The organic-inorganic hybrid perovskite emerged as one of the most promising solar cell material due to its superior optoelectronic properties. However, solution-processed polycrystalline perovskite film shows inferior electronic properties because of their structural defects. In addition, formamidinium-based perovskite has longer hole diffusion length than electron diffusion length, which leads to charge accumulation in the device.
Here, I introduced N-doped carbon nanotubes (N-CNTs) into the perovskite layer for solar cell application. Different from undoped CNTs which has no selectivity of charge, N-CNTs extract and transport photoelectron selectively. N-CNTs were used as charge transport channels in the perovskite layer, reducing the resistance in the perovskite device and improving the efficiency compared to the reference device by 12.3%. In addition, as the electron transport is improved, it is confirmed that the charge accumulation is reduced by balancing with the fast hole transport, and the amount of perovskite active layer which was limited due to the short electron diffusion length has been successfully increased. The modification in electron mobility by N-CNTs can be further applied for other perovksite optoelectronic devices to enhance the perovskite electrical properties.
유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 낮은 제작비용과 함께 최근 22.7%의 고효율을 기록하며 차세대 태양전지 후보로 각광받고 있다. 그러나 포름아미디늄 기반의 페로브스카이트는 홀 이동에 비해 전자 이동이 느리며, 용액 공정 중에 결정립계면, 핀홀과 같은 구조적 결함을 갖기 때문에 전하 수송에 한계를 갖는다.
이를 극복하기 위해 본 논문에서는 페로브스카이트 태양전지의 활성층에 질소 도핑 된 탄소나노튜브를 도입하여 선택적인 전자 수송 채널로 사용하였다. 일반적인 탄소나노튜브는 전하 선택성이 없어 전하수송 역할에 한계가 있지만, 질소 도핑을 통해 일함수를 조절함으로써, 탄소나노튜브가 전자만을 선택적으로 전달시킬 수 있도록 할 수 있다.
질소 도핑 된 탄소나노튜브는 페로브스카이트 층 내에서 전하 수송 채널로 사용되어, 페로브스카이트 소자 내의 저항을 감소시켰으며, 기준 소자 대비 효율을 12 % 향상시켰다. 또한 전자 수송이 향상되면서, 기존의 빠른 홀 수송과 균형을 이뤄 소자 내의 전하 축적이 감소함을 확인하였으며, 기존의 짧은 전자 확산 길이로 인해 제한되었던 페로브스카이트 활성층 양을 증가시켰다.
