연구 배경과 도전

칼슘티타늄-유기 직렬 태양 전지 (POTSC는) 조절 가능한 장점을 바탕으로 이론적으로 돌파구를 갖춘 단일 접면 배터리Shockley-Queisser는극한의 잠재력.다른 직렬 기술에 비해POTSC는우세: 칼슘 티타늄 광층의 자외선 여과 특성은 조작 안정성을 향상시키고, 전체 박막 구조는 높은 생산량의 볼륨 대 볼륨 제조 과정을 지원하며, 일반 환경에서 유연한 기판에서 가공할 수 있으며, 특히 건축 통합, 차량 통합 및 휴대용 전자 제품 등 응용에 적합하다.

그러나,POTSC는주요 기술 병목 현상에 직면한 성장:현재 인증 효율성 (24.7%) 는 여전히 전체 칼슘 티타늄 스트립 배터리보다 낮습니다 (28.2%) 및 칼슘 티타늄- CIGS직렬 배터리 (24.2%）. 효율성 저하의 핵심 원인은좁은 에너지 갭 유기 저전지의 근적외선 전류 부족, 주요 원인은 다음과 같습니다.

1. 적용 재료 부족: 현재 고효율 좁은 에너지 갭 비프릴 수용체 결핍 (NFA는）。기존Y6는수용체의 광학 에너지 갭 (~ 1.33 eV) 반복 구조에 대한 이상적인 에너지 갭 (~ 1.00 eV) 는 여전히 보조 최적화입니다.

2. 에너지 단계 매칭 난제: 기존 감소NFA는에너지 갭의 전략 (예: 공멍 길이 연장, 분자 내 전하 이동 강화) 은 종종HOMO는에너지 계수가 지나치게 향상되어 중합물 시체와의 에너지 계수가 맞지 않게 되고, 나아가 격자 해리 효율에 영향을 미치며, 회로 전압과 충전 인자의 표현을 제한한다.

연구팀과 핵심 성과

연구 이유싱가포르 국립 대학 화학 및 생물 분자 공학과 및 싱가포르 태양 에너지 연구소의 허우 이(이호)教授지도자, 연구 성과는 최고 간행물 에 발표되었다자연》。

연구팀 대상POTSC는핵심 효율성 병목 현상은 다음과 같은 두 가지 핵심 혁신 전략을 제시합니다.

전략 1: 좁은 에너지 갭 유기 베이스 배터리 성능 향상 팀 설계 합성 신형 비대칭 비프릴 수체P2EH-1V는, 한면 공액 사용π브리지 전략은 광학 에너지 갭을 낮춘다1.27 eV이상적인 격자 해리와 나미의 모습을 동시에 유지한다.초속 순식간 흡수 스펙트럼을 통해 증명PM6는에P2EH-1V는의 고효율 빈 공간 이동 및 전기 발광 양자 효율 측정을 이용하여 비복사 전압 손실이0.26 eV대폭 감소0.20 eV。

전략 2: 넓은 에너지 틈 칼슘 티타늄 광상 배터리 인터페이스 최적화 신형 자체 조립 단분자층 개발Br-Ph-4PACz는, 브롬페닐기 대체기 유효 조정 공문과HOMO는에너지 단계, 칼슘 티타늄 광물의 에너지 밴드와 정렬을 개선하고 인터페이스 복합 손실을 감소합니다.자외선전자에너지스펙트럼, 켈빈탐침력현미경을 리용하여 에너지급의 정렬을 평가하고 안정된 광발광, 준페미에너지계분열측정을 통해 비복사복합감소와 내재전압향상을 실증한다.

획기적인 성과: 위의 혁신적인 전략과 결합하여POTSC는효율 달성26.7%, 상해 마이크로시스템 및 정보기술연구소의 독립적인 인증을 거쳐26.4%, 초과 기록1cm²면적 부품의세계 기록。

그림 4g

실험 절차 및 부품 제조

그림 4a

이 연구는 주로 두 가지 핵심 전략을 통해설계 및 제조고성능 태양전지 핵심 구성 요소, 최종통합기록적인 칼슘 티타늄 광산을 내다-유기 직렬 태양 전지.다음은 주요 실험 절차와 과정이다.

핵심 전략 을 연구 하다: 이 연구는 주로 두 가지 핵심 병목 현상을 중심으로 실험을 전개한다: 첫째, 향상좁은 에너지 갭 유기 베이스 배터리의 광전류, 둘째는 해결광에너지 틈 칼슘 티타늄 광상 전지의 전압 및 충전 계수 손실 문제.

좁은 에너지 갭 유기 베이스 배터리의 혁신적인 재료와 제조

• 신형 비대칭 비프릴 수용체(NFA) P2EH-1V의 성공적인 합성

• 연구팀설계 및 작성 성공새로운 형태의비대칭 비프릴 수용체P2EH-1V는。

• 이런 재료는 투과한다한쪽 멍에π브리지 정책광학 에너지 갭 최소화1.27 eV。

• 고효율 유기 배터리 유닛 부품 조립

• 단결 유기 태양 전지 채택ITO/MoOx/PM6: NFA/PDINN/Ag의 구조로 제조됩니다.

• 여기서,PM6는시체로 삼다、P2EH-1V는수용체로서, 둘 다 1:1.2의 배율 블렌드클로로포름 용액 중 총 농도는16 mg/ml의。

• 혼합 용액 을 돌려 바르다MoOx는층 위, 그 후 열퇴화 처리 를 하고 마지막 에 퇴적 하다PDINN은화Ag는전극이 완성되다.

광에너지 틈 칼슘 티타늄 광상 전지의 인터페이스 최적화 및 제조

• 신형 자체 조립 단분자층(SAM) Br-Ph-4PACz의 개발

• 연구팀개발 및 작성새로운 형태의자체 조립 단일 분자층Br-Ph-4PACz는。

• 이 재료는 도입을 통해브롬페닐기 대체기, 효율적인 관리 기능 및HOMO는에너지 계수는 칼슘 티타늄의 에너지 밴드와 잘 어울리도록 개선한다.

• 고성능 칼슘 티타늄 광상 전지 단위 부품의 제조

• 단결 광에너지 틈 칼슘 티타늄 태양 전지 채택이토/SAM/칼슘티타늄/ C60 / BCP / Ag의 구조로 제조됩니다.

• 우선, SAM (Br-Ph-4PACz)용액도안화에 돌려 칠했어ITO는유리 기판에 열을 가하다.

• 그런 다음특정 구성의 칼슘 티타늄 전구체 용해액(Cs0.25FA0.75 Pb (Br0.4I0.6) 3) 회전 도포SAM은층 위, 그리고 퇴화를 진행하여 칼슘 티타늄 박막을 형성한다.

• 마지막으로, 순서대로 퇴적한다EDAI2는용액,C60은、BCP는화Ag는전극으로 부품을 완성하다.

고효율 칼슘 티타늄-유기 직렬 태양 전지의 통합

• 직렬 부품 구조와 상호 연결층 설계 최적화

• 최종 칼슘 티타늄-유기 직렬 태양 전지는 채용되었다유리/ ITO / SAM칼슘티타늄/C 60/SnOx/ITO/MoOx/유기적/ PDINN / Ag의 전체 부품 아키텍처입니다.

• 핵심 상호 연결 계층칼슘 티타늄 광상 전지와 유기 바닥 전지 사이에 위치하며,C60은, 원자층 퇴적(ALD)의SnOx는, 튀는ITO는그리고 열증발의MoOx는 효율적인 전하 전송을 위해 구성됩니다.

• 전급 전지의흡수층 두께정밀 최적화 (칼슘 티타늄 광약290nm, 유기층 약110 nm) 를 사용하여 두 개의 배터리 간 전류 밀도의 균형을 맞춥니다.

표징 방법과 결과

준페르미 에너지 계단 분열(Quasi-Fermi 레벨 스플리팅, QFLS)

평가SAM은칼슘 티타늄 계면의 전압 손실과 비방사성 복합 억제 효과,QFLS는직접 반영 장치 향상VOC는잠재력을 개선하다.

강도 의존성 회로 전압 측정을 통한QFLS는분석 결과,Br-Ph-4PACz는처리된 칼슘 티타늄 박막은 현저한 인터페이스 최적화 효과를 보여준다.Br-Ph-4PACz/칼슘 티타늄 창고의 회로 전압(iVoc)도달1.38 V의, 보다 월등히 높음Me-4PACz칼슘 티타늄 창고의1.34 V의, 개선 폭 달성40 mV의. 이 결과는Br-Ph-4PACz는브롬페닐기 대체기 의 공함 조절 작용 을 통해 효과적으로 감소 하다SAM은칼슘 티타늄 계면과의 에너지 계급 실배, 계면 복합 손실 감소, 부품VOC는향상은 직접 구동력을 제공합니다.

그림3d단결 너비 에너지 틈 칼슘 티타늄 태양 전지 두 가지SAM은처리된VOC는손실 분석 비교.Br-Ph-4PACz는샘플은 더 높은QFLS는값 및 더 낮은 인터페이스 전압 손실, 브롬페닐기 관능화 직관화SAM은인터페이스 엔지니어링 최적화의 이점

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전류-전압(J-V)커브 측정

단결과 직렬 부품의 광전 전환 성능을 평가하여 재료 혁신과 부품 공정 최적화의 종합 효과를 직접 반영한다.

질소 충전 장갑 상자에서 시뮬레이션1일 오전 1.5G조명(100 mW cm)^-2)아래 측정 부동한 면적 부품(0.050 cm)²와1.019 cm²)성능

l PM6: P2EH-1V유기태양전지구현17.9% PCE돌파하다0.82 V의회로 전압,28.60 mA cm^-2고단락 전류 밀도 및76.5%계수를 채우다.

l Br-Ph-4PACz는칼슘 티타늄 태양 전지달성20.4% PCE, 구비1.37 V의초고회로 전압 및85.5%우수한 충전 계수.

l 칼슘티타늄-유기 직렬 태양 전지기록 달성26.7% PCE (VOC: 2.14 V, JSC: 15.15 mA cm)^-2, FF: 82.4%), 대면적 부품(1.019 cm)²)동일하게 유지26.7% PCE。

상해 마이크로시스템 및 정보기술연구소 독립인증 결과는26.4% PCE, 찬반 스캐닝이 일치하고 뚜렷한 지체 현상이 없으며, 이미 센티미터급 단결 칼슘 티타늄, 칼슘 티타늄을 인증했다- CIGS및 칼슘 티타늄-유기 직렬 전지의PCE는기록。

그림4B단결 유기전지, 칼슘 티타늄 전지와 직렬 전지를 전시하는J-V는곡선 조합은 세 가지 부품의 광전 파라미터를 뚜렷하게 비교하여 직렬 반복 구조가 전압 보너스와 전류 매칭 최적화 방면에서 뚜렷한 우세를 직관적으로 나타낸다.

그림4e전시경시미트인증의1cm²직렬 배터리J-V는커브, 정반대 스윕PCE는모두26.4%, 실제 응용에서 부품의 성능과 안정성을 확인합니다.

외부 양자 효율(외부 양자 효율성, EQE)측정

각 하위 배터리의 스펙트럼 응답과 전류 일치 정도를 평가하고, 직렬 배터리 중 상위 하위 배터리의 시너지 효과와 전류 균형을 검증한다.

PM6: P2EH-1V유기 전지인P2EH-1V는재료의 적색 이동 흡수 특성,EQE는적분 전류 밀도가 도달하다27.86 mA cm의^-2, 및J-V는테스트 결과가 매우 일치하다.(오차<3%)。칼슘티타늄-유기 직렬 전지중, 칼슘 티타늄 광상 전지와 유기 바닥 전지의EQE는포인트JSC는각각15.20 mA cm의^-2와15.14 mA cm의^-2. 두 하위 배터리 사이의 전류 밀도가 잘 일치한다는 것을 나타내며, 고효율 직렬 배터리를 실현하는 관건이다.

그림4D칼슘티타늄-유기 직렬 전지 중 칼슘 티타늄과 유기자 전지의EQE는커브 및 적분JSC는, 꼬치 배터리 중 두 개의 하위 배터리를 표시하는EQE는곡선은 서로 다른 파장광에 대한 흡수 기여와 적분 후 전류 밀도가 균형을 이루는 것을 분명히 보여준다

전기 발광 양자 효율(전기 발광 양자 효율성, EQEEL)측정

유기태양전지의 비복사에너지 손실과 복합메커니즘을 평가하여 사용Enlitech ELCT-3010(REPS)시스템부품에 외부 전압을 가하다/전류원을 측정하다.

P2EH-1V는혁신적인 수용체 재료는 비방사성 복합 억제 효과를 보여주며,P2EH는기준 부품에 비해P2EH-1V는부품의 총 에너지 손실 감소0.05 eV, 주로 비방사능 에너지 손실의 현저한 감소에서 비롯된다.0.26 eV대폭 개선0.20 eV. 이 결과는P2EH-1V는최적화된 분자 구조 설계를 통해 결함 상태 밀도와 비복사 복합 경로를 효과적으로 감소시킨다.

그림2F전시PM6 : P2EH、PM6: P2EH-1V와PM6: P2EH-2V유기태양전지의 에너지손실분석총화, 부동한 수체재료의 비복사에네르기손실을 똑똑히 대비해야(ΔEnon-rad)분포, 직관적 표현P2EH-1V는비방사성 복합을 억제하는 방면의 현저한 우세.

민감성EQE/부립엽 변환 광전류 분광기(민감한 EQE/FTPS)

유기태양전지의 상세한 에너지 손실 메커니즘 평가, 사용Enlitech PECT-600 (FTPS)시스템기록 민감도EQE는, 전기 발광 결합(EL)커브 진행가우스의의합 분석.

FTPS-EQE를와EL은커브 정밀 맞춤 결과 재확인P2EH-1V는부품의 비방사능 에너지 손실 억제 방면의 표현.커브 정렬 정도는 부품의 복사와 비복사 복합 과정의 균형을 직접 반영합니다.P2EH-1V는재료는 최적화된 전자구조설계를 통해 복사복합증강과 비복사손실감소의 이중효과를 실현한다.

그림2시간전시PM6: P2EH-1V혼합 재료의 부품의FTPS-EQE를전기 발광 곡선가우스의맞춤 대비, 두 커브의 높은 정렬과 정확한 정렬을 시각적으로 확인P2EH-1V는비방사능 에너지 손실을 줄이는 방면의 유효성.

기타 표징

자외선-가시 스펙트럼(UV 비스): 재료의 광흡수 특성을 표징하고 에너지 갭 조절 효과를 평가한다.P2EH-1V는흡수 선명한 홍이동 약80 nm, 광학 에너지 갭 감소1.27 eV, 근적외선 흡수 범위를 확장합니다.(그림1b)

입사 광각X방사선 산란(GIWAXS): 박막 결정 행위와 분자 퇴적 취향을 나타내고 전하 전송 경로를 평가한다.모든NFA는모두 우선적인 방향의 취향을 보이고PM6: P2EH-1V공혼막은 양호하고 질서 있게 퇴적되어 있다.(그림1D)

원자력 현미경(AFM): 박막의 표면 형태와 거친도를 평가하여 박막의 질을 반영한다.Br-Ph-4PACz는칼슘 티타늄 박막 표면 균일, 거친도 감소18.9 nm의, 보다 우수Me-4PACz는의22.2 nm의。(FigS). 27)

자외선 전자 스펙트럼(UPS): 재료 인터페이스 공함과 에너지 단계의 정렬 상황을 평가하고 인터페이스 전하 전송을 최적화한다.Br-Ph-4PACz는더 깊은 편지와 더 유리한 에너지 벨트를 정렬하여 인터페이스 에너지 손실을 줄인다.(그림3b)

켈빈 탐침력 현미경(KPFM): 계량화SAM은공문서 조정 효과, 인터페이스 공정 최적화 검증.KPFM는이미지 확인Br-Ph-4PACz는더욱 효과적으로 조절할 수 있다ITO는기판 공함 분포.(FigS). 18)

광학 발광 스펙트럼(PL)및 코크스PL는매핑: 비방사성 복합 손실과 박막의 균일성을 평가하여 결함 둔화 효과를 반영한다.Br-Ph-4PACz는칼슘 티타늄 박막PL는강도 5 배 증가,PLQY는에서0.41%대폭 증가1.82%。(그림3c)

순식간 흡수 스펙트럼(TA): 전하동력학과 공혈전이과정을 평가하고 격자해리효률을 검증한다.575 nm처시체GSB는동력학적 실증P2EH-1V는방향PM6는의 효율적인 공간 이동.(그림2D)

전하 해리율(Pdiss)분석: 광생 격자 전하 발생 효율을 평가하고 격자 해리 능력을 계량화한다.PM6: P2EH-1V부품Pdiss는달96.1%, 전하 발생 확률을 보여준다.(그림2e)

임피던스 스펙트럼(임피던스): 부품 전하 복합 저항을 연구하고 캐리어 전송 특성을 평가한다.Nyquist는그림 표시P2EH-1V는부품은 더 높은 복합 저항을 가지고 있으며, 전하 복합 손실은 비교적 낮다.(FigS는. 14)

순식간 광전류(TPC)측정: 전하 하중 유자 추출 수명을 측정하고 전하 수집 효율을 평가한다.Br-Ph-4PACz는부품 광전류 감쇠 수명이0.73 μs, 캐리어 추출 효율 향상.(그림3f)

접촉각 측정：研究SAM은윤습 특성, 박막 커버 균일성 평가.Br-Ph-4PACz는기저 접촉각이 내려가다10.4°, 칼슘 티타늄 전구체 윤습성과 박막 커버를 개선한다.(FigS). 22)

장기 최대 전력점(MPP)안정성 평가: 부품의 장기적인 조작 안정성을 평가하고 실용화 잠재력을 검증한다.패키징 직렬 배터리783시간 후 유지80%효율성,Br-Ph-4PACz는부품T80는최대550시간.(그림4시간)

단면 스캐닝 전자 현미경(SEM): 직렬 부품 구조와 각 층의 두께를 시각화하여 제조 정확성을 검증합니다.선명한 전시 최적화 후 칼슘 티타늄(~290 nm)유기적(~110 nm)흡수층 및 다층 상호 연결 구조.(그림4a)

결론

연구팀이 칼슘 티타늄에-유기직렬태양전지령역은 돌파적인 진전을 실현하고 이중혁신책략을 통해 기록적인 효률과 안정성을 성공적으로 달성하였다.

핵심 기술 혁신

혁신적인 소재 설계: 새로운 비대칭 비프릴 수용체 개발P2EH-1V는, 단방향 비닐 이중 결합을 통해π브리지 전략은 광학 에너지 갭을 낮춘다1.27 eV, 흡수 스펙트럼 레드 이동 약80 nm, 최대28.60 mA cm^-2단락 전류 밀도.최대 유기 배터리 효율17.9%, 비방사능 복합 손실은0.26 eV하강0.20 eV, 최대 전하 분리율96.1%。

인터페이스 엔지니어링 최적화: 자체 조립 단일 분자층 설계Br-Ph-4PACz는, 브롬벤젠 대체 기반 조정 공함을 통해 에너지 벨트와 정렬하여 칼슘 티타늄 박막을PL는강도 5 배 증가,PLQY는에서0.41%대폭 증가1.82%광에너지 틈 칼슘 티타늄 광상 배터리 효율20.4%, 구비1.37 V의높은 회로 전압 및85.5%계수를 채우다.

성능 표현

기록 효율: 칼슘 티타늄-유기 직렬 태양 전지 구현26.7% PCE, 상해 마이크로시스템 및 정보기술연구소의 독립적인 인증을 거쳐26.4%，현재 보도된 모든 센티미터급 단결 칼슘 티타늄, 칼슘 티타늄을 초월했다-칼슘 티타늄 및 칼슘 티타늄- CIGS직렬 배터리 기록. 에 대해 1 평방 미터의 유효 면적 부품, 안정적인 전력 변환 효율(PCE)도달 가능26.5%

우수한 안정성: 환경 조건에서 패키징 스트립 배터리(25°C의 85%상대 습도)경783시간MPP는추적 후 유지80%단결 유기 배터리보다 뛰어난 초기 효율T80전용180시간)。Br-Ph-4PACz는부품T80는최대550시간, 칼슘 티타늄 광층의 자외선 여과 효과가 장기적인 안정성에 대한 적극적인 작용을 실증한다.

출처: Nature_DOI: 10.1038/s41586-025-09181-x

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