논문 제목
Suppressed decomposition of organometal halide perovskites by impermeable electron-extraction layers in inverted solar cells
출처
https://www.nature.com/articles/ncomms13938 [ 네이처 커뮤니케이션]
Published: 09 January 2017
Abstract
solar cell 에서 thin-film photovolaics -> organometal halide perovskite 대세
perovskite solar cell의 경우 stability 안전성 문제가 크다.
inverted perovskite solar cell은 물에서 decompose 된다. 심지어 inert gas 상태 고온에서 자기분해가 된다.
우리는 bilayered electron-extraction interlayer consisting of aluminium-doped zinc oxde and tin oxide 이거소개할건데 ( Al-ZnO , Al-SnO )
특히 ALD공정을 통해 만든 Al-SnO는 dense gas permeation barrier 을 가지고 있어서 mositure가 들어오는것을 막고 이것은 perovskite의 분해생성물이 나가는것을 방지한다.
그래서 perovskite의 분해가 줄어들고 그것이 device의 stability를 늘릴것이라고 예상된다.
Introduction
organolead halide perovskite 최근 5년간 좋은성과
PCE[Power Conversion Efficiency] 도 20%가 넘어섰지만 stability problem 존재
CH3NH3PbI3 와 같은 물질은 물과 함께 있으면 HI,CH3NH2,PbI2로 분해되며
고온, Inert gas 상태에서 CH3NH3I ,PbI2로 자기분해되는 문제가 있다.
이러한 분해반응으로 인해 2차적 문제가 발생하는데
1.perovskite로 부터 분해된 물질이 degradation of functional buidling blocks in the solar cell
( 아마도 solar cell 구조파괴 인듯-> 찾아보니 building block 은 구성하는 물질?구조? 정도로 번역되네 빌딩에 벽돌이라는 뜻인듯)
2. 금속전극 (예:Ag or Al) 의 부식 등이 있으며
잘 control 해서 쓰면 organolead halide perovskite도 여러분야에 쓰일수 있을것이야
perovskite solar cell의 구조에서 the inverted planar geometry로 만들어야 free of hysteresis가 된다.
photogenerated holes 은 bottom electrode 에서 hole-extraion interlayer를 이용해서 뽑아내고
electron 추출은 top electrode에서 진행된다.
활발하게 정렬잘하는(?) CH3NH3PbI3 와PCBM 때문에 perovskite의 conduction band에서 전자를 추출하는데 유리하다. ( 흠 ...무슨소리지)
안정성을 위해 다른 사람들이 열심히 연구했는데
inverted planar perovskite cell based on metal oxide as electron- and hole extraion interfacial layers adjacent to the cathode and anode,
( 금속산화물 기반 애노드와 전자추출층, 캐소드와 홀 추출 층이 붙어있는 구조로 되어있는 inverted planer perovskite cell)
여기서 잠시.. 애노드는 전자를 추출하나 ? 애노드에서 주변 물질이 산화가 일어나서 전자를 잃게되니까 전자를 추출해가겠고
캐소드는 주변에서 환원되어서 전자를 얻는다 즉 홀을 잃는다고 볼수있을..(까?) 테니까 .. 홀을 추출해가고 ... 잘모르겠지만 통과
Chen이라는 사람은 Sol-gel 방식으로 Ti(Nb)O 전자추출층을 만들어서 perovskite를 습기로부터 보호하려고했다. 전기적 전도도가 꾸져서 저자는 TiNbO의 두께를 10nm까지밖에 못만든다고 했다.
게다가 졸-겔법으로 만든 층은 꾸진 permeation barrier를 만든다고 알려져있다.
그래서 추가적 보호막(encapsulation)을 만들어도 수명이 1000시간었다. ( 1000시간이면 35일정도 될라나? 41일이군 여튼 못씀)
Kaltenbrunner는 ~
Guerrero는 ~
Bush는 ~
각자의 일을 열심히하였다.
이 논문에서는 뭘 만들었냐면은
inverted cell구조에서 , bilayered ( Al-ZnO한층, Al-SnO 한층) 전자추출층 (electron-extraction layer) 이 열과 습기로부터 perovsktite solar cell을 보호하는층을 만들어 보았다.
AZO ( Al-ZnO 알류미늄A 징크Z 옥사이드O )는 전자 추출하기 좋다 (from lowest unoccupied molecular orbital of fullerenes. C60 풀러렌은 왜나오는 것일까 의문이지만 일단은 다 읽는게 급하다.)
하지만 nanoparticle based AZO층은 외부의 습기유입, 내부의 perovskite 자기분해물질의 유출과 같은것을 충분히protection 해주지 않느다.
그래서 SnOx 층을 넣어서 EEL(전자추출층)에 Bilayered 해보았다.
SnO층은 ALD 방식으로 80도로 만드니 핀홀효과도(pin-hole free)없고 밀도가 높고(dense) Conformal 한 구조로 만들어졌다. (conformal이라는 말은 들어도 들어도 모르겠다. 아마 어느한 점에서 어느쪽으로도 각이 같은 ? 이런 의미일까)
주변 공기와 온도저항을 높이기 위해 ALD층을 직접 쌓은 경우도 있지만 이러한 ALD층은 소자의 기능적 층이 아니고 대부분의 실험은 전기적 절연체(Al2O3)를 통해 실험을 하였다. (이게무슨말이냐 뜬금없이 ...)
ALD를 통해 증착시킨 SnO 은 높은 투과성 ,전기적 전도성을 가지고 gas permeation barrier도 좋다.
water vapour transmission rate 수증기 투과 속도도 낮다.
스퍼터된 ITO보다, ITO용액으로 만든 metal oxide 층보다 수증기 투과속도가 낮다.
전기전도성이 좋아 sensitive electrode 와 photoactive layer 사이에 추가적인 직렬저항발생없이 잘 있을수 있다.
그러므로 SnO는 습기로부터 보호도 잘되고 permeation barrier 로 인해서 decomposition production가 나가는것도 막는다.
SnO 의 sealing 특성 너무나도 좋다. 분해도 막는다. 그래그래
LiF/AL 은 23도 50% 상대습도에서 수십시간밖에 못버티지만 AZO/SnOx 는 350h이상이나 버텼다.
60도 inert 상태에서 AZO는 100시간 버티지만
AZO/SnOx EEL은 1000시간 넘게 버텼다.
우리의 논문은 광활성 물질의 경우 본질적인 조성 안정성에 대한 우려가있을 수있는 장치 수명을 획기적으로 향상시키는 일반적인 전략을보고합니다. (마지막줄은 귀차느니 구글 번역... 헷)
result를 읽기에 이미 너무 지쳤다. 왜냐하면 내용파악도 못한 읽어야 할 논문이 더 남았기 때문이지 ...
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4/9(월)다시 시작
Results
panar inverted cell 에서 홀은 bottom electrode를 통해 뽑아내고 그거는 PEDOT:PSS이다
SnO 20nm
AZO 100nm
PCBM 두께 100nm( 아직 PCBM이 먼지 모르겠다)
Perovskite층은 180nm
PEDOT:PSS ( hole-extraction layer)
Disscusion