Stability Study of Cesium-Based Perovskite Solar Cells : Focusing on Halide Phase Segregation and Application in Extreme Environments
세슘 기반 페로브스카이트 태양전지의 안정성 연구: 할라이드 상 분리 및 극한 환경 응용에 대한 고찰
- 주제(키워드) Cesium-based perovskite solar cells , Halide phase segregation , Thermal stability , Mechanical strain
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 노준홍
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 대학원 건축사회환경공학과
- 원문페이지 104 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000292455
- UCI I804:11009-000000292455
- DOI 10.23186/korea.000000292455.11009.0001894
- 본문언어 영어
초록/요약
The continuous development of solar cell technologies has led to significant advancements in light-harvesting materials, with cesium-based inorganic halide perovskite solar cells (CsPbX₃ PSCs) emerging as promising candidates for next-generation photovoltaics. Unlike organic-inorganic hybrid perovskite solar cells, CsPbX₃ PSCs offer superior thermal stability, attributed to strong primary bonding. However, challenges such as halide phase segregation and mechanical stress remain barriers to achieving higher power conversion efficiency (PCE) and long-term operational stability. This study presents a comprehensive stability evaluation and performance enhancement of CsPbX₃ PSCs, focusing on devices with an n-i-p structure. A novel crystallization management strategy was introduced by incorporating sodium formate (NaFo) into CsPbI₂Br perovskite solutions, leading to improved crystal quality, suppressed halide segregation, and reduced defect formation. As a result, the devices demonstrated enhanced photovoltaic performance and retained 84% of their initial PCE under 10% relative humidity at room temperature for 300 minutes. Additionally, surface modification strategies using TiCl₄ treatments on the SnO₂ electron transport layer (ETL) were employed for CsPbBr₃ PSCs. These modifications passivated oxygen-vacancy-related defects, improved SnO₂-perovskite interface quality, and released mechanical strain, resulting in a champion PCE of 6.51% with an open-circuit voltage (Voc) of 1.45 V. Encapsulated devices maintained 92% of their initial PCE after 100 hours at 145°C, demonstrating exceptional thermal stability. The findings of this study emphasize the potential of integrating innovative crystallization techniques and interfacial engineering to overcome critical challenges in CsPbX₃ PSCs, paving the way for their application in extreme environmental conditions.
more초록/요약
태양전지 기술의 지속적인 발전은 빛 흡수 물질의 중요한 진보를 이끌었으며, 차세대 광전지의 유망한 후보로 세슘 기반 페로브스카이트 태양전지가 주목받고 있다. 기존의 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지와 달리, 세슘 기반 페로브스카이트 태양전지는 강한 1차 결합으로 인한 뛰어난 열적 안정성을 제공한다. 그러나 할라이드 상분리와 기계적 스트레스와 같은 문제는 여전히 높은 전력 변환 효율(PCE)과 장기적인 작동 안정성을 달성하는 데 장애 요인으로 남아있다. 본 연구에서는 n-i-p 구조를 갖춘 세슘 기반 페로브스카이트의 안정성을 종합적으로 평가하고 성능을 향상시키기 위한 방안을 제시한다. CsPbI₂Br 페로브스카이트 용액에 포름산나트륨(NaFo)을 도입하는 새로운 결정화 관리 전략을 통해 결정 품질을 개선하고, 할라이드 상분리를 억제하며, 결함 생성을 줄일 수 있었다. 이를 통해 태양전지 성능이 향상되었으며, 실온에서 상대 습도 10% 환경하에 300분 동안 초기 PCE의 84%를 유지하여 광안정성을 향상시켰다. 더 나아가, CsPbBr₃ 페로브스카이트 태양전지의 전자수송층에 TiCl₄ 처리를 이용한 표면 수정 전략을 적용했다. 이러한 처리는 산소 공극 결함을 억제하고, 전자수송층과 페로브스카이트 계면의 품질을 개선하며, 기계적 응력을 완화했다. 이로 인해 6.51%의 광전변환율과 1.45V의 개방 회로 전압(Voc)을 달성했다. 봉지화된 태양전지 소자는 145°C에서 100시간 후에도 초기 PCE의 92%를 유지하며 탁월한 열적 안정성을 보여주었다. 본 연구 결과는 세슘 기반 페로브스카이트 태양전지의 주요 문제를 해결하기 위한 유용한 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다.
more목차
PREFACE v
TABLE OF CONTENTS vi
LIST OF TABLES viii
LIST OF FIGURES ix
CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
CHAPTER 2. RESEARCH BACKGROUD 3
2.1 Halide Perovskite Solar cells 3
2.2 Cesium-Based Perovskite Solar Cells 9
2.3 Halide Phase segregation in Mixed-Halide Perovskites 12
2.4 Application of Cesium–Based PSCs in Extreme Environments 15
2.5 Research Strategy 17
CHAPTER 3. EXPERIMENTAL METHODOLOGY 18
3.1 Materials 18
3.2 Device Fabrication 18
3.2.1 CsPbI2Br Perovskite Solar Cells 18
3.2.2 CsPbBr3 Perovskite Solar Cells 19
3.3 Device Characterization 21
3.4 Film Characterization 21
3.5 Device Stability Test 22
CHAPTER 4. RESULTS AND DISCUSSION 23
Part 1 Suppression of Halide Phase Segregation in Cesium-Based Perovskite Solar
Cells by Regulating Crystallization 23
4.1.1 Impact of Crystallization Agents on the Crystal Structure of Perovskite
Films 23
4.1.2 Chemical Interactions of Crystallization Agents in Perovskite Films 31
4.1.3 Defect Analysis of Perovskite Films 35
4.1.4 Suppression of Halide Phase Segregation in Cesium-based Perovskites 44
4.1.5 Photovoltaic Performance and Stability 47
Part 2 Stability Testing of Cesium-Based Perovskite Solar Cells for Extreme
Environments Applications 55
4.2.1 Effect of TiCl4 Treatment on Electron Transport Layer 55
4.2.2 Effect of TiCl4-Treated ETLs on Perovskite Films 61
4.2.3 Characterization of Perovskite Solar Cells with TiCl4-Treated ETLs 67
4.2.4 Photovoltaic Performance 74
4.2.5 Thermal Stability investigation of PSCs 81
CHAPTER 5. CONCLUSION 84
REFERENCES 85
PERMISSION OF COPYRIGHT 89
