Tailoring Self-Assembled Monolayers for Efficient Perovskite/Si Tandem Solar Cells = 고효율 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지용 자가조립 단분자층 설계

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Perovskite/Si tandem solar cells have emerged as a promising next-generation energy conversion technology with the potential to surpass the theoretical efficiency limit of single-junction solar cells. To achieve high efficiency, interface engineering strategies that suppress charge losses are essential, particularly through the precise hole transport layer design at the junction interface. In this thesis, self-assembled monolayers (SAMs) are employed as hole transport layers, providing a basis for realizing efficient junctions without compromising individual subcell performance.
As a first strategy, a vacuum-based thermal evaporation process is applied to SAMs, addressing the intrinsic substrate-dependent incomplete surface coverage of solution-processed SAMs. This approach enables the formation of ultrathin monolayers with high packing density and excellent uniformity on the Si surface. The vacuum-deposited SAMs achieve complete coverage without the dummy molecules and increase the work function of the transparent conductive oxide, leading to improvement in open-circuit voltage. As a result, the monolithic perovskite/Si tandem device with vacuum-deposited SAMs achieves a power conversion efficiency of 28.50% with high reproducibility, representing a notable performance advance for tandem solar cells based on commercial PERC-Si bottom cells.
As a second strategy, a fluorine-substituted asymmetric molecular design is developed for methoxy-substituted carbazole-based SAMs to modulate the properties at the SAM/perovskite interface. The asymmetric fluorine substitution enhances molecular dipole moments and work function while shifting the highest occupied molecular orbital to deeper energy levels, thereby improving energy-level alignment between the SAMs and wide-bandgap perovskite absorbers and promoting efficient interfacial charge extraction. Electrical and spectroscopic analyses reveal reduced interfacial defect density and suppressed nonradiative recombination in devices employing fluorinated-SAMs. Density functional theory calculations combined with buried interface analyses further demonstrate that fluorine substitution induces favorable adsorption configurations for hole extraction while mitigating iodine vacancy formation and residual lattice strain, leading to interfacial lattice stabilization. These effects result in suppressed halide segregation, as evidenced by reduced photoluminescence peak shifts under continuous illumination, and significantly enhanced operational stability under both room-temperature and elevated-temperature conditions. Consequently, wide-bandgap perovskite single-junction devices achieve a certified efficiency of 20.14% while retaining 90% of their initial efficiency after 1500 h, and monolithic perovskite/Si tandem devices integrated with commercial PERC bottom cells exhibit a power conversion efficiency of 30.05%, representing the highest performance reported for PERC-based tandem solar cells.
This thesis establishes two effective interface engineering strategies—vacuum-based SAM processing and asymmetric fluorine-substituted SAM molecular design—that enable stable electrical junctions and efficient charge transport in perovskite/Si tandem devices. These principles provide a general framework for achieving both high efficiency and long-term operational stability in various tandem platforms.

국문 초록 (Abstract)

페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지는 단일 접합 태양전지의 이론적 효율 한계를 넘어서는 고효율 구현이 가능한 차세대 에너지 변환 기술로 각광받고 있다. 고효율 달성을 위해서는 단위셀 간 접합부에서 발생하는 전하 손실을 억제하는 계면 공학 전략이 필수적이며, 특히 접합 계면에서의 정공수송층 정밀 설계가 핵심 요소로 작용한다. 본 학위논문에서는 자가조립 단분자층을 정공수송층으로 활용하여, 개별 단위셀 성능의 저하 없이 효과적인 접합을 구현하는 전략을 제시한다.
첫 번째 전략으로, 용액 공정 기반 자가조립 단분자층이 갖는 기판 의존적 불완전 피복 문제를 해결하기 위해 자가조립 단분자층에 진공 기반 열증착 공정을 적용하였다. 이를 통해 실리콘 표면에 높은 패킹 밀도와 우수한 균일성을 갖는 초박막 단분자층을 형성할 수 있었으며, 더미 분자 없이도 완전 피복을 달성하였다. 또한, 진공 증착된 자가조립 단분자층은 투명전도성 산화물의 일함수를 증가시켜 개방전압을 향상시켰다. 그 결과, 진공 증착 자가조립 단분자층을 적용한 일체형 페로브스카이트/실리콘 탠덤 소자에서 우수한 재현성과 함께 28.50%의 광전 변환 효율을 달성하였으며, 상용 PERC 실리콘 하부셀 기반 탠덤 태양전지의 성능을 유의미하게 진전시키는 결과를 나타냈다.
두 번째 전략으로, 자가조립 단분자/페로브스카이트 계면 특성을 제어하기 위해 불소 치환 비대칭 분자 설계를 도입하였다. 불소 치환은 분자 쌍극자 모멘트와 일함수를 증가시키는 동시에, 최고 점유 분자궤도 에너지 준위를 하향 이동시켜 자가조립 단분자층과 와이드 밴드갭 페로브스카이트 간의 에너지 준위 정렬을 개선함으로써 계면에서 효과적인 전하 추출을 촉진하였다. 전기적 특성 및 분광 분석 결과, 불소 치환 자가조립 단분자를 적용한 소자에서 계면 결함 밀도가 감소하고 비방사 재결합이 유의미하게 억제됨을 확인하였다. 나아가 밀도 범함수 이론 계산과 매립 계면 특성 분석을 통해, 불소 치환에 의해 자가조립 단분자와 페로브스카이트 간 흡착이 정공 추출에 유리한 방향으로 형성되며, 요오드 공공 형성과 격자 잔류 응력이 완화되어 계면 격자가 안정화됨을 규명하였다. 이러한 계면 안정화 효과는 연속 광조사 조건에서 관찰된 광발광 피크 이동 속도 감소와 장기 최대전력점 추적 실험을 통해 확인되었으며, 그 결과 할라이드 분리 현상이 효과적으로 억제되고 소자의 상온 및 고온 구동 안정성이 향상되었다. 계면 공학을 통해 와이드 밴드갭 페로브스카이트 단일 접합 소자에서 공인 효율 20.14%와 1500 시간 동안 초기 효율의 90%를 유지하는 장기 안정성을 달성하였으며, 나아가 상용 PERC 실리콘 하부셀과 결합된 일체형 페로브스카이트/실리콘 탠덤 소자에서 30.05%의 광전 변환 효율을 기록하여 PERC 기반 탠덤 소자 중 최고 수준의 성능을 달성하였다.
본 학위논문은 자가조립 단분자층의 진공 공정 도입과 불소 치환 비대칭 분자 설계를 통해 페로브스카이트/실리콘 탠덤 소자에서 안정적인 전기적 접합과 효율적인 전하 수송을 동시에 구현하는 계면 공학 전략을 확립하였다. 제안된 설계 원리는 다양한 탠덤 구조에서 고효율과 장기 구동 안정성을 함께 달성하기 위한 보편적 설계 원칙으로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iv
• List of Figures vi
• List of Tables xiii
• Chapter 1. Introduction
• 1.1 Solar Photovoltaics for Sustainability 1
• 1.2 Perovskite Solar Cells 5
• 1.3 Tandem Solar Cells 13
• 1.4 Self-Assembled Monolayers 19
• 1.5 Aim and Strategies 22
• 1.6 Bibliography 24
• Chapter 2. Experimental Details
• 2.1 Materials 28
• 2.2 Synthesis of Self-Assembled Monolayer molecules 29
• 2.2 Preparation of Self-Assembled Monolayers 35
• 2.4 Fabrication of Perovskite Single-Junction Devices 36
• 2.5 Fabrication of 2T Perovskite/Si Tandem Devices 37
• 2.6 Characterization 38
• 2.7 Bibliography 43
• Chapter 3. Vacuum-Deposited Self-Assembled Monolayers for Complete Coverage on Si Surface
• 3.1 Introduction 45
• 3.2 Substrate-Dependent Surface Coverage 47
• 3.3 Optimization of Vacuum-Deposited SAMs 52
• 3.4 2T Perovskite/Si Tandem Performance 61
• 3.5 Conclusion 73
• 3.6 Bibliography 75
• Chapter 4. Modification of Self-Assembled Monolayer Molecules for High-Efficiency Perovskite/Si Tandem Solar Cells
• 4.1 Introduction 78
• 4.2 Design of SAM Molecules 82
• 4.3 Single-Junction Device Performance 99
• 4.4 Perovskite Film Characteristics 107
• 4.5 Defect States and Charge Carrier Dynamics 112
• 4.6 DFT Calculations 123
• 4.7 Buried Interface Analysis 130
• 4.8 Stability 136
• 4.9 Semi-Transparent Device Optimization 141
• 4.10 Tandem Device Performance 152
• 4.11 Conclusion 164
• 4.12 Bibliography 166
• Abstract in Korean 171