계면 결함이 TiO₂/MAPI/Cu₂O 페로브스카이트 태양전지의 밴드 정렬 및 성능에 미치는 영향

초록

본 연구는 TiO₂/MAPI/Cu₂O 구조의 페로브스카이트 태양전지에서 산화물·페로브스카이트 계면에 존재하는 Ti, Cu, O, Pb, I 공핍 결함이 전자·정공 전달에 미치는 영향을 DFT와 SCAPS 시뮬레이션을 결합해 분석한다. 결함에 따라 n형·p형 도핑이 추가되어 밴드 오프셋이 변하고, 특히 TiO₂의 p형 도핑과 Cu₂O의 n형 도핑이 전류 손실을 크게 유발한다는 결과를 제시한다.

상세 분석

본 논문은 TiO₂/MAPI/Cu₂O 3층 구조를 기준으로, 각 층의 계면에 존재할 수 있는 대표적인 공핍 결함(V_Ti, V_Cu, V_O, V_Pb, V_I)을 DFT 기반 전자 구조 계산으로 조사하였다. 먼저 LDA와 LDA+U를 이용해 TiO₂(anatase), Cu₂O, MAPI(메틸암모늄 납 아이오다이드)의 밴드 구조와 전자·정공 상태밀도를 재현했으며, 실험값과 비교해 적절한 밴드갭을 확보하였다. 이후 두 개의 실제 인터페이스 모델(I₁: TiO₂/MAPI, I₂: MAPI/Cu₂O)을 구축하고, 각 결함을 20개의 무작위 배치로 도입해 평균 PDOS를 분석하였다.

결과적으로 V_O는 전자 제공(donor) 역할을 하여 TiO₂를 p형으로 전이시키고, V_Ti와 V_Cu는 전자 억제(acceptor) 역할을 하여 각각 p형·n형 도핑을 유도한다. MAPI 내부에서는 V_I가 n형, V_Pb가 p형 특성을 부여한다. 이러한 결함 유도 도핑은 인터페이스 근처의 밴드 정렬을 크게 변형시켜, 전자와 정공이 각각 전달되어야 할 에너지 장벽을 감소시키거나 증가시킨다. 특히 TiO₂ 측에서 p형 도핑이 발생하면 전자 전달이 방해받아 전류 손실이 커지고, Cu₂O 측에서 n형 도핑이 발생하면 정공 수집 효율이 저하된다.

SCAPS 시뮬레이션에서는 각 결함 유형에 대응하는 인터페이스 결함층(IDL)을 10 nm 두께로 삽입하고, 결함 농도를 0 ~ 5 × 10¹⁸ cm⁻³ 범위에서 변화시켜 전류‑전압(J‑V) 특성을 평가하였다. V_O와 V_Ti에 의한 TiO₂의 p형 도핑은 개방전압(V_oc)을 현저히 낮추고, 단락전류(I_sc)와 충전인자(FF)를 감소시켰다. 반대로 V_Cu에 의한 Cu₂O의 n형 도핑도 유사한 손실을 초래했으며, V_I와 V_Pb가 MAPI에 미치는 영향은 한쪽 인터페이스에 국한돼 전체 성능에 미치는 영향이 상대적으로 작았다.

이러한 결과는 계면 결함이 단순히 트랩 상태를 제공하는 수준을 넘어, 전하 운반층 자체의 전자·정공 농도를 재조정함으로써 전반적인 밴드 정렬을 재구성한다는 점을 강조한다. 따라서 실험적 제조 공정에서 산화물·페로브스카이트 층의 결함 밀도를 정밀하게 제어하고, 특히 TiO₂와 Cu₂O의 원자 결함을 최소화하는 것이 고효율·고안정성 PSC를 구현하는 핵심 전략임을 시사한다.