As the rising demand for sustainable energy, inorganic-organic halide perovskite material has been studied actively as photovoltaic material due to its appropriate bandgap energy, ambipolar property, and excellent light absorption as well as easy and cost-effective fabrication process. Most studies have focused on the improvement of perovskite film itself to enhance the performance of the new alternative solar cell. However, in order to improve the overall efficiency of the perovskite solar cell (PSC) device, the role of interlayers, which transport the charge carriers from perovskite layer to electrode is also important and the improvement of the interface property is necessary.
In this study, the simple structural modification of the interlayer is demonstrated to improve the device efficiency by larger interfacial area without any adding another interlayer or doping to the existing interlayer. The interfacial modification is achieved by the patterning of poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS) hole transport interlayer via polydimethylsiloxane (PDMS) replica stamp patterned by 480nm polystyrene (PS) colloids covered master mold. The pattern of the PEDOT:PSS interlayer shows an ablate hemi-spheroid shape with a height about 45nm and the patterned interface has 8.04% larger interfacial area than the flat interface. The transmittance of the patterned interlayer shows no significant change but the direct circuit (DC) resistance is reduced in compared with the flat interface. With the properties, the larger interfacial area of the patterned interface affects decrease of series resistance and increase of shunt resistance of the PSC device with the patterned interlayer, resulting in improvement of fill factor (FF) by 2.63%. The power conversion efficiency (PCE) of the PSC device with the patterned interlayer is enhanced 3.20% from 17.47% (the flat layer) to 18.10% (the patterned layer) in the case of forward scan. This means that the only structural modification of interface can improve the overall efficiency of the PSC device. The higher performance enhancement of the PSC device with the patterned interface can be achieved by further improvements of the aspect ratio of the pattern such as using hard PDMS stamp and non-close-packed PS colloids array as a master mold.
지속 가능한 에너지의 수요가 증가함에 따라, 유기-무기 할로겐 페로브스카이트 물질은 쉽고 경제적인 제작공정뿐만 아니라, 적절한 밴드갭 에너지, 양극성(ambipolar), 그리고 우수한 빛 흡수력을 갖는 장점으로 태양전지의 활성물질로서 활발하게 연구되어오고 있다. 대부분의 연구들은 이러한 새로운 대안이 될 수 있는 태양전지의 성능을 향상시키기 위해 페로브스카이트 물질 자체의 품질 개선에 초점을 맞추고 있다. 그러나 페로브스카이트 태양전지 소자의 전체적인 효율 향상을 위해서는 페로브스카이트 층에서 전극으로 전하 캐리어들을 전달하는 중간층(interlayer)의 역할이 중요하며 이에 대한 개선도 필수적이다.
이 연구에서는, 중간층의 간단한 구조적 조정으로부터 어떤 추가적인 다른 중간층의 도입이나 기존 중간층의 추가적인 도핑 없이 넓어진 계면적에 의해 소자의 효율이 개선된다는 것을 증명했다. 그 계면의 구조적인 변경은 480nm 크기의 폴리스타이렌 콜로이드로 덮인 마스터 몰드에 의해 패턴된 polydimethylsiloxane (PDMS) 복제 스탬프를 통해 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) 정공 전달 중간층에 패턴이 도입됨으로써 구현된다. 그 PEDOT:PSS 중간층의 패턴은 높이가 약 45nm 정도인 반회전타원체의 모양을 나타내며 평평한 중간층 대비 8.04%의 증가된 계면적을 갖는다. 그 패턴된 중간층은 평평한 중간층 대비 투과도에서는 큰 차이를 보이지 않았지만, 직렬회로 저항은 감소되었다. 이러한 특징들을 갖는 넓어진 계면적의 패턴된 중간층은 소자의 직렬저항 감소와 션트(shunt)저항 증가에 영향을 미쳐 페로브스카이트 태양전지 소자의 fill factor를 2.63% 증가시켰다. 패턴된 중간층을 갖는 소자에서의 전력전환효율은 평평한 중간층을 갖는 소자에서의 17.47%로부터 18.10%로, 3.20% 증가했다. 이것은 단지 계면의 구조적인 조정만으로도 페로브스카이트 소자의 전체 효율을 증가시킬 수 있다는 것을 의미한다. 단단한 PDMS 스탬프의 사용이나 완전히 꽉 차있지 않고 사이에 간격이 있는 (non-close-packed) 폴리스타이렌 콜로이드들의 배열을 마스터 몰드로 사용하는 등의 방법으로, 중간층에 도입된 패턴의 종횡비 (aspect ratio)를 더 증가시킴으로써 계면적의 추가적인 증가를 통해 패턴된 중간층을 갖는 페로브스카이트 태양전지 소자의 추가적인 성능 향상도 가능할 것이다.
