With the increasing awareness of environment pollution and energy crisis, renewable energy has been recognized as an important alternative source of energy. Especially, perovskite solar cell (psSC) technologies have recently gained immense attention as one of the most promising photovoltaic (PV) technologies because of their outstanding optoelectronic properties. We here explore strategies to realize flexible and/or semi-transparent psSCs so that they can have features not readily available to conventional solar cells. To this end, $CH_3NH_3PbI_3$ ($MAPbI_3$)-based psSCs are developed in which a $TiO_2$ layer is replaced with a layer of C60 evaporated onto indium tin oxide layers covered with polyethylenimine ethoxylated (PEIE) layers. Unlike $TiO_2$ layers requiring a high-temperature sintering, $C_60$ is deposited while the substrate is held at room temperature, making it compatible with various plastic substrates for flexible psSCs. The PEIE layers are shown to play key roles, not only as an electron collecting interfacial layer but also as a surface modifier that helps maintain the integrity of the $C_60$ layers during spin-coating of the perovskite active layers. Using the proposed device architecture, we demonstrate flexible psSCs that exhibit high power conversion efficiency with low hysteresis.
The proposed technology is then combined with soft vacuum-laminated top transparent electrodes to realize film-type semi-transparent (ST) psSCs. The flexible top transparent electrode based on thin metal is realized and optimized on the polydimethylsiloxane (PDMS) film, which has much lower Young’s modulus than most conventional plastics. Using an optimal buffer layer that combines conducting polymers called ‘PEDOT:PSS’ and D-sorbitol as an adhesion promoter, film-type ST-psSCs are successfully demonstrated that can be bent at a radius of curvature down to a few mm and exhibit power conversion efficiency of 10%. We believe the proposed method can be advantageous in that the top electrode can be prepared separately and later combined seamlessly with the roll-to-roll, solution-processed solar cells and is conformable to a rather thick structure, which is relevant to fabrication of modules in psSCs.
환경 오염과 에너지 위기에 대한 인식이 높아짐에 따라 신재생 에너지는 중요한 대체 에너지원으로 인식되고 있다. 특히, 페로브스카이트 태양전지 기술은 우수한 광전자 특성 때문에 최근 가장 유망한 태양전지 기술 중 하나로써 주목을 받고 있다. 우리는 본 연구에서 페로브스카이트 태양전지를 반투명하고 유연하게 구현하여 기존의 태양전지 기술과 차별화하고자 하였다. 이를 위해 페로브스카이트 태양전지에서 널리 사용되는 금속 산화물 기반의 전자 수송층 ($TiO_2$) 대신에 PEIE로 표면 처리된 투명 전도성 산화물 전극 위에 저분자 $C_60$ 층을 진공 증착하여 전자 수송층으로 대체한 페로브스카이트 태양전지를 제안하였다. 고온에서 소결과정이 필요한 $TiO_2$ 층과는 달리, $C_60$는 기판이 실온에서 유지되는 동안 진공 증착되기 때문에 유연 페로브스카이트 태양전지를 구현하기 위한 다양한 플라스틱 기판에 적용 가능하다. 그리고 PEIE 층은 전자 수집에 도움이 될 뿐만 아니라, 페로브스카이트 광활성층이 용액 공정으로 형성되는 동안에 용액에 의한 $C_60$ 층의 손상을 방지해주는 중요한 계면 층으로 사용되었다. 제안된 장치 구조를 적용하여 높은 전력 변환 효율과 동시에 적은 히스테리시스를 보이는 유연한 페로브스카이트 태양전지를 구현하였다.
제안된 유연 페로브스카이트 태양전지에 상부 투명 전극을 진공 전사하여 필름형 반투명 페로브스카이트 태양전지를 제작하였다. 대부분의 기존 플라스틱보다 훨씬 낮은 영률을 갖는 폴리디메틸실록산 (PDMS) 필름위에 얇은 금속을 기반으로 한 유연한 상부 투명 전극을 제작하고 최적화하였다. 접착력 촉진제로 D-sorbitol 및 PEDOT:PSS 전도성 고분자를 결합한 최적화된 버퍼층을 사용하여 수 mm의 곡률 반경에서 굽힘이 가능하고 10%의 전력 변환 효율을 나타내는 필름형 반투명 페로브스카이트 태양전지를 구현하였다. 제안된 방법은 상부 전극을 별도로 미리 준비하여 솔루션 공정으로 제작하는 태양전지와 원활하게 롤투롤 공정으로 결합할 수 있으며 모듈 제작 측면에서도 페로브스카이트처럼 약간 두꺼운 구조에도 적용할 수 있다는 점에서 장점이 있다.
