페로브스카이트 태양전지 소자 동작

페로브스카이트 태양전지 소자의 핵심 동작 과정은 다음과 같다. 

페로브스카이트의 광여기(1), TiO2로 전자 이동(2), HTM으로 홀 이동(3)(또는 HTM에서 페로브스카이트로 전자 이동), 광생성 종의 재결합(4), TiO2/페로브스카이트 계면, HTM/페로브스카이트 계면, 그리고 TiO2/HTM 계면에서의 back charge transfer(5,6,7).

고성능을 위해서는 4~5 과정은 전하 생성과 추출 과정인 1~3 과정보다 느리게 일어나야 한다. 

페로브스카이트 층이 두꺼울 수록 광생성 캐리어 수송이 중요하다. 여러 연구 결과에서 캐리어 확산 거리가 페로브스카이트 층의 두께 보다 크다는 것이 밝혀졌다. 

최근, EBIC(electron beam induced current)을 이용하여 막 단면에 걸쳐 전하 수집을 직접적으로 검출했다. 그림 4b의 일반적인 라인 스캔은 2가지 흥미로운 특징을 갖고 있다. 여기서 EBIC 분석을 위해 페로브스카이트의 두께는  1,500 nm이다.

첫번째는 페로브스카이트 막 내에 EBIC 신호의 이중 피크이다. 이것은 spiro-OMeTAD HTM 근처와 TiO2+FTO ETM 근처 모두에서 생성된 캐리어가 수집된 것인데 셀의 양극성 특성을 나타낸다. 

두번째는 두 피크 사이의 딥(dip)은 페로브스카이트의 두께가 최적 두께 보다 상당히 두꺼워 생성된 전하가 각 접촉으로 이동하는 중에 상당한 재결합이 일어나기 때문이다.  

이 특징은 소자의 열평형 에너지 밴드 다이아그램을 그려 보면 이해할 수 있다(그림 4c.). 페로브스카이트에서 포텐셜 변화는 HTM층 보다 밀한 TiO2층의 낮은 일함수 때문이다. 이것이 HTM층에 홀이, ETM 층에 전자가 모이게 한다.  

각 밴드 에지의 기울기는 local 전기장을 주는데 HTM과 ETM 근처에서 가장 강하다. 

HTM/페로브스카이트 계면에서의 EBIC 신호가 낮은 것은 높은 전자 재결합 속도 때문이다. 이것은 그림 4a.의 back charge tranfer에 해당한다. 

TiO2/페로브스카이트 계면에서는 EBIC 신호가 훨신 더 크다. 이것은 이 계면 근처에 dead layer가 없고 TiO2 자체가 생성시키는 전하가 EBIC 신호에 기여를 한다는 것을 암시한다. 

참고: The emergence of perovskite solar cells, Martin A. Green, et al., Nature Photonics⎜VOL 8⎜JULY 2014.