올 그린 설포란

May 20, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9335(2023) 이 기사 인용

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페로브스카이트 태양전지의 산업적 상용화는 충분한 장치 성능에 달려 있을 뿐만 아니라 기술의 지속 가능한 개발을 위해서는 제조 공정에서 위험한 용매를 완전히 제거해야 합니다. 이 연구는 일반적이지만 더 위험한 용매에 대한 훨씬 친환경적인 대안으로 설포란, \(\감마\)-부티로락톤(GBL) 및 아세트산(AcOH)을 기반으로 하는 새로운 용매 시스템을 보고합니다. 흥미롭게도, 이 용매 시스템은 더 큰 결정 크기와 더 나은 결정성을 갖는 조밀하게 채워진 페로브스카이트 층을 생성할 뿐만 아니라, 결정립 경계가 더 단단하고 전류에 대한 전도성이 높은 것으로 밝혀졌습니다. 결정립계의 물리적 변화는 설포란 주입 결정 인터페이스로 인해 발생했으며, 이는 더 나은 전하 이동을 촉진하고 페로브스카이트 층 내 수분에 대한 더 강한 장벽을 제공하여 결과적으로 더 높은 전류 밀도와 더 긴 성능을 제공할 것으로 예상되었습니다. 실제로 70.0:27.5:2.5의 부피비로 설포란, GBL, AcOH로 구성된 혼합용매 시스템을 사용함으로써 소자 안정성이 더 좋았고, 광전지 성능은 DMSO 기반 용매를 사용하여 제조한 시스템과 통계적으로 유사했다. 우리의 보고서는 올-그린 용매를 적절하게 선택함으로써 페로브스카이트 층의 전기 전도도와 강성이 향상된다는 전례 없는 발견을 반영합니다.

무기-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지(PSC)는 성능 잠재력과 유망한 전망으로 인해 많은 연구자들의 흥미를 끌었습니다1,2,3. 최근 몇 년간 PSC의 급속한 발전으로 인해 훨씬 ​​더 나은 광전지 성능을 달성할 수 있게 되었습니다. 특히 보고된 많은 전력 변환 효율(PCE) 값이 지속적으로 이론 값인 25.2%3에 뒤처져 있어 더 많은 발전을 위한 여지가 남아 있다는 사실을 고려할 때 더욱 그렇습니다. 성취. 일반적인 하이브리드 페로브스카이트 결정 구조는 CH\(_{3}\)NH\(_{3}^{+}와 같은 양이온(A 사이트)으로 구성된 \(ABX_{3}\)으로 특성화될 수 있습니다. \), HC(NH\(_{2}\))\(_{2}^{+}\), Cs\(^{+}\) 및 Rb\(^{+}\). 무기 골격 \(BX_{3}\)은 Pb\(^{+}\) 및 Sn\(^{+}\)4와 같은 할로겐화물 원소(X 사이트)와 금속(B 사이트)으로 구성됩니다. 최근 보고된 PCE는 최대 25.2%3에 도달했는데, 이는 특히 CdTe, 구리 인듐 갈륨 셀렌화물(CIGS), 염료 감응형 및 유기 태양 전지5와 같은 다른 광전지와 비교할 때 상당한 발전을 나타내는 수준입니다5.

광전지 성능 개발에 있어 마찬가지로 중요한 것은 준비 과정이 환경과 인간 건강에 미치는 영향입니다. 고성능에 대한 보고는 종종 발암성 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸포름아미드(DMF) 및 피부 침투성이 높은 디메틸 설폭사이드(DMSO)와 같은 유해 화학물질을 사용하여 다음과 같은 제품을 제조하는 데 의존했습니다. 페로브스카이트6,7,8,9,10. 그러나 이러한 용매를 사용하면 높은 장치 성능이 보장될 수 있지만 환경과 인간 건강에 대한 독성은 특히 기술이 대규모로 구현되는 경우 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다. 따라서 지속가능한 방식으로 PSC 기술을 개발하기 위해서는 용매 선택에 대한 문제를 해결해야 한다.

보다 친환경적인 제조를 위한 노력으로 폴리에틸렌글리콜과 \(\감마\)-부티로락톤(GBL)으로 구성된 혼합용매를 사용하여 PbBr\(_{2}\) 전구체 용액을 제조하였다. 결과 PSC는 최대 8.11%11의 PCE를 보여주었습니다. (R)-(+)-리모넨과 2-메틸테트라히드로푸란은 역 PSC 장치에서 고품질 페로브스카이트 층을 제조할 때 독성이 적은 항용매로 사용될 수도 있으며, PCE는 최대 17.84%12입니다. Tian과 동료들은 또한 대면적 장치에서 페로브스카이트 필름을 제조하기 위한 녹색 반용매로서 n-부탄올을 제안했는데, 이는 PCE가 13.85%13임을 입증했습니다. Yavari와 동료들은 PSC 준비 시 녹색 반용매로 아니솔을 사용했는데, 이는 최대 20.5%14의 인상적인 PCE를 산출했습니다. 그럼에도 불구하고, 지금까지의 많은 노력에도 불구하고, 장치 안정성은 여전히 ​​과제로 남아 있으며, 이는 준비 공정에서 페로브스카이트 전구체의 비효율적인 용해로 인한 것일 수 있습니다. 결과적으로 유해 용매의 완전한 제거는 아직 실현되지 않았으며 이러한 용매는 여전히 제조 공정에서 화학 전구체의 용해도를 촉진하는 다양한 역할을 합니다.