연구 배경과 난점

칼슘 티타늄 태양 전지는 빠르게 발전하고 있지만회로 전압은 여전히 이론에 현저하게 뒤떨어진다.Shockley-Queisser는극한효율성 향상을 제한하는 핵심 병목 현상이 되었습니다.전압 손실의 주요 원인은 다음과 같습니다.핵심 인터페이스의 에너지층 불일치와 과도한 비방사성 복합. 특히 전통적인 구조에서는SnO2는전자 전송 레이어 표면의 비배위Sn2+(Sn-OH)얕은 트랩 위치 생성, 전자 전송 효율을 심각하게 손상시킨다.이러한 인터페이스 결함은 부품의 성능을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 열과 습기 환경에서 칼슘 티타늄 광산의 분해를 가속화하여 장기적인 조작 안정성이 부족하다.

연구팀 및 주요 성과

이 획기적인 연구는홍콩이공대학의 리강 교수(강리) 、관리우는교수 및진야오 진진야오 진진야오 진진야오 진진진야오 진진진야오 진진야오 진진야오 진진야오 진진진教授공동으로 주도하여 홍콩과학기술대학 광저우 및마일스 HKU-SIRI의 학자가 합작하여 정기 간행물에 발표하다《고급 재료》，에서SnO2는칼슘 티타늄 매장 인터페이스는 자체 조립 양친성 포스핀산 에스테르 파생물 (MeOBTBT-POET는) 칼슘 티타늄 결정으로 구동되는 템플릿. 그들의 혁신적인 접근 방식은칼슘 티타늄 결정체의 생장을 정확하게 조절하였다.동시에 효과적으로인터페이스 결함 완화 및 에너지 준위 최적화, 근본적으로 해결되었다VOC는결손의 문제.

연구 중점 성과 요약

부품 성능 향상 및 초저전압 손실:연구팀은 칼슘 티타늄 태양 전지를 성공적으로(PSC)의회로 전압을1.23 V, 전압 손실은0.306 V，이론적 한계에 도달했어97.2%이것은 모든 칼슘 티타늄 시스템에서 매우 낮은 손실치입니다.부품이 실현되었다25.34%전력 변환 효율표준 태양광 시뮬레이터 테스트를 통해J-V는곡선은 뚜렷한 지체 효과가 없다.

장기적인 안정성:까다로운 테스트 조건 (65°C、50%상대 습도),PSC는의T92는수명 초과1200시간열과 습기 환경에서의 장기적인 조작 안정성을 현저하게 개선했다.

정확한 결정 방향 제어:MeOBTBT-POET는템플릿은 자체 조립을 통해 고정향 초분자 구조를 형성하고,칼슘 티타늄을 유도하여 고도로 선호하는(100)결정 방향。GIWAXS는테스트는 이러한 최적화 취향을 확인했습니다.DFT는계산 표시 템플릿 및(100)결정면 결합 에너지 최대-0.94 eV。

고효율 인터페이스 결함 둔화와 에너지 준위:MeOBTBT-POET는분자능동 둔화SnO2는산소 공위와 칼슘 티타늄의Pb2+는결함, 높은 짝극 모멘트(1.89 D)인터페이스 에너지 준위를 조정하여 전자 추출 에너지 베이스를0.24 eV하강-0.03 eV。XPS는그 결과 강력한 배위 상호작용이 확인되었고,PV-SCLC는측정은 트랩 상태 밀도를1.02×10^16하강0.66 × 10^16 cm^-3。

캐리어 역학 최적화:이 전략은 비방사성 복합을 현저하게 억제하여 초저전압 손실을 실현한다.주요 성과는 다음과 같습니다.

• 전기 발광 외량자 효율(선거)에서2.73%다음으로 올리기10.29%, 비복사 전압 손실은93.1 mV하강58.8 mV

• 광학 발광 양자 생산율(PLQY)에서9.09%다음으로 올리기27.06%

• 준페르미급 분열(QFLS)분석에 따르면 에너지 손실은62 MeV하강34 MeV

• TRPL측정은 전자 추출 효율이 향상되었음을 증명하고,TPV/TPC는측정 확인 캐리어 복합 감소, 전송 효율성 향상

실험 절차와 과정

그림 S1

1.핵심 인터페이스 조정 분자를 성공적으로 합성MeOBTBT-POET는

연구팀, 양친성 포스핀산 에스테르 유도체 합성 성공MeOBTBT-POET는이 분자는 강성 벤젠과 티오펜을 합친 것이다[3,2-b]벤조티오펜(BTBT)뼈대와 플렉시블 포스핀산 에스테르 알킬 테일로 구성되어 우수한 자체 조립 특성을 갖추고 있다.

2.검증MeOBTBT-POET는자체 조립 특성 및 안정성

용제 증발법으로 획득MeOBTBT-POET는단결정 및 결정학 데이터 분석.열중 분석(TGA)열 안정성 평가，차시 주사량 열법(DSC)실온 초분자 조립 특성 검증。제자리X방사선 연사(XRD)스펙트럼박막의 열퇴화 과정 중의 결정 구조의 변화를 모니터링하고, 이 분자가 실온에서 자발적으로 조립하여 고도의 질서 있는 2차원 단결정 형태 템플릿을 형성할 수 있음을 확인한다.

3.분자와 칼슘 티타늄 결정면의 상호작용 이론적 기초를 세우다

운용밀도 범함 이론(DFT)계산평가MeOBTBT-POET는와FAPbI3는칼슘 티타늄은 서로 다른 결정면에 있다((100)、(110)、(111))의 상호 작용, 그리고(100)결정면은 상호작용을 가지고 있다.. 통과DFT는정전기를 계산하다(ESP)분자 짝극 모멘트를 평가하여 인터페이스 코스메틱 잠재력을 입증합니다.

4.고성능 칼슘 티타늄 태양 전지를 제조하다.

기준n-i-p구조(FTO/SnO2/MeOBTBT-POET/칼슘티타늄/ 스피로 - OMeTAD / Au)제조 부품:

1. 기판 및SnO2 ETL은제조：자유로운 구현유리 청소 및 자외선-오존 처리 후 회전 도료SnO2는용액,200°C퇴화60분

2. MeOBTBT-POET는인터페이스 코스메틱: 장갑 상자에서 농도가 다른MeOBTBT-POET는클로로벤젠 용액은SnO2 ETL은상

3. 칼슘 티타늄 광층 퇴적: 제조Cs0.03(FA0.97MA0.03)0.97Pb(I0.97Br0.03)3전구체 용해액(틈새~1.53 eV), 회전 코팅 후제어 습도(20-30% RH)환경 내100°C퇴화60분

4. HTL은및 전극 제조: 순차적으로 회전 코팅BABr는및spiro-OMeTAD는용액,100°C퇴화10분, 마지막 열 증발 퇴적80 nm두껍다Au전극

그림 1a

표징 수법과 결과

준페르미급 분열(QFLS)광택 발광 양자 효율(PLQY)표징과 결과

PLQY는태양전지의 길을 여는 조건에서 행동의 지표이고,PL는더 높은 광전압을 구현하는 데 매우 중요합니다.QFLS는분석은 전하 복합과V_OC결손 메커니즘.측정SnO2는칼슘 티타늄 반 중첩 샘플의 광학 발광 강도는 공식에 따라QFLS = qV_OC, rad + k_BTln(PLQY)준페미터급 분열을 계산하다.경MeOBTBT-POET는수식의SnO2는칼슘 티타늄 반 중첩층 샘플PLQY는대폭 향상,9.09%다음으로 증가27.06%. 그에 상응하는 에너지 손실Δ(V_OC, rad - QFLS)에서62 MeV대폭 감소34 MeV。QFLS는분석 결과,초저V_OC손실은 주로SnO2는칼슘 티타늄 매장 인터페이스 비방사성 복합의 효과적인 제거。

그림4D유무가 나왔어요.MeOBTBT-POET는수식의SnO2는칼슘 티타늄 반 중첩 샘플의 광학 발광 양자 효율(PLQY는）。

그림4e대조 그룹 및BIM은그룹 구성 요소의 표준 미터 에너지 수준 분열 (QFLS는) 분석 결과입니다.

표S5는요약V_OC손실 분석.

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전류-전압 (J-V는) 커브

표준오전 1.5 G조명 아래, 사용EnliTech는의SS-X는태양광 시뮬레이터정방향 및 역방향 스윕을 위한 측정(1.25다음-0.2 V)지연 효과, 지연 시간 평가100 ms, 테스트 면적0.04 cm2。

매장 인터페이스를 통해 변성(BIM)의 칼슘 티타늄 태양 전지 성능이 크게 향상되었습니다.최대 전력 변환 효율25.34%, 회로 전압1.23 V, 단락 전류 밀도25.10 mA cm의^-2, 채우기 계수82.28%. 대조 그룹 장치PCE는위22.81%, 회로 전압1.197 V, 단락 전류 밀도25.08 mA cm의^-2, 채우기 계수75.99%。

밴드 갭의 경우1.536 eV의 칼슘 티타늄,전압 손실만0.306 V, 이론에 도달하다Shockley-Queisser는극한의97.2%。J-V는측정 디스플레이뚜렷한 지체 효과 가 없다。

그림4A는：최상의 성능을 제공하는 대조 그룹 (제어) 및 인바운드 인터페이스 변경사항 (BIM은) 어셈블리의J-V는커브

표1 광볼트의 특성을 총결하였다.

외부 양자 효율 (EQE는) 스펙트럼

사용Enlitech QE-R는시스템서로 다른 파장 아래에 있는 측정 부품의 광자-전자 변환 효율, 채택210Hz참파 단색광, 파장 범위300-850 nm. 단락 전류 밀도는 농도에 따라 일정하게 유지됩니다.25.1 mA cm의^-2, 및EQE는스펙트럼 적분 값 고도 일치(오차<1%). 통과EQE는스펙트럼 1차 미분 계산FA는기 칼슘 티타늄 광석의 광볼트 밴드 갭(E_gPV)대략1.536 eV。

그림4B대조 그룹 및BIM은그룹 어셈블리의EQE는스펙트럼

그림S26는한층 더 보여 주었다EQE는스펙트럼의 첫 번째 미분으로 태양광 대역의 틈을 확정하는 데 쓰인다.

전기 발광 외부 양자 효율EQEEL은

양화 칼슘 티타늄 태양 전지는 정방향 편치 하에서LED는분석 시 비방사성 복합 손실V_OC결손 메커니즘.사용EnliTech LQ-100은광학 발광 양자 효율 측정 시스템측정을 진행하다.BIM은구성 요소25.1 mA cm의^-2주입 전류 하의EQE_EL은대폭 향상10.29%, 훨씬 높음대조 그룹의2.73%. 대응비방사성 복합 손실은93.1 mV대폭 감소58.8 mV, 및J-V는테스트 중V_OC일관성 있는 결과 향상, 정책 입증효과적으로 억제했다SnO2는칼슘 티타늄 매장 인터페이스의 비방사성 복합초저성능 구현V_OC손실의 핵심 메커니즘.

그림S27는표시EQE_EL은전류 밀도를 주입하는 함수로 대조 그룹 및BIM은그룹 구성 요소。

장기 운영 안정성 테스트 (ISOS-L-3는）

열 응력과 습도 응력에서 칼슘 티타늄 태양 전지의 장기적인 작동 안정성을 평가하고 부품의 상업적 타당성을 측정합니다.경BIM은처리된 부품은65°C조작1228시간 후에도 초기 상태 유지PCE는의92%이상, 대조 그룹보다 월등히 우수합니다.이 강화된 안정성은 얕은 결함의 효과적인 제거와 내습성 때문이다.

그림4G에 표시ISOS-L-3는조건에서 그룹 및BIM은그룹 구성 요소의 장기 작동 안정성 테스트 결과입니다.

기타 표징

•X방사선 광전자 스펙트럼 (XPS는）：研究SnO는₂전자 전송 계층 (ETL은)와 칼슘 티타늄 사이에 인터페이스를 묻는 화학 환경과 상호 작용.확인SnO는₂중산소 공위와 칼슘 티타늄 중 미배위Pb는²⁺결함의 자발적 둔화 효과.(그림3A는、b、c）

•자외선 전자 스펙트럼 (UPS는）：전자 선택 인터페이스의 에너지 밴드 구조를 평가합니다.경MeOBTBT-POET는손질 후,SnO는₂의 함수4.16 eV위로 이동3.82 eV, 전자 추출 에너지 베이스0.24 eV하강-0.03 eV。(그림3d、e）

•시간 분별 광 발광 (TRPL）：인터페이스 전하 이동 동력학과 전하 분리 추출 효율을 연구하다.수식 후 칼슘 티타늄 캐리어 수명은381.7 ns다음으로 단축183.9 ns, 전자 추출 효율 향상 확인.(그림3F）

•입사 광각X방사선 산란 (GIWAXS는）：칼슘 티타늄 박막의 결정 취향을 분석하다.손질 후 칼슘 티타늄(100)결정면이 면외 방향을 따라 고도로 집중되어 우수한 취향의 성장을 실현한다(그림2B、c）

•밀도 범함 이론 (DFT는) 계산:분자와 칼슘 티타늄의 서로 다른 결정면의 상호작용 강도를 추정한다.MeOBTBT-POET는와(100)결정면 결합(-0.94 eV), 분자 짝극 모멘트는1.89 D。(그림2D、e）

•X방사선 회절(XRD는) 스펙트럼:분자 박막 결정 구조의 변화와 칼슘 티타늄 광물의 취향을 모니터링하다.제자리XRD는실증고-고상변화 과정, 수식 후(100)/(111)피크 강도 비종5.87증가8.65。(그림1B）

•스캔 전자 현미경 (SEM은）：칼슘 티타늄 박막 형태학적 특징을 관찰하다.수식 후 칼슘 티타늄 광역의 크기가 비교적 큰데, 소수 표면이 결정 과정을 지연시키기 때문이다.(그림S18은）

•광강도-회로 전압 관계식:부품의 이상적인 계수와 복합 메커니즘을 확정하다.BIM은장치 이상 계수 감소1.12(대조 그룹1.38), 전하 복합 행위는 이상적인 상태에 더 가깝다.(그림S29는）

•순식간 광전압/광전류 (TPV/TPC는）：캐리어 복합과 전이 동력학을 밝히다.TPV는감쇠 시간61.87 μs의최대133.34 μs，TPC는감쇠 시간0.86 μs다음으로 단축0.73 μs。(그림S30은）

•펄스 전압-공간 전하 제한 전류(PV-SCLC는）：칼슘 티타늄 중 전자 함정의 밀도를 추정하다.트랩 상태 밀도1.02×10¹⁶ cm의^-3하강0.66×10¹⁶cm의^-3, 함정 상태를 현저하게 감소시킨다.(그림S31은）

•모트-쇼트키 분석 및 열전도 스펙트럼 (TAS는）：함정 상태의 에너지 수준 분포와 내장 전압을 정량적으로 추정합니다.내장 전압1.06 V다음으로 올리기1.10 V, 딥 에너지 레벨 트랩 상태 밀도를 한 단계 낮춥니다.(그림4F、S32는）

결론

이 연구는 성공적으로 개발되었다.인터페이스 조정 정책 숨기기, 자체 조립 사용양성 인산 에스테르 파생물MeOBTBT-POET는에서SnO는₂/칼슘 티타늄 인터페이스는 결정 구동 템플릿을 구축하여 칼슘 티타늄 태양 전지 성능을 현저하게 향상시킨다.

•장치 성능:연구팀 실현25.34%전력 변환 효율성 및1.23 V회로 전압, 에 대해1.536 eV대극 칼슘 티타늄, 전압 손실만0.306 V，이론적 한계에 도달하다.97.2%。

•정확한 결정 조정 및 캐리어 최적화:고정방향 초분자 템플릿칼슘 티타늄 형성 유도 우선(100)면외 취향수직 전하 전송을 촉진합니다.MeOBTBT-POET는의1.89 D짝극 모멘트 조정 인터페이스 에너지 수준 조준,전자 추출 에너지 베이스0.24 eV하강-0.03 eV, 캐리어 수명381.7 ns다음으로 단축183.9 ns。

•고효율 인터페이스 결함 둔화: 정책능동 둔화SnO는₂산소공위와 칼슘티타늄Pb는²⁺결함, 비방사성 복합을 현저하게 억제한다.전기 발광 외량자 효율은2.73%다음으로 올리기10.29%, 광학 발광 양자 효율은9.09%증가27.06%, 트랩 상태 밀도는1.02×10¹⁶하강0.66×10¹⁶cm의^-3。

•우수한 장기 안정성:재열압(65°C)습기(50% RH)조건하, 부품T₉₂수명 초과1200시간, 효과적인 결함 제거와 우수한 내습성 때문이다.

문헌 참조: Advanced Materials_DOI: 10.1002/adma.202418011

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