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May 09, 2023

역페로브스카이트 태양전지를 위한 새로운 정공 수송 물질인 AgSCN

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7939(2023) 이 기사 인용

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AgSCN(은 티오시아네이트)을 기반으로 하는 새로운 HTM은 핀 페로브스카이트 태양전지(PSC)에 사용할 수 있도록 설계되었습니다. 대량 수율로 AgSCN은 실험실에서 합성되었으며 XRD, XPS, 라만 분광학, UPS 및 TGA를 통해 밝혀졌습니다. 신속한 캐리어 추출 및 수집을 가능하게 하는 얇고 매우 등각적인 AgSCN 필름의 생산은 빠른 용매 제거 접근 방식을 통해 가능해졌습니다. 광발광 실험에서는 AgSCN을 첨가하면 인터페이스에서 PEDOT:PSS에 비해 HTL과 페로브스카이트 층 사이에 전하를 전달하는 능력이 향상되었음을 보여주었습니다. 다결정 페로브스카이트 필름의 결정학적 불일치는 필름의 미세 구조 및 형태에 대한 추가 조사에서 발견되었으며, 이는 AgSCN 표면에서 주형 페로브스카이트의 발달을 나타냅니다. 잘 알려진 PEDOT:PSS로 인한 장치와 비교하여 개방 회로 전압(VOC)은 AgSCN에 의해 ​​높은 일함수로 0.1~1.14V(PEDOT:PSS의 경우 1.04V) 증가합니다. 16.66%의 전력 변환 효율(PCE)로 고성능 PSC는 제어된 PEDOT:PSS 장치의 15.11%와 비교하여 CH3NH3PbI3 페로브스카이트를 사용하여 효과적으로 생성됩니다. 용액 처리된 무기 HTL은 내구성 있고 효과적인 유연한 핀 PSC 모듈을 구축하기 위해 간단한 방법을 사용하거나 하이브리드 탠덤 태양 전지의 전면 셀로 사용하는 것으로 입증되었습니다.

페로브스카이트 태양전지(PSC)에 대한 연구는 지난 10년 동안 큰 발전을 이루었습니다. PSC는 25.7%가 넘는 높은 수준의 전력 변환 효율(PCE)을 달성했습니다. 그럼에도 불구하고 낮은 안정성과 높은 비용을 포함한 다양한 문제로 인해 실제 배포가 계속 방해받고 있습니다1,2,3,4. 전통적인 표준 PSC는 전도성 TCO 기판(ITO 또는 FTO), 전자 수송/추출 층(ETL), 페로브스카이트의 흡수층, 정공 수송/추출 층(HTL) 및 전극으로서의 후면 접점으로 구성됩니다5,6 . 흡수체 층(페로브스카이트)에서 금속 양극(정공 수송 재료(HTM) 또는 HTL)으로의 전자 전달을 방해하는 성공적인 정공 수송/추출 용량 및 인터페이스 조정으로 인해 효과적인 PSC에 중요합니다. PTAA, Spiro-MeOTAD 및 PEDOT: PSS와 같은 고급 HTM은 현재 상용화 가능합니다8,9,10. 그러나 제한된 결정성, 열악한 이동성, 높은 비용 및 습도로 인한 공기 악화 가능성은 이러한 유기 HTM의 일부 문제일 뿐입니다. 낮은 처리 온도에서 매우 안정적인 무기, 열적, 화학적으로 호환되는 대안은 극히 드뭅니다13,14. 물론 매우 효과적인 PSC를 위한 업데이트되고 저렴하며 구입하기 편리한 HTM 대안을 만드는 것이 필수적입니다. 적절한 HTM은 높은 이동성, 최고 수준의 HOMO(점유 분자 궤도) 에너지 및 안정적인 화학적/물리적 특성을 요구합니다14,15. 높은 이동성, 안정성, 합성 용이성 및 저렴한 비용을 고려할 때 무기 p형 반도체는 유기 HTM보다 더 나은 선택입니다.

PEDOT:PSS17의 유기 정공 전도체는 역평면 PSC를 기반으로 하는 무기 HTM p형 물질로 대체됩니다. 평면 이종접합 PSC의 VOC는 페로브스카이트/전하 수송 중간층 인터페이스를 통해 크게 확립되므로 PEDOT:PSS와 CH3NH3PbI3 사이의 인터페이스에서 에너지 손실이 발생하여 VOC18이 감소합니다. 예를 들어 PEDOT:PSS와 비교할 때 CuSCN은 VB = − 5.3 eV 및 CB = − 1.8 eV의 에너지 레벨로 구별되며 이는 CH3NH3PbI3(VB = − 5.4 eV)와 일치합니다. 또한 CuSCN은 3.6eV의 넓은 밴드갭(Eg)으로 UV-Vis-NIR 범위 전체에 걸쳐 더 나은 투명성을 제공하므로 광활성 물질이 반전된 구조에서 더 많은 빛을 흡수하여 더 높은 광전류를 생성하는 것이 더 쉬워집니다. 본 연구에서는 CuSCN20의 대체 무기 HTM으로 AgSCN을 사용합니다. 특히, 상보성 금속 디칼코게나이드(CdTe) 태양전지에서 Cu 및 Ag 도핑 소스로 사용하는 것 외에 용액 처리된 CuSCN 및 AgSCN은 무기 HTL 기반 PSC로 보고되지 않았습니다. CuSCN의 장점은 정공 수송층과 Cu 도핑 소스 역할을 할 수 있는 반면, AgSCN은 저항률이 더 높아 확산 속도가 느린 Ag 도핑 소스 역할을 할 수 있다는 점입니다. 표 S1(SI)에서 우리는 AgSCN의 새로운 결과와 비교하여 효율성을 입증하기 위해 2015~2020년 기간 동안 무기 HTM인 CuSCN 기반 역 PSC의 광전지 매개변수를 요약했습니다. CuSCN은 Cu+로 구성되어 있으며 Cu2+보다 안정성이 낮고 화학적 안정성이 바람직하지 않은 것으로 알려져 있습니다. 구조는 이온이 다른 분자에 결합할 때 이온 엔탈피(수화 에너지)에 의존합니다. Cu2+ 이온은 Cu+ 이온보다 더 높은 전하 밀도를 가지며, 추가 에너지를 방출하는 훨씬 더 강한 결합을 생성합니다.