Perovskite Solar Cells

For the fabrication of perovskite solar cells that combine high efficiency, stability, and eco-friendly characteristics, we are introducing noble metal nanostructures, controlling the structural properties of perovskite materials, and developing novel materials as alternatives to conventional lead-based perovskites. In addition, we are conducting research on buffer layers that can effectively interact with these new active layers to maximize device performance, as well as optimizing the overall device configuration.


고효율, 안정성 및 친환경적인 특성을 두루 갖춘 페로브스카이트 태양전지 소자 제작을 위하여 귀금속 (noble metal) 나노구조체의 도입, 
페로브스카이트 소재의 구조적 물성 제어, 기존 납 기반 페로브스카이트 물질의 대체재로 적합한 신개념 소재 개발 등을 수행하고 있습니다. 
아울러 신규 활성층과 효과적으로 연동하여 소자 성능을 극대화 시킬 수 있는 완충층 개발과 소자 구성의 최적화 연구도 전개하고 있습니다.

Enhancing Solar Cell Performance and Stability through ZnO Surface Modification with Self-Assembled Monolayers
자기조립단분자막을 적용한 ZnO의 표면 개질을 통한 태양전지 성능 및 안정성 향상

 In this study, we developed a strategy to concurrently improve the performance and stability of solar cells by modifying the surface of ZnO with self-assembled monolayers. 
First, the methoxy group of the self-assembled monolayer forms hydrogen bonds with the methylammonium cations in the perovskite, inducing an interfacial dipole. 
This increases the device’s built-in potential, thereby maximizing electron transport. 
Furthermore, the hydrophobic nature of the self-assembled monolayer surface increases the critical radius of perovskite nuclei, enhancing the grain size and crystallinity of the perovskite and ultimately reducing charge recombination in the perovskite layer.
As a result, compared with a reference device that showed a power conversion efficiency (PCE) of 1.44%, the ZnO-based device modified with 3,4,5-trimethoxybenzoic acid achieved a significantly improved PCE of 13.75%. 
In addition, due to the suppression of proton transfer reactions at the interface, moisture stability and long-term stability under ambient conditions (28 °C, relative humidity 45%) were substantially enhanced. 
We believe that the stable device fabrication protocol developed in this study can be applied not only to solar cells but also to a wide range of optoelectronic devices, such as photodetectors, lasers, and LEDs.


본 연구에서는 자기조립단분자막을 적용한 ZnO의 표면 개질을 통해 태양전지의 성능과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 전략을 개발하였습니다.
 먼저, 자기조립단분자막의 메톡시 작용기는 페로브스카이트의 메틸암모늄 양이온과 수소결합을 형성하여, 계면에서의 쌍극자를 유도하며, 이는 소자 내의 built-in potential 을 증가시켜 전자의 이동을 극도화 하였습니다. 
 더 나아가, 자기조립단분자막 표면의 소수성 성질은 페로브스카이트 핵의 임계반지름을 증가시켜, 페로브스카이트의 grain size와 결정성을 향상시키고, 결과적으로 페로브스카이트층에서의 전하 재결합을 감소시켰습니다.
 그 결과, 광전변환효율이 1.44%인 비교 대상 소자에 비해, 3, 4, 5-트리메톡시벤조산을 통해 표면을 개질한 ZnO 기반의 소자는 13.75%의 향상된 광전변환효율을 보였습니다. 
 또한, 계면에서의 양성자 전달 반응 억제로 인해 수분 안정성과 대기 환경 (28 ◦C, 상대습도 45%)에서의 장기 안정성이 현저하게 개선되었습니다.
 본 연구에서 도출한, 안정성이 향상된 소자 제작 프로토콜은 태양전지 분야뿐만 아니라 광 검출기, 레이저, LED 등 다양한 광전자 소자 영역에 응용될 수 있을 것으로 사료됩니다.

A Study on Enhancing Efficiency and Moisture Stability in Perovskite Solar Cells through the Development of Hole Transport Layers
페로브스카이트 태양전지의 정공 수송층 개발을 통한 효율 및 수분 안정성 향상 연구

In perovskite solar cells, the most commonly used hole transport layer material is Spiro-OMeTAD, which is expensive and less favorable for hole transport due to its energy band structure, thereby necessitating the development of alternative materials. 
In this study, we introduced the conjugated polymer TFB and the p-type dopant F4-TCNQ while designing the energy band structure, successfully creating a perovskite solar cell that is both cost-effective and optimized for hole extraction. 
As a result, the device achieved a power conversion efficiency (PCE) of 17.46% and a short-circuit current density of 22.36 mA/cm², outperforming the reference device (16.62%, 22.07 mA/cm²). 
Furthermore, when the newly developed perovskite solar cell was exposed to air with 45% relative humidity for 10 days, it retained 80% of its original efficiency—significantly better than the 30% retention shown by devices using Spiro-OMeTAD (LiTFSI+TBP). This research not only addresses the moisture instability issue currently associated with perovskite solar cells but also provides a theoretical model that enables high efficiency. 
It is anticipated that the findings will be applicable to a wide range of perovskite-based electronic devices, including LEDs and photodetectors.


페로브스카이트 태양전지에서 가장 흔히 쓰이는 정공 수송층 물질인 Spiro-OMeTAD는 값이 비싸며 에너지 밴드 구조 상 정공 전달이 용이하지 않은 관계로 해당 소재를 대체하는 물질의 개발이 필요합니다. 
 이에 본 연구진은 공액 고분자 TFB와 p-type 도펀트 F4-TCNQ를 도입하고 에너지 밴드를 디자인하여 낮은 가격에 정공 추출이 용이한 페로브스카이트 태양전지를 개발하였습니다. 
 이는 결과적으로 17.46%의 전력 변환 효율과 22.36 mA/cm^2 의 단락 전류 밀도를 보였으며, 비교군 소자(16.62%, 22.07 mA/cm^2) 보다 우수한 성능을 확인하였습니다.
 추가로, 개발된 페로브스카이트 태양전지를 습도 45%의 공기 중 10일간 노출시켰을 때 80%의 효율 안정성을 보였으며, 기존의 spiro-OMeTAD (LiTFSI + TBP)가 도입된 페로브스카이트 태양전지보다 (30% 유지) 월등히 개선된 안정성임을 확인할 수 있었습니다.
 본 연구는 현재 페로브스카이트 태양전지가 가지고 있는 수분 불안정성 문제를 개선하고 고효율을 가능하게 한 이론적인 모델을 제시하였으며, 이는 향후 LED, 광 검출기 등 다양한 페로브스카이트 전자소자에 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

Fabrication of High-Efficiency Indoor Low-Illumination Perovskite Solar Cells
고효율 실내용 저조도 페로브스카이트 태양전지 제작

 In this study, we optimized bromine doping in perovskites to induce crystals with excellent photoactivity, ensuring exciton extraction under low-light conditions and enabling the solar cell to operate effectively. 
This approach reduces the traps where exciton recombination losses occur, suppressing non-radiative recombination centers and ultimately enhancing device performance. 
Under dim LED indoor lighting (1000 lx), the photogenerated power device exhibited an average power conversion efficiency of 34.5 ± 1.2%, which is about 18% higher than that of the reference device (29.2 ± 1.6%). 
Furthermore, the optimized bromine doping improved stability by transforming the relatively unstable tetragonal phase into a pseudo-cubic phase. 
These findings demonstrate the potential of indoor perovskite solar cells as a next-generation power source, paving the way for the development of new types of indoor electronic devices.
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본 연구는 페로브스카이트에 브롬 도핑을 최적화하여 우수한 광활성을 
갖는 결정을 유도하고 저조도에서도 엑시톤이 추출되고 광전지가 효과적으로 작동되도록 설계되었습니다. 
 이는 엑시톤의 재결합 손실이 발생하는 트랩을 감소시켜 비 방사성 재조합 센터를 억제하여 결과적으로 장치 성능의 향상을 가져왔습니다. 
희미한 LED 실내조명 (1000lx) 하에서 측정된 광기전력 장치는 34.5 ± 1.2 %의 평균 전력 변환 효율을 나타내며, 이는 비교군 (29.2 ± 1.6 %)에 비해 18% 우수한 성능을 보였습니다. 
 또한, 최적화된 브롬 도핑으로 인해 비교적 불안정한 정방 상(Tetragonal phase) 페로브스카이트에서 유사 입방체 상(pseudo-cubic)의 변형을 통해 안정성 또한 개선되었습니다. 
 본 연구 결과는 새로운 유형의 실내 전자 장치의 개발을 개척할 수 있는 차세대 전력원으로서 실내 구동 페로브스카이트 광전지의 잠재력을 시사하였습니다.

Research on Quasi-2D Perovskite Solar Cells with Enhanced Device Stability
소자 안정성이 향상된 준-2차원 페로브스카이트 태양전지 연구

Although the use of metal halide perovskites has significantly improved the performance of thin-film photovoltaic devices, material instability remains a major limitation. 
In this study, density functional theory (DFT) calculations revealed that inserting phenylethylammonium between perovskite layers induces van der Waals interactions and increases formation energy, thereby enhancing the material’s stability. 
Building on these findings, we developed quasi-2D perovskite films that retain the high performance of conventional 3D perovskite films while offering improved stability. 
By employing this material as the active layer in perovskite solar cells, we achieved, for the first time, hysteresis-free photovoltaic conversion. 
In addition, we observed a power conversion efficiency of 15.3% and a greatly extended operational lifetime. 
The significance of this research lies in demonstrating—through both theoretical calculations and experimental methods—a novel quasi-2D perovskite structure incorporating organic ligands, successfully applied to solar cells and thereby enhancing the stability of the devices.


금속 할로겐화물 페로브스카이트를 이용하여 박막 광전지 성능을 크게 향상시켰지만, 소재의 불안전성은 여전히 한계로 남아있었습니다. 
 본 연구에서는 밀도 기능 이론(density functional theory)을 사용하여 페로브스카이트 층 사이 페닐에틸암모늄(phenylethylammonium)을 삽입하면 반데르발스 상호작용(Van der Waals interactions)이 유도되고 증가된 형성에너지를 유발하며 결과적으로 재료 안전성이 향상된다는 것을 발견했습니다. 
 본 결과를 기반으로, 기존 3차원 페로브스카이트 필름의 고성능을 유지하면서 향상된 안전성을 가지는 축소된 차원 (준-2D) 페로브스카이트 필름을 개발했습니다. 
 그리고 이 소재를 활성층으로서 페로브스카이트 태양전지를 제작하였고, 최초로 히스테리시스(hysteresis)가 없는 태양광 발전 변환을 달성하였습니다. 
 나아가, 15.3%의 광전 변환 효율과 크게 향상된 성능 수명을 관찰하였습니다. 본 연구는 유기물 리간드를 도입한 quasi-2D 구조체의 신개념 페로브스카이트를 태양전지에 응용하고 소자의 안정성 향상을 이론 계산과 실험적인 방법을 통해서 증명하였다는 점에서 크게 의미가 있습니다.