Sn/Pb 칵테일 페로브스카이트 태양전지 성능 저하 원인 분석

최근 효율 20.1% 유기금속 trihalide 페로브스카이트(MAPbI3) 태양전지가 보고 됐다. 이는 과학자들이 이 물질 시스템의 물리적 이해에 집중케 했다. 

유기금속 trihalide 페로브스카이트는 직접 밴드갭 물질이며 높은 광학 흡수를 가진다. 또한 큰 유전상수로 인해 exciton 결합에너지가 작다. 긴 광여기 캐리어 수명과 deep level 결함이 없고 매우 작은 Urbach energy를 갖는다. 

Qing Shen 그룹은 캐리어 수명, 전하 분리, 그리고 전하 재결합 다이나믹스가 유기금속 trihalide 페로브스카이트 태양전지 성능에 미치는 영향을 연구했다. 

TiO2/Spiro-OMeTAD 계면에서 재결합 감소는 효율 향상에 중요한 요소이다. 이 재결합을 줄이기 위해 TiO2 표면 패시베이션과 계면 엔지니어링이 고안되고 있다. 

이 태양전지의 효율을 더 증가시키기 위해 근적외선 스펙트럼 까지 더 많은 광 포획을 시도하고 있다. 

(Photoacoustic(PA)기술을 이용한 MAPbI3와 Sn/Pb 칵테일 MASn0.5Pb0.5I3 페로브스카이트의 광흡수 스펙트럼. 밴드갭과 Urbach 에너지는 MASn0.5Pb05I3 페로브스카이트는 1.21 eV와 34 meV이고 MAPbI3 페로브스카이트는 1.52 eV와 22 meV이다)

Shuzi Hayase 교수는 CH3NH3SnxPb1-xI3 형태의 ‘Sn/Pb 칵테일 페로브스카이트’ 물질을 통해 1060 nm까지 태양광을 흡수할 수 있었다.

하지만, Sn/Pb 칵테일 페로브스카이트 태양전지의 효율은 10%보다 낮다. Voc와 FF가 낮은 것이 효율 저하의 원인이다.

(일반적인 광전지 재료에 대한 Urbach 에너지(E0) 함수로서 (Eg/q)-Voc. MAPbI3 대비 MASn0.5Pb0.5I3의 더 큰 Voc 손실은 MASn0.5Pb0.5I3의 더 큰 Urbach 에너지 때문이다.)

(Pb 페로브스카이트와 Sn/Pb 페로브스카이트 태양전지의 전형적인 캐리어 이동과 재결합 다이나믹스. Pb/Sn 칵테일 페로브스카이트 태양전지의 낮은 효율은 TiO2와 P3HT 계면 사이에서 빠른 재결합이 원인으로 밝혀졌다. 이 빠른 재결합은 pinhole-free 페로브스카이트 막을 만들면 억제될 수 있다) 

Shen은 Sn/Pb 칵테일 페로브스카이트 물질의 특성을 분석했다. 초기 결과로서 더 좋은 태양전지는 비방사 재결합을 줄여야 만들어진다는 것을 알았다. 비방사 재결합 감소는 Pb/Sn 페로브스카이트의 결정 품질 향상과 TiO2/Sn/Pb 페로브스카이트 계면의 적당한 패시베이션, 그리고 pinhole-free 페로브스카이트 막으로 달성될 수 있다.  

참고: http://phys.org/news/2015-09-organometal-trihalide-perovskite-solar-cells.html