Buried interface engineering of perovskite solar cells

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

After Prof. Nam-Gyu Park’s group reported all-solid state perovskite solar cells (PSCs) in 2012, the power conversion efficiency (PCE) and stability of PSCs have advanced rapidly and there are only a few steps to commercialization. Not only their defect-tolerant nature due to antibonding electronic structures, but perovskites also offer bandgap tunability, high absorption coefficients, long carrier-diffusion lengths, and low-temperature solution processability. However, their ionic-halide character also results in ion-migration barriers, increasing defect formation. In addition, residual stress and defect formation occur at the buried interface, which are generated during solution processing, accelerating degradation.
The purpose of this thesis is the mitigation of residual stress and interfacial defects to remove problems for commercialization of PSCs, at the same time addressing problems exist in bismuth-based solar cells which have perovskite-like antibonding properties. First, methylphosphonic acid and phosphorylethanolamine were introduced at the substrate/absorber interface. The presence of functional groups alleviated in-plane tensile strain, reduced trap density, decreased non-radiative recombination, and enhanced both efficiency and stability. Second, two functional molecules were selected including 5-aminoisophthalic acid and 3,5-pyridinedicarboxylic acid. After investigation, it was found that more Lewis-basic 3,5-pyridinedicarboxylic acid is more effective for buried interface passivation. Finally, simple engineering of the annealing temperature for SnO2 electron transport layers optimized band alignment for BiI3 material, which has deeper energy levels and needs precise matching.
This thesis demonstrates that relieving residual stress, passivating buried interface defects, and engineering energy alignment are important for high power conversion efficiency and stable perovskite solar cells. In addition, it suggests a practical method for selecting efficient interfacial engineering strategies and materials.

국문 초록 (Abstract)

2012년 박남규 교수 연구팀의 고체형 페로브스카이트 태양전지 최초보고 이후, 유-무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 빠른 효율 및 안정성 향상을 통해 상용화를 목전에 두고 있다. 페로브스카이트는 안티본딩 전자구조에서 기인하는 결함 허용 특성 외에도 넓은 밴드갭 조절 범위, 높은 광흡수 계수, 긴 캐리어 확산 길이, 저온 용액 공정 가능성 등의 장점을 지닌다. 그러나 이온성 할라이드 특성 때문에 낮은 이온 이동 장벽을 동반해 결함 생성이 용이하고, 특히 광흡수층 하단부에서는 용액공정 중 잔류 응력과 결함 형성이 집중되어 열화가 가속된다. 이 논문은 이러한 잔류 응력과 계면 결함을 완화하여 페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌을 해소하고자 하였다. 더불어 페로브스카이트와 유사한 안티본딩 특성을 가지는 비스무트 기반의 태양전지의 계면 문제 또한 다루었다.
먼저, 기판/흡수층 계면에 메틸포스포닉산과 포스포릴에탄올아민을 도입하여 기능기 존재 여부에 따른 효과를 비교하였다. 이때 기능기의 도입은 광흡수층의 인장 변형을 제거하고 트랩 밀도가 감소하며 비복사 재결합이 억제되어 효율과 안정성이 향상되었다. 두번째로, 패시베이션 물질의 디자인 방법론을 구상하였고, 5-아미노이소프탈산과 3,5-피리딘디카복실산을 패시베이션 물질로 선정하여 루이스 염기성 차이에 따른 응력 완화 및 결함 패시베이션 효과를 분석하였다. 이중 루이스 염기성이 더 큰 3,5-피리딘디카복실산이 광흡수층 하단부 계면을 가장 효과적으로 패시베이션함을 성능 비교를 통해 확인하였다. 마지막으로, 전자 수송층으로 사용되는 산화주석층의 열처리 온도를 조절하는 단순 공정을 통해 에너지 준위 정렬을 최적화하였다. 비스무트 할라이드의 경우 기존 페로브스카이트와 달리 에너지 준위가 더 깊어 준위 정렬 최적화가 중요하다. 이에 간단한 열처리 공정을 통해 에너지 정렬을 최적화하는 방법론을 제시하였으며, 효율 향상으로 이것이 유효한 전략임을 확인하였다.
본 논문은 페로브스카이트 태양전지의 광흡수층 하단부 계면에서 발생하는 잔류응력, 계면 결함을 패시베이션하는 데에 집중하였고 아울러 정밀한 에너지 정렬 설계가 고효율, 고안정성 페로브스카이트 태양전지 구현에 있어 중요한 역할을 함을 입증하였다. 이러한 연구를 통해 효율적인 접합 계면 및 계면 처리 물질의 설계 방법론에 대한 기반을 제공하고자 하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. General Introduction 1
• 1.1. Climate change and energy issues 1
• 1.2. Solar energy and photovoltaics 5
• 1.2.1 Air mass 1.5 (AM 1.5) 5
• 1.2.2. Semiconductors 7
• 1.2.3. Working principle of solar cells 8
• 1.3. Perovskite solar cells 9
• 1.4. Defect tolerance of perovskite solar cells 11
• 1.5. Buried interface of perovskite solar cells 16
• 1.6. Strategies for mitigation of passivating buried interface 21
• 1.7. Research purpose of the thesis 23
• Chapter 2. Buried interface passivation with organic molecules for perovskite solar cells 24
• 2.1. Introduction 24
• 2.2. Mitigating in-plane tensile strain in perovskite solar cell with interfacial molecules 25
• 2.2.1 Introduction 25
• 2.2.2. Interaction between functional molecules and SnO2 layer 27
• 2.2.3. Influence of functional molecule treatment in optical properties and crystallization of perovskite layer 31
• 2.2.4. Influence of functional molecule treatment in residual stress of perovskite layer 32
• 2.2.5. Effect of functional molecule treatment in defect and charge transport 35
• 2.2.6. Effect of functional molecule treatment in photovoltaic properties of PSCs 47
• 2.2.7. Effect of functional molecule treatment in stability of PSCs 52
• 2.2.8. Summary 57
• 2.2.9. Experimental section 57
• 2.3. Buried interface passivation with aniline and pyridine based dicarboxylic acid molecules 61
• 2.3.1. Introduction 61
• 2.3.2. Comparison of structure between AIPA and PDCA 62
• 2.3.2. Interaction between passivating molecules and buried interface 64
• 2.3.3. Influence of passivating molecules in crystallization of perovskite layer 67
• 2.3.4. Influence of passivating molecules treatment in residual stress of perovskite layer 68
• 2.3.5. Effect of passivating molecules treatment in defect and charge transport 71
• 2.3.6. Effect of functional molecule treatment in photovoltaic properties of PSCs 81
• 2.3.7. Summary 86
• 2.3.8. Experimental section 86
• Chapter 3. Energy level engineering of electron transport layer for perovskite inspired material solar cells 90
• 3.1. Introduction 90
• 3.2. Surface property and XRD analysis of SnO2 and BiI3 93
• 3.3. Effect of thermal annealing on energy level 96
• 3.4. Effect of thermal annealing on photovoltaic performance 101
• 3.5. Summary 106
• 3.6. Experimental 106
• Conclusion 108
• References 110
• Appendix 121
• 논문요약 127