New Physics: Sae Mulli (새물리)

Korean Physical Society (한국물리학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Properties of Perovskite Materials and Devices Fabricated Using the Solvent Engineered One-Step Spin Coating Method

단일 스텝 스핀 코팅 방법에서 증발 제어 공정 변경에 따른 페로브스카이트 박막 물성 및 태양 전지 소자 특성 변화에 관한 연구

  • Oh, Jungseock (Department of Physics, Kunsan National University) ;
  • Kwon, Namhee (Department of Physics, Kunsan National University) ;
  • Cha, DeokJoon (Department of Physics, Kunsan National University) ;
  • Yang, JungYup (Department of Physics, Kunsan National University)
  • Received : 2018.10.02
  • Accepted : 2018.10.17
  • Published : 2018.11.30
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

The one-step spin coating method is reported as an excellent thin film process because it can be easily used to fabricate high-quality methyl-ammonium lead tri-iodide ($MAPbI_3$) perovskite layers. One of the important things in the one-step spin coating method towards obtaining high-quality $MAPbI_3$ layers is the anti-solvent (AS) engineering, which consists of an one-step deposition of the $MAPbI_3$ film and dripping of the AS. The properties of the $MAPbI_3$ layer were found to be strongly influenced by the amount, dispensing speed, and spraying time of the AS solution. The $MAPbI_3$ solution was prepared by dissolving lead iodide and methyl-ammonium iodide in N,N-dimethylformamide and adding N,N-dimethyl sulfoxide. Diethyl ether (DE) was used for the AS solution. The results indicate that a $MAPbI_3$ layer appropriately sprayed with DE is beneficial for improving film quality and device efficiency because nucleation of $MAPbI_3$ layer is affected by the characteristics of DE, which affect the film's crystallinity, density, and surface morphology. The $MAPbI_3$ layer, which was optimized by using 0.7 mL of DE, a 3.03 mL/sec dispensing speed, and a 7 second time to spray after spinning showed the best efficiency of 13.74%, which was reproducible.

단일 스텝 스핀 코팅 (one-step spin coating) 공정은 $MAPbI_3$ 페로브스카이트 (Perovskite) 박막의 결정화가 우수하여 고효율 태양 전지 제작이 가능하다. 이 공정의 핵심은 솔벤트 증발 제어 공정을 사용하는 것인데, 이는 스핀 코팅 시 $MAPbI_3$ 의 용해도를 증가 시킬 수 있는 용매를 투입하는 (dripping) 방식이다. 본 연구에서 용매의 양, 투입속도 및 시간에 따라 생성되는 $MAPbI_3$의 특성을 분석하고, 이렇게 만들어진 박막을 이용한 태양 전지 특성을 조사하였다. $MAPbI_3$ 박막 형성을 위하여 lead iodide, methyl-ammonium iodide를 N,N-dimethylformamide에 녹이고, N,N-dimethyl sulfoxide를 첨가하여 용액을 만들었으며, 증발 제어 공정을 위한 용매로 diethyl ether (DE)를 사용하였다. DE의 투입 조건에 따라 $MAPbI_3$ 박막 형성 시 핵 생성에 차이가 생기고, 이는 $MAPbI_3$의 결정화, 밀도 및 표면 상태에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 이에 따라 태양 전지의 효율이 달라지는 것을 알 수 있었다. 0.7 mL의 DE의 양, 3.03 mL/sec 투입 속도, 7초(스핀 코팅 시작 후 투입시간)의 솔벤트 증발 제어 공정 결과 최대 13.74% 효율을 가지는 태양 전지 소자를 재현성 있게 관측할 수 있었다.

Keywords

Acknowledgement

Supported by : 한국연구재단

References

  1. M. Konstantakou, D. Perganti, P. Falaras, T. Stergiopoulos, Crystals 7, 291 (2017). https://doi.org/10.3390/cryst7100291
  2. A. Miyata, A. Mitioglu, P. Plochocka, O. Portugall and J. T.-. Wang et al., Nat. Phys. 11, 582 (2015). https://doi.org/10.1038/nphys3357
  3. N.-G. Park, Materials Today 18, 65 (2015). https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.07.007
  4. N. Ahn, D.-Y. Son, I.-H. Jang, S. M. Kang and M. Choi et al., J. Am. Chem. Soc. 137, 8696 (2015). https://doi.org/10.1021/jacs.5b04930
  5. NREL homepage, https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/pv-efficiencies-07-17-2018.pdf (accessed Sep. 11, 2018).
  6. N. K. Elumalai, M. A. Mahmud, D. Wang and A. Uddin, Energies 9, 861 (2016). https://doi.org/10.3390/en9110861
  7. Z. Xiao, Y. Yuan, Q. Wang, Y. Shao and Y. Bai et al., Mater. Sci. Eng. R 101, 1 (2016). https://doi.org/10.1016/j.mser.2015.12.002
  8. W.-J. Yin, J.-H. Yang, J. Kang, Y. Yan and S.-H. Wei, J. Mater. Chem. A 3, 8926 (2015). https://doi.org/10.1039/C4TA05033A
  9. P. Fan, D. Gu, G.-X. Liang, J.-T. Luo and J.-L. Chen et al., Sci. Rep. 6, 29910 (2016). https://doi.org/10.1038/srep29910
  10. M. Liu, M. B. Johnston and H. J. Snaith, Nature 501, 395 (2013). https://doi.org/10.1038/nature12509
  11. Y. Gao, L. Yang, F. Wang, Y. Sui and Y. Sun et al., Superlattices Microstruct. 113, 761 (2018). https://doi.org/10.1016/j.spmi.2017.12.015
  12. H. J. Snaith, A. Abate, J. M. Ball, G. E. Eperon and T. Leijtens et al., J. Phys. Chem. Lett. 5, 1511 (2014). https://doi.org/10.1021/jz500113x
  13. S. Luo and Walid A. Daoud, Materials 9, 123 (2016). https://doi.org/10.3390/ma9030123
  14. B. D. Cullity, Elements of X-ray Diffraction (Addison-Wesley, Massachusetts, 1978), p. 284.