연구 성과와 중점

칼슘 티타늄 태양 전지(PSC)효율은 크게 향상되었지만 회로 전압(VOC)여전히 이론의 한계보다 낮다.이는 에너지 수준 불일치 및 핵심 인터페이스 (특히SnO는₂/칼슘 티타늄 매장 인터페이스)의 비방사성 복합 손실.숨겨진 인터페이스의 결함이 주요 문제이며, 이 인터페이스를 정확하게 조절하는 것은 향상이다PSC는성능의 핵심.

이것은 국제 최고 간행물에 발표되었다.고급 재료 (Adv. Mater.)의 연구,홍콩이공대학의 리강 (강리) 교수 및관리우는교수진및홍콩 대학의진야오 진진야오 진진야오 진진야오 진진진야오 진진진야오 진진야오 진진야오 진진야오 진진진교수 및이명량부교수진공동 지도.대상VOC는손실 문제 는 혁신적 인 것 을 개발했다"인터페이스 조정 숨기기(Buried Interface Regulation, BIM)'전략, 특정한자가조립 양친성 포스핀산 에스테르 파생물(MeOBTBT-POET), 에서SnO는₂/칼슘 티타늄 매장 인터페이스 구축"칼슘 티타늄 결정 구동 템플릿". 이 템플릿은 고정을 통과합니다.-고상변화 과정은 스스로 조립하여 고도의 방향을 정하는 초분자 구조를 형성한다.

핵심 개념과 역할 메커니즘- 연구 초점MeOBTBT-POET는숨겨진 인터페이스에서 초분자 템플릿의 여러 가지 주요 역할:

•우수한 결정체의 성장을 유도하다.: 칼슘 티타늄 형성을 촉진하여 고도로 우수한 면외 방향의(100)트랜지스터, 캐리어 수직 전송에 유리하다.DFT는계산 표시 및(100)면 상호작용(-0.94 eV)。

•에너지 수준 정렬 및 캐리어 추출 최적화: 재료 짝극 모멘트(1.89 D)인터페이스 에너지 수준을 조절하여 전자 추출 베이스를0.24 eV하강-0.03 eV14의, 캐리어 이동을 가속화합니다.

•능동적 결함 둔화: 분자 구조가'적극적으로'둔화될 수 있다SnO215는및 칼슘 티타늄16인터페이스의 고유한 결함으로 비방사성 복합을 효율적으로 억제한다.

중점 연구 성과

•고효율 전력 변환 효율(PCE): 달성25.34%의 높이PCE는。

•극저 회로 전압 손실(VOC 적자)：최고 수준 달성VOC 1.23 V. 에 대해1.536 eV틈새가 있는 칼슘 티타늄,VOC는손실만0.306 V의, 이론적 한계에 도달한97.2%。

•고효율 비방사성 억제 복합:

○ 전기 발광 외양자 효율(EL-EQE)대폭 향상10.29%。

○광학 발광 양자 효율(PLQY)다음으로 올리기27.06%。

○준페르미급 분열(QFLS)손실은62 MeV대폭 감소34 MeV, 매우 낮음 확인VOC는손실은 주로 비방사성 복합의 제거에서 나온다.트랩 밀도가 크게 감소합니다.

•우수한 장기 운영 안정성: 까다로운 테스트 조건에서(ISOS-L-3: MPP, 65 °C, 50% RH)초과 달성1200시간의T92는수명.

그림 4e

연구팀

이것은 국제 최고 간행물에 발표되었다. 고급 재료의 연구, 그 통신 저자는홍콩이공대학의 리강（강리) 교수 및관리우는教授및 및홍콩 대학의진야오 진진야오 진진야오 진진야오 진진진야오 진진진야오 진진야오 진진야오 진진야오 진진진教授。

이 중요한 연구협력은 향항리공대학, 향항대학의 학술력량을 집결시켰으며 향항중문대학 심수분교 및 향항중문대학 등 여러 학술단위의 연구팀과 결부하여 공동으로 칼시움티타늄광태양전지의 성능향상의 관건적인 문제에 대해 깊이있고 생산적인 탐색을 진행했다.

연구 배경

•회로 전압(VOC)손실이 너무 크다: 효율성 향상에도 불구하고PSC는의VOC는여전히 이론의 한계에 뒤처져 있다.

•핵심 인터페이스의 비방사성 복합 손실: 이로 인해VOC는손실의 주요 원인 중 하나.특히SnO는₂/칼슘 티타늄 매장 인터페이스그 결함은 심각한 비방사성 복합을 일으킬 수 있다.

•인터페이스의 고유한 결함 숨기기：SnO는₂전자 전송층(ETL)서피스의 비배치Sn2+(Sn-OH)얕은 함정을 만들어 칼슘 티타늄과ETL은간의 전자 전송 효율.칼슘 티타늄 광산 자체의 결함 (예: 배위되지 않은Pb2+는) 역시 문제다.심층적인 결함은 더욱 비복사복합의 주요중심이다.

•인터페이스의 에너지 수준이 일치하지 않습니다.：SnO는₂칼슘과 티타늄 사이의 에너지 등급 배열은 전자 추출이 존재할 수 있다/전송 에너지 베이스는 캐리어의 효과적인 전송에 불리하다.

•기존 인터페이스 둔화의 한계: 인터페이스 코스메틱이 숨겨져 있지만 (예: 자체 조립 단일 분자 레이어 사용SAM은또는 분자교) 결함을 해결하고 인터페이스 접촉과 에너지 준위를 강화하는 협동 전략으로 간주되며 이미 일부 성과를 거두었지만 여전히 더 향상시킬 수 있는 공간이 많다VOC는。

•인터페이스 분자 배열 및 템플릿 역할 무시: 인터페이스 삽입층에 대한 이전의 연구는 이러한 분자층의 배열과 취향에 대한 관심이 적었고, 칼슘 티타늄 박막의 형성과 결정을 조정하는 템플릿으로서의 그들의 역할은 종종 무시되었다.

•인터페이스 결함은 안정성에 영향을 미침: 인터페이스의 복합 중심과 결함은 또한 열과 습기의 압력에서 칼슘 티타늄 광산의 분해를 가속화합니다.

그림 3d

솔루션

연구진은 혁신적인"숨겨진 인터페이스 조정(BIM)」전략의 핵심은 다음과 같습니다.

1.칼슘 티타늄 결정 구동 템플릿 구축: 에서SnO는₂전자 전송층(ETL)칼슘 티타늄 광층과의 매장 인터페이스는 특정한자가조립 양친성 포스핀산 에스테르 파생물(MeOBTBT-POET) 재료,투과고-고상변화 과정은 고도로 방향을 정하는 초분자 템플릿을 형성한다.

2.초분자 재료의 다기능 작용: 이것MeOBTBT-POET는분자는 인터페이스에서 여러 가지 중요한 역할을 합니다.

○우수한 결정체의 성장을 유도하다.: 템플릿은 칼슘 티타늄을 우선적으로 따라 구동할 수 있다(100)결정 방향 외평면 방향으로 자라다.왜냐하면MeOBTBT-POET는와(100)결정면은 상호작용을 가지고 열역학적 구동력을 제공한다.

○에너지 수준 정렬 최적화 및 캐리어 추출 촉진: 분자의 짝극 모멘트(1.89 D)제어 인터페이스 에너지 수준, 전자 추출 감소/전송된 에너지 베이스는 전자를 더욱 효과적으로 칼슘 티타늄 광산에서SnO는₂레이어

○능동적 결함 둔화: 기존의 수동식 둔화 방법과 달리MeOBTBT-POET는분자 구조상의 기능화 부분 (특히 포스핀산 에스테르 기단) 에너지'적극적으로'둔화SnO는₂서피스의 비배치Sn2+는결함 및 칼슘 티타늄 광층의 결함 (예: 배위되지 않은Pb2+는) 화학 상호작용이 발생하여 인터페이스의 비방사성 복합 손실을 효과적으로 억제한다.

그림 2c

실험 과정과 절차

1.특수분자의 제조: 연구팀은 먼저 특정한 화학합성경로를 통해 특수한 2친성포스핀산에스테르파생물분자를 제조하였는데 이름은MeOBTBT-POET는. 이 분자는 빳빳한BTBT는코어와 포스핀산 에스테르 기단이 있는 유연한 알킬 꼬리

2.밑바닥SnO는₂전자 전송층의 제조: 연구 사용FTO/유리를 기판으로 하다.청결 처리 후, 회전 도료 방식을 통해 한 층 퇴적한다SnO는₂용액뒤이어SnO는₂박막 은 환경 대기 하 에서 진행된다200 °C의 퇴화 처리.

3.MeOBTBT-POET는템플릿 레이어 구성: 열을 뺀 후SnO는₂ 기판을 장갑 상자로 옮긴다.제조된MeOBTBT-POET는분자는 클로로벤젠에 용해된다.(클로로벤 ( CB)용제 중.이런 분자는 후속 회선 도료 칼슘 티타늄에 사용된다DMF/DMSO는혼합 용매 중 용해도가 매우 낮아 후속 단계가 이미 형성된 것을 파괴하지 않도록 확보한다MeOBTBT-POET는레이어그런 다음MeOBTBT-POET는용액 을 돌려 바르다SnO는₂ 전자 전송층 표면.연구에 의하면 이런 분자는 인터페이스에서 통과할 수 있다자체 조립의 방식, 그리고 경유굳다-고상변화 과정, 형성고도로 질서정연한 초분자 템플릿실온에서도 약한 분자 간의 상호작용은 질서 있는 구조를 형성하는 데 유리하다.통과 가열 (예:60 °C) 는 이 상변 과정을 가속화할 수 있다.

4.칼슘 티타늄 광층의 퇴적과 템플릿 유도 결정: 특정 구성의 칼슘 티타늄 전구체 용액을 준비하고, 포함FAI는、MABr는、MACl、PbBr2는、PbI2는화CsI는, 용해DMF/DMSO는혼합용제 중.칼슘 티타늄 전구체 용액을 이미 수식된 것에 돌려 바르다MeOBTBT-POET는의SnO는₂기판 위.회전 도료 후 습도 조절 환경(20%-30% RH)다음 은 퇴화 처리 를 한다(100 °C)이 과정에서 이미 형성된MeOBTBT-POET는초분자 템플릿은"칼슘 티타늄 결정 구동 템플릿", 칼슘 티타늄 결정을 특정 방향으로 유도(높이 선택의 외부 평면 방향(100)결정방향)생장과 결정.연구에서도 관찰했듯이,MeOBTBT-POET는분자와SnO는₂표면 존재화학 상호작용, 및 배치되지 않은Sn2+는배위를 진행하다.

5.후속 기능층의 퇴적: 칼슘 티타늄 광층을 형성한 후 샘플을 케이스로 옮깁니다.순서에 따라 빈 구멍 전송층을 회전하여 바르다.(BABr)화스피로-OMeTAD), 그리고 열을 식힙니다.

6.금속 전극의 제조: 마지막으로, 열을 통해 증발하는 방식으로 한 층 퇴적한다80 nm두꺼운 금 전극, 배터리 부품 제조 완료.

그림 1b

연구 성과 표징

전기 발광 외량자 효율(EQEEL)준페미 에너지 계급과 갈라지다(QFLS)분석

연구팀 사용Enlitech LQ-100은광학 발광 양자 생산율 측정 시스템, 전기 발광 외부 양자 효율 기록(EL EQE)스펙트럼재에 따라 같음JSC는의 주입 전류 밀도의EQEEL은값 계산 비방사성 복합으로 인한VOC는결손.광학 발광 양자 생산율에 따라(PLQY)및 방사선 한계 회로 전압(VOC, 라드)칼슘 티타늄 반구조 샘플을 분석한QFLS는。VOC, 라드부품의EQE는스펙트럼은 세부 균형 모델을 통해 계산됩니다.

그림S27는：EQEEL은커브

그림4D：PLQY는값

그림4e：QFLS는값 및 ΔVOC, rad- QFLS)값.

최적화된BIM은부품표시EQEEL은대폭 향상(10.29%), 대조 부품보다 훨씬 높음(2.73%). 이는 비방사능 복합 손실을 나타냅니다.(ΔVOC, 번호 = 58.8 mV)대폭 감소, 및J-V는측정의VOC는차이가 일치하다.손질된 칼슘 티타늄 반구조는 더 높은PLQY(27.06% 대 9.09%)이는 고광택 전압을 구현하는 데 매우 중요합니다.QFLS는분석 디스플레이BIM은부품의 에너지 손실(VOC, rad-QFLS)크게 줄다(에서62meV의에34 MeV)。이러한 결과는 공통적으로 매우 낮음을 나타냅니다.VOC는손실은 주로SnO는₂칼슘 티타늄 매장식 인터페이스에서 비방사성 복합의 효과적인 제거。

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전류 밀도-전압(J-V)특성 곡선 및 외양자 효율(EQE)스펙트럼

연구팀 사용Enlitech는의SS-X AM1.5G는표준 태양광 시뮬레이터진행J-V는곡선량 측정 및QE-R는양자 효율 측정 시스템, 외부 양자 효율 측정(EQE)스펙트럼소스 테이블 측정 장치의J-V는커브정방향 및 역방향 스캔을 수행하여 지연 효과를 평가합니다.사용EQE는시스템 측정 장치는300-850 nm파장 범위 내의 스펙트럼 응답.

그림4A는：J-V는커브(전류 밀도vs전압)。

그림4B：EQE는스펙트럼(EQE는백분율vs파장)。

표 1：태양광 매개변수를 요약하는 테이블

경MeOBTBT-POET는수식의BIM은부품은 대조 부품보다 월등히 우수한 태양광 성능을 나타내며, 더 높은 것으로 나타난다PCE (25.34% 대 22.81%)、VOC (1.23V 대 1.197V)화FF (82.28% 대 75.99%)。JSC는와EQE는적분 결과가 일치하다.EQE는스펙트럼은 서로 다른 파장에서 부품의 응답 효율을 반영한다.최적화된BIM은부품은 가장 작은 것을 보여 주었다J-V는지체 효과.이러한 도표와 데이터는 숨겨진 인터페이스 수식을 통해 부품 변환 효율을 크게 향상시키고 감소시킨다는 것을 증명한다VOC는손실의 직접적인 증거.

X방사선 회전 분광기(XRD)/입사 광각X방사선 산란(GIWAXS)

모니터링MeOBTBT-POET는열퇴화 과정 중의 결정 구조의 변화, 분석MeOBTBT-POET는에서SnO는₂위의 결정 특성과 취향, 그리고 칼슘 티타늄 박막의 결정 취향을 분석한다.다양한 구조 표징 기술을 통해연구팀확인했어MeOBTBT-POET는에서SnO는₂/칼슘 티타늄 매장 인터페이스는 특정한 결정 구조를 형성하고 칼슘 티타늄 광산의 우선 취향 성장을 효과적으로 유도할 수 있다.(그림1B, 그림2a, 그림S17은）

X방사선 광전자 스펙트럼(XPS)

研究MeOBTBT-POET는와SnO는₂사이 및MeOBTBT-POET는칼슘 티타늄과의 화학적 환경과 상호작용으로 인터페이스의 둔화 효과를 검증한다.XPS는결과는 종합적으로 실증되었다MeOBTBT-POET는뿐만 아니라SnO는₂ 화학 작용이 발생하여 칼슘 티타늄 광층과 강하게 배합하고, 나아가유효 둔화SnO는₂ 의 산소 공위와 칼슘 티타늄의 미배위Pb2+는결함.(그림3a, b, c)

자외선 전자 스펙트럼(UPS)

전자 선택 인터페이스 평가(SnO는₂/칼슘티타늄)의 에너지 밴드 구조, 측정SnO는₂, 손질 후SnO는₂칼슘 티타늄 박막의 공함(작업 기능)및 에너지 수준 위치(가격대 와 같다EVBM,가이드 베이스ECBM)。MeOBTBT-POET는코스메틱은 내향적인 음수 짝극 모멘트를 통해SnO는₂ 의 공함이 위로 이동하고,인터페이스의 전자 추출과 전송을 크게 촉진시켰다.(그림3d, e)

시간 분별 광 발광（TRPL）

인터페이스 전하 이동 동력학을 연구하여 하중 유자의 수명을 측정하여 전하 추출 효율을 평가한다.생장MeOBTBT-POET는수식의SnO는₂ 의 칼슘 티타늄 박막 은 더 짧은 평균 캐리어 수명 을 나타낸다(183.9 ns 대 381.7 ns), 이것은전자는 칼슘 티타늄 광층에서SnO는₂ETL은추출 및 전송이 더욱 효율적입니다.(그림3f)

열전도 스펙트럼(TAS)및 펄스 전압 공간 제한 전류(PV-SCLC)

정량 추정 트랩 상태 밀도(Ntrap)에너지 수준에서의 분포와 인터페이스 수식이 결함 상태에 대한 억제 효과를 평가한다.여러 가지 표징 결과, 일치 확인 MeOBTBT-POET는코스메틱은 인터페이스의 트랩 밀도를 효과적으로 낮춥니다.(특히 심각한 에너지 부족)나아가 비방사성 복합을 강하게 억제했다.(그림4f )

장기 운영 안정성 테스트

인터페이스를 수식한 칼슘 티타늄 태양 전지가 가혹한 환경에서 장기적인 안정성을 시뮬레이션하는 것을 직접 검증한다.테스트 조건에서T92는수명 초과 1200 시간.(그림4g)

결론

연구팀은 초분자 조립 템플릿을 기반으로 한 매장식 인터페이스 조정 전략을 성공적으로 개발하고 응용하여SnO는₂ 전자 전송층(ETL)칼슘 티타늄 광층과 양친성 포스핀산 에스테르 파생물을 도입하다MeOBTBT-POET는, 칼슘 티타늄 태양 전지의 성능과 장기적인 안정성을 현저하게 향상시켰다.

1.MeOBTBT-POET는의 구조 진화와 템플릿 역할: 연구 결과MeOBTBT-POET는분자는SnO는₂표면 투과 고체-고상변은 초분자 조립을 실현하여 형성된다질서 정연하고 치밀한 근단결정 구조. 이 자체 조립 과정은 결정 템플릿으로성공적으로 칼슘 티타늄 결정 유도 면 외 방향 높이 우선적으로(100)취향 성장부품의 캐리어 수직 전송에 유용합니다.DFT는계산 확인MeOBTBT-POET는칼슘 티타늄(100)결정면의 상호작용은(100)우선 순위 성장은 추가적인 열역학적 구동력을 제공한다.

2.인터페이스 결함의 유효한 둔화:XPS는결과가 강력하게 증명되다MeOBTBT-POET는성공뿐만 아니라SnO는₂표면, 아직와SnO는₂칼슘 티타늄 광층과 강한 배위 작용이 있었습니다. 이러한 상호 작용은 효과적으로 둔화됩니다.SnO는₂중산소 공백(억제로 나타나다Sn-OH는봉)칼슘 티타늄의 미배위Pb2+는등 고유의 결함으로 인터페이스 결함의 밀도를 현저하게 감소시켰다.

3.대역 배열 최적화 및 캐리어 추출 촉진:MeOBTBT-POET는분자는 뚜렷한 짝극 모멘트를 가지고 있다.(1.89 D), 이 벡터의 음수 짝극 모멘트로 인해SnO는₂공문이 위로 이동하다.(에서4.16 eV다음으로 이동3.82 eV). 이 에너지 대역 오프셋은 칼슘 티타늄과SnO는₂ETL은사이의 전자 추출/전송 베이스(에서0.24 eV하강-0.03 eV)，인터페이스의 전자 전송 및 추출을 크게 촉진。

4.비방사성 복합 억제 및 캐리어 역학 개선:통과리드 시퀀스수식 후의 칼슘 티타늄 박막 캐리어 수명이 짧아지는 것을 관찰했다(183.9 ns 대 381.7 ns), 전자 추출 효율이 향상되었음을 나타냅니다.TPV는더 긴 전압 감쇠 시간을 표시하고,TPC는더 높은 비균형 캐리어 수집량과 더 짧은 전류 감쇠 시간을 표시하는데, 이는 모두 인터페이스에서 캐리어의 효과적인 이동과 더 적은 트랩 보조 복합을 가리킨다.EQEEL은대폭 향상된PLQY는대폭 향상,QFLS는분석에 의하면 에너지 손실이 현저하게 감소하였다.. 종합적 결함 표징(SCLC)、TAS는、모트-쇼트키)함정상태의 밀도, 특히 심층에너지급의 결함이 뚜렷이 줄어들고 내부건설전위가 증가되였음을 실증하였다.이들결과 일관성 입증MeOBTBT-POET는손질은 인터페이스의 비방사성 복합을 강하게 억제한다。

5.장치 성능 및 안정성 대폭 향상:상기 인터페이스 조정 효과 덕분에 사용MeOBTBT-POET는수식 매장식 인터페이스의PSC는최대 달성25.34%광전 변환 효율(PCE), 최대 회로 전압(VOC)도달1.23 V의，VOC는손실은0.306 V의, 이론적 한계에 근접한97.2%. 또한 이 전략은 가혹한 열과 습기의 결합 응력으로 부품의 장기적인 안정성을 크게 향상시켰습니다.(ISOS-L-3: MPP, 65)°C, 50% RH)，T92는수명 초과1200 시간.

문헌 참조: Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202418011

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