[논문 리뷰] Ultra-stable 2D/3D hybrid perovskite photovoltaic module

Giulia Grancini, Cristina Roldán‐Carmona외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 29.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 23인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 2D (HOOC(CH2)2NH3)2PbI4 층을 산화물 기질에 고정시켜 실온에서 옥타에드르형 상의 고순도 3D CH3NH3PbI3 페로브스카이트 성장의 핵이 되게 하여 초안정적인 2D/3D 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 모듈을 제시한다. 결과적으로 10×10 cm² 모듈은 11.2%의 전력 변환 효율을 달성하였으며, 환경 조건 하에서 5,000시간 동안 성능 저하 없이 뛰어난 안정성을 보였다.

ABSTRACT

Hybrid perovskite solar cells, with their power conversion efficiency (PCE) exceeding 22%, have been representing a revolutionary concept for future energy power generation. Although listed among the Top 10 Emerging Technologies of 2016, device longevity is the actual bottleneck for their real uptake in the market. Here we design an ultra-stable molecular junction of two/three dimensional (2D/3D) perovskites. It consists of a 2D (HOOC(CH2)2NH3)2PbI4, anchored at the oxide substrate, that templates the growth of a highly ordered 3D CH3NH3PbI3 perovskite stabilizing in the orthorhombic phase, even at room temperature. The unique and exceptional 2D/3D structure yields 14.6% PCE in solar cells with Spiro-OMeTAD and Au, and 12.9% PCE in hole-conductor free architecture. Aiming at the up-scaling of this technology, we realize 10x10 cm2 large-area photovoltaic modules by a low-cost, fully printable, industrial-scale process delivering 11.2% PCE. We demonstrate a record stability in the PCE of 5,000 hours, setting the direction for the new generation of carbon free energy.

연구 동기 및 목표

• 높은 전력 변환 효율에도 불구하고 상업적 이용에 한계를 가진 페로브스카이트 태양전지의 장기적 안정성 문제를 해결하기 위해.
• 실온에서 불안정한 페로브스카이트 상을 안정화하는 분자 이종구조를 개발하기 위해.
• 산업용 인쇄 기술과 호환되는 대량 생산이 가능한 저비용 제조 기술을 통해 대면적 페로브스카이트 모듈을 제작하기 위해.
• 완전히 인쇄 가능한 탄소 기반 전극이 없는 태양전지에서 높은 효율성과 뛰어난 작동 안정성을 달성하기 위해.

제안 방법

• 2D 페로브스카이트 층인 (HOOC(CH2)2NH3)2PbI4를 산화물 기질에 도포하여 3D 페로브스카이트 성장의 핵이 되도록 한다.
• 2D 층은 실온에서 3D CH3NH3PbI3 페로브스카이트를 옥타에드르형 상으로 안정화시켜 노란색 δ상으로의 상전이를 방지한다.
• 산업 규모 생산과 호환되는 완전히 인쇄 가능한 저비용 공정을 사용하여 대면적(10×10 cm²) 태양전지 모듈을 제조한다.
• 스피로-OMeTAD 기반 및 홀 컨덕터가 없는 디자인을 모두 포함한 장치 구조를 사용하여 다양한 구성에서 성능을 평가한다.
• 장기적인 작동 내구성을 평가하기 위해 환경 조건 하에서 5,000시간 동안 안정성 테스트를 수행한다.
• 소형 세포 및 대형 모듈 모두에 대해 표준 AM 1.5G 조명 조건 하에서 전력 변환 효율(PCE)을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D/3D 이종구조는 실온에서 3D 페로브스카이트 상을 옥타에드르형 상으로 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 이 2D/3D 구조를 사용하여 완전히 인쇄 가능한 대면적 페로브스카이트 모듈에서 도달할 수 있는 최대 전력 변환 효율은 얼마인가?
• RQ3 2D 캡핑 층은 환경 조건 하에서 장기적 안정성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 봉입 또는 탄소 기반 전극 없이도 장치가 5,000시간의 작동 후에도 높은 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ5 이 구조는 산업 규모의 인쇄 기술을 사용하여 얼마나 확장 가능한가?

주요 결과

• 2D/3D 하이브리드 구조는 실온에서 3D CH3NH3PbI3 페로브스카이트를 옥타에드르형 상으로 안정화시켜 비페로브스카이트 δ상으로의 분해를 방지한다.
• 스피로-OMeTAD 및 Au 전극을 사용한 소형 태양전지에서 전력 변환 효율이 14.6%에 도달하였다.
• 동일한 2D/3D 구조를 기반으로 한 홀 컨덕터가 없는 장치는 12.9%의 PCE를 달성하여 저비용 구조와의 호환성을 입증하였다.
• 완전히 인쇄 가능한 10×10 cm² 태양전지 모듈은 산업 규모의 가공 기술을 사용하여 11.2%의 PCE를 달성하였다.
• 모듈은 환경 조건 하에서 5,000시간 동안 전력 변환 효율에 눈에 띄는 감소 없이 작동하여 안정성의 새로운 기준을 설정하였다.
• 2D 층은 이온 이동과 상 분리 현상을 줄이는 보호 인터페이스 역할을 하여 안정성 향상에 기여하였다.