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Improvement of electrical properties of metal oxides for application to solar cells = 태양전지 적용을 위한 금속 산화물의 전기적 특성 개선
서명 / 저자 Improvement of electrical properties of metal oxides for application to solar cells = 태양전지 적용을 위한 금속 산화물의 전기적 특성 개선 / Hee Sang Lee.
저자명 Lee, Hee Sang ; 이희상
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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초록정보

It is necessary for transparent conducting electrodes used in dye-sensitized or perovskite solar cells to have high thermal stability which is required when $TiO_2$ is coated on the electrode. AZO films with their low-cost and good TCO properties are unfortunately unstable above 300 ℃ in air because of adsorbed oxygen. In this paper, the thermal stability of AZO films is enhanced by depositing an oxygen barrier on AZO films to block the oxygen. As the barrier material, $SnO_2$ is used due to its high heat stability, electrical conductivity, and transmittance. Moreover, when the $SnO_2$ is grown as amorphous phase, the protective effect become greater than the crystalline phase. The thermal stability of the amorphous-$SnO_2/AZO$ films varies depending on the thickness of the amorphous $SnO_2$ layer. Because of the outstanding oxygen blocking properties of amorphous $SnO_2$, its optimal thickness is very thin and it results in only a slight decrease in transmittance. The sheet resistance of the amorphous-$SnO_2/AZO$ film is 5.4 Ω $sq^{-1}$ after heat treatment at 500℃ for 30 min in air and the average transmittance in the visible region is 83.4%. The results show that the amorphous-$SnO_2/AZO$ films have thermal stability with excellent electrical and optical properties. Sputter-deposited $SnO_2$ films were adopted as the electron transporting layer for planar-heterojunction perovskite solar cells, and 18.8% power conversion efficiency was obtained under standard conditions $(AM 1.5 G radiation, 100 mW cm^{-2})$. Photovoltaic performance of devices varied with the sputtering conditions of $SnO_2$ ETLs. The open circuit voltage of devices increased as the oxygen proportion increased during the sputtering of $SnO_2$ ETLs due to the reduce oxygen related defects in $SnO_2$ films. The fill factor of devices increased as substrate temperature increased during $SnO_2$ sputtering due to the improved electron transport in $SnO_2$ films. Our study showed the possibility of obtaining highly efficient large area perovskite solar cells with sputter-deposited $SnO_2$ ETL. The efficiency of the planar structure could be further improved in the future through further passivation of the electron transporting layer by doping. Large-area devices $(substrate 25 cm^2, active area 15 cm^2)$ were fabricated using the sputter-deposited $SnO_2$ as ETLs and PCE of 9.1% was obtained. Further improvement of device efficiency could be achieved by changing deposition method of perovskite layer and HTM layer from spin-coating to other method which can fabricate highly uniform and pinhole-free films.

염료감응형 태양전지 또는 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 투명전극은 고온에서 $TiO_2$가 코팅되므로 높은 열적 안정성을 가지고 있어야 한다. AZO 박막은 저가이면서 좋은 투명전극 특성을 나타내지만 300 ℃ 이상의 고온에서 산소의 흡착 때문에 전기적특성이 악화된다. 본 논문에서는 산소방지막을 AZO 박막 위에 증착하여 공기 중 산소를 차단함으로써 AZO의 열적 안정성을 향상시켰다. 산소방지막의 물질로는 높은 열적 안정성, 전기전도도, 투과도를 나타내는 산화주석이 사용되었다. 산화주석은 비정형 구조일 때가 결정형 구조일 때보다 산소를 차단하는 효과가 컸다. $Amorphous-SnO_2$(두께 13.9 nm)/AZO 이중박막의 열적 안정성은 비정형 산화주석 층의 두께에 따라 다르게 나타났다. Air 분위기의 500 ℃ 에서 30분 동안 열처리한 후의 $amorphous-SnO_2/AZO$ 이중박막의 표면저항은 5.4 Ω $sq^{-1}$ , 가시광 영역에서의 평균 투과도는 83.4%가 나타났다. 이 결과를 통해 $amorphous-SnO_2/AZO$ 박막이 열적 안정성을 나타냄을 확인하였다. 스퍼터링으로 증착한 산화주석 박막을 planar-heterojunction 페로브스카이트 태양전지의 electron transporting layer (ETL)로 사용하여 표준 조건하에서 $(AM 1.5 G radiation, 100 mW cm^{-2})$ 18.8%의 전력변환효율을 얻었다. 페로브스카이트 태양전지의 ETL은 전자이동도가 높고, 결함이 적을수록 페로브스카이트 층에서 생성된 전자를 손실없이 추출할 수 있다. 산화주석 ETL의 스퍼터링 증착조건을 최적화하기위해 스퍼터링 증착 조건에 따른 광전지 성능을 확인하였다. 산화주석 스퍼터링시 가스 중 산소 비율을 높일수록 디바이스의 개방전압이 증가했다. 스퍼터링 가스로 산소를 사용하면 증착 중에 손실되는 산화주석의 산소원자를 보충해주어 산소공공과 같은 결함의 생성을 방지할 수 있다. 증착된 산화주석 ETL에 결함이 줄어들수록 성능평가시 페로브스카이트 층과의 계면에서 재결합이 줄어들기 때문에 개방전압이 상승하게 된다. 산화주석의 스퍼터링 증착시 기판온도가 높을수록 산화주석 결정성이 향상되었고, 결정성이 높을수록 ETL 내에서 전자의 이동도가 증가하므로 디바이스의 fill factor가 증가하는 결과를 얻었다. 그리고 $15 cm^2$ active area를 갖는 대면적 디바이스 제조를 하여 9.1%의 전력변환효율을 얻었다. 페로브스카이트 층과 정공이동층을 스핀코팅법으로 제조하지 않고, 매우 균일하고 pinhole이 없는 박막을 제조할 수 있는 다른 박막 제조방법을 이용하면, 보다 높은 효율을 기대할 수 있을 것이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 18003
형태사항 v, 83 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이희상
지도교수의 영문표기 : Do Hyun Kim
지도교수의 한글표기 : 김도현
공동지도교수의 영문표기 : Seong Ihl Woo
공동지도교수의 한글표기 : 우성일
수록잡지명 : "High thermoelectric power in a NaxCoO2 thin film prepared by sputtering with rapid thermal annealing". Current Applied Physics, v.15.no.3, pp.412-416(2015)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p. 79-80
주제 transparent conducting oxide
aluminum-doped zinc oxide
thermal stability
oxygen diffusion barrier
tin oxide
perovskite solar cells
투명전극
aluminum-doped zinc oxide
열적 안정성
산소 방지막
산화주석
페로브스카이트 태양전지
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