페로브스카이트 태양전지(PeSC)는 지난 10년 동안 전력 변환 효율(PCE)이 26%까지 급증하면서 빠르게 발전해 왔습니다. 그러나 안정성이 상대적으로 부족하여 높은 효율을 보이더라도 산업적 상용화가 크게 지연되고 있습니다. 본 논문에서는 실용적인 적용을 위해 일부 유기 첨가물을 도입하여 효율성과 안정성을 향상시켰습니다.
우선, 고품질 페로브스카이트 필름을 제조하기 위한 간단하고 효과적인 다기능 적층 엔지니어링 전략을 제시하였습니다. 2-hexyl-thiophene(2HT)이라는 유기 첨가물을 사용하여 페로브스카이트 전구체 용액에 티오펜 전자-쌍 공여체와 긴 소수성 알킬 사슬을 첨가합니다. 이로써 결정성이 높고 트랩 밀도가 감소하며 이온 이동이 제어되는 페로브스카이트 필름을 얻을 수 있습니다. 이러한 특징은 2HT의 황 원자와 페로브스카이트 필름의 Pb2+ 사이의 강력한 상호 작용에 기인합니다. 2HT 첨가제의 긴 알킬 사슬은 입자 크기의 증가, 매끄러운 표면 형성, 그리고 우수한 소수성을 통해 페로브스카이트 필름의 생산을 지원했습니다. 결과적으로, 2HT 첨가제를 사용한 MAPbI₃ PeSC는 향상된 효율성과 장기적인 운영 안정성을 동시에 달성했습니다. 2HT 첨가한 태양전지는 기존 태양전지(18.65%)에 비해 20.61%라는 더 높은 전력 변환 효율을 제공하며, 무시할 정도의 이력 현상을 나타냈습니다. 또한, 2HT 첨가제를 사용하는 장치는 다양한 시험 조건에서 제어 장치보다 우수한 안정성을 보여주었습니다.
두번째로, 4-하이드록시피콜린산(4HPA)을 사용하여 FAPbI₃ 필름과 정공 수송층 사이의 인터페이스를 조정하여 페로브스카이트 필름의 표면 구조와 에너지 수준 정렬을 제어하는 용이한 전략을 개발하였습니다. 4HPA는 페로브스카이트 필름 표면에 고정되며, 계면에서 전하 전달을 촉진할 수 있는 뚜렷한 전자 비편재 분포 특성을 갖추고 있습니다. 이러한 특성을 통해 4HPA는 수소 결합, Pb-O 및 Pb-N 유도 결합 등을 통해 페로브스카이트 층과의 다중 결합 상호 작용을 가능하게 하여 트랩 밀도를 크게 감소시키고 비방사선 재결합을 효율적으로 억제합니다. 실험 결과로부터 얻은 페로브스카이트 필름은 향상된 결정성, 순수한 α상 FAPbI₃ 및 유리한 에너지 밴드 벤딩을 보여 우수한 광전자 특성을 나타내었습니다. 이러한 전략을 적용한 4HPA 후처리 페로브스카이트 태양전지는 환경 및 열적 안정성이 우수한 0.12 ㎠ 셀에서 23.28%의 변환 효율과 36 ㎠ 모듈에서 19.26%의 최고 전력 변환 효율을 달성하였습니다.
마지막으로, 매우 안정적인 페로브스카이트 태양전지를 위한 효과적인 캡슐화 방법을 개발하고 그 성능을 평가하였습니다. 이 방법은 FTO 기판의 뒷면에 생체 모방 텍스처를 가진 UV 흡수체와 환원된 산화 그래핀(rGO), 그리고 상용화된 Norland Optical Adhesive (NOA)의 열 추출 복합층을 Au 전극에 동시에 도입하여 효율성이 높고 안정적인 PeSC를 성공적으로 구현하였습니다. 마이크로 및 나노 계층 구조의 UV 흡수층은 효과적으로 UV 빛을 차단하면서도 가시광선의 투과율을 증가시킴으로써 발생하는 광전류를 희생 없이 장치의 안정성을 향상시켰습니다. 또한, Au 전극에 rGO와 NOA의 복합층을 도입함으로써 에폭시의 소수성과 산소 또는 물의 확산 경로의 복잡성으로부터 우수한 보호 성능을 얻을 수 있었습니다. 게다가, rGO의 우수한 열전도율은 캡슐화층을 통해 열 분산을 촉진하였습니다. 최종적으로, 캡슐화된 PeSC는 2개월 동안의 엄격한 노화 테스트를 거쳐도 장기 작동 중에 일관된 성능을 유지할 수 있었습니다.