Understanding surface potential dynamics of passivated perovskites via Kelvin Probe Force Microscopy

기술 요약: KPFM을 통한 패시베이션된 페로브스카이트의 표면 전위 역학 이해

문제 제기
분자 패시베이션(molecular passivation)이 금속 할라이드 페로브스카이트 태양전지의 광전압 손실을 줄이는 핵심 전략으로 확립되었음에도 불구하고, 그 전자적 메커니즘은 나노 스케일에서 직접적으로 분해되기보다는 주로 거시적인 소자 지표로부터 추론되어 왔다. 특히 결정립계(grain boundaries)와 표면에 존재하는 계면 결함은 준-페르미 준위 분리(Quasi-Fermi Level Splitting, QFLS)를 좁혀 개방 전압($V_{OC}$)을 제한하는 전자적 션트(shunt) 역할을 한다. 따라서 AEAPTMS와 같은 패시베이션 분자가 다결정 페로브스카이트 박막의 전자적 환경을 어떻게 변화시키는지 이해하기 위해서는, 거시적인 효율 향상을 국부적인 표면 전위 및 캐리어 역학과 연관 지을 필요가 있다.

방법론
저자들은 AEAPTMS([3-(2-aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane)로 처리된 혼합 양이온, 혼합 할라이드 페로브스카이트 박막($FA_{0.83}Cs_{0.17}Pb(I_{0.9}Br_{0.1})_3$, 밴드갭 ~1.60 eV)을 조사하기 위해 진폭 변조 케엘빈 프로브 힘 현미경(AM-KPFM)을 사용하였다. 본 연구는 유리 기판을 통해 조명을 가하여 작동 중인 소자 조건을 모사하면서 상단 페로브스카이트 표면을 매핑하는 듀얼 패스(dual-pass) AM-KPFM 설정을 활용하였다.

본 연구는 세 가지 주요 분석 접근 방식을 포함한다:

1. 암흑 및 조명 하의 CPD 매핑: 접촉 전위차(Contact Potential Difference, CPD) 분포를 암흑 상태와 정상 상태 조명 조건에서 비교하여 표면 전위의 균일성과 표면 광전압(Surface Photovoltage, SPV)을 평가한다.
2. 시간적 역학: 연속적인 백색광 조명(~1 sun) 하에서 수 시간 동안의 SPV 진화 과정과 조명 제거 후의 회복 과정을 측정하여 안정화 시상수($\tau$)를 결정한다.
3. 파장 의존적 SPV: 서브 밴드갭(850 nm) 및 밴드갭 이상(365 nm) 조명을 활용하여 표면 특이적 역학과 벌크 기여를 분리하고 전자적 무질서도를 평가한다.
4. 공간적 디커플링: 지형 데이터(topographic data)를 기반으로 결정립계(GB)와 결정립 내부(GI)를 마스킹하는 커스텀 분석 파이프라인을 개발하여, 박막 전체의 CPD 값을 통계적으로 비교하고 전위 장벽($\Delta CPD$)을 계산한다.

주요 결과

• 표면 전위의 균질화: AEAPTMS 패시베이션은 암흑 상태의 CPD 공간적 불균일성을 크게 감소시켰다. CPD 분포 폭(반치폭, FWHM)은 미처리 박막의 ~45.7 mV에서 패시베이션된 박막의 ~14.6 mV로 좁아졌으며, 이 과정에서 결정 구조의 가시적인 형태학적 변화는 유도되지 않았다.
• 표면 광전압(SPV) 향상: 정상 상태 조명 하에서 패시베이션된 박막은 SPV 크기가 약 21% 증가(~345 mV에서 ~417 mV로)하였다. 이러한 증가는 표면에서의 정공 축적 향상 및 캐리어 분리 개선과 상관관계가 있으며, 이는 더 높은 잠재적 $V_{OC}$를 시사한다.
• 안정화 가속화: 패시베이션된 박막에서 SPV 안정화를 위한 시상수($\tau$)가 44% 감소하였다(약 840 s에서 약 470 s로). 이는 AEAPTMS가 장기적인 과도 현상을 지배하는 느린 반응의 결함 상태를 효과적으로 패시베이션함을 나타낸다.
• 전자적 무질서 감소: 파장 의依存적 측정 결과, 미처리 박막은 850 nm(서브 밴드갭) 조명 하에서도 상당한 SPV 응답을 보였는데, 이는 높은 전자적 무질서와 결함 상태를 나타낸다. 반면 패시베이션된 박막은 이 파장에서 무시할 만한 응답을 보여, 서브 밴드갭 전자적 무질서의 감소를 시사하였다.
• 결정립계 억제: $\Delta CPD$(결정립 내부와 경계 사이의 전위차) 분석을 통해, 패시베이션이 결정립계에서의 캐리어 축적 크기를 유의미하게 감소시킴을 입증하였다. $\Delta CPD$의 극성과 크기는 AEAPTMS가 결정립계의 전위 장벽을 억제하여 더욱 균일한 캐리어 환경을 조성함을 확인시켜 주었다.

의의 및 주장
본 논문은 AEAPTMS 패시베이션이 특히 결정립계 전위 장벽을 억제하고 표면 전자적 무질서를 감소시킴으로써, 더 균질하고 안정적인 캐리어 환경을 생성한다고 주장한다. AEAPTMS 패시베이션을 이러한 나노 스케일의 개선과 연결함으로써, 저자들은 관찰된 거시적 성능 향상이 표면 및 결정립계에서의 비방사 재결합 경로 완화에 의해 구동된다는 직접적인 증거를 제공한다.

저자들은 본 연구를 AM-KPFM이 단순한 소자 수준의 추론을 넘어 패시베이션 분자의 구체적인 전자적 작용을 어떻게 분해할 수 있는지 보여주는 사례로 제시한다. 또한, 시간적 및 공간적 KPFM 측정을 위한 오픈 소스 분석 코드를 제공함으로써, 자신들의 분석 접근 방식이 다른 페로브스카이트 시스템 및 패시베이션 화학 기술에도 널리 적용될 수 있음을 주장한다. 본 연구는 이러한 발견이 패시베이션된 페로브스카이트 태양전지의 개선된 성능 및 안정성 메커니즘을 설명하는 데 도움이 된다고 겸허히 결론짓는다.