Surface Ligand Engineering and Chemical Annealing of Perovskite Nanocrystal Films Toward Scalable Solar Module Fabrication = 대면적 태양전지 모듈 제작을 위한 페로브스카이트 나노결정 박막의 표면 리간드 공정 및 화학적 어닐링

국문 초록 (Abstract)

페로브스카이트 콜로이드 나노 입자(Perovskite colloidal nanocrystals, PeNCs)는 뛰어난 광전자적 특성, 우수한 상 안정성, 그리고 느린 hot carrier 냉각 및 다중 엑시톤 생성과 같은 독특한 광물리적 특성으로 인해 차세대 태양전지 재료로 주목받고 있다. 그러나 PeNC 태양전지(PeNC solar cells, SCs)는 여전히 몇 가지 핵심적인 한계를 안고 있다. 나노결정 표면에 존재하는 절연성의 유기 리간드가 전하 수송을 제한하고 전력변환효율(Power Conversion Efficiency, PCE)을 저하시키며, 대면적 소자의 대량 제조 공정이 아직 충분히 개발되지 않아 산업적 적용에 제약이 따른다. 본 학위논문에서는 이러한 한계를 극복하고 FAPbI3 기반 PeNC 태양전지의 성능 및 공정 확장성을 향상시키기 위한 세 가지 전략을 제안한다.
제2장에서는 절연성 유기 리간드를 제거하기 위한 3-페닐-1-프로필아민(3-phenyl-1-propylamine, 3P1P) 기반 아민 보조 리간드 교환(Amine-assisted Ligand Exchange, ALE) 전략을 탐구하였다. 해당 ALE 공정은 FAPbI3 NC 필름에서 엑시톤 결합 에너지를 효과적으로 저감시키고, 추가적인 결함 상태를 유발하지 않으면서 자기쌍극자 상호작용을 강화하여 엑시톤 분리를 용이하게 하였다. 그 결과, FAPbI3 NC 태양전지는 17.98 mA/cm²의 향상된 단락전류밀도(Short-circuit current density, JSC) 및 15.56%의 PCE를 기록하였으며, 히스테리시스(hysteresis) 현상도 거의 관찰되지 않아 리간드 엔지니어링이 소자 성능과 안정성 향상에 미치는 효과를 입증하였다.
제3장에서는 FAPbI3 NC 필름의 표면 결함 패시베이션 및 결정성 향상을 위한 티오시아네이트(methylammonium thiocyanate, MASCN) 처리를 다루었다. 티오시아네이트 이온은 불완전하게 배위된 Pb2+ 이온과 효과적으로 결합하여 비방사성 재결합을 억제하고 입자 성장을 촉진하였다. 이 처리법은 소자의 전하 수송 특성과 장기 안정성 모두에 긍정적인 영향을 미쳤으며, 23.186 mA/cm2의 높은 JSC와 18.86%의 PCE를 달성하였다. 이러한 결과는 결함 엔지니어링의 중요성을 강조한다.
제4장에서는 FAPbI3 NC 기반 태양전지의 전 층(금 전극 제외)을 블레이드 코팅(blade coating) 공정을 통해 구현하는 전면적 저온공정화를 제안하였다. 균일하게 형성된 FAPbI3 NC 필름은 우수한 광전자적 특성을 나타냈으며, 75.02%의 높은 fill factor)과 14.23%의 PCE를 기록하였다. 아울러 10개의 서브셀을 직렬 연결한 24.5 cm2 면적의 모듈은 9.44%의 PCE를 달성하여 PeNC 태양전지가 대면적 응용에서도 실현 가능함을 입증하였다.
본 논문은 FAPbI3 PeNC 태양전지의 성능과 공정 확장성을 동시에 향상시키기 위한 전략을 종합적으로 고찰하며, 리간드 엔지니어링, 결함 패시베이션, 확장 가능한 제조공정에 관한 통찰을 제공한다. 이는 PeNC 태양전지 최적화를 위한 기반 지식을 확장함과 동시에 페로브스카이트 광전소자 분야의 향후 기술 발전에 기여할 수 있는 토대를 마련한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Perovskite colloidal nanocrystals (PeNCs) have emerged as promising candidates for photovoltaic applications due to their exceptional optoelectronic properties, superior phase stability, and unique photophysical characteristics such as slow hot carrier cooling and multiple exciton generation. However, PeNC solar cells (SCs) still face critical challenges: the presence of insulating long-chain ligands on the surface of nanocrystals limits charge transport and reduces power conversion efficiency (PCE), and scalable fabrication of large-area PeNC SCs remains underdeveloped, hindering industrial adoption. In this dissertation, three strategies are explored to address these limitations and enhance the performance and scalability of FAPbI3 PeNC solar cells.
Chapter 2 investigates an amine-assisted ligand-exchange (ALE) strategy utilizing 3-phenyl-1-propylamine (3P1P) to remove insulating long-chain ligands from FAPbI3 NC films. The ALE process effectively reduced the exciton binding energy and facilitated exciton dissociation by enhancing charge transport properties without introducing additional defect states. Consequently, the FAPbI3 NC SCs exhibited an improved short-circuit current density (JSC) of 17.98 mA/cm2 and a PCE of 15.56% with negligible hysteresis, demonstrating the significant impact of ligand engineering on device performance and stability.
Chapter 3 focuses on the surface defect passivation and crystallinity enhancement of FAPbI3 NC films through methylammonium thiocyanate (MASCN) treatment. Thiocyanate ions effectively coordinated with undercoordinated Pb2+ sites, reducing nonradiative recombination and promoting grain growth. This treatment led to a substantial improvement in device performance, achieving a high short-circuit current density of 23.186 mA/cm² and a PCE of 18.86%. The results highlight the critical role of defect engineering in improving both charge transport and long-term device stability in PeNC solar cells.
Chapter 4 presents the fabrication of fully blade-coated FAPbI3 NC solar cells, where all functional layers except the Au electrode were deposited using blade-coating. This approach demonstrates the potential for scalable manufacturing of PeNC devices. Uniformly coated FAPbI3 NC films exhibited excellent optoelectronic properties, resulting in a high fill factor of 75.02% and a maximum PCE of 14.23%. Furthermore, a large-area module comprising ten serially connected sub-cells (total area: 24.5 cm2) achieved a PCE of 9.44%, confirming the feasibility of PeNC SCs for practical large-area applications.
This dissertation provides a comprehensive study on strategies to improve the performance and scalability of FAPbI3 PeNC solar cells. The insights gained from ligand engineering, defect passivation, and scalable processing offer valuable contributions to the fundamental understanding of PeNC solar cell optimization and lay the groundwork for future advancements in the field of perovskite photovoltaics.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iv
• List of Tables vi
• List of Figures vii
• Chapter 1. Introduction １
• 1.1 Development of perovskite nanocrystal photovoltaics １
• 1.2. Challenges in ligand and phase management ３
• 1.3. Necessity of scalable fabrication approaches ５
• Chapter 2. Amine-assisted Ligand Exchange Method for FAPbI3 Nanocrystal Solar Cell 11
• 2.1 Introduction 11
• 2.2 Materials and Experiments 14
• 2.3. Results and Discussion 17
• 2.4. Conclusion 26
• Chapter 3. Quasi-bulk Chemical Annealing in FAPbI3 Nanocrystal Solar Cell with Enhanced Device Performance 39
• 3.1. Introduction 39
• 3.2. Materials and Experiments 41
• 3.3. Results and Discussion 44
• 3.4. Conclusion 51
• Chapter 4. Large-scale Integration of Perovskite Nanocrystal Solar Cell Devices 65
• 4.1. Introduction 65
• 4.2. Materials and experiments 67
• 4.3. Results and discussion 70
• 4.4. Conclusion 74
• Chapter 5. Summary and Conclusion 80
• Bibliography 82
• 초 록 89
• Curriculum Vitae 91