연세대학교 박종혁 교수(화공생명공학과) 연구팀은 안정적이고 고효율의 페로브스카이트 태양 전지를 위한 분자 간 상호작용이 강화된 정공 수송층 (HTL) 제작 기술을 개발했다. 이 연구는 쉽고 새로운 방식으로 spiro-OMeTAD 기반 정공 수송층의 구동 안정성을 향상시킬 수 있다는 점에서 의의가 있다.

연구팀은 tris(4-methoxyphenyl)amine (TCM)을 spiro-OMeTAD 용액에 5 몰% 비율로 혼합함으로써 TCM과 spiro-OMeTAD 간의 분자 간 상호작용을 강화시킬 수 있음을 발견하고, 이 상호 작용은 정공 수송층 내에 리튬 이온과 tert-butyl pyridine (tBP)와 같은 도펀트들의 균일한 도핑 효과를 가능하게 하고 정공 수송 능력 또한 향상 시킬 수 있다.

이러한 특성으로 인해 일정한 태양광 조사와 양의 전압 인가 조건 속에서도 도펀트가 정공수송층 거의 분리되지 않으며 궁극적으로 페로브스카이트 태양 전지는 안정적인 전력 출력을 보였다. 추가적으로, 강화된 분자 간 상호작용은 spiro-OMeTAD의 산화를 기존보다 더 촉진 시켰고 이는 페로브스카이트 태양 전지의 초기 광전 변환 효율 (PCE)을 24% 이상 달성할 수 있게 했다. 결과적으로, 봉지화 기술 없이 페로브스카이트 태양 전지는 1200 시간 동안 구동하면서 초기 광전 변환 효율의 90% 이상을 유지했고 대조군은 1200 시간 동안 70% 이상을 유지했다.

연세대 박종혁 교수는 “이번 연구는 쉽고 효과적인 기술을 통해 spiro-OMeTAD 기반 정공수송층의 구동 안정성을 향상시킬 수 있음을 보이고 이 기술은 추후 최고 효율의 페로브스카이트 태양 전지를 제작하는데 적용될 것”이라고 전했다. 이 연구는 박종혁 교수 연구팀의 이정환 연구원 (제 1저자)과 함께 진행됐으며, 국제 학술 권위지인 ‘ACS Energy Letters (IF=22)’에 8월 28일 게재됐다.

A research team led by Professor Jong Hyeok Park from Yonsei University's Department of Chemical and Biomolecular Engineering has developed a molecular interaction enhanced hole-transporting layer (HTL) for stable and efficient perovskite solar cell. This research presents a new and simple pathway for fabricating spiro-OMeTAD based hole-transporting layer with excellent operational stability.

The research team found out that by simply mixing 5 mol% of tris(4-methoxyphenyl)amine coupled material (TCM) in spiro-OMeTAD solution can enhance intermolecular interaction between the TCM and spiro-OMeTAD. The enhanced interaction enabled uniform doping of lithium ions and tert-butyl pyridine (tBP) within the HTL film and facilitate efficient hole transporting layer.

Due to these characteristics, even with constant light illumination and positive voltage biasing, i.e. operating condition, the dopants nearly segregated from the HTL which ultimately exhibit stable power output of perovskite solar cell. Additionally, enhanced molecular interaction enabled oxidation of spiro-OMeTAD to further extent which increased initial power conversion efficiency (PCE) of perovskite solar cell over 24%. Consequently, the perovskite solar cell without encapsulation retained 90% of the initial PCE after 1200 hours of operation while the control device retained 70% of the initial PCE after 1200 hours of operation.

Professor Jong-hyeok Park of Yonsei University said, “This research offers a simple and efficient strategy to increase the operational stability of the spiro-OMeTAD based HTL and could potentially be used in state-of-art perovskite solar cell fabrication.”

This work was supported by the Yonsei

Professor Jong-hyeok Park of Yonsei University said, "This study presented a novel approach to overcome the challenges faced by current dry process techniques and could potentially be used in all-solid-state battery electrode fabrication processes."

This research was conducted by Jung Hwan Lee (first author) and was published online on August 28 in the international academic journal of ‘ACS Energy Letters, (IF:22)’.

ACS Energy Letters (2023) (IF: 22)
Published: August 28, 2023
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c01016