Fabrication of Interfacial Band-Aligned Halide Perovskite Solar Cells and Their Optoelectronic Properties

Abstract

3.81%의 전력 변환 효율을 보여준 할로겐화물 페로브스카이트의 광전 효과가 밝혀진 이후, 할로겐화물 기반 페로브스카이트 태양 전지는 시장을 오랫동안 지배해 온 전통적인 실리콘 기반 태양 전지의 성능과 유리하게 비교하여 26.1%의 인상적인 PCE에 도달했다. 그러나, 금속 양이온과 할로겐화물 음이온 간의 약한 결합으로 인해 쉽게 생성된 결함으로 인해 페로브스카이트 태양 전지의 작동 안정성대한 과제가 남아 있다. 이러한 결함, 예를 들어 빈 공간, 간질 및 반물질은 비방사성 재결합, 전하 포획 및 이온 이동을 촉진하여 광전자 특성 및 소자 안정성에 부정적인 영향을 미친다. 할로겐화물 페로브스카이트의 고유한 불안정성은 결함 형성을 증가시켜 시간이 지남에 따라 점진적인 성능 저하를 초래한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 결함을 이해하고 완화하기 위한 고급 특성화 기술뿐만 아니라 화학적 패시베이션, 조성 엔지니어링 및 계면 변형을 탐구하고 있다. 본 연구에서는 저온 용액 가공성, 높은 광학 투과율 및 우수한 전기 전도도와 같은 SnO2의 고유한 장점으로 인해 FA 기반 페로브스카이트 태양전지에서 전자 수송층으로 n형 금속 산화물인 SnO2 박막을 사용하였다. 그러나 SnO2의 고유한 n형 반도체 특성은 고유한 산소 빈자리가 다수 존재하므로 태양 전지에만 국한되지 않고 memristor 응용 분야에도 적합하다. 페로브스카이트 태양전지에서 SnO2를 전자 수송층으로 사용하기 전에 전도성-원자력 현미경(c-AFM) 측정을 사용하여 멤리스티브 특성을 조사했다. 이 물질은 다양한 주변 조건에서 저항 스위칭 거동에서 양극성 사이클링을 나타내어 산소 빈자리가 수행하는 중요한 역할을 시사한다. 이러한 빈자리와 관련 전도 상태를 추가로 제어하기 위해 염소(Cl) 기반 표면 코팅을 도입했다. 이러한 수정은 주변 조건에 관계없이 일관된 양극성 저항 스위칭 거동을 보여 SnO2를 페로브스카이트 태양전지에 적용할 수 있는 유망한 후보로 만들었다. 이어서, SnO2 상의 Cl 및 암모늄 이온(NH4+)의 분포를 전략적으로 제어하여 SnO2 기반 PSC에서 패시베이션 효과를 향상시키는 접근법을 도입하고 표면 트랩 및 결함, 불일치 에너지 레벨과 관련된 히스테리시스를 감소시켰다. 이러한 효과는 SnO2 결정화의 기초를 마련하고 ITO/SnO2 및 SnO2/페로브스카이트 인터페이스에서 이중 계면 에너지 레벨을 능숙하게 조정하여 궁극적으로 포토캐리어 전송을 향상시킨다. 메커니즘은 주로 광발광(PL) 측정을 통해 조사되었다. PL 결과는 NH4+ 패시베이션이 전하 수송을 크게 향상시켜 전자 추출 시간을 미처리 장치에 비해 15배 감소시킨다는 것을 확인하였다. 반대로, Cl 패시베이션은 더 낮은 성능을 나타내어 NH4+ 패시베이션의 장점을 부각시킨다. 또한, 옥틸-요오드화암모늄 (OAI)을 사용한 페로브스카이트 표면 패시베이션에서 시작된 이온 확산 프로세스의 영향을 받아 자가 조립 2차원 페로브스카이트(2D-OA2PbI4)가 매립 계면에서 형성되는 것이 관찰됐다. 매립 계면에서 사전 추출된 NH4+ 이온의 도입과 양이온 교환으로 인한 이 접근 방식은 할로겐화물 분리 및 전하 비균질성을 효과적으로 완화한다. 밀도 함수 이론 계산에 의해 추출된 0.21 eV의 낮은 이동 장벽을 특징으로 하는 NH4+ 이온은 FAPbI3 페로브스카이트의 상단 표면을 효과적으로 수정하여 정공수송층 인터페이스와 잘 정렬된 밴드를 보인다. DC Galvanostatic 측정을 사용한 병렬 전도도 측정은 매립 계면에서 2D 상의 형성이 전자 전하와 이온 전하의 축적을 성공적으로 차단한다는 것을 보여준다. DC 편광 및 표면 광전압 (SPV) 측정을 통해 평가된 바와 같이 어두운 조건과 조명 조건 모두에서 FAPbI3 박막 두께를 조작함으로써 공간 전하 영역을 조절하면 이중 계면의 변형이 효과적으로 향상된다는 것을 입증했다. 이 변형은 결정성 및 전하 캐리어 추출을 개선하여 궁극적으로 페로브스카이트 태양 전지의 전체 성능에 기여한다. 마지막으로 혼합 요오드화물-브로마이드 납 페로브스카이트에 납 티오시아네이트(Pb(SCN)2)를 첨가하여 다중 접합 태양전지 구성에 적용하기 위한 광대역 갭 태양전지의 성능을 향상시켰다. Pb(SCN2)첨가제가 페로브스카이트 박막의 형태학적, 전기적, 물리적 특성에 미치는 영향을 c-AFM과 켈빈 프로브 힘 현미경(Kelvin probe force microscopy, KPFM) 분석을 통해 이해하였다. 페로브스카이트 박막에서 효율적인 전하 추출과 감소된 재결합을 위해 유리한 밴드 구조와 표면 전위 분포를 만드는 데 최적화된 2% Pb(SCN2) 농도가 가장 효과적으로 나타났다. 결론적으로 밴드 굽힘 및 계면 결함에 영향을 받는 전하 캐리어 수송 메커니즘과 같은 페로브스카이트 태양전지의 포괄적인 광전자 특성은 주로 c-AFM, KPFM, SPV, PL 분광법 및 DC 편광 측정을 포함한 고급 특성화 기술을 사용하여 분석되었다. 이러한 발견은 페로브스카이트 태양전지 성능을 안정화하는 데 기여할 뿐만 아니라 장치 설계 및 기능을 최적화하는 지침을 제공한다.;Since the revelation of the photovoltaic effect in halide perovskites, which demonstrated a remarkable power conversion efficiency (PCE) of 3.81%, in contrast to their oxide counterparts that have proven unsuitable for photovoltaic applications, the halide-based perovskite solar cells (PSCs) have reached an impressive PCE of 26.1%, comparing favorably with the performance of traditional silicon-based solar cells that have long dominated the market. However, significant challenges remain in the operational stability of PSCs due to defects caused by weak binding between metal cations and halide anions. These defects, such as vacancies, interstitials, and antisites, negatively impact optoelectronic properties and device stability by promoting nonradiative recombination, charge trapping, and ionic migration. The inherent instability of halide perovskites increases defect formation, leading to gradual performance deterioration over time. To address these issues, researchers are exploring chemical passivation, compositional engineering, and interfacial modifications, as well as advanced characterization techniques to understand and mitigate defects. In this study, we adopted SnO2 thin films which is an n-type metal oxide as an electron transport layer (ETL) in the FA-based PSCs due to the unique advantages of SnO2, such as its low-temperature solution processability, high optical transmittance, and good electrical conductivity. However, the intrinsic n-type semiconductor properties of SnO2, characterized by its inherent oxygen vacancies, make it suitable for memristive applications rather than solely for solar cells. Prior to employing SnO2 as an ETL in PSCs, we investigated its memristive properties using conductive-atomic force microscopy (c-AFM) measurements. Interestingly, the material exhibited exotic cycling bipolarity in its resistive switching behavior under varying ambient conditions, suggesting the crucial role played by oxygen vacancies. To further control these vacancies and the associated conducting states, we introduced a chlorine (Cl)-based surface coating. This modification resulted in a consistent bipolar resistive switching behavior, irrespective of the ambient conditions, making SnO2 a promising candidate for application in PSCs. Subsequently, we introduced an approach to enhance passivation effects in SnO2 based PSCs by strategically controlling the distribution of Cl and ammonium ions (NH4+) on the SnO2, and reduced the hysteresis related to surface traps and defects, and mismatched energy levels. These effects lay the foundation for SnO2 crystallization and adeptly adjust the bifacial interface energy levels at the ITO/SnO2 and SnO2/perovskite interfaces, ultimately enhancing photo-carrier transport. The mechanisms were mainly investigated by photoluminescence (PL) measurement. The PL results confirm that NH4+ passivation significantly improves charge transport, reducing electron extraction time by a factor of 15 times compared to untreated devices. Conversely, Cl passivation in conventional devices shows poorer performance, highlighting the advantages of NH4+ passivation. Furthermore, we observe that a self-assembled 2-dimensional (2D) perovskite (OA2PbI4) forms at the buried interface, influenced by ionic diffusion processes initiated from the perovskite surface passivation with octyl-ammonium iodide (OAI). This approach, resulting from cationic exchange with the introduction of pre-extracted NH4+ ions at the buried interface, effectively mitigates halide segregation and charge non-homogeneity. The NH4+ ions, characterized by a low migration barrier of 0.21 eV as determined by density functional theory calculations, effectively modify the top surface of the FAPbI3 perovskite, aligning it with the hole transport layer interfaces. Parallel conductance measurements using DC Galvanostatic, reveal that the formation of the 2D phase at the buried interface successfully blocks the accumulation of both electronic and ionic charges. By manipulating the FAPbI3 thin film thickness under both dark and illuminated conditions, as assessed through DC polarization and surface photovoltage (SPV) measurements, we demonstrate that regulating space charge zones effectively enhances the modification of bifacial interfaces. This regulation leads to improved crystallinity and charge carrier extraction, ultimately contributing to the overall performance of the perovskite solar cells. Finally, we investigated the incorporation of lead thiocyanate (Pb(SCN)2) into mixed iodide-bromide lead perovskites to enhance the performance of wide-band gap solar cells for application in multijunction solar cell configurations. The impact of Pb(SCN)2 additives on the morphological, electrical, and physical properties of perovskite thin films were comprehended using c-AFM and Kelvin probe force microscopy (KPFM) analyses. The optimized concentration of 2% Pb(SCN)2 emerged as the most effective in creating a favorable band structure and surface potential distribution for efficient charge extraction and reduced recombination in perovskite thin films. In conclusion, comprehensive optoelectronic properties of PSCs such as the charge carrier transport mechanisms influenced by band bending and interfacial defects, were mainly analyzed by using characterization techniques including c-AFM, KPFM, SPV, PL spectroscopy, and DC polarization measurements. These findings not only contribute to stabilizing PSC performance but also provide a guidance for optimizing device design and functionality.