Organic-Inorganic Metal Halide Perovskite Solar Cells Stabilized with Octahedral Rhenium Cluster Complex

Abstract

In this thesis, the research to improve the stability of three-dimensional (3-D) CH3NH3PbI3-type perovskite solar cells by replacing organic cation with large inorganic cluster cation was carried out. The octahedral rhenium cluster complex Re6S8(H2O)62+ was used as cations between perovskite layers making low-dimensional structure. Dimensionally varied perovskite solar cells were fabricated by spin coating deposition and the photovoltaic characteristics were studied. 3-D perovskite MAPbI3 solar cell exhibited better performance than reduced-dimensional perovskite [Re6S8(H2O)6]2MAn-1PbnI3n+3 solar cells in average. The power conversion efficiency (PCE) of 3-D perovskite solar cell was 9.55 % while PCE of low-dimensional Re6S8(H2O)62+ cluster intercalated perovskite solar cell was 4.37 %. On the other hand, low-dimensional perovskite solar cells achieved enhanced stability while conventional perovskite solar cell was shortly decomposed. The low-dimensional perovskite solar cell retained over 51 % of initial efficiency after 168 hours while 3-D perovskite solar cell retained only 18 % of original efficiency. This improvement in stability mainly attributed to increased formation energy resulted from intercalation of octahedral rhenium cluster complex Re6S8(H2O)62+ with twice of positive charge in place of organic cation CH3NH3+.;본 연구에서는 3차원 구조를 갖는 MAPbI3 타입의 유기-무기 금속 할라이드 페로브스카이트 물질에서 층상의 두께가 조절된 페로브스카이트 태양 전지와 안정성의 관계를 다루었다. 안정성 문제를 해결하기 위해서, 저차원의 페로브스카이트 광활성 물질을 합성하기 위해 팔면체 레늄 클러스터 복합체가 사용되었다. 팔면체 레늄 클러스터가 화학량적으로 계산된 양 만큼 조절된 페로브스카이트 물질을 사용한 태양 전지가 스핀 코팅 증착법으로 제작되었고 광전지의 특성들이 측정되었다. 페로브스카이트 광활성 물질의 차원성과 태양 전지의 안전성 사이의 관계가 설명되었다. 팔면체 레늄 클러스터 복합체에 의해 저차원으로 조절된 페로브스카이트는 더 큰 사이즈의 단위 구조를 갖는 것으로 X-ray 회절 분석을 통해 설명되었다. 이러한 페로브스카이트의 차원의 변화는 태양 전지 소자의 안전성에 직접적인 영향을 주었다. 소자가 제작된 직후에는 삼차원 페로브스카이트 태양 전지가 저차원 페로브스카이트 태양 전지 보다 평균적으로 좋은 성능을 보였다. 그러나 168 시간이 지난 후 삼차원 페로브스카이트 태양 전지는 초기 효율의 18 % 만을 유지하였다. 반면에, 저차원으로 층상의 두께가 조절된 페로브스카이트 태양 전지는 초기 효율의 51 % 를 유지함으로써 높은 안정성을 보이는 것을 확인하였다. 이렇게 안정성이 개선된 것은 팔면체 레늄 클러스터 복합체의 삽입에 의한 결합에너지의 증가에 기인한다.