어려움과 도전을 연구하다

넓은 에너지 갭(WBG)자전지 중 공혈 전송층인 산화니켈(NiOx)및 자체 조립 단일 분자층(SAM)간의 인터페이스 접촉 문제는 부품의 효율과 안정성을 심각하게 제한한다.

기존 기술의 주요 과제는 다음과 같습니다.

•NiOx는부식 문제:전통적으로 널리 사용되는SAM은예를 들어, 인산 함유(PA)앵커 기단인SAM (PA-SAM), 그산성이 비교적 강하다., 쉽게 부식 화학 반응성의NiOx는레이어, 손상NiOx는레이어의 무결성과 기능은 부품의 안정성을 약화시킵니다.

•SAM은분자 집합과 인터페이스 문제： 전통SAM은분자가 있다NiOx는표면은 발생하기 쉽다집결 현상, 고르지 않은 성막은인터페이스 손실，캐리어 전송 효율에 영향그리고 현저한회로 전압(VOC)손실.

연구 팀과 성과

고효율 전체 칼슘 티타늄 레이어 태양 전지에 관한 이 획기적인 연구는중국과학원 닝보 재료기술과 공정연구소 갈자의와 류창팀 리더, 국제 최고 과학 저널에 발표자연 커뮤니케이션。

연구팀은 산성이 약한붕산 기능화SAM은, 뿐만 아니라효과적으로 억제했어요. 맞아요.NiOx는의 부식또한 더욱 균일하고 결합력이 더욱 강한 인터페이스층을 형성하여 전체 칼슘 티타늄 레이어 태양전지의 효율을 현저하게 향상시켰으며 부품의 장기적인 운행 안정성을 대폭 강화하였다.

그림S6는: 해결된 원시 문제 (부식)

연구의 핵심 성과는 다음과 같습니다.

•해결하다NiOx는부식 문제:개발 성공산성이 약한 자체 조립 단분자층(SAM), 산화 니켈의 현저한 감소(NiOx)빈 구멍 전송층의 부식으로 인터페이스 안정성이 향상되었습니다.

•개선SAM은성막 품질:신형SAM은더욱 강한 인터페이스 결합력과 더욱 균일한 성막 특성을 보여주어 전통을 효과적으로 극복한다SAM은분자가 쉽게 모이고 고르지 못한 문제를 덮어쓰며인터페이스 손실 감소。

•칼슘 티타늄 박막 품질 최적화:개량된 인터페이스는 칼슘 티타늄 결정체의 균일한 성장을 촉진하고 결함을 줄이며 빛으로 인한 상분리를 효과적으로 억제하여 박막의 질과 안정성을 향상시킨다.

•장치 효율성 대폭 향상:단결 너비 에너지 갭(WBG)하위 배터리 효율은18.9%다음으로 올리기20.1%; 전체 칼슘 티타늄 레이어 태양 전지(TSC)효율성 향상28.5%。

•운영 안정성 대폭 향상:연구 성과는 부품의 안정성을 대폭 향상시켰고, 전체 칼슘 티타늄 레이어 전지는 연속적으로 빛을 비추고 있다 500 시간 후에도 초기 효율성 유지90%。

실험 절차와 과정

제조 인터페이스 재료 및 필름: 연구팀, 여러가지 자체조립 단분자층 제조(SAM)재료, 그리고ITO는전도성 유리에 순서대로 퇴적하다.NiOx는레이어 및SAM은, 형성이거/NiOx/Sams박막 구조.전통을 동시에 제조하다.SAM은재료(예Me-4PACz)대조군으로 삼다.일부 샘플은 제조 후 에탄올 코팅으로 세척하여 잔류 분자를 제거한다.

단결 광극 태양전지 제작: 을 (를) 위한ITO/NiOx/SAM의박막은 공혈 전송층으로서 넓은 에너지 틈의 칼슘 티타늄 박막을 회전 도포하여 다시 순서에 따라 전자 전송층을 침적한다C60、ALD SnO2)은 전극과 함께 단결 와이드 셀 제작 완료.

전체 칼슘 티타늄 레이어 태양 전지 만들기: 넓은 에너지 틈새 전지와 좁은 에너지 틈새 칼슘 티타늄 광자 전지를 통합하여 양단 전체 칼슘 티타늄 중첩 태양 전지를 구축한다.전체 구조:ITO/NiOx/SAM/광에너지 틈 칼슘 티타늄/ C60 / SnO2 / Au / PEDOT: PSS /좁은 에너지 틈 칼슘 티타늄/ C60 / BCP / Ag。

배터리 성능 평가: 표준 테스트 조건(1 태양, 100 mW/cm2)아래, 단일 및 중첩 배터리의 전류를 측정합니다.-전압 특성, 광전 전환 효율, 회로 전압, 단락 전류 밀도 및 충전 인자 등 핵심 매개변수를 평가한다.안정된 출력 추적과 외부 양자 효율 측정을 동시에 진행한다.

안정성 테스트 수행: 패키징된 중첩 배터리의 최대 출력점 연속 조명 추적 테스트, 지속500장기적인 작동 안정성을 평가하는 데 소요되는 시간별도로 진행하다85℃고온 조명 노화 테스트, 배터리의 열 안정성 검증.

표징 수법과 결과

준페르미 에너지 계단 분열(QFLS)

재료가 빛에 비친 최대 이론적 회로 전압을 측정하다(iVOC)의 지표는 비방사성 복합 손실의 정도를 직접 반영한다.연구에 따르면 순수한 칼슘 티타늄 박막과의QFLS는전통을 접하는 것에 비해Me-4PACz는인터페이스의 칼슘 티타늄QFLS는대폭 감소1.296 eV, 표시심각한 인터페이스 복합신형을 사용하다S-BA-SAM의처리 후,QFLS는부터1.326 eV최소1.322 eV, 순수 박막 값에 가깝습니다.그림5F. 직접 증명S-BA-SAM의대폭 줄였다NiOx는칼슘 티타늄 인터페이스의 비방사성 복합 손실。

광염 과학 기술의 새로운 출시QFLS-Maper는재료 성능 한계 예측!

Enlitech QFLS-Maper는경제적인1/5투자 비용, 구현 가능매핑기능생성QFLS는영상, 직관적으로 준페미능급분포의 전모를 나타내고 재료품질의 우열이 즉시 나타난다!

우리를 주목하고, 최초의 기술 정보를 장악하라!

전류-전압(J-V)특성 및 안정된 출력(SPO)테스트

태양전지의 표준 조명에서의 광전 변환 성능을 측정하고 부품의 안정성을 평가한다.표준화J-V는테스트 용도 충족AM1.5G는스펙트럼 표준의 태양광 시뮬레이터.Enlitech는의SS-X는일련의 태양광 시뮬레이터는 여러 편의 문헌에서 인용되어 고도로 정확하고 안정적인 빛을 제공한다.

그림6C는하위 배터리와 최종 접이식 배터리를 보여드렸습니다.J-V는커브신형 을 거치다S-BA-SAM의최적화 후 넓은 에너지 갭(WBG)하위 배터리 효율은 대조 그룹의18.9%다음으로 올리기20.1%. 최종 조립된 전체 칼슘 티타늄 레이어 전지는 최고 28.5% 의 효율성.

그림6D부품이 연속되는 안정된 출력 곡선1 태양조명 추적 500 시간 후에도 초기 효율성 유지90%, 우수한 장기 안정성을 보여줍니다.

외량자효율(EQE)

연구팀이 사용했어요Enlitech는의REPS는측정 기구가 진행되었다EQE는측정, 측정 부품은 서로 다른 파장의 빛에 의해 전류의 효율을 발생시켜 부품이 서로 다른 스펙트럼에 대한 응답을 분석하고 이론적 단락 전류 밀도를 계산하는 데 사용한다(JSC), 및J-V는테스트 결과는 상호 검증됩니다.

그림6e전체 칼슘 티타늄 레이어 전지의EQE는스펙트럼 선, 짧은 파장 영역에서 넓은 에너지 갭 하위 배터리를 표시합니다 (약300-750nm) 및 좁은 에너지 갭(NBG)하위 배터리는 장파장 영역 (약650-900 nm)의 유효한 양자 효율입니다.에서EQE는포인트 계산된 하위 배터리JSC는값(16.0화16.2 mA cm의^-2)와J-V는테스트 결과가 잘 맞아떨어져 성능 데이터의 정확성을 입증했다.

광학 발광 양자 효율(PLQY)

재료나 박막 복사 복합의 효율을 반영하는 것은 비복사 복합 손실과 마이너스 관계가 있다.

그림S54는：NiOx/Me-4PACz/칼슘 티타늄 샘플의PLQY는순수 칼슘 티타늄 박막보다 현저히 낮아 다시 확인했습니다심각한 인터페이스 복합. 그리고NiOx/S-BA-SAM/칼슘 티타늄 샘플은 더 높은PLQY (0.247%), 및QFLS는일관된 결과증명 신형SAM은인터페이스 복합을 효과적으로 억제。

원자력 현미경(KPFM)

표면의 전세차를 측정하다.(CPD), 재료 함수와 인터페이스의 에너지 등급 배열, 균일성 및 결함 분포를 분석한다.

그림1시간：NiOx/SAM은표면KPFM는이미지 및CPD는분포도 표시,S-BA-SAM의처리의NiOx는표면CPD는더 좁은 분포, 표시SAM은층이 더 고르다.

그림4a-e는：칼슘 티타늄 매입 인터페이스KPFM는분석에서도S-BA-SAM의처리된 인터페이스CPD는배포FWHM는더 좁고 빛이 노화되면 전세 변화가 적어 인터페이스가 더 균일하고 안정적이라는 것을 의미한다.

X광전자 스펙트럼(XPS)

재료 표면의 원소 구성과 화학 상태를 분석하여 특히 연구에 사용한다SAM은와NiOx는상호 작용 및NiOx는화학적 변화.

그림1g：나이 2p3/2 XPS스펙트럼 선 표시,S-BA-SAM의처리의NiOx는비교Me-4PACz는처리의 피크 위치는 낮은 결합 에너지로 오프셋되어 있음을 나타냅니다.S-BA-SAM의와NiOx는그 사이에는 더 강한 전하 이동과 상호작용이 존재한다.

약각 입사X방사선 회절(GIXRD) /광각X방사선 산란(GIWAXS)

박막의 결정 구조, 결정 입자의 취향과 응력을 분석하다.

그림3i-k는：GIWAXS는스펙트럼에 따르면 대조조조 박막에 수정격의 기변으로 인한 연사봉 분열이 나타나고S-BA-SAM의박막은 이런 현상이 없다. 이는 응력이 비교적 작다는 것을 나타낸다.S-BA-SAM의칼슘 티타늄 박막 형성에 더 좋은(100)취향, 캐리어 전송에 유리합니다.

감지 결합 펄프 발사 스펙트럼(ICP-OES)

용액 중의 금속원소의 함량을 측정하여 평가에 사용한다.SAM은대NiOx는박막의 부식 정도.

그림S6는:이것/NiOx박막은 서로 다른 곳에 잠겨 있다SAM은용액 후, 사용S-BA-SAM의용액에 담근 박막에서 방출되는 니켈 함량(29 µg/L)사용량보다 훨씬 낮음Me-4PACz는용액의 박막(87 µg/L), 신형을 직접 실증했다S-BA-SAM의많이 줄었어요. 맞아요.NiOx는층의 부식 작용.

밀도 범함 이론(DFT)분자동력학(MD)시뮬레이션

깊이 이해하다SAM은분자와NiOx는표면 간의 흡착 메커니즘, 결합 에너지, 전하 분포, 에너지 수준 및SAM은형성 과정 중의 분자 행위.

그림1a-f：DFT는계산된 것SAM은분자가 있다NiOx는표면 (산소 함유 빈자리 표면 포함) 의 흡착 구조, 차분 전하 밀도 및 전자 국역 함수(ELF)그림.계산 결과 표시S-BA는와NiOx는특히 벤젠과 티오펜 헤드와니는사이에는 추가적인 상호작용이 존재한다.그림S1644는의MD는시뮬레이션은 보여줬어요.SAM은분자의 표면 분포는 균일하다균형성은 이론적으로 신형을 지지했다SAM은균일한 박막을 형성하는 데 도움이 되는 가설.

기타 표징

•전자현미경을 스캔하다(SEM)： 박막 표면과 부품 단면의 형상을 관찰하고 결정 입자의 크기, 형상, 결함 및 노화 후의 형상 변화를 평가한다.(그림6B, 그림3e-h는）

•광학 발광 분포(PL 매핑)： 필름 제공PL는강도의 공간 분포는 박막의 균일성과 결함 구역을 직관적으로 나타낸다.(그림 참조)S50는）

•시간 해석 광학 발광（TRPL）： 광생 캐리어의 수명을 측정하여 체상이나 인터페이스의 복합속도를 반영한다.S-BA-SAM의처리된 박막 캐리어의 수명이 더 길다。(그림5J）

•자외선 전자 스펙트럼(UPS)： 재료의 공함수와 에너지급 위치를 확정하면 에너지급도를 구축하고 전하 전송을 이해하는 데 도움이 된다.(그림4F）

•공간 전하 제한 전류(SCLC)분석: 빈 공간 전송 계층의 캐리어 이동률과 밀도를 평가합니다.S-BA-SAM의처리 후 빈혈 밀도가 낮아집니다.(그림S39은）

•전기화학 임피던스 스펙트럼(EIS)： 부품 내부의 전하 전송과 복합 임피던스를 분석합니다.S-BA-SAM의부품은 더 높은 복합 임피던스를 나타냅니다.(그림5i는）

•접촉 각도 측정: 평가 칼슘 티타늄 전구액은SAM은표면의 윤습성을 처리하여 박막의 성핵과 생장에 영향을 준다.(그림S34는）

•제자리(현장) UV-Vis흡수 스펙트럼 및PL는스펙트럼: 칼슘 티타늄 박막이 회전 도료 과정 중의 성핵과 결정 동력학을 모니터링하다.(그림2B, C）。

•비행 시간 이차 이온 스펙트럼(TOF-SIMS)： 부품 구조에서 각 원소의 깊이 분포를 분석하여 빛의 노화 과정에서 원소의 이동을 연구하는 데 사용한다.(그림S33는）

•푸리엽 변환 적외선 스펙트럼(FTIR)： 분석SAM은분자와 칼슘 티타늄 전구체 중FAI는분자 간의 상호작용(그림 참조)2a）。

결론

연구팀이 하나를 개발했어요.신형 약산성 붕산 기능화 자체 조립 단분자층(S-BA-SAM), 변질 전체 칼슘 티타늄 레이어 태양 전지 중 넓은 에너지 틈새 전지의NiO는x전동 전송층 인터페이스.

주요 연구 성과는 다음과 같습니다.

인터페이스 안정성 향상：S-BA-SAM의와NiO는x견고한 키 매듭 형성, 유효억제NiO는x부식기존 인산기보다 우수한 성능SAM은및 촉진 대상NiO는x표면적균일성막, 인터페이스 형태와 커버리지를 개선합니다.

필름 품질 최적화:인터페이스 변질은 칼슘 티타늄 박막 결정 과정을 현저하게 최적화하고 촉진한다균일 할로겐화물 분포그리고포토메트릭 분리 억제, 박막의 질과 광안정성을 대폭 향상시킨다.

캐리어 전송 개선:최적화된 인터페이스 특성 가속 캐리어 전송,비방사성 복합 손실 감소, 캐리어 수명을 효과적으로 연장합니다.

효율성 향상:최적화된 인터페이스 레이어의 넓은 에너지 갭 단결 배터리를 사용하여 광전 변환 효율은18.9%다음으로 올리기20.1%통합된 양단 레이어드 태양전지는28.5% PCE의 우수한 기록。

장기적인 안정성:넓은 에너지 틈새 덕분이다배터리의개선, 레이어부품 디스플레이운영 안정성, 에서1 태양최대 전력점 추적500시간 후,초기 효율성 유지90%이상。

문헌 참조: nature communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59515-6

이 글은 Enlitech 광염 과학 기술을 과학 연구 학술 공유에 사용하도록 개작한 것입니다. 만약 어떠한 권리침해가 있으면 편지로 알려주십시오