연구 배경

칼슘 티타늄 중첩 태양 전지는 효율 향상 과정에서"매장 인터페이스"의 품질은 이미 관건적인 기술 제약 요소가 되었다.본 연구는 칼슘 티타늄 광자 전지 매장 인터페이스의 기술적 병목 현상을 깊이 연구하고 중첩 전지의 광전 전환 효율과 장기적인 안정성에 영향을 주는 핵심 문제를 해결하는 데 주력한다.

•구조적 결함과 화학반응: 칼슘 티타늄 광자 전지의 매장 인터페이스에 유해한 구조적 결함과 화학 반응이 존재하는데, 이러한 결함은 현저한 비방사 전하 하중 유자 복합과 유해한 화학 반응을 초래할 수 있다.

• PEDOT: PSS레이어가 가져오는 과제: 현재 널리 사용되고 있는 빈 공간 전송 레이어(HTL) PEDOT: PSS, 그 산성과 흡습성은 불리한 산화반응을 유발하여 칼슘티타늄광재료 및 그 부품의 고온과 빛에 의한 조작안정성을 엄중하게 악화시킨다.

•나노 공간 및 결정 결함:때문에PEDOT: PSS층에 존재할 수 있는 공간 이질성과 주석 납 칼슘 티타늄 광산의 빠른 성장으로 인해 매장 인터페이스에 고밀도 형태의 나노 빈틈, 결정 결함, 불리한 응변과 비교적 나쁜 결정도가 발생한다.특히 매끄러운 기판에서는 육안으로 볼 수 있는'흰 반점'이 쉽게 형성된다.

•숨겨진 인터페이스의 연구 과제:최상층 인터페이스에 비해 칼슘 티타늄 광층의 매장 인터페이스는 부품에서 상대적으로 접근하기 어렵고 연구가 적다.

연구팀 및 연구 중점

이 연구는화중과학기술대학 무한광전국가연구센터의 진위와 류종호 및 영국 옥스퍼드대학헨리 J. 스나이스교수 지도자,상단에 게시하다.자연 통신》。주로 설계를 통해메타포름 기능화 개공 이산화규소층 (MSN-SH는）칼슘 티타늄 박막 매장 인터페이스의초구조, 직렬 태양광 부품 중성자 배터리 매장 인터페이스에 존재하는 유해 구조 결함과 화학 반응 문제를 해결한다.이 방법은 칼슘 티타늄을 조절하는결정 과정, 나노 구멍 제거, 둔화 결함주석 납 칼슘 티타늄 박막 중 Sn(II)의 산화따라서 캐리어의 손실을 현저하게 줄이고 부품의 안정성을 높인다.

핵심 연구 성과

그림4c

1. 인터페이스 최적화 기술 혁신MSN-SH는층은 다중 메커니즘을 통해 인터페이스 개선을 실현한다: 칼슘 티타늄 전구체의 윤습성을 현저하게 향상시키고, 나노 빈틈과 성막 결함을 효과적으로 제거한다;박막 잔여 응변 대폭 방출 (부터72.2의 MPa하강4.6의 MPa) 및 결정도를 증가시킵니다.유황 알코올 기단을 이용하여 결함을 둔화시키고 억제하다Sn(II)산화 및 이온 이동 에너지 장벽0.29 eV다음으로 올리기0.58 eV; 동시에 인터페이스 접착 강도를0.26의 MPa향상된0.67의 MPa。

2. 효율성 및 성능 향상 좁은 대역 틈 주석 납 칼슘 티타늄 단결 전지 달성23.7%최적 효율 (평균23.1%), 회로 전압0.89 V의; 전체 칼슘 티타늄 레이어 배터리 구현29.6%최고의 효율성,인증 효율성29.5%, 안정적 효율성28.7%，단일 슬라이스 및 듀얼 엔드 계층형 배터리 성능 최고；11.3 cm2의최대 효율의 계층형 미니 모듈24.7%, 뛰어난 확대 잠재력을 보여줍니다.

3. 안정성 대폭 향상NBG는단결 전지는85°C암질소 환경 노화164시간 후 유지85%초기 효율성패키징 중첩 배터리는1햇빛이 비치다MPPT는테스트445시간 후 유지90%효율성중첩 부품은85°C노화150시간 후에도 유지82%初始性能。

4. 기술 적합성 검증MSN-SH는처리 전략은 납기 광대역 틈 칼슘 티타늄에도 적용되며,1.77 eV최대 배터리 효율20.6%또한 할로겐화물인 칼슘티타늄을 혼합한 광유도 할로겐화물 편석 현상을 효과적으로 억제한다.

실험 절차와 과정

그림1a

본 연구의 핵심 전략은 칼슘 티타늄 매장 인터페이스에 메타포름 기능화 개공 이산화규소층(MSN-SH는) 인터페이스 개질층으로서 시스템 구성 요소 제조와 성능 비교를 통해 그 효과를 검증한다.

단일 배터리 백업 프로세스: 표준 공정 포함ITO/유리 기판 세척, 빈 구멍 전송층 (PEDOT: PSS또는Me-4PACz는) 코팅,관건적MSN-SH는분산액 회전 도료와 퇴화 처리, 연속 칼슘 티타늄 전구체 용액 퇴적 및 열 퇴화, 표면 둔화층 (EDAI2는또는PDAI2는) 처리, 마지막 핫스팀 전자 전송층 (C60은、BCP는)과 은전극.

배터리 스택: 계층형 구축 전략을 채택하여, 먼저 광대역 갭 배터리 제조를 완료한 다음, 원자층 퇴적 기술을 통해 구축한다SnOx / Au재조합 접면, 마지막에 순서에 따라 좁은 대역 틈새 전지의 각 기능층을 퇴적하여 완전한 양단 중첩 구조를 형성한다.

모듈식 검증: 대면적의 기판에 레이저 그리기 공정을 진행하여 여러 개의 직렬 하위 배터리 단위를 형성하고 상호 연결과 패키지를 완료하여 기술의 산업화 잠재력을 검증한다.

비교 검증 방법: 시스템 비교 도입 및 미도입MSN-SH는레이어의 구성 요소는 광전 변환 효율, 안정성 및 인터페이스 특성의 차이를 계량화하여 품질 개선 효과를 평가합니다.

표징 방법과 결과

준페르미급 분열(QFLS)광학 발광 양자 효율(PLQY)

칼슘 티타늄 박막 회로 전압 잠재력과 비방사성 복합 손실 정도를 평가한다.PLQY는결과 계산QFLS는값.

MSN-SH는효과적인 프로세싱 감소PEDOT: PSS층계면 손실과 박막 광전 성질 대폭 개선.PEDOT: PSS/MSN-SH/칼슘 티타늄 창고의PLQY는대조 그룹의0.885%대폭 향상5.586%, 대응QFLS는값 시작0.856 eV다음으로 증가0.903 eV, 우수한 전압 잠재력 향상 효과를 보여줍니다.

그림 3f실제 전압과 이론적 전압 잠재력을 비교하여 계량화하였다MSN-SH는인터페이스 개량 칼슘 티타늄 태양 전지 회로 전압 상승 효과

그림 30a, 30b각기 다른 스택 구조의PLQY는와QFLS는데이터 비교.MSN-SH는샘플은 두 가지 지표에서 모두 대조 그룹과MSN은샘플은 비방사성 복합을 억제하고 회로 전압 잠재력을 높이는 데 현저한 효과를 입증했다.

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전류-전압(J-V)특성 및 광전 변환 효율 테스트

부품의 기본 전기학 성능, 광전 전환 효율과 지체 현상을 평가한다.

MSN-SH는다양한 유형의 배터리에서 처리 성능이 크게 향상되었습니다.

좁은 대역 틈(NBG)주석 납 칼슘 티타늄 단결 전지:，MSN-SH는코스메틱 평균PCE는달23.10%, 비교 그룹의19.64%대폭 향상하다.최적 부품 구현23.74%PCE (VOC 0.887 V, JSC 32.77 mA cm)^-이,FF 81.67%)그리고 지체 현상은 거의 무시할 수 있다.

광대역 갭(WBG)칼슘 티타늄 단결 전지:좋은 보편성을 보여주고,1.77 eV부품PCE는최대20.60%(VOC 1.330 V, JSC 18.29 mA cm)^-이,FF 84.69%), 타사 인증 효율성은20.27%。

전체 칼슘 티타늄 레이어 부품:듀얼 배터리 동기화 최적화, 평균PCE는달29.16%, 최적 부품 구현29.63%PCE (VOC 2.176 V, JSC 16.33 mA cm)^-2, FF 83.38%)경.시미트타사 인증PCE는위29.50%, 안정적 효율성28.7%。

그림 3c, 그림 4c및그림 37단결과 중첩 부품을 각각 전시하는J-V는특성은 모두 매우 낮은 지체와 우수한 광전 성능을 나타낸다.

외부 양자 효율(EQE)테스트

다양한 파장에서 부품의 광전 변환 효율을 평가하고 통합 단락 전류 밀도를 계산합니다.사용Enlitech QE-R는양자 효율 측정 시스템환경 공기 중 테스트, 계층 구성 요소 측정 시850 nm와460nm고휘도LED는대WBG는와NBG는자전지가 편압되다.

MSN-SH는처리는 부품의 양자 효율 표현을 효과적으로 향상시킨다.NBG는주석 납 칼슘 티타늄 단결 전지의EQE는스펙트럼은 전체 파장 범위에서 개선되었으며, 특히 장파장 영역 응답 향상, 통합JSC는대조 그룹의31.42 mA cm^-2다음으로 올리기32.35 mA cm의^-2。

전체 칼슘 티타늄 레이어 부품은 좋은 스펙트럼 매칭 특성을 보여주며,WBG는하위 배터리 통합JSC는위16.26 mA cm의^-2，NBG는하위 배터리16.02 mA cm의^-2, 양자의 전류 밀도가 고도로 일치하고 스펙트럼 응답 구간이 상호 보완되어 고효율 계층 구조를 실현하기 위한 기초를 다진다.

그림 3d와그림 4d단결과 중첩 부품을 각각 전시하는EQE는스펙트럼 비교, 명확한 표현MSN-SH는처리는 광 수집과 전하 추출 효율을 높이는 데 뚜렷한 효과가 있다.

전기 발광 외부 양자 효율(EQEEL)

부품의 비방사성 복합 손실 정도를 계량화하고,VOC는성능과 밀접한 관련이 있습니다.사용Enlitech ELCT-3010(REPS)시스템측정을 진행하여 주입전류밀도는 태양광선에 가까운 단락전류밀도를 설정한다.

MSN-SH는장치 쌍 처리EQEEL은뚜렷한 개선 효과가 나타나다.접근 중JSC는의 전류 주입 조건 하에서 부품EQEEL은값은 대조 그룹의0.20%대폭 향상2.61%, 증가 폭13배. 이 향상은 직접적으로 입증MSN-SH는부품 내의 비방사성 복합 과정을 효과적으로 억제하다.

대응하는 비방사성 복합 손실은 약 감소한다70 mV의, 및 부품VOC는실제 개선 폭은 고도로 일치하여 검증되었다EQEEL은테스트 결과의 신뢰성 및MSN-SH는인터페이스 품질 변경 정책의 유효성.

그림 3e대조 그룹 및MSN-SH는부품의EQEEL-전류 밀도 관계 비교,MSN-SH는부품은 전체 전류 범위 내에서 모두 뚜렷한 우세를 보이고 특히 저전류 밀도 구역에서의 표현이 더욱 두드러진다.

회로 전압(VOC)손실 분석

상세한 균형 이론에 기초하여 계량화하다.VOC는비이상적인 구성 요소 포함 손실EQE는손실, 차대극 복사 복합 손실과 비복사 복합 손실, 정밀 위치 부품 전압이 이론적 한계에서 벗어나는 원인.분석은 실측적VOC는、EQEEL은등의 주요 매개변수를 계산 입력으로 사용합니다.

MSN-SH는처리가 부품 총수를 현저하게 낮추다VOC는손실.그 중 가장 중요한 개선은 비방사성 복합 손실의 대폭적인 감소에서 비롯된다. 대조군의160 mV하강MSN-SH는견본의94 mV, 감폭 달성41%. 이 결과는 부품의 실제VOC는고도의 일치성을 높이고, 확인MSN-SH는비방사성 복합을 억제하는 데 중요한 역할.

그림 29a상세 비교 대조 그룹 및MSN-SH NBG는배터리 구성 요소VOC는손실된 구성 요소, 명확하게 표시MSN-SH는부품의 비방사성 복합 손실 감소 방면의 현저한 우세.

순식간 광전류(TPC)순식간 광전압(TPV)

부품 내 전하 하중 유자 추출과 복합 동력학을 탐구하고 인터페이스 수식이 전하 전송 경로에 미치는 영향을 평가한다.

MSN-SH는처리 동기화 개선 전하 추출 및 억제 복합 과정.부품 전류 감쇠 수명 대조 그룹의3.86 µs다음으로 단축2.37 µs, 전하 하중 유자 추출 속도가 빨라졌음을 증명한다;전압 감쇠 수명149 µs최대626 µs, 전하 복합이 효과적으로 억제된다는 것을 반영한다.

그림 26a, 26b각각 전시하다TPC는와TPV는감쇠 커브 비교,MSN-SH는부품은TPC는테스트 중 감쇠 속도가 빨라지고,TPV는테스트에서 감쇠가 더욱 느려지고 매장인터페이스 수식이 전하 추출을 촉진하고 인터페이스 복합을 억제하는 방면의 이중 효과를 명확히 검증한다.

운영 안정성(MPPT)테스트

연속 조명 최대 출력 점에서 부품의 장기 작동 안정성을 평가합니다.

MSN-SH는처리는 부품의 장기적인 안정성을 현저하게 향상시킨다.패키지되지 않음NBG는단일 배터리 연속 작동450시간후 유지93%대조 그룹보다 훨씬 우수한 초기 효율성370시간 후의68%. 전체 칼슘 티타늄 레이어 부품은430시간연속 작업 후유지90%이상 효율, 대조군 대폭 추월325시간 후의75%표현.

그림 3h, 그림 4f단결과 중첩 부품을 각각 전시하는MPPT는안정성 곡선,MSN-SH는부품은 두 가지 구성 하에서 모두 장기적인 조작 안정성을 보여 실제 응용에서의 우수한 잠재력을 실증한다.

기타 표징

분산액 저장 안정성 테스트 나노입자분산액의 저장과정에서의 안정성을 평가하여 부품제조의 가공창구에 영향을 준다.MSN-SH는분산액은48시간 후 침강 현상 없이 대폭 우월하다Al2O3는의1시간 침전。（그림 8）

나노 입자 특성 표징 포괄적 분석MSN은와MSN-SH는의 실제 크기, 구멍 구조 및 기능화 성공성.MSN-SH는입경 감소100nm，FTIR와라만은스펙트럼은2569와2563cm의^-1메타포름 접지 성공 확인。（그림 10a）

윤습성 및 성핵 테스트 研究MSN-SH는칼슘 티타늄 전구체 용액의 윤습 행위에 대한 영향.접촉각종22.6°하강12.7°, 윤습성을 현저하게 개선하고 이질성핵을 촉진한다。（그림 11）

박막 형태SEM은칼슘 티타늄 광박막의 표면과 매장 인터페이스의 형상을 관찰하여 나노홀의 존재를 판단한다.MSN-SH는기박막은 치밀한 결정구역을 나타내고 나노구멍이 없어 대조조조의 돔형 구멍과 대비된다。（그림 1c）

결정도GIWAXS는분석 칼슘 티타늄 박막의 매장 인터페이스 부근의 결정도를 평가하다.MSN-SH는기박막은 각 입사각에서 모두 더욱 강한 연사강도를 보이고있으며 결정도가 더욱 높고 비정상정도가 더욱 낮다。（그림 1d）

잔여 응변GIXRD는테스트 칼슘 티타늄 박막의 잔여 응력 상태를 평가하다.MSN-SH는밀어내기 응력을 에서 효과적으로72.2의 MPa하강4.6의 MPa, 박막 응변 대폭 방출。（그림 1h）

기계적 강도 테스트 검증MSN-SH는매장 인터페이스 기계의 내구성 강화 효과.임계 스트레칭 강도0.26의 MPa다음으로 올리기0.67의 MPa단열보다25증가83 kJ 미터^-3。（그림 1g）

인터페이스 안정성 종합 분석 통과DFT는계산, 온도 의존 전도도,UV 비스및XPS는안정성 메커니즘을 깊이 탐구하다.이온 이동 활성화 에너지0.29 eV다음으로 올리기0.58 eV，Sn (IV)함량이 현저하게 감소하여, 분해를 효과적으로 억제한다.。（그림 2b）

할로겐화물 편석 시간 의존PL는테스트 혼합 할로겐화물인 칼슘 티타늄이 장시간 빛에 비친 상편석 현상을 평가하다.MSN-SH는수식 필름은 노출 기간에PL는모양이 양호하여 할로겐화물의 편석을 효과적으로 억제하다。（그림 38c）

결론

이 연구는 성공적으로 개발되었다.메타포름 기능화 개공 이산화규소층 (MSN-SH는）칼슘 티타늄 광전지 매장 인터페이스의 초구조 개질층으로서 칼슘 티타늄 광중첩 태양전지의 효율과 안정성을 현저하게 향상시킨다.

핵심 기술 혁신:

인터페이스 품질 최적화측면,MSN-SH는칼슘 티타늄 결정 과정을 효과적으로 조절하고 나노 틈새를 제거하며 결함을 둔화시키는 동시에 억제한다Sn(II)산화, 캐리어 손실 대폭 감소.기계적 강도0.26의 MPa다음으로 올리기0.67의 MPa, 남은 스트레칭 응력72.2의 MPa하강4.6의 MPa, 이온 이동 활성화 에너지0.29 eV최대0.58 eV。

부품 성능 표현방면 은 주석 납 칼슘 티타늄 단결 전지 효율 이 높다23.7%, 전체 칼슘 티타늄 레이어 배터리 구현29.6%효율성 (인증29.5%, 안정 상태28.7%), 단일 슬라이스 및 듀얼 엔드 계층형 배터리 성능 최상위11.3 cm2의최대 효율의 계층형 미니 모듈24.7%우수한 산업화 잠재력을 보여주다.

장기적 안정성측면, 패키징 중첩 배터리는1햇빛이 비치다MPPT는테스트445시간후유지90%이상의 초기 효율성은85°C열노화150시간이후에도 유지82%성능, 대조 그룹 표현보다 훨씬 뛰어나다.

기술 보편성인증 획득,MSN-SH는또한 납 기반 광대역 갭 칼슘 티타늄 광산에도 적용되며,1.77 eV최대 배터리 효율20.6%혼합 할로겐화물 편석 현상을 효과적으로 억제한다.

문헌 참조: nature communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59891-z

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