하였다. 결정 크기를 SEM 이미지로 확인한 결과 첨가제를 넣은 필름의 결정성이 첨가제를 넣지 않은 필름보다 뛰어났다. X-선 회절분석법 피크의 FWHM 비교를 통하여 결정 크기 비교 또한 가능했다. TRMC 분석을 통한 전하 전하 이동도 특성을 확인한 결과 첨가제 도입 후 전하 재결합의 정도 또한 감소하였다. 앞선 페로브스카이트 박막의 조건으로 디바이스를 만들어 태양전지 특성 평가를 진행한 결과, 첨가제를 넣어 제작한 페로브스카이트 박막 조건 소자의 경우 결정 성장 속도가 조절되어 도메인 사이즈를 키우고 전하 재결합을 감소시켜 태양전지의 개방전압이 6.73 % 향상되었고 광전변환효율이 6.64 % 개선되었다.