Development of Low-Temperature Sol-Gel Processed Titanium Suboxide for Perovskite/Organic Tandem Solar Cells : Application of n-type Doped Titanium Suboxide for Interconnecting Layer = 저온 졸겔 공정 기반 티타늄 산화물 개발과 페로브스카이트/유기 탠덤 태양전지 응용:n 도핑 티타늄 산화물의 재결합층 적용

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, titanium suboxide (TiOx) was synthesized using a low-temperature sol- gel process and employed as a component of interconnecting layer in two-terminal perovskite/organic tandem solar cells. In the tandem configuration, the perovskite front cell absorbs photons in the UV-visible region, while the organic rear cell complements the absorption by harvesting near-infrared photons. However, current matching between the sub-cells and optical and electrical losses originating from the interconnecting layer and intermediate electrodes critically limit the tandem device performance, which necessitates systematic optimization of each component. First, the TiOx applied as the cathode interfacial layer in the perovskite front cell was optimized. The sol-gel derived TiOx combined with a surface passivation process using PEAI (Phenethylammonium iodide) effectively suppressed interfacial defects and non-radiative recombination, enabling a front-cell efficiency of 14.6%. Subsequently, the evaporation conditions of MoO3, employed as the hole transport layer in the organic rear cell were optimized. Optimized condition improved charge extraction, resulting in a rear cell of 13.3%. The transmittance and series resistance of the TiOx/Ag/MoO3 interconnection junction were then evaluated, confirming that the optimized interconnecting layer facilitated stable and efficient charge recombination between the sub-cells. As a result, a 2-terminal perovskite/organic tandem device achieving a high open-circuit voltage of 1.96 V and a power conversion efficiency of 17.5%. These results demonstrate that the first application of low-temperature sol-gel derived TiOx exhibits high optical transparency, electrical conductivity, and chemical barrier to function a component of the interconnecting layer in perovskite/organic tandem solar cells. Replacement of thermal evaporation and atomic layer deposition by spin-coating, highlighting its potential for further photovoltaic applications.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 저온 졸겔 공정을 통해 티타늄 산화물 (TiOx)을 합성하고, 이를 2단자 페로브스카이트/유기 탠덤 태양전지의 재결합층(interconnecting layer, ICL)으로 적용하였다.탠덤 구조에서 페로브스카이트 상부 셀은 자외선-가시광선 영역의 광자를 흡수하고, 유기 하부 셀은 근적외선 영역의 광자를 흡수함으로써 상호 보완적인 흡광 특성을 나타낸다. 그러나 두 서브 셀 간의 전류 매칭과 재결합층에서 기인하는 광학적·전기적 손실은 전체 소자 성능을 제한하는 주요 요인으로 작용하기에 각 구성 요소에 대한 체계적인 최적화가 요구된다. 1.79 eV의 밴드갭을 가지는 페로브스카이트 상부 셀의 음극 계면층으로 적용된 티타늄 산화물 박막의 특성을 최적화하였다. 여기에 페닐에틸암모늄 아이오다이드 (Phenethylammonium iodide, PEAI)를 이용한 표면 패시베이션을 적용함으로써 계면 결함과 비복사 재결합을 효과적으로 억제한 결과, 상부 셀에서 14.6%의 광전 변환 효율을 달성하였다. 이후 유기 하부 셀의 정공수송층으로 사용된 MoO3 박막의 증착 조건을 최적화하였고, 이를 통해 전하 추출 특성이 향상되어 하부 셀에서 13.3%의 효율을 확보하였다. 나아가 TiOx/Ag/MoO3로 구성된 재결합층의 광투과도와 직렬저항, 화학적 안정성을 평가한 결과 최적화된 재결합층이 두 서브 셀 간의 안정적이고 효율적인 전하 재결합을 유도함을 확인하였다. 이러한 공정 최적화를 바탕으로, 개방회로전압 1.96 V와 광전 변환효율 17.5%를 보이는 탠덤 태양전지를 구현하였다. 본 연구 결과는 저온 졸겔 공정을 통해 제조된 TiOX가 우수한 광학적 투과도, 전기 전도도, 그리고 화학적 안정성을 동시에 확보함으로써 페로브스카이트/유기 탠덤 태양전지의 재결합층 구성 요소로 효과적으로 작동할 수 있음을 최초로 입증한다. 특히, 스핀코팅 기반 용액 공정을 통해 열증착 및 원자층 증착 공정을 대체할 수 있는 결과를 제시함으로써, 향후 다양한 광전 소자 응용 분야로의 확장 가능성을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstact i
• Table of Contents iii
• List of Tables vii
• List of Figures ix
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research Background 1
• 1.2. Research Objectives 4
• 1.3. Working Principles and Performance of Solar Cells 7
• 1.4. Device Structures of Solar Cells 11
• 1.4.1. Photoactive Layer 11
• 1.4.2. Charge Transport Layer 11
• 1.4.3. Bottom Electrode 12
• 1.4.4. Top Electrode 12
• Chapter 2. Materials and Structure of Tandem Solar Cells 14
• 2.1. Perovskite 14
• 2.1.1. Crystal Structure of Perovskite 14
• 2.1.2. Properties of Perovskite 16
• 2.1.3. Device Structure of Perovskite Solar Cells 17
• 2.2. Organic Semiconductor 19
• 2.2.1. Structure of Organic Semiconductors 19
• 2.2.2. Properties of Organic Semiconductors 21
• 2.2.3. Device structure of Organic Solar Cells 24
• 2.3. Perovskite/Organic Tandem Solar Cells 26
• 2.3.1. Necessity of Tandem Solar Cells 26
• 2.3.2. Device Structure and Working Principles 29
• 2.3.3. Role and Requirements of Interconnecting Layers 32
• 2.4. Principles of Titanium Suboxide (Sol-Gel Method) 35
• Chapter 3. Experimental Methods 37
• 3.1. Reagents and Materials 37
• 3.2. Preparation of Solutions 37
• 3.3. Fabrication of Wide Bandgap Perovskite Front Cells 38
• 3.4. Fabrication of Narrow Bandgap Organic Rear Cells 39
• 3.5. Fabrication of Perovskite/Organic Tandem Solar Cells 40
• 3.6. Characterization 40
• Chapter 4. Results and Discussion 42
• 4.1. Optical Properties of Perovskite 42
• 4.1.1. Absorption Spectrum 42
• 4.1.2. Steady-State Photoluminescence Spectra 44
• 4.1.3. Time-Resolved Photoluminescence Spectra 46
• 4.2. Morphology and Crystallinity of Perovskite Thin Films 49
• 4.2.1. FE-SEM 49
• 4.2.2. X-ray diffraction pattern 51
• 4.3. Doping Evidence of DPPM-doped TiOx films 54
• 4.3.1. Absorption Spectra 54
• 4.3.2. Raman Spectroscopy 56
• 4.3.3. X-ray Photoelectron Spectroscopy 58
• 4.3.4. Electrical Characterizations 61
• 4.4. Electrical Characteristics of Perovskite Solar Cells 65
• 4.4.1. Cathode Interfacial Layer 65
• 4.4.2. Passivation 68
• 4.4.3. Active Layer Thickness 71
• 4.4.4. Optimization of TiOx Process 74
• 4.5. Optical Properties of Organic Semiconductors 77
• 4.5.1. Absorption Spectra 77
• 4.5.2. Steady-State Photoluminescence Spectra 79
• 4.5.3. Time-Resolved Photoluminescence Spectra 80
• 4.6. Electrical Characteristics of Organic Solar Cells 82
• 4.6.1. Optimization of Hole Transport Layer 82
• 4.6.2. Control of Active Layer Thickness 88
• 4.7. Analysis of Interconnecting Layers
• 4.7.1. Transmittance Spectra 91
• 4.7.2. Series Resistance Analysis 95
• 4.7.3. Chemical Barrier 98
• 4.7.4. Intermediate Metal Growth Control 100
• 4.8. Electrical Characteristics of Tandem Solar Cells 103
• 4.8.1. Control of Intermediate Metal 103
• 4.8.2. Control of Hole Transport Layer 107
• 4.8.3. Current Matching 110
• 4.8.4. Performance Analysis of Optimized Tandem Devices 114
• Chapter 5. Conclusion 118
• Reference 121
• 국문 초록 132
• 감사의 글 134