고성능과 안정성을 갖는 메틸 암모늄이 제거된 할라이드 페로브스카이트 태양전지 연구 = Efficient and Stable Methyl Ammonium-Free Halide Perovskite Solar Cells

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Organic/inorganic halide perovskite solar cells (PSCs) are the most promising next-generation energy harvester owing to their high efficiency of 25.7%. However, they are usually vulnerable to humidity, hindering their commercialization. Developing new perovskites without the organic cation methylammonium (MA), which is extremely weak under humidity, is crucial to resolve the low stability. Here, we report efficient and air-stable PSCs based on MA-free perovskite with a combination of rubidium (Rb), cesium (Cs), and formamidinium (FA) cations. The power conversion efficiency of the CsFARb perovskite is 14.5% due to the many surface defects generated during crystal formation. By introducing hydrophobic organic cations on top of the CsFARb perovskite, we successfully enhance the device efficiency by up to 17% with suppressed defects on the surface. In addition, the cations help prevent the infiltration of water molecules into the inner perovskite structures, thereby dramatically improving the device durability in the humid atmosphere.

국문 초록 (Abstract)

페로브스카이트 태양전지는 최근 최고효율 25.7%를 달성함으로써 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만, 낮은 수분 안정성은 여전히 상용화를 가로막고 있다. 본 연구는 열과 수분에 취약한 MA 양이온을 제거한 CsFARb 페로브스카이트의 성능 및 안정성을 향상시키는 방법에 관한 것이다. 3차원 결정구조의 CsFARb 페로브스카이트 계면을 소수성의 (hydrophobic) bulky한 구조를 갖는 암모니움 유기분자와 반응시켜 저차원 구조의 페로브스카이트로 변화시킬수 있었다. 표면 결정 재배열을 통해, 결함을 억제함으로써 기존의 14.5%에서 17%의 향상된 소자 성능을 달성하였다. 이와 함께, 소수성 유기분자로 인해 외부 수분의 침투가 억제되어 매우 습한 환경에서도 안정성이 증대되었다. 이러한 연구 결과는 MA가 제거된 페로브스카이트 조합에서 간단한 후처리 공정을 통해 안정성과 성능 향상이 가능함을 보여줌으로써, 향후 페로브스카이트의 상용화에서 중요한 기여할 것으로 기대된다.

참고문헌 (Reference)

1 M. Kim et al., 375 : 302-, 2022

2 T. S. Sherkar et al., 2 : 1214-, 2017

3 P. K. Nayak, 4 : 269-, 2019

4 J. Burschka et al., 499 : 316-, 2013

5 N. Ahn et al., 137 : 8696-, 2015

6 N. J. Jeon et al., 13 : 897-, 2014

7 A. K. Jena, 119 : 3036-, 2019

8 Y. Hassan et al., 591 : 72-, 2021

9 Z. Xiao et al., 11 : 108-, 2017

10 M. Yuan et al., 11 : 872-, 2016

11 D. Shi et al., 347 : 519-, 2015

12 H. J. Snaith, 17 : 372-, 2018

13 J. Huang, 2 : 17042-, 2017

14 J. A. Christians, 137 : 1530-, 2015

15 J. Yang, 9 : 1955-, 2015

16 B. Conings et al., 5 : 1500477-, 2015

17 L. A. Frolova et al., 11 : 6772-, 2020

18 J. W. Lee et al., 5 : 1501310-, 2015

19 Z. Li et al., 28 : 284-, 2016

20 D. P. Mcmeekin et al., 351 : 151-, 2016

21 H. Turren-Cruz, 362 : 449-, 2018

22 P. Wu, 9 : 19554-, 2021

23 T. Kirchartz, 6 : 100702-, 2018

24 J. Y. Kim et al., 120 : 7867-, 2020